Η σύνθεση του όγκου, του εξωτερικού πυρήνα της Γης, δεν είναι καθαρός σίδηρος αλλά έχει έλλειμμα πυκνότητας περίπου 5–10%, υποδηλώνοντας την ύπαρξη σημαντικής ποσότητας ελαφρών στοιχείων στον εξωτερικό πυρήνα, συμπεριλαμβανομένου πιθανώς υδρογόνου, άνθρακα, άζωτο, οξυγόνο, θείο και πυρίτιο. Αυτές είναι οι παρατηρήσεις της σεισμικής ταχύτητας κύματος και της πυκνότητας του εξωτερικού πυρήνα της Γης.

Καθώς η Γη ψύχεται, η κρυστάλλωση του υγρού σιδήρου απελευθερώνει ελαφριά στοιχεία και ο στερεός εσωτερικός πυρήνας μεγαλώνει. Η χρονική κλίμακα της διαδικασίας στερεοποίησης του σιδήρου και η σχετική μεταφορά (γεωδύναμο) παραμένουν ασαφή. 

Εάν τα απελευθερωμένα ελαφρά στοιχεία συγκεντρωθούν τοπικά, μπορεί να έχουν ανιχνεύσιμο αντίκτυπο στην τοπική σεισμική ταχύτητα κυμάτων. Τα σεισμικά κύματα που παράγονται από μεγάλους σεισμούς παρέχουν μια άμεση δειγματοληψία του εξωτερικού πυρήνα της Γης. Η ταχύτητα με την οποία το σεισμικό κύμα διαδίδεται μέσω του εξωτερικού πυρήνα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον περιορισμό των πλευρικών ετερογενειών στον εξωτερικό πυρήνα.

Δύο σεισμοί, ίδια περιοχή, και εκπληκτική διαφορά

Τον Μάιο του 1997, ένας μεγάλος σεισμός ταρακούνησε την περιοχή των νησιών Kermadec στον Νότιο Ειρηνικό Ωκεανό. Σχεδόν 20 χρόνια αργότερα, τον Σεπτέμβριο του 2018, ένας δεύτερος μεγάλος σεισμός έπληξε την ίδια τοποθεσία, με τα κύματα της σεισμικής ενέργειας να προέρχονται από την ίδια περιοχή.

Αν και οι σεισμοί σημειώθηκαν με διαφορά δύο δεκαετιών, επειδή συνέβησαν στην ίδια περιοχή, αναμένεται να στείλουν σεισμικά κύματα μέσω των στρωμάτων της Γης με την ίδια ταχύτητα, δήλωσε ο Γινγκ Τζου, γεωεπιστήμονας Τμήμα Γεωεπιστημών στο Virginia Tech Κολλέγιο Επιστήμης.

Αλλά σε δεδομένα που καταγράφηκαν σε τέσσερις από τους περισσότερους από 150 σταθμούς του Παγκόσμιου Σεισμογραφικού Δικτύου που καταγράφουν σεισμικές δονήσεις σε πραγματικό χρόνο, ο Zhou βρήκε μια ανωμαλία μεταξύ των δύο γεγονότων: Κατά τη διάρκεια του σεισμού του 2018, ένα σύνολο σεισμικών κυμάτων γνωστά ως κύματα SKS ταξίδεψε περίπου ένα δευτερόλεπτο ταχύτερα από τους ομολόγους τους το 1997.

Σύμφωνα με τον Zhou, τα ευρήματα του οποίου δημοσιεύθηκαν πρόσφατα στο Επικοινωνίες Φύσης Γη & Περιβάλλον, αυτή η απόκλιση ενός δευτερολέπτου στον χρόνο ταξιδιού των κυμάτων SKS μας δίνει μια σημαντική και άνευ προηγουμένου εικόνα του τι συμβαίνει βαθύτερα στο εσωτερικό της Γης, στον εξωτερικό πυρήνα της.

Η εσωτερική δομή έχει τη μεγαλύτερη σημασία

Ο εξωτερικός πυρήνας βρίσκεται ανάμεσα στον μανδύα, το παχύ στρώμα βράχου κάτω από τον φλοιό της Γης, και τον εσωτερικό πυρήνα, το βαθύτερο εσωτερικό στρώμα του πλανήτη. Αποτελείται κυρίως από υγρό σίδηρο που υφίσταται συναγωγή ή ροή ρευστού, καθώς η Γη ψύχεται. Αυτός ο στροβιλισμός υγρού μετάλλου που προκύπτει παράγει ηλεκτρικά ρεύματα που είναι υπεύθυνα για τη δημιουργία του μαγνητικού πεδίου της Γης, το οποίο προστατεύει τον πλανήτη και όλη τη ζωή σε αυτόν από την επιβλαβή ακτινοβολία και τους ηλιακούς ανέμους.

Χωρίς το μαγνητικό της πεδίο, η Γη δεν θα μπορούσε να διατηρήσει τη ζωή και χωρίς τις κινούμενες ροές υγρού μετάλλου στον εξωτερικό πυρήνα, το μαγνητικό πεδίο δεν θα λειτουργούσε. Αλλά η επιστημονική κατανόηση αυτής της δυναμικής βασίζεται σε προσομοιώσεις, είπε ο Zhou, αναπληρωτής καθηγητής. «Γνωρίζουμε μόνο ότι θεωρητικά, εάν έχετε συναγωγή στον εξωτερικό πυρήνα, θα είστε σε θέση να δημιουργήσετε το μαγνητικό πεδίο», είπε.

Οι επιστήμονες μπόρεσαν επίσης να κάνουν εικασίες σχετικά με την πηγή των σταδιακών αλλαγών στην ισχύ και την κατεύθυνση του μαγνητικού πεδίου που έχουν παρατηρηθεί, η οποία πιθανότατα περιλαμβάνει αλλαγές στις ροές στον εξωτερικό πυρήνα.

«Αν κοιτάξετε τον βόρειο γεωμαγνητικό πόλο, αυτή τη στιγμή κινείται με ταχύτητα περίπου 50 χιλιομέτρων [31 μίλια] το χρόνο», είπε ο Zhou. «Απομακρύνεται από τον Καναδά και προς τη Σιβηρία. Το μαγνητικό πεδίο δεν είναι το ίδιο κάθε μέρα. Αλλάζει. Δεδομένου ότι αλλάζει, υποθέτουμε επίσης ότι η μεταφορά στον εξωτερικό πυρήνα αλλάζει με το χρόνο, αλλά δεν υπάρχουν άμεσες ενδείξεις. Δεν το έχουμε δει ποτέ.”

Ο Ζου ξεκίνησε να βρει αυτά τα στοιχεία. Οι αλλαγές που συμβαίνουν στον εξωτερικό πυρήνα δεν είναι δραματικές, είπε, αλλά αξίζουν να επιβεβαιωθούν και βασικά να κατανοηθούν. Στα σεισμικά κύματα και τις αλλαγές στην ταχύτητά τους σε μια χρονική κλίμακα δεκαετίας, ο Zhou είδε ένα μέσο για «άμεση δειγματοληψία» του εξωτερικού πυρήνα. Αυτό συμβαίνει επειδή τα κύματα SKS που μελέτησε περνούν ακριβώς μέσα από αυτό.

Το "SKS" αντιπροσωπεύει τρεις φάσεις του κύματος: Πρώτα περνά μέσα από τον μανδύα ως κύμα S, ή κύμα διάτμησης. στη συνέχεια στον εξωτερικό πυρήνα ως κύμα συμπίεσης. στη συνέχεια πίσω έξω μέσα από το μανδύα ως κύμα S. Το πόσο γρήγορα ταξιδεύουν αυτά τα κύματα εξαρτάται εν μέρει από την πυκνότητα του εξωτερικού πυρήνα που βρίσκεται στην πορεία τους. Εάν η πυκνότητα είναι μικρότερη σε μια περιοχή του εξωτερικού πυρήνα καθώς το κύμα τη διαπερνά, το κύμα θα ταξιδέψει πιο γρήγορα, όπως έκαναν τα ανώμαλα κύματα SKS το 2018.

«Κάτι έχει αλλάξει στην πορεία αυτού του κύματος, οπότε μπορεί να πάει πιο γρήγορα τώρα», είπε ο Zhou.

Για τον Zhou, η διαφορά στην ταχύτητα του κύματος δείχνει περιοχές χαμηλής πυκνότητας που σχηματίζονται στον εξωτερικό πυρήνα τα 20 χρόνια από το 1997 σεισμός. Αυτή η υψηλότερη ταχύτητα κύματος SKS κατά τη διάρκεια του σεισμού του 2018 μπορεί να αποδοθεί στην απελευθέρωση ελαφρών στοιχείων όπως το υδρογόνο, ο άνθρακας και το οξυγόνο στον εξωτερικό πυρήνα κατά τη διάρκεια της μεταφοράς που λαμβάνει χώρα καθώς η Γη ψύχεται, είπε.

«Το υλικό που υπήρχε πριν από 20 χρόνια δεν υπάρχει πια», είπε ο Zhou. «Αυτό είναι νέο υλικό και είναι πιο ελαφρύ. Αυτά τα φωτεινά στοιχεία θα κινηθούν προς τα πάνω και θα αλλάξουν την πυκνότητα στην περιοχή όπου βρίσκονται».

Για τον Zhou, είναι απόδειξη ότι η κίνηση συμβαίνει πραγματικά στον πυρήνα, και αλλάζει με την πάροδο του χρόνου, όπως έχουν υποστηρίξει οι επιστήμονες. «Μπορούμε να το δούμε τώρα», είπε. «Εάν είμαστε σε θέση να το δούμε από τα σεισμικά κύματα, στο μέλλον, θα μπορούσαμε να δημιουργήσουμε σεισμικούς σταθμούς και να παρακολουθήσουμε αυτή τη ροή».

Τι έπεται

Χρησιμοποιώντας μια μέθοδο μέτρησης κυμάτων γνωστή ως συμβολομετρία, η ομάδα της σχεδιάζει να αναλύσει συνεχείς σεισμικές καταγραφές από δύο σεισμικούς σταθμούς, ο ένας από τους οποίους θα χρησιμεύσει ως «εικονική» πηγή σεισμού, είπε.

«Μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε τους σεισμούς, αλλά ο περιορισμός του να βασιζόμαστε σε δεδομένα για τους σεισμούς είναι ότι δεν μπορούμε πραγματικά να ελέγξουμε τις τοποθεσίες των σεισμών», είπε ο Zhou. «Αλλά μπορούμε να ελέγξουμε τις θέσεις των σεισμικών σταθμών. Μπορούμε να τοποθετήσουμε τους σταθμούς οπουδήποτε θέλουμε, με τη διαδρομή του κύματος από τον ένα σταθμό στον άλλο σταθμό να περνάει από τον εξωτερικό πυρήνα. Αν το παρακολουθήσουμε με την πάροδο του χρόνου, τότε μπορούμε να δούμε πώς αλλάζουν τα σεισμικά κύματα που διεισδύουν στον πυρήνα μεταξύ αυτών των δύο σταθμών. Με αυτό, θα είμαστε καλύτερα σε θέση να δούμε την κίνηση του ρευστού στον εξωτερικό πυρήνα με τον καιρό».

Φουτουριστική άποψη:

Οι παρατηρήσεις σε αυτή τη μελέτη δείχνουν ότι ο εξωτερικός πυρήνας απέχει πολύ από το να είναι καλά αναμεμειγμένος σε χρονική κλίμακα δεκαετίας και οι πλευρικές ετερογένειες που σχετίζονται με τη μεταφορά του εξωτερικού πυρήνα είναι αρκετά ισχυρές ώστε να παράγουν σεισμικές αλλαγές στην ταχύτητα κύματος ανιχνεύσιμες σε καταγραφές σεισμών. Αυτό ανοίγει τη δυνατότητα παρακολούθησης χρονικών αλλαγών στον εξωτερικό πυρήνα χρησιμοποιώντας σεισμικά δεδομένα.

Εφημερίδα αναφοράς

1. Zhou, Y. Η παροδική διακύμανση στην ταχύτητα των σεισμικών κυμάτων δείχνει γρήγορη κίνηση ρευστού στον εξωτερικό πυρήνα της Γης. Commun Earth Environ 3, 97 (2022). DOI: 10.1038/s43247-022-00432-7