Несмотря на то что наши космические аппараты уже преодолели миллиарды километров, пронзая межзвездное пространство, недра родной планеты остаются для человечества практически «терра инкогнита». Мы едва поцарапали поверхность земной коры, так и не сумев заглянуть глубже этого тонкого защитного слоя.
Наши знания о внутреннем устройстве Земли опираются на фундаментальные геофизические данные. Мы понимаем, что планета состоит из твердой коры, вязкой мантии, жидкого внешнего и металлического внутреннего ядра. Однако динамические процессы, протекающие на этих границах, долгое время оставались загадкой. В свежих научных работах исследователи обратились к земному магнетизму, чтобы детально изучить одну из самых критических зон — границу между ядром и мантией.
На глубине около 3000 километров под поверхностью бушует колоссальный океан расплавленного железа. Его непрерывное движение порождает «геодинамо» — глобальное магнитное поле, которое служит надежным щитом от жесткого космического излучения. Для поддержания этого силового поля в течение миллиардов лет требуется невероятное количество энергии.
Первоначальный жар сохранился в недрах еще со времен формирования планеты. Тепловые потоки стремятся наружу, проходя сквозь мантию и кору. Если бы этот процесс теплообмена прекратился, Земля разделила бы участь Марса или Венеры, превратившись в геологически и магнитно мертвый мир.
Загадочные структуры мантии
Сейсмологические карты фиксируют аномальные изменения скорости акустических волн в нижних слоях мантии. Особенно выделяются две гигантские области, расположенные в экваториальной зоне под Африканским континентом и Тихим океаном. В этих регионах сейсмические волны замедляются, что указывает на особые физические свойства вещества.
Природа этих «крупных низкоскоростных провинций» (так называемых «блобов») до конца не изучена. Хотя они состоят из твердых пород, их температура или химический состав существенно отличаются от окружающей среды. Поскольку мантия движется крайне медленно — буквально на миллиметры в год — любые температурные аномалии на её границе с ядром могут оказывать влияние на магнитное поле на протяжении миллионов лет.
От палеомагнетизма к цифровым моделям
Новое исследование подтверждает гипотезу о том, что эти структуры значительно горячее окружающей среды. Этот фактор определял конфигурацию магнитного поля планеты как минимум последние 250 миллионов лет.
Ключ к разгадке был найден в магматических породах. При застывании лавы содержащиеся в ней минералы фиксируют направление магнитного поля в конкретной точке и времени. Анализ образцов возрастом в четверть миллиарда лет показал странную закономерность: магнитные характеристики пород зависели не только от широты, но и от долготы места их образования. Этот эффект был наиболее выражен в тропических широтах, что навело ученых на мысль о влиянии глубинных структур мантии.
Для подтверждения догадки были проведены сложные вычисления на суперкомпьютерах. Модели, предполагавшие равномерный отвод тепла от ядра, не давали картины, схожей с реальностью — они либо показывали хаотичное состояние поля, либо не учитывали долготную изменчивость.
Ситуация изменилась, когда в модель ввели температурные контрасты. Выяснилось, что если тепловой поток в зонах расположения «блобов» в два раза слабее, чем в остальной мантии, компьютерная симуляция начинает в точности воспроизводить данные, зафиксированные в древних камнях.
Эти раскаленные массивы работают как теплоизоляторы. Они блокируют охлаждение жидкого металла непосредственно под ними, создавая зоны застоя. Поскольку для генерации магнитного поля необходимо активное движение жидкости, такие «экранированные» области не участвуют в процессе, но формируют специфическую структуру поля, которую мы наблюдаем на поверхности.
Интересно, что наличие этих структур делает магнитное поле более устойчивым к инверсиям (смене полюсов) и коллапсам. Хотя геомагнитный щит иногда ослабевает, принимая сложную многополярную форму, «блобы» способствуют его быстрой стабилизации.
Несмотря на то что природа этих гигантских образований в недрах Земли всё еще изучается, уже сейчас ясно: именно им мы обязаны стабильностью магнитного щита, который делает нашу планету пригодной для жизни.
