Глубоко под землей на поверхности нашей планеты набирает скорость струя расплавленного железа, температура которой почти равна температуре на поверхности Солнца. Этот поток жидкости был впервые обнаружен во время сбора данных о магнитных полях на глубине 3000 км под Северной Америкой и Россией.
С 2000 года огромный поток шириной около 420 км утроил свою скорость и сейчас циркулирует глубоко под Сибирью, перемещаясь в сторону Европы на 40-45 км в год. Это втрое быстрее, чем обычная скорость перемещения жидкого вещества во внешнем ядре Земли.
Прямо к ядру
«Это выдающееся открытие, — говорит руководитель группы ученых Фил Ливермор (Phil Livermore) из Лидского университета. — Нам было известно, что жидкое ядро движется вокруг твердого, но до недавнего времени у нас было недостаточно данных, чтобы обнаружить этот удивительный поток».
«О Солнце мы знаем больше, чем о земном ядре, — говорит другой участник команды Крис Финли (Chris Finlay) из Датского технического университета в Конгенс Люнгбю. — Обнаружение этой струи — захватывающий шаг в изучении внутренних процессов нашей Земли».
Открытие стало возможным благодаря объединению исследовательских мощностей трех спутников Европейского космического агентства под названием Swarm, запущенных в 2013 году. С орбиты они измеряют магнитное поле Земли на глубине до 3000 км от поверхности, где расплавленное внешнее ядро граничит с твердой мантией.
«Использование всех трех спутников дало нам возможность отделить магнитные поля ионосферы и земной коры и получить наиболее подробную картину колебаний на границе мантии и внешнего ядра», — объясняет Ливермор.
Применение новых данных при построении моделей позволило ученым выяснить, как колебания изменялись со временем.
Невидимая река
Магнитное поле Земли возникает в результате движения расплавленного железа во внешнем ядре, поэтому изучение магнитного поля может помочь узнать подробности относительно поведения ядра, от которого это поле зависит.
В процессе исследования струи были изучены две необычайно мощные полосы магнитного потока, исходящие от границы внешнего ядра и мантии, расположенных соответственно под Канадой и Сибирью. Они перемещаются по мере движения потока расплавленного железа. Поскольку их сдвиг обусловлен только физическим перемещением расплавленного железа, они служат маркерами, с помощью которых можно отслеживать железную струю.
Ливермор сравнивает эту работу с наблюдением за течением реки ночью при помощи плывущих по течению свечей. «Перемещаясь, железо тянет за собой магнитное поле. Мы не можем видеть сам поток железа, только магнитные полосы», — объясняет он.
По его словам, у найденной струи жидкого вещества может быть аналог в южном полушарии, но там нельзя геомагнитными методами отслеживать течение магмы, поскольку не обнаруживается различимых магнитных потоков.
Вращающиеся цилиндры
Ливермор с коллегами утверждают, что струя сформировалась в результате движения потока расплавленного железа вокруг твердого ядра.
Вплотную к твердому ядру во внешнем ядре имеются вращающиеся цилиндры из расплавленного железа. Они перемещаются с севера на юг. В местах, где цилиндры впечатываются в поверхность твердого ядра, они действуют как пара катков, выдавливая в стороны дополнительные объемы железа, в результате чего и возникает струя.
Так зарождаются и начинают движение два напоминающих лепестки магнитных поля, которые обнаружили и отследили при помощи спутников.
Вопрос, почему магнитная струя ускоряется, — больше, чем просто загадка. Он может быть связан с вращением внутреннего ядра, которое, как выяснилось в 2005 году, движется чуть быстрее, чем земная кора, говорит Сяодун Сонг (Xiaodong Song) из Иллинойсского университета в Шампейне.
Сяодун был членом команды ученых, которая сделала открытие 2005 года, используя сейсмологические данные. «Было бы интересно связать данные сейсмологических и геомагнитных наблюдений и представить их в виде общего процесса в жидком ядре», — считает исследователь.
По предположению Ливермора, ускорение струи снижается по мере удаления от магнитных полей. Течение расплавленного железа создает магнитные поля, но, как он говорит, в дальнейшем магнитное поле также может воздействовать на движение железа.
Изучение расплавленной струи позволит геофизикам лучше понять поведение земного ядра и выделить факторы, влияющие на силу магнитного поля Земли.
Смена полярности
«Если мы поймем, откуда берется поле, то поймем, и как оно меняется со временем, и будет ли оно ослабевать и снова усиливаться», — говорит Ливермор.
С ним согласны и другие геофизики. «Чем лучше мы понимаем поведение ядра в различных временных и пространственных масштабах, тем больше у нас надежды узнать о возникновении, обновлении и будущем магнитного поля», — утверждает Уильям Браун (William Brown) из группы изучения геомагнетизма Британской геологической службы.
Есть подозрение, что магнитное поле Земли ослабевает примерно на 5% за сто лет, в особенности после 1840 года. Изучение потока магмы могло бы помочь геофизикам более точно предсказать, где и когда магнитное поле ядра нашей планеты перевернется, так что северный и южный магнитные полюса поменяются местами, что происходит каждые несколько тысяч лет.