В то время как температура поверхности и атмосферы нашей планеты колеблется в течение тысячелетий, ее расплавленная внутренняя часть непрерывно охлаждается на протяжении примерно 4,5 миллиарда лет с момента формирования Земли.
Вращающееся, конвекционное динамо глубоко внутри Земли создает огромное магнитное поле, невидимую структуру, которая, по словам ученых, защищает наш мир и позволяет жизни процветать. Кроме того, считается, что мантийная конвекция, тектоническая активность и вулканизм помогают поддерживать жизнь за счет стабилизации глобальных температур и углеродного цикла.
Поскольку внутренняя часть Земли остывает и будет продолжать охлаждаться, это означает, что в конечном итоге она затвердеет, и геологическая активность прекратится. Возможно, это превратит Землю в голую скалу, подобную Марсу или Меркурию. Новое исследование показало, что это может произойти раньше, чем мы полагали.
Предметом исследования ученых стал бриджманит – пограничный минерал, располагающийся между внешним железно-никелевым ядром Земли и расплавленной жидкой нижней мантией над ним. От того, насколько быстро этот минерал проводит тепло, зависит, как быстро тепло просачивается через ядро в мантию.
Определить эту скорость не так просто, как проверить проводимость бриджманита в окружающих атмосферных условиях. Теплопроводность может варьироваться в зависимости от давления и температуры, которые сильно различаются в глубине нашей планеты.
Чтобы преодолеть эту трудность, группа ученых под руководством планетолога Мотохико Мураками из Швейцарской высшей технической школы в Цюрихе облучила монокристалл бриджманита импульсными лазерами, одновременно увеличив его температуру до 2440 Кельвинов (2166 градусов по Цельсию) и давление до 80 гигапаскалей. Это близко к условиям в нижней мантии с их 2630 Кельвинами (2356 градусов по Цельсию) и 127 гигапаскалями давления.
«Эта измерительная система позволила нам показать, что теплопроводность бриджманита примерно в 1,5 раза выше, чем предполагалось», – Мотохико Мураками.
В свою очередь, это означает, что поток тепла от ядра к мантии выше, чем мы думали, и, следовательно, скорость, с которой остывают недра Земли тоже выше. И этот процесс может ускориться. При охлаждении бриджманит превращается в другой минерал, называемый постперовскитом, который обладает еще большей теплопроводностью и, следовательно, увеличивает скорость потери тепла из ядра в мантию.
«Наши результаты могут дать нам новый взгляд на эволюцию динамики Земли. Они предполагают, что Земля, как и другие твердые планеты Меркурий и Марс, остывает и становится неактивной гораздо быстрее, чем ожидалось», – говорит Мураками.
Однако, насколько быстрее это происходит, неизвестно. Охлаждение всей планеты – это не то, что хорошо изучено. Марс остывает немного быстрее, потому что он значительно меньше Земли, но есть и другие факторы, которые могут играть роль в том, насколько быстро остывают недра планеты.
Например, при распаде радиоактивных элементов может выделяться тепло, достаточное для поддержания вулканической активности. Такие элементы являются одним из основных источников тепла в мантии Земли, но их вклад недостаточно изучен.
Ученые отмечают, что Земля, вероятно, станет непригодной для жизни из-за других механизмов задолго до того, как превратится в пустынную каменную глыбу.