Woda może kryć się pod stopami ponad 250 mil (400 kilometrów).
Tam płaszcz Ziemi styka się ze skorupą. Geologowie od dawna sądzili, że poniżej tej strefy przejściowej (od 255 mil lub 410 km głębokości) wypełniony wodą minerał zwany brucytem był niestabilny i tak rozkładał się, wysyłając cząsteczki wody płynące w kierunku powierzchni planety.
Ale nowe badania sugerują, że zanim brucyt - który stanowi 50 procent tlenku magnezu i 50 procent wody - rozkłada się, przekształca się w inną, bardziej stabilną strukturę 3D. Odkrycie, wyszczególnione online 21 listopada w czasopiśmie Proceedings of National Academy of Sciences, oznacza, że w głębi Ziemi znajduje się zapas wody, niż wcześniej sądzono.
„nie do końca oczekiwano” - powiedział współautor badań Andreas Hermann, wykładowca fizyki obliczeniowej na University of Edinburgh w Szkocji. „ponieważ ludzie studiowali ten materiał od dziesięcioleci i nikt nigdy nie pomyślał o tym, czy będzie kolejna faza, zanim w końcu się rozpadnie”.
Sondowanie głębokiej Ziemi
Naukowcy wcześniej sądzili, że brucyt pozostaje stabilny tylko do strefy przejściowej, warstwy o głębokości 155 mil (250 km) tuż poniżej górnego płaszcza. Po części struktura minerałów wpłynęła na ten pogląd. Brucyt jest materiałem warstwowym, w którym cząsteczki w każdej warstwie są silnie ze sobą związane, ale słabo połączone z innymi warstwami. Materiał taki jak ten, ściśnięty z wystarczającą presją, musi ulec pewnej zmianie. Naukowcy wcześniej zakładali, że w odpowiedzi na ciśnienie w strefie przejściowej, które osiąga około 200 000 atmosfer, brucyt rozpadnie się. (Jedna atmosfera to w przybliżeniu ciśnienie na poziomie morza).
Nie będąc w stanie bezpośrednio zbadać głębokiej Ziemi, Hermann i jego współautor Mainak Mookherjee, profesor geologii na Florida State University, zastosowali obliczenia kwantowo-mechaniczne, analizując różne możliwe struktury brucytu w warunkach głębokich.
„To jest przetwarzanie dużych zbiorów danych” - powiedział Hermann. „Tworzymy tysiące struktur, optymalizujemy je wszystkie i wykonujemy obliczenia na tyle dokładne, że jeśli coś wyróżnia się jako bardziej stabilne niż coś innego, możemy wiarygodnie powiedzieć, że tak jest”.
Brucyt jest dobrze zbadanym i stosunkowo prostym minerałem. Mimo to Hermann powiedział, że kluczem do nowych obliczeń było zignorowanie istniejących założeń dotyczących brucytu. Po kilku miesiącach prowadzenia różnych struktur za pomocą programu komputerowego naukowcy odkryli nieznaną wcześniej fazę brucytu, która byłaby w stanie wytrzymać wysokie ciśnienia występujące w dolnym płaszczu.
Nawet w tej nowej fazie brucytu naukowcy nadal nie są w stanie bezpośrednio zmierzyć ilości substancji w płaszczu ani ilości wody w tym minerale. Jednak Hermann i Mookherjee opracowali właściwości sprężyste nowej fazy brucytu. Wiedząc o tym, powiedział Hermann, sejsmolodzy mogą być w stanie wykryć, ile brucytu znajduje się w płaszczu, ponieważ sygnatury trzęsień ziemi różnią się w zależności od elastyczności skały, przez którą się przemieszczają.
Dlaczego brucyt ma znaczenie
Aktualne szacunki sugerują, że głęboka Ziemia może pomieścić tyle wody, ile wszystkie oceany na powierzchni planety łącznie. Ten rezerwuar wody i dodatkowy brukit rowy mogą również być niezwykle ważne dla przepływu materiałów przez Ziemię. Gdy minerały zawierające wodę przemieszczają się w dół przez warstwy Ziemi, materiały w końcu ulegają rozkładowi, uwalniając wodę, która wraca na powierzchnię, często w wyniku aktywności wulkanicznej.
Woda jest niezbędna do recyklingu minerałów poprzez wulkanizm i tektonikę płyt, ponieważ zapewnia smarowanie potrzebne do przemieszczania się różnych materiałów skalnych, tak jak ma to miejsce w strefach subdukcji. Pomaga również w rozpuszczeniu się niektórych materiałów podczas ruchu przez cykl skalny. Bez wody, powiedział Hermann, planeta stanąłaby w martwym punkcie geologicznym. Oznacza to brak nowej skorupy lub gleby oraz zatrzymanie wulkanizmu; zmiany te mogą mieć katastrofalne skutki dla ziemi i atmosfery planety.
Oprócz potencjalnie zmieniającej się wiedzy naukowców na temat zbiorników wodnych daleko pod powierzchnią Ziemi, Hermann powiedział, że te badania popierają nowy sposób myślenia o głębokiej Ziemi w ogóle. Powiedział, że naukowcy nie znaleźliby tej nowej fazy, gdyby faworyzowali zaakceptowaną wersję.
