Gorące, lepkie centrum Ziemi i jego zimna, twarda powłoka zewnętrzna są odpowiedzialne za pełzający (a czasem katastrofalny) ruch płyt tektonicznych. Ale teraz nowe badania ujawniają intrygującą równowagę sił - tryskający płaszcz tworzy superkontynenty, a skorupa je rozrywa.
Aby dojść do tego wniosku na temat procesu tektoniki płyt, naukowcy stworzyli nowy model komputerowy Ziemi ze skorupą i płaszczem uważanym za jeden jednolity system. Z biegiem czasu około 60% ruchu tektonicznego na powierzchni tej wirtualnej planety było napędzane dość płytkimi siłami - w ciągu pierwszych 62 mil (100 kilometrów) powierzchni. Głęboka, wzburzona konwekcja płaszcza napędzała resztę. Płaszcz stał się szczególnie ważny, gdy kontynenty złączyły się, tworząc superkontynenty, podczas gdy płytkie siły dominowały, gdy superkontynenty rozpadły się w modelu.
Ta „wirtualna Ziemia” jest pierwszym modelem komputerowym, który „widzi” skorupę i płaszcz jako wzajemnie połączony, dynamiczny system, jak donosili naukowcy 30 października w czasopiśmie Science Advances. Wcześniej badacze tworzyli modele konwekcji cieplnej w płaszczu, która całkiem dobrze pasowała do obserwacji prawdziwego płaszcza, ale nie naśladowała skorupy. A modele tektoniki płyt w skorupie mogą przewidywać obserwacje w rzeczywistych warunkach ruchu tych płyt, ale nie pasują dobrze do obserwacji płaszcza. Najwyraźniej czegoś brakowało w sposobie, w jaki modele łączyły oba systemy.
„Modele konwekcyjne były dobre dla płaszcza, ale nie dla płyt, a tektonika płyt była dobra dla płyt, ale nie dla płaszcza” - powiedział Nicolas Coltice, profesor w szkole podyplomowej Ecole Normale Supérieure na Uniwersytecie PSL w Paryżu. „Cała historia ewolucji systemu polega na sprzężeniu zwrotnym między nimi”.
Skórka plus płaszcz
Każdy model ziemskiego wnętrza szkoły pokazuje cienką warstwę skorupy jadącą na gorącej, odkształcalnej warstwie płaszcza. Ten uproszczony model może sprawiać wrażenie, że skorupa po prostu surfuje po płaszczu, jest przesuwana w ten sposób i przez niewytłumaczalne prądy poniżej.
Ale to nie do końca prawda. Ziemscy naukowcy od dawna wiedzą, że skorupa i płaszcz są częścią tego samego układu; są ze sobą nierozerwalnie związane. To zrozumienie nasuwa pytanie, czy siły na powierzchni - takie jak zniesienie jednego kawałka skorupy pod innym - czy siły głęboko w płaszczu, napędzają przede wszystkim ruch płyt tworzących skorupę. Coltice i jego koledzy znaleźli odpowiedź, że pytanie jest źle postawione. To dlatego, że dwie warstwy są tak splecione, że obie wnoszą swój wkład.
W ciągu ostatnich dwóch dekad Coltice powiedział Live Science, że naukowcy pracują nad modelami komputerowymi, które mogłyby realistycznie przedstawiać interakcje między płaszczem a skorupą. Na początku XXI wieku niektórzy naukowcy opracowali modele ruchów cieplnych (konwekcji) w płaszczu, które w naturalny sposób dały początek efektowi przypominającemu tektonikę płyt na powierzchni. Ale te modele były pracochłonne i nie wymagały wielu dalszych działań, powiedział Coltice.
Coltice i jego koledzy pracowali przez osiem lat nad nową wersją modeli. Samo uruchomienie symulacji zajęło 9 miesięcy.
Budowanie modelu Ziemi
Coltice i jego zespół musieli najpierw stworzyć wirtualną Ziemię, zawierającą realistyczne parametry: wszystko, od przepływu ciepła do wielkości płyt tektonicznych po czas, jaki zwykle zajmuje formowanie się i rozpad superkontynentów.
Coltice powiedział, że istnieje wiele sposobów, w jakie model ten nie jest idealnym naśladowaniem Ziemi. Na przykład program nie śledzi poprzedniej deformacji skał, więc skały, które zdeformowały się wcześniej, nie są podatne na odkształcanie się łatwiej w przyszłości w swoim modelu, jak może być w rzeczywistości. Ale model nadal stworzył realistycznie wyglądającą wirtualną planetę, wraz ze strefami subdukcji, dryfem kontynentalnym oraz grzbietami i rowami oceanicznymi.
Oprócz wykazania, że siły płaszcza dominują, gdy kontynenty się łączą, naukowcy odkryli, że gorące kolumny magmy zwane pióropuszami płaszcza nie są głównym powodem rozpadu kontynentów. Coltice powiedział, że strefy subdukcji, w których jeden kawałek skorupy jest zmuszany pod drugą, są przyczyną rozpadu kontynentu. Płaszcze płaszczowe wchodzą do gry później. Wcześniej istniejące wznoszące się smugi mogą docierać do skał powierzchniowych osłabionych przez siły wytworzone w strefach subdukcji. Następnie wkraczają w te słabsze miejsca, zwiększając prawdopodobieństwo, że superkontynent rozpadnie się w tym miejscu.
Kolejnym krokiem, powiedział Coltice, jest połączenie modelu i świata rzeczywistego z obserwacjami. Powiedział, że w przyszłości model może być wykorzystywany do badania wszystkiego, od głównych wydarzeń wulkanicznych, przez tworzenie granic płyt, po ruch płaszcza w stosunku do obrotu Ziemi.
