To, czy planeta ma pole magnetyczne, ma długą drogę do ustalenia, czy nadaje się do zamieszkania. Podczas gdy Ziemia ma silną magnetosferę, która chroni życie przed szkodliwym promieniowaniem i powstrzymuje wiatr słoneczny przed zdejmowaniem atmosfery, planeta jak Mars już nie ma. Dlatego zmienił się z świata o gęstszej atmosferze i ciekłej wodzie na swojej powierzchni w zimne, wysuszone miejsce, w którym jest dzisiaj.
Z tego powodu naukowcy od dawna starają się zrozumieć, jakie siły ziemskie pole magnetyczne. Do tej pory panował pogląd, że był to efekt dynamo powstały w wyniku płynnego zewnętrznego jądra Ziemi wirującego w przeciwnym kierunku do obrotu Ziemi. Jednak nowe badania z Tokyo Institute of Technology sugerują, że może to być faktycznie spowodowane obecnością krystalizacji w jądrze Ziemi.
Badania zostały przeprowadzone przez naukowców z Earth-Life Science Institute (ELSI) w Tokyo Tech. Według ich badań - zatytułowanych „Krystalizacja dwutlenku krzemu i ewolucja składu jądra Ziemi”, które pojawiły się niedawno w Natura - energia, która napędza ziemskie pole magnetyczne, może mieć więcej wspólnego z chemicznym składem jądra Ziemi.
Szczególnie niepokojący dla zespołu badawczego był stopień ochładzania się jądra Ziemi w czasie geologicznym - który był przedmiotem dyskusji od pewnego czasu. Dla dr. Kei Hirose'a - dyrektora Instytutu Nauk o Ziemi i głównego autora na papierze - było to coś w rodzaju życiowej przygody. W badaniu z 2013 r. Podzielił się wynikami badań wskazującymi, w jaki sposób jądro Ziemi mogło ostygnąć bardziej niż wcześniej sądzono.
On i jego zespół doszli do wniosku, że od czasu powstania Ziemi (4,5 miliarda lat temu) jądro mogło ostygnąć nawet o 1000 ° C (1832 ° F). Odkrycia te były dość zaskakujące dla społeczności nauk o Ziemi - prowadząc do tego, co jeden naukowiec nazwał „nowym paradoksem ciepła rdzenia”. Krótko mówiąc, ta szybkość chłodzenia rdzenia oznaczałaby, że do podtrzymania ziemskiego pola geomagnetycznego potrzebne byłoby inne źródło energii.
Oprócz tego, związane z zagadnieniem chłodzenia rdzenia, pojawiły się nierozwiązane pytania dotyczące składu chemicznego rdzenia. Jak powiedział dr Kei Hirose w komunikacie prasowym Tokyo Tech:
„Rdzeń składa się głównie z żelaza i trochę niklu, ale zawiera także około 10% lekkich stopów, takich jak krzem, tlen, siarka, węgiel, wodór i inne związki. Uważamy, że wiele stopów jest obecnych jednocześnie, ale nie znamy proporcji każdego pierwiastka kandydującego ”.
Aby rozwiązać ten problem, Hirose i jego koledzy z ELSI przeprowadzili serię eksperymentów, w których różne stopy były poddawane działaniu ciepła i ciśnienia podobnych do warunków panujących we wnętrzu Ziemi. Polegało to na użyciu kowadła diamentowego do wyciśnięcia próbek stopu wielkości pyłu w celu symulacji warunków wysokiego ciśnienia, a następnie podgrzaniu ich wiązką laserową, aż osiągną ekstremalne temperatury.
W przeszłości badania nad stopami żelaza w rdzeniu koncentrowały się głównie na stopach żelazo-krzem lub tlenek żelaza pod wysokim ciśnieniem. Jednak ze względu na swoje eksperymenty Hirose i jego koledzy postanowili skoncentrować się na kombinacji krzemu i tlenu - które, jak się uważa - istnieją w rdzeniu zewnętrznym - i zbadać wyniki za pomocą mikroskopu elektronowego.
Naukowcy odkryli, że w warunkach ekstremalnego ciśnienia i ciepła próbki krzemu i tlenu łączą się, tworząc kryształy dwutlenku krzemu - które są podobne w składzie do kwarcu mineralnego występującego w skorupie ziemskiej. Ergo, badanie wykazało, że krystalizacja dwutlenku krzemu w rdzeniu zewnętrznym uwolniłaby wystarczającą pływalność, aby zasilać konwekcję rdzenia i efekt dynamo już w eonie Hadeana.
Jak wyjaśnił John Hernlund, członek ELSI i współautor badania:
„Ten wynik okazał się ważny dla zrozumienia energetyki i ewolucji rdzenia. Byliśmy podekscytowani, ponieważ nasze obliczenia wykazały, że krystalizacja kryształów dwutlenku krzemu z rdzenia może zapewnić ogromne nowe źródło energii do zasilania ziemskiego pola magnetycznego ”.
Badanie to nie tylko dostarcza dowodów na pomoc w rozwiązaniu tak zwanego „paradoksu cieplnego nowego rdzenia”, ale może również pomóc w lepszym zrozumieniu, jakie były warunki podczas formowania się Ziemi i wczesnego Układu Słonecznego. Zasadniczo, jeśli krzem i tlen tworzą z czasem kryształ dwutlenku krzemu w zewnętrznym rdzeniu, to prędzej czy później proces zostanie zatrzymany, gdy w rdzeniu zabraknie tych pierwiastków.
Kiedy tak się stanie, możemy spodziewać się, że pole magnetyczne Ziemi ucierpi, co będzie miało drastyczne konsekwencje dla życia na Ziemi. Pomaga również nałożyć ograniczenia na stężenia krzemu i tlenu, które były obecne w rdzeniu, gdy Ziemia po raz pierwszy powstała, co może znacznie przyczynić się do poinformowania naszych teorii o tworzeniu Układu Słonecznego.
Co więcej, badania te mogą pomóc geofizykom w określeniu, w jaki sposób i kiedy inne planety (takie jak Mars, Wenus i Merkury) nadal mają pola magnetyczne (i może prowadzić do pomysłów, w jaki sposób można je ponownie zasilić). Może nawet pomóc zespołom naukowym zajmującym się polowaniem na egzoplanety w określeniu, które egzoplanety mają magnetosfery, co pozwoliłoby nam dowiedzieć się, które światy pozasłoneczne mogłyby być zamieszkane.
