Как 12-сантиметровая вмятина на дне мантии вызвала скачок магнитного поля Земли
Геологические процессы принято считать крайне медленными. Тектонические плиты сдвигаются на несколько сантиметров в год, формирование гор занимает десятки миллионов лет, а тепловая конвекция глубоко внутри планеты кажется абсолютно статичной в масштабах человеческой жизни. Долгое время наука действительно рассматривала глубокие недра Земли как инертную систему, где любые структурные изменения растягиваются на целые эпохи. Однако современные методы орбитального наблюдения доказали, что на глубине почти трех тысяч километров могут происходить резкие физические трансформации, занимающие всего несколько месяцев.
В 2007 году группировка спутников GRACE зафиксировала масштабную и труднообъяснимую гравитационную аномалию. Над восточной частью Атлантического океана, вблизи побережья Африки, произошло колоссальное перераспределение массы. Чтобы установить причину этого явления, международной группе исследователей пришлось полностью исключить влияние поверхностных факторов, спуститься на границу между земной мантией и ядром, а также найти физическую связь между плотностью горных пород и поведением магнитного поля нашей планеты.
Анатомия гравитационного скачка
Спутники миссии GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) не фотографируют Землю в оптическом диапазоне. Их задача — непрерывно составлять карту гравитационного поля планеты. Система состоит из двух аппаратов, летящих друг за другом на высоте около 500 километров. Когда первый спутник пролетает над областью с чуть большей массой (например, над крупным горным массивом), гравитация притягивает его, и расстояние между аппаратами изменяется на доли микрона. Лазерные и микроволновые дальномеры фиксируют эти изменения, позволяя ученым точно знать, где именно на планете масса увеличилась, а где — уменьшилась.
Поскольку твердая структура земной коры меняется крайне медленно, любые быстрые колебания гравитации обычно объясняются перемещением огромных объемов воды. Сезонные ливни, таяние ледников Гренландии, изменения в циркуляции океанических течений или истощение подземных водоносных горизонтов — все это отражается на гравитационной карте. Масса воды физически перемещается из одного региона в другой, и спутники фиксируют этот сдвиг.
В январе 2007 года аппараты выявили аномальную зону в районе экваториальной Атлантики. Регион, затронутый изменением гравитации, имел диаметр около 7000 километров. Сигнал нарастал в течение нескольких месяцев, достигнув пика, после чего начал плавно спадать. Первоначальная и самая логичная гипотеза исследователей заключалась в том, что спутники зафиксировали неизвестное климатическое или гидрологическое событие.
Началась масштабная проверка. Ученые использовали пять различных глобальных гидрологических моделей и несколько симуляций океанических течений. Они учли все возможные параметры: атмосферное давление, температуру воды, уровень солености, объем осадков над Африкой и Южной Америкой. Ни одна из моделей не смогла объяснить зафиксированный сигнал. Математические расчеты показали, что для создания гравитационной аномалии такого масштаба потребовалось бы мгновенное возникновение слоя воды толщиной в 12 сантиметров на площади более 60 миллионов квадратных километров. Объективные данные метеорологов и океанологов подтверждали, что ничего подобного на поверхности не происходило. Вода не могла быть причиной. Следовательно, источник аномалии находился глубоко под земной корой.
Структурная перестройка на дне мантии
Исключив гидросферу и литосферу, исследователи обратили внимание на нижнюю мантию Земли. Сигнал исходил из слоя, известного в геофизике как D" (D-два-штриха). Это пограничная зона на глубине примерно 2900 километров, где твердая силикатная мантия соприкасается с внешним ядром планеты, состоящим из расплавленного, текучего железа.
Этот слой не является однородным. Под Африкой и под Тихим океаном в нижней мантии располагаются колоссальные термические структуры — области с аномально высокой температурой. В этих зонах гигантские объемы твердой породы медленно поднимаются вверх из-за нагрева от земного ядра. Процесс этот обычно статичен, но именно в физике минералов ученые нашли ответ на загадку 2007 года.
Основная часть нижней мантии состоит из минерала под названием бриджманит, который имеет специфическую кристаллическую решетку (структуру перовскита). При экстремальном давлении в 1,3 миллиона атмосфер и температурах, превышающих 3000 градусов Цельсия, атомы в этом минерале находятся в состоянии тонкого термодинамического баланса. Если температура в локальном участке мантии немного падает — например, когда в восходящий тепловой поток попадает более холодный фрагмент породы — этот баланс нарушается.
Происходит фазовый переход. Кристаллическая структура минерала больше не может удерживать прежний объем и резко перестраивается в новую, более компактную форму — пост-перовскит. В лабораторных условиях при использовании алмазных наковален ученые доказали, что на уровне отдельных микроскопических зерен породы такая трансформация происходит менее чем за десятую долю секунды.
Когда этот процесс запускается глубоко в Земле, целые пласты породы толщиной в сотни метров могут изменить свою структуру за период от нескольких недель до пары лет. При переходе в состояние пост-перовскита минерал становится плотнее. Его объем уменьшается, а масса концентрируется на меньшей площади. Возникает локальное уплотнение породы огромного масштаба. Именно это резкое сжатие минералов на границе ядра и уловили высокочувствительные приборы спутников GRACE, пролетавших в тысячах километров над поверхностью.
Эффект домино: от гравитации к магнитному полю
Обнаружение быстрой фазовой трансформации в мантии стало само по себе значимым открытием, но оно повлекло за собой ответ на другую давнюю геофизическую загадку. Резкое уплотнение породы не просто изменило локальную гравитацию, оно физически деформировало границу между твердой мантией и жидким ядром Земли.
По расчетам геофизиков, перестройка кристаллической решетки в 2007 году привела к тому, что нижняя кромка мантии над Африканским регионом просела вниз примерно на 12 сантиметров. Образовалась топографическая неровность — своеобразная вмятина, направленная прямо в расплавленное внешнее ядро.
Внешнее ядро Земли находится в постоянном движении. Потоки жидкого железа сложной формы текут со скоростью до нескольких десятков километров в год. Именно это движение электропроводного металла работает как гигантское динамо, генерируя магнитное поле планеты. Движение потоков строго сбалансировано, и любое изменение условий на их границах ведет к серьезным последствиям.
Когда быстро движущийся поток жидкого металла столкнулся с новой, внезапно возникшей 12-сантиметровой неровностью на потолке мантии, возникло локальное сопротивление. Изменение геометрии вызвало перепады давления и трение. Внутри жидкого ядра зародились гидромагнитные волны, которые нарушили привычную циркуляцию железа.
Этот процесс имел прямое и измеримое последствие для поверхности Земли. В 2007 году, ровно в тот же период и в том же самом регионе, где GRACE зафиксировала гравитационную аномалию, другие спутники зарегистрировали геомагнитный джерк.
Геомагнитным джерком (или вековым геомагнитным ускорением) называют внезапное, непредсказуемое изменение в скорости дрейфа магнитного поля Земли. Десятилетиями ученые не могли понять, что именно заставляет магнитное поле внезапно вздрагивать и менять свои характеристики в течение нескольких месяцев. Анализ событий 2007 года впервые выстроил строгую причинно-следственную связь: температурные сдвиги в мантии вызывают быстрое сжатие кристаллов, сжатие деформирует границу ядра, а деформация нарушает течение металла, что напрямую бьет по магнитосфере.
Новое понимание земных недр
Результаты этого многоуровневого исследования, объединившего данные спутниковой гравиметрии, магнитных наблюдений и физики минералов, требуют пересмотра отношения к внутренностям планеты. Глубокая мантия Земли доказала свою способность к высокочастотным изменениям. Фазовые переходы на глубине 2900 километров происходят не в масштабах геологических эпох, а прямо сейчас, развиваясь с динамикой, сопоставимой с климатическими процессами на поверхности.
Для современной науки это означает появление нового аналитического инструмента. Долгое время изменения магнитного поля, от которого зависит стабильность работы низкоорбитальных спутников, энергосистем и глобальной навигации, считались непредсказуемыми. Теперь стало ясно, что им предшествуют измеримые гравитационные изменения. Внимательно отслеживая малейшие локальные колебания массы в глубоких слоях Земли, исследователи получают возможность фиксировать перестройку минералов в реальном времени. Это открывает путь к созданию прогностических моделей, способных предсказывать геомагнитные аномалии до того, как их воздействие достигнет поверхности планеты. Земные недра лишились статуса неподвижного фундамента и оказались сложной, чутко реагирующей системой с понятной физической механикой.
Источник:Geophysical Research Letters
