Ερευνητές έκαναν μια ανακάλυψη σχετικά με το πώς ο πυρήνας της Γης άρχισε αρχικά να παγώνει και να κρυσταλλώνεται πριν από εκατομμύρια χρόνια, υποδεικνύοντας ότι περιέχει μια απροσδόκητη ποσότητα άνθρακα, σύμφωνα με νέα μελέτη που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Nature Communications.
Υπολογίζεται ότι το 3,8% του εσωτερικού της Γης αποτελείται από άνθρακα, ποσοστό πολύ υψηλότερο από αυτό που πίστευαν μέχρι σήμερα οι επιστήμονες, καθώς θεωρούσαν ότι ο πυρήνας είναι κυρίως πλούσιος σε σίδηρο. Σήμερα ο πυρήνας συνεχίζει να μεγαλώνει, καθώς περισσότερο από το λιωμένο υλικό γύρω του ψύχεται και ενσωματώνεται στη μάζα του, σε μια διεργασία που απασχολεί τους επιστήμονες εδώ και δεκαετίες.
Κατανοώντας τον εσωτερικό πυρήνα της Γης
Ο σχηματισμός ενός στερεού εσωτερικού πυρήνα απαιτεί κάτι παραπάνω από απλή ψύξη – εξαρτάται από την ακριβή χημεία του λιωμένου υλικού. Η διαδικασία μπορεί να συγκριθεί με τη μορφολογία του χαλαζιού: τα σταγονίδια νερού στα σύννεφα πρέπει να φτάσουν σε θερμοκρασίες πολύ χαμηλότερες από το κανονικό σημείο πήξης του νερού για να κρυσταλλωθούν σε πάγο. Παρομοίως, ο λιωμένος σίδηρος στον πυρήνα της Γης πρέπει να «υπερψυχθεί» κατά περίπου 800-1000 °C κάτω από το κανονικό του σημείο πήξης για να στερεοποιηθεί.
Ωστόσο, τα γεωλογικά στοιχεία δείχνουν ότι ο πυρήνας της Γης δεν πάγωσε ποτέ τόσο πολύ. Οι προσομοιώσεις δείχνουν ότι μια τέτοια ακραία ψύξη θα είχε προκαλέσει ανεξέλεγκτη αύξηση του πυρήνα και πιθανή κατάρρευση του μαγνητικού πεδίου του πλανήτη, γεγονός που ποτέ δεν συνέβη. Τα δεδομένα, αντίθετα, δείχνουν ότι ο πυρήνας ψύχθηκε λιγότερο από 250 °C κάτω από το σημείο τήξης του.
Εξηγώντας τον θερμό πυρήνα
Για να εξηγήσουν πώς ο πυρήνας μπόρεσε να κρυσταλλώσει χωρίς υπερβολική ψύξη, ερευνητές από το Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης, το Πανεπιστήμιο του Λιντς και το Πανεπιστήμιο του Λονδίνου κατέφυγαν σε υπολογιστικές προσομοιώσεις. Χωρίς άμεση πρόσβαση στο κέντρο της Γης, μοντελοποίησαν τον τρόπο με τον οποίο, στοιχεία όπως ο άνθρακας, το οξυγόνο, το θείο και το πυρίτιο -γνωστά συστατικά του μανδύα- θα μπορούσαν να επηρεάσουν την κρυστάλλωση εάν υπήρχαν στον πυρήνα.
«Καθένα από αυτά τα στοιχεία υπάρχει στον υπερκείμενο μανδύα και θα μπορούσε επομένως να έχει διαλυθεί στον πυρήνα κατά τη διάρκεια της ιστορίας της Γης», δήλωσε ο συν-συγγραφέας Αναπληρωτής Καθηγητής Andrew Walker από το Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης.
«Ως αποτέλεσμα, αυτά τα στοιχεία θα μπορούσαν να εξηγήσουν γιατί έχουμε έναν στερεό εσωτερικό πυρήνα με σχετικά μικρή υπερψύξη σε αυτό το βάθος. Η παρουσία ενός ή περισσότερων από αυτά τα στοιχεία θα μπορούσε επίσης να δικαιολογήσει γιατί ο πυρήνας είναι λιγότερο πυκνός από τον καθαρό σίδηρο, μια βασική παρατήρηση από τη σεισμολογία».
Τα πρώτα βήματα της κατάψυξης
Η ερευνητική ομάδα προσομοίωσε αλληλεπιδράσεις σε ατομική κλίμακα, παρακολουθώντας τη συμπεριφορά περίπου 100.000 ατόμων υπό υψηλή πίεση και συνθήκες υπερψύξης, παρόμοιες με αυτές που επικρατούν στον εσωτερικό πυρήνα. Επικεντρώθηκαν στη διαδικασία της «πυρηνοποίησης», δηλαδή στη στιγμή που σχηματίζονται οι πρώτες μικροσκοπικές κρυσταλλικές συσσωματώσεις, σηματοδοτώντας την έναρξη της στερεοποίησης.
Τα αποτελέσματα, ήταν εντυπωσιακά. Στοιχεία όπως το πυρίτιο και το θείο, τα οποία άλλοτε θεωρούνταν σημαντικά συστατικά του πυρήνα, στην πραγματικότητα επιβράδυναν την στερεοποίηση και απαιτούσαν μεγαλύτερη υπέρψυξη. Αντίθετα, ο άνθρακας, επιτάχυνε την ψύξη, φέρνοντας τα μοντέλα πιο κοντά στις παρατηρούμενες συνθήκες.
Ένα μίγμα με 2.4% άνθρακα απέτυχε να δώσει τα αναμενόμενα αποτελέσματα, αλλά με 3.8% άνθρακα, οι προσομοιώσεις ευθυγραμμίστηκαν τέλεια με τις προβλέψεις—παράγοντας μια θερμοκρασία εσωτερικού πυρήνα που απαιτούσε μόνο 266 °C υπερψύξης.
Καμία άλλη συνδυαστική αναλογία δεν αναπαρήγαγε την παρατηρούμενη πυρηνοποίηση και το μέγεθος του πυρήνα.
Συνεχίζοντας την εξερεύνηση του πυρήνα
«Είναι συναρπαστικό να βλέπουμε πως οι διεργασίες σε ατομική κλίμακα ελέγχουν τη θεμελιώδη δομή και τις δυναμικές του πλανήτη μας», είπε ο κύριος συγγραφέας Dr. Alfred Wilson, από το πανεπιστήμιο του Λιντς.
«Μελετώντας τον τρόπο με τον οποίο σχηματίστηκε ο εσωτερικός πυρήνας της Γης, ανακαλύπτουμε σπάνια δεδομένα για τη χημεία μια περιοχής στην οποία ποτέ δεν ελπίζαμε ν’ αποκτήσουμε άμεση πρόσβαση και να μάθουμε πώς θα μπορούσε ν’ αλλάξει στο μέλλον».
Η μελέτη, προσφέρει επίσης νέα δεδομένα στη διαχρονική συζήτηση για την ηλικία του πυρήνα της Γης. Ορισμένοι επιστήμονες, υποστηρίζουν πως, ξεκίνησε ν’ αποκρυσταλλώνεται πριν από πάνω από δύο δισεκατομμύρια χρόνια, ενώ άλλοι υποστηρίζουν πως στερεοποιήθηκε πριν από λιγότερο από μισό δισεκατομμύρια χρόνια.
Τα νέα στοιχεία, τα οποία αποκαλύπτουν τον καθοριστικό ρόλο του άνθρακα, ενδέχεται να βοηθήσουν στην επίλυση αυτού του μακροχρόνιου μυστηρίου.
