地球のコアはアンバランスですか？ 私たちの惑星の中で何か奇妙なことが起こっています

下層土を切り取ったところ、液体の鉄 (オレンジ) の外核を凍らせることによって、固い固体の内核 (赤) がゆっくりと成長していることがわかります。 地震波は、赤道 (緑の矢印) を通過するよりも、北極と南極の間の地球の内核 (青い矢印) を通過する速度が速くなります。 研究者たちは、方向 (異方性) による地震波速度の違いは、地球の自転軸に平行な、成長中の結晶 (それ自体が異方性である六方晶充填鉄ニッケル合金) の好ましい配列に起因すると結論付けています。 クレジット: Daniel Frost による描画

地球の内核がどのようにして固体の鉄に固化したかのモデルは、それがわずか5億歳であることを示唆しています.

地震地震学者による新しい研究によると、未知の理由で、地球の固体鉄の内核は反対側よりも速く成長しており、5億年以上前に溶融鉄から凝固し始めて以来です. カリフォルニア大学バークレー校.

インドネシアのバンダ海の下でのより速い成長は、コアをアンバランスにしませんでした。 重力は、新しい成長 — 溶融鉄が冷えたときに形成される鉄の結晶 — を均等に分散させ、球形の内部コアを年間 1 ミリメートルの割合で半径方向に成長させます。

しかし、一方の面での成長の促進は、インドネシアの下の地球の外核またはマントルの何かが、ブラジルの下の反対側よりも速い速度で内核から熱を奪っていることを示唆している. 片面をより速く冷却すると、鉄の結晶化とその面での内核の成長が促進されます。

これは、地球の磁場とその歴史に影響を及ぼします。なぜなら、内核からの熱の放出によって駆動される外核の対流が、今日、太陽からの危険な粒子から私たちを守る磁場を生成する発電機を駆動するからです。

カリフォルニア大学バークレー校の地震学者の新しいモデルは、地球の内核が西側よりも東側 (左側) で速く成長していることを示唆しています。 重力は、鉄の結晶を北極と南極 (矢印) に向かって押すことにより、非対称成長を相殺します。 これにより、鉄の結晶の長軸が惑星の回転軸 (破線) に沿って整列する傾向があり、これは、内核を通過する地震波の異なる移動時間を説明しています。 クレジット: Lasplace の航海図

「内核の年齢について、5億年から15億年というかなり緩やかな制限を設けていますが、これは、固体の内核が存在する前に磁場がどのように作られたかを議論するのに役立つ可能性があります」と彼は語った。 バーバラ・ロマノビッチ、カリフォルニア大学バークレー校大学院地球惑星科学部教授、バークレー地震研究所（BSL）名誉所長。 「磁場がすでに約30億年前に存在していたことはわかっているため、その時点で他のプロセスが外核の対流を駆動していたに違いありません。」

地球の歴史の初期に内核が若い時期にあるということは、液体コアの沸騰熱が、今日見られる鉄の結晶化からではなく、鉄から解離する軽い元素から来たことを意味しているのかもしれない.

BSL のプロジェクト サイエンティスト、ダニエル フロスト氏は、「内核の年齢に関する議論は、長い間続いてきました。複雑な問題は、内核が 15 億年しか存在できなかった場合、それがどのように熱を失い、どれくらい熱くなるかについて私たちが知っていることに基づいて、それは 古代の磁場はどこから来たのですか? これが、その後凍結する溶融した軽い要素のアイデアが生まれた場所です。」

冷凍鉄

内核の非対称成長は、30 年前の謎を説明しています。核内の結晶化した鉄は、地球の自転軸に沿って、東よりも西に優先的に整列しているように見えますが、結晶はランダムに生成されると予想されます。

このアライメントの証拠は、地震から内核を通過する地震波の潜伏期間の測定から得られます。 地震波は、赤道に沿った回転よりも南北の回転軸の方向の方が速く進みます。これは、地質学者が、地球の軸に沿って長軸が優先的に整列している鉄 – 非対称 – 結晶に起因する非対称性だと考えています。

コアが固体の結晶鉄である場合、鉄の結晶はどのようにして一方向に優先的に配向しますか?

観察結果を説明する試みとして、フランスのナント大学のフロストと同僚のマレン・ラスプラスと、カリフォルニア大学バークレー校のブライアン・チャンドラーとロマノヴィッチは、地球力学成長モデルを組み込んだ内部コアの結晶成長のコンピューターモデルを作成し、鉄の鉱物物理学。 高圧・高温で。

「最も単純なモデルは少し変わっているように見えました。内側のコアが非対称であるということです」とフロスト氏は述べています。 一部の人が示唆しているように、西側は、内側のコアの上部だけでなく、中央まで東側とは異なって見えます。 それを説明できる唯一の方法は、一方が他方よりも速く成長しているということです。」

このモデルは、非対称成長 (東の方が西よりも約 60% 高い) が、どのようにして鉄の結晶をスピン軸に沿って優先的に配向させ、東よりも西の方が配向が大きくなるかを説明し、南北の地震波速度の違いを説明しています。内核。

「私たちがこの論文で提案するのは、地震観測ともっともらしい地球力学的境界条件とを調和させる、内核における固体対流の非平衡モデルです」とRomanovich氏は述べた。

フロスト、ロマノビッチ、および彼らの同僚は、ジャーナルの今週号で発見を報告します 自然地球科学.

地震波による地球内部

下層土はタマネギのような層でできています。 今日の半径 1,200 キロメートル (745 マイル)、または月のサイズの約 4 分の 3 の固体の鉄ニッケルの内核は、厚さ約 2,400 キロメートル (1,500 マイル) の溶融鉄ニッケルの液体の外核に囲まれています。 外核は、厚さ 2,900 キロメートル (1,800 マイル) の熱い岩の毛布に囲まれ、表面は薄くて冷たい岩石の地殻で覆われています。

対流は、結晶化した鉄からの熱が内核から逃げるにつれてゆっくりと沸騰する外核と、高温の岩石が上に移動してこの熱を惑星の中心から表面に運ぶマントルの両方で発生します。 液体鉄の外核の強い沸騰運動は、地球の磁場を生成します。

フロストがラスブリースの助けを借りて考案したコンピューター モデルによると、鉄の結晶が成長するにつれて、重力が内核内の東西の過成長を再分配します。 内核のかなり柔らかい固体 (これらの高圧下での鉄の融点に近い) 内の結晶のこの動きは、結晶格子を地球の自転軸に沿って東よりも西の方が大きく整列させます。

このモデルは、内核を伝わる地震波の時間に関する研究者の新しい観察を正しく予測しています: 異方性、つまりスピン軸に平行および垂直な移動時間の違いは、深さとともに増加し、西へのより強い分散によって相殺されます。地球の。 回転軸は約 400 キロメートル (250 マイル) です。

内核成長モデルは、地球の中心でのニッケルと鉄の比率にも限界を与える、とフロスト氏は述べた。 彼のモデルは、ニッケルが内核の 4% から 8% を占めていない限り、地震観測を正確に再現しません。これは、かつて太陽系の準惑星の核であると考えられていた金属隕石とほぼ同じ割合です。 このモデルは、地質学者に内核または流体の粘性も示しています。

「私たちは、内核の粘性が比較的大きく、外核のダイナモ過程を研究するジオダイナミストにとって興味深い入力パラメーターであることを示唆しています」とRomanovich氏は述べた.

参照: 「地震変動によって制約された内核の動的歴史」ダニエル A. フロスト、マリン ラプラス、ブライアン チャンドラー、バーバラ ロマノビッチ著、2021 年 6 月 3 日、ここで入手可能。 自然地球科学.
DOI: 10.1038 / s41561-021-00761-w

フロストとロマノヴィッチは、全米科学財団 (EAR-1135452、EAR-1829283) からの助成金によってサポートされていました。