Инструментът, който „вижда“ недостъпното

Пряк достъп до дълбоките земни слоеве няма. Единственият начин да се надникне под кората са сеизмичните вълни – тяхната скорост и посока се променят в зависимост от температурата, плътността, химичния състав и кристалната структура на материала, през който преминават. Именно тези отклонения очертават картина, която е далеч по-сложна от учебната схема с кора, мантия, външно и вътрешно ядро.

Зоните с ултраниска скорост в основата на мантията

Първата загадка са зоните с ултраниска скорост на сеизмичните вълни, известни като ULVZ. Те лежат точно над границата между мантията и външното ядро, на около 2900 километра под повърхността. Там вълните рязко се забавят – знак за материал с необичайни свойства и ясно очертани граници.

Произходът им обаче остава неизвестен. Разглеждат се няколко възможности: свръхгорещи участъци, остатъци от древна океанска кора, фрагменти от първичния магмен океан на Земята или резултат от химични взаимодействия между мантията и ядрото.

На същата граница се намират и две далеч по-големи структури – големите провинции с ниска скорост на срязване, или LLSVP. Едната е разположена под Африка, а другата под Тихия океан. Те се простират на хиляди километри и достигат над 1000 километра по вертикала. И тук произходът е спорен: възможно е да са предимно горещи области, химически различни натрупвания или комбинация от двете.

Значението им е съществено, защото те влияят върху движението на материала в дълбоката мантия. Част от изследванията допускат, че мантийните струи, свързвани с вулканичните горещи точки, могат да водят началото си именно от краищата на тези структури.

Границата на 520 километра и неясният сигнал

Третата загадка е на сравнително малка дълбочина – около 520 километра. Там скоростта на сеизмичните вълни се променя, но сигналът не е нито толкова ясен, нито толкова постоянен, колкото би следвало да бъде.

Основното обяснение е свързано с минералите в мантията. Под високо налягане оливинът преминава през различни кристални форми, сред които вадслеит и рингвудит. Преходът между тях би трябвало да остави отчетлива граница в сеизмичните данни. На практика обаче сигналът е слаб, променлив, а понякога изобщо липсва. Обсъждат се както възможността за математически артефакт, така и влиянието на дълбокия въглероден цикъл.

Вътрешното ядро не е еднородно

Твърдото вътрешно ядро има радиус около 1220 километра и е изградено основно от желязо-никелова сплав. Сеизмичните вълни обаче го прекосяват с различна скорост в зависимост от посоката – явление, наречено сеизмична анизотропия.

Обикновено това се обяснява с ориентацията на железните кристали, но причината за самото им подреждане не е напълно изяснена. Сред възможните фактори са растежът на ядрото, деформацията, въртенето на планетата и взаимодействието между твърдото вътрешно и течното външно ядро. Нови модели дори допускат наличието на по-малки вътрешни слоеве и структурни различия в самото ядро.

Какво се крие във външното ядро

Петата загадка засяга течния външен слой на ядрото. Неговата плътност е по-ниска, отколкото би била при състав само от желязо и никел. Затова учените предполагат присъствието на по-леки елементи – сяра, силиций, кислород, въглерод и водород.

Кои от тях преобладават и в какви количества все още не е установено. Отговорът е важен, защото химичният състав влияе върху плътността, движението и електрическите свойства на външното ядро, а оттам и върху работата на геодинамото – процесът, който поддържа магнитното поле на Земята.