Fyzikové odhalují velké tajemství vnitřního jádra Země

Hluboko pod našima nohama, v ohromující hloubce přes 5 100 km, se nachází vnitřní jádro Země. Pevná koule železa a niklu, která hraje klíčovou roli při utváření podmínek, které zažíváme na povrchu. Ve skutečnosti bychom bez něj pravděpodobně ani neexistovali.

Navzdory jeho významu je však trochu záhadou, jak vznikl a jak se vyvíjel. Dokonce ani nevíme, jak je stará. Naštěstí nás fyzika minerálů přibližuje k rozluštění této záhady. Vnitřní jádro je zodpovědné za magnetické pole Země, které funguje jako štít a chrání nás před škodlivým slunečním zářením. Toto magnetické pole mohlo být důležité pro vytvoření podmínek, které umožnily život před miliardami let.

Vnitřní jádro Země bylo kdysi tekuté, ale postupem času se změnilo v pevnou látku. Jak se Země postupně ochlazuje, vnitřní jádro se rozšiřuje směrem ven, zatímco okolní kapalina bohatá na železo „zamrzá“. Přesto je stále extrémně horké, nejméně 5000 kelvinů (K) (4726,85 °C). Při tomto procesu mrznutí se uvolňují prvky, jako je kyslík a uhlík, které nejsou slučitelné s pobytem v horké pevné látce. Na dně vnějšího jádra vzniká horká, vztlaková kapalina.

Kapalina stoupá do kapalného vnějšího jádra a mísí se s ním, čímž vznikají elektrické proudy (působením „dynama“), které generují naše magnetické pole. Přemýšleli jste někdy o tom, co udržuje polární záři tančící na obloze? Můžete poděkovat vnitřnímu jádru.

Kryptická krystalizace

Aby geofyzici pochopili, jak se magnetické pole Země v průběhu její historie vyvíjelo, používají modely, které simulují tepelný stav jádra a pláště. Tyto modely nám pomáhají pochopit, jak je teplo v Zemi distribuováno a přenášeno. Předpokládají, že pevné vnitřní jádro se poprvé objevilo, když se kapalina ochladila na bod tání, a považují to za okamžik, kdy začala mrznout. Potíž je v tom, že to přesně neodráží proces mrznutí.

Vědci proto zkoumali proces „superchlazení“. Superchlazení je proces, kdy se kapalina ochladí pod bod tuhnutí, aniž by se změnila v pevnou látku. K tomu dochází u vody v atmosféře, která někdy dosahuje až -30 °C, než se vytvoří kroupy, a také u železa v zemském jádře.

Výpočty naznačují, že ke zmrznutí čistého železa v zemském jádře je ve skutečnosti zapotřebí až 1 000 K přechlazení. Vzhledem k tomu, že vodivost jádra naznačuje, že se ochlazuje rychlostí 100-200 K za miliardu let, představuje to značný problém.

Tato úroveň přechlazení znamená, že jádro by muselo být po celou dobu své historie (1 000 až 500 milionů let) pod bodem tání, což představuje další komplikace. Protože se k jádru nemůžeme fyzicky dostat, lidé se do Země provrtali pouze 12 km, spoléháme se při poznávání nitra naší planety téměř výhradně na seismologii.

Vnitřní jádro bylo objeveno v roce 1936 a jeho velikost (asi 20 % poloměru Země) je jednou z nejlépe ověřených vlastností hlubin Země. Tuto informaci využíváme k odhadu teploty jádra za předpokladu, že hranice mezi pevnou a kapalnou látkou představuje průsečík teploty tání a teploty jádra. Tento předpoklad nám také pomáhá odhadnout maximální rozsah přechlazení, ke kterému mohlo dojít předtím, než se vnitřní jádro začalo formovat ze spojeného vnitřního a vnějšího jádra.

Pokud jádro zamrzlo relativně nedávno, současný tepelný stav na hranici vnitřního a vnějšího jádra udává, jak moc mohlo být kombinované jádro pod bodem tání, když vnitřní jádro začalo poprvé zamrzat. To naznačuje, že jádro mohlo být maximálně přechlazené o přibližně 400 K.

To je přinejmenším dvojnásobek toho, co připouští seismologie. Pokud bylo jádro před zamrznutím přechlazeno o 1 000 K, mělo by být vnitřní jádro mnohem větší, než bylo pozorováno. Případně, pokud je pro zmrznutí nutných 1 000 K a nikdy jich nebylo dosaženo, nemělo by vnitřní jádro vůbec existovat. Je zřejmé, že ani jeden ze scénářů není přesný, jaké by tedy mohlo být vysvětlení?

Fyzikové minerálů testovali čisté železo a jiné směsi, aby zjistili, jak velké přechlazení je nutné k iniciaci vzniku vnitřního jádra. I když tyto studie zatím nepřinesly definitivní odpověď, jsou zde slibné pokroky. Dozvěděli jsme se například, že neočekávané krystalové struktury a přítomnost uhlíku mohou ovlivnit přechlazování. Tato zjištění naznačují, že určitá chemie nebo struktura, která se dříve neuvažovala, nemusí vyžadovat tak nepřiměřeně velké přechlazení.

Pokud by jádro mohlo zamrznout při přechlazení menším než 400 K, může to vysvětlit přítomnost vnitřního jádra, jak ho vidíme dnes. Důsledky nepochopení vzniku vnitřního jádra jsou dalekosáhlé. Dosavadní odhady stáří vnitřního jádra se pohybují v rozmezí 500 až 1 000 milionů let. Ty však nezohledňují problém přechlazování. I mírné přechlazení o 100 K by mohlo znamenat, že vnitřní jádro je o několik set milionů let mladší, než se dosud předpokládalo.

Pochopení podpisu vzniku vnitřního jádra v paleomagnetickém záznamu hornin, archivu magnetického pole Země, je klíčové pro ty, kteří studují vliv slunečního záření na masová vymírání. Dokud lépe nepochopíme historii magnetického pole, nemůžeme plně určit jeho roli při vzniku obyvatelných podmínek a života.

Autor: Lukáš Drahozal

Zdroj: edition.cnn.com, vice.com, businessinsider.com