Ученые много лет ломали голову над двумя гигантскими загадочными структурами в центре Земли. Они настолько огромны и странны, что привычные теории о развитии планеты на них не работают.

Недавно геодинамик Йошинори Миядзаки из Ратгерского университета вместе с коллегами предложил новое убедительное объяснение. Их работа вышла в журнале Nature Geoscience. И речь не просто о камнях — эти аномалии сыграли решающую роль в том, что наша планета стала пригодной для жизни.

Эти структуры называются крупными провинциями с низкой скоростью сдвига и зонами с ультранизкой скоростью. Они залегают на границе между мантией и ядром, почти в 1800 милях под поверхностью. Первые — это континентальные сгустки плотной раскаленной породы. Один сидит под Африкой, другой — под Тихим океаном. Вторые — тонкие расплавленные пятна, липнущие к ядру как лужи лавы. И те и другие сильно тормозят сейсмические волны, что выдает их необычный состав.

Это не случайные причуды, — объясняет Миядзаки. — Это отпечатки самой ранней истории Земли. Поймем, почему они существуют — поймем, как сформировалась планета и почему стала обитаемой.

Миллиарды лет назад Землю покрывал глобальный океан магмы. Когда он остывал, ученые ожидали, что мантия расслоится на четкие химические слои — как замороженный сок разделяется на сладкий концентрат и водянистый лед.

Но сейсмические исследования не нашли сильного расслоения. Вместо этого эти структуры образовали неровные кучи у самого основания планеты.

Это противоречие и стало отправной точкой, — говорит Миядзаки. — Начинаешь расчеты с магматического океана — и не получаешь того, что видим в мантии сегодня. Чего-то не хватало.

Его соавторы поняли: недостающее звено — само ядро. По их модели, миллиарды лет из ядра в мантию просачивались элементы вроде кремния и магния, смешивались с ней и не давали возникнуть четкому расслоению.

Эта примесь объясняет странный состав структур. Их можно считать застывшими остатками того, что ученые назвали «базальным магматическим океаном», отравленным веществом ядра.

Мы предположили: материал поступает из ядра, — говорит Миядзаки. — Добавьте ядерный компонент — и получите картину, которую наблюдаем сегодня.

Открытие не ограничивается глубокой химией. Взаимодействие ядра и мантии влияло на то, как остывала Земля, как шли извержения вулканов и даже как менялась атмосфера.

Это помогает понять, почему на Земле есть океаны и жизнь, а Венера — адская теплица, а Марс — замерзшая пустыня.

У Земли есть вода, жизнь и относительно стабильная атмосфера, — поясняет Миядзаки. — Атмосфера Венеры в 100 раз плотнее земной и почти полностью состоит из углекислого газа, а у Марса она очень разрежена. Мы до конца не знаем, почему так. Но то, что происходит внутри планеты — как она остывает, как развиваются ее слои, — может быть ключом к ответу.

Соединив сейсмические данные, физику минералов и геодинамическое моделирование, исследователи превратили эти структуры из загадки в важнейшие улики о формировании планеты. Возможно, эти структуры даже питают вулканические горячие точки вроде Гавайев и Исландии, связывая глубины с поверхностью.

Это отличный пример того, как объединение планетологии, геодинамики и физики минералов помогает решать древнейшие загадки Земли, — говорит соавтор Цзе Дэн из Принстонского университета. — Мысль о том, что глубинная мантия хранит химическую память о ранних контактах с ядром, открывает новые пути к пониманию уникальной эволюции Земли.

Исследователи уверены: каждый новый факт заполняет пробелы в истории планеты, превращая разрозненные улики в ясную картину.

Даже с очень скудными подсказками мы начинаем выстраивать связный рассказ, — заключает Миядзаки. — Это исследование дает нам чуть больше уверенности в том, как развивалась Земля и почему она такая особенная.

Анализ стоимости и доступности

Само исследование — чисто фундаментальная наука. Оно не требует дорогих установок вроде коллайдеров, но использует сложное сейсмическое оборудование и компьютерное моделирование. Это доступно лишь крупным университетам с грантами (вроде Ратгерского и Принстона). Простому человеку нельзя ни купить, ни потрогать результат — это знание, а не гаджет.

Что было до этой работы

До этого считалось, что мантия должна расслоиться как застывающий бульон. Но данные сейсмологов этому противоречили. Модель Миядзаки — не революция, а аккуратный маленький шажок: он не опровергает старые теории, а просто добавляет в них «утечку из ядра». Это как если бы вы поняли, что в супе не хватало соли. Важно, но не переворачивает всё с ног на голову.

Этика и возможный вред

Исследование абсолютно этично. Ученые работали с уже имеющимися сейсмическими записями землетрясений. Вред нулевой. Единственная опасность — если кто-то   начнет на основе этой теории строить спекуляции о скором конце света, но авторы к этому не причастны.

Сравнение с аналогами

Есть альтернативные гипотезы:

• Тектоника плит — объясняет движение коры, но не эти пятна.
• Остатки гигантского удара (теория Тейи) — говорит о происхождении Луны, но не о химии ядра.
• Мантийные плюмы — объясняют вулканы, но не почему эти зоны такие огромные и медленные.

Главное отличие новой модели: она впервые связывает и состав аномалий, и их положение, и отсутствие слоистости — одним механизмом «утечки» из ядра. Аналоги так четко не стыкуют три факта сразу.

Ограничения исследования

Модель опирается на предположение о постоянной утечке кремния и магния из ядра в мантию на протяжении миллиардов лет. Но у нас нет никаких прямых образцов вещества ядра. Ученые экстраполируют с лабораторных алмазных наковален, где создают чудовищное давление. А в реальной Земле процессы могут идти иначе. Кроме того, модель не объясняет, почему такие же структуры не нашли под другими континентами. Возможно, Миядзаки просто подогнал математику под красивое объяснение.

Ранее ученые разработали новую модель происхождения ценных металлов в мантии Земли.