Вероятно още от училище си спомняте как е устроена вътрешността на Земята: в центъра се намира изключително горещото, твърдо вътрешно ядро, обградено от външно ядро от разтопен метал, а над него е разположена твърдата, но пластична мантия, изградена от нагорещени скали.

Върху цялата тази непрестанно движеща се система лежи тънката и твърда земна кора – светът, който цялото човечество обитава.

Представата ни за вътрешния строеж на Земята е едва на около 120 години. Когато учените започват да регистрират земетресенията със сеизмометри, геолозите получават възможност да измерват първичните, или P-вълните, които преминават както през твърди тела, така и през течности, и вторичните, или S-вълните, които се разпространяват единствено през твърда материя.

Промените в характеристиките на P-вълните показват, че по пътя си те преминават през различни видове материал. А когато S-вълните не достигат до противоположната страна на планетата, става ясно, че са се натъкнали на течен слой, през който не могат да се разпространяват.

Ядрените взривове се превръщат в своеобразен скенер на Земята

Сега данни от един неочакван източник – подземни ядрени опити, извършени преди повече от 30 години – разкриват нови подробности за процесите, които протичат във вътрешността на нашата планета.

В рамките на ново проучване геофизичката Ин Джоу от Политехническия университет на Вирджиния анализира сеизмичните вълни, породени от подземни ядрени взривове на атола Муруроа във Френска Полинезия между 1977 и 1995 г.

Вълните преминават през Земята и са регистрирани от сеизмична станция в Казахстан. Така Джоу получава поредица от своеобразни моментни снимки, които показват какво се е случвало във вътрешността на планетата в различни моменти.

Тъй като ядрените опити са извършвани почти на едно и също място, породените от тях сеизмични вълни са преминавали по забележително сходни пътища през планетата. Именно подобни вълни позволяват на учените да разкриват структури, скрити на огромна дълбочина – включително гигантски образувания в земната мантия.

Разлики от части от секундата

Джоу установява, че на сеизмичните вълни, преминаващи през външното ядро, невинаги е било необходимо едно и също време, за да изминат разстоянието. В сравнение с 1977 г. през 1982 и 1983 г. те са пристигали с около 0,1 секунди по-рано, а между 1988 и 1990 г. – с около 0,15 секунди по-рано. През 1995 г. обаче са закъснявали с приблизително 0,15 до 0,2 секунди.

Подобни части от секундата може да изглеждат незначителни, но когато една сеизмична вълна изминава хиляди километри през планетата, тези разлики са съществени. Подобно на по-прецизна версия на първите сеизмични изследвания, довели до откриването на P- и S-вълните, новите резултати показват, че вълните преминават през нееднородна смес от материали.

Нещо повече – изглежда, че през близо трите десетилетия, обхванати от наблюденията, този материал се е придвижвал.

Пътищата на различни видове сеизмични вълни през отделни части от вътрешността на Земята. (Zhou, J. Geophys. Res., 2026)

Новооткрит вид сеизмична вълна

Проучването установява и неизвестен досега вид сеизмична вълна, която Джоу нарича PKrKP. За разлика от по-добре познатите вълни, които преминават през вътрешното ядро или се отразяват от него, PKrKP се отразява в средната част на външното ядро.

Това необичайно поведение позволява на Джоу да отдели онази част от пътя на вълната, която може да разкрие промените в течното външно ядро.

Изследователите сравняват тези вълни с друг вид сеизмични вълни, известни като PP, които преминават през мантията, а не през външното ядро. Границата между тези два дълбоки слоя също крие немалко изненади – предишни изследвания например откриха доказателства, че около земното ядро може да съществува древна структура.

Анализът обхваща 112 двойки ядрени опити, като взривовете във всяка двойка са извършени на места, отдалечени едно от друго с по-малко от 0,05 градуса.

Какво кара вълните да ускоряват и забавят хода си?

Но какво би могло само за няколко години да промени скоростта на тези необичайни вълни, докато преминават през външното ядро?

Мащабът и темпът на наблюдаваните промени подсказват, че във външното ядро протичат интензивни процеси на смесване. В своето изследване Джоу изчислява, че отклоненията от 0,1 до 0,2 секунди във времето за разпространение на PKP-вълните могат да се обяснят с обширна аномалия в южната част на Тихия океан, разположена в ниските географски ширини. Според оценките тя се простира на повече от 700 километра встрани и е дебела около 100 километра.

Според Джоу тази мащабна аномалия вероятно представлява твърд материал, носещ се в течното външно ядро – нещо като огромни крутони, плаващи в доматена супа.

Резултатите подкрепят предположението, че външното ядро не е просто гигантски океан от разтопен метал. Наблюденията вече показват, че движението на външното ядро под Тихия океан може да променя посоката си в рамките на сравнително кратки геоложки периоди.

Връзката със земното магнитно поле

Сам по себе си фактът, че гигантски аномалии могат да влияят върху движението на външното ядро, е впечатляващ. По-доброто разбиране на тези процеси обаче би могло да помогне на геолозите да установят по-точно какво задвижва – и какво би могло да промени – механизмите, които пораждат магнитното поле на Земята.

Предишно изследване на Университета на Южна Калифорния показва, че процесите във външното ядро може да променят формата на вътрешното ядро, а това на свой ред също би могло да повлияе на магнитното поле на планетата.

По-надежден източник на сеизмични данни

Особено впечатляващ в новото изследване е краткият период, в рамките на който са установени тези промени. При предишни опити да бъдат проследени изменения във външното ядро учените често са разчитали на сеизмични събития, разделени от десетилетия. В такива случаи обаче е трудно действителният сигнал да бъде разграничен от неточностите при определянето на местоположението на самите земетресения.

Ядрените опити осигуряват много по-контролирана поредица от повтарящи се сеизмични източници, ограничена в сравнително кратък период.

Тези взривове отпреди десетилетия, които са оставили изключително разрушителни следи в иначе недокоснати екосистеми, поне са дали на учените възможност да надникнат в работата на най-дълбоките механизми на Земята.

Пълното изследване е публикувано в Journal of Geophysical Research.

Източник: Science Alert; превод и редакция: Владимир Тодоров