В някакъв момент от историята на Земята нейното изцяло течно желязно ядро се е охладило и е образувало твърдата топка в центъра на планетата. Днес ядрото се стои от твърдо желязно ядро, обградено от външен пласт от разтопено желязо. На учените обаче им е сравнително трудно да определят точния момент, в който това се е случило.

Изчисленията варират от 4.5 млрд. години (възрастта на самата Земя) до 565 млн. години. Сега ново изследване успя да стеснят малко този времеви период. Според нови данни, получени в лабораторни експерименти, които създават условия, сходни с тези в планетарното ядро, вътрешното ядро би трябвало да се е образувало някъде преди 1 млрд. и 1.3 млрд. години.

Това от своя страна ще ни помогне да определим приблизителната възраст на геодинамото, което захранва магнитно поле около Земята. Това магнитно поле допринася за благоприятните условия за живот на планетата, тъй като пречи на слънчевия вятър да отвее атмосферата.

Ето защо не е изненадващо, че учените са изключително заинтересовани от произхода на вътрешното ядро, както и от начина, по който то се поддържа.

Геодинамото се създава от циркулацията на желязото във външния пласт, която е следствие от конвекция, захранвана от два механизма. От една страна, имаме топлинна конвекция, генерирана от температурните вариации. Това може да се случи в едно напълно течно ядро. От друга, налична е и композиционна конвекция, при която по-леките елементи, освободени в покрайнините на твърдото ядро, се изкачват до течния пласт и създават движение.

И в двата случая тази течност създава електрически течения, които зареждат ядрото и го превръщат в гигантски електромагнит. И готово! Получаваме магнитно поле. В момента и двата вида конвекции са налични в земното ядро – и двете допринасят с еднаква степен за образуването на геодинамото.

Преди обаче твърдото ядро да се кристализира, е съществувала единствено топлинна конвекция. Сама по себе си тя може да генерира геодинамо, но за да се поддържа милиарди години наред, желязото трябва да е изключително горещо, което е нереалистичен сценарий.

За да се поддържат толкова високи температури, топлинната проводимост на желязото (т.е. способността му да отвежда топлината ефективно) трябва да е висока. Ето защо екипът решава да проучи по-подробно топлинната проводимост на желязо под налягане и при температури, близки на тези в ядрото.

За тази цел те взимат желязо, нагорещяват го с помощта на лазери и го смачкват на диамантена наковалня. Звучи лесно, но всъщност са били множество опити в продължение на над 2 години. Най-накрая екипът успява да изчисли електричната и термалната проводимост на пробата желязо под налягане от 170 гигапаскала (т.е. 170 млн. пъти повече от атмосферното налягане на морското равнище) и температура от 3000 градуса по Келвин.

Налягането във външното ядро варира от 135 до 330 гигапаскала от външната граница до границата на вътрешното ядро, а температурата там е от 4000 до 5000 градуса по Келвин. Смята се, че вътрешното ядро достига над 6000 градуса по Келвин (но желязото се втърдява под силното налягане).

Когато учените изчисляват проводимостта на пробата, те откриват, че тя е 30-50 процента по-ниска, отколкото би трябвало да е при горна граница на възрастта му 565 млн. години. Именно по този начин те успяват да стеснят периода, в рамките на който вътрешното ядро на Земята се е втвърдило. Интересното в случая е, че той съвпада с промяна в магнитното поле на Земята. Подредбата на магнитните материали в скалите, датирани отпреди 1.5 млрд. години, показват, че се забелязва увеличение на силата на магнитното поле по това време (както и би трябвало за периода на кристализация на вътрешното ядро). Подобно увеличение обаче е забелязано и преди 565 млн. години. Ако вътрешното ядро се е кристализирало по-рано, това означава, че все още не знаем какво се е случило със Земята преди 565 млн. години.

Изследването е публикувано в Physical Review Letters.