На границе внутреннего ядра Земли нашли признаки локальных деформаций

Проанализировав данные мониторинга повторяющихся землетрясений, геофизики обнаружили, что для волн, прошедших через твердое внутреннее ядро Земли или отраженных от него, существуют различия в параметрах сейсмических сигналов, которые не объясняются его скоростной анизотропией. Ученые предположили, что эти различия связаны с изменчивым характером топографии на границе внутреннего ядра, который обусловлен взаимодействием с веществом внешним ядром или нижней мантии. Отчет об исследовании опубликован в журнале Nature Geoscience.

Внутреннее ядро Земли было открыто в 1930-х годах, а дальнейшие сейсмологические исследования позволили установить его радиус (около 1220 километров) и показали, что оно находится в твердом состоянии. Твердое внутреннее ядро с момента своего образования поддерживает механизм геодинамо, генерирующий магнитное поле Земли, так как за счет высвобождения скрытой теплоты кристаллизации формируются конвективные потоки в жидком внешнем ядре.

Наибольший интерес исследователей в последние десятилетия вызывало явление сейсмической анизотропии внутреннего ядра, состоящее в том, что время пробега сейсмических волн через него зависит от направления. Сейсмологам удалось локализовать область наибольшей анизотропии, что говорит о наличии структуры. Оказалось также, что внутреннее ядро и остальная твердая часть планеты вращаются дифференциально (подробно об этом можно прочитать в нашем материале «Докрутились»), и относительная скорость этого вращения подвержена изменениям. Последние исследования показали, что в период с 2003 по 2008–2010 год ядро обгоняло мантию, затем синхронизировалось с ней, а после 2010 года стало отставать.

Однако на изменчивость характеристик сейсмических волн могут влиять и другие свойства внутреннего ядра. Чтобы выявить их, американские и китайские геофизики во главе с Джоном Видейлом (John E. Vidale) из Университета Южной Калифорнии исследовали записи, полученные телесейсмическими станциями YKA в Канаде и ILAR на Аляске. Ученые рассмотрели 168 пар записей от повторяющихся землетрясений на Южных Сандвичевых островах (Южная Атлантика), сосредоточив внимание на поведении продольных волн типов PKIKP (прошедших через внутреннее ядро) и PKiKP (отраженных от поверхности раздела внутреннего и внешнего ядра).

Установив по временам вступления сейсмических фаз моменты, когда внутреннее ядро находилось в одной и той же фазе вращения по отношению к остальной Земле (например, 2004 и 2017 или 2006 и 2014 годы), Видейл и его коллеги сравнили форму сигналов, пришедших от таких повторяющихся землетрясений на обе станции. Это помогло выявить различия в сигналах, не связанные с дифференциальным вращением внутреннего ядра. Они были обнаружены в сейсмограммах с канадской станции YKA: небольшие изменения амплитуды, происходившие с 2004 по 2008 год. Записи станции ILAR их не зафиксировали.

Станции YKA и ILAR расположены на разном расстоянии от Южных Сандвичевых островов, и траектории лучей сейсмических волн, приходящих на приемники этих станций от одного события, различны. YKA регистрировала волны PKIKP, из-за преломления пробежавшие лишь через поверхностные слои внутреннего ядра, и волны PKiKP, отраженные под более острым углом, чем те, что пришли на станцию ILAR. Поэтому исследователи интерпретировали обнаруженные на YKA колебания амплитуды как свидетельство процессов, которые происходят на границе раздела. Вероятнее всего, они связаны с кратковременными локальными изменениями топографии границы и вызваны взаимодействием с конвектирующим веществом внешнего ядра или с областями плотностных аномалий в нижней мантии.

Ранее N + 1 сообщал, что ученые промоделировали особое фазовое состояние вещества внутреннего ядра ― суперионные сплавы, а также рассказывал, что предыдущие оценки дефицита плотности ядра оказались существенно занижены.