Vědci poprvé prokázali, že vnitřní jádro Země možná není pevné, ale existuje ve zvláštním superiontovém stavu – kovová mřížka s proudícími lehkými atomy. Tento objev vysvětluje dlouholeté seismické záhady a odhaluje nový zdroj energie pro magnetické pole, které chrání život na Zemi.
Mezinárodní tým vědců právě změnil způsob, jakým si představujeme nejhlubší nitro Země: podle studie zveřejněné v časopise National Science Review není vnitřní jádro planety – blok železa a lehkých prvků v hloubce téměř 5 000 km pod našima nohama – pevnou látkou, jak jsme si mysleli, ale může existovat v přechodném, „superiontovém“ stavu s překvapivými vlastnostmi, které vysvětlují desítky let staré seismické záhady.
Tradiční modely si dosud představovaly zemské jádro jako pevnou kouli ze železa, možná s trochou niklu a stopami lehkých prvků, vystavenou obrovským tlakům a teplotám blízkým těm na povrchu Slunce. Tento model však vykazoval nesrovnalosti: proč se některé seismické vlny šířily pomaleji, než se očekávalo, nebo proč vnitřní „hustota“ planety neodpovídala přesně hustotě čistého železa.
Související článek
Experiment a superiontová fáze
Nový experiment, provedený se slitinou železa a uhlíku za extrémních podmínek tlaku a teploty podobných zemskému jádru, odhalil, že směs přechází do dosud nevídané fáze: v tomto stavu si atomy železa udržují uspořádanou pevnou strukturu, zatímco atomy uhlíku se v ní volně pohybují, „jako by to byla voda pohybující se v kovové mřížce“.
Výsledkem je materiál, který je jak pevný, protože mřížka železa si zachovává svou krystalickou strukturu, tak kapalný, protože lehké atomy v něm proudí. Tato pohyblivost atomů drasticky snižuje tuhost materiálu, což vysvětluje, proč se seismické vlny šíří nižší rychlostí, než se předpokládalo, a proč se některé mechanické vlastnosti jádra chovají jako „měkký“ kov.
Seismické paradoxy
Pokud jde o zemětřesení, geofyzici již po desetiletí hovoří o „seismických paradoxech“ jádra: za předpokladu pevného jádra některá data neseděla. Existence superiontové fáze tyto rozpory řeší. Pohyblivost lehkých prvků, jako je uhlík, v jádře by navíc mohla poskytnout další zdroj energie pro geodynamo, proces, který vytváří magnetické pole Země. To pomáhá vysvětlit, jak si Země udržuje svůj magnetický štít, nezbytný pro život, po miliardy let.
Tento objev navíc není jen lokální. Pokud má kamenná planeta jádro bohaté na železo a lehké prvky, mohla by u ní nastat stejná superiontová fáze. To otevírá dveře k přehodnocení vnitřní struktury a magnetického vývoje jiných světů: naše planeta už nebude univerzálním modelem, ale jedním z mnoha možných.
Tento objev nás vybízí k opuštění tradiční představy jádra jako „tvrdé kovové koule“. Místo toho by Země mohla mít ve svém středu spíše něco jako hybridní strukturu, tekutou a pevnou zároveň, „tekuté kovové srdce“. Obraz, který nám umožní představit si, že i když chodíme po pevné skále, pod našima nohama se nachází nitro v pohybu, živější, než jsme si kdy dokázali představit.
Tento objev nejen zlepšuje naše chápání Země, ale může nově definovat způsob, jakým chápeme vnitřek planet, naší i těch v jiných slunečních soustavách, od jejich magnetických polí, přes tektoniku až po geologický vývoj.
Kontext: Vrstvy Země a jak vlastně vidíme do jádra
Abychom pochopili význam tohoto objevu, je užitečné zasadit jej do kontextu. Země se zhruba skládá ze čtyř vrstev: zemské kůry, pláště, vnějšího jádra a vnitřního jádra. Kůra je tenká „slupka“, v níž žijeme; plášť je hustá, horká, kamenitá vrstva, která se chová jako velmi pomalu tekoucí pevná látka; vnější jádro je oceán tekutého železa; a vnitřní jádro bylo až dosud popisováno jako pevná koule ze železa a niklu.
Problém je v tom, že jsme se do jádra nikdy ani zdaleka nevrtali. Všechny naše informace pocházejí ze seismických vln generovaných zemětřeseními a výbuchy, z laboratorních experimentů a teoretických modelů. Je to jako snažit se rekonstruovat vnitřek zvonu podle toho, jak zvoní, když do něj udeříte. Po desetiletí tato seismická „hudba“ brnkala na noty nesouhlasné s představou zcela pevného vnitřního jádra.
Hlavní seismické vlny jsou dvojího typu: P-vlny (primární), které stlačují a rozšiřují materiál, a S-vlny (sekundární), které jej deformují ze strany na stranu. V tuhém tělese se S-vlny šíří relativně rychle; v méně tuhém materiálu se šíří pomaleji nebo se dokonce nemusí šířit vůbec. Měření však ukázala, že v některých směrech se vlny zpomalují více, než předpovídaly modely pevného železného jádra. Kromě toho byla odvozená hustota vnitřního jádra nižší než hustota čistého železa vystaveného stejným tlakům a teplotám v laboratoři. Do skládačky něco chybělo.
Zde přichází na řadu koncept superiontového stavu. Tento stav hmoty není ve fyzice úplně nový: byl již navržen a pozorován v materiálech, jako je vodní led při gigantických tlacích, což se týká nitra planet, jako je Uran a Neptun. V normální pevné látce všechny atomy vibrují v pevných polohách, v kapalině se všechny volně pohybují. V superiontové látce zůstává část atomů „ukotvena“ v pevné mřížce, zatímco jiná část se chová jako kapalina proudící v této mřížce. Jedná se o hybrid mezi pevnou látkou a kapalinou.
Nová práce aplikuje tuto myšlenku na vnitřní jádro Země. Pomocí simulací molekulární dynamiky a experimentů s diamantovými kovadlinami a vysoce výkonnými lasery vystavili vědci slitiny uhlíku a železa tlaku více než 300 gigapascalů (více než třímilionkrát vyššímu než atmosférický tlak) a teplotě více než 5 000 stupňů Celsia, což je srovnatelné s teplotami v centru planety. V těchto extrémních podmínkách železo vytváří stabilní krystalickou strukturu, zatímco lehké atomy – v tomto případě uhlík – se stávají vysoce pohyblivými.
Toto chování má hluboké důsledky. Na jedné straně si mřížka železa zachovává schopnost přenášet seismické vlny jako pevná látka, ale přítomnost pohyblivých lehkých atomů snižuje efektivní tuhost materiálu. Je to, jako bychom měli kovovou houbu naplněnou vnitřní tekutinou, která tlumí některé vibrace. To mnohem lépe odpovídá pozorovaným seismickým rychlostem a takzvané „měkkosti“ vnitřního jádra, které se zdálo být příliš měkké na to, aby šlo o čisté železo.
Na druhou stranu pohyblivost lehkých prvků otevírá cestu k vysvětlení jevů, které byly až dosud záhadné, jako je seismická anizotropie (skutečnost, že se vlny v určitých směrech uvnitř vnitřního jádra šíří rychleji) nebo možná existence „nejvnitřnějšího vnitřního jádra“, centrální oblasti s jinými vlastnostmi než zbytek vnitřního jádra. Pokud se lehké prvky v průběhu času redistribuují, mohou vytvářet zóny s mírně odlišným složením a strukturou, které následně ovlivňují šíření seismických vln.
Studie také souvisí s další velkou záhadou: původ a přetrvávání magnetického pole Země. Víme, že pole vzniká především v tekutém vnějším jádře, kde pohybující se železo působí jako obří dynamo. Aby se však tento „motor“ nezastavil, potřebuje stálý zdroj energie a pohybu. Tradičně se o něm uvažuje jako o teplu unikajícím z jádra do pláště a o krystalizaci vnitřního jádra, při níž se do vnějšího jádra uvolňuje latentní teplo a lehké prvky.
Superiontová fáze přidává do tohoto mechanismu nový prvek: pokud se lehké prvky snadno pohybují ve vnitřním jádře, mohou přispívat k transportu tepla a vytváření gradientů složení, které napájejí proudy ve vnějším jádře. Jinými slovy, „tekuté kovové jádro“ by nebylo jen exotickou kuriozitou, ale aktivním hráčem v dlouhé historii magnetického pole Země, které chrání atmosféru a život před slunečním větrem již nejméně 3,5 miliardy let.