Interdisciplinarni međunarodni istraživački tim nedavno je otkrio da ogromna anomalija duboko u unutrašnjosti Zemlje može biti ostatak sudara pre oko 4,5 milijardi godina koji je formirao Mesec.
Ovo istraživanje nudi važne nove uvide ne samo u unutrašnju strukturu Zemlje, već iu njenu dugoročnu evoluciju i formiranje unutrašnjeg Sunčevog sistema.
Studija, koja se oslanjala na metode računarske dinamike fluida koje je pionir prof. Deng Hongping sa Šangajske astronomske opservatorije (SHAO) Kineske akademije nauka, objavljena je kao naslovnica u časopisu Nature 2. novembra.
Formiranje Meseca je uporna enigma za nekoliko generacija naučnika. Preovlađujuća teorija sugeriše da se tokom kasnih faza rasta Zemlje pre otprilike 4,5 milijardi godina, dogodio masivni sudar — poznat kao „džinovski udar“ — između primordijalne Zemlje (Gaia) i protoplanete veličine Marsa poznate kao Theia. Veruje se da je Mesec nastao od krhotina nastalih ovim sudarom.
Numeričke simulacije su pokazale da je Mesec verovatno nasledio materijal prvenstveno od Teje, dok je Gaja, zbog svoje mnogo veće mase, bila samo blago kontaminirana Theian materijalom.
Pošto su Geja i Teja bile relativno nezavisne formacije i sastavljene od različitih materijala, teorija je sugerisala da bi Mesec – kojim dominira tejanski materijal – i Zemlja – kojom dominira materijal Gaja – trebalo da imaju različite kompozicije. Međutim, visoko precizna merenja izotopa su kasnije otkrila da su sastavi Zemlje i Meseca izuzetno slični, što dovodi u pitanje konvencionalnu teoriju formiranja Meseca. MFM simulacija kanonskog udara diva koji formira mesec. Ovde različite boje prate različite komponente Geje i Teje. Donji plašt Geje, označen isprekidanim krugom radijusa od 0,8 Zemljinih radijusa (RE), samo je marginalno kontaminiran Tejskim omotačem. Zasluge: Bi Rongki i Deng Hongping
Iako su naknadno predloženi različiti rafinirani modeli ogromnog uticaja, svi su se suočili sa izazovima.
Da bi dalje usavršio teoriju formiranja Meseca, prof. Deng je 2017. godine počeo da sprovodi istraživanje o formiranju Meseca. Fokusirao se na razvoj nove metode računarske dinamike fluida pod nazivom Meshless Finite Mass (MFM), koja se ističe u preciznom modelovanju turbulencije i mešanju materijala .
Koristeći ovaj novi pristup i sprovodeći brojne simulacije džinovskog udara, prof. Deng je otkrio da je rana Zemlja pokazala slojevitost plašta nakon udara, pri čemu su gornji i donji plašt imali različite sastave i stanja. Konkretno, gornji omotač je imao okean magme, nastao temeljnim mešanjem materijala iz Geje i Teje, dok je donji omotač ostao uglavnom čvrst i zadržao materijalni sastav Geje.
„Prethodna istraživanja su stavljala prevelik naglasak na strukturu diska krhotina (preteče Meseca) i previdela su uticaj džinovskog sudara na ranu Zemlju“, rekao je Deng.
Nakon razgovora sa geofizičarima sa Švajcarskog federalnog instituta za tehnologiju u Cirihu, prof. Deng i saradnici su shvatili da je ova slojevitost plašta možda opstala do današnjih dana, što odgovara globalnim seizmičkim reflektorima u sredini plašta (koji se nalazi na oko 1.000 km ispod Površina zemlje).
Konkretno, čitavim donjim omotačem Zemlje možda još uvek dominira Gaian materijal pre udara, koji ima drugačiji elementarni sastav (uključujući veći sadržaj silicijuma) od gornjeg omotača, prema prethodnoj studiji prof. Denga.
„Naši nalazi osporavaju tradicionalno shvatanje da je džinovski udar doveo do homogenizacije rane Zemlje“, rekao je prof. Deng. „Umesto toga, čini se da je džinovski uticaj koji formira mesec poreklo heterogenosti ranog omotača i označava početnu tačku za geološku evoluciju Zemlje tokom 4,5 milijardi godina.
Još jedan primer heterogenosti Zemljinog omotača su dva anomalna regiona – nazvana Velike provincije niske brzine (LLVPs) – koje se protežu hiljadama kilometara u podnožju plašta. Jedna se nalazi ispod afričke tektonske ploče, a druga ispod pacifičke tektonske ploče. Kada seizmički talasi prolaze kroz ove oblasti, brzina talasa je značajno smanjena.
LLVP imaju značajne implikacije na evoluciju plašta, razdvajanje i agregaciju superkontinenata i strukture Zemljine tektonske ploče. Međutim, njihovo poreklo je ostalo misterija.
Dr Iuan Kian sa Kalifornijskog instituta za tehnologiju, zajedno sa saradnicima, predložio je da su LLVP-i mogli evoluirati iz male količine Theian materijala koji je ušao u donji omotač Gaje. Oni su kasnije pozvali prof. Denga da istraži distribuciju i stanje Theian materijala u dubokoj Zemlji nakon ogromnog udara.
Kroz dubinsku analizu prethodnih simulacija džinovskog udara i sprovođenjem novih simulacija veće preciznosti, istraživački tim je otkrio da je značajna količina materijala Theianskog omotača, otprilike 2% Zemljine mase, ušla u donji plašt Geje.
Prof. Deng je zatim pozvao kompjuterskog astrofizičara dr Jacoba Kegerreisa da potvrdi ovaj zaključak koristeći tradicionalne metode hidrodinamike glatkih čestica (SPH).
Istraživački tim je takođe izračunao da je ovaj materijal Theian mantle, sličan lunarnim stenama, obogaćen gvožđem, što ga čini gušćim od okolnog materijala Gaiana. Kao rezultat toga, brzo je potonuo na dno plašta i, tokom dugotrajne konvekcije plašta, formirao dva istaknuta regiona LLVP. Ovi LLVP-i su ostali stabilni tokom 4,5 milijardi godina geološke evolucije.
Heterogenost u dubokom omotaču, bilo u reflektorima srednjeg plašta ili LLVP-ima u bazi, sugeriše da je unutrašnjost Zemlje daleko od uniformnog i „dosadnog“ sistema. U stvari, male količine duboko usađene heterogenosti mogu se izneti na površinu pomoću perjanica plašta — cilindričnih uzlaznih toplotnih struja izazvanih konvekcijom plašta — kao što su one koje su verovatno formirale Havaje i Island.
Na primer, geohemičari koji proučavaju odnose izotopa retkih gasova u uzorcima islandskog bazalta otkrili su da ovi uzorci sadrže komponente različite od tipičnih površinskih materijala. Ove komponente su ostaci heterogenosti u dubokom plaštu koji datiraju pre više od 4,5 milijardi godina i služe kao ključevi za razumevanje početnog stanja Zemlje, pa čak i formiranja obližnjih planeta.
Prema dr Juanu, „Preciznom analizom šireg spektra uzoraka stena, u kombinaciji sa prefinjenijim džinovskim modelima udara i modelima evolucije Zemlje, možemo zaključiti o materijalnom sastavu i orbitalnoj dinamici primordijalne Zemlje, Geje i Teje. Ovo nam omogućava da ograničimo čitavu istoriju formiranja unutrašnjeg Sunčevog sistema“.
