Duboko ispod naših nogu, na zapanjujućoj dubini od preko 5.100 km, nalazi se Zemljino unutrašnje jezgro — čvrsta lopta od gvožđa i nikla koja igra ključnu ulogu u oblikovanju uslova koje doživljavamo na površini. U stvari, bez toga je malo verovatno da bismo uopšte postojali.
Ali uprkos njegovom značaju, pomalo je zagonetka kako se formirao i razvijao. Ne znamo ni koliko je star. Srećom, fizika minerala nas približava rešavanju misterije.
Unutrašnje jezgro je odgovorno za Zemljino magnetno polje, koje deluje kao štit, štiteći nas od štetnog sunčevog zračenja. Ovo magnetno polje je možda bilo važno za stvaranje uslova koji su omogućili da život napreduje pre milijardi godina.
Zemljino unutrašnje jezgro je nekada bilo tečno, ali je vremenom postalo čvrsto. Kako se Zemlja postepeno hladi, unutrašnje jezgro se širi ka spolja, a okolna tečnost bogata gvožđem se „zamrzava“. Ipak, i dalje je izuzetno vruće, najmanje 5.000 Kelvina (K) (4.726,85°C).
Ovaj proces zamrzavanja oslobađa elemente, kao što su kiseonik i ugljenik, koji nisu kompatibilni sa postojanjem u vrućoj čvrstoj materiji. On stvara vruću, plutajuću tečnost na dnu spoljašnjeg jezgra. Tečnost se diže u tečno spoljašnje jezgro i meša se sa njim, što stvara električne struje (kroz „dinamo akciju“), koje generiše naše magnetno polje.
Da li ste se ikada zapitali šta čini da severna svetla plešu na nebu? Možete zahvaliti unutrašnjem jezgru.
Da bi razumeli kako se Zemljino magnetno polje razvijalo tokom svoje istorije, geofizičari koriste modele koji simuliraju toplotno stanje jezgra i plašta.
Ovi modeli nam pomažu da razumemo kako se toplota distribuira i prenosi unutar Zemlje. Pretpostavljaju da se čvrsto unutrašnje jezgro prvi put pojavilo kada se tečnost ohladila do tačke topljenja, uzimajući to kao vreme kada je počela da se smrzava. Problem je u tome što ne odražava tačno proces zamrzavanja.
Naučnici su stoga istraživali proces „superhlađenja“. Prehlađenje je kada se tečnost ohladi ispod tačke smrzavanja bez pretvaranja u čvrstu supstancu. To se dešava sa vodom u atmosferi, koja ponekad dostiže -30°C pre formiranja grada, a takođe i sa gvožđem u Zemljinom jezgru.
Proračuni sugerišu da je za zamrzavanje čistog gvožđa u Zemljinom jezgru potrebno do 1.000 K superhlađenja. S obzirom da provodljivost jezgra implicira da se hladi brzinom od 100–200K na milijardu godina, ovo predstavlja značajan izazov. Ovaj nivo prehlađenja implicira da bi jezgro trebalo da bude ispod tačke topljenja tokom čitave svoje istorije (starosti od 1.000 do 500 miliona godina), što predstavlja dodatne komplikacije.
Pošto ne možemo fizički da pristupimo jezgru — ljudi su izbušili samo 12 km u Zemlju — skoro u potpunosti se oslanjamo na seizmologiju da bismo razumeli unutrašnjost naše planete. Unutrašnje jezgro je otkriveno 1936. godine, a njegova veličina (oko 20% Zemljinog radijusa) je jedno od najbolje ograničenih svojstava duboke Zemlje. Koristimo ove informacije da procenimo temperaturu jezgra, pod pretpostavkom da granica između čvrstog i tečnog predstavlja presek tačke topljenja i temperature jezgra.
Ova pretpostavka nam takođe pomaže da procenimo maksimalan stepen prehlađenja koje je moglo da se desi pre nego što je unutrašnje jezgro počelo da se formira iz kombinovanog unutrašnjeg i spoljašnjeg jezgra. Ako se jezgro zamrznulo relativno nedavno, trenutno toplotno stanje na granici unutrašnjeg jezgra-spoljašnje jezgro pokazuje koliko je kombinovano jezgro moglo biti ispod tačke topljenja kada je unutrašnje jezgro prvi put počelo da se smrzava. Ovo sugeriše da je, najviše, jezgro moglo biti prehlađeno za oko 400K.
Ovo je najmanje dvostruko više od onoga što seizmologija dozvoljava. Ako je jezgro bilo prehlađeno za 1.000K pre zamrzavanja, unutrašnje jezgro bi trebalo da bude mnogo veće nego što je primećeno. Alternativno, ako je 1.000K neophodno za zamrzavanje i nikada nije postignuto, unutrašnje jezgro uopšte ne bi trebalo da postoji. Jasno je da nijedan scenario nije tačan, pa šta bi moglo biti objašnjenje?
Fizičari minerala su testirali čisto gvožđe i druge mešavine kako bi utvrdili koliko je superhlađenja potrebno da se započne formiranje unutrašnjeg jezgra. Iako ove studije još nisu dale konačan odgovor, postoje obećavajući napredak.
Na primer, saznali smo da neočekivane kristalne strukture i prisustvo ugljenika mogu uticati na superhlađenje. Ovi nalazi sugerišu da određena hemija ili struktura koja ranije nije razmatrana možda neće zahtevati tako nerazumno veliko prehlađenje. Ako bi jezgro moglo da se zamrzne na manje od 400K superhlađenja, to može objasniti prisustvo unutrašnjeg jezgra kakvog ga vidimo danas.
Implikacije nerazumevanja formiranja unutrašnjeg jezgra su dalekosežne. Prethodne procene starosti unutrašnjeg jezgra kreću se od 500 do 1.000 miliona godina. Ali ovo ne objašnjava problem prehlađenja. Čak i skromno prehlađenje od 100K može značiti da je unutrašnje jezgro nekoliko stotina miliona godina mlađe nego što se ranije mislilo.
Razumevanje potpisa formiranja unutrašnjeg jezgra u zapisu paleomagnetnih stena — arhivi Zemljinog magnetnog polja — je ključno za one koji proučavaju uticaj sunčevog zračenja na masovna izumiranja.
Dok bolje ne razumemo istoriju magnetnog polja, ne možemo u potpunosti utvrditi njegovu ulogu u nastanku uslova za život i života.
