A Föld belső magjának rejtélye: utazás az időn és a szuperhűlésen át

Mélyen a felszín alatt, több mint 5100 kilométerre, egy vasból és nikkelből álló szilárd gömb található, amelyet a Föld belső magjának nevez...

Mélyen a felszín alatt, több mint 5100 kilométerre, egy vasból és nikkelből álló szilárd gömb található, amelyet a Föld belső magjának nevezünk. Ez a láthatatlan réteg döntő szerepet játszik abban, hogy olyan feltételeket teremtsen, amelyek lehetővé teszik az életet a felszínen.

Nélküle az élet, ahogy ma ismerjük, talán nem is létezne. Azonban annak ellenére, hogy mennyire fontos, a belső mag kialakulása és fejlődése továbbra is tudományos rejtély. Az ásványfizika új eredményei azonban egyre közelebb visznek minket a megoldáshoz.

A belső mag szerepe

A belső mag elengedhetetlen a Föld mágneses mezejének létrehozásához, amely pajzsként véd meg minket a káros napsugárzástól. Ez a mágneses mező kritikus szerepet játszott abban, hogy a bolygón olyan stabil környezet alakuljon ki, amely lehetővé tette az élet virágzását több milliárd évvel ezelőtt.

A Föld történetének egy pontján a belső mag teljesen folyékony volt. Idővel, ahogy a bolygó lassan lehűlt, a belső mag megszilárdult. Még napjainkban is folytatódik ez a folyamat, amikor a vasban gazdag folyadék a külső magban megfagy és a szilárd belső mag mérete növekszik. Ennek ellenére a belső mag továbbra is rendkívül forró, legalább 5000 Kelvin (4726,85 °C) hőmérsékletű.

Ahogy a belső mag növekszik, olyan elemeket bocsát ki, mint az oxigén és a szén, amelyek nem képesek szilárd állapotban maradni ilyen magas hőmérsékleten. Ezek az elemek feláramlást idéznek elő a külső mag folyékony részében, ami elektromos áramokat generál. Ez az áramlás felelős a Föld mágneses mezejének fenntartásáért. E folyamatnak köszönhetjük az északi fényt, amely káprázatos látványt nyújt az égbolton.

A kristályosodás rejtélyei

A geofizikusok régóta kíváncsiak arra, hogyan fejlődött a Föld mágneses mezeje az idők során. Hőátviteli modelleket használnak a Föld belső és külső rétegeinek állapotának szimulálására. Ezek a modellek azon a feltételezésen alapulnak, hogy a belső mag akkor kezdett megszilárdulni, amikor a külső mag hőmérséklete elérte az olvadáspontját. Azonban ez a kép egyszerűsített, és nem tükrözi teljes mértékben a megszilárdulás bonyolult folyamatát.

Az utóbbi években a tudósok felfedezték, hogy a "szuperhűlés" nevű jelenség magyarázhatja a belső mag megszilárdulásának folyamatait. Szuperhűlés akkor következik be, amikor egy folyadék a fagyáspontja alá hűl anélkül, hogy megszilárdulna. Ez a jelenség megfigyelhető például a légkörben lévő vízcseppek esetében, amelyek akár -30°C-ra is lehűlhetnek, mielőtt jéggé vagy jégesővé válnának. Hasonló folyamat zajlott le a Föld magjában is, ahol a vas szintén a fagyáspontja alatt maradhatott hosszú ideig.

Számítások szerint akár 1000 Kelvin (kb. 700°C) szuperhűlésre is szükség lehet ahhoz, hogy a tiszta vas megfagyjon a Föld magjában. Azonban a mag hűlési sebessége mindössze 100-200 Kelvin milliárd évenként, ami komoly kihívást jelent. Ha valóban ekkora szuperhűlésre lett volna szükség, a magnak szinte egész története során olvadt állapotban kellett volna maradnia. Ez pedig további kérdéseket vet fel: hogyan történt akkor a megszilárdulás?

Szuperhűlés és szeizmológia

Mivel fizikailag nem férünk hozzá a Föld magjához, a szeizmológia az egyik legfontosabb eszközünk a bolygó belsejének tanulmányozására. A belső magot 1936-ban fedezték fel, és azóta a Föld sugarának körülbelül 20%-át kitevő mérete az egyik legjobban meghatározott adat a mélyföldről. Ezt az információt arra használjuk, hogy a mag hőmérsékletét megbecsüljük, feltételezve, hogy a szilárd és folyékony rétegek közötti határ az olvadáspont és a mag hőmérsékletének metszéspontját jelenti.

Ez a feltételezés segít abban is, hogy meghatározzuk, mennyi szuperhűlés történhetett, mielőtt a belső mag kialakult volna. Ha a mag viszonylag nemrég fagyott meg, akkor a belső mag és a külső mag határán lévő hőmérséklet azt jelzi, hogy mennyire volt a mag a fagyáspontja alatt, amikor a megszilárdulás megkezdődött. Ez a becslés azt sugallja, hogy a mag körülbelül 400 Kelvin szuperhűlésen mehetett keresztül.

Ez azonban csak fele annak, amit a szeizmológiai adatok lehetővé tesznek. Ha a mag 1000 Kelvin szuperhűlésen ment volna keresztül, a belső magnak sokkal nagyobbnak kellene lennie. Alternatívaként, ha 1000 Kelvin szükséges a fagyáshoz, de ez sosem történt meg, akkor a belső magnak egyáltalán nem szabadna léteznie. Nyilvánvalóan egyik forgatókönyv sem helytálló, így új magyarázatokra van szükség.

Új felfedezések az ásványfizikában

Az ásványfizikusok tiszta vason és különböző keverékeken végeztek kísérleteket, hogy meghatározzák, milyen körülmények között kezdhetett megszilárdulni a belső mag. Bár egyértelmű válasz még nem született, az eredmények ígéretesek.

Az egyik fontos felfedezés az volt, hogy váratlan kristályszerkezetek és a szén jelenléte befolyásolhatják a szuperhűlés mértékét. Ezek a tényezők azt sugallják, hogy a korábban feltételezettnél kisebb szuperhűlés is elegendő lehetett a belső mag megszilárdulásához. Ha a mag kevesebb mint 400 Kelvin szuperhűlésen keresztül is megfagyhatott, akkor magyarázatot kapunk arra, miért létezik a belső mag úgy, ahogyan ma látjuk.

A belső mag vizsgálatának következményei

A belső mag kialakulásának megértése messzemenő következményekkel bír. A belső mag korára vonatkozó korábbi becslések 500 millió és 1 milliárd év közé tették azt. Azonban ezek a becslések nem vették figyelembe a szuperhűlés jelenségét. Még egy szerény, 100 Kelvin mértékű szuperhűlés is azt jelenti, hogy a belső mag több száz millió évvel fiatalabb lehet, mint ahogyan azt korábban gondolták.

A belső mag tanulmányozása segíthet jobban megérteni a Föld mágneses mezejének történetét is, amely a paleomágneses kőzetekben őrződik meg. Ez az információ kulcsfontosságú lehet a naptevékenységek és a földi életet érintő tömeges kihalások kapcsolatának vizsgálatában.

Amíg nem értjük teljesen a mágneses mező történetét, nem tudjuk pontosan megérteni, milyen szerepet játszott a Föld lakhatóságának kialakulásában és az élet megjelenésében. (1)

(1) - https://theconversation.com/the-earths