Βαθιά κάτω από τα πόδια μας, σε ένα εκπληκτικό βάθος άνω των 5.100 χιλιομέτρων, βρίσκεται ο εσωτερικός πυρήνας της Γης — μια συμπαγής σφαίρα από σίδηρο και νικέλιο που παίζει καθοριστικό ρόλο στη διαμόρφωση των συνθηκών που βιώνουμε στην επιφάνεια. Στην πραγματικότητα, χωρίς αυτό θα ήταν απίθανο να υπάρξουμε καν.
Η σημασία του εσωτερικού πυρήνα της Γης
Ο εσωτερικός πυρήνας είναι υπεύθυνος για το μαγνητικό πεδίο της Γης, το οποίο λειτουργεί σαν ασπίδα, προστατεύοντάς μας από την επιβλαβή ηλιακή ακτινοβολία. Αυτό το μαγνητικό πεδίο μπορεί να ήταν σημαντικό για τη δημιουργία των συνθηκών που επέτρεψαν στη ζωή να ευδοκιμήσει πριν από δισεκατομμύρια χρόνια.
Ο εσωτερικός πυρήνας της Γης ήταν κάποτε υγρός, αλλά έχει γίνει στερεός με την πάροδο του χρόνου. Καθώς η Γη σταδιακά ψύχεται, ο εσωτερικός πυρήνας διαστέλλεται προς τα έξω στο περιβάλλον πλούσιο σε σίδηρο υγρό που «παγώνει». Τούτου λεχθέντος, είναι ακόμα εξαιρετικά ζεστός, τουλάχιστον 5.000 Kelvin (K) (4.726,85°C).
Η διαδικασία της κατάψυξης στον εξωτερικό πυρήνα της Γης οδηγεί στην απελευθέρωση στοιχείων, όπως οξυγόνο και άνθρακα, τα οποία, λόγω των υψηλών θερμοκρασιών, δεν μπορούν να παραμείνουν σε στερεή μορφή. Αυτά τα στοιχεία σχηματίζουν ένα ζεστό υγρό, το οποίο λόγω της χαμηλότερης πυκνότητάς του, ανεβαίνει προς τα πάνω. Η ανάμειξη αυτού του υγρού με το ήδη υγρό εξωτερικό πυρήνα προκαλεί τη δημιουργία ηλεκτρικών ρευμάτων. Αυτά τα ηλεκτρικά ρεύματα είναι υπεύθυνα για τη δημιουργία του μαγνητικού πεδίου της Γης, το οποίο μας προστατεύει από την ηλιακή ακτινοβολία.
Αναρωτηθήκατε ποτέ τι κάνει το βόρειο σέλας να χορεύει στον ουρανό; Μπορείτε να ευχαριστήσετε τον εσωτερικό πυρήνα της Γης για αυτό το φαινόμενο.
Κρυστάλλωση
Για να κατανοήσουν πώς έχει εξελιχθεί το μαγνητικό πεδίο της Γης κατά τη διάρκεια της ιστορίας της, οι γεωφυσικοί χρησιμοποιούν μοντέλα που προσομοιώνουν τη θερμική κατάσταση του πυρήνα και του μανδύα.
Αυτά τα μοντέλα μας βοηθούν να κατανοήσουμε πώς η θερμότητα κατανέμεται και μεταφέρεται μέσα στη Γη. Υποθέτουν ότι ο στερεός εσωτερικός πυρήνας εμφανίστηκε για πρώτη φορά όταν το υγρό ψύχθηκε στο σημείο τήξης του, λαμβάνοντας αυτό ως τη στιγμή που άρχισε να παγώνει. Το πρόβλημα είναι ότι δεν αντικατοπτρίζει με ακρίβεια τη διαδικασία κατάψυξης.
Ως εκ τούτου, οι επιστήμονες έχουν εξερευνήσει τη διαδικασία της «υπερψύξης». Υπερψύξη είναι όταν ένα υγρό ψύχεται κάτω από το σημείο πήξης του χωρίς να μετατραπεί σε στερεό. Αυτό συμβαίνει με το νερό στην ατμόσφαιρα, που μερικές φορές φτάνει τους -30°C πριν σχηματιστεί χαλάζι, καθώς και με τον σίδηρο στον πυρήνα της Γης.
Οι υπολογισμοί δείχνουν ότι στην πραγματικότητα απαιτούνται έως και 1.000 K υπερψύξης για να παγώσει ο καθαρός σίδηρος στον πυρήνα της Γης. Δεδομένου ότι η αγωγιμότητα του πυρήνα συνεπάγεται ότι ψύχεται με ρυθμό 100–200 K ανά δισεκατομμύριο χρόνια, αυτό αποτελεί σημαντική πρόκληση. Αυτό το επίπεδο υπερψύξης υποδηλώνει ότι ο πυρήνας θα χρειαζόταν να βρίσκεται κάτω από το σημείο τήξης του για όλη την ιστορία του (από 1.000 έως 500 εκατομμύρια χρόνια), γεγονός που παρουσιάζει πρόσθετες επιπλοκές.
Προκλήσεις και εξελίξεις
Επειδή δεν μπορούμε να έχουμε φυσική πρόσβαση στον πυρήνα – οι άνθρωποι έχουν τρυπήσει μόνο 12 χιλιόμετρα μέσα στη Γη – βασίζουμε σχεδόν εξ ολοκλήρου στη σεισμολογία για να κατανοήσουμε το εσωτερικό του πλανήτη μας. Ο εσωτερικός πυρήνας ανακαλύφθηκε το 1936 και το μέγεθός του (περίπου 20% της ακτίνας της Γης) είναι μία από τις καλύτερα καθορισμένες ιδιότητες της βαθιάς Γης. Χρησιμοποιούμε αυτές τις πληροφορίες για να εκτιμήσουμε τη θερμοκρασία του πυρήνα, υποθέτοντας ότι το όριο μεταξύ στερεού και υγρού αντιπροσωπεύει τη τομή του σημείου τήξης και της θερμοκρασίας του πυρήνα.
Με βάση αυτήν την υπόθεση, μπορούμε να υπολογίσουμε το μέγιστο βαθμό ψύξης που υπέστη ο πυρήνας πριν ξεκινήσει η διαδικασία δημιουργίας του εσωτερικού πυρήνα. Αν υποθέσουμε ότι ο εσωτερικός πυρήνας δεν πάγωσε πολύ καιρό πριν, τότε μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε τη σημερινή θερμοκρασία στο όριο μεταξύ του εσωτερικού και εξωτερικού πυρήνα για να υπολογίσουμε πόσο κρύος ήταν ο πυρήνας πριν ξεκινήσει η διαδικασία κατάψυξης. Αυτό υποδηλώνει ότι, στην πιο ακραία περίπτωση, ο πυρήνας θα μπορούσε να είχε υπερψυχθεί κατά περίπου 400 K.
Αυτό είναι τουλάχιστον διπλάσιο από αυτό που επιτρέπει η σεισμολογία. Εάν ο πυρήνας υπερψύχθηκε κατά 1.000K πριν από την κατάψυξη, ο εσωτερικός πυρήνας θα έπρεπε να είναι πολύ μεγαλύτερος από ό,τι βλέπουμε. Εναλλακτικά, εάν τα 1.000K είναι απαραίτητα για την κατάψυξη και δεν επιτεύχθηκε ποτέ, δηλαδή αν ο πυρήνας δεν είχε γίνει αρκετά κρύος για να παγώσει, ο εσωτερικός πυρήνας δεν θα υπήρχε καθόλου. Είναι προφανές ότι καμία από τις δύο αυτές περιπτώσεις δεν ταιριάζει με αυτά που γνωρίζουμε. Τι άλλο μπορεί να έχει συμβεί;
Προοπτικές και μελλοντικές έρευνες
Οι φυσικοί των ορυκτών έχουν δοκιμάσει καθαρό σίδηρο και άλλα μείγματα για να προσδιορίσουν πόση υπερψύξη χρειάζεται για να ξεκινήσει ο σχηματισμός του εσωτερικού πυρήνα. Αν και αυτές οι μελέτες δεν έχουν δώσει ακόμη μια οριστική απάντηση, υπάρχουν πολλές υποσχόμενες πρόοδοι.
Για παράδειγμα, μάθαμε ότι οι απροσδόκητες κρυσταλλικές δομές και η παρουσία άνθρακα μπορεί να επηρεάσουν την υπερψύξη. Αυτά τα ευρήματα υποδηλώνουν ότι ορισμένη χημεία ή δομή που δεν είχε προηγουμένως ληφθεί υπόψη μπορεί να μην απαιτούσε μια τόσο αδικαιολόγητα μεγάλη υπερψύξη. Εάν ο πυρήνας μπορούσε να παγώσει σε λιγότερο από 400K υπερψύξης, μπορεί να εξηγήσει την παρουσία του εσωτερικού πυρήνα όπως τον βλέπουμε σήμερα.
Οι συνέπειες της μη κατανόησης του σχηματισμού του εσωτερικού πυρήνα είναι εκτεταμένες. Προηγούμενες εκτιμήσεις για την ηλικία του εσωτερικού πυρήνα κυμαίνονται από 500 έως 1 δισ. χρόνια. Αλλά αυτά δεν εξηγούν το ζήτημα της υπερψύξης. Ακόμη και μια μέτρια υπερψύξη 100K θα μπορούσε να σημαίνει ότι ο εσωτερικός πυρήνας είναι αρκετές εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια νεότερος από ό,τι πιστεύαμε προηγουμένως.
Η κατανόηση της υπογραφής του σχηματισμού του εσωτερικού πυρήνα στο αρχείο παλαιομαγνητικών πετρωμάτων — ένα αρχείο του μαγνητικού πεδίου της Γης — είναι ζωτικής σημασίας για όσους μελετούν την επίδραση της ηλιακής ακτινοβολίας.
Μέχρι να κατανοήσουμε καλύτερα την ιστορία του μαγνητικού πεδίου, δεν μπορούμε να προσδιορίσουμε πλήρως τον ρόλο του στην εμφάνιση κατοικήσιμων συνθηκών και ζωής.