Նախընտրելի
Շվեյցարիայի դաշնային տեխնոլոգիական ինստիտուտի (ETH Zurich) պրոֆեսոր Մոտոհիկո Մուրակամիի ղեկավարությամբ միջազգային գիտնականների թիմը բեկումնային հայտնագործություն է կատարել՝ պարզելով, որ Երկրի միջուկի և մանթիայի սահմանին՝ մոտ 2900 կմ խորության վրա գտնվող D″ գոտում, պինդ ապարները հոսում են՝ չնայած հեղուկ վիճակի բացակայությանը: Communications Earth & Environment (CEE) ամսագրում հրապարակված հետազոտությունը բացատրում է սեյսմիկ ալիքների խորհրդավոր վարքը և հաստատում Երկրի ընդերքում պինդ ապարների կոնվեկցիան: Այս բացահայտումը փոխում է մեր պատկերացումները Երկրի ներքին դինամիկայի մասին:
Ի՞նչ է D″ գոտին և ինչու՞ է այն խորհրդավոր
D″ գոտին 100–300 կմ հաստությամբ շերտ է, որը գտնվում է ստորին մանթիայի և Երկրի արտաքին միջուկի միջև՝ 2600–2900 կմ խորության վրա: Կես դար գիտնականները նկատել են, որ այս տարածաշրջանում սեյսմիկ ալիքները (P- և S-ալիքներ) անսպասելիորեն արագանում են, ինչը վկայում է նյութի անսովոր հատկությունների մասին: Հիմնական վարկածները կապում էին այս երևույթը ստորին մանթիայի հիմնական միներալի՝ պերովսկիտի (MgSiO₃)՝ ծայրահեղ պայմաններում՝ մինչև 135 ԳՊա ճնշման և մոտ 4000 K ջերմաստիճանի դեպքում ավելի խիտ ձևի՝ հետպերովսկիտի վերածվելու հետ:
2004 թվականին Մուրակամին հաստատել է, որ նման փոխակերպում տեղի է ունենում, սակայն 2007 թվականին նա ցույց է տվել, որ փուլային անցումն ինքնին չի բացատրում ալիքների արագության անոմալիան: Գաղտնիքը մնացել է չբացահայտված մինչև վերջին հետազոտությունը:
Ինչպե՞ս գիտնականները բացահայտեցին գաղտնիքը
Մուրակամիի թիմն օգտագործել է համակարգչային մոդելավորման և լաբորատոր փորձերի համակցություն՝ D″ գոտին ուսումնասիրելու համար.
- Մոդելավորում.
- Մոլեկուլային դինամիկայի և քվանտային-մեխանիկական հաշվարկների միջոցով գիտնականները մոդելավորել են պերովսկիտի և հետպերովսկիտի վարքը 2700 կմ խորության ճնշման և ջերմաստիճանի պայմաններում:
- Մոդելները ցույց են տվել, որ սեյսմիկ ալիքների արագացումը հնարավոր է միայն անիզոտրոպիայի դեպքում, երբ միներալների բյուրեղները կողմնորոշված են մեկ ուղղությամբ՝ ստեղծելով ալիքների համար «արագ» առանցք:
- Փորձ.
- Լաբորատորիայում, օգտագործելով ադամանդե սեղմակներ (DAC), գիտնականները վերստեղծել են D″ գոտու ճնշումն ու ջերմաստիճանը՝ սեղմելով պերովսկիտի նմուշները:
- Առաջին անգամ հաջողվել է հասնել հետպերովսկիտի բյուրեղների կողմնորոշմանը՝ ընդօրինակելով ապարի հոսքի հետևանքով առաջացած դեֆորմացիան:
- Ռենտգենային դիֆրակցիայով չափումները հաստատել են S-ալիքների արագության ցատկը, որը համապատասխանում է բնության մեջ դիտարկվածին (~3–5% աճ):
- Հիմնական բացահայտում.
- D″ գոտում պինդ ապարները հոսում են՝ նմանվելով մածուցիկ հեղուկի, առանց հալման: Այս գործընթացը, որը կոչվում է պինդ փուլի կոնվեկցիա, պայմանավորված է միջուկի և մանթիայի սահմանին ջերմաստիճանի և ճնշման գրադիենտներով:
- Ապարի շարժումը կողմնորոշում է հետպերովսկիտի բյուրեղները միասնական ուղղությամբ՝ ստեղծելով անիզոտրոպիա, որն արագացնում է սեյսմիկ ալիքները:
«Մենք գտանք գլուխկոտրուկի բացակայող օղակը», — հայտարարել է Մուրակամին՝ ընդգծելով, որ սա պինդ ապարի կոնվեկցիայի առաջին փորձարարական ապացույցն է մանթիայում:
Ինչու՞ է ապարը հոսում
D″ գոտում պինդ ապարի հոսքը պայմանավորված է ծայրահեղ պայմաններով.
- Ջերմաստիճան. Տաք արտաքին միջուկի (~6000 K) և ավելի սառը մանթիայի (~3500 K) միջև գրադիենտը առաջացնում է ջերմային կոնվեկցիա:
- Ճնշում. Հսկայական սեղմումը հետպերովսկիտը դարձնում է պլաստիկ՝ թույլ տալով բյուրեղներին դեֆորմացվել և «հոսել» տարեկան ~1–10 սմ արագությամբ:
- Դինամիկա. Ապարը շարժվում է միջուկի սահմանով՝ նման եռացող ջրին կաթսայում, ձևավորելով գլոբալ հոսանքներ, որոնք կապված են մանթիայի պլյումների և սուբդուկցիայի հետ:
Այս գործընթացը բացատրում է ոչ միայն սեյսմիկ անոմալիաները, այլև D″ գոտու անհամասեռությունները, ինչպիսիք են գերցածր արագության գոտիները (ULVZ) և խոշոր կառուցվածքները (LLSVP):
Բացահայտման նշանակությունը
- Երկրի ընդերքի ընկալում.
- Պինդ ապարի կոնվեկցիան հաստատում է մանթիայի դինամիկ բնույթը՝ կապելով թիթեղների շարժը, հրաբխայնությունը և Երկրի մագնիսական դաշտը:
- D″ գոտին գործում է որպես «սահմանային շերտ»՝ կարգավորելով ջերմափոխանակումը միջուկի և մանթիայի միջև:
- Սեյսմիկ մոդելներ.
- Հետպերովսկիտի անիզոտրոպիայի մասին ճշգրտված տվյալները կբարելավեն սեյսմիկ տոմոգրամների մեկնաբանությունը՝ հնարավորություն տալով ստեղծել D″ գոտու հոսքերի 3D քարտեզ:
- Սա կօգնի կանխատեսել գեոդինամիկ գործընթացները, ինչպիսիք են մանթիայի պլյումները, որոնք սնուցում են տաք կետերը (Հավայան կղզիներ, Իսլանդիա):
- Մոլորակագիտություն.
- Նմանատիպ գործընթացներ կարող են տեղի ունենալ այլ մոլորակների վրա, օրինակ՝ Մարսի կամ գերկանաչ մոլորակների վրա, որտեղ ճնշումն ու ջերմաստիճանը ստեղծում են համանման պայմաններ:
- Բացահայտումը ճշգրտում է մոլորակների ձևավորման և նրանց մագնիսական դաշտերի մոդելները:
- Տեխնոլոգիական առաջընթաց.
- Ադամանդե սեղմակներով փորձերն ու սուպերհամակարգիչներով մոդելավորումը սահմանում են խորքային ընդերքի ուսումնասիրության նոր ստանդարտ:
Սահմանափակումներ և հեռանկարներ
- Մասշտաբ. Փորձերը սահմանափակված են փոքր նմուշներով (~1 մմ³), մինչդեռ D″ գոտին անհամասեռ է հազարավոր կիլոմետրերի վրա:
- Տվյալներ. Հոսքերի ամբողջական քարտեզի համար անհրաժեշտ են լրացուցիչ սեյսմիկ կայաններ, հատկապես օվկիանոսներում (Ocean Bottom Seismology նախագիծ):
- Ապագա հետազոտություններ.
- Գիտնականները ծրագրում են ուսումնասիրել քիմիական բաղադրության (օրինակ՝ երկաթի խառնուրդների) դերը կոնվեկցիայում:
- Մարսի InSight առաքելության տվյալների հետ ինտեգրումը կարող է բացահայտել մանթիայի դինամիկայի նմանություններ:
Եզրակացություն
Communications Earth & Environment-ում հրապարակված Մոտոհիկո Մուրակամիի հետազոտությունը բացահայտում է, որ Երկրի մանթիայի և միջուկի սահմանին գտնվող D″ գոտում պինդ ապարները հոսում են՝ կողմնորոշելով հետպերովսկիտի բյուրեղները և արագացնելով սեյսմիկ ալիքները: Սա պինդ փուլի կոնվեկցիայի առաջին ապացույցն է, որը հաստատվել է ադամանդե սեղմակներով փորձերով և մոդելավորմամբ: Բացահայտումը փոխում է գեոդինամիկայի մասին պատկերացումները՝ խոստանալով ընդերքի 3D քարտեզներ և մոլորակների մասին նոր գիտելիքներ: Հետևե՛ք գեո գիտնականների նորություններին՝ մենք նոր ենք սկսում հասկանալ, թե ինչպես է աշխատում մեր մոլորակը ներսից:
