Σαν «κρεμμύδι»: Επιστήμονες λύνουν το μυστήριο του πυρήνα της Γης και αποκαλύπτουν την πολυεπίπεδη δομή του
Τα σεισμικά κύματα που διέρχονται από τον εσωτερικό πυρήνα της Γης έχουν αποκαλύψει πολλά για το κέντρο του πλανήτη μας: πώς αλλάζει σχήμα, πώς αντιστρέφει την περιστροφή του, την παράξενη υφή του, καθώς και το γεγονός ότι περιέχει μια ασυνήθιστη κατάσταση της ύλης.
Τώρα, μια νέα μελέτη που επιχειρεί να εξηγήσει ορισμένα ανώμαλα δεδομένα υποδηλώνει ότι ο πυρήνας της Γης μπορεί να αποτελείται από στρώματα, όπως ένα κρεμμύδι.
Επιστήμονες στη Γερμανία θέλησαν να ερευνήσουν συγκεκριμένα το πρόβλημα των σεισμικών ανισοτροπιών – τις διακυμάνσεις στην ταχύτητα των σεισμικών κυμάτων που αντηχούν στο εσωτερικό της Γης όταν προσκρούουν στον εσωτερικό πυρήνα, ανάλογα με την κατεύθυνση της διαδρομής τους.
«Υπάρχουν διάφορες υποθέσεις για την προέλευση αυτών των ανισοτροπιών», λέει η ορυκτολόγος Carmen Sanchez-Valle από το Πανεπιστήμιο του Münster. «Ξεκινήσαμε να μελετήσουμε τη συνδυαστική επίδραση του πυριτίου και του άνθρακα στη συμπεριφορά παραμόρφωσης του σιδήρου».
Για να κατανοήσουν τι συμβαίνει, οι ερευνητές εξέτασαν πώς αυτά τα βασικά στοιχεία του εσωτερικού πυρήνα ενδέχεται να αλληλεπιδρούν υπό ακραίες πιέσεις και θερμοκρασίες που φτάνουν τους 820 °C.
Η πειραματική διάταξη, η οποία περιλαμβάνει έναν θάλαμο κενού όπου στεγάζεται μια κυψέλη διαμαντένιου άκμονα υψηλής θερμοκρασίας. Το πορτοκαλί χρώμα της κυψέλης προέρχεται από το φως που εκπέμπει σε υψηλές θερμοκρασίες., Φωτογραφία: Carmen Sánchez-Valle
Χρησιμοποιώντας περίθλαση ακτίνων Χ, οι ερευνητές αναζήτησαν μια ιδιότητα που ονομάζεται προτιμητέος προσανατολισμός πλέγματος (LPO), η οποία περιγράφει τον τρόπο με τον οποίο οι κρύσταλλοι στο εσωτερικό των στερεών ευθυγραμμίζονται λόγω θερμικών προτύπων. Προηγουμένως, οι επιστήμονες δεν διέθεταν επαρκή δεδομένα για το πώς μπορεί να εμφανίζεται ο προτιμητέος προσανατολισμός πλέγματος του σιδήρου όταν αναμιγνύεται με πυρίτιο και άνθρακα για τον σχηματισμό κραμάτων.
Ο προτιμητέος προσανατολισμός πλέγματος (LPO) μπορεί να επηρεάσει τον τρόπο με τον οποίο τα ηχητικά κύματα μεταδίδονται μέσω μετάλλων όπως ο σίδηρος, και θεωρείται ότι αυτό ίσως εξηγεί τη σεισμική ανισοτροπία.
Εδώ, η ιδιότητα αυτή δοκιμάστηκε στις μικρότερες δυνατές κλίμακες, με τα κράματα να περιέχονται, να συμπιέζονται και να θερμαίνονται μέσα σε εξαιρετικά μικρά δοχεία.
«Τα πρότυπα περίθλασης αναλύθηκαν μετά το πείραμα για να προκύψουν οι πλαστικές ιδιότητες –συγκεκριμένα, το όριο ελαστικότητας και το ιξώδες– των κραμάτων σιδήρου-πυριτίου-άνθρακα, τα οποία στη συνέχεια μοντελοποιήθηκαν θεωρητικά ώστε να γίνει αναγωγή των δεδομένων στις συνθήκες που επικρατούν στον εσωτερικό πυρήνα», εξηγεί η Sanchez-Valle.
Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι, σε σύγκριση με τον καθαρό σίδηρο, η προσθήκη πυριτίου και άνθρακα πράγματι άλλαξε τη διάταξη του κρυσταλλικού πλέγματος του κράματος σιδήρου. Οι διαφορές που προέκυψαν στην ταχύτητα των σεισμικών κυμάτων ταιριάζουν με τις ανωμαλίες που έχουν παρατηρηθεί στο εξωτερικό τμήμα του εσωτερικού πυρήνα.
Πρόκειται για επιπλέον αποδείξεις ότι ο εσωτερικός πυρήνας της Γης αποτελείται στην πραγματικότητα από διάφορα στρώματα – ένα εντυπωσιακό επιστημονικό επίτευγμα για μια μελέτη που αφορά κάτι το οποίο βρίσκεται περισσότερο από 5.000 χιλιόμετρα, κάτω από τα πόδια μας, θαμμένο κάτω από πετρώματα και υγρό μέταλλο.
Το κεντρικό τμήμα του εσωτερικού πυρήνα ενδέχεται να έχει χαμηλή περιεκτικότητα σε πυρίτιο και άνθρακα, γεγονός που οδηγεί σε ισχυρή σεισμική ανισοτροπία, εκτιμούν οι ερευνητές, «ενώ η αυξανόμενη συγκέντρωση ελαφρών στοιχείων κράματος προς τα εξωτερικά στρώματα του εσωτερικού πυρήνα έχει ως αποτέλεσμα τη μειωμένη ανισοτροπία».
Οι προβλεπόμενες μεταβολές ταχύτητας στα κράματα σιδήρου-πυριτίου-άνθρακα υπό τις συνθήκες του πυρήνα ταυτίστηκαν με τις καταγραφές πεδίου. Φωτογραφία: Kolesnikov et al., Nat. Commun., 2025
Οι γεωλόγοι σημειώνουν σταθερή πρόοδο στην κατανόηση της πολυπλοκότητας αυτού που βρίσκεται κάτω από την επιφάνεια της Γης, κυρίως μέσω της μέτρησης του τρόπου με τον οποίο ταξιδεύουν τα σεισμικά κύματα και της αναπαραγωγής των συνθηκών του εσωτερικού και του εξωτερικού πυρήνα στο εργαστήριο.
Η λεπτομερής αυτή εργασία περιλαμβάνει τον εντοπισμό ασυνεπειών, τη διατύπωση πιθανών εξηγήσεων και, στη συνέχεια, τη δοκιμή αυτών των εξηγήσεων – κάτι που η ομάδα πίσω από αυτή τη μελέτη κατάφερε να φέρει εις πέρας με επιτυχία.
«Το εξαρτώμενο από το βάθος πρότυπο ανισοτροπίας που παρατηρείται στον εσωτερικό πυρήνα της Γης ενδέχεται να προκύπτει από τη χημική διαστρωμάτωση πυριτίου και άνθρακα μετά την κρυστάλλωση του πυρήνα», καταλήγουν οι ερευνητές.