Τα μυστήρια του πυρήνα της Γης (Magnetic mysteries of Earth's Core)

Ελεύθερη μετάφραση άρθρου του Gaby Hornsby στο BBC...


Σεισμοί, εκρήξεις και τις παρατηρήσεις του συνεχώς μεταβαλλόμενου μαγνητικού πεδίου της Γης βοηθούν τους επιστήμονες να ανοίξουν ένα νέο παράθυρο στην ''καρδιά'' του πλανήτη μας.

Όταν ο Ιούλιος Βερν έγραψε το ''Ταξίδι στο Κέντρο της Γης'', πάνω από 100 χρόνια πριν, φαντάστηκε μέρη με λιωμένα μέταλλα και ταραγμένες θάλασσες, γεμάτα, με προϊστορικά ζώα και γιγάντια μανιτάρια.

Αυτό που  πραγματικά βρίσκεται κάτω από τα πόδια μας αποτελούσε ένα πλήρες αίνιγμα. Ακόμα και μέχρι πρόσφατα, οι επιστήμονες γνώριζαν εξαιρετικά περισσότερα για τα δαχτυλίδια του Κρόνου από ότι για τον πυρήνα του πλανήτη μας

Αλλά αυτό αρχίζει να αλλάζει. ''Είμαστε σε μια χρυσή εποχή όσον αφορά την πραγματική ανακάλυψη του μεγαλύτερου μέρους της ''βαθιάς'' Γης», λέει ο σεισμολόγος καθηγητής Ρικ Aster.

Και παραδόξως, δεν ήταν όλα αυτά που είχε φανταστεί ο Βερν λανθασμένα.

Το να θέλεις να ανακαλύψεις την αλήθεια για το κέντρο του κόσμου μας είναι μια πολύ βασική ανθρώπινη παρόρμηση, όσο αναρωτιόμαστε για το τι βρίσκεται στη  Σελήνη, αν και το τελευταίο έχει αποδειχθεί πολύ πιο εύκολο ως προς την εξερεύνησή του.

Οι επιστήμονες είναι επίσης γοητευμένοι από τον πυρήνα της Γης, γιατί είναι υπεύθυνος για τη δημιουργία του μαγνητικού πεδίου του πλανήτη μας το οποίο είναι ζωτικής σημασίας για τη ζωή.

Ως εργαλείο για την πλοήγηση, βοηθά τις μέλισσες να βρίσκουν κυψέλη τους, ενώ οι θαλάσσιες χελώνες, τα πουλιά και οι πεταλούδες το χρησιμοποιούν για να μεταναστεύουν σε μακρινές αποστάσεις.

Το μαγνητικό πεδίο ενεργεί επίσης ως ένα προστατευτικό φράγμα μεταξύ ημών και μερικών από τους κινδύνους του διαστήματος, θωρακίζοντάς μας από την ακτινοβολία του ηλιακού ανέμου.

Σωματικά, ένα ταξίδι στον πυρήνα έχει αποδειχθεί απαγορευτικό, λόγω της απότομης αυξήσης πιέσεων και θερμοκρασιών.

Ακόμη και μέσω τηλεχειριζόμενης γεώτρησης, το βαθύτερο που έχουμε καταφέρει να φτάσουμε είναι 12χλμ(πρόκειται για τις γεωτρήσεις Superdeep Kola στη Ρωσία) - ένα ευτελές 0,2% της πορείας προς το κέντρο της Γης.

Λιωμένο μέταλλο

Η σεισμολογία,όμως, επέτρεψε στους επιστήμονες να αισθανθούν ακριβώς τον πυρήνα του πλανήτη. Τα σεισμικά κύματα που παράγονται κατά τη διάρκεια μεγάλων σεισμών ταξιδεύουν από τη μια άκρη της Γης στην άλλη, επιτρέποντας στους επιστήμονες να δημιουργήσουν μια εικόνα του εσωτερικού.

Σεισμολογία είναι «η απίστευτη εφαρμογή (γνώσης)», λέει ο Aster, δείχνοντάς μας πως η Γη έχει ένα λιωμένο εξωτερικό πυρήνα, ''ένα τεράστιο ωκεανό λευκό ζεστό λιωμένο μέταλλο που ρέει σχεδόν σαν το νερό''

Ο πυρήνας αυτός είναι τόσο μεγάλος όσο ο Άρης. Αλλά - όπως μία ρώσικη κούκλα - ένας άλλος πυρήνας βρέθηκε μέσα σε αυτόν. Ένας εσωτερικός πυρήνας - μια συμπαγής μεταλλική μπάλα σχεδόν στο μέγεθος της Σελήνης.

Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι ο συμπαγής εσωτερικός πυρήνας είναι κατασκευασμένος από κράμα σιδήρου-νικελίου.

Για να καταλάβετε ποια μορφή θα μπορούσε να λάβει υπό τις ακραίες συνθήκες στο κέντρο της Γης, ο καθηγητής Kei Hirose έθεσε στον εαυτό του μια -φαινομενικά απραγματοποίητη- αποστολή : να αναδημιουργήσει τις συνθήκες του πυρήνα στο εργαστήριό του στο SPring-8 κοντά στην Οσάκα της Ιαπωνίας. Μετά από 10 χρόνια προσπαθειών,τα κατάφερε.

Crystal forest

Aκραίες συνθήκες που επικρατούν στον πυρήνα της Γης έχουν προσομοιωθεί στο εργαστήριο.
O Kei Hirose έχει δημιουργήσει μια απίστευτα ισχυρή μέγγενη χρησιμοποιώντας τις άκρες δύο διαμαντιών. Ανάμεσά τους έχει συμπιέσει ένα κομμάτι σιδήρου-νικελίου σε πίεση τρία εκατομμύρια φορές μεγαλύτερη της ατμοσφαιρικής θερμαίνοντάς το παράλληλα στους 4.500 C.


Κάτω από αυτές τις ιδιότυπες συνθήκες, η κρυσταλλική δομή του κράματος νικελίου-σιδήρου άλλαξε και οι κρύσταλλοι γρήγορα μεγάλωσαν σε μέγεθος. "Μπορεί να έχουμε πολύ μεγάλους κρυστάλλους στο κέντρο της Γης, ίσως μέχρι και 10 χιλιόμετρα μήκος», λέει ο Hirose.

Όλοι αυτοί οι κρύσταλλοι θα ευθυγραμμιστούν "σαν ένα δάσος», λέει ο Hirose, δείχνοντας στους πόλους της συσκευής.

Το μεγαλύτερο μέρος του μαγνητικού πεδίου της Γης δεν παράγεται στον εσωτερικό πυρήνα, αλλά στο λιωμένο μέταλλο του εξωτερικού. Αυτό λειτουργεί σαν ένα τεράστιο ηλεκτρομαγνητικό δυναμό το οποίο τροφοδοτείται από την περιστροφή της Γης και τη μακρόχρονη ψύξη του πλανήτη.

Αλλά αν και η βασική αρχή είναι κατανοητή, τα στοιχεία για το πώς κινείται το λιωμένο μέταλλο αποτελούν μυστήριο. Καθώς η Γη περιστρέφεται και αποβάλει θερμότητα από το κέντρο, πολύπλοκα σχήματα ροής δημιουργούνται σε αυτό το απέραντο ωκεανό.

"Μπορείτε να σκεφτείτε ότι ο πυρήνας προσομοιάζει την ατμόσφαιρα της Γης, σε μια πολύ ανήσυχη θέση με καταιγίδες και μέτωπα και κακές καιρικές συνθήκες", λέει ο γεωφυσικός καθηγητής Dan Lathrop από το Πανεπιστήμιο του Μέριλαντ. Έχει κατασκευάσει,μόνος του, ένα τεράστιο μοντέλο του πυρήνα με σκοπό να τον βοηθήσει να εξηγήσει κάτι παράξενο σχετικά με το πεδίο - δεν είναι ποτέ σταθερό αλλά μεταβάλλεται διαρκώς.

Το μαγνητικό πεδίο της Γης σταθερά αποδυναμώνεται κατά τα τελευταία 180 χρόνια. Και υπάρχει μια περιοχή που αποδυναμώνει το πεδίο γρηγορότερα από οποιοδήποτε άλλη. Είναι η περιοχή που οι επιστήμονες αποκαλούν η " ανωμαλία του Νότιου Ατλαντικού", η οποία βρίσκεται ανάμεσα στο Νότιο Ατλαντικό και το κέντρο της Νότιας Αμερικής.

Είναι ένας γνωστός κίνδυνος για τα διαστημικά σκάφη, δεδομένου ότι δημιουργεί μια απότομη πτώση του πεδίου, ωθώντας φορτισμένα σωματίδια στην τροχιά των δορυφόρων με αποτέλεσμα το ''βραχυκύκλωμα'' των ηλεκτρονικών τους οργάνων.

Η Αλλαγή των Μαγνητικών Πόλων

Οι επιστήμονες έχουν χαρτογραφήσει την ανάπτυξη της αδύναμης ζώνης του μαγνητικού πεδίου της Γης.Αλλά αυτό που μερικοί επιστήμονες υποπτεύονται είναι ότι θα μπορούσε να είναι πολύ περισσότερο από μια ενόχληση για τους στα συστήματα των δορυφόρων - θα μπορούσε να είναι η πρώτη ένδειξη για μια βαθιά αλλαγή στο μαγνητικό πεδίο της Γης.

Όταν οι επιστήμονες χαρτογράφησαν το μαγνητικό πεδίο της Γης μέχρι το επίπεδο του εξωτερικού φλοιού, ανακάλυψαν ότι κάτω από την ανωμαλία του Νότιου Ατλαντικού η απλή σύμβαση Βορρά-Νότου που γνωρίζουμε είχε καταρρεύσει. Υπάρχουν περιοχές όπου οι πόλοι του μαγνητικού πεδίου έχουν αναστραφεί.

Χρησιμοποιώντας όρους μετεωρολογίας, ο Lathrop πιστεύει ότι ''σαν μια ιδιαίτερα βίαιη ή ασυνήθιστη συμπεριφορά του καιρού" του λιωμένου μετάλλου του εξωτερικού πυρήνα είναι υπεύθυνο για την αναστροφή των πόλων του μαγνητικού πεδίου

Αν αυτά τα φαινόμενα συνεχίσουν να εντείνονται και να εξαπλώνονται, το μαγνητικό πεδίο στο σύνολο της επιφάνειας της Γης θα μπορούσε να φθάσει σε ένα οριακό σημείο και να αναστραφεί.

Δεν είναι κάτι που θα συμβεί από τη μια μέρα στην άλλη - θα μπορούσε να πάρει και χιλιάδες χρόνια. Στο διάστημα αυτό η εικόνα του πεδίου θα είναι πολύ συγκεχυμένη.

Οι διεύθυνση των μαγνητικών πόλων θα μπορούσαν να μεταβάλλεται γύρω από τον Ισημερινό, για παράδειγμα, και να συμπαρασύρουν το θεαματικό Βόρειο Σέλας. Δεν θα ήταν περίεργο - η μετατόπιση των ροών του πυρήνα να έχει αντιστρέψει το μαγνητικό πεδίο της Γης εκατοντάδες  φορές στο παρελθόν.

«Δεν είναι θέμα αν το μαγνητικό πεδίο πρόκειται να αντιστραφεί, αλλά πότε θα γίνει αυτό», λέει ο Lathrop.

Ακριβώς αυτό μπορεί να παραμένει ένα από τα πολλά μυστήρια του γήινου πυρήνα. Αλλά μετά από αιώνες εικασιών, οι επιστήμονες αρχίζουν τελικά να καταλαβαίνουν αυτό το μεγάλο θαύμα που βρίσκεται 6.000 χιλιόμετρα κάτω από τα πόδια μας.



Earthquakes, explosions and observations of Earth's ever-changing magnetic field are helping scientists open up a new window on the heart of our planet.

When Jules Verne wrote A Journey to the Centre of the Earth over 100 years ago, he imagined a place of glowing crystals and a turbulent sea, complete with prehistoric animals and giant mushrooms.

What was actually beneath our feet was a complete enigma. Even to this day scientists astonishingly know more about the rings of Saturn than they do about the core of our own planet.

But that is beginning to change. "We're at a golden age in terms of the real discovery of the bulk of the deep Earth," says seismologist Professor Rick Aster.

And remarkably, not everything Verne imagined was wrong.

Wanting to discover the truth about the centre of our world is as basic a human urge as wondering what is on the Moon, although the latter has proved far easier to explore.

But scientists are also fascinated by the Earth's core because it is responsible for creating our planet's magnetic field which is vital to life.

As a tool for navigation, it helps honey bees find their hive, while sea turtles, birds and butterflies use it to migrate over long distances.

The magnetic field also acts as a protective barrier between us and some of the dangers of space, shielding us from radiation in the solar wind.

Physically travelling to the core has proved a non-starter though, because of the rapidly increasing pressures and temperatures.

Even with remote drilling, the deepest we have managed to penetrate is 12km at the Kola Superdeep Borehole in Russia - a measly 0.2% of the way to the centre of the Earth.

Molten metal

But seismology has allowed scientists to sense right into the core of the planet. The seismic waves generated during major earthquakes travel from one side of the Earth to the other, allowing scientists to build up a picture of the interior.

Seismology is "the killer application", says Aster, showing us the Earth has a molten outer-core, "an enormous ocean of white hot molten metal that's almost as runny as water".

This core is as large as Mars. But - like a planetary Russian doll - another core was found within this one. An inner-core - a solid metal ball almost the size of the Moon.

Scientists believe the solid inner core is made of an iron-nickel alloy.

To understand what form it might take under the extreme conditions at the centre of the Earth, Professor Kei Hirose set himself a seemingly impossible challenge: recreate the conditions of the core in his lab at the SPring-8 synchrotron near Osaka, Japan. After 10 years of trying, he has finally succeeded.

Crystal forest

Extreme conditions found at the Earth's core have been recreated in the laboratory
He has created an incredibly powerful vice using the tips of two diamonds. Between them he has pressurised a sample of iron-nickel to three million times atmospheric pressure and heated the sample to about 4,500C.

Under these extraordinary conditions, the crystal structure of iron-nickel alloy changed and the crystals rapidly grew in size. "We may have very big crystals at the centre of the Earth, maybe up to 10km," says Hirose.

These crystals would all align "like a forest", says Hirose, pointing at the poles.

The bulk of the Earth's magnetic field is generated not in the inner-core but in the molten metal of the outer-core. This acts as a massive electromagnetic dynamo powered by the Earth's rotation and the long-term cooling of the planet.

But although the basic principle is understood, the details of how the molten metal moves are a mystery. As Earth rotates and loses heat from the centre, complex patterns of flow are created within this vast ocean.

"You might think of the core like the atmosphere of the Earth, being a very restless place with storms and fronts and bad weather," says geophysicist Professor Dan Lathrop from the University of Maryland. He has built himself a massive model of the core to help explain something strange about the field - it is never fixed but constantly fluctuating.

The Earth's magnetic field has been steadily weakening over the past 180 years. And there is one patch that is weakening faster than any other. It is an area scientists have dubbed the "South Atlantic Anomaly", which sits over the South Atlantic and the centre of South America.

It is a known hazard for spacecraft because it creates a dip in the field, allowing charged particles into the orbit of satellites and upsetting their electronics and instrumentation.

Magnetic flip

But what some scientists suspect is that it could be much more than an inconvenience to satellite operators - it could be the first indication of a profound change in Earth's magnetic field.

When scientists mapped the Earth's magnetic field down to the level of the outer-core, they discovered that under the South Atlantic Anomaly the simple north-south divide we know at the surface had broken down. There are patches where the field has actually flipped and points north instead of south.

Using his weather analogy, Lathrop believes "a particularly violent or unusual patch of weather" in the molten metal of the outer-core is responsible for reversing the field.

If these patches continue to deepen and spread, the entire Earth's magnetic field could reach a tipping point and flip, he believes.

It is not something that would happen overnight - it could take thousands of years, during which period the field would be pretty confused.

The magnetic poles could wander to the equator for example, and take with them the spectacular Northern Lights. It would not be out of character - the shifting flows of the core have reversed Earth's field hundreds of times before.

"It's not a question of if the Earth is going to reverse the magnetic field, but when," says Lathrop.

Exactly when this might be remains one of the core's many mysteries. But after centuries of speculation, scientists are finally beginning to understand this great wonder lying 6,000km beneath our feet.

Πηγή:
http://www.bbc.co.uk/news/uk-14678002