Wszystkie dzieci w wieku szkolnym wiedzą, że planeta Ziemia jest podzielona na trzy (lub cztery) duże warstwy: skorupę, płaszcz i jądro. Generalnie jest to prawdą, chociaż uogólnienie to nie uwzględnia kilku dodatkowych warstw zidentyfikowanych przez naukowców, z których jedną jest np. warstwa przejściowa w obrębie płaszcza.
W badaniu opublikowanym 15 lutego 2019 r. geofizyk Jessica Irving i studentka studiów magisterskich Wenbo Wu z Uniwersytetu Princeton, we współpracy z Sidao Ni z Instytutu Geodezyjnego i Geofizycznego w Chinach, wykorzystały dane uzyskane podczas potężnego trzęsienia ziemi w Boliwii w 1994 r., aby znaleźć góry. i inne cechy topograficzne na powierzchni strefy przejściowej głęboko w płaszczu. Warstwa ta, położona 660 km pod ziemią, oddziela płaszcz górny i dolny (bez formalnej nazwy tej warstwy badacze nazwali ją po prostu „granicą 660 km”).
Aby „zajrzeć” tak głęboko pod ziemię, naukowcy wykorzystali najpotężniejsze fale na planecie, powstałe w wyniku silnych trzęsień ziemi. „Potrzebne jest silne, głębokie trzęsienie ziemi, aby wstrząsnąć planetą” – powiedziała Jessica Irving, adiunkt nauk o Ziemi.
Duże trzęsienia ziemi są znacznie silniejsze niż zwykłe – ich energia wzrasta 30-krotnie z każdym dodatkowym krokiem w górę skali Richtera. Irving uzyskuje najlepsze dane z trzęsień ziemi o sile 7.0 i większej, ponieważ fale sejsmiczne wysyłane przez tak duże trzęsienia rozprzestrzeniają się w różnych kierunkach i mogą przemieszczać się przez jądro na drugą stronę planety i z powrotem. Do celów tego badania kluczowe dane pochodziły z fal sejsmicznych zarejestrowanych podczas trzęsienia ziemi o magnitudzie 8.3 w skali Richtera – drugiego co do głębokości trzęsienia ziemi kiedykolwiek zarejestrowanego przez geologów – które nawiedziło Boliwię w 1994 roku.
„Trzęsienia ziemi o takiej sile nie zdarzają się często. Jesteśmy bardzo szczęśliwi, że obecnie na świecie zainstalowano o wiele więcej sejsmometrów niż 20 lat temu. Sejsmologia również uległa znacznym zmianom w ciągu ostatnich 20 lat dzięki nowym instrumentom i mocy komputerów.
Sejsmolodzy i badacze danych korzystają z superkomputerów, takich jak superkomputer klastrowy Tiger w Princeton, do symulacji złożonego zachowania rozpraszania fal sejsmicznych głęboko pod ziemią.
Technologie opierają się na podstawowych właściwościach fal: ich zdolności do odbijania i załamywania. Tak jak fale świetlne mogą odbijać się (odbijać) od lustra lub załamywać się, gdy przechodzą przez pryzmat, tak fale sejsmiczne przemieszczają się przez jednorodne skały, ale są odbijane lub załamywane, gdy napotykają na swojej drodze nierówne powierzchnie.
„Wiemy, że prawie wszystkie obiekty mają nierówną powierzchnię i dlatego mogą rozpraszać światło” – powiedział Wenbo Wu, główny autor badania, który niedawno uzyskał doktorat z geonomii, a obecnie odbywa staż podoktorski w California Institute of Technology. „Dzięki temu możemy „widzieć” te obiekty – fale rozpraszające niosą ze sobą informację o chropowatości powierzchni, które napotykają na swojej drodze. W tym badaniu przyjrzeliśmy się rozpraszającym falom sejsmicznym przemieszczającym się w głąb Ziemi, aby określić „chropowatość” znalezionej granicy o długości 660 km”.
Naukowcy byli zaskoczeni, jak „chropowata” jest ta granica – nawet bardziej niż warstwa powierzchniowa, na której żyjemy. „Innymi słowy, ta podziemna warstwa ma bardziej złożoną topografię niż Góry Skaliste czy system górski Appalachów” – powiedział Wu. Ich model statystyczny nie był w stanie określić dokładnej wysokości tych podziemnych gór, ale istnieje duże prawdopodobieństwo, że są one znacznie wyższe niż cokolwiek na powierzchni Ziemi. Naukowcy zauważyli również, że 660-kilometrowa granica również jest nierównomiernie rozłożona. W ten sam sposób, w jaki warstwa lądowa ma w niektórych częściach gładką powierzchnię oceanu, a w innych masywne góry, tak granica 660 km ma również nierówne strefy i gładkie warstwy na swojej powierzchni. Naukowcy przyjrzeli się także podziemnym warstwom na głębokości 410 kilometrów oraz na szczycie środkowego płaszcza, ale nie byli w stanie znaleźć podobnej chropowatości na tych powierzchniach.
„Odkryli, że granica o długości 660 km jest równie złożona jak warstwa powierzchniowa” – powiedziała sejsmolog Christina Hauser, adiunkt w Tokijskim Instytucie Technologii, która nie była zaangażowana w badania. „Wykorzystanie fal sejsmicznych powstałych w wyniku potężnych trzęsień ziemi do znalezienia 3-kilometrowej różnicy wzniesień terenu znajdującego się na głębokości 660 kilometrów pod ziemią to niewyobrażalny wyczyn… Ich odkrycia oznaczają, że w przyszłości, korzystając z bardziej wyrafinowanych instrumentów sejsmicznych, będziemy mogli wykryć nieznane wcześniej, subtelne sygnały, które odkryją przed nami nowe właściwości wewnętrznych warstw naszej planety.”
Sejsmolog Jessica Irving, adiunkt geofizyki, trzyma dwa meteoryty ze zbiorów Uniwersytetu Princeton, które zawierają żelazo i uważa się, że są częścią planety Ziemia.
Zdjęcie zrobione przez Denisa Appelwhite'a.
Co to oznacza?
Istnienie nierównych powierzchni wzdłuż 660-kilometrowej granicy jest ważne dla zrozumienia sposobu formowania się i funkcjonowania naszej planety. Warstwa ta dzieli płaszcz, który stanowi około 84 procent objętości naszej planety, na część górną i dolną. Geolodzy od lat debatują nad tym, jak ważna jest ta granica. W szczególności badali, w jaki sposób ciepło jest transportowane przez płaszcz i czy nagrzane skały przemieszczają się od granicy Gutenberga (warstwa oddzielająca płaszcz od jądra na głębokości 2900 km) aż do szczytu płaszcza, czy też ten ruch zostaje przerwana na granicy 660 km. Niektóre dowody geochemiczne i mineralogiczne sugerują, że górna i dolna warstwa płaszcza mają różny skład chemiczny, co potwierdza tezę, że te dwie warstwy nie mieszają się termicznie lub fizycznie. Inne obserwacje sugerują, że górna i dolna warstwa płaszcza nie różnią się pod względem chemicznym, co daje podstawę do debaty na temat tak zwanego „dobrze wymieszanego płaszcza”, w którym obie warstwy płaszcza uczestniczą w sąsiadującym cyklu wymiany ciepła.
„Nasze badanie dostarcza nowych informacji na temat tej debaty” – powiedział Wenbo Wu. Dane uzyskane z tego badania sugerują, że obie strony mogą mieć częściowo rację. Gładsze warstwy granicy 660 km mogły powstać w wyniku dokładnego, pionowego mieszania, podczas gdy bardziej nierówne, górzyste strefy mogły powstać tam, gdzie mieszanie górnego i dolnego płaszcza nie przebiegało tak płynnie.
Ponadto naukowcy wykryli „chropowatość” warstwy na znalezionej granicy w dużej, średniej i małej skali, co teoretycznie może być spowodowane anomaliami termicznymi lub niejednorodnością chemiczną. Jednak ze względu na sposób transportu ciepła w płaszczu, wyjaśnia Wu, wszelkie anomalie termiczne na małą skalę zostaną wygładzone w ciągu kilku milionów lat. Zatem tylko niejednorodność chemiczna może wyjaśnić chropowatość tej warstwy.
Co może powodować tak znaczną niejednorodność chemiczną? Na przykład pojawienie się skał w warstwach płaszcza, które należały do skorupy ziemskiej i przemieszczały się tam przez wiele milionów lat. Naukowcy od dawna debatują nad losem płyt na dnie morskim, które są wpychane do płaszcza przez strefy subdukcji zderzające się wokół Oceanu Spokojnego i innych części globu. Weibo Wu i Jessica Irving sugerują, że pozostałości tych płyt mogą obecnie znajdować się powyżej lub poniżej granicy 660 km.
„Wiele osób uważa, że badanie wewnętrznej struktury planety i jej zmian w ciągu ostatnich 4.5 miliarda lat przy użyciu wyłącznie danych dotyczących fal sejsmicznych jest dość trudne. „Ale to dalekie jest od prawdy!” – stwierdził Irving. „Badania te dostarczyły nam nowych informacji na temat losów starożytnych płyt tektonicznych, które na przestrzeni wielu miliardów lat opadły do płaszcza”.
Na koniec Irving dodał: „Uważam, że sejsmologia jest najciekawsza, gdy pomaga nam zrozumieć wewnętrzną strukturę naszej planety w czasie i przestrzeni”.
Od autora tłumaczenia: Zawsze chciałem spróbować swoich sił w tłumaczeniu artykułu popularnonaukowego z angielskiego na rosyjski, ale nie spodziewałem się tego ile to skomplikowane. Wielki szacunek dla tych, którzy regularnie i sprawnie tłumaczą artykuły na temat Habré. Aby profesjonalnie przetłumaczyć tekst, trzeba nie tylko znać język angielski, ale także zrozumieć sam temat, studiując obce źródła. Dodajcie trochę „knebla”, żeby zabrzmiało bardziej naturalnie, ale też nie przesadźcie, żeby nie zepsuć artykułu. Dziękuję bardzo za przeczytanie :)
Źródło: www.habr.com