Ο εσωτερικός πυρήνας της Γης  εμφανίζει μια ανισοτροπία στην κατεύθυνση διάδοσης των σεισμικών κυμάτων.

Από σελίδα του Nature 10 Σεπτεμβρίου 2001

Οι επιστήμονες γνωρίζουν από καιρό ότι ο πυρήνας της γης, αποτελούμενος κυρίως από σίδηρο, είναι υπεύθυνος για τη δημιουργία του γήινου μαγνητικού πεδίου. Με βάση σεισμολογικά δεδομένα, οι ερευνητές έχουν παρατηρήσει ότι τα ελαστικά σεισμικά κύματα ταξιδεύουν στον εσωτερικό πυρήνα γρηγορότερα κατά μήκος διευθύνσεων που είναι παράλληλες με τον άξονα περιστροφής της γης από ό,τι κατά μήκος διευθύνσεων που είναι παράλληλες με το επίπεδο του ισημερινού.

Το Εσωτερικό της Γης

Πέντε δισεκατομμύρια χρόνια πριν η Γη σχηματιζόταν με συγκέντρωση μάζας από το πλανητικό μεσοδιάστημα, ενώ συγχρόνως βομβαρδιζόταν από μετεωρίτες και κομήτες. Το τεράστιο ποσό θερμότητας που ελευθερωνόταν από τον βομβαρδισμό αυτόν με υψηλής ταχύτητας σώματα, έλιωσε όλο τον πλανήτη, ο οποίος στη συνέχεια άρχισε να ψύχεται και η ψύξη αυτή διαρκεί μέχρι σήμερα. Τα πυκνότερα υλικά όπως ο σίδηρος (Fe) προερχόμενα από τους μετεωρίτες, βυθίστηκαν στον πυρήνα της Γης, ενώ άλλα ελαφρύτερα υλικά όπως ενώσεις του πυριτίου (Si) με οξυγόνο (Ο) και νερό προερχόμενα από τους κομήτες ανυψώθηκαν κοντά στην επιφάνεια.

Το σχήμα δείχνει την Γη να διαιρείται σε 4 κύρια στρώματα:
Τον εσωτερικό πυρήνα (inner core ),
τον εξωτερικό πυρήνα (outer core),
τον μανδύα (outer core ) και
τον φλοιό (crust ).

Ο πυρήνας αποτελείται κυρίως από σίδηρο(Fe) και είναι τόσο θερμός ώστε το εξωτερικό του μέρος είναι λιωμένο και περιέχει περίπου 10% θειάφι (S). Ο εσωτερικός πυρήνας όμως έχει τόσο ακραία τιμή πίεσης ώστε παραμένει στερεός. Το κύριο μέρος της μάζας της Γης βρίσκεται στον μανδύα, ο οποίος αποτελείται από σίδηρο (Fe), Μαγνήσιο (Mg), Αργίλιο (Al), Πυρίτιο (Si), και οξυγόνο (Ο) υπό μορφή ενώσεων του πυριτίου. Σε θερμοκρασία άνω των 1000ο Κελσίου ο μανδύας είναι στερεός αλλά μπορεί να μετασχηματιστεί αργά με πλαστικό τρόπο. Ο φλοιός είναι πολύ λεπτότερος από τα άλλα στρώματα, και αποτελείται από τα λιγότερο πυκνά Αργιλικά και Πυριτικά ορυκτά με Ασβέστιο (Ca) και Νάτριο (Να). Επειδή ο φλοιός είναι σχετικά ψυχρός είναι εύθραυστος και με πετρώδη υφή και γι αυτό θρυμματίζεται εύκολα με τους σεισμούς.

Η εξερεύνηση του πυρήνα της Γης

Πως ανακαλύφθηκε ο πυρήνας της Γης; Οι καταγραφές των σεισμικών κυμάτων από τους γήινους σεισμούς έδωσαν τις πρώτες ενδείξεις. Τα σεισμικά κύματα κάμπτονται και ανακλώνται στα όρια μεταξύ των διαφόρων υλικών, όπως το πρίσμα της παρακάτω εικόνας διαθλά και διαχέει το φως επί των εδρών του.

Επιπρόσθετα, οι δύο τύποι σεισμικών κυμάτων που υπάρχουν συμπεριφέρονται διαφορετικά, ανάλογα με το υλικό που διασχίζουν. Τα κύματα πίεσης (διαμήκη) ή αλλιώς Ρ κύματα διαδίδονται και διαθλώνται τόσο σε υγρά όσο και σε στερεά υλικά. Τα διατμητικά κύματα (εγκάρσια) ή αλλιώς S κύματα δεν μπορούν να διαδοθούν σε ρευστά όπως ο αέρας και το νερό. Στα ρευστά δεν μπορεί το ένα σωμάτιο ν' ασκήσει δυνάμεις στο γειτονικό του σωμάτιο κάθετες στη διεύθυνση που τα ενώνει, και γι αυτό δεν διαδίνται S κύματα.

Οι σεισμολόγοι παρατήρησαν ότι οι καταγραφές από ένα σεισμό που συνέβη κάπου στον πλανήτη, άλλαζαν ριζικά όταν ο σεισμός και η καταγραφική συσκευή απείχαν πάνω από μια ορισμένη απόσταση. Πιο συγκεκριμένα αν το σημείο του σεισμού, το κέντρο της Γης και ο σεισμογράφος σχηματίζουν γωνία μεγαλύτερη των 105ο. Μετά τις 105ο τα κύματα εξαφανίζονται σχεδόν τελείως, τουλάχιστον ώσπου τα αργά επιφανειακά κύματα να φτάσουν στο σεισμογράφο από τον ορίζοντα.

Η περιοχή σε απόσταση άνω των 105ο σχηματίζει μια ζώνη σκιάς. Σε μεγαλύτερες ακόμη αποστάσεις, φθάνουν κάποια Ρ κύματα, αλλά πάντως όχι S. Αυτό δείχνει ότι η Γη έχει ένα λιωμένο ρευστό πυρήνα ο οποίος εξηγεί την έλλειψη των S κυμάτων και την κάμψη των Ρ κυμάτων και τη ζώνη σκιάς.

Μπορείτε να πάρετε μια χοντρική εκτίμηση του μεγέθους του γήινου πυρήνα υποθέτοντας απλά ότι το τελευταίο S κύμα πριν αρχίσει η ζώνη σκιάς στις 105o , ταξιδεύει σε ευθεία γραμμή. Γνωρίζοντας ότι η Γη έχει ακτίνα 6350 χιλιόμετρα, έχετε ένα ορθογώνιο τρίγωνο όπου το συνημίτονο της μισής γωνίας των 105ο ισούται με την ακτίνα του πυρήνα διαιρεμένη δια την ακτίνα της Γης.

Το γεγονός ότι η Γη έχει ένα μαγνητικό πεδίο αποτελεί μια ανεξάρτητη ένδειξη για ένα λιωμένο, υγρό πυρήνα. Η βελόνα μιας πυξίδας προσανατολίζεται με το μαγνητικό πεδίο, οπουδήποτε πάνω στην επιφάνεια της Γης. Άλλα όμως ουράνια σώματα όπως η Σελήνη και ο Άρης δεν έχουν μαγνητικά πεδία. Η Γη δεν μπορεί να είναι ένας τεράστιος μόνιμος μαγνήτης, επειδή τα μαγνητικά ορυκτά χάνουν τη μαγνήτισή τους αν θερμανθούν πάνω από τους 500 βαθμούς Κελσίου. Δεδομένου ότι σχεδόν όλη η Γη είναι θερμότερη, ο μόνος τρόπος να δημιουργηθεί ένα μαγνητικό πεδίο είναι με ηλεκτρικά ρεύματα που κυκλοφορούν στο εσωτερικό της. Η περιστροφική κίνηση και τα θερμικά ρεύματα του ηλεκτρικά αγώγιμου ρευστού σιδήρου στον εξωτερικό πυρήνα της Γης παράγουν το μαγνητικό πεδίο της Γης. Για να δημιουργηθεί το μαγνητικό πεδίο, τα θερμικά ρεύματα πρέπει να είναι σχετικά γρήγορα, (πολύ πιο γρήγορα απ' ότι είναι στον εύπλαστο μανδύα), συνεπώς ο πυρήνας πρέπει να είναι υγρός.

Επειδή το μαγνητικό πεδίο της Γης δημιουργείται από τις ακανόνιστες μορφές ροής στον πυρήνα, αλλάζει κατεύθυνση κατά άτακτα χρονικά διαστήματα. Στην πρόσφατη γεωλογική ιστορία πρέπει να έχει αλλάξει κατεύθυνση ανά 20.000 χρόνια περίπου. Κάθε είδος γεωλογικών αποθεμάτων (πχ. Ροή λάβας, στρώματα λάσπης) που αποθέτονται με την πάροδο του χρόνου σε διαφορετικές χρονικές περιόδους θα μαγνητίζονται με αντίθετες διευθύνσεις, καταγράφοντας έτσι τη φορά του μαγνητικού πεδίου που επικρατούσε όταν το στρώμα αυτό στερεοποιήθηκε. Οι Γεωφυσικοί μπορούν και μετρούν τις αλλαγές στην κατεύθυνση της μαγνήτισης των πετρωμάτων και φτιάχνουν έτσι τη μαγνητοστρωματογραφία των διαφόρων υλών που αποτέθηκαν.

Ο εσωτερικός πυρήνας της Γης εμφανίζει ανισοτροπία.-Μια νέα εξήγηση της ανισοτροπίας αυτής

Ο εσωτερικός πυρήνας της Γης που όπως είπαμε είναι σε στερεά μορφή εμφανίζει μια ασυνήθιστη ιδιότητα: Τα κύματα πίεσης Ρ διαδίδονται ταχύτερα στη διεύθυνση κατά μήκος του άξονα περιστροφής της Γης απ' ότι πάνω στο ισημερινό επίπεδο. Αυτή η εξάρτηση της ταχύτητας από τη διεύθυνση διάδοσης δικαιολογείται μόνο με την παραδοχή ενός ανισοτροπικού μοντέλου για τον εσωτερικό πυρήνα. Το γιατί υπάρχει όμως αυτή η ανισοτροπία παραμένει αδιευκρίνιστο. Αυτό οφείλεται εν μέρει στο ότι οι ελαστικές ιδιότητες του σιδήρου σε συνθήκες υψηλών πιέσεων και θερμοκρασιών στο κέντρο της γης δεν είναι γνωστές, αφού δεν είναι εφικτό να γίνουν άμεσες μετρήσεις στον πυρήνα και οι συνθήκες αυτές είναι δύσκολο να αναπαρασταθούν εργαστηριακά.

Παρ΄ όλα αυτά οι ερευνητές μπορούν να προβλέψουν τις ιδιότητες του σιδήρου σε συνθήκες που επικρατούν στον πυρήνα μέσω προσομοιώσεων σε υπολογιστές. Ομάδα επιστημόνων από πολλά πανεπιστήμια έκανε τέτοιες προσομοιώσεις για να μελετήσει τις αλλαγές στην κρυσταλλική δομή του σιδήρου σε ψηλή πίεση και θερμοκρασία (4.000-7.000 Κέλβιν ή 3.726- 6.726 Κελσίου). Οι αλλαγές του εξαγωνικού σχήματος των κρυστάλλων είχαν ως άμεση συνέπεια και την αλλαγή των ελαστικών του ιδιοτήτων, μια παρατήρηση που εξέπληξε τους ερευνητές, αφού οι ελαστικές ιδιότητες του σιδήρου σε υψηλές θερμοκρασίες ήταν εντελώς διαφορετικές σχετικά με αυτές στις χαμηλές θερμοκρασίες. Αυτά τα νέα δεδομένα θα οδηγήσουν στη διαφορετική ερμηνεία των σεισμικών δεδομένων, τα οποία μέχρι σήμερα βασίζονταν στις ελαστικές ιδιότητες του σιδήρου που παρατηρούνται στις χαμηλές θερμοκρασίες.

Οι νέες αυτές προσομοιώσεις βασισμένες σε ένα νέο σύνολο κβαντικών υπολογισμών για την ελαστικότητα του εξαγωνικού πλέγματος του σιδήρου, η οποία είναι η μορφή που σχηματίζει ο σίδηρος στον εσωτερικό πυρήνα, σε συνδυασμό με ένα πρότυπο πολυκρυσταλλικής δομής του εσωτερικού πυρήνα μας έδωσε τις βάσεις για την εξήγηση αυτής της ανισοτροπίας. Στην έρευνα συμμετείχαν επιστήμονες και μεταπτυχιακοί φοιτητές από το University of Michigan, το Geophysical Laboratory του Carnegie Institution of Washington, το National Institute of Standards and Technology και το University of Pennsylvania. Τα αποτελέσματα των ερευνών δημοσιεύτηκαν στο επιστημονικό περιοδικό Nature στις 6 Σεπτεμβρίου του 2001.

Μια ξεχωριστή μελέτη εξάλλου που δημοσιεύτηκε φωτίζει τη σπουδαιότητα των διατμητικών τάσεων που οφείλονται σε ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις ως πηγής της πολυκρυσταλλικής δομής του εσωτερικού πυρήνα.