Ο μεταλλικός πυρήνας στο κέντρο της Γης, πλούσιος σε σίδηρο, αποτελεί θεμέλιο για τη ζωή στον πλανήτη. Είναι ο αθέατος κινητήρας που δημιουργεί το μαγνητικό πεδίο της Γης, το οποίο προστατεύει την ατμόσφαιρα και τους ωκεανούς από τη βλαβερή ηλιακή ακτινοβολία. Παράλληλα, επηρεάζει τη λειτουργία των τεκτονικών πλακών, που με τη συνεχή τους κίνηση αναδιαμορφώνουν τις ηπείρους, τις θάλασσες και τελικά το γεωλογικό αποτύπωμα της Γης. Παρ’ όλα αυτά, βασικά χαρακτηριστικά του πυρήνα παραμένουν ακόμη ασαφή.
Για παράδειγμα, δεν γνωρίζουμε με βεβαιότητα πόσο ακριβώς θερμός είναι, ποια είναι η ακριβής χημική του σύσταση ή πότε ξεκίνησε να ψύχεται και να στερεοποιείται. Τώρα, μια νέα μελέτη από ερευνητές στον τομέα της γεωφυσικής έρχεται να δώσει απαντήσεις σε αυτά τα αινίγματα, εισάγοντας έναν σημαντικό νέο παράγοντα: τον ρόλο του άνθρακα στη διαδικασία ψύξης του εσωτερικού πυρήνα.
Σήμερα, γνωρίζουμε ότι ο εσωτερικός πυρήνας της Γης έχει θερμοκρασία περίπου 5.000 Kelvin (4.727°C). Ενώ αρχικά ήταν πλήρως υγρός, σταδιακά ψύχθηκε και άρχισε να στερεοποιείται, με τον στερεό πυρήνα να επεκτείνεται σταδιακά στο εσωτερικό. Η διαδικασία αυτή απελευθερώνει θερμότητα προς τον υπερκείμενο μανδύα, ενισχύοντας τα ρεύματα μεταφοράς που ευθύνονται για την κίνηση των τεκτονικών πλακών. Επιπλέον, η ίδια ψύξη τροφοδοτεί και τη γένεση του μαγνητικού πεδίου του πλανήτη, καθώς η διαφορά κατάστασης ανάμεσα στον στερεό και τον υγρό πυρήνα δημιουργεί δυναμικά ρεύματα στον υγρό σίδηρο.
Ωστόσο, η πρόσβαση στο εσωτερικό της Γης είναι φυσικά αδύνατη. Έτσι, οι επιστήμονες βασίζονται σε έμμεσες παρατηρήσεις και θεωρητικά μοντέλα για να κατανοήσουν τη θερμική και χημική συμπεριφορά του πυρήνα. Μία κρίσιμη πληροφορία είναι η θερμοκρασία τήξης του υλικού στο όριο ανάμεσα στον στερεό εσωτερικό και τον υγρό εξωτερικό πυρήνα. Εκεί βρίσκεται η «γραμμή μετάβασης», και γνωρίζοντας την ακριβή θερμοκρασία τήξης στο σημείο αυτό, μπορούμε να εκτιμήσουμε με μεγαλύτερη ακρίβεια τη σύνθεση του πυρήνα.
Μέχρι πρόσφατα, η κατανόηση της σύστασης του βασιζόταν σε δύο βασικές προσεγγίσεις:
-
Τη μελέτη μετεωριτών – οι οποίοι θεωρούνται υπολείμματα από τον σχηματισμό του ηλιακού συστήματος ή θραύσματα πυρήνων άλλων πλανητικών σωμάτων. Αυτοί υποδηλώνουν ότι ο πυρήνας της Γης αποτελείται κυρίως από σίδηρο και νικέλιο, με πιθανές μικρές ποσότητες πυριτίου ή θείου.
-
Τη σεισμολογία – που επιτρέπει την έμμεση «χαρτογράφηση» της εσωτερικής δομής της Γης μέσω της μελέτης της συμπεριφοράς των σεισμικών κυμάτων που διαδίδονται διαφορετικά ανάλογα με το υλικό που διαπερνούν.
Οι σεισμικές παρατηρήσεις, συγκεκριμένα, έχουν δείξει ότι ο στερεός εσωτερικός πυρήνας είναι περίπου 10% λιγότερο πυκνός από τον καθαρό σίδηρο, ενώ ο υγρός εξωτερικός πυρήνας φαίνεται να είναι ελαφρώς πυκνότερος. Αυτή η διαφορά υποδηλώνει ότι ο πυρήνας δεν αποτελείται αποκλειστικά από σίδηρο, αλλά από κάποιο κράμα – η ακριβής σύνθεση του οποίου παραμένει ανοιχτό ερώτημα.
Εδώ έρχεται η νέα μελέτη, η οποία χρησιμοποίησε μια διαφορετική προσέγγιση. Εξετάζοντας τις συνθήκες υπό τις οποίες ένα υγρό μέταλλο μετατρέπεται σε στερεό –μια διαδικασία που περιλαμβάνει το φαινόμενο της υπερψύξης (supercooling)– οι ερευνητές προσπάθησαν να υπολογίσουν πόσο θα έπρεπε να έχει ψυχθεί το υλικό για να ξεκινήσει η στερεοποίησή του.
Η υπερψύξη είναι η διαδικασία κατά την οποία ένα υγρό ψύχεται κάτω από τη θερμοκρασία τήξης του χωρίς να στερεοποιείται αμέσως. Όπως, για παράδειγμα, ένα μπουκάλι νερού μπορεί να παραμείνει υγρό στους -5°C, ενώ στα σύννεφα, το χαλάζι μπορεί να σχηματιστεί σε λίγα λεπτά όταν τα σταγονίδια φτάσουν τους -30°C.
Εφαρμόζοντας αυτή τη φυσική στον πυρήνα της Γης, η μελέτη διαπίστωσε ότι η μέγιστη επιτρεπτή υπερψύξη για τον εσωτερικό πυρήνα είναι περίπου 420°C. Πέραν αυτής της τιμής, η στερεοποίηση θα είχε προχωρήσει περισσότερο απ’ ό,τι παρατηρείται σήμερα μέσω της σεισμολογίας. Ωστόσο, ο καθαρός σίδηρος απαιτεί περίπου 1.000°C υπερψύξη για να στερεοποιηθεί – κάτι που είναι φυσικά αδύνατο, καθώς θα σήμαινε ότι ολόκληρος ο πυρήνας θα είχε ήδη στερεοποιηθεί.
Το ίδιο πρόβλημα παρατηρείται και με τα κράματα σιδήρου-πυριτίου ή σιδήρου-θείου, καθώς απαιτούν ακόμη υψηλότερη υπερψύξη. Η ανατροπή ήρθε όταν οι ερευνητές πρόσθεσαν άνθρακα στα υπολογιστικά τους μοντέλα. Με 2,4% άνθρακα, η απαιτούμενη υπερψύξη περιορίζεται στους 420°C – ακριβώς το όριο που επιτρέπει η σεισμική παρατήρηση. Με 3,8% άνθρακα, η υπερψύξη πέφτει ακόμη περισσότερο, στους 266°C, που θεωρείται εντός ρεαλιστικών πλανητικών συνθηκών.
Αυτό το εύρημα είναι εξαιρετικά σημαντικό, γιατί είναι η πρώτη φορά που μια χημική σύνθεση μπορεί να εξηγήσει ρεαλιστικά το πώς και πότε ξεκίνησε η ψύξη του εσωτερικού πυρήνα. Παρότι ο άνθρακας από μόνος του δεν αρκεί για να εξηγήσει όλες τις ιδιότητες που καταγράφει η σεισμολογία, υποδεικνύει ότι ο πυρήνας της Γης πιθανότατα περιέχει συνδυασμό στοιχείων, μεταξύ των οποίων ο άνθρακας, το οξυγόνο και ενδεχομένως πυρίτιο.
Η νέα αυτή μελέτη δεν απαντά απλώς σε ένα γεωλογικό ερώτημα, αλλά φέρνει τους επιστήμονες πιο κοντά στην κατανόηση του τρόπου με τον οποίο ο πυρήνας επηρεάζει την εξέλιξη του πλανήτη, από την τεκτονική δραστηριότητα μέχρι τη διατήρηση του μαγνητικού πεδίου – μιας ασπίδας απαραίτητης για την επιβίωση στη Γη.
