Спутники зафиксировали разворот внешнего ядра под Тихим океаном в 2010 году, изменивший скорость вращения Земли

Примерно в трех тысячах километров под поверхностью Земли находится внешнее ядро — слой жидкого сплава на основе железа и никеля. Температура там превышает 4000 градусов Цельсия, а давление в миллионы раз выше атмосферного. Движение этого огромного объема проводящей жидкости создает непрерывный электрический ток, который, в свою очередь, генерирует магнитное поле Земли. Этот невидимый щит защищает атмосферу от солнечного ветра и делает возможной жизнь на планете.

Долгое время в геофизике считалось, что жидкий металл в ядре движется по предсказуемым траекториям, преимущественно в западном направлении. Однако совместное исследование ученых из Эдинбургского университета и Британской геологической службы показало, что в 2010 году в этой стабильной системе произошел серьезный сбой. Крупное течение под экваториальной частью Тихого океана полностью изменило свое направление. Поняв механизмы этого разворота, ученые смогли объяснить целый ряд аномалий, которые происходили на планете в последние пятнадцать лет.

Архитектура планеты и границы познания

Земля устроена сложнее, чем кажется на первый взгляд. Наша цивилизация существует на тонкой и хрупкой твердой оболочке — земной коре. Под ней лежит каменистая, но пластичная мантия, которая простирается на глубину до 2900 километров. Еще глубже начинается внешнее жидкое ядро толщиной около 2200 километров, а в самом центре планеты находится твердое внутреннее ядро — металлический шар радиусом около 1200 километров.

У человечества нет технической возможности добраться до ядра физически. Кольская сверхглубокая скважина глубиной 12,2 километра не прошла даже земную кору. Все наши знания о глубоких недрах получены с помощью косвенных физических методов.

Главный инструмент исследования внешнего ядра — это наблюдение за изменениями магнитного поля на поверхности Земли. Эти изменения называют вековыми вариациями. Измеряя колебания магнитного поля в течение десятилетий, ученые вычисляют, как именно движутся потоки жидкого металла на глубине в тысячи километров.

Принцип вмороженного поля: как измерить невидимое

Чтобы рассчитать скорость течений в ядре, физики используют закон электромагнитной индукции и явление, которое называют принципом вмороженности магнитного поля. Поскольку жидкое железо является отличным проводником электричества, магнитное поле движется вместе с ним. Если поток металла смещается в какую-то сторону, он увлекает за собой и магнитные силовые линии.

Зная эту закономерность, можно решить обратную задачу: по изменениям магнитного поля на поверхности Земли восстановить карту течений на внешней границе жидкого ядра.

Для этого авторы исследования объединили два независимых источника данных за период с 1997 по 2025 год:

1. Наземные обсерватории. Сеть магнитных станций по всему миру непрерывно фиксирует параметры магнитного поля Земли. Эти данные точны, но привязаны к конкретным точкам на карте.
2. Спутниковые миссии. Космические аппараты Ørsted, CHAMP, CryoSat-2 и группировка из трех спутников Swarm позволили составить непрерывную карту магнитного поля всей планеты. Спутники собирали информацию даже над труднодоступными регионами океанов, где нет наземных станций.

Полученный массив данных за 27 лет содержал в себе огромное количество разносигнального шума. Чтобы очистить его и увидеть реальные закономерности, ученые применили математический метод анализа.

Математический разбор: как разделить хаос на потоки

В геофизике для обработки сложных данных используют метод главных компонент (PCA). Этот математический алгоритм позволяет взять огромный массив информации о движении магнитного поля и разделить его на несколько независимых, упорядоченных процессов. Метод убирает случайные помехи и показывает главные, самые мощные направления движения вещества.

Разложив изменения магнитного поля на составляющие, исследователи обнаружили, что движение жидкого металла в ядре состоит из трех основных элементов.

1. Основной круговорот (95% общего движения)

Этот процесс определяет глобальную картину. Он представляет собой стабильный, смещенный относительно оси вращения Земли круговорот жидкого металла, который течет в западном направлении. Скорость этого течения практически не менялась на протяжении всех 28 лет наблюдений. Именно этот круговорот отвечает за так называемый западный дрейф магнитного поля, который ученые наблюдают на протяжении сотен лет.

2. Тихоокеанский разворот (4% общего движения)

Эта составляющая описывает поведение потоков жидкого металла непосредственно под экваториальной частью Тихого океана. До 2010 года здесь наблюдалось очень слабое, почти незаметное движение на запад. Но около 2010 года движение остановилось, а затем металл начал ускоряться в восточном направлении. К 2012 году под Тихим океаном сформировалось мощное восточное течение. Оно достигло своего пика в 2020 году и сейчас начинает постепенно замедляться.

3. Волновые колебания и вертикальные потоки (1% общего движения)

Самая слабая часть движения связана с волновыми процессами на поверхности ядра, а также с подъемом и опусканием порций жидкого металла. Несмотря на малую мощность, именно эти вертикальные перемещения вызывают геомагнитные джерки — резкие, скачкообразные изменения в скорости дрейфа магнитного поля на поверхности Земли. Крупные джерки регистрировались приборами в 2017, 2020 и 2024 годах.

Связь времен: как ядро влияет на вращение Земли и сейсмику

Разворот огромной массы жидкого железа под Тихим океаном — это событие планетарного масштаба, которое не могло пройти бесследно для всей остальной Земли. Геофизики сопоставили время разворота течения в 2010 году с другими глобальными изменениями и обнаружили поразительные совпадения.

Изменение длительности суток

Продолжительность земных суток не равна строго 24 часам. Она постоянно колеблется на доли миллисекунд. Эти колебания происходят из-за трения океанских приливов, ветров в атмосфере и процессов внутри планеты.

Один из самых четких циклов изменения длительности суток составляет шесть лет. В 2010 году этот шестилетний цикл внезапно прервался. Земля стала вращаться немного иначе, и нормальный ритм восстановился только к 2014 году, но уже со сдвигом фазы. Физическая причина этого сбоя заключается в том, что разворот течения в ядре изменил характер трения между жидким ядром и твердой мантией, передав планете механический импульс.

Изменение вращения твердого внутреннего ядра

Твердое металлическое ядро, находящееся в самом центре Земли, вращается независимо от остальной планеты. Сейсмические исследования, основанные на анализе прохождения волн от землетрясений через центр планеты, показывают: примерно в 2010 году твердое внутреннее ядро изменило скорость своего вращения относительно мантии. Это событие произошло синхронно с разворотом течения во внешнем жидком ядре.

Две теории: почему изменилось течение

Сегодня у ученых есть два объяснения того, почему стабильный поток жидкого металла под Тихим океаном внезапно потек в обратную сторону.

• Теория глубокого импульса. Согласно этой версии, первопричина лежит в самом центре Земли — во внутреннем твердом ядре. В 2010 году произошел сдвиг во вращении внутреннего ядра. Это изменение передало электромагнитный и гравитационный импульс в вышележащие жидкие слои внешнего ядра, что привело к развороту тихоокеанского течения на его внешней границе.
• Теория термического ветра. Эта гипотеза объясняет процесс влиянием сверху, со стороны каменистой мантии Земли. Граница между ядром и мантией охлаждается неравномерно. В тех зонах, где мантия холоднее, она забирает больше тепла из жидкого ядра. Из-за разницы температур возникают мощные горизонтальные течения теплового происхождения — термические ветры. Компьютерное моделирование показывает, что неравномерное распределение тепла на границе ядра и мантии способно создавать постоянные зоны восточного движения жидкого металла именно под Тихим океаном.

Значение открытия для науки и технологий

Исследование динамики земного ядра имеет важное практическое значение. Геомагнитное поле Земли постоянно меняется, и эти изменения необходимо учитывать при калибровке навигационных систем, включая GPS, ГЛОНАСС и системы ориентации спутников. Международные карты магнитного поля обновляются каждые несколько лет, и без понимания процессов, происходящих в ядре, точное прогнозирование этих изменений невозможно.

Обнаруженный в 2010 году разворот тихоокеанского течения показал, что недра нашей планеты представляют собой единую, высокочувствительную физическую систему. Процессы в твердом ядре на глубине более пяти тысяч километров напрямую связаны с течениями жидкого металла на границе с мантией, колебаниями магнитного поля и даже скоростью вращения всей планеты вокруг своей оси. Дальнейшие наблюдения за ослаблением восточного течения под Тихим океаном помогут ученым точнее понять устройство планетарного генератора, защищающего Землю от космических угроз.

Источник: Journal of Studies of Earth’s Deep Interior