Минералы "темнеют" вблизи ядра Земли

Минералы, сжатые колоссальным давлением вблизи ядра Земли, в значительной степени теряют способность проводить инфракрасный свет, согласно новому исследованию Геофизической лаборатории Института Карнеги. Поскольку инфракрасное излучение участвует в переносе тепла, этот результат ставит под сомнение некоторые давно устоявшиеся представления о теплопереносе в нижней мантии — слое расплавленной породы, окружающем твердое ядро Земли. Работа может помочь в изучении мантийных плюмов — крупных столбов горячего восходящего магматического материала, с которыми связывают образование таких объектов, как Гавайские острова и Исландия.

Кристаллы магнезиовюстита, распространенного минерала в глубоких недрах Земли, могут пропускать инфракрасный свет при нормальном атмосферном давлении. Однако при сжатии до давления, превышающего атмосферное более чем в полмиллиона раз, эти кристаллы начинают поглощать инфракрасный свет, что препятствует потоку тепла. Исследование будет опубликовано 26 мая 2006 года в журнале Science.

Сотрудники Института Карнеги Александр Гончаров и Виктор Стружкин совместно с постдокторантом Стивеном Джейкобсеном сжимали кристаллы магнезиовюстита в алмазной наковальне — камере, ограниченной двумя сверхтвердыми алмазами, способной создавать огромное давление. Затем они пропускали через кристаллы интенсивный свет и измеряли длины волн прошедшего излучения. К их удивлению, сжатые кристаллы поглощали большую часть света в инфракрасном диапазоне, что указывает на то, что магнезиовюстит является плохим проводником тепла при высоких давлениях.

«Поток тепла в глубоких недрах Земли играет важную роль в динамике, структуре и эволюции планеты», — заявил Гончаров. Существует три основных механизма, посредством которых тепло может циркулировать в глубинах Земли: теплопроводность (кондукция), перенос энергии посредством инфракрасного излучения (радиация) и конвекция (перемещение горячего материала). «Относительный вклад этих трех механизмов в общий теплоперенос в настоящее время является предметом интенсивных дискуссий», — добавил Гончаров.

Магнезиовюстит является вторым по распространенности минералом в нижней мантии. Поскольку он плохо проводит тепло при высоких давлениях, этот минерал может фактически образовывать изолирующие участки вокруг значительной части земного ядра. Если это так, то радиационный перенос может не вносить вклад в общий поток тепла в этих областях, а кондукция и конвекция могут играть более важную роль в отводе тепла от ядра.

«Пока еще рано говорить о том, как именно это открытие повлияет на геофизику глубоких недр Земли, — отметил Гончаров. — Но многие наши представления о глубинном строении Земли основаны на моделях теплопереноса, и это исследование заставляет усомниться во многом из этого».