В мае 1997 года сильное землетрясение потрясло район островов Кермадек в южной части Тихого океана. Чуть более 20 лет спустя, в сентябре 2018 года, в том же месте произошло второе сильное землетрясение, волны сейсмической энергии которого исходили из того же региона.

Хотя землетрясения произошли с разницей в два десятилетия, поскольку они произошли в одном и том же регионе, можно было бы ожидать, что они будут посылать сейсмические волны через слои Земли с одинаковой скоростью, сказал Ин Чжоу, ученый-геофизик с факультета наук о земле в Техническом колледже Вирджинии.

Но в данных, записанных на четырех из более чем 150 станций Глобальной сейсмографической сети, которые регистрируют сейсмические колебания в режиме реального времени, Чжоу обнаружил аномалию среди событий-близнецов: во время землетрясения 2018 года набор сейсмических волн, известных как волны SKS, распространялся примерно на одну секунду быстрее, чем их аналоги в 1997 году.

По словам Чжоу, чьи результаты были недавно опубликованы в журнале Communications Earth & Environment, это односекундное расхождение во времени прохождения волны SKS дает нам важное и беспрецедентное представление о том, что происходит глубже в недрах Земли, в ее внешнем ядре.

То, что внутри, имеет значение

Внешнее ядро зажато между мантией, толстым слоем горных пород под земной корой, и внутренним ядром, самым глубоким внутренним слоем планеты. Он состоит в основном из жидкого железа, которое подвергается конвекции, или потоку жидкости, по мере охлаждения Земли. В результате закручивания жидкого металла образуются электрические токи, ответственные за создание магнитного поля Земли, которое защищает планету и все живое на ней от вредного излучения и солнечных ветров.

Без своего магнитного поля Земля не смогла бы поддерживать жизнь, а без движущихся потоков жидкого металла во внешнем ядре магнитное поле не работало бы. Но научное понимание этой динамики основано на моделировании, сказал Чжоу, доцент. "Мы знаем только, что теоретически, если у вас есть конвекция во внешнем ядре, вы сможете генерировать магнитное поле", - сказала она.

Ученые также смогли только строить предположения об источнике постепенных изменений силы и направления магнитного поля, которые наблюдались, что, вероятно, связано с изменением потоков во внешнем ядре.

"Если вы посмотрите на северный геомагнитный полюс, то увидите, что в настоящее время он движется со скоростью около 50 километров [31 миля] в год", - сказал Чжоу. "Он движется прочь от Канады в сторону Сибири. Магнитное поле не одно и то же каждый день. Все меняется. Поскольку она меняется, мы также предполагаем, что конвекция во внешнем ядре меняется со временем, но прямых доказательств этому нет. Мы никогда его не видели."

Чжоу отправился на поиски этих доказательств. Изменения, происходящие во внешнем ядре, не являются драматичными, сказала она, но они заслуживают подтверждения и фундаментального понимания. В сейсмических волнах и их изменениях скорости в масштабе десятилетия Чжоу увидел средство для "прямого отбора проб" внешнего ядра. Это потому, что волны SKS, которые она изучала, проходят прямо через него.

"SKS" представляет три фазы волны: сначала она проходит через мантию в виде S-образной волны или сдвиговой волны; затем во внешнее ядро в виде волны сжатия; затем обратно через мантию в виде S-образной волны. Скорость распространения этих волн частично зависит от плотности внешнего ядра, находящегося на их пути. Если плотность в области внешнего ядра ниже, когда волна проникает в него, волна будет распространяться быстрее, точно так же, как аномальные волны SKS в 2018 году.

"Что-то изменилось на пути этой волны, так что теперь она может идти быстрее", - сказал Чжоу.

По мнению Чжоу, разница в скорости волн указывает на области низкой плотности, сформировавшиеся во внешнем ядре за 20 лет, прошедших после землетрясения 1997 года. По ее словам, более высокая скорость волн SKS во время землетрясения 2018 года может быть объяснена выделением легких элементов, таких как водород, углерод и кислород, во внешнем ядре во время конвекции, которая происходит по мере охлаждения Земли.

"Материала, который был там 20 лет назад, больше нет", - сказал Чжоу. "Это новый материал, и он легче. Эти легкие элементы будут двигаться вверх и изменять плотность в области, где они расположены".

Для Чжоу это свидетельство того, что в ядре действительно происходит движение, и оно меняется со временем, как и предполагали ученые. "Теперь мы можем это видеть", - сказала она. "Если мы сможем увидеть это по сейсмическим волнам, в будущем мы могли бы установить сейсмические станции и отслеживать этот поток".

Что дальше

Это следующая попытка Чжоу. По ее словам, используя метод измерения волн, известный как интерферометрия, ее команда планирует проанализировать непрерывные сейсмические записи с двух сейсмических станций, одна из которых будет служить "виртуальным" источником землетрясения.

"Мы можем использовать землетрясения, но ограничение использования данных о землетрясениях заключается в том, что мы не можем реально контролировать местоположение землетрясений", - сказал Чжоу. "Но мы можем контролировать местоположение сейсмических станций. Мы можем разместить станции там, где мы хотим, чтобы они были, при этом путь волны от одной станции к другой станции проходит через внешнее ядро. Если мы будем отслеживать это с течением времени, то сможем увидеть, как изменяются проникающие в ядро сейсмические волны между этими двумя станциями. Благодаря этому мы сможем лучше видеть движение жидкости во внешнем ядре со временем".

ИСТОЧНИК