Jądro odgrywa kluczową rolę w historii i ewolucji Ziemi. To ono napędza pole magnetyczne, które chroni atmosferę i oceany przed szkodliwym promieniowaniem kosmicznym. Dostarcza również ciepła, które porusza prądy konwekcyjne w płaszczu i odpowiada za ruch płyt tektonicznych. Mimo tak ogromnego znaczenia, jego właściwości – takie jak dokładna temperatura, skład chemiczny czy moment, w którym zaczęło zamarzać – wciąż nie są w pełni poznane.
Naukowcy szacują, że temperatura jądra wewnętrznego sięga około 4700°C. Początkowo całkowicie stopione, przez miliardy lat stopniowo stygnie i krzepnie od środka. To zamarzanie uwalnia dodatkową energię cieplną, która zasila dynamikę wnętrza planety i pomaga utrzymać jej pole magnetyczne. Aby jednak zrozumieć ten proces, badacze muszą znać temperaturę topnienia materiałów budujących jądro, a ta zależy od jego składu chemicznego.
Czytaj także: Naukowcy odkryli tajemnicze przecieki z jądra Ziemi. Wnętrze naszej planety skrywa więcej zagadek niż sądziliśmy
Przez długi czas sądzono, że jądro składa się niemal wyłącznie z żelaza i niklu, z domieszką krzemu lub siarki. Dowody pochodziły z dwóch źródeł: meteorytów, czyli pozostałości po dawnych blokach budulcowych planet, oraz sejsmologii, badającej, jak fale sejsmiczne przemieszczają się przez Ziemię. Dane pokazały jednak, że gęstość jądra jest o około 10% niższa niż czystego żelaza. To oznaczało, że muszą w nim występować lżejsze pierwiastki, ale dotąd nie wiadomo było, jakie.
Przełom przyniosły badania w dziedzinie fizyki minerałów. Naukowcy symulowali, jak atomy metali w stanie ciekłym przechodzą w stan stały. Kluczowe okazało się zjawisko tzw. przechłodzenia, czyli stopnia, o jaki ciecz musi być schłodzona poniżej punktu topnienia, zanim zestali się w kryształ. W przypadku czystego żelaza wymagane przechłodzenie sięgałoby nawet 1000°C – wartość całkowicie nierealna. Dodatek krzemu czy siarki tylko pogłębiał ten problem.
Zagadkę pomógł rozwiązać węgiel. Symulacje wykazały, że przy zawartości około 2,4% masy jądra przechłodzenie mogło wynosić zaledwie 420°C, a przy 3,8% – jedynie 266°C. To wartości zgodne z danymi sejsmologicznymi i pierwsze realistyczne wyjaśnienie, w jaki sposób jądro zaczęło krzepnąć miliardy lat temu.
Czytaj także: Jądro Ziemi wykonuje dziwne ruchy. Kontrowersyjne wyniki badań mówią, co się stanie za 20 lat
Sam węgiel nie wystarcza jednak do pełnego opisu. Najnowsze analizy wskazują, że oprócz niego w jądrze musi znajdować się co najmniej jeszcze jeden pierwiastek – najprawdopodobniej tlen lub krzem. Odkrycie to pozwala zawęzić możliwy skład chemiczny i przybliża badaczy do zrozumienia, jakie mechanizmy wewnątrzplanetarnego silnika ukształtowały Ziemię.
Choć odpowiedzi wciąż jest mniej niż pytań, dzisiejsze badania stanowią ważny krok ku rozwiązaniu jednej z najstarszych zagadek nauki o planetach – co kryje się w samym sercu naszej planety.
