Unutarnja jezgra Zemlje možda uopće ne bi postojala bez ugljika. Novo istraživanje znanstvenika sa Sveučilišta u Oxfordu, Sveučilišta u Leedsu i Londonskog sveučilišta pokazuje da je upravo taj element omogućio kristalizaciju jezgre prije milijuna godina. Studija objavljena u Nature Communications otkriva da je za nastanak čvrste jezgre bilo potrebno najmanje 3,8 % ugljika – što upućuje na to da ga u središtu planeta ima znatno više nego što se dosad pretpostavljalo.
Kako nastaje unutarnja jezgra
Unutarnja jezgra Zemlje sastoji se od čvrste mase bogate željezom, okružene rastaljenim vanjskim slojem. Kako se vanjska jezgra postupno hladi, dolazi do njezina smrzavanja i rasta unutarnje jezgre. No, taj proces već desetljećima izaziva rasprave među geofizičarima.
Kristalizacija nije samo posljedica hlađenja do točke taljenja, nego i preciznog kemijskog sastava. Kao što vodene kapljice u oblacima mogu doseći -30 °C prije nego što se stvori tuča, tako i rastaljeno željezo mora biti ohlađeno ispod svoje točke taljenja – proces koji znanstvenici nazivaju podhlađivanjem – kako bi nastala čvrsta jezgra.
Prijašnje procjene pokazivale su da bi, kada bi jezgra bila sastavljena od čistog željeza, bilo potrebno čak 800–1000 °C takvog hlađenja. To bi bilo nemoguće jer bi unutarnja jezgra prebrzo narasla, a Zemlja izgubila magnetsko polje. Geofizički modeli zato pokazuju da se u prošlosti hlađenje ispod točke taljenja nije moglo spustiti ispod približno 250 °C.
Računalne simulacije i uloga kemijskih elemenata
Budući da je izravni pristup unutrašnjosti Zemlje nemoguć, tim znanstvenika oslonio se na računalne simulacije koje prikazuju ponašanje oko 100 tisuća atoma pod tlakom i temperaturama kakvi vladaju u jezgri. U tim su uvjetima pratili su koliko se često stvaraju mali kristalni skupovi – početne strukture procesa očvršćivanja.
Analiziran je utjecaj silicija, sumpora, kisika i ugljika, elemenata prisutnih u plaštu koji su tijekom geološke prošlosti mogli prodrijeti u jezgru. Rezultati su pokazali da silicij i sumpor usporavaju smrzavanje jer zahtijevaju znatno jače hlađenje ispod točke taljenja. Ugljik, naprotiv, ubrzava kristalizaciju.
U scenariju u kojem bi 2,4 % mase jezgre činilo ugljik, simulacije su pokazale da je potrebno oko 420 °C takvog hlađenja, previsoko da bi se objasnila današnja unutarnja jezgra. No, kada se udio ugljika povisi na 3,8 %, potrebna razina spušta se na 266 °C, što se podudara s geofizičkim opažanjima.
Zašto je otkriće važno
Rezultati ukazuju da u jezgri možda ima više ugljika nego što se ranije pretpostavljalo te da bez njega unutarnja jezgra vjerojatno nikada ne bi nastala. Za razliku od stvaranja leda u oblacima, koje obično zahtijeva sitne čestice na kojima započinje smrzavanje, u Zemljinoj se jezgri proces odvijao bez takvih “sjemena“, što je presudno jer bi svi potencijalni kandidati u tim uvjetima nestali ili se rastopili.
“Fascinantno je vidjeti kako procesi na atomskoj razini upravljaju osnovnom strukturom i dinamikom našeg planeta. Proučavanjem formiranja unutarnje jezgre ne učimo samo o prošlosti Zemlje, nego i o budućim promjenama u njezinoj unutrašnjosti,” izjavio je glavni autor studije dr. Alfred Wilson sa Sveučilišta u Leedsu.
Točan trenutak kada je unutarnja jezgra počela očvršćivati i dalje je jedno od najvećih pitanja geoznanosti. Neki istraživači smatraju da se to dogodilo prije više od dvije milijarde godina, dok drugi procjenjuju da je starost jezgre manja od pola milijarde godina.
Novo istraživanje o ulozi ugljika donosi važan korak prema rješenju te rasprave. Boljim razumijevanjem kemijskog sastava i fizikalnih uvjeta u jezgri znanstvenici mogu preciznije rekonstruirati evoluciju planeta te predvidjeti buduće promjene u njegovu magnetskom polju i unutarnjoj građi.
Ivan je novinar i autor koji piše o znanosti, svemiru i povijesti. Gostuje kao stručni sugovornik na Science Discovery i History Channelu te piše za Večernji list. Osnivač je Kozmos.hr, prvog hrvatskog portala posvećenog popularizaciji znanosti.
