Sjajan kraj godine ima Hrvoje Tkalčić, hrvatski geofizičar s australskom adresom. Najprije je objavio znanstveni rad s kolegom Sheng Wangom u kojem anizotropiju Zemljine jezgre uspoređuje s jednim kolačem, mađaricom! Naime, građa našeg planeta je upravo poput tradicionalnog našeg kolača, sastavljena od više slojeva koji ovisno o kutu prolazaka valova ne moraju uvijek izgledati isto. Zatim je dobio izdašan grant australske vlade za proučavanje jezgre Zemlje u iznosu od čak 430.000 australskih dolara u okviru trogodišnjeg znanstvenog plana Discovery australske vlade. Također, prof. Tkalčić dobio je i nagradu za nadzor rada studenata dekana svojeg sveučilišta ANU.
I sada, za kraj godine, vrlo uzbudljivo otkriće. U znanstvenom časopisu Nature Geoscience upravo je objavljen rad pod naslovom Internal structure of ultralow-velocity zones consistent with origin from a basal magma ocean. Radi se o interesantnim i misterioznim strukturama na granici jezgre i plašta Zemlje, za koje autori pokazuju da bi mogle biti ostaci primordijalnog oceana magme za vrijeme dok se Zemljina unutrašnjost još uvijek diferencirala. Vodeći autor je Surya Pachhai doktorand prof. Tkalčića iz Nepala, to je zadnje poglavlje njegove disertacije koje će sada biti objavljeno. Rad su započeli na Australian National University gdje prof. Tkalčić radi, a u međuvremenu je Pachhai otišao na postdoktorat u Ameriku, a na radu su im se pridružili kolege iz USA i Kanade.
Naš znanstvenik počinje priču o novom istraživanju, o kakvim se strukturama u ovom radu radi i na kojoj se dubini u Zemlji nalaze?
- Da bismo shvatili o kakvim se strukturama radi, trebamo se na trenutak, barem u mislima, otisnuti na put u središte Zemlje sa seizmičkim valovima. Na oko pola puta do središta Zemlje, na dubini od oko 2900 km, gdje se silikatni plašt koji se giba vrlo sporo susreće s tekućom jezgrom od željeza i nikla, u žustrijem gibanju zbog konvekcije, seizmički valovi naglo uspore. To je zbilja neobično, jer se zbog povećane gustoće u Zemljinom plaštu, brzina seizmičkih valova kontinuirano povećava s dubinom. Globalni seizmolozi su u prošlom stoljeću opazili ove strukture i nazvali ih “Ultra-low velocity zones” (ULVZ) iliti “zone ultra-niskih brzina seizmičkih valova”.
Budući da je granica između jezgre i plašta najekstremniji diskontinuitet unutar Zemlje, ekstremniji čak i od njezine površine, možda nije potpuno neočekivano da se ove najenigmatičnije planetarne strukture nalaze upravo tamo. Ali ono što je zbilja neobično je da u relativno tankom sloju od svega nekoliko desetaka kilometara koji sjedi na gornjoj strani jezgre, brzina valova padne na polovicu vrijednosti, a gustoća naraste i za trećinu!, počinje naš znanstvenik nastavljajući kako se na početku mislilo da su ove misteriozne strukture povezane s hot-spot vulkanizmom, tako da su možda dijelovi djelomično rastaljenog plašta i duboki izvor te vrste vulkanizma, od kojih je najpoznatiji primjer Island.
- Međutim, pokazalo se da ne postoji prostorna povezanost ULVZ-a s hot-spot vulkanizmom. U ovom radu, mi smo otišli korak dalje i zaključili da su ULVZ zone najvjerovatnije građene od materijala koji se po svom kemijskom sastavu razlikuje od okolnog plašta. Uspjeli smo to zahvaljujući napretku u analizi digitalnih seizmoloških podataka, koristeći sofisticirane Bayesove metode inverzije koje smo sami razvili na ANU kao dio doktorata Surye Pachhaia, vodećeg autora na ovom radu.
Naime, uspjeli smo proviriti u unutrašnjost ULVZ zona, što je kompjutorskom tomografijom nemoguće jer još nemamo rezoluciju za to, te pokazati da se one sastoje od slojeva, što je “groundbreaking” na ovom području. Pojednostavljeno, povećanu rezoluciju smo postigli koristeći inverzni inženjering, tj. metodu po kojoj postavite model Zemljine strukture, simulirate valne forme na osnovi tog modela, i onda njihovom usporedbom s opažanjima popravljate matematički model Zemlje sve dok se predviđanja i opažanja potpuno ne slože. Za to su potrebni moderni algoritmi matematičke geofizike i milijuni sati na velikom broju procesora superračunala, kaže prof. Tkalčić.
Gdje se točno nalazi taj ocean magme, zanimalo nas je, koliko je blizu površine Zemlje.
- Prije više od četiri milijarde godina, kad su teži kemijski elementi tonuli prema središtu Zemlje, a lakši se zbog uzgona izdiferencirali u Zemljinom plaštu i kori, jedan od većih planetezimala, Teja, udario je u proto-Zemlju, dobar dio volumena proto-Zemlje se razvukao, odvojio i postupno stvrdnuo u orbiti u manji objekt, Mjesec. Lunarna unutrašnja struktura i rotacija Mjeseca još i danas nose obilježja tog događaja. U tom zaista dramatičnom razdoblju je zbog silovitih udara dolazilo do dodatnog povećanja temperature i taljenja materijala u unutrašnjosti proto-Zemlje. Ona se najvjerojatnije nekoliko puta, ali barem jedanput i to upravo zbog ovog događaja u kojem je nastao Mjesec, rastalila i izdiferencirala tako da su teži kemijski elementi potonuli prema njezinom središtu, a oni lakši ostali su u plaštu, kori, i proto-atmosferi.
Ocean magme (rastaljene stijene) se sastojao od čvrstih i rastaljenih minerala i stijena, plinova, i kristala zarobljenih u magmi. Teži elementi koji su potonuli do dna plašta, postupno su formirali slojeve baš kao što je to slučaj s nastankom sedimentnih stijena na površini planeta. Tijekom narednih milijardi godina, kada je plašt započeo polaganu konvekciju, slojevi koji su se formirali na dnu plašta potisnuti su zbog te konvekcije, tj. lateralnog gibanja u donjem dijelu njezine ćelije u manje hrpice (no koje su još uvijek više od najviših planinskih lanaca na površini Zemlje), koje nazivamo ULVZ – ultra-niske zone brzina seizmičkih valova, otkriva znanstvenik s australskom adresom. Kao najvažnije otkriće prof. Tkalčić ističe to da ULVZ nisu homogene nego se sastoje od unutrašnjih slojeva, što je nova paradigma u razumijevanju ranog razdoblja diferencijacije planeta.
- Geodinamičkim modeliranjem smo pokazali da je moguće da su kemijske heterogenosti koje je dinamika stvaranja planeta vrlo rano u Zemljinoj povijesti donijela na dno plašta, ostale tamo kao zakopane vremenske kapsule koje se nisu pomiješale s okolnim plaštem. Dakle, pod heterogenostima koje vidimo putem seizmologije, mislimo na morfološke i kemijske heterogenosti, no ne nužno na šupljine u obliku špilja. Nemojte zaboraviti da na tim dubinama vladaju toliko visoki tlakovi da su svojstva atoma drugačija nego na površini. Oni su maksimalno zbijeni, tako da to ne ostavlja mjesta za šupljine, pogotovo ne s makroskopskim dimenzijama, govori. Da li ta magma ima put do površine kroz neki vulkan, primjerice, još nas je zanimalo.
- Postoji hipoteza da se oceanska kora, koja u subdukciji tone u Zemljin plašt, tali, te također može objasniti porijeklo ULVZ materijala. Naime, prema teoriji tektonike ploča, oceanska kora se vremenom reciklira kroz plašt, subdukcijom i uzdizanjem vruće magme koji na površinu izvire na srednjeocenskim hrptovima pri rubovima tektonskih ploča. Postoje i mjesta u sredini ploča gdje se magma uzdiže kroz plašt u cjevastim strukturama, i nađe put do površine gdje se izlije kao vulkanska lava na mjestima koja se nazivaju vruće točke ili hot spots na engleskom jeziku (poznati primjeri za vruće točke su Island ili Havaji).
No, kao što sam gore napomenuo, ne postoji prostorna korelacija između ULVZ-a i takvih vulkana na površini Zemlje, i to ide u prilog hipotezi da su ULVZ zone nakupine primordijalnog materijala, kao što smo zaključili u našem studiju, kaže prof. Tkalčić i nastavlja kako veza između ULVZ i jezgre Zemlje nije još potpuno jasna. No, ako se pokaže da su ULVZ zone nakupine koje sadrže metale, npr. željezni oksid, poznatiji pod imenom zahrđalo željezo na površini Zemlje, onda bi ti metali mogli utjecati na dinamiku gibanja tekućeg metala u vanjskoj jezgri, što bi moglo utjecati na čitavo magnetsko polje i na to kako se ono ponaša.
Pogledajte nestvarne snimke iz zraka erupcije vulkana na Islandu.
Još jedan od prodavača magle. On nama priča šta se nalazi na dubini od 2900 km.,sastav i gustoču rubnih dijelova jezgre. Prije par dana čitam da se na dubini od 60 km. nalaze ogromni rezevoari vode. Čime su to istražili? Samo prodaju maglu isto kao i ovi sa zalihama nafte.