Medžiais apaugę kalnai juosia didžiulę duobę žemėje. Milžiniška duobė laipsniškai gilėja, ir kuo ji gilesnė, tuo jos koncentriniai žiedai tampa vis mažesni. Didžiuliai sunkvežimiai rieda šiais spiraliniais laikinaisiais keliais.
Tai - vaizdas iš Wangu aukso kasyklos Kinijos Hunano provincijoje. Ir šioje vietovėje auksas buvo kasamas jau ir anksčiau - bet atrodo, kad buvo iškasinėtas tik paviršius. 2025 m. pabaigoje buvo paskelbta, kad manoma, jog po esama kasykla slypi dar daugiau nei tūkstantis tonų aukso. Jei tai pasitvirtintų, tai būtų didžiausias kada nors rastas aukso telkinys – ir galbūt didžiausias bet kokio tauriojo metalo telkinys. Tokio kiekio aukso rinkos vertė yra daugiau 72 mlrd. eurų.
Turbūt manote, kad auksas yra retas metalas - juk jo akivaizdus retumas tūkstančius metų lėmė jo vertę žmonių kultūroje. Tačiau iš tiesų taip nėra. Auksas Žemėje visai nėra retas. Jis retas tik paviršiuje. „99,9 proc. Žemės tauriųjų metalų yra Žemės branduolyje“, – sako prof. Matthias Willboldas iš Getingeno universiteto Vokietijoje.
Susiję straipsniai
Dešimtmečius dauguma geologų tikėjo, kad jie ten ir lieka. Tačiau M. Willboldas yra vienas iš vis daugiau mokslininkų, propaguojančių palyginti naują idėją: kad Žemės branduolys „prateka“.
Tai vis dar yra karštų diskusijų tema, tačiau išsiaiškinimas, kas yra teisus, turės didelių pasekmių. Ne tik mūsų supratimui apie Žemę, bet ir tam, kaip paplitusios gali būti planetos, panašios į mūsų, platesnėje Visatoje.
Iki pat branduolio
Žemės pluta yra padalyta į vandenyninę plutą, kurios storis yra ne daugiau kaip 10 km, ir kontinentinę plutą, kurios storis kai kur gali siekti net 80 km. Žemės pluta kasdien pakyla ir nusileidžia iki 25 cm - nes ją traukia Mėnulis.
Žemės pluta ir viršutinė mantijos pusė kartu sudaro litosferą, kuri yra suskaidyta į tektonines plokštes, kurios juda. Šie judesiai sukelia žemės drebėjimus ir žemynų dreifą.
Mantija yra didžiausia Žemės dalis, sudaranti 84 proc. jos bendro tūrio.
Išorinis branduolys - tai vienintelis tikrai skystas Žemės vidinės struktūros sluoksnis. Apie 2000 km storio išorinis branduolys daugiausia sudarytas iš geležies ir nikelio, o 5-10 proc. jo sudaro lengvesni elementai.
Perėjimas tarp vidinio ir išorinio branduolių yra maždaug 5150 km gylyje po Žemės paviršiumi.
O vidinis branduolys yra kieta, kristalizuota geležies struktūra, kurios dydis sudaro apie 70 procentų Mėnulio dydžio. Jos temperatūra yra apie 5000 °C – beveik tokia pat karšta, kaip Saulės paviršius – tačiau intensyvus slėgis privertė ją sustingti. Ir jos sąveika su išoriniu branduoliu yra atsakinga už Žemės magnetinį lauką.
Pradžia
Žemė susiformavo prieš 4,54 milijardo metų - kai Saulės susidarymo metu likusios nuolaužos dėl gravitacijos susiliejo. Šios planetos susidūrė su tokia jėga, kad Žemė iš pradžių buvo visiškai išsilydžiusi.
Sunkiausios sudedamosios dalys, tokios kaip geležis ir nikelis, nugrimzdo į jaunos planetos branduolį. Bet jos nenugrimzdo vienos. „Geležį mėgstantys elementai buvo įtraukti į branduolį“, – pasakoja M. Willboldas. Šie elementai, žinomi kaip siderofilai, lengvai jungiasi su geležimi, todėl buvo chemiškai įtraukti į formuojamą branduolį. Jie apima auksą, volframą, platiną ir rutenį.
Mūsų žinios apie šį paslėptą vidų yra ne iš gręžinių ar kamerų, o iš vibracijų. Kai įvyksta žemės drebėjimai, jie siunčia seismines bangas. Kai kurios sulėtėja, kitos pagreitėja. Kai kurios atspindimos, kitos iškreipiamos. Matydami, kaip šios bangos keliauja, geofizikai sudarė planetos sluoksnių žemėlapį - tarsi atlikdami paciento medicininį tyrimą.
Iš šių signalų buvo sudarytas pirmasis branduolio vaizdas, kuriame matomos dvi viena kitoje esančios sferos - viena skysta, kita kieta, ir nuo mūsų nutolusios beveik 3000 km.
Jei siderofilai buvo įtraukti į šį branduolį seniai, kodėl mes vis dar randame šiuos metalus paviršiuje? Viena iš galimybių yra ta, kad jie yra transportuojami iš sluoksnio tarp Žemės branduolio ir plutos – mantijos.
„Yra geofizinių įrodymų, kad plumai [mantijos karštos uolienos pakilimai] siekia gana giliai į mantiją ir tikriausiai kyla iš branduolio ir mantijos ribos“, – sako M. Willboldas. Šie mantijos plumai gali pasiekti plutą vulkaninėse vietose - pavyzdžiui, Havajuose ir Islandijoje.
Tačiau lieka klausimas: kaip šie elementai atsidūrė mantijoje? Čia geologai pradeda nesutarti – ir tradiciškai jie atsakymo ieškojo už Žemės ribų. „Žemės mantija turėjo kažkokiu būdu būti vėl praturtinta labai siderofilinėmis medžiagomis, – teigia dr. Mario Fischer-Gödde iš Kelno universiteto Vokietijoje. - Geriausiai žinomas paaiškinimas yra tas, kad tai padarė meteoritai.“
Įrodymai iš kraterių Mėnulyje ir kituose kietuose Saulės sistemos kūnuose rodo, kad maždaug prieš 3,9 milijardus metų vyko kosminių smūgių pikas. Šis laikotarpis, žinomas kaip vėlyvasis intensyvus bombardavimas, įvyko, kai Žemė buvo apie 650 milijonų metų senumo. Tuo metu Žemę bombardavo didžiuliai asteroidai, sudaryti iš tų pačių senovinių dulkių, iš kurių susiformavo Žemė - tai reiškia, kad jie buvo turtingi sunkiųjų elementų.
Kai kurie aukso telkiniai, dabar kasami tokiose vietose kaip Wangu, gali būti šių susidūrimų palikti pėdsakai – cheminis planetos ankstyviausių akimirkų atspindys. Kadangi Žemės branduolys jau buvo atsiskyręs, nauji metalai negalėjo nugrimzti dar giliau, todėl jie liko įstrigę mantijoje. O šie asteroidai pakeitė mūsų planetos pirminę cheminę sudėtį - dėl to susiformavo geologinis kraštovaizdis, kurį matome šiandien, rašo BBC.
Nesandarus branduolys?
Tačiau yra ir antra teorija, paaiškinanti, kodėl geologai mūsų mantijoje randa elementų, kurie turėtų būti tik branduolyje: mūsų branduolys yra nesandarus.
Norėdami išnagrinėti pirmąjį šios teorijos įrodymą, pradėkime nuo volframo. Kaip siderofilinis elementas, visas volframas, kurį turėjo Žemė, nugrimzdo į branduolį. Tačiau retesnė volframo forma taip pat gali susidaryti dėl radioaktyvaus elemento, vadinamo hafniu, skilimo. Svarbiausia, kad šis volframas-182 turi dviem neutronais mažiau nei labiau paplitęs volframas-184.
Kadangi hafnis yra uolienas mėgstantis elementas, jis nebuvo nusileidęs į branduolį kartu su siderofilais - ir liko mantijoje. Laikui bėgant jis skilo, mantiją praturtindamas daugiau volframo-182 nei yra branduolyje.
Tačiau mantijoje yra keletas vietų, kuriose volframo-184 ir volframo-182 santykis yra didesnis nei vidutinis. „Jei į mantiją įdėtumėte šiek tiek branduolio medžiagos, tai pamatytumėte“, – sako M. Willboldas. Galbūt dalis primityvios branduolio medžiagos, kurioje yra daugiau įprasto izotopo volframo-184, išsilieja ir padidina santykį.
Volframas nėra vienintelis užuominas. Kitas metalas – rutenis – pasakoja panašią istoriją, bet ne visi ją supranta vienodai.
Kai mokslininkai lygina rutenio izotopus Žemės mantijoje su izotopais, rastais meteorituose, jie sutampa. Kadangi meteoritai yra tiesiog į Žemę nukritę asteroidų gabalėliai, tai leistų manyti, kad bent jau rutenis į Žemę buvo atgabentas per vėlyvąjį intensyvų bombardavimą.
Tačiau keletas giliai esančių uolienų, kilusių iš branduolio ir mantijos ribos - ypač susiję su mantijos plumais, pavyzdžiui, Havajų salose - rodo silpną, bet nuoseklų nukrypimą. Jų rutenio izotopų sudėtis šiek tiek skiriasi, o tai rodo, kad jos galėjo susimaišyti su kažkuo, kas neatitinka jokio žinomo meteorito. M. Willboldo nuomone, šis rutenio nukrypimas gali būti paties branduolio pateikiama užuomina. Ir tai yra idėja, kurią galima patikrinti. „Reikėtų ieškoti šio anomalaus rutenio izotopų sudėties uolienose, kurios greičiausiai yra kilusios iš branduolio ir mantijos ribos“, – sako jis.
M. Fischer-Gödde yra skeptiškesnis. „Mūsų stebimi izotopų požymiai gali būti interpretuojami kaip volframo ir rutenio susimaišymas iš branduolio atgal į mantiją, bet tai nėra galutinis įrodymas, – sako jis. - Turime paklausti, kodėl tai tik šie du elementai?“ Kitaip tariant, kodėl neradome įrodymų, kad kiti geležį mėgstantys elementai taip pat nuteka iš branduolio?
Kalbant apie auksą, tai sudėtinga, nes jis turi tik vieną stabilų izotopą – auksą-197 – todėl geologai negali palyginti izotopų santykių, kaip jie padarė su volframu ir ruteniu, ir ieškoti keistenybių. Tačiau tai turėtų būti įmanoma kitų siderofilų - tokių kaip platina, paladis, osmis ir iridis – atveju. Ypač osmis yra gerai išmatuotas - bet santykis yra toks, kaip tikėtasi. Paprasčiausiai nėra jokių požymių, kad osmis išsilieja iš branduolio.
M. Fischer-Gödde mano, kad volframo ir rutenio anomalijas galima paaiškinti vien meteoritais, be „pratekančio“ branduolio. Vėlyvasis intensyvus bombardavimas nebuvo vienkartinis įvykis, o greičiau užsitęsęs kosminis potvynis. Asteroidų fragmentai, kurie krito ant ankstyvosios Žemės, greičiausiai atkeliavo iš tolimų Saulės sistemos vietų, kiekvienas susiformavęs skirtingomis sąlygomis. Šie tolimi giminaičiai turėjo šiek tiek skirtingus izotopinius pėdsakus - bet pakankamus, kad iki šiol paliktų silpną, nevienodą ženklą mantijoje.
Kvėpuojantis branduolys
Dalis problemos yra ta, kad Žemės metalų istorija yra paini. Beveik neįmanoma išsiaiškinti, ar jie atsirado anksčiau už planetą, ar susidarė vėliau dėl radioaktyvaus skilimo.
Vienas iš galimų būdų išeiti iš šios aklavietės yra nukreipti žvilgsnį nuo metalų į dujas. Ir vienos dujos galėtų atlikti arbitro vaidmenį: helis. Tai yra antras pagal gausumą elementas Visatoje po vandenilio, sudarantis maždaug ketvirtadalį visos atomų masės. Įprastas helio atomas – helis-4 – turi du protonus ir du neutronus. Helis-3, turintis tik vieną neutroną, yra žymiai retesnis.
Nepaisant gausos visatoje, abi helio formos yra retos Žemėje - nes jos yra tokios lengvos, kad išvengia mūsų gravitacijos ir išsiskiria į kosmosą. Skirtumas tarp jų yra tas, kad helis-4 nuolat susidaro kaip radioaktyvaus skilimo šalutinis produktas, o helis-3 – ne. Bet koks Žemėje likęs helis-3 turi būti pirminis - įstrigęs planetos viduje, kai ji susiformavo.
Kai geologai imasi vulkaninių plumų, kurie pasiekia paviršių tokiose vietose kaip Havajai ir Islandija, jie nustato, kad helio-3 ir helio-4 santykis gali būti iki 30 kartų didesnis nei atmosferoje. Kitaip tariant, didelis kiekis pirminio helio-3 vis dar pasiekia paviršių iš gilaus planetos vidaus. Svarbus klausimas: iš kokio gylio? Ar helis-3 gali nutekėti iš branduolio? Tai vis dar atviras klausimas - tačiau atsakymas į jį galėtų būti raktas į mūsų planetos širdies paslaptis.
Jei visa ši kalba apie „pratekantį“ branduolį skamba grėsmingai, nereikia nerimauti. „Tai ne taip, kad iš ten tekėtų metalų upė“, – sako M. Willboldas. Kiekiai yra labai maži – keli gramai metalo per metus, daugiausia keli kilogramai dujų. Per visą Žemės gyvavimo laiką tai sudaro beveik... nieką. Branduolys neištuštėja. Jis tiesiog kvėpuoja.
Kiti pasauliai
Poveikis gali būti nedidelis, bet vis tiek svarbus. „ Jei branduolys ir mantija milijardus metų keitėsi netgi mikroelementais, tai keičia mūsų supratimą apie planetos evoliuciją“, – sako M Willboldas. M. Fischer-Gödde pritaria: „Galima įsivaizduoti dvi identiškas planetas, bet jei viena yra sandari, o kita – nesandari, jų geologinis amžius bus visiškai skirtingas.“
Norėdami pabrėžti šį teiginį, turime tik pažvelgti į kaimynines planetas Saulės sistemoje. Marsas, kurio skersmuo yra tik apie pusę Žemės skersmens, greitai atvėso. Jo branduolys sukietėjo, dėl to išnyko jo magnetinis laukas. Savo ruožtu Saulė išsklaidė Marso atmosferą, kol beveik nieko neliko - o tai reiškia, kad Marse taip pat išnyko skystas vanduo.
Veneros likimas – dar kitoks. Beveik tokio pat dydžio kaip Žemė, ji turi daug vidinės šilumos, bet skirtingai nuo mūsų planetos, neturi tektoninių plokščių. Pastarosios leidžia daliai mūsų planetos šilumos išsiskirti, bet Veneroje tai neįmanoma.
Žemė atrodo esanti tarpinis šių dviejų planetų variantas. Jos įvairūs sluoksniai vis dar sąveikauja. Galbūt Žemės ilgalaikio stabilumo paslaptis slypi ne tik tame, kad jos vidus vis dar „teka“, bet ir tame, kad teka tik tiek, kiek reikia.
Žemės vidaus veikimo supratimas taip pat turi svarbių pasekmių mūsų paieškoms gyvybės už mūsų Saulės sistemos ribų. „Tirdami egzoplanetas, mes iš esmės bandome išsiaiškinti, ar jų vidus vis dar pakankamai karštas, kad galėtų vykti tie patys procesai, kaip ir Žemėje, – sako M. Willboldas. - Mes negalime pamatyti jų vidaus, bet galime modeliuoti, ar jos vis dar geologiškai gyvos.“
Kiti žingsniai jau yra žengiami. Mokslininkai bando išmatuoti kitų siderofilų izotopų santykius, kad pamatytų, ar pasirodo tie patys subtilūs nukrypimai.
Aukšto slėgio eksperimentai siekia atkurti branduolio ir mantijos maišymąsi laboratorijoje. Nauji seisminiai modeliai gali atskleisti, ar lašai tikrai susiję su branduoliu, ar yra senovinių nuskendusių tektoninių plokščių liekanos.
Kiekviena užuomina padeda patikslinti planetos, kurios sluoksniai nėra atskirti vienas nuo kito, bet švelniai sąveikauja, vaizdą. Atrodo, kad Žemė niekada iš tiesų nenustojo evoliucionuoti. Giliausiai po mūsų giliausiomis kasyklomis tęsiasi lėtas dialogas tarp pasaulio metalinės širdies ir uolėtojo apvalkalo. Dialogas, kuris gali būti paslaptimi, padedančia suprasti, kaip mes pradėjome vadinti šią planetą savo namais, rašo BBC.