550 millió éve alakult ki bolygónk belső magja, és úgy tűnik, ez mentette meg az életet a Földön

A Qubit a szabad és tájékozott magyar nyilvánosságért dolgozik. Segítsd a munkánkat!

Ha 550 millió éve nem következik be olyan drámai változás a Föld legmélyén, ami helyreállítja bolygónk összeomlóban lévő és az élethez nélkülözhetetlen mágneses terének erősségét, mi sem lennénk ma itt. A fordulatot az 5 ezer kilométerrel a lábunk alatt kezdődő belső mag kialakulása hozhatta el 5-600 millió éve, a földi élet evolúciójának kulcsfontosságú szakaszában.

Amint azt a Science folyóirat nemrég összefoglalta, az elmúlt években a kutatók elkezdték minden korábbinál precízebben feltárni a folyékony külső mag alatti, különleges állapotú réteg titkait, és olyan furcsaságokra találtak, amelyek minden korábbi elképzelést felülmúlnak. Arwen Deuss, az Utrechti Egyetem geofizikusa a Sciencenek elmondta: a mérések már rendelkezésre állnak, csak össze kell rakni őket. A kutató ahhoz hasonló hangulatot érez most, mint amilyen az 1960-as években, a lemeztektonika-elmélet igazolásának idején uralkodott.

A Föld a Naprendszer hajnalán, 4,54 milliárd évvel ezelőtt született összeálló bolygókezdeményekből. Ekkor a nehezebb elemek a mélybe süllyedve kialakították a magot, a könnyebbek, nagyrészt szilikátok pedig a földköpenyt, és végül a bolygót borító kezdeti kéreg is létrejött. Egészen 1936-ig úgy tűnt, hogy az egész mag folyékony vasból áll, de aztán egy dán szeizmológus, Inge Lehmann rengéshullámok vizsgálatával áttörő felfedezést tett: feltárta, hogy a Föld legbelső rétegének egy jelentős része valójában nem is folyékony. Mint arról nemrég beszámoltunk, a belső magot a hatalmas nyomás és 5400 fokos hőmérséklet körülményei között valójában nem is szilárd, hanem szuperionikus halmazállapotú vasötvözetek alkotják.

Az 1220 kilométeres sugarú belső mag nagyobb, mint a Pluto, és úgy tűnik, nem azonos tempóban forog, mint a Föld többi része. Sőt, egyes kutatások, amelyek a bolygó mélyébe hatoló rengéshullámok vizsgálatán alapulnak, azt jelzik, hogy a belső mag forgási sebessége néhány éves skálákon változik; néha lelassul, néha felgyorsul. Ezzel párhuzamosan arra is gyűlnek a bizonyítékok, hogy a belső mag geológiailag viszonylag fiatal, és az utóbbi 0,5-1 milliárd évben keletkezhetett. Létrejötte ugyanakkor alapvetően befolyásolhatta bolygónk és az élet evolúciójának alakulását azzal, hogy helyreállította azt a mágneses teret, ami 565 millió éve a mai erősségének 10 százalékára gyengült. Ezt a mágneses teret a külső magban áramló folyékony vas és nikkel hozza létre azáltal, hogy elektromos áramot generál.

A belső mag lassú növekedése egyes kutatók szerint felgyorsíthatta a külső magban zajló áramlásokat, és néhány tízmillió év alatt helyreállította a mágneses tér erősségét. A Science által megkérdezett John Tarduno, a Rochesteri Egyetem geofizikusa szerint „a belső mag egy evolúciós szempontból nagyon érdekes időpontban állította helyre a Föld mágneses terét” – pont egy olyan időszakban, 550-520 millió éve, az ediakara és kambrium időszakok határán, amikor néhány tízmillió év alatt – néhány százmillió évvel az első állatok megjelenése után – kialakultak a kétoldali szimmetriájú állatok jelentős csoportjai.

A belső mag néha lassabban, néha gyorsabban forog, mint a Föld

Hsziatonk Szonk és Paul Richards szeizmológusok 30 évvel ezelőtt a Columbia Egyetemen a bolygón áthaladó rengéshullámokkal kívánták vizsgálni a mélyben zajló folyamatokat. Ehhez olyan, pontosan lokalizálható eredetű hullámokra volt szükségük, amiket ismétlődő földrengések vagy nukleáris tesztek váltottak ki, és amik vagy visszaverődnek a belső magról, vagy áthaladnak rajta, amíg elérnek a szeizmográfokig. Első megfigyeléseikhez az Atlanti-óceán legdélebbi részén, a Falkland-szigetekhez közeli Déli-Sandwich-szigetekről kiinduló ismétlődő földrengéseket használták fel, és azok utazási idejének parányi változásait rögzítették alaszkai szeizmográfokkal.

A több évtizedre vonatkozó adatokból azt találták, hogy ebben az időszakban a rengéshullámok egyre gyorsabban haladtak át a belső magon. Eredményeiket, amelyeket 1996-ban a Nature-ben publikáltak, azzal magyarázták, hogy a Föld legmélyebb rétege a bolygó fennmaradó részéhez viszonyítva évente 1 fokkal gyorsabban teszi meg (szuperrotáció) a Föld tengelye körüli 360 fokot, és így 400 évente eggyel több fordulatot tesz meg a köpenyhez és kéreghez képest. A felfedezést nem sokkal később John Vidale, a kaliforniai egyetem kutatója megerősítette az amerikai légierő nukleáris tesztek észlelésére alkalmas detektorának adatai alapján. Vidale két, 1971-es és 1974-es, Novaja Zemlján végzett szovjet nukleáris teszt által kiváltott rengéshullámok után kutatott, amelyek a belső magról visszaverődve árulkodtak annak forgási sebességéről.

Kiderült, hogy a tesztek között eltelt három évben a belső mag évente a Föld többi részéhez viszonyítva 0,15 fokkal forgott gyorsabban a tengely körül. Bár ez lényegesen kisebb volt, mint Szonkék 1996-ban közölt becslése, egy 2005-ben Szonk és kollégái által a Science-ben közölt tanulmány megerősítette az alacsonyabb értéket, a korábbi 1 helyett 0,3-0,5 fok között állapítva meg a szuperrotáció értékét. A belső mag szuperrotációja sok geofizikust meglepett, és elfogadása máig sem teljes körű – Vidale a Science-nek úgy nyilatkozott, hogy „a belső mag forgásáról alkotott kép egyre bonyolultabbá vált, és amit tíz éve gondoltunk, már nem áll össze."

Szonk, aki jelenleg a Pekingi Egyetemen dolgozik, munkatársával, Ji Jankkal nemrég a világ legnagyobb adatbázisát állította össze ismétlődő földrengésekről. 500, a magon áthaladó rengés vizsgálata hihetetlen felfedezésre vezette a kutatókat: az amerikai geofizikai unió (AGU) tavaly év végi konferenciáján tett bejelentés szerint azt találták, hogy egy évtizede hirtelen véget ért a belső mag szuperrotációja, és azóta a köpennyel azonos sebességgel forog. Vidale eközben egy még korábbi, 1969-1971 közötti időszakot kezdett vizsgálni az alaszkai Aleut-szigeteken végrehajtott nukleáris tesztek rengéshullámai segítségével, és nem várt eredményre jutott. A rengéshullámok a szuperrotáció ellentétét tárták fel, azaz ebben a két évben a belső mag lassabban forgott, mint maga a bolygó. Látszólag tehát a mag néhány év alatt, az amerikai és szovjet nukleáris tesztek között lassabb forgásból szuperrotációra váltott, ami Vidale szerint a belső mag alapvető, ciklikus forgási mintázatát jelezheti.

Hsziatonk Szonk a pekingi egyetemen vizsgálja a Föld belső magjának működésétFotó: UIUC

Ugyanerre a közel hatéves ciklikusságra utalhatnak a rádiócsillagászok által mért parányi anomáliák a napok hosszában. Ezt a Science által megkérdezett Benjamin Chao, a témával foglalkozó, az Earth and Planetary Science Letters folyóiratban közölt 2018-as tanulmány társszerzője szerint eddig senki nem tudta megmagyarázni, de okaként mindenki a magra, konkrétabban a belső mag és a köpeny közötti gravitációs interakciókra tippel. Míg a belső mag felszínén valószínűleg több száz méteres kiemelkedések vannak, a köpenyben nagyon sűrű, kontinens méretű régiók találhatók. Utóbbiak Chan szerint kvázi rángathatják a belső mag felszínének kiemelkedéseit, összekötve a köpeny és a belső mag forgását, és létrehozva a lassabb-gyorsabb forgási ciklust. 

Szonkék ezzel ellentétben egyelőre csak a belső mag lassulásának jeleit észlelik, és 6 éves ciklus jeleit nem. Ők úgy vélik, hogy a köpeny belső magra kifejtett gravitációs húzóhatása felelős a forgási sebesség csökkenéséért, és nem kifejezetten a belső mag felszínének változásai. Vannak azonban kutatók, mint Jao Csiajuan, a vuhani földtudományi egyetem, és Ven Lianhszin, a Stony Brook Egyetem kutatói, akik megkérdőjelezik a szuperrotáció létét. Jao egy 2020-as, az Earth and Planetary Science Lettersben Szonkék által közölt tanulmányra reagált a folyóiratban kollégáival, és azt állította, hogy a szeizmikus mérések hibahatárai túl nagyok ahhoz, hogy kizárják az olyan, szuperrotáción kívüli magyarázatokat, mint a belső mag felszínének változásai. Ven a Science-nek eljuttatott kommentárjában elmondta, hogy a belső mag felszínének változása szuperrotáció nélkül is jól meg tudja magyarázni a rengéshullámokból érkező adatokat. Mások, mint a Harvard Egyetem szeizmológusa, Miaki Ishii, úgy vélik, hogy a belső mag változó sebességű forgása valószínűbb módon magyarázza a méréseket, mint az állandó szuperrotáció.

Sokkal fiatalabb a belső mag, mint eddig gondolták, és lehet, hogy kialakulása megmentette a földi életet

Amint arról 2021 elején írtunk, a Föld belső magja is rendelkezik egy furcsa, 300 kilométeres sugarú régióval, amelyen a rengéshullámok nem teljesen észak-déli irányban haladnak át a leggyorsabban, hanem 45 fokkal elfordulva. A legbelső mag létezését először Miaki Ishii és Adam Dziewonski írták le 2002-ben, a PNAS tudományos folyóiratban. Az elmúlt években az Antarktiszra telepített érzékeny szeizmográfok forradalmasították a régió tanulmányozását és háromdimenziós szerkezetének rekonstruálását, és ezek alapján a legbelső mag akár egy ősi, ferde mágneses tér lenyomata is lehet. Arwen Deuss és kollégái hamarosan publikálják eredményeiket, amelyek szerintük megerősítik a belső mag központi régiójának létezését.

A Science által megkérdezett kutatók úgy vélik, hogy a Föld belsejének 0,5-1 milliárd évvel ezelőtti lassú lehűlése elvezetett a belső mag lassú kialakulásához, ami drámai következményekkel járt. John Tarduno munkatársaival néhány éve a québeci Szent Lőrinc-folyó 565 millió éves vulkanikus formációiból gyűjtött kőzeteket, amelyek megőrizték az ősi mágneses tér állapotát. Ezek, ahogy azt 2019-ben Tarduno és kollégái a Nature Geoscience folyóiratban közölték, arról árulkodnak, hogy a Föld mágneses terében jelentős változások zajlottak éppen a belső mag születésekor, és a tér erőssége a mainak egytizede volt. Az eredményeket azóta más kutatások is megerősítették.

A Föld mágneses terének szuperszámítógépes szimulációjaFotó: Dr. Gary A. Glatzmaier/Los Alamos National Laboratory/U.S. Department of Energy

Peter Driscoll, a Carnegie Tudományos Intézet geodinamikával foglalkozó kutatója szerint a tér gyengülését a külső mag hővesztesége okozhatta, ami korlátozta a mágneses teret generáló áramlásokat. Ekkor a mágneses dinamó Driscoll szerint majdnem összeomlott, ami katasztrofális következményekkel járhatott volna az éppen az óceánokban kibonatkozóban lévő állatvilágra nézve. A mágneses tér további gyengülésével jelentősen megnőhetett volna a Napból a felszínre jutó, az élő szervezetekre káros sugárzás mértéke. Teljes összeomlása esetén bolygónk légköre elméletileg lassan el is veszhetett volna, hasonlóan ahhoz, ahogy az a Marssal történt az elmúlt néhány milliárd évben.

Szerencsére az 565 millió évvel ezelőtti gyengülés után, 30 millió évvel később a mágneses tér már a mai erősségének 70 százalékára állt vissza. Erre mutat legalábbis a Tardunóék által az oklahomai Wichita-hegységben gyűjtött, 532 millió éves vulkanikus kőzetek vizsgálata. Tarduno szerint a tér helyreállásáért a belső mag, pontosabban annak növekedése volt felelős. Így a Föld mélyén lezajlott drámai változások miatt folytatódhatott az állatvilág és általában az élet evolúciója, ami lassan elvezetett a mai biodiverzitás kialakulásáig.

A Qubit szerkesztősége azért dolgozik, hogy a magyar nyilvánosság hiteles, alapos és közérthető tudományos ismeretekhez jusson. Tesszük ezt politikamentesen, közszolgálati hevülettel, száznál több kutató és tudós bevonásával. Égető kérdések, dermesztő válságok és zavaros álhírek sűrűjében igyekszünk tartani a fáklyát immár havi bő hétszázezer olvasónknak. Cikkeink ingyen olvashatók, de nem ingyen készülnek. Segítsd a munkánkat!

Kapcsolódó cikkek a Qubiten: