Nowe badanie przeprowadzone przez naukowca z University of Chicago sugeruje, że może istnieć warstwa zaskakująco płynnej skały otaczającej Ziemię, na samym dnie górnego płaszcza.
Odkrycia dokonano, mierząc utrzymujący się ruch zarejestrowany przez czujniki GPS na wyspach po głębokim trzęsieniu ziemi na Oceanie Spokojnym w pobliżu Fidżi. Opublikowane 22 lutego w Nature badanie pokazuje nową metodę pomiaru płynności płaszcza Ziemi.
„Chociaż płaszcz stanowi największą część Ziemi, wciąż jest wiele rzeczy, których o nim nie wiemy” – powiedział Sunyoung Park, geofizyk z University of Chicago i główny autor badania. „Uważamy, że możemy dowiedzieć się o wiele więcej, wykorzystując te głębokie trzęsienia ziemi jako sposób na zbadanie tych pytań”.
Tajemnice płaszcza
Wciąż zaskakująco mało wiemy o Ziemi pod naszymi stopami. Najdalej komu udało się kopać, to około siedem i pół mili, zanim rosnący upał dosłownie stopi wiertło. Dlatego naukowcy musieli użyć wskazówek, takich jak poruszanie się fal sejsmicznych, aby wywnioskować różne warstwy, z których składa się planeta, w tym skorupa, płaszcz i jądro.
Jedną z rzeczy, która utrudniała naukowcom, jest precyzyjny pomiar lepkości warstwy płaszcza. Płaszcz jest warstwą pod skorupą. Jest zrobiony ze skały, ale przy intensywnej temperaturze i ciśnieniu na tej głębokości skała faktycznie staje się lepka – płynie bardzo powoli jak miód lub smoła.
„Chcemy dokładnie wiedzieć, jak szybko płynie płaszcz, ponieważ ma to wpływ na ewolucję całej Ziemi – wpływa na to, ile ciepła planeta zatrzymuje przez jak długi czas i jak materiały Ziemi podlegają cyklom w czasie” – wyjaśnił Park. „Ale nasze obecne zrozumienie jest bardzo ograniczone i obejmuje wiele założeń”.
Park pomyślał, że może istnieć wyjątkowy sposób na pomiar właściwości płaszcza poprzez badanie następstw bardzo głębokich trzęsień ziemi.
Większość trzęsień ziemi, o których słyszymy w wiadomościach, jest stosunkowo płytkich i pochodzi z górnej skorupy ziemskiej. Ale od czasu do czasu zdarzają się trzęsienia ziemi, które powstają głęboko w Ziemi – do 450 mil pod powierzchnią. Te trzęsienia ziemi nie są tak dobrze zbadane jak te płytsze, ponieważ nie są tak destrukcyjne dla osad ludzkich. Ale ponieważ sięgają do płaszcza, Park pomyślał, że mogą zaoferować sposób na zrozumienie zachowania płaszcza.
Park i jej współpracownicy przyjrzeli się jednemu takiemu trzęsieniu ziemi, które miało miejsce u wybrzeży Fidżi w 2018 roku. Trzęsienie miało siłę 8,2 stopnia w skali Richtera, ale było tak głębokie – 350 mil w dół – że nie spowodowało żadnych poważnych szkód ani ofiar śmiertelnych.
Jednak kiedy naukowcy dokładnie przeanalizowali dane z czujników GPS na kilku pobliskich wyspach, odkryli, że Ziemia nadal się porusza – po zakończeniu trzęsienia ziemi.
Dane ujawniły, że w miesiącach następujących po trzęsieniu ziemi Ziemia nadal się poruszała, osiadając w wyniku zakłóceń. Nawet lata później Tonga nadal powoli opada w tempie około 1 centymetra rocznie.
„Możesz myśleć o tym jak o słoiku z miodem, który powoli wraca do poziomu po zanurzeniu w nim łyżki – tyle że zajmuje to lata zamiast minut” – powiedział Park.
To pierwsza solidna obserwacja deformacji po głębokich wstrząsach; zjawisko to obserwowano wcześniej w przypadku płytkich trzęsień ziemi, ale eksperci uważali, że efekt byłby zbyt mały, aby można go było zaobserwować w przypadku głębokich trzęsień ziemi.
Park i jej współpracownicy wykorzystali tę obserwację do wywnioskowania lepkości płaszcza.
Badając, jak Ziemia deformowała się w czasie, znaleźli dowody na istnienie warstwy o grubości około 50 mil, która jest mniej lepka (to znaczy „bardziej płynna”) niż reszta płaszcza, znajdująca się na dnie górnej warstwy płaszcza. Uważają, że ta warstwa może rozciągać się na cały glob.
Ta warstwa o niskiej lepkości może wyjaśniać inne obserwacje sejsmologów, które sugerowały, że na dnie górnego płaszcza znajdują się „stojące” płyty skalne, które nie poruszają się zbytnio. „Trudno było odtworzyć te cechy za pomocą modeli, ale słaba warstwa znaleziona w tym badaniu ułatwia to” – powiedział Park.
Ma to również wpływ na sposób, w jaki Ziemia transportuje ciepło, krąży i miesza materiały między skorupą, jądrem i płaszczem w czasie.
„Jesteśmy naprawdę podekscytowani” – powiedział Park. „Dzięki tej technice można dowiedzieć się o wiele więcej”.
Innymi współautorami artykułu byli Jean-Philippe Avouac i Zhongwen Zhan z California Institute of Technology oraz Adriano Gualandi z włoskiego Narodowego Instytutu Geofizyki i Wulkanologii.