Исследования палеомагнетизма горных пород указывают на то, что твёрдое внутреннее ядро Земли сформировалось 550 миллионов лет назад и помогло предотвратить исчезновение магнитного поля планеты. Это произошло как раз перед началом фанерозойской эры и первого её геологического периода — кембрия, совпав по времени с началом бурного развития современных форм жизни.
Планетологи задаются вопросом: как Марс, который в ранней геологической истории был похож на Землю, обладая магнитным полем, атмосферой, тёплым климатом, а, возможно, и жизнью, дошёл до сегодняшнего состояния каменной пустыни? Возможно, ключ к ответу находится на Земле, при условии, что мы ответим на обратный вопрос: почему Земля, наоборот, не повторила путь Марса? Тем более что предпосылки к «марсианскому» сценарию, оказывается, на Земле имелись.
На глубине 2900 км от поверхности Земли проходит граница её внешнего жидкого ядра из расплавленных металлов (в основном железа и никеля). Эта геооболочка ответственна за создание и поддержание магнитного поля Земли — естественной защиты от солнечного ветра и космического излучения. Однако 565 миллионов лет назад напряжённость магнитного поля уменьшилась до примерно 10 процентов от сегодняшнего его значения. Вероятно, история Земли в тот момент могла пойти по марсианскому сценарию, но что-то вмешалось: магнитное поле внезапно восстановилось до привычного уровня. Согласно новому исследованию магнитных свойств пород той геологической эпохи, восстановление магнитного поля произошло очень быстро на геологической шкале времени — в течение нескольких десятков миллионов лет. Оно совпало с периодом формирования внутреннего ядра Земли, и завершилось перед «Кембрийским взрывом» — началом фанерозойской эры и этапом бурного развития многоклеточных форм жизни в знакомой нам форме.
Упрощённая модель внутреннего строения Земли включает несколько оболочек, различающихся по составу и геофизическим свойствам. Верхний самый тонкий слой Земли — это земная кора, где и сосредоточена жизнь. Её толщина изменяется от 5 до примерно 70 километров (под океанами и под горными цепями континентов соответственно). Следующая самая крупная оболочка — это мантия. Наконец, внутренние области — это ядро, в котором выделяют внутреннюю твёрдую и внешнюю расплавленную часть. Магнитное поле Земли создаётся перемещением расплавленного и проводящего ток материала во внешнем ядре. В свою очередь источник такого движения — вращение планеты и высокая температура её внутренних слоёв. Совокупность всех этих факторов, поддерживающих магнитное поле, называют магнитным геодинамо. Это сложная динамическая система, в которой возможны, например, постоянный дрейф и спонтанная инверсия магнитных полюсов, что и наблюдается на Земле. Но механизмы работы геодинамо не до конца понятны; во всяком случае, они довольно сложны и оставляют множество вопросов. Прежде всего неясно, как такой механизм может сохраняться в течение миллиардов лет на Земле, но затухнуть на Марсе. Очевидно, для поддержания такого «волчка» из вращающихся слоёв расплавленного металла в ядре необходим источник энергии. Насколько мы теперь понимаем, запасов только тепловой энергии в расплавленном ядре для удовлетворительного объяснения длительной его работы не хватает.
Поскольку магнитное поле зависит от поведения ядра Земли, геофизики на протяжении десятилетий пробовали восстановить эволюцию как магнитного поля на Земле, так и его ядра. Известно, что магнитное поле существовало (почти) с момента формирования планеты; вероятно, жидкое ядро имеет сопоставимый возраст. Но твёрдое ядро — сравнительно недавнее приобретение: материал жидкого ядра начал кристаллизоваться в твёрдую фазу, как считается, порядка миллиарда лет назад. Исследовать магнитную историю Земли можно, изучая магнитные свойства определённых минералов, в своё время кристаллизовавшихся из магмы и выброшенных на поверхность. Во многих горных породах магматического происхождения содержатся частицы и минералы, которые сохранили намагниченность и направление магнитного поля на момент их кристаллизации из расплава. Исследование остаточной намагниченности вместе с радиометрической датировкой таких образцов позволяет сделать вывод о величине и даже направлении палеомагнитного поля.
Так, в образцах пород возрастом 560—580 миллионов давно заметили существенное ослабление их магнитных характеристик. Этот промежуток попадает на период в геологии, который называют эдиакарским (по местности в Австралии, где были впервые обнаружены окаменелости этой эпохи; полностью эдиакарский период «официально» простирается в интервале 635—541 миллионов лет). Он как раз предшествует кембрийскому, с которого принято отсчитывать эру фанерозоя, то есть «явной» жизни на Земле. Получается, что на протяжении где-то 50 миллионов лет перед «кембрийским взрывом» магнитное поле Земли было сильно ослаблено, более того, часто происходили его инверсии (в научной литературе есть оценки, согласно которым в определённые периоды это происходило несколько раз за миллион лет). Возможно, это и привело к первому известному массовому вымиранию — исчезновению «эдиакарской фауны», очень непохожей даже на кембрийские организмы. Осталось ответить на вопрос — насколько быстро поле восстановилось до современного значения и связать это восстановление с внутренними причинами, в частности, с процессами в ядре. Гипотеза о связи восстановления магнитного поля с началом кристаллизации внутреннего ядра верифицируема: если это так, то восстановление должно произойти за очень короткий геологический промежуток. Значит, необходимо найти свидетельства нормальной интенсивности поля в горных породах возрастом немного моложе позднего эдиакарского. Это и было недостающим звеном (конечно, далеко не единственным) в палеомагнитной летописи Земли, которое удалось найти.
В статье, вышедшей в июле 2022 года в Nature Communications, описываются основные результаты по палеомагнитным датировкам истории внутреннего ядра. Геофизики из университета Рочестера определили несколько ключевых дат, связанных с его развитием, включая более точное определение его возраста. Они исследовали магнитные свойства пород как раз нужного возраста, то есть конца эдиакария — начала кембрия. Порода представляет собой анортозит из гор Вичита в Оклахоме [порода магматического происхождения. В быту больше известна её разновидность — лабрадорит, который используют для облицовки зданий, например, она встречается на некоторых станциях метро в Москве и Санкт-Петербурге]. Использованный для датировок палеомагнитный минерал в ней — разновидность полевого шпата под названием плагиоклаз. Сам по себе он немагнитный, но в нём содержатся намагниченные вкрапления из оксида железа и титана; они и работают как игла древнего геологического компаса и делают его идеальным «устройством магнитной записи» геологической истории.
Магнитные свойства образцов исследовали при помощи CO2-лазера и высокоточного сверхпроводникового магнитометра с квантовой интерференцией (SQUID, superconducting quantum interference device). Геофизикам действительно удалось обнаружить, что магнитное поле в начале кембрийского периода восстановилось достаточно быстро после эдиакарского «провала». Это позволило также установить две важные даты в истории внутреннего ядра. Итак:
- 550 миллионов лет назад: магнитное поле начинает быстро восстанавливаться после практически полного угасания за 15 миллионов лет до этого. Исследователи связывают это событие с началом образования твёрдого внутреннего ядра: дополнительное тепло, выделяющиеся при кристаллизации из расплава, становится источником энергии, перезапустившем геомагнитное динамо во внешнем ядре.
- 450 миллионов лет назад: структура растущего внутреннего ядра изменяется, в нём появляется некоторая граница между внутренней и внешней частью. Эти изменения во внутреннем ядре по времени накладываются на изменения в структуре мантии, о которой можно судить по тектонике литосферных плит.
Описанный период — как раз время существования одного из древних суперконтинентов — Паннотии, то есть период, когда континентальные литосферные плиты были собраны на одном обширном участке на поверхности Земли. Геологи не сомневаются, что такие движения континентов являются прямым следствием конвективных процессов в мантии и ядре. Было бы заманчиво знать, как из конфигурации континентов в ту или иную геологическую эпоху можно извлечь сведения об эволюции внутренних геооболочек Земли. Но это очередная задача вида чёрного ящика, и такие реконструкции, хоть и популярны, на сегодня не дают однозначных выводов. Например, континенты собирались в суперконтинент несколько раз на протяжении истории Земли, в том числе и позже, уже в фанерозое — образовывались такие суперконтиненты, как Пангея, а несколько позже — Лаврентия и Гондвана (два последних образования грубо соответствуют современным континентам северного и южного полушария). Но пока мы не знаем, были ли какие-то глобальные изменения в ядре Земли, соответствующие именно этим событиям. Поэтому увязать образование внутреннего ядра, скажем, с формированием суперконтинента Паннотия в это же время — мысль интересная, но пока что в статусе довольно умозрительной гипотезы. Ещё более умозрительны попытки связать образование внутреннего ядра с «кембрийским взрывом», благодаря которому мы наблюдаем современное разнообразие видов, очень непохожих на эдиакарскую фауну, как на картинке выше. Допустим, эти два события совпали по времени, но глобальные изменения геомагнитного поля в этот период — наверняка важный, но тем не менее один из множества факторов геологической эволюции.
Понимание динамики роста внутреннего ядра Земли в связи с эволюцией магнитного поля необходимо не только для прояснения геологической истории Земли, но и ответа на вопрос, при каких условиях другие планеты, включая экзопланеты, могут сформировать своё магнитное поле и сохранить его, тем самым поддерживая устойчивые условия для развития жизни. Пример «неудачного» витка геологической эволюции — ближайшая каменная планета Марс. Как показывают данные, она обладала магнитным полем. Его следы проявляются в виде участков аномально высокой намагниченности в южном марсианском полушарии, породы которых, вероятно, сохранили «магнитный отпечаток» с тех времён. Исчезновение поля на Марсе привело к исчезновению не только атмосферы, но и океанов, если они там существовали: солнечный ветер рассеивал в открытый космос все летучие соединения, то есть и газы из атмосферы, и молекулы воды. Пока неизвестно, что бы случилось при исчезновении магнитного поля Земли, то есть повторила ли бы Земля в точности судьбу Марса. Но в любом случае без магнитного поля она потеряла бы значительно больше воды и стала гораздо более сухим местом и очень непохожей на привычную нам.