Міжнародна міждисциплінарна група науковців нещодавно виявила, що величезна аномалія глибоко всередині Землі може бути залишком зіткнення близько 4,5 мільярдів років тому, внаслідок якого утворився Місяць. Це дослідження дає нове важливе уявлення не лише про внутрішню структуру Землі, але й про її довгострокову еволюцію та формування внутрішньої Сонячної системи.

Результати дослідження, яке базувалося на методах обчислювальної динаміки рідини, започаткованих професором Денґом Гунґпінґом (Deng Hongping) з Шанхайської астрономічної обсерваторії (Shanghai Astronomical Observatory, SHAO) Академії наук Китаю, оприлюднив журнал Nature 2 листопада поточного року. А візуалізація результату (картинка) подано на обкладинці журналу.

Утворення Місяця було незмінною загадкою для кількох поколінь учених. Одна з головних теорій припускає, що на пізніх стадіях розвитку Землі приблизно 4,5 мільярда років тому відбулося масштабне зіткнення — відоме як «гігантський удар» — між первісною Землею (Ґея) і протопланетою розміром з Марс, відомою як Тея. Науковці, які підтримують цю теорію, вважають: Місяць утворився з уламків, появу яких спричинило це зіткнення.

Чисельне моделювання показало, що Місяць, ймовірно, успадкував матеріал головно від Теї, тоді як Ґея, через свою набагато більшу масу, була лише незначно забруднена речовиною Теї.

Оскільки Ґея і Тея були відносно незалежними утвореннями і складалися з різних речовин, теорія припускала, що Місяць, де переважає матеріал Теї, і Земля, де домінує матеріал Ґеї, мають різний склад речовини. Проте високоточні ізотопні вимірювання згодом показали: склад речовини Землі та Місяця дуже схожі, що поставило під сумнів загальноприйняту теорію формування Місяця.

Хоча згодом були запропоновані різні уточнені моделі гігантського зіткнення, усі вони зіткнулися з проблемами.

Щоб удосконалити теорію формування Місяця, професор Денґ у 2017 році почав виконувати дослідження проблеми формування Місяця. Він зосередився на розробці нового обчислювального методу гідродинаміки під назвою «Безсіткова обмежена маса» (Meshless Finite Mass, MFM), який добре підходить для точного моделювання турбулентності та змішування речовин

Моделювання методом «Безсіткова обмежена маса» (Meshless Finite Mass, MFM) гігантського зіткнення з утворенням Місяця. Тут різні кольори відображають різні компоненти Ґеї й Теї. Нижня мантія Геї, позначена пунктирним колом із радіусом 0,8 радіуса Землі (RE), лише незначно забруднена мантією Теї. Авторські права на зображення: Bi Rongxi та Deng Hongping.

Застосувавши цей новий підхід і виконавши численні моделювання гігантського зіткнення, професор Денґ виявив: для ранньої Землі чітко видно стратифікацію мантії після зіткнення, причому верхня і нижня мантії мали різні склади та стани. Зокрема, у верхній мантії був океан магми, утворений внаслідок ретельного змішування матеріалу з Ґеї й Теї, тоді як нижня мантія була головно твердою та зберігала склад речовини Ґеї.

«Попередні дослідження приділяли надмірну увагу структурі диска уламків (попередника Місяця) і не звертали уваги на вплив гігантського зіткнення на ранню Землю», — сказав Денґ.

Після обговорення результатів моделювань з геофізиками зі Швейцарського федерального технологічного інституту в Цюріху професор Денґ і його співробітники зрозуміли, що ця стратифікація мантії, можливо, збереглася до наших днів і є тими масивними утвореннями в середній мантії (містяться приблизно на 1000 км нижче земної поверхні), які відбивають сейсмічні хвилі.

Зокрема, згідно з попереднім дослідженням професора Денґа, у всій нижній мантії Землі все ще може переважати матеріал Ґеї до зіткнення, який має інший елементний склад (зокрема більший вміст кремнію), ніж верхня мантія.

«Наші висновки кидають виклик традиційним уявленням про те, що сильний удар призвів до гомогенізації ранньої Землі», — сказав професор Денґ. «Натомість гігантський удар, що спричинив появу Місяць, здається джерелом гетерогенності ранньої мантії та позначає відправну точку для геологічної еволюції Землі протягом 4,5 мільярдів років».

Іншим прикладом неоднорідності земної мантії є дві аномальні області, які науковці називають великими областями з низькою швидкістю зсуву (large low velocity provinces, LLVP), що простягаються на тисячі кілометрів біля основи мантії. Одна міститься під Африканською тектонічною плитою, а інша під Тихоокеанською тектонічною плитою. Коли сейсмічні хвилі проходять через ці області, швидкість хвилі значно зменшується.

LLVP мають значний вплив на еволюцію мантії, поділ і агрегацію суперконтинентів і структуру тектонічних плит Землі. Однак їх походження досі залишилося загадкою.

Доктор Юань Цянь (Yuan Qian) з Каліфорнійського технологічного інституту разом із колегами припустив, що LLVP могли розвинутися з невеликої кількості речовини Теї, який потрапив у нижню мантію Ґеї. Згодом вони запросили професора Денґа дослідити розподіл і стан тейського матеріалу в глибинах Землі після гігантського удару.

Завдяки поглибленому аналізу попередніх симуляцій великого зіткнення та через виконання нового більш точного моделювання, дослідницька група виявила — значна кількість матеріалу мантії Теї, приблизно 2% маси Землі, увійшла в нижню мантію Ґеї.

Потім професор Денґ запросив астрофізика доктора Джейкоба Кеґеррайса (Jacob Kegerreis), який виконує комп’ютерні обчислення, підтвердити цей висновок за допомогою традиційних методів гідродинаміки згладжених частинок (Smoothed Particle Hydrodynamics, SPH).

Дослідницька група також встановила: матеріал мантії Теї, подібний до місячних порід, збагачений залізом, а це означає, що він щільніший за навколишній матеріал Ґеї. Тому він швидко опустився на дно мантії і у процесі тривалої конвекції в мантії утворив дві помітні області LLVP. Ці LLVP були стабільними протягом 4,5 мільярдів років геологічної еволюції.

Неоднорідність глибокої мантії, чи то рефлектори в середині мантії або LLVP в основі, свідчить про те, що надра Землі далеко не є однорідною та «нудною» системою. Фактично, у невеликій кількості глибинні неоднорідності можуть бути винесені на поверхню мантійними плюмами — циліндричними висхідними тепловими потоками, спричиненими мантійною конвекцією, — такими як ті, що, ймовірно, спричинили утворення Гаваїв та Ісландії.

Наприклад, геохіміки, вивчаючи співвідношення ізотопів рідкісних газів у зразках ісландського базальту, виявили, що ці зразки містять компоненти, відмінні від типових поверхневих матеріалів. Ці компоненти є залишками неоднорідності віком понад 4,5 мільярдів років у глибокій мантії і є ключами до розуміння початкового стану Землі та навіть формування найближчих планет.

За словами доктора Юаня, «через точний аналіз ширшого діапазону зразків гірських порід у поєднанні з витонченішими моделями дуже сильних зіткнень і моделями еволюції Землі ми можемо зробити висновок про склад матеріалу та орбітальну динаміку первісної Землі, Геї і Теї. Це дає нам змогу обмежити всю історію формування внутрішньої Сонячної системи».

Професор Денґ бачить навіть ширшу роль поточного дослідження. «Це дослідження навіть дає натхнення для розуміння формування та придатності для життя екзопланет за межами Сонячної системи».

За інф. з сайту https://phys.org