Phát hiện mới về cấu tạo Trái đất của tiến sĩ gốc Việt có ý nghĩa với nhân loại thế nào?

Các sách giáo khoa địa lý thường dạy Trái đất chỉ có bốn lớp: lớp vỏ (1), lớp phủ manti (2), lõi ngoài lỏng (3) và lõi trong rắn (4). Giờ đây, các nhà khoa học đã tiết lộ một lớp mới, khác biệt, ở bên trong lõi trong rắn, lớp này có thể giúp cung cấp thông tin về sự phát triển của từ trường Trái đất.

Trong một nghiên cứu được công bố tuần trước, hai nhà địa chấn học tại Đại học Quốc gia Úc đã ghi lại bằng chứng mới về một khối cầu kim loại rắn dày 640km ở trung tâm lõi bên trong của Trái đất - giống như nàng út trong bộ búp bê Mariuska của Nga.

Lớp mới như nàng út trong bộ Mariuska

Lớp mới, tạm gọi là lớp 5, gồm hợp kim sắt-niken, giống như các phần khác của lõi. Nhưng nghiên cứu cho thấy nó có cấu trúc tinh thể khác khiến sóng xung kích từ động đất dội lại qua lớp này có tốc độ khác với tốc độ của lõi bao quanh.

Tiến sĩ Phạm Thành Sơn (Thanh-Son Pham) tác giả chính của nghiên cứu cho biết: “Rõ ràng, lớp lõi bên trong cùng có gì đó khác với lớp bên ngoài. Chúng tôi nghĩ rằng cách các nguyên tử sắp xếp ở hai khu vực này hơi khác nhau một chút”.

Các nhà nghiên cứu nghiên cứu lõi trong để hiểu rõ hơn về từ trường của Trái đất, từ trường bảo vệ chúng ta khỏi bức xạ có hại trong không gian và giúp tạo ra sự sống trên hành tinh xanh. Các nhà địa chất phỏng đoán lõi bên trong có thể đã hình thành cách đây chưa đầy một tỉ năm, tương đối trẻ trên thang thời gian địa chất. Các tác giả nghiên cứu giải thích lõi bên trong phát triển ra bên ngoài bằng cách hóa rắn các vật liệu từ lõi ngoài lỏng (lõi 3), giải phóng nhiệt và tạo ra các dòng đối lưu. Sự đối lưu này tạo ra từ trường của Trái đất.

Lõi bên trong (4), được phát hiện vào năm 1936 bởi nhà địa chấn học người Đan Mạch Inge Lehmann, lõi này chiếm chưa đến 1% thể tích Trái đất (tâm Trái đất nằm cách bề mặt khoảng 6.400km). Tuy nhiên, khoảng cách sâu dưới bề mặt và kích thước nhỏ của nó khiến các nhà khoa học khó đo lường bằng các phép đo trực tiếp. Thay vào đó, họ nghiên cứu sóng xung kích do động đất gây ra.

Mô phỏng các lõi cấu tạo Trái đất

Tiến sĩ Phạm Thành Sơn giải thích khi một trận động đất lớn xảy ra, sóng xung kích hoặc sóng địa chấn có thể nảy qua lại từ bên này sang bên kia của Trái đất giống như một quả bóng bàn. Sóng địa chấn di chuyển với tốc độ khác nhau qua các lớp khác nhau của Trái đất tùy thuộc vào mật độ, nhiệt độ và thành phần của nó. Giống như bác sĩ nghiên cứu các cơ quan nội tạng của bệnh nhân thông qua chụp X-quang, các nhà khoa học địa chất sử dụng các thiết bị được gọi là máy đo địa chấn trên khắp thế giới để đo các dao động này và tìm hiểu về hoạt động bên trong Trái đất.

Hai mươi năm trước, các nhà nghiên cứu đã sử dụng dữ liệu địa chấn và đề xuất sự tồn tại của lớp thứ 5. Kể từ đó, bằng chứng về lõi bên trong cùng “theo thời gian càng được củng cố khi ngày càng nhiều dữ liệu”. Nhưng nghiên cứu mới của Phạm Thành Sơn tiến xa hơn với các phân tích dữ liệu địa chấn chưa từng có.

Tiến sĩ Sơn cho biết: “Bước đột phá trong nghiên cứu này là chúng tôi tìm ra một cách mới để lấy mẫu ở chính trung tâm của lõi bên trong Trái đất”. Nhờ đó, nhóm thậm chí còn có nhiều bằng chứng hơn để chứng minh “lõi bên trong cùng thực sự tồn tại”.

Trong nghiên cứu mới, nhóm nghiên cứu đã quan sát thấy một số trận động đất đi ngang qua đường kính của Trái đất, đôi khi dội qua lại lên đến 5 lần - điều mà các nhà nghiên cứu chưa từng ghi lại “trong lịch sử địa chấn học”. Đồng thời, Phạm Thành Sơn lưu ý rằng các nghiên cứu trước đây chỉ ghi lại một lần dội qua tâm Trái đất. Còn lần này, họ phát hiện ra rằng sóng địa chấn truyền qua lõi trong cùng với tốc độ khác tốc độ truyền qua lõi xung quanh, tùy thuộc vào hướng của sóng.

Cụ thể, sóng đi qua lõi trong cùng bị chậm lại khi tiếp cận từ một góc xiên so với đường xích đạo. Trong khi đó, sóng đi qua lõi bên ngoài bị chậm lại khi đi dọc theo đường xích đạo.

Tiến sĩ Sơn cho biết tốc độ khác nhau dựa trên hướng sóng có thể do một tính chất vật lý được gọi là tính dị hướng, cho phép một vật liệu sở hữu các tính chất khác nhau theo các hướng khác nhau. Chúng ta thường thấy tính bất đẳng hướng trong gỗ, khi dễ dàng chặt dọc theo thớ của nó hơn là chặt ngang thớ.

Ông Phạm Thành Sơn thừa nhận điểm khác biệt của lớp lõi trong cùng này khá nhỏ chứ không nổi bật như các lớp khác. Ví dụ, nếu bạn đi từ lớp phủ manti đến lớp lõi ngoài, bạn sẽ đi từ phần lớn là chất rắn sang chất lỏng và trải nghiệm các thành phần hóa học khác nhau. Nhưng nếu bạn đi từ lõi bên trong đến lõi trong cùng, bạn sẽ chỉ thấy sự chuyển đổi trong cấu trúc tinh thể nhưng vẫn cùng một hợp kim sắt-niken.

Nhà địa vật lý John Tarduno, người không tham gia nghiên cứu, cho biết ý tưởng về lõi trong cùng đã được đề xuất trước đây nhưng dữ liệu mới này củng cố đáng kể cho trường hợp rằng “thực sự có một lõi bên trong cùng (5) với cấu trúc khác với lõi bên trong (4)”

Tarduno, giáo sư địa vật lý tại Đại học Rochester, cho biết: “Chính sự tồn tại của lõi trong cùng này khiến chúng tôi nghĩ về cách nó có thể hình thành. Các tác giả nghiên cứu cho biết sự hình thành của lõi trong cùng có thể là bằng chứng về “một sự kiện toàn cầu quan trọng trong quá khứ” đã thúc đẩy sự thay đổi ở lõi trong của Trái đất.

Tarduno, người nghiên cứu cách lõi bên trong có thể hình thành, có ý tưởng của riêng mình. Nghiên cứu của ông cho thấy sự hình thành của lõi trong cùng này có thể gắn liền với sự thay đổi trong kiến tạo mảng cách đây hàng trăm triệu năm. Ông cho rằng các mảng dày của lớp vỏ đại dương chìm xuống cho đến khi chúng chất đống ở đáy lớp phủ manti, ảnh hưởng đến cách nhiệt thoát ra khỏi lõi. Điều này sau đó đã thay đổi cách lõi bên trong phát triển.

Tarduno tin rằng “phân tích mới rất thú vị vì nó củng cố bằng chứng” cho cơ chế kiến tạo mảng lục địa của ông. Tarduno, người đã công bố phát hiện của mình vào năm ngoái, cho biết: “Những gì chúng ta có thể đang xem xét ở lõi trong cùng bên trong lõi rắn thực sự là một tín hiệu về sự thay đổi của chế độ kiến tạo mảng.

Cả Tarduno và Phạm Thành Sơn đều cho biết việc tìm hiểu nguồn gốc của các lớp lõi bên trong có thể giúp con người hiểu thêm về cách từ trường hình thành ở các hành tinh hay nghiên cứu rộng ra là cách sự sống có thể tồn tại trên Trái đất và các hành tinh khác.

Tarduno cho biết: “Sự hình thành của lõi bên trong là cực kỳ quan trọng để tạo ra một hành tinh có thể cư trú lâu dài vì lõi bên trong cung cấp năng lượng cho từ trường, lớp lá chắn từ tính. Nếu không có lá chắn đó, hành tinh chúng ta sẽ dần mất hết nước (do bị gió mặt trời thổi bay ra vũ trụ)”.

Theo Tarduno, tìm hiểu thêm về lõi bên trong “đến lượt nó có thể giúp dạy chúng ta nhiều hơn về cách các hành tinh khác có thể hoặc không thể ở được”.

Anh Tú (dịch)