Quá trình siêu lạnh trong lõi Trái đất ảnh hưởng đến định hình bề mặt
Chúng ta không thể tiếp cận lõi Trái đất về mặt vật lý. Cho đến nay, con người chỉ mới khoan được 12km vào Trái đất, kỷ lục do người Nga thiết lập. Do vậy, chúng ta gần như hoàn toàn dựa vào địa chấn học để hiểu được bên trong hành tinh của mình.
Sâu bên dưới chân chúng ta, ở độ sâu hơn 5.100km, là lõi bên trong của Trái đất. Đó là một khối cầu sắt và niken rắn chắc đóng vai trò quan trọng trong việc định hình các điều kiện trên bề mặt. Trên thực tế, nếu không có khối cầu kim loại này, loài người chúng ta và toàn bộ hệ sinh vật thậm chí không thể tồn tại.
Mô phỏng các lớp của Trái đất
Chúng ta chưa hiểu nhiều về lõi Trái đất
Nhưng mặc dù có ý nghĩa quan trọng, nhưng cách lõi trong của Trái đất hình thành và phát triển vẫn là một câu đố. Chúng ta thậm chí không biết nó bao nhiêu tuổi. May mắn thay, khoa học địa chất đang đưa chúng ta đến gần hơn với việc giải quyết bí ẩn này.
Lõi bên trong là nơi phát từ trường của Trái đất, hoạt động như một lá chắn, bảo vệ chúng ta khỏi bức xạ mặt trời có hại. Từ trường này có thể đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra các điều kiện cho phép sự sống phát triển hàng tỉ năm trước.
Lõi bên trong của Trái đất từng ở dạng lỏng, nhưng đã chuyển sang dạng rắn theo thời gian. Khi Trái đất dần nguội đi, lõi bên trong mở rộng ra bên ngoài nhờ chất lỏng giàu sắt xung quanh đông thành thể rắn. Tuy nhiên, nó vẫn cực kỳ nóng, ít nhất là 5.000 độ K.
Quá trình đông lại này đã giải phóng các nguyên tố, chẳng hạn như oxy và carbon, không tương thích với trạng thái rắn nóng. Nó tạo ra một chất lỏng nóng, nổi ở đáy lõi ngoài. Chất lỏng sau lên dâng lên lõi ngoài lỏng và hòa trộn với lõi ngoài, tạo ra dòng điện (thực ra là chuyển động của các hạt ion mang điện tích), tạo ra từ trường của chúng ta.
Bạn đã bao giờ tự hỏi điều gì khiến cực quang phương bắc nhảy múa trên bầu trời không? Đó là nhờ lõi trong tạo ra từ trường đẩy các hạt mặt trời về phía 2 cực và va chạm với khí quyển rồi phát sáng.
Để hiểu cách từ trường của Trái đất phát triển trong suốt lịch sử, các nhà địa vật lý sử dụng các phần mềm mô phỏng trạng thái nhiệt của lõi và lớp phủ.
Các mô phỏng này giúp chúng ta hiểu cách nhiệt được phân phối và truyền đi bên trong Trái đất. Họ cho rằng lõi rắn bên trong xuất hiện lần đầu tiên khi chất lỏng nguội đến điểm nóng chảy, có thể coi đây là thời điểm nó bắt đầu đông lại. Vấn đề là, điều đó không phản ánh chính xác quá trình đông lại.
Do đó, các nhà khoa học đã khám phá quá trình "siêu lạnh". Siêu lạnh là khi chất lỏng được làm lạnh dưới điểm đóng băng mà không biến thành chất rắn. Một ví dụ dễ hình dung là nước trong khí quyển, đôi khi đạt đến -30°C trước khi hình thành mưa đá. Hiện tượng này cũng xảy ra với sắt trong lõi Trái đất.
Các phép tính cho thấy thực tế cần tới 1.000K siêu lạnh để làm đông sắt nguyên chất trong lõi Trái đất. Vì độ dẫn điện của lõi giúp ta suy luận lõi trong đã nguội đi với tốc độ 100-200K mỗi tỉ năm, nên điều này đặt ra một thách thức đáng kể.
Mức siêu lạnh này chỉ ra rằng lõi cần phải ở dưới điểm nóng chảy trong toàn bộ lịch sử (từ 1 tỉ đến 500 triệu năm tuổi). Điều này một lần nữa gây ra thêm nhiều phức tạp.
Chúng ta không thể tiếp cận lõi Trái đất về mặt vật lý. Cho đến nay, con người chỉ mới khoan được 12km vào Trái đất, kỷ lục do người Nga thiết lập. Do vậy, chúng ta gần như hoàn toàn dựa vào địa chấn học để hiểu được bên trong hành tinh của mình.
Các giả định và tính toán làm giới khoa học đau đầu
Lõi bên trong của Trái đất được phát hiện vào năm 1936 và các ước tính tốt nhất cho biết đường kính của nó bằng 1/5 đường kính Trái đất. Các nhà nghiên cứu sử dụng thông tin này để ước tính nhiệt độ của lõi. Họ giả định ranh giới giữa chất rắn và chất lỏng biểu thị giao điểm của điểm nóng chảy và nhiệt độ lõi.
Giả định này cũng giúp các nhà khoa học ước tính mức độ siêu lạnh tối đa có thể diễn ra trước khi lõi bên trong bắt đầu kết hợp với lõi bên ngoài.
Nếu lõi trong mới đông lại tương đối gần đây, trạng thái nhiệt hiện tại ở ranh giới lõi bên trong-lõi bên ngoài cho biết nhiệt của lõi kết hợp có thể thấp hơn điểm nóng chảy của nó bao nhiêu khi lõi bên trong bắt đầu đông lại. Bằng tính toán, họ nhận thấy lõi trong có thể đã siêu lạnh khoảng 400K.
Con số này ít nhất gấp đôi so với những gì địa chấn học ghi nhận. Nếu lõi siêu lạnh 1.000K trước khi bị đông lại, lõi bên trong phải có kích thước lớn hơn nhiều so với quan sát được hiện nay. Mặt khác, nếu cần 1.000K để đông lại mà không bao giờ đạt được, thì lõi bên trong đáng ra không thể tồn tại như hiện nay.
Rõ ràng, kịch bản nào cũng mâu thuẫn, vậy thì lời giải thích có thể là gì? Các nhà khoa học địa chất đã thử nghiệm sắt nguyên chất và các hỗn hợp khác để xác định cần bao nhiêu cho quá trình siêu lạnh để bắt đầu hình thành lõi bên trong. Mặc dù các nghiên cứu này vẫn chưa đưa ra câu trả lời chắc chắn, nhưng đã có những tiến bộ đầy hứa hẹn.
Ví dụ, chúng ta đã biết rằng các cấu trúc tinh thể bất ngờ và sự hiện diện của carbon có thể ảnh hưởng đến quá trình siêu lạnh. Những phát hiện này cho thấy một số hóa chất hoặc cấu trúc nhất định trước đây chưa được xem xét có thể là chìa khóa vì chúng giúp kim loại đông lại mà không yêu cầu quá trình siêu lạnh lớn một cách vô lý như vậy.
Nếu lõi có thể đông lại ở nhiệt độ siêu lạnh dưới 400K, thì điều đó có thể giải thích sự hiện diện của lõi bên trong như chúng ta thấy ngày nay.
Việc không hiểu được quá trình hình thành lõi bên trong sẽ dẫn đến những hậu quả trong nhận thức khoa học. Các ước tính trước đây về độ tuổi của lõi bên trong Trái đất dao động từ 500 đến 1.000 triệu năm. Nhưng những ước tính này không tính đến vấn đề siêu lạnh. Ngay cả một quá trình siêu lạnh bớt đi 100K cũng có thể có nghĩa là lõi bên trong trẻ hơn vài trăm triệu năm so với quan niệm trước đây.
Việc hiểu được dấu hiệu hình thành lõi bên trong trong hồ sơ đá cổ từ tính rất quan trọng đối với những người nghiên cứu tác động của bức xạ mặt trời đối với sự tuyệt chủng hàng loạt. Cho đến khi hiểu rõ hơn về lịch sử của từ trường, chúng ta không thể xác định đầy đủ vai trò của nó trong việc hình thành điều kiện cho sự sống.
