Применяя новые данные и суперкомпьютеры Принстона к классическому вопросу о том, что лежит у нас под ногами, сейсмолог из Принстона Джессика Ирвинг и международная группа коллег разработали новую модель внешнего ядра Земли, области жидкого железа глубоко в Земля.
Внешнее ядро постоянно взбалтывается, поддерживая магнитное поле планеты и обеспечивая теплом мантию.«Понимание внешнего ядра имеет решающее значение для понимания истории магнитного поля», - сказал Ирвинг, доцент геолого-геофизических исследований. Работа ее команды опубликована сегодня в журнале Science Advances.
«Модель, которую мы создали, EPOC - параметры упругости внешнего ядра - будет фоновой моделью, единственной вещью, которая лежит в основе всего остального», - сказал Ирвинг. Исследователи описывают EPOC как обновление внешнего ядра существующей Предварительной эталонной модели Земли (PREM), модели того, как фундаментальные свойства Земли меняются в зависимости от глубины, которая была разработана почти 40 лет назад..
Ключевые данные в исследовании были получены из «нормальных мод», которые представляют собой стоячие волны, которые можно измерить после самых сильных землетрясений, обычно магнитудой 7,5 или выше. В отличие от объемных и поверхностных волн, которые изучает большинство сейсмологов, нормальные моды - это «вибрация всей Земли одновременно, и об этом удивительно думать», - сказал Ирвинг.«Можно сказать, что Земля «звенит как колокол» на характерных частотах».
Новая модель, EPOC, впервые была представлена на четырехнедельном летнем научном семинаре, где Ирвинг вместе с другими сейсмологами Санн Коттаар из Кембриджского университета и Ведраном Леки? из Мэрилендского университета Парк.
«PREM - почтенная, очень простая, хорошо зарекомендовавшая себя модель, но она не может представлять какие-либо мелкие структуры», - сказал Ирвинг. «Мы подумали: «Можем ли мы сделать простую модель с еще меньшим количеством параметров, чем у PREM, которая так же хорошо выполняет свою работу?» Оказалось, что мы можем сделать модель, которая справляется со своей задачей намного лучше».
С одной стороны, EPOC уменьшает потребность в «сложном маленьком слое» на границе между ядром и мантией, сказала она. Исследователи в последние десятилетия обнаружили несоответствия между скоростью объемной волны, предсказанной PREM, и данными, которые они находили, особенно в верхней части ядра, и некоторые утверждали, что там должен быть спрятан аномально медленный слой. Они спорили о том, какой толщины она должна быть - по оценкам, от 50 до 300 миль - и из чего именно она должна состоять.
Модель ее команды не предлагает больше деталей, чем PREM, сказал Ирвинг, «но мы предполагаем, что, поскольку EPOC лучше соответствует данным, возможно, вам не нужен этот маленький слой». Кроме того, он предоставляет информацию о свойствах материала внешнего сердечника.
Внешнее ядро жизненно важно для тепловой истории планеты и ее магнитного поля, сказал Ирвинг, но «это неосязаемо. Мы не можем показать вам камень из внешнего ядра. Но в то же время "Это такой огромный участок нашей планеты. В ядре находится примерно 30 процентов массы планеты. Кора по сравнению с ней незначительна. Мы так многого не понимаем в недрах Земли - и эти даже не сложные свойства. Мы просто ищем очень медленно меняющиеся объемные свойства."
Чтобы создать свою модель, Ирвинг и его коллеги-сейсмологи объединили свои навыки. Коттаар имел опыт работы с уравнениями состояния - физикой, объясняющей связи между температурой, давлением, объемом и другими фундаментальными характеристиками, - а Леки? свободно владел байесовскими методами, вероятностным подходом, который помог команде просеять бесчисленное количество возможных моделей и найти наиболее вероятные. И благодаря своему опыту работы с сейсмологией в обычном режиме, Ирвинг знала, как работать с недавно обновленным набором данных.
«Итак, мы все трое были сейсмологами с разным набором специальных навыков, и нам нравилось вместе пить кофе за завтраком», - сказал Ирвинг. «Заниматься наукой с друзьями так весело».
Исследователи ввели уравнения состояния в кластер суперкомпьютеров Tiger в Принстоне, чтобы сгенерировать миллионы возможных моделей внешнего ядра. «Каждые шесть секунд мы создавали новую модель», - сказал Ирвинг. «Некоторые мы отвергли, потому что они выглядели неправильно. У нас есть научные тесты для «неправильных» моделей, которые говорят что-то вроде: «Масса Земли должна быть вдвое больше, чем мы думаем».'"
Затем команда взяла лучшие из моделей и использовала их, чтобы предсказать, на какой частоте будет трястись вся Земля после сильного землетрясения. Исследователи сравнивали измеренные частоты нормальных мод с предсказаниями своих моделей, пока не нашли свою предпочтительную модель.
Обучая нормальным режимам, Ирвинг использует метафору двух колоколов, одного из латуни и одного из стали, оба окрашены в белый цвет. «Если вы нажмете на эти колокольчики, вы получите из них разные ноты, и это скажет вам, что у вас там разные материалы», - сказала она. «Точные частоты - точная высота колебаний Земли после этих очень сильных землетрясений - зависят от материальных свойств Земли. Точно так же, как мы не можем видеть сквозь краску на колоколах, мы не можем видеть сквозь планету., но мы можем прослушивать высоту тона, частоты этих наблюдений за всей Землей и использовать их, чтобы делать выводы о том, что происходит глубоко в недрах Земли."