Phát hiện lớn tại lõi Trái Đất: Nhà khoa học nói gì về tuổi của nó?

Ở độ sâu gần 3.000 km dưới lòng đất là 'địa ngục' kim loại lỏng nóng chảy hàng nghìn độ C của Trái Đất. Giới khoa học gọi đó là lõi Trái Đất, phần nóng nhất trên hành tinh của chúng ta.

Nhờ có nó, Trái Đất mới có được từ trường (tồn tại từ trong lòng Trái Đất kéo rộng đến không gian rộng lớn bao quanh Trái Đất), mang đến cho con người mọi thứ: Từ chiếc la bàn để định hướng đến việc trở thành 'tấm chắn' khổng lồ, vô hình, bảo vệ địa cầu và sự sống của nó khỏi gió Mặt Trời, các tia vũ trụ có sức phá hủy lớn.

Trong suốt chiều dài lịch sử 4,5 tỷ năm của Trái Đất, vào một thời điểm nào đó, phần lõi vốn hoàn toàn là sắt nóng chảy hàng nghìn độ C đã nguội đi đủ để hình thành một quả cầu rắn ở vùng trung tâm. Đó là lúc, bằng một cách nào đó, từ trường được 'kích hoạt' để làm sứ mệnh: Bảo vệ sự sống Trái Đất.

Thuyết Geodynamo trong vật lý học đề xuất cơ chế rằng phần lõi đặc biệt đó sinh ra từ trường cho Trái Đất, bảo vệ sự sống cho con người và mọi sinh vật sống trên hành tinh.

Do đó, sẽ không có gì ngạc nhiên khi các nhà khoa học quan tâm sâu sắc đến cách nó tồn tại và cách nó được duy trì. Điều đó đủ lý do để cộng đồng khoa học quốc tế không ngừng giải mã những bí ẩn ở thế giới mà con người chưa thể chạm đến được này (lõi Trái Đất).

Trong tầm hiểu biết của nhân loại đến ngày nay, lõi Trái Đất có cấu tạo hai phần: Lõi trong (nhân trong, sâu từ 3000 - 5.150 km) chứa hợp kim sắt-niken dạng rắn, nóng tương đương bề mặt Mặt Trời (khoảng 5.000 độ C), phần này được bao bọc bởi lõi ngoài (sâu từ 5.150 - 6.360 km) bằng sắt nóng chảy, điểm nóng nhất đạt 6.100 độ C.

Tuổi của Geodynamo?

Bài toán lớn đặt ra: Đâu là thời điểm sinh ra Geodynamo, hay nói cách khác "Phần lõi toàn sắt lỏng chuyển biến một phần (nguội đi) để hình thành quả cầu rắn bên trong đường kính 1.220 km là khi nào?" đang khiến các nhà nghiên cứu điên đầu tìm hiểu.

Theo nỗ lực nghiên cứu mới nhất của nhóm các nhà khoa học, từ dữ liệu thu được trong các thí nghiệm, họ đưa ra nhận định: Tuổi của lõi trong sẽ nằm trong khoảng từ 1 tỷ đến 1,3 tỷ năm. Kết quả này rút ngắn thời gian mà giới địa chất đưa ra trước đó: Dao động từ 4,5 tỷ năm trước (thời điểm Trái Đất hình thành) - đến 565 triệu năm trước.

"Chúng tôi thực sự tò mò và vui mừng khi biết về nguồn gốc của Geodynamo, sức mạnh của từ trường, bởi vì tất cả chúng đều góp phần vào khả năng duy trì sự tồn vong của hành tinh" - Nhà địa chất học, Giáo sư Jung-Fu Lin thuộc Đại học Texas tại Austin, Mỹ - dẫn đầu nghiên cứu cho biết.

Cơ chế hoạt động của Geodynamo

Geodynamo (máy phát điện) được tạo ra bởi sự tuần hoàn của chất dẫn sắt lỏng ở phần lõi bên ngoài, điều khiển bởi sự đối lưu được cung cấp bởi hai cơ chế: Thứ nhất, có đối lưu nhiệt, được tạo ra bởi sự dao động nhiệt độ; điều này có thể xảy ra trong một lõi hoàn toàn lỏng. Thứ hai, có sự đối lưu thành phần, trong đó các phần tử nhẹ hơn được giải phóng ở ranh giới lõi bên trong đi qua lõi bên ngoài lỏng, tạo ra chuyển động.

Trong cả hai trường hợp, chất lỏng dẫn điện này tạo ra các dòng điện tích điện cho lõi, về cơ bản biến nó thành một nam châm điện khổng lồ.

Hiện tại, cả hai dạng đối lưu đều có trong lõi Trái đất, đóng góp như nhau vào địa động lực. Nhưng trước khi lõi rắn kết tinh, chỉ có đối lưu nhiệt mới có thể xảy ra trong lõi Trái Đất. Điều này có khả năng tạo ra Geodynamo, nhưng để duy trì nó qua hàng tỷ năm, sắt cần phải cực kỳ nóng.

Hành trình của nhà khoa học

Để dẫn và duy trì nhiệt độ như vậy, tính dẫn nhiệt của sắt - cũng như khả năng dẫn nhiệt hiệu quả - cần phải cao. Vì vậy, nhóm nghiên cứu đã quyết định xem xét tính dẫn nhiệt của sắt dưới áp suất và ở nhiệt độ gần với nhiệt độ trong lõi.

Để làm được điều này, họ lấy một mẫu sắt, thổi bằng tia laze để làm nóng nó và ép nó trong một cái đe kim cương. Cuối cùng, nhóm nghiên cứu đã đo được độ dẫn điện và nhiệt của mẫu thí nghiệm dưới áp suất 170 gigapascal (gấp 170 triệu lần áp suất khí quyển ở mực nước biển) và nhiệt độ gần 3.000 độ C.

Áp suất tại lõi ngoài nằm trong khoảng từ 135 đến 330 gigapascal từ ranh giới bên ngoài đến ranh giới của lõi trong cùng. Phần này được cho là đạt trên 6.000 độ C (nhưng sắt cứng lại dưới áp suất mạnh).

Khi nhóm nghiên cứu đo độ dẫn điện trong mẫu thí nghiệm, họ nhận thấy nó thấp hơn từ 30 đến 50% so với mức cần thiết cho ước tính tuổi 565 triệu năm đối với lõi bên trong. Với tất cả những điều này, cuối cùng họ có thể ước tính tuổi của lõi bên trong Trái Đất: Từ 1 tỷ đến 1,3 tỷ năm.

"Một khi chúng ta thực sự biết thông lượng nhiệt từ lõi bên ngoài đến lớp phủ bên dưới là bao nhiêu, ta có thể nắm được thời điểm Trái Đất đã nguội đến mức mà lõi bên trong bắt đầu kết tinh để tạo thành khối cầu rắn bên trong, từ đó sinh ra từ trường giúp Trái Đất 'sống tốt' trước các đợt tấn công từng giây của gió Mặt Trời và các hạt vũ trụ năng lượng cao." - Giáo sư Jung-Fu Lin nói.

Thật thú vị, khoảng thời gian của nhóm nghiên cứu vừa tìm ra nằm gọn trong sự thay đổi của từ trường Trái Đất. Sự sắp xếp của các vật liệu từ tính trong đá có niên đại từ 1 đến 1,5 tỷ năm trước cho thấy rằng đã có sự gia tăng cường độ từ trường vào khoảng thời gian này - như dự đoán đối với thời điểm mà lõi bên trong kết tinh.

Tuy nhiên, mức tăng tương tự cũng đã được chứng kiến vào 565 triệu năm trước. Nếu lõi bên trong kết tinh sớm hơn, điều đó có nghĩa là bất cứ điều gì Trái Đất đã làm cách đây 565 triệu năm vẫn còn là một bí ẩn.

Các nhà nghiên cứu viết: "Cần phải có thêm những cuộc nghiên cứu tổng hợp giữa vật lý khoáng vật, địa động lực học và cổ từ học để giải quyết sự khác biệt này".

Nghiên cứu được đăng trên tạp chí Physical Review Letters.