Có thể chúng ta đã hiểu sai về lõi Trái Đất

Lõi Trái Đất có thể có nhiều thành phần khác ngoài sắt, carbon. Ảnh: Astrobiology Web.

Lõi giàu sắt ở trung tâm Trái Đất từ lâu được xem là yếu tố then chốt trong tiến trình tiến hóa của hành tinh. Không chỉ tạo ra từ trường bảo vệ bầu khí quyển và đại dương khỏi bức xạ Mặt Trời, lõi còn ảnh hưởng đến hoạt động kiến tạo mảng - quá trình liên tục tái định hình các lục địa.

Dù giữ vai trò quan trọng, nhiều thuộc tính cơ bản của lõi đến nay vẫn chưa được làm sáng tỏ. Các nhà khoa học chưa thể xác định chính xác nhiệt độ của lõi, thành phần cấu tạo hay thời điểm nó bắt đầu đóng băng. Tuy nhiên, một nghiên cứu mới được công bố trên tờ Nature đã đưa giới nghiên cứu tiến gần hơn đến việc giải mã những bí ẩn này.

Tìm hiểu lõi Trái Đất bằng phương pháp truyền thống

Ước tính, nhiệt độ của lõi trong Trái Đất vào khoảng 5.000 độ K (tương đương 4.727 độ C). Lõi từng ở trạng thái lỏng, nhưng theo thời gian đã nguội dần, rắn lại và mở rộng ra ngoài.

Quá trình này giải phóng nhiệt lên lớp manti phía trên, thúc đẩy dòng chảy đối lưu - nguyên nhân chính gây ra hiện tượng kiến tạo mảng.

Chính việc lõi Trái Đất nguội dần cũng tạo ra từ trường. Hiện nay, phần lớn năng lượng của từ trường đến từ quá trình phần lõi lỏng đông đặc và lõi trong rắn ở trung tâm lớn dần lên, theo The Conversation.

Do không thể tiếp cận trực tiếp, các nhà khoa học buộc phải dựa vào ước tính để nghiên cứu quá trình nguội đi của lõi Trái Đất. Trong đó, việc xác định nhiệt độ nóng chảy đóng vai trò quan trọng.

Nhờ địa chấn học - lĩnh vực nghiên cứu sóng động đất, chúng ta có thể biết ranh giới giữa lõi trong rắn và lõi ngoài lỏng. Tại vị trí này, nhiệt độ lõi phải bằng với nhiệt độ nóng chảy vì đây chính là nơi xảy ra quá trình đông đặc. Nắm rõ nhiệt độ nóng chảy đồng nghĩa với việc có thể xác định chính xác hơn nhiệt độ thực tế và thành phần của lõi.

Hiện nay, giới khoa học có hai phương pháp truyền thống để tìm hiểu cấu trúc của lõi Trái Đất, cụ thể là nghiên cứu thiên thạch và địa chấn học.

Thiên thạch là mảnh vỡ của những hành tinh chưa hình thành hoặc phần lõi của các hành tinh đã bị phá hủy. Phương pháp này cho thấy lõi Trái Đất chủ yếu chứa sắt, niken, kèm theo một lượng nhỏ silic hoặc lưu huỳnh. Tuy nhiên, dữ liệu này chỉ mang tính khái quát.

Trong khi đó, địa chấn học mang lại những dữ liệu chi tiết hơn nhiều về thành phần bên trong Trái Đất. Sóng địa chấn từ các trận động đất khi truyền qua hành tinh sẽ thay đổi tốc độ tùy thuộc vào loại vật chất mà chúng đi qua.

So sánh thời gian truyền sóng từ tâm chấn đến các trạm đo với kết quả thí nghiệm về tốc độ sóng qua các khoáng chất và kim loại, các nhà khoa học có thể suy đoán thành phần cấu tạo của Trái Đất.

Kết quả cho thấy sắt trong lõi Trái Đất nhẹ hơn sắt nguyên chất khoảng 10%, đồng thời lõi ngoài ở trạng thái lỏng lại đặc hơn phần rắn.

Tuy nhiên, trong phạm vi này, nhiệt độ nóng chảy của các thành phần vẫn chênh nhau hàng trăm độ C, khiến những bí ẩn về đặc tính chính xác của lõi Trái Đất đến nay vẫn chưa được giải đáp.

Các nhà khoa học sử dụng phương pháp mới để xác định thành phần của lõi Trái Đất. Ảnh: The Conversation.

Đã có phương pháp mới

Còn với nghiên cứu mới đây, các nhà khoa học tại Đại học Leeds và Đại học Oxford (Anh) đã sử dụng các phương pháp trong lĩnh vực khoáng vật học để tìm hiểu cách lõi Trái Đất nguội dần. Kết quả mở ra một cách tiếp cận mới, chi tiết hơn cả địa chấn học và nghiên cứu thiên thạch.

Mô phỏng của nhóm nghiên cứu cho thấy một số hợp kim cần quá trình “siêu lạnh”, nghĩa là làm lạnh chất lỏng xuống dưới nhiệt độ nóng chảy và phải mạnh hơn những hợp kim khác để đông đặc. Mức "siêu lạnh" càng cao, nguyên tử càng dễ kết hợp thành chất rắn, khiến chất lỏng đóng băng nhanh hơn.

Nghiên cứu cũng chỉ ra mức siêu lạnh tối đa mà lõi Trái Đất có thể trải qua là khoảng 420 độ C dưới nhiệt độ nóng chảy. Nếu vượt quá, lõi trong sẽ lớn hơn so với dữ liệu địa chấn hiện nay. Trong khi đó, sắt nguyên chất lại đòi hỏi mức siêu lạnh tới gần 1.000 độ C để đông đặc. Điều này sẽ không thể xảy ra bởi nếu vậy, toàn bộ lõi đã bị đóng băng.

Điểm đột phá của nghiên cứu mới là xem xét vai trò của carbon. Nếu 2,4% khối lượng lõi là carbon, quá trình đóng băng có thể bắt đầu ở mức siêu lạnh 420 độ C. Nếu tỷ lệ carbon tăng lên 3,8%, lõi chỉ cần mức siêu lạnh 266 độ C. Con số này vẫn lớn nhưng khả thi hơn nhiều.

Các nhà khoa học tin rằng phát hiện này cho thấy lõi Trái Đất không thể chỉ gồm sắt và carbon, bởi dữ liệu địa chấn chỉ ra rằng cần có ít nhất một nguyên tố khác, nhiều khả năng là oxy và có thể cả silic.

"Đây được xem là một bước tiến quan trọng trong việc lý giải thành phần thực sự của lõi Trái Đất, thời điểm nó bắt đầu đóng băng và cách quá trình này định hình hành tinh từ bên trong", nhóm nghiên cứu chia sẻ.