Unatoč značajnom napretku u seizmologiji, fizici i geologiji, unutarnja struktura Zemljine jezgre te njena evolucija i dalje ostaju svojevrsni misterij. Unutrašnja jezgra našeg planeta je od otkrića 1936. godine inspirirala mnoge stručnjake, a sada su hrvatski znanstvenik Hrvoje Tkalčić i njegovi kolege otkrili jednu njenu zanimljivu karakteristiku – konvekciju.
Konvekcija u fizici označava prijenos topline strujanjem fluida. Naime, kada se fluid u dodiru s izvorom topline zagrije, smanji mu se gustoća i počinje se gibati u smjeru suprotnom od smjera gravitacije i udaljavati od izvora topline.
Usporedba sa šalicom vruće kave
S obzirom na to da fenomen konvekcije unutar unutrašnje jezgre zvuči podosta stručno i komplicirano, Hrvoje Tkalčić je na Facebooku na jednostavan način objasnio cijeli proces, usporedivši ga sa zbivanjima u šalici vruće kave.
"Ako ste se kao ljubitelj kave ikad zagledali u crnu površinu šalice u koju ste prethodno ulili stvarno vruću kavu, mogli ste primijetiti svjetliju zonu te tamne uže linije koje se formiraju uz nju prateći rub šalice", objašnjava Tkalčić.
"Naime, svaka ptica selica koja se sprema na dugi let pred zimu zna da se hladan zrak spušta, a topao diže. Kad bi baš inzistirali na detaljima, mogli bismo dodati da je to zato što je hladan zrak gušći, a topao rjeđi", dodaje.
>> Hrvatski znanstvenik dokazao da Zemlja ima još jednu jezgru, otkriće obišlo svijet
Svjetliji i tamniji slojevi
"Vruća kava se diže na površinu, gdje se u kontaktu sa zrakom naglo hladi isparavanjem, hlađenjem postaje gušća i teža, te zbog gravitacije tone. Jednostavno, zar ne? No kao i uvijek, postoji još jedna sitnica. A to je da kad se na površini vruća tekućina ohladi isparavanjem, naglo dolazi i do kondenzacije u kapljice tik iznad površine, u kontaktu s još hladnijim zrakom", navodi naš znanstvenik.
"Zbog kondenzacije se ta zona u ovoj novonastaloj ravnoteži doima svjetlijom, poput malog oblačnog sloja. I zaista, ako se zagledate u kavu odozgo, učinit će vam se kao da kroz neku izmaglicu gledate u crnilo. Suprotno tome, na onim mjestima gdje se kava koja se ohladila ponovo spušta prema dnu šalice, nema izmaglice i crna boja u ovim relativno uskim zonama doima se još crnjom", dodaje.
"Potresi i vulkani su manifestacije konvekcije"
"Da zaključimo, može se reći da svijetle i tamne zone ove iznenađujuće cirkulacije koja se pred vašim očima odvija u šalici kave, ocrtavaju ono što u žargonu nazivamo konvekcijskim ćelijama", objasnio je Tkalčić.
Naš znanstvenik dodaje kako je konvekcija prisutna posvuda u prirodi i svemiru: u šalici kave ili u loncu kipuće juhe, u atmosferi, oceanima, u slojevima Sunca i zvijezda. No konvekcija ne prestaje u plinovima i tekućinama. Zemljin stjenoviti plašt je u stanju polagane konvekcije, a tektonika ploča na površini Zemlje, potresi i vulkani, manifestacije su te konvekcije, objašnjava Tkalčić.
"No ono što su za tekućine i plinove sekunde, za čvrsto agregatno stanje na visokim temperaturama i tlakovima su stotine tisuća i milijuni godina. I zaista, stijene Zemljina plašta na geološkoj skali vremena ponašaju se kao plastelin i možemo reći da je plašt u stanju polagane konvekcije", dodaje.
Istražili unutrašnju jezgru
Tekuća jezgra Zemlje je također u stanju konvekcije. No što je s unutrašnjom, čvrstom, jezgrom Zemlje? Može li i ona biti u takvome stanju? S obzirom na to da to pitanje već neko vrijeme muči znanstvenike, Tkalčić i njegovi kolege su putem kompjutorske tomografije ocrtali i interpretirali konture konvekcijskih ćelija u gornjem dijelu unutrašnje jezgre.
"Naša tomografska opažanja, u kombinaciji sa simulacijama molekularne dinamike željeza na visokim temperaturama i tlakovima, te geodinamičkim numeričkim modeliranjem, idu u prilog hipotezi da je unutrašnja jezgra Zemlje zaista u stanju konvekcije", piše Tkalčić.
"Ponosan sam na ovo multidisciplinarno istraživanje i na izvanredan tim znanstvenika koji je u njemu sa mnom sudjelovao. U retrospektivi, vrijedilo je čekati tri i pol godine, koliko je trebalo da ovaj rad ugleda svjetlo dana kao publikacija", dodao je.
Hrvoje Tkalčić
Hrvoje Tkalčić, redoviti profesor i voditelj Odsjeka za geofiziku na Australskome nacionalnom sveučilištu u Canberri, rođen je 1970. godine u Bjelovaru. Osnovnu školu i gimnaziju je pohađao u Vinkovcima, a 1996. je diplomirao fiziku, smjer geofizika s meteorologijom, na Prirodoslovno-matematičkom fakultetu (PMF) u Zagrebu.
Doktorirao je na temu unutrašnjosti jezgre na Kalifornijskom sveučilištu u Berkeleyju 2001. Bio je postdoktorand na Istraživačkom institutu SCRIPPS Kalifornijskog sveučilišta u San Diegu, a zatim u Nacionalnom laboratoriju Lawrence Livermore. Nakon toga prelazi na Australsko nacionalno sveučilište.
Istraživanje naziva Imaging the top of the Earth’s inner core: a present-day flow model objavljeno je u časopisu Scientific Reports.