Lõi Trái Đất chứa đựng những gì?

Lõi rắn của Trái Đất không chỉ gồm sắt, mà còn chứa cả carbon, oxy và silicon. Phát hiện này mở ra lời giải cho bí ẩn hàng thế kỷ về cách lõi hình thành và duy trì từ trường bảo vệ sự sống.

Lõi Trái Đất không thể chỉ có sắt mà dường như còn chứa carbon. Nghiên cứu mới phát hiện nó có cả oxy và silicon nữa (ảnh: Getty Images).

Lõi giàu sắt ở trung tâm Trái Đất giữ vai trò then chốt trong tiến hóa hành tinh. Nó không chỉ cung cấp năng lượng cho từ trường – lá chắn bảo vệ bầu khí quyển và đại dương khỏi bức xạ Mặt Trời – mà còn thúc đẩy kiến tạo mảng, liên tục tái định hình các lục địa.

Dù quan trọng đến vậy, nhiều đặc tính cơ bản của lõi vẫn là bí ẩn: nó thực sự nóng đến mức nào, được cấu tạo từ những gì và bắt đầu quá trình đóng băng khi nào? Một phát hiện mới đây đã đưa giới khoa học tiến gần hơn tới lời giải cho cả ba câu hỏi ấy.

Theo ước tính, nhiệt độ lõi trong vào khoảng 5.000 Kelvin (4.727C). Ban đầu ở trạng thái lỏng, theo thời gian lõi dần nguội đi, kết tinh thành phần rắn bên trong và giãn nở ra ngoài. Quá trình giải phóng nhiệt này tạo nên các dòng chảy kiến tạo mảng.

Sự nguội đi còn là nguồn gốc của từ trường Trái Đất. Phần lớn năng lượng từ trường ngày nay được duy trì nhờ quá trình đóng băng phần lõi ngoài lỏng, tiếp sức cho lõi rắn nằm ở trung tâm.

Tuy nhiên, vì không thể tiếp cận trực tiếp, các nhà khoa học buộc phải dựa vào ước tính để hiểu cơ chế làm mát và đặc tính của lõi. Muốn làm rõ điều đó, yếu tố quan trọng nhất là xác định nhiệt độ nóng chảy của nó.

Nhờ địa chấn học – khoa học nghiên cứu sóng động đất – chúng ta biết chính xác ranh giới giữa lõi rắn và lõi lỏng nằm ở đâu. Nhiệt độ tại ranh giới này cũng chính là nhiệt độ nóng chảy, điểm khởi đầu cho sự đóng băng.

Do đó, nếu xác định được chính xác nhiệt độ nóng chảy, con người sẽ hiểu rõ hơn về nhiệt độ thực của lõi và thành phần hóa học bên trong nó.

Hóa học bí ẩn

Có hai hướng tiếp cận chính để tìm hiểu thành phần lõi Trái Đất: nghiên cứu thiên thạch và phân tích dữ liệu địa chấn.

Thiên thạch được coi là “tàn dư” của các hành tinh chưa kịp hình thành hoặc mảnh vỡ từ lõi những hành tinh đã bị phá hủy. Thành phần hóa học của chúng cho thấy lõi Trái Đất chủ yếu gồm sắt và niken, có thể lẫn thêm vài phần trăm silic hoặc lưu huỳnh. Tuy nhiên, những dữ liệu này chỉ mang tính gợi ý ban đầu, chưa đủ chi tiết để khẳng định chắc chắn.

Trong khi đó, địa chấn học đem lại cái nhìn cụ thể hơn nhiều. Sóng địa chấn từ các trận động đất khi truyền qua Trái Đất sẽ thay đổi tốc độ tùy theo loại vật liệu chúng đi qua. Bằng cách so sánh thời gian sóng đến các trạm đo với kết quả thí nghiệm về tốc độ truyền trong khoáng chất và kim loại, các nhà khoa học có thể dựng nên mô hình cấu tạo bên trong hành tinh.

Kết quả cho thấy lõi Trái Đất nhẹ hơn sắt nguyên chất khoảng 10%. Đặc biệt, lõi ngoài ở trạng thái lỏng lại đặc hơn lõi trong rắn – một nghịch lý chỉ có thể giải thích bằng sự hiện diện của một số nguyên tố phụ.

Thế nhưng, ngay cả khi đã thu hẹp phạm vi thành phần có thể có, bài toán vẫn chưa được giải quyết. Các kịch bản khác nhau đưa ra nhiệt độ nóng chảy chênh lệch tới hàng trăm độ C, khiến việc xác định chính xác đặc tính lõi vẫn còn là một thách thức.

Một hạn chế mới

Trong nghiên cứu mới, các nhà khoa học đã dùng vật lý khoáng vật để tìm hiểu cách lõi Trái Đất bắt đầu đóng băng – một cách tiếp cận cụ thể hơn cả thiên thạch học và địa chấn học.

Mô phỏng cho thấy khi nguyên tử trong kim loại lỏng kết tinh thành rắn, mỗi hợp kim cần mức “siêu lạnh” khác nhau, tức bị hạ dưới nhiệt độ nóng chảy. Quá trình này càng mạnh, chất lỏng càng dễ đóng băng.

Ví dụ, nước trong tủ đông có thể siêu lạnh đến -5C nhiều giờ mới đóng băng, trong khi giọt nước trong mây chỉ vài phút ở -30C đã thành mưa đá.

Tính toán cho thấy mức siêu lạnh tối đa của lõi khoảng 420C dưới nhiệt độ nóng chảy. Nếu vượt quá, lõi trong sẽ lớn bất thường so với dữ liệu địa chấn. Trong khi đó, sắt nguyên chất lại cần tới 1.000C mới kết tinh, là điều không thể, bởi như vậy toàn bộ lõi đã đông đặc.

Việc bổ sung silic hay lưu huỳnh cũng không giúp, thậm chí khiến lõi phải siêu lạnh nhiều hơn nữa.

Chỉ khi xét đến carbon, bức tranh mới hợp lý. Nếu 2,4% khối lượng lõi là carbon, cần khoảng 420C để đóng băng lõi trong; với 3,8% carbon, mức này giảm còn 266C. Con số khả thi hơn nhiều. Đây là bằng chứng đầu tiên cho thấy carbon đóng vai trò quan trọng trong quá trình kết tinh lõi.

Dù vậy, lõi không thể chỉ gồm sắt và carbon, bởi dữ liệu địa chấn yêu cầu có thêm ít nhất một nguyên tố khác. Nghiên cứu gợi ý khả năng lõi còn chứa oxy, thậm chí cả silicon.