Ogromna "dziura grawitacyjna" na oceanie. Naukowcy w końcu rozwiązali zagadkę

"Dziura grawitacyjna" na Oceanie Indyjskim

Z perspektywy kosmosu Ocean Indyjski wydaje się płaski, jednak część jego powierzchni znajduje się znacznie niżej, niż powinna. Na południe od Indii poziom morza obniża się tak wyraźnie, że badacze od lat próbują ustalić, co doprowadziło do powstania tej anomalii. Struktura ta, znana jako Niż Geoidowy Oceanu Indyjskiego, obejmuje obszar około 1,2 miliona mil kwadratowych. W tym regionie powierzchnia oceanu znajduje się średnio o około 106 metrów niżej niż w otaczających go obszarach, ponieważ grawitacja tu jest słabsza. To najniższa anomalia geoidy na Ziemi i jedna z największych zagadek współczesnej geofizyki.

Choć z kosmosu Ziemia wygląda na idealnie gładką i okrągłą, w rzeczywistości taka nie jest. Masa wewnątrz planety rozłożona jest nierównomiernie, co powoduje subtelne różnice w sile grawitacji w różnych miejscach globu. Gdyby wyeliminować wpływ pływów i prądów oceanicznych, woda ułożyłaby się na nieregularnej powierzchni kształtowanej wyłącznie przez grawitację. Tę powierzchnię nazywa się geoidą. Niż geoidowy Oceanu Indyjskiego jest jednym z najbardziej spektakularnych przykładów takiego zapadnięcia geoidy.

Profesor Attreyee Ghosh, geofizyczka z Centrum Nauk o Ziemi Indyjskiego Instytutu Nauki, określiła to zjawisko jako "jedno z najpoważniejszych problemów nauk o Ziemi". - To najniższa anomalia geoidowa i grawitacyjna na naszej planecie, a do dziś nie osiągnięto konsensusu co do jej pochodzenia - cytuje ekspertkę portal Brighter Side Of News.

Problem ukryty głęboko pod skorupą ziemską

Dotarcie do tak głębokich warstw Ziemi jest niemożliwe nawet dla najnowocześniejszych odwiertów. Skorupa ziemska stanowi jedynie cienką zewnętrzną powłokę planety, a jej wnętrze pozostaje poza bezpośrednim zasięgiem badań. Dlatego naukowcy muszą opierać się na dowodach pośrednich - pomiarach grawitacyjnych, tomografii sejsmicznej, rekonstrukcjach ruchu płyt tektonicznych oraz modelach komputerowych.

Wcześniejsze hipotezy wskazywały wiele potencjalnych przyczyn powstania anomalii. Badacze sugerowali m.in. nieskompensowaną skorupę ziemską, zmiany na granicy jądra i płaszcza, zapadające się płyty dolnego płaszcza czy wypiętrzenia gorącego materiału związane ze starymi strefami subdukcji. Większość tych teorii skupiała się jednak na obecnym stanie anomalii, a nie na procesie jej powstawania.

W nowym badaniu Ghosh i jej współpracownicy z Niemieckiego Centrum Badań Geologicznych GFZ przyjęli inne podejście. W artykule opublikowanym w czasopiśmie "Geophysical Research Letters" przedstawili modele konwekcji (proces przekazywania ciepła lub sam ruch materii związany z różnicami temperatur - przyp. red.) płaszcza obejmujące okres od mezozoiku do współczesności. Zespół wykorzystał program CitcomS do przeprowadzenia 19 różnych symulacji uwzględniających odmienne parametry fizyczne. Modele odtwarzały ruch płyt tektonicznych, zmiany temperatury dawnej litosfery oceanicznej oraz różnice lepkości, gęstości i produkcji ciepła w płaszczu. Następnie porównano uzyskane wyniki z rzeczywistym obrazem współczesnej geoidy. 

Tylko siedem z 19 modeli poprawnie odtworzyło zarówno globalny układ geoidy, jak i strukturę anomalii Oceanu Indyjskiego. Spośród nich naukowcy wybrali model nazwany "Przypadkiem 1", który najlepiej odpowiadał obserwacjom.

Badanie wskazuje, że pod północną częścią Oceanu Indyjskiego występuje deficyt masy w płaszczu Ziemi. Innymi słowy - gorętszy i mniej gęsty materiał znajdujący się na głębokości od około 300 do 900 kilometrów powoduje osłabienie lokalnego pola grawitacyjnego.

Niż geoidy lub ujemna anomalia geoidy wynika z deficytu masy w głębokim płaszczu. Nasze badania sugerują, że odpowiada za to gorący i lekki materiał pochodzący najprawdopodobniej z afrykańskiego superpióropusza

Według autorów badania gorący materiał nie unosi się bezpośrednio spod samej anomalii. Prawdopodobnie pochodzi z tzw. afrykańskiej prowincji o niskiej prędkości ścinania - ogromnej struktury znajdującej się głęboko pod Afryką - i następnie przemieszcza się na wschód pod Ocean Indyjski. Naukowcy przypuszczają, że szybki ruch płyty indyjskiej mógł kierować tym przepływem.

Cały proces okazuje się bardziej złożony niż pojedyncze wypiętrzenie gorącego materiału. Modele pokazują, że istotną rolę odgrywają również dawne płyty oceaniczne, które miliony lat temu zostały wciągnięte w głąb płaszcza podczas zamykania Oceanu Tetydy. Ich znaczenie polega jednak głównie na zakłócaniu struktury głębokiego płaszcza i wspomaganiu powstawania pióropuszy.

Symulacje wykazały, że bez pojawienia się gorących anomalii niż geoidowy był zbyt rozległy i miał niewłaściwy kształt. Dopiero obecność gorących struktur sprawiła, że model zaczynał przypominać dane satelitarne i pomiary grawitacyjne.

Podróż 140 milionów lat wstecz

Aby stworzyć ten model, badacze odtworzyli historię ruchu płyt tektonicznych i przepływów w płaszczu na przestrzeni 140 milionów lat przy użyciu wyżej wspomnianych modeli konwekcji płaszcza. 

Ziemia przypomina w rzeczywistości grudkowatego ziemniaka. Technicznie nie jest idealną kulą, lecz elipsoidą, ponieważ obrót planety powoduje wybrzuszenie jej środkowej części

Jak podkreśliła badaczka, tak długa perspektywa była konieczna, by zrozumieć współczesną strukturę geoidy. - Kontynenty i oceany znajdowały się wtedy w zupełnie innych miejscach, a rozkład gęstości we wnętrzu Ziemi wyglądał inaczej - wyjaśniła.

Modele sugerują, że 30 milionów lat temu niż geoidowy nie był jeszcze wyraźnie rozwinięty, mimo że fragmenty dawnych płyt Tetydy znajdowały się już głęboko w płaszczu. Około 20 milionów lat temu gorący materiał (tzw. gorące anomalie płaszcza) zaczął rozprzestrzeniać się pod litosferą północnego Oceanu Indyjskiego, wzmacniając anomalię. Proces ten nasilał się wraz ze zbliżaniem się gorących struktur płaszcza do Półwyspu Indyjskiego.

Badacze analizowali również, które części płaszcza mają największy wpływ na powstanie niżu. Okazało się, że ani sama płytka struktura, ani wyłącznie głębokie warstwy nie są wystarczające. Dopiero połączenie procesów zachodzących w górnym i dolnym płaszczu pozwalało odtworzyć obserwowany kształt anomalii.

Zagadka "dziury grawitacyjnej" rozwiązana? Nie dla wszystkich

Nie wszyscy geofizycy są jednak przekonani, że nowe modele definitywnie rozwiązują tę zagadkę. Profesor Alessandro Forte z Uniwersytetu Florydy zwrócił uwagę, że symulacje nie uwzględniają potężnego pióropusza płaszcza, który około 65 milionów lat temu doprowadził do powstania Pułapek Dekanu - jednego z największych regionów wulkanicznych na Ziemi.

Forte zauważył również, że zgodność modeli z rzeczywistą geoidą poza Oceanem Indyjskim pozostaje ograniczona, szczególnie w rejonie Pacyfiku, Afryki i Eurazji. Jego zdaniem może to wskazywać na niedoskonałości symulacji.

Redakcja poleca

Na niebie pojawi się wyjątkowa pełnia. Kiedy zobaczymy Niebieski Księżyc?

Timur Wesołowski

Ghosh przyznaje, że żaden model nie jest w stanie idealnie odtworzyć przeszłości Ziemi. - Im dalej cofamy się w czasie, tym większa staje się niepewność - powiedziała. - Nie możemy uwzględnić każdego możliwego scenariusza ani dokładnie odtworzyć ruchu płyt tektonicznych sprzed dziesiątek milionów lat. Uważamy jednak, że ogólna przyczyna powstania tego niżu jest już dość dobrze zrozumiana - podkreśliła badaczka.

Dlaczego to odkrycie jest ważne?

Badanie nie tylko wyjaśnia nietypowe obniżenie powierzchni oceanu. Pokazuje również, w jaki sposób ruchy płaszcza, płyty tektoniczne i procesy zachodzące głęboko we wnętrzu Ziemi wpływają na kształt naszej planety.

Lepsze poznanie niżu geoidowego Oceanu Indyjskiego może pomóc naukowcom udoskonalić modele konwekcji płaszcza, poprawić interpretację danych sejsmicznych i lepiej zrozumieć, jak dawne płyty oceaniczne zmieniały wnętrze Ziemi przez dziesiątki milionów lat.