Lõi Trái Đất: lõi ngoài lỏng, lõi trong rắn và từ trường bảo vệ sự sống

Lõi Trái Đất là một khối chủ yếu bằng sắt pha niken, bán kính khoảng 3.480 km, chia hai phần: lõi ngoài lỏng dày khoảng 2.260 km và lõi trong rắn bán kính khoảng 1.220 km. Nhiệt độ ở ranh giới lõi trong ước tính khoảng 5.000–5.400 °C, ngang bề mặt Mặt Trời. Dòng sắt lỏng chuyển động trong lõi ngoài tạo ra từ trường Trái Đất, tấm khiên chắn bớt gió Mặt Trời cho sự sống trên bề mặt.

Làm sao biết lõi Trái Đất có phần lỏng khi chưa ai khoan tới?

Lỗ khoan sâu nhất loài người từng làm, ở bán đảo Kola (Nga), dừng ở khoảng 12,2 km, chưa tới một phần năm trăm đường xuống tâm Trái Đất. Mọi hiểu biết về lõi đều đến gián tiếp, và nguồn quan trọng nhất là sóng động đất.

Mỗi trận động đất lớn phát ra hai kiểu sóng đi xuyên lòng đất. Sóng P là sóng nén, đẩy kéo vật chất theo hướng truyền, đi được qua cả chất rắn lẫn chất lỏng. Sóng S là sóng cắt, làm vật chất rung ngang, và không truyền được qua chất lỏng vì chất lỏng không chống lại lực cắt. Hàng nghìn trạm địa chấn trên khắp thế giới ghi lại thời điểm hai loại sóng tới. Ghép lại, các nhà địa chấn học thấy một "vùng bóng": ở phía bên kia Trái Đất so với tâm chấn, sóng S biến mất hẳn.

Lịch sử phát hiện đi qua ba mốc lớn:

• 1906: nhà địa chất người Anh Richard Dixon Oldham lập luận Trái Đất có một lõi trung tâm làm sóng chậm lại.
• 1914: Beno Gutenberg xác định ranh giới lõi ở độ sâu khoảng 2.900 km, con số rất gần giá trị ngày nay (khoảng 2.890 km).
• 1936: nhà địa chấn học Đan Mạch Inge Lehmann phát hiện những sóng P yếu xuất hiện ở nơi lẽ ra là vùng bóng, và giải thích bằng một lõi trong có tính chất khác, phản xạ sóng. Về sau người ta xác nhận lõi trong là rắn.

Sóng S không qua được lõi ngoài, sóng P đi qua lõi ngoài thì chậm hẳn lại: hai dấu hiệu ấy cho thấy lõi ngoài là chất lỏng. Sóng P đi qua lõi trong lại nhanh lên, phù hợp với một khối rắn.

Lõi Trái Đất làm bằng gì?

Ba nguồn bằng chứng cùng chỉ về sắt. Thứ nhất, Trái Đất nặng hơn nhiều so với khối lượng của đá ở vỏ và lớp phủ cộng lại; phải có một phần lõi rất đặc. Thứ hai, thiên thạch — mẫu vật còn lại từ thời các hành tinh mới hình thành — cho thấy sắt và niken là thành phần phổ biến của vật chất hệ Mặt Trời. Thứ ba, các thí nghiệm nén sắt trong phòng thí nghiệm cho tốc độ truyền sóng gần khớp với số đo địa chấn.

Gần khớp, nhưng không khớp hẳn. Lõi ngoài nhẹ hơn sắt nguyên chất ở cùng áp suất khoảng 10%. Vì vậy người ta cho rằng lõi còn chứa một lượng nguyên tố nhẹ: lưu huỳnh, ôxy, silic, cacbon, hiđrô. Pha bao nhiêu, nguyên tố nào chiếm phần chính vẫn là câu hỏi mở. Người làm luyện kim sẽ thấy quen: lõi Trái Đất là một "hợp kim sắt" chứ không phải sắt tinh khiết, và chính các nguyên tố hợp kim ấy kéo điểm nóng chảy xuống thấp hơn.

Tính theo thể tích, lõi chỉ chiếm khoảng một phần sáu Trái Đất; tính theo khối lượng thì gần một phần ba.

Lõi trong nóng hơn lõi ngoài, sao lại rắn?

Câu trả lời là áp suất. Ở tâm Trái Đất, áp suất ước khoảng 360 gigapascal, tức hơn ba triệu lần áp suất khí quyển. Với sắt, cũng như hầu hết kim loại, thể rắn đặc hơn thể lỏng, nên nén mạnh làm điểm nóng chảy tăng. Càng xuống sâu, nhiệt độ càng tăng, nhưng điểm nóng chảy của sắt tăng nhanh hơn. Tới ranh giới lõi trong, điểm nóng chảy đuổi kịp nhiệt độ thật, và sắt đông đặc lại dù đang nóng tới hàng nghìn độ.

Ở mặt đất, sắt chảy ở khoảng 1.538 °C. Ở ranh giới lõi trong, cùng thứ sắt ấy cần khoảng 5.000 °C trở lên mới chảy. Để có những con số này, các phòng thí nghiệm ép mẫu sắt nhỏ giữa hai mũi kim cương, nung bằng tia laser, rồi đo bằng tia X khi nào cấu trúc tinh thể biến mất. Các nhóm khác nhau vẫn ra kết quả lệch nhau vài trăm độ, nên mọi con số nhiệt độ lõi đều nên đọc kèm chữ "ước tính".

Lõi trong còn đang lớn dần. Trái Đất nguội rất chậm, mỗi năm một ít sắt lỏng ở mặt ngoài lõi trong đông đặc thêm. Các mô hình ước lõi trong lớn thêm cỡ một milimét mỗi năm. Tuổi của lõi trong, tức là lúc nó bắt đầu kết tinh, còn tranh cãi: các ước tính trải từ khoảng nửa tỉ tới hơn một tỉ năm.

Lõi lỏng tạo ra từ trường như thế nào?

Lõi ngoài là một biển sắt lỏng dẫn điện, loãng gần như nước theo nhiều ước tính, và luôn chuyển động. Có hai nguồn đẩy nó chuyển động. Một là nhiệt thoát dần từ lõi ra lớp phủ, làm sắt lỏng ở trên nguội, nặng, chìm xuống; sắt nóng bên dưới trồi lên. Hai là khi lõi trong đông đặc, nó "nhả" lại các nguyên tố nhẹ và toả ẩn nhiệt nóng chảy; chất lỏng nhẹ ấy nổi lên, khuấy thêm lõi ngoài.

Kim loại dẫn điện chuyển động trong một từ trường sẽ sinh ra dòng điện, và dòng điện ấy lại sinh ra từ trường. Khi chuyển động đủ mạnh và có tổ chức, nhờ cả lực quay của Trái Đất, vòng tuần hoàn này tự duy trì. Giới khoa học gọi đó là dynamo địa cầu. Nguyên lý giống máy phát điện, chỉ khác là không có cuộn dây hay nam châm vĩnh cửu nào cả: tất cả là sắt lỏng chảy xoáy.

Dynamo ấy không đứng yên. Cực từ bắc đang dịch chuyển, trong mấy chục năm gần đây có giai đoạn tới khoảng 50 km mỗi năm, nên bản đồ từ dùng cho la bàn và hệ thống định vị phải cập nhật định kỳ. Trong lịch sử địa chất, từ trường còn nhiều lần đảo cực hoàn toàn; lần gần nhất cách nay khoảng 780.000 năm. Dấu vết đảo cực được ghi trong đá bazan ở đáy biển: khi bazan nguội, các hạt khoáng sắt từ "đóng băng" hướng từ trường lúc đó.

Từ trường từ lõi bảo vệ sự sống ra sao?

Mặt Trời liên tục thổi ra một dòng hạt mang điện gọi là gió Mặt Trời. Từ trường Trái Đất làm lệch hướng phần lớn dòng hạt ấy, chỉ cho một phần lọt vào ở vùng cực và tạo ra cực quang. Không có tấm khiên này, gió Mặt Trời có thể từ từ bào mòn khí quyển.

Sao Hoả là ví dụ hay được nhắc tới. Các tàu thăm dò cho thấy đá cổ trên Sao Hoả từng nhiễm từ, nghĩa là hành tinh đỏ từng có từ trường toàn cầu. Lõi Sao Hoả nhỏ, nguội nhanh hơn, dynamo tắt từ rất sớm. Sau đó khí quyển mỏng dần theo hàng trăm triệu năm, và cùng với nhiều yếu tố khác, nước lỏng trên bề mặt không còn tồn tại ổn định. Mức đóng góp của việc mất từ trường so với các nguyên nhân khác vẫn còn được bàn.

Từ trường cũng giúp nhiều loài định hướng. Rùa biển, chim di cư, một số loài cá được cho là cảm nhận được từ trường để tìm đường qua hàng nghìn kilômét.

Lõi có thay đổi gì mà con người đo được?

Có. Thời gian sóng động đất lặp lại đi qua lõi trong, ghi ở cùng cặp tâm chấn – trạm đo cách nhau vài chục năm, cho thấy những thay đổi nhỏ. Từ đó một số nhóm cho rằng lõi trong quay nhanh hơn lớp phủ một chút, nhóm khác cho rằng nó dao động qua lại, có nghiên cứu năm 2023 còn gợi ý nó vừa tạm "chững lại". Đây là chủ đề tranh luận sôi nổi, chưa có kết luận chung, nên các bản tin kiểu "lõi Trái Đất đã ngừng quay" cần đọc thận trọng.

Ở Việt Nam, Viện Vật lý Địa cầu thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam vận hành các đài địa từ, trong đó đài Phú Thuỵ (Hà Nội) góp số liệu vào mạng quan trắc quốc tế. Từ trường đo được ở Việt Nam cũng là "tiếng vọng" của dòng sắt lỏng cách bề mặt gần 3.000 km.

Lõi Trái Đất liên quan gì tới nghề luyện kim?

Trái Đất từng tự "luyện" ra lõi của mình. Trong vài chục triệu năm đầu, hành tinh trẻ nóng tới mức sắt chảy ra. Sắt lỏng nặng hơn đá nên chìm dần về tâm, như gang lỏng chìm xuống đáy lò cao, còn đá silicat nhẹ nổi lên trên như lớp xỉ. Các nhà khoa học gọi quá trình này là phân dị. Nhờ vậy vỏ Trái Đất ngày nay khá nghèo sắt kim loại tự do, còn phần lớn sắt của hành tinh nằm khuất sâu dưới chân.

Sắt con người khai thác, nấu thành thép, đến từ phần nhỏ còn lại trong vỏ, đã kết hợp với ôxy thành quặng. Mỗi lần nhìn dòng gang đỏ rực chảy khỏi lò, có thể nghĩ tới một lò lớn hơn rất nhiều, đang chảy lặng lẽ dưới chân, nóng hơn gấp ba lần và chưa từng tắt trong hơn bốn tỉ năm.

Muốn đọc thêm, các trang phổ biến khoa học của Cục Địa chất Hoa Kỳ (USGS), Cơ quan Hàng không Vũ trụ Mỹ (NASA) và chương cấu tạo Trái Đất trong sách giáo khoa Địa lý là điểm khởi đầu tốt.