В статье, опубликованной в текущем выпуске журнала Nature Geoscience, используется лабораторное моделирование столкновения с Землей в качестве доказательства того, что стратифицированный слой под каменистой мантией — который появляется в сейсмических данных — был создан, когда на Землю ударил более мелкий объект. Авторы утверждают, что это был тот же удар, в результате которого в космос полетела огромная масса обломков и образовалась Луна.
«Наши эксперименты предоставляют дополнительные доказательства в пользу гипотезы гигантского удара», — сказала Майлис Ландо, ведущий автор статьи, которая на момент проведения экспериментов была научным сотрудником в отделе наук о Земле и планетах Джонса Хопкинса. "Они демонстрируют, что сценарий гигантского удара также объясняет стратификацию, предполагаемую сейсмологией в верхней части ядра современной Земли. Этот результат связывает современную структуру ядра Земли с его формированием."
Ландо, ныне научный сотрудник Марии Кюри в Кембриджском университете, написал статью в соавторстве с Питером Олсоном, профессором-исследователем Департамента наук о Земле и планетах Бенджамином Х. Хирш, который был студентом Университета Джонса Хопкинса, и Рено Деген из Университета Клода Бернара в Лионе, Франция.
Олсон сказал, что аргумент о гигантском ударе в пользу образования Луны является наиболее распространенной научной гипотезой о том, как был сформирован спутник Земли, но он все еще считается недоказанным, поскольку не существует доказательств «дымящегося пистолета».
«Мы говорим, что этот многослойный слой может быть дымящимся пистолетом», — сказал Олсон. "Его свойства согласуются с тем, что он является пережитком этого воздействия."
Их аргумент основан на сейсмических доказательствах состава стратифицированного слоя, который, как полагают, имеет толщину около 200 миль и лежит на 1800 миль ниже поверхности Земли, а также на лабораторных экспериментах, имитирующих турбулентность удара. В частности, считается, что турбулентность объясняет расслоение — то есть смесь материалов в слоях, а не однородный состав — в верхней части ядра.
Считается, что стратифицированный слой состоит из смеси железа и более легких элементов, включая кислород, серу и кремний. Само существование этого слоя можно понять из сейсмических изображений, поскольку он лежит слишком глубоко под землей, чтобы брать пробы напрямую.
По словам Олсона, до сих пор большая часть моделирования удара была проведена численно и не учитывала турбулентность при ударе. Олсон сказал, что турбулентность сложно смоделировать математически, и ни одна компьютерная модель еще не смогла с этим справиться.
Исследователи в этом эксперименте смоделировали столкновение с использованием жидкостей, чтобы приблизиться к турбулентному перемешиванию материалов, которое произошло бы, когда планетарный объект ударил, когда Земля была почти полностью сформирована — «протоземля», как ее называют ученые.
Олсон сказал, что эксперименты основывались на принципе «динамического подобия."В данном случае это означает способ надежного сравнения потоков жидкости без воспроизведения масштаба, материалов и силы первоначального удара Земли, что было бы невозможно.
Вместо этого эксперимент был предназначен для моделирования ключевых соотношений сил, действующих друг на друга, чтобы создать турбулентность удара, которая может оставить после себя слоистую смесь материала.
Исследователи провели более 60 экспериментов, в которых около 3.5 унций физиологического раствора или этанола, представляющих собой планетарный снаряд, поразивший Землю, были сброшены в прямоугольный резервуар, содержащий около шести галлонов жидкости, представляющих раннюю Землю. В резервуаре была комбинация жидкостей в слоях, которые не смешиваются: нефть, плавающая наверху, представляет мантию Земли, а вода внизу, представляющая ядро Земли.
Анализ удара показал, что смесь материалов была оставлена в различных количествах, а также что распределение смеси зависело от размера и плотности снаряда, попавшего в "Землю"."Чем больше снаряд, тем больше вероятность, что все ядро Земли, а не только слой, будет состоять из смеси материалов. Авторы выступают за меньший по размеру снаряд, образующий луну, меньше или равный размеру Марса, чуть больше половины размера Земли.