Enigma lui Munk revisited: Noua structură a interiorului planetei oferă o posibilă soluție. Implicații asupra variațiilor nivelului oceanic

Pe 19 octombrie 2018, când Walter Munk împlinea 101 ani, am publicat articolulÎn căutarea timpului pierdut: Enigma lui Munk, piscinae romane și eclipse antice. L-am numit atunci Einstein-ul oceanelor (dar fără premiu Nobel, pentru că nu se acordă în geoștiințe) și patriarhul oceanografiei americane. Pe 8 februarie 2019, profesorul și geofizicianul Munk a încetat din viață. Reamintesc, pe scurt, datele factuale care l-au condus pe Walter Munk să formuleze în 2002 o provocare la adresa actualelor modele climatice.

Din geofizica marină, se știe că variațiile nivelului mediu al oceanelor (Global Mean Sea-Level or GMSL) în raport cu crusta terestră mobilă sunt controlate în principal de doi factori: schimbările în volumul oceanului planetar (componenta sterică, dominată de expansiunea termică a apei) și schimbările în masa oceanului planetar (componenta eustatică, dominată de raportul dintre topirea ghețarilor și stocarea apei pe continente).

Analizând modelele climatice acceptate de comunitatea științifică, Munk a demonstrat că, după ce considerăm efectele tuturor componentele climatice, naturale și antropogene, rămân 12 cm de creștere a nivelului mării care nu pot fi explicați, adică mai mult de jumătate din creșterea istorică a GMSL de 21 cm. Munk a calculat apoi că cei 12 cm lipsă „la apel” ar necesita fie o creștere a componentei sterice cu 10^24 J pentru căldură stocată în ocean, fie topirea suplimentară a 40.000 gigatone de gheață în secolul al 20-lea (componenta eustatică). Ambele condiții sunt imposibil de acceptat din considerente istorice. Aceasta este prima parte a enigmei pe care Walter Munk a prezentat-o lumii academice în 2002.

Pe marginea enigmei lui Munk, descrise în articolul menționat, am făcut următorul comentariu:

Există alte ipoteze care ar putea rezolva enigmei celor 12 cm „lipsă la apel”, pe lângă cele discutate și prezentate în articolul meu de anul trecut.

Ceea ce se discută acum în lumea geofizică sunt rezultatele produse de tomografia seismică, conform cărora structura internă a planetei nu mai este concentrică, precum o ceapă, ci conține învelișuri a căror grosime variază cu adâncimea. Lucrările vizionare ale lui Adam Dziewonski au relevat existența a două structuri verticale, mari și adânci, cu margini bine precizate, una sub Africa-Oceanul Indian și alta sub Pacific. Aceste descoperiri plasează într-un alt context dinamica plăcilor litosferice, incluzând mari volume de apă, care ar putea fi antrenate în procese de subducție necunoscute în prezent, producând variații semnificative ale nivelului mediu oceanic.

Structurile descoperite de Dziewonski sunt în prezent investigate prin ceea ce se numește tomografie mareică, o tehnică paralelă, care utilizează coborârile și ridicările zilnice ale elevațiilor uscatului produse de maree pentru a îmbunătăți înțelegerea noastră despre structura internă a planetei. Ideea noii tehnici tomografice este să determine dacă cele două structuri descoperite de Dziewonski sunt flotante, cu tendințe puternice de ridicare, sau sunt ancorate în rocile mantalei terestre.

Recent, au fost publicate primele imagini ale celor două structuri enigmatice (Fig. 1).

Fig. 1. Aproape de baza mantalei terestre se găsesc două structuri, numite blob-uri, de mărimea unor continente, formate din roci fierbinți și compresate. Sursa: Cottaar and Lekic (faceți click pe link pentru a vedea imaginea animată).

Undeva la peste 2000 km sub picioarele noastre, aproape de baza mantalei terestre, au fost identificate două structuri formate din roci fierbinți și compresate. Extinzându-se pe lungimea unor continente și cu grosimi care depășesc de peste 100 ori Everestul, ele se numesc oficial LLSVP (Large Low-Shear-Velocity Provinces), pentru că undele seismice își reduc viteza pe măsură ce trec prin ele. În argoul geologic, structurile respective au fost botezate „the blobs” (să le numim blob-uri pe românește, în lipsa unui termen apropriat). Dacă cele două structuri ar fi la suprafață, Stația Spațială Internațională ar trebui să navigheze printre ele.

Geografic, o structură se găsește plasată sub Oceanul Pacific, iar cealaltă ocupă o poziție sub estul Africii și Oceanul Indian (Fig. 2).

Fig. 2. Blob-urile văzute de la Polul Nord (a) și Polul Sud (b). Blobul pacific este compus din trei anomalii, iar cel african din două anomalii de viteze seismice scăzute. (Sursa: Cottaar and Lekic, 2016)

Detalii semnificative despre cele două blob-uri nu sunt cunoscute deocamdată (i) . Principala incertitudine legată de proprietățile lor geologice este densitatea. Sunt blob-urile mai dense sau mai puțin dense decât rocile înconjurătoare? Răspunsul la această întrebare ar fundamenta comportarea reologică a celor două structuri.

O densitate mai mare ar însemna că blob-urile s-ar scufunda în interiorul planetei. Folosind legea conservării energiei, o astfel de mișcare ar produce o accelerare a vitezei de rotație a planetei, așa cum o patinatoare care își strânge brațele la piept, se învârte mai repede. Dar se poate anticipa că o viteză de rotație crescută ar produce, în cele din urmă, o împingere a blob-urile înapoi către poziția lor inițială.

O densitate mai scăzută ar însemna că blob-urile vor avea tendința să se ridice izostatic către suprafață. Există deja geologi și geofizicieni care speculează că enigmaticele structuri ar putea să alimenteze vulcanii de tip hotspot, precum cei din Hawaii. Similar, s-a sugerat că blob-urile ar fi alimentat în trecut super-vulcanii, precum cei din Yellowstone National Park, ale căror super-erupții ar fi contribuit la cele mai mari extincții de pe Pământ.

Deocamdată, oamenii de știință nu se pot pronunța decisiv din cauza lipsei de măsurători specializate. Spre deosebire de aflorimentele de roci de la suprafață, care pot fi ușor probate și măsurate apoi petrofizic într-un laborator adecvat, densitatea blob-urile trebui estimată numai indirect prin măsurători proxy ale vitezelor seismice.

O încercare recentă de cartare a celor două blob-uri a fost prezentată în decembrie anul trecut în cadrul Congresului AGU (American Geophysical Union) de către doctoranda Maria Tsekhminstrenko de la University of Oxford (Fig. 3).

Fig. 3. Imagine tomografică seismică 3-D a unei porțiuni din blob-ul african și a ascensiunilor de magmă (mantle plumes) care ies din el (stânga). O imagine 2-D simplificată (dreapta. Sursa: Maria Tsekhmistrenko, 2018. https://agu.confex.com/agu/fm18/meetingapp.cgi/Paper/464309

Existența unor ascensiuni de magmă, simulată pe baza analizei vitezelor seismice, sprijină ipoteza densităților mai reduse ale blob-ului în raport cu rocile înconjurătoare.

Pentru a marca importanța crucială a dinamicii celor două blob-uri asupra variațiilor nivelului mediu oceanic trebuie avute în vedere consecințele mișcărilor tectonice pe care unii geologi și geofizicieni le asociază cu ridicarea/scufundarea celor două blob-uri.

Apa oceanelor este forțată în mod regulat sub suprafața pământului, împreună cu plăcile tectonice subduse. Specialiștii au calculat că aproximativ 1 miliard tone de apă marină sunt împinse în manta în fiecare an. O mare parte din această apă se întoarce la suprafață prin activități vulcanice, dar aproximativ 300 milioane tone de apă continuă „călătoria” în mantaua inferioară. Presupunând că acest proces se desfășoară de-a lungul celor 4,5 miliarde de ani de existență a Pământului, cercetătorii spun că toate zonele cunoscute de viteză seismică scăzută, gen „blob-urile, s-ar fi putut forma în acest fel. (ii)

Topirea ghețarilor, nivelul mării și modelul apei din cadă

Un aspect separat al enigmei lui Munk, netratat în articolul meu din 2018 din motive de economia spațiului, este așa numitul model al apei din cadă. Practic, foarte multă lume, când aude că nivelul mării din ultima sută de ani a crescut, să zicem, cu 18 cm, se gândește, folosind analogia cu apa din cadă, că această creștere este uniformă pe toată suprafața oceanului planetar.

Modelul apei din cadă este valabil numai pe mici suprafețe, unde nu se manifestă semnificativ forțele de atracție gravitaționale, i.e. legea lui Newton, dintre apă și pereții căzii.

Dacă însă lucrăm la scară planetară, atunci interacțiile gravitaționale dintre ghețarii din Antarctica și cei din Groenlanda cu apa oceanului trebuie să reflecte clar, semnificativ, legea lui Newton.

Când o banchiză sau o calotă glaciară se topește, nivelul mării nu crește uniform, ca nivelul apei din cadă, ci foarte neuniform. Banchiza, prin masa ei gigantică, atrage apa mării către ea. Groenlanda, care este doar o zecime din Antarctica, conține 3.000.000 miliarde tone gheață. Ce se întâmplă când gheața se topește? Apa se duce în ocean, dar, în același timp, suferă o atracție gravitațională mai mică față de uscat. Aparent paradoxal, când ghețarii se topesc, nivelul mării din apropierea lor scade, nu crește!

Dacă Antarctica s-ar topi brusc mâine, nivelul apei la țărm ar scădea cu ~100 m ! Pe de altă parte, numai West Antarctica are suficientă gheață ca să producă creșterea nivelului marin global cu ~5 m. Unde este punctul de balans, dintre cele două acțiuni (scăderea și creșterea nivelului mării)? Adică, unde nivelul mării nu se schimbă deloc?

Grupul profesorului Mitrovica de la Harvard (iii) a modelat această întrebare și a estimat că schimbarea sensului de evoluție a nivelului marin are loc pe o rază de circa 2.000 km de la marginea calotei.

Citeste intreg articolul si comenteaza pe Contributors.ro