Khi Trái Đất hình thành cách đây khoảng 4,5 tỷ năm, nó là một quả cầu đá nóng chảy. Theo thời gian, các nguyên tố nặng hơn như sắt và niken chìm xuống trung tâm, tạo nên lõi hành tinh. Ngày nay, lõi Trái Đất vẫn là một khối cầu cực kỳ nóng và đặc, nằm sâu bên trong hành tinh của chúng ta.
Lõi Trái Đất gồm hai phần: lõi ngoài lỏng, bắt đầu từ độ sâu khoảng 2.900 km dưới bề mặt và kéo dài 2.200 km; và lõi trong rắn, bắt đầu từ khoảng 5.150 km, với bán kính khoảng 1.220 km. Nhưng lõi Trái Đất nóng đến mức nào? Và làm thế nào các nhà khoa học có thể xác định được điều đó khi không thể khoan sâu đến vậy?
Nhờ kết hợp nhiều kỹ thuật, các nhà khoa học ước tính nhiệt độ lõi Trái Đất tương đương bề mặt Mặt Trời: khoảng 5.000 đến hơn 5.500 độ C. Nhiệt độ này được đo tại ranh giới giữa lõi trong và lõi ngoài, nơi được cho là nóng nhất trong lõi. Tuy nhiên, con số này không phải đo trực tiếp mà được suy luận từ các thí nghiệm và lý thuyết về thành phần của lõi.
Trung tâm Trái Đất chủ yếu là sắt (khoảng 85%), hợp kim với niken và các nguyên tố nhẹ khác; vật liệu này ở dạng lỏng trong lõi ngoài và rắn trong lõi trong. Các nhà khoa học suy ra những tính chất này từ hỗn hợp các phép đo trong phòng thí nghiệm về hợp kim sắt ở áp suất cao, phân tích thành phần thiên thạch, và hiểu cách sóng địa chấn uốn cong hoặc biến mất khi truyền qua lòng đất.
Vì lõi ngoài chủ yếu là sắt lỏng, nhiệt độ ở khu vực này phải cao hơn nhiệt độ nóng chảy của sắt. Ở bề mặt Trái Đất, điểm nóng chảy của sắt nguyên chất là 1.538°C. Nhưng con số này không tính đến áp suất khổng lồ ở sâu bên trong, theo Quentin Williams, nhà vật lý khoáng vật tại Đại học California, Santa Cruz. Áp suất tăng làm tăng điểm nóng chảy của sắt và hầu hết các chất khác, giải thích tại sao lõi trong rất nóng nhưng vẫn ở thể rắn do áp suất cao.
Để xác định nhiệt độ nóng chảy của sắt ở áp suất thiên văn, các nhà khoa học đã tiến hành nhiều thí nghiệm mô phỏng môi trường này. Một số nghiên cứu ép một miếng sắt giữa hai viên kim cương mài nhọn (gọi là tế bào đe kim cương) để tạo áp suất cao, đồng thời dùng laser đốt nóng sắt đến nhiệt độ cao. Những nghiên cứu khác bắn các viên đạn hoặc tia tạo xung kích vào miếng sắt để mô phỏng áp suất nghiền nát. Kết quả từ các thí nghiệm này được vẽ đồ thị và ngoại suy đến áp suất tại ranh giới lõi trong và lõi ngoài, dẫn đến ước tính từ khoảng 5.000 đến hơn 5.500°C.
“Ở một mức độ nào đó, những gì chúng ta biết về lõi Trái Đất đều là phỏng đoán có cơ sở,” Shichun Huang, giáo sư địa chất tại Đại học Tôn Trung Sơn ở Trung Quốc, cho biết. Nhiều cơ chế, chẳng hạn như cách lõi trong rắn kết tinh thành thể rắn, vẫn còn là bí ẩn.
Tất cả nhiệt lượng này gợi nhớ về lịch sử độc đáo của hành tinh chúng ta. Khi Trái Đất hình thành, mọi loại vật chất bị kéo lại với nhau, bao gồm cả sắt tạo nên lõi. “Thế năng hấp dẫn đó được chuyển hóa thành nhiệt,” Huang nói. Hơn nữa, các nhà khoa học cho rằng trong quá trình hình thành, một vật thể có kích thước bằng sao Hỏa đã va chạm với tiền hành tinh của chúng ta, giải phóng một lượng nhiệt lớn vào lòng đất. Một số nhà khoa học tin rằng các nguyên tố phóng xạ như kali, urani và thori cũng góp phần vào nhiệt bên trong hành tinh, mặc dù sự hiện diện của chúng trong lòng đất sâu vẫn còn gây tranh cãi.
Một lõi nóng cũng góp phần vào khả năng duy trì sự sống của Trái Đất. Trái ngược với các hành tinh khác, lòng đất Trái Đất đã giữ lại phần lớn nhiệt nguyên thủy của nó. “Chúng ta không giỏi làm nguội hành tinh,” Williams nói, nghĩa là Trái Đất đã giữ lại nhiều nhiệt từ quá trình hình thành ban đầu, không giống các hành tinh đá khác trong hệ Mặt Trời. Kết quả là hành tinh của chúng ta có các đặc tính như kiến tạo mảng, di chuyển các mảnh bề mặt Trái Đất, đưa chất dinh dưỡng lên và tạo ra các môi trường sống đa dạng cho sự sống tiến hóa và phát triển. Lõi sắt một phần lỏng cũng tạo ra từ trường Trái Đất, bảo vệ hành tinh và sự sống khỏi gió Mặt Trời nguy hiểm.
“Nếu bạn quan tâm đến sự sống, bạn nên quan tâm đến bên trong Trái Đất,” Huang nói. Một lõi nóng rực ở trung tâm hành tinh là điều cho phép tất cả chúng ta tồn tại ở nơi chúng ta đang sống hôm nay.