Что нам известно о земном ядре
Ядро Земли
Ядро́ Земли́ — центральная, наиболее глубокая часть планеты Земля, геосфера, находящаяся под мантией Земли и, предположительно, состоящая из железо-никелевого сплава с примесью других сидерофильных элементов. Глубина залегания — 2900 км. Средний радиус сферы — 3,5 тыс. км. Разделяется на твердое внутреннее ядро радиусом около 1300 км и жидкое внешнее ядро радиусом около 2200 км, между которыми иногда выделяется переходная зона. Температура в центре ядра Земли достигает 5000 С, плотность около 12,5 т/м³, давление до 361 ГПа (3,7 млн атм). Масса ядра — 1,932·10 24 кг.
Известно о ядре очень мало — вся информация получена косвенными геофизическими или геохимическими методами. Образцы вещества ядра недоступны.
Содержание
Обычное заблуждение
История изучения
Вероятно, одним из первых предположение о существовании внутри Земли области повышенной плотности высказал Генри Кавендиш, который вычислил массу и среднюю плотность Земли и установил, что она значительно больше, чем плотность, характерная для пород, выходящих на земную поверхность.
Существование было доказано в 1897 году немецким сейсмологом Э. Вихертом, а глубина залегания (2900 км) определена в 1910 году американским геофизиком Б. Гутенбергом.
Основоположник геохимии В. М. Гольдшмидт в 1922 году предположил, что ядро образовалось путём гравитационной дифференциации первичной Земли в период её роста или позже.
Альтернативную гипотезу, что железное ядро возникло ещё в протопланетном облаке, развивали немецкий учёный А. Эйкен (1944), американский учёный Е. Орован и советский учёный А. П. Виноградов (1960-е—70-е годы).
В 1941 году Кун и Ритман, основываясь на гипотезе идентичности состава Солнца и Земли и на расчетах фазового перехода в водороде, предположили, что земное ядро состоит из металлического водорода. Эта гипотеза не прошла экспериментальную проверку. Эксперименты по ударному сжатию показали, что плотность металлического водорода примерно на порядок меньше, чем плотность ядра. Однако позже эта гипотеза была адаптирована для объяснения строения планет-гигантов — Юпитера, Сатурна и других. Сейчас [когда?] предполагается, что магнитное поле таких планет возникает именно в металлическом водородном ядре.
Кроме того В. Н. Лодочников и У. Рамзай предположили, что нижняя мантия и ядро имеют одинаковый химический состав — на границе ядро-мантия при 1.36 Мбар мантийные силикаты переходят в жидкую металлическую фазу (металлизованное силикатное ядро).
Состав ядра
Состав ядра непосредственно неизвестен, и может быть предположительно оценён из нескольких источников. Во-первых, видимо, наиболее близкими веществу ядра образцами являются железные метеориты, которые, представляют собой фрагменты ядер астероидов и протопланет. Однако железные метеориты не могут быть полностью эквивалентны веществу земного ядра, так как они образовались в гораздо меньших телах, а значит при других физико-химических параметрах.
С другой стороны, из данных гравиметрии известна плотность ядра, и это накладывает на его состав дополнительные ограничения. Так как плотность ядра примерно на 10 % меньше, чем плотность сплавов железо-никель, то предполагается, что ядро Земли содержит больше легких элементов, чем железные метеориты.
Наконец, состав ядра можно оценить, исходя из геохимических соображений. Если каким-либо образом рассчитать первичный состав Земли и вычислить, какая доля элементов находится в других геосферах, то тем самым можно построить оценки состава ядра. Большую помощь в таких вычислениях оказывают высокотемпературные и высокобарические эксперименты по распределению элементов между расплавленным железом и силикатными фазами.
О.Г. Сорохтин предложил гипотезу о составе внешнего ядра из так называемого «ядерного вещества», не существующего при нормальных условиях. «Ядерное вещество» представляет собой оксид одновалентного железа Fe2O. При давлении 250-300 ГПа «ядерное вещество» разлагается на железо и кислород, поэтому внутреннее ядро, давление в котором превышает упомянутое значение, состоит из железа с примесью никеля. По мнению Сорохтина, со временем оксиды железа из мантии Земли под действием силы тяжести опускаются в ядро, превращаясь в «ядерное вещество». При этом выделяется кислород, причём по мере уменьшения количества оксидов железа в мантии его выделяется всё больше. Часть этого кислорода поступает в атмосферу. До начала фанерозоя кислорода образовывалось крайне мало, затем увеличение его концентрации в атмосфере вызвало резкий всплеск развития жизни на Земле («кембрийский взрыв»). Но именно ещё большее увеличение парциального давления кислорода в атмосфере Земли через 500-600 миллионов лет (до значения порядка 0,5 МПа) вызовет глобальное потепление и вымирание всех живых организмов, а затем и полное выкипание океана задолго до превращения Солнца в красный гигант.
Во внутреннем ядре Земли обнаружен «новый скрытый мир»
Новое исследование, изначально опубликованное в Physics of the Earth and Planetary Interiors, предполагает, что состояние внутреннего ядра нашей планеты варьируется от твердого до полумягкого и даже жидкого. Об этом пишет Live Science.
«Чем больше мы изучаем [ядро], тем больше понимаем, что это не просто скучный кусок железа, — комментирует исследование Джессика Ирвинг, сейсмолог из Бристольского университета в Англии. — Мы находим совершенно новый скрытый мир».
В некотором смысле внутреннее ядро Земли остается таким же загадочным, как и тогда, когда Жюль Верн опубликовал свое фантастическое «Путешествие к центру Земли» в 1864 году. Хотя ученые с 1950-х годов знали, что наша планета не полая, как предсказывал Верн, внутренняя часть планеты все еще не исследована. Безмерная жара и давление просто слишком велики для любого человеческого или созданного человеком зонда, чтобы добраться туда.
«Если с нашей планетой не случится что-то ужасное, у нас никогда не будет способа напрямую наблюдать за ядром Земли», — отмечает специалист.
Как раскрыли тайну ядра Земли
Во время изучения ядра нашей планеты геофизики полагаются на сейсмические волны, вызванные землетрясениями. Измеряя эти массивные вибрации, ученые могут восстановить картину внутреннего устройства Земли способом, который напоминает компьютерную томографию человека. Волны бывают двух основных видов: продольные и поперечные. Каждая волна может ускоряться, замедляться или отражаться от разных сред при движении.
Для Ретта Батлера, геофизика из Гавайского института геофизики и планетологии, новое исследование началось с вопроса о несовпадении данных. Батлер наблюдал за тем, как сейсмические волны, создаваемые сильными землетрясениями в пяти разных местах планеты, проходят через ядро Земли и отображаются на противоположной стороне земного шара. Но что-то было не так: поперечные волны, которые должны были пройти через твердый металлический шар, вместо этого отклонялись в определенных областях.
По словам Батлера, особенно поражает диапазон консистенций железа. «Мы видели доказательства того, что ядро не только не везде твердое, но и может быть очень мягким в некоторых местах», — говорит ученый.
Новое исследование потенциально может революционизировать наше понимание о магнитном поле Земли. Согласно данным, опубликованным в 2019 году в журнале Science Advances, жидкое внешнее ядро управляет магнитным полем нашей планеты, а внутреннее ядро помогает его изменять. В то же время данные NASA о других планетах, таких как Марс, показывают, что у них есть жидкий центр, но отсутствует как внутреннее ядро, так и магнитное поле. Батлер и Ирвинг считают, что более глубокое понимание о строении внутреннего ядра Земли поможет понять взаимосвязь между внутренним пространством планеты и ее магнитной активностью.
Посмотрите на интригующие находки людей на Земле:
§ 9. Строение земного шара
Вопрос 1. Что такое природа?
Природа — материальный мир, Вселенная, естественная среда обитания человека (всё, что нас окружает, за исключением созданного человеком).
Вопрос 2. Что такое литосфера?
Литосфера — твёрдая оболочка Земли. Состоит из земной коры и верхней части мантии.
Вопрос 3. Чем отличается литосфера от других оболочек Земли?
Литосферой называют твёрдую оболочку Земли. Толщина литосферы на суше в среднем колеблется от 35-40 км (на равнинных участках) до 70 км (в горных районах).
Вопрос 4. Каково значение слоев Земли для человека?
Из слоев человек добывает различные полезные ископаемые (нефть, газ), изучает движение литосферных плит, причины землетрясений и т. д.
Вопрос 5. Какие слои выделяются в строении земного шара?
Земной шар имеет слоистое строение. Он состоит из трёх основных слоёв. В центре Земли расположено ядро. Второй слой в строении Земли — мантия. Внешний слой земного шара называется земной корой.
Вопрос 6. Что нам известно о земном ядре?
В центре Земли лежит ядро радиусом около 3,5 тыс. км. Оно состоит из железа, и температура внутри ядра достигает 6000 °С.
Вопрос 7. Какова толщина мантии?
Мантия имеет толщину около 2,9 тыс. км.
Вопрос 8. Какие существуют виды земной коры?
Земная кора бывает материковой, имеющей толщину 30—80 км, и океанической — толщиной 5—10 км.
Вопрос 9. Что такое литосфера?
Литосфера — это твёрдая оболочка Земли, состоящая из земной коры и верхней мантии.
Вопрос 10. Как называются науки, изучающие внутреннее строение Земли?
Земная кора самым внимательным образом изучается специальной наукой — геологией. Более глубокими слоями Земли занимается наука под названием геофизика.
Вопрос 11. Зачем нужно изучать внутреннее строение Земли?
Строение Земли изучают, чтобы найти полезные ископаемые. Строение Земли помогает понять происхождение таких явлений как оползни, извержения вулканов, землетрясения.
Вопрос 12. Какая оболочка занимает больший объём Земли?
Мантия составляет 83 % объема Земли (без атмосферы) и 67 % ее массы.
Вопрос 13. Чем отличается океаническая земная кора от материковой?
Самая толстая земная кора лежит под материками, под океанами её толщина – 5—10 км.
Вопрос 14. Почему мощность литосферы больше мощности земной коры?
Потому что литосфера состоит из двух слоёв: это земная кора и верхняя часть мантии. Также у литосферы больше плотность.
Все за сегодня
Политика
Экономика
Наука
Война и ВПК
Общество
ИноБлоги
Подкасты
Мультимедиа
Наука
Сокрушительное давление раскрывает правду о земном ядре
Основу ядра нашей планеты составляет железо. Но сейчас ученые все лучше понимают, что еще кружится в водовороте в центре Земли.
Сердцебиение нашей планеты остается загадкой для ученых, пытающихся узнать, как сформировалась Земля, и что пошло на ее создание. В ходе проведенного недавно исследования они сумели воссоздать мощное давление, действующее в центре нашей планеты, что позволило ученым бросить взгляд на ранний период ее существования и даже понять, как земное ядро может выглядеть сейчас.
О своем открытии они сообщили в последнем номере журнала Science. «Если мы выясним, какие элементы составляют ядро, мы сможем лучше понять условия, при которых сформировалась Земля, а это в свою очередь даст нам больше информации о ранней истории Солнечной системы», — говорит геохимик Анат Шахар (Anat Shahar), работающая в Вашингтоне в Институте науки Карнеги. Это также позволит ученым получить представление о том, как сформировались другие каменистые планеты в нашей Солнечной системе и за ее пределами.
Земля сформировалась примерно 4,6 миллиарда лет тому назад в результате бесчисленных столкновений твердых тел размером от Марса до мелкого астероида. По мере увеличения массы ранней Земли увеличивалось ее внутреннее давление и температура.
Это повлияло на то, как железо, составляющее большую часть земного ядра, вступало в химические реакции с более легкими элементами типа водорода, кислорода и углерода, а также с более тяжелыми металлами, отделившимися от мантии и попавшими во внутреннюю часть Земли. Мантия — это слой, находящийся непосредственно под земной корой, и перемещения расплавленной породы в этой области приводят в движение тектонические плиты.
Ученые уже давно поняли, что температурные изменения могут влиять на то, в какой степени изотоп такого элемента, как железо, становится частью ядра. Этот процесс носит название изотопное фракционирование.
Однако до сих пор давление не считалось критической переменной, влияющей на данный процесс. «В 60-е и 70-е годы проводились эксперименты в поисках последствий такого давления, но ученые ничего не нашли, — говорит Шахар. — Но сейчас мы знаем, что давление, при котором они проводили эксперименты (около двух гигапаскалей), было недостаточно мощным».
В 2009 году другой научный коллектив опубликовал работу, в которой высказал предположение, что давление могло повлиять на элементы, попавшие в земное ядро. Поэтому Шахар со своей командой решила вновь исследовать его воздействие, применив оборудование, создающее давление до 40 гигапаскалей. Это намного ближе к 60 гигапаскалям, которые ученые считают средним значением в ранний период формирования Земли.
В ходе экспериментов, проводившихся на усовершенствованном источнике фотонов в Институте Карнеги в Вашингтоне, ученые поместили между двумя алмазами небольшие образцы железа, смешанного с водородом, углеродом и кислородом. Затем плоскости этих алмазных тисков сдвинули вместе, создав колоссальное давление.
Впоследствии преобразованные образцы железа подвергли бомбардировке рентгеновскими лучами высокой энергии. «Мы используем рентгеновские лучи, чтобы испытать вибрационные свойства фаз железа», — сказала Шахар. Различные частоты вибрации указывают на то, какие изотопы железа находятся среди образцов.
Ученые выяснили, что такое мощное давление действительно влияет на изотопное фракционирование. В частности, исследовательский коллектив обнаружил, что реакция между железом и водородом или углеродом, которые должны присутствовать в ядре, должна оставлять после себя характерный след в породе мантии. Но найти такой след не удалось.
«Поэтому мы считаем, что водород и углерод — не главные легкие элементы в ядре», — заявила Шахар.
Контекст
Владимир Набоков, научный гений
Наука Китая продвинулась вперед
ФСБ будет проверять научные работы
Мультимедиа
Главные научные достижения 2015 года
20 лучших британских научно-фантастических фильмов
15 научных мифов в кино
Cracked.com 06.11.2013
А вот сочетание железа и кислорода не могло оставить следов в мантии, как показали эксперименты ученых. Поэтому возможно, что кислород мог стать одним из наиболее легких элементов в составе земного ядра.
Эти выводы подтверждают гипотезу о том, что кислород и кремний составляют основу легких элементов, растворенных в ядре Земли, говорит геофизик из Калифорнийского технологического института в Пасадене Джозеф О’Рурк (Joseph O’Rourke), не участвовавший в этом исследовании.
«Кислород и кремний в изобилии присутствуют в мантии, и нам известно, что при высокой температуре и под большим давлением они растворяются в железе, — сказал он. — Поскольку кислород и кремний гарантированно входят в состав ядра, у других кандидатов типа водорода и углерода шансов немного».
Шахар рассказала, что ее команда намерена повторить эксперимент с кремнием и серой, которые могут входить в состав ядра. Сейчас, когда им удалось показать, что давление способно влиять на фракционирование, этот коллектив хочет посмотреть на эффект от давления и температуры в их сочетании. Они полагают, что результаты могут отличаться от тех случаев, когда давление и температура используются поодиночке. «Свои эксперименты мы проводили на образцах твердого железа при комнатной температуре. Но при формировании ядра все было в расплавленном состоянии», — сказала Шахар.
Выводы из этих экспериментов могут иметь отношение к планетам, находящимся за пределами нашей Солнечной системы, говорят ученые. «Дело в том, что мы видим только поверхность или атмосферу экзопланет, — отметила Шахар. — Но как их внутренняя часть влияет на происходящее на поверхности? Ответ на этот вопрос повлияет на то, есть или нет жизнь на этой планете».
Материалы ИноСМИ содержат оценки исключительно зарубежных СМИ и не отражают позицию редакции ИноСМИ.
Внутреннее и внешнее ядро Земли
Внешнее и внутреннее ядро Земли
Внутри каждого космического объекта, который смог приобрести шарообразную форму, находится ядро — причем иногда не простое, а многослойное. На громадной глубине даже самые привычные вещества вроде железа приобретают необычные свойства — разрастаются в гигантские кристаллы, становятся жидкими или начинают генерировать электрический ток. Внешнее и внутреннее ядро Земли прекрасно демонстрирует все эти аномалии — а еще оно стало первым в истории защитником жизни на планете.
Путь к ядру
Изучать ядро достаточно непросто — поверхность Земли и его верхнюю кромку разделяют 2900 километров. Непросто пробуриться на такие глубины — чем ниже опускаться под землю, тем выше растет температура. В Кольской скважине, которая пока остается самой глубокой, на глубине в 12 километров накал достигал 220°C! Уже при таких температурах сложно работать не только электронике, но и самой аппаратуре — ведь ее надо как-то опустить в скважину, а потом вынуть обратно.
Кольская сверхглубокая скважина
Однако в ученых остался метод, позволяющий достаточно точно рассчитать плотность и объем ядра Земли — сейсмография. Колебания, исходящие от поверхностных слоев планеты — вибрации землетрясений или импульсы ядерных взрывов — распространяются не только по поверхности Земли, но и уходят глубоко в недра. Там они преломляются, увеличивая свою скорость прохождения — как преломляются световые волны, проходя через стекло или воду. Именно по тому, как изменяется сейсмическая волна при прохождении через планету, ученые сумели получить точные физические параметры ядра.
Схема движения сейсмических волн в теле Земли
Помогают геологам также различные косвенные признаки. Например, наблюдение за магнитным полем Земли позволяет отслеживать динамику вращения ядра. Ценные подсказки порой дает даже то, что совсем не предназначено для исследования глубин. Был случай, когда сбои в работе орбитального телескопа «Хаббл» позволили выявить изменение направления потоков в жидком внешнем ядре Земли, служащих причиной сдвига магнитных полюсов.
Структура и характеристики ядра
Путь к знаниям долгий и тернистый, но плоды их сладки. На сегодняшний день достоверно известны следующие физические характеристики ядра Земли:
Классические основные сферы Земли
Кроме того, новейшие исследования говорят о том, что внутри внутреннего ядра Земли лежит еще одно — «самое» внутреннее ядро, которое вращается вообще по другой оси. Давайте рассмотрим его и другие составляющие земного ядра подробнее.
Внешнее ядро
Самый первый слой ядра, который непосредственно контактирует с мантией — это внешнее ядро. Его верхняя граница находится на глубине 2,3 тысячи километров под уровнем моря, а нижняя — на глубине 2900 километров. По составу оно ничем не отличается от нижележащих оболочек — давления гравитации попросту недостаточно для того, чтобы раскаленный металл затвердел. Зато его жидкое состояние является главным козырем Земли в сравнении с другими внутренними планетами Солнечной системы.
Как работает геодинамо
Дело в том, что именно жидкая часть ядра ответственна за возникновение магнитного поля Земли. Как наверняка известно читателю, магнитосфера служит щитом планеты против заряженных частиц открытого космоса и солнечного ветра. Они даже более опасны, чем излучение — частицы способны вывести из строя не только живые организмы, но и электронику. Биологи считают, что именно активное магнитное поле стало залогом выживания первобытных одноклеточных существ.
Как именно генерируется магнитное поле? Его порождает вращение жидкого железа и никеля в ядре. Магнитные свойства металлов тут ни при чем — это исключительно динамический эффект. А еще внешнее ядро подогревает мантию — причем в отдельных местах настолько сильно, что восходящие потоки магмы достигают даже поверхности, вызывая извержения вулканов.
Внутреннее ядро
Высокое давление в центре Земли заставляет металл затвердевать при температурах, превышающих точку его кипения. При этом формируются необычные кристаллы, которые отличаются устойчивостью даже в обычных условиях. Считается, что внутреннее ядро представляет собой лес из многокилометровых кристаллов железа и никеля, которые направлены с юга на север. Для того чтобы проверить эту теорию, японские ученые потратили десять лет на создание особой алмазной наковальни — только в ней можно добиться такого давления и температуры, как в центре нашей планеты.
«Внутреннее» внутреннее ядро, или гипотетическая матрешка
Еще во время начальных исследований ядра при помощи сейсмических волн, геологи заметили необычное отклонение колебаний внутри ядра по направлению с востока на запад. Так как из-за своего вращения Земля шире на экваторе, чем на полюсах, сперва на это не обратили внимание. Но последующее изучение выявило, что центральная часть ядра может быть всего лишь очередной оболочкой.
Что представляет собой «внутреннее» внутреннее ядро? Скорее всего, оно состоит из тех же металлических кристаллов — но направленных уже не на север, а на запад. Пока что неясно, что вызывает такое расслоение. Однако ориентация кристаллов указывает на то, что тут не обошлось без гравитационных взаимодействий с Солнцем или Луной.
«Внутреннее» внутреннее ядро в строении Земли
Механизм формирования ядра
Ядром обладают все планеты Солнечной системы, как и полноценные, так и карликовые — от величественного газового гиганта Юпитера до отдаленной и холодной Седны. Параметры ядра разнятся от объекта к объекту — так, у Меркурия ядро занимает 60% массы и 80% объема планеты, когда радиус ядра Луны составляет скромные 350 километров от 1735 километров общего радиуса спутника.
Тем не менее создание ядра любого космического тела, даже звезды, обязано одному интересному гравитационному явлению — дифференциации недр. Когда планеты только начинают формироваться из газовых туч вокруг молодой звезды, их вещество собирается вокруг первичных ядер: больших камней, сгустков льда или пыли. Когда молодая планета набирает достаточную массу, в действие вступает гравитация, втягивающая массивные элементы вроде железа к центру объекта — тем самым более легкие вещества, как вот кремний или кислород, выталкиваются на поверхность.
Земля во время активной аккреции в представлении художника
Во время этих перемещений выделяется громадное количество энергии, из-за которой планета расплавляется, а гравитация придает ей характерную сферическую форму. Тем самым процесс перемещения тяжелых веществ ускоряется. Астероиды, масса которых недостаточна для плавления, так и остались кучками пыли и камней, сбитыми вместе.
А все тяжелые элементы, которые ушли вглубь — в первую очередь железо и никель — сформировали центр планеты. Ядро Земли прошло весь долгий путь от пыли на орбите новорожденного Солнца до многослойного металлического шара — и сегодня оно греет и защищает нашу планету изнутри.
Похожие статьи
Понравилась запись? Расскажи о ней друзьям!