Что внутри ядра земли
Откуда мы знаем, что находится в ядре Земли?
Люди заполнили Землю. Мы завоевывали земли, летали по воздуху, ныряли в глубины океана. Мы даже побывали на Луне. Но мы никогда не были в ядре планеты. Мы даже и близко к нему не подобрались. Центральная точка Земли находится в 6000 километрах внизу, и даже самая дальняя часть ядра находится в 3000 километрах под нашими ногами. Самая глубокая дыра, которую мы сделали на поверхности — это Кольская сверхглубокая скважина в России, да и то она уходит вглубь земли на жалкие 12,3 километра.
Все известные события на Земле происходят близко к поверхности. Лава, которая извергается из вулканов, сначала плавится на глубине нескольких сотен километров. Даже бриллианты, которым необходимо чрезвычайное тепло и давление для образования, рождаются в породах на глубине не более 500 километров.
Все, что ниже, окутано тайной. Кажется недостижимым. И все же мы знаем довольно много интересного о нашем ядре. У нас даже есть некоторое представление о том, как оно сформировалось миллиарды лет назад — и все без единого физического образца. Как же нам удалось узнать так много о ядре Земли?
Для начала нужно хорошо подумать о массе Земли, говорит Саймон Редферн из Кембриджского университета в Великобритании. Мы можем оценить массу Земли, наблюдая за эффектом гравитации планеты, который она оказывает на объекты на поверхности. Выяснилось, что масса Земли составляет 5,9 секстиллиона тонн: это 59 с двадцатью нулями.
Но на поверхности нет признаков такой массы.
«Плотность материала на поверхности Земли намного ниже, чем средняя плотность всей Земли, что говорит нам о том, что есть что-то более плотное, — говорит Редферн. — Это первое».
По существу, большая часть земной массы должна быть расположена по направлению к центру планеты. Следующим шагом будет выяснить, из каких тяжелых материалов состоит ядро. И оно состоит почти полностью из железа. 80% ядра — это железо, однако точную цифру еще придется выяснить.
Главным доказательством этого является огромное количество железа во Вселенной вокруг нас. Это один из десяти самых распространенных элементов в нашей галактике, который также часто встречается в метеоритах. При всем этом на поверхности Земли намного меньше железа, чем можно было бы ожидать. Согласно теории, когда Земли образовалась 4,5 миллиарда лет назад, много железа утекло вниз к ядру.
Там сосредоточена большая часть массы, а значит, и железо должно там быть. Железо также относительно плотный элемент при нормальных условиях, а под сильным давлением в ядре Земли оно будет еще плотнее. Железное ядро могло бы объяснить всю недостающую массу.
Но погодите. Как железо вообще там оказалось? Железо должно было каким-то образом притянуться — в буквальном смысле — к центру Земли. Но сейчас этого не происходит.
Большая часть остальной Земли состоит из горных пород — силикатов — и расплавленное железо с трудом через них проходит. Подобно тому, как вода на жирной поверхности образует капли, железо собирается в небольших резервуарах, отказываясь растекаться и разливаться.
Возможное решение было обнаружено в 2013 году Венди Мао из Стэнфордского университета и ее коллегами. Они задались вопросом, что происходит, когда железо и силикат подвергаются сильному давлению глубоко в земле.
Плотно сжимая оба вещества при помощи алмазов, ученым удалось протолкнуть расплавленное железо через силикат. «Это давление существенно изменяет свойства взаимодействия железа с силикатами, — говорит Мао. — При высоком давлении образуется «сеть плавления».
В этот момент вы можете спросить: откуда мы, собственно, знаем размер ядра? Почему ученые считают, что оно начинается в 3000 километрах? Ответ один: сейсмология.
Когда происходит землетрясение, оно посылает ударные волны по всей планете. Сейсмологи записывают эти колебания. Будто бы мы бьем по одной стороне планеты гигантским молотом и прислушиваемся к шуму на другой стороне.
«В 1960-х годах произошло землетрясение в Чили, которое дало нам огромное количество данных, — говорит Редферн. — Все сейсмические станции по всей Земле записывали толчки этого землетрясения».
В зависимости от маршрута этих колебаний, они проходят через разные участки Земли, и это влияет на то, какой «звук» они издают на другом конце.
В начале истории сейсмологии стало очевидно, что некоторые колебания пропали без вести. Эти «S-волны» ожидали увидеть на другом конце Земли после происхождения на одном, но не увидели. Причина этому простая. S-волны реверберируют через твердый материал и не могут проходить через жидкость.
Должно быть, они столкнулись с чем-то расплавленным в центре Земли. Составив карту путей S-волн, ученые пришли к выводу, что на глубине примерно 3000 километров породы становятся жидкими. Это также говорит о том, что все ядро расплавленное. Но у сейсмологов был и другой сюрприз в этой истории.
Идея Леман была подтверждена в 1970 году, когда более чувствительные сейсмографы показали, что P-волны действительно проходят через ядро и, в некоторых случаях, отражаются от него под некоторыми углами. Неудивительно, что в конце концов они оказываются на другой стороне планеты.
Конкурирующие страны узнавали о ядерном потенциале друг друга и параллельно с этим мы узнавали все больше и больше о ядре Земли. Сейсмология до сих пор используется для обнаружения ядерных взрывов сегодня.
Вопросов от этого не становится меньше, особенно на тему внутреннего ядра. К примеру, насколько оно горячее? Выяснить это оказалось не так-то просто, и ученые долгое время ломали голову, говорит Лидунка Вокадло из Университетского колледжа Лондона в Великобритании. Мы не можем засунуть туда термометр, поэтому единственный возможный вариант — это создать нужное давление в лабораторных условиях.
В 2013 году группа французских ученых произвели лучшую оценку на сегодняшний день. Они подвергли чистое железо давлению в половину того, что имеется в ядре, и отталкивались уже от этого. Температура плавления чистого железа в ядре составляет примерно 6230 градусов. Присутствие других материалов может немного снизить точку плавления, до 6000 градусов. Но это все равно горячее, чем на поверхности Солнца.
Будучи своего рода поджаренной картошкой в мундире, ядро Земли остается горячим, благодаря теплу, оставшемуся от образования планеты. Оно также извлекает тепло из трения, возникающего по мере движения плотных материалов, а также распада радиоактивных элементов. Остывает оно примерно на 100 градусов по Цельсию каждый миллиард лет.
Знать эту температуру полезно, поскольку она влияет на скорость прохождения колебаний через ядро. И это удобно, потому что в этих вибрациях есть что-то странное. P-волны проходят неожиданно медленно через внутреннее ядро — медленнее, чем если бы оно состояло из чистого железа.
«Скорости волн, которые сейсмологи измерили в землетрясениях, значительно ниже, чем показывает эксперимент или компьютерный расчет, — говорит Вокадло. — Никто пока не знает, почему так».
Очевидно, к железу примешивается другой материал. Возможно, никель. Но ученые посчитали, как сейсмические волны должны проходить через железо-никелевый сплав, и не смогли подогнать расчеты под наблюдения.
Вокадло и ее коллеги в настоящее время рассматривают возможность присутствия в ядре других элементов, например, серы и кремния. Пока никто не смог придумать теорию состава внутреннего ядра, которая удовлетворила бы всех. Проблема Золушки: туфелька никому не подходит. Вокадло пытается экспериментировать с материалами внутреннего ядра на компьютере. Она надеется найти комбинацию материалов, температур и давления, которые будут замедлять сейсмические волны на правильную величину.
«Если этот эффект реален, мы могли бы примирить результаты минеральной физики с результатами сейсмологии, — говорит Вокадло. — Люди пока не могут этого сделать».
Существует еще много загадок, связаных с ядром Земли, которые еще предстоит решить. Но не имея возможности погрузиться на эти невообразимые глубины, ученые совершают подвиг, выясняя, что находится в тысячах километров под нами. Скрытые процессы недр Земли чрезвычайно важно изучать. У Земли есть мощное магнитное поле, которое генерируется благодаря частично расплавленному ядру. Постоянное движение расплавленного ядра порождает электрический ток внутри планеты, и он, в свою очередь, генерирует магнитное поле, которое уходит далеко в космос.
Это магнитное поле защищает нас от вредного солнечного излучения. Не будь ядро Земли таким, каким оно является, не было бы магнитного поля, а мы бы серьезно от этого страдали. Вряд ли кто-нибудь из нас сможет увидеть ядро своими глазами, но хорошо просто знать, что оно там есть.
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!
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.
Внутреннее строение Земли. Мир удивительных тайн в одной статье
Внутреннее строение Земли
Планета Земля состоит из трех основных слоев: земной коры, мантии и ядра. Можно сравнить земной шар с яйцом. Тогда яичная скорлупа будет представлять собой земную кору, яичный белок — мантию, а желток — ядро.
Земная кора
Земная кора — это каменная оболочка, которая покрывает всю поверхность нашей планеты. Под океанами ее толщина не превышает 15-ти километров, а на материках — 75-ти. Если вернуться к аналогии с яйцом, то земная кора по отношению ко всей планете тоньше, чем яичная скорлупа. На долю этого слоя Земли приходится всего 5% объема и менее 1% массы всей планеты.
В составе земной коры ученые обнаружили оксиды кремния, щелочных металлов, алюминия и железа. Кора под океанами состоит из осадочного и базальтового слоев, она тяжелее континентальной (материковой). В то время как оболочка, покрывающая континентальную часть планеты, имеет более сложное строение.
Выделяют три слоя континентальной земной коры:
осадочный (10-15 км в основном осадочных пород);
гранитный (5-15 км метаморфических пород, по свойствам схожих с гранитом);
базальтовый (10-35 км магматических пород).
Мантия
Под мантией, словно под покрывалом, располагается земное ядро. Оно находится в 2900 км от поверхности планеты. Ядро имеет форму шара радиусом около 3500 км. Поскольку людям еще не удалось добраться до ядра Земли, о его составе ученые строят догадки. Предположительно, ядро состоит из железа с примесью других элементов. Это самая плотная и тяжелая часть планеты. На нее приходится всего 15% объема Земли и аж 35% массы.
Считается, что ядро состоит из двух слоев — твердого внутреннего ядра (радиусом около 1300 км) и жидкого внешнего (около 2200 км). Внутреннее ядро словно бы плавает во внешнем жидком слое. Из-за этого плавного движения вокруг Земли образуется ее магнитное поле (именно оно защищает планету от опасных космических излучений, и на него реагирует стрелка компаса). Ядро — самая горячая часть нашей планеты. Долгое время считалось, что температура его достигает, предположительно, 4000-5000°C. Однако в 2013 году ученые провели лабораторный эксперимент, в ходе которого определили температуру плавления железа, которое, вероятно, входит в состав внутреннего земного ядра. Так выяснилось, что температура между внутренним твердым и внешним жидким ядром равна температуре поверхности Солнца, то есть около 6000 °C.
Строение нашей планеты — одна из множества неразгаданных человечеством тайн. Большая часть информации о нем получена косвенными методами, еще ни одному ученому не удалось добыть образцы земного ядра. Изучение строения и состава Земли по-прежнему сопряжено с непреодолимыми трудностями, но исследователи не сдаются и ищут новые способы добыть достоверные сведения о планете Земля.
Методические рекомендации
При изучении темы «Внутреннее строение Земли» у учащихся могут возникать трудности с запоминанием названий и очередности слоев земного шара. Латинские наименования будет намного легче запомнить, если дети создадут собственную модель Земли. Можно предложить ученикам выполнить модель земного шара из пластилина или рассказать о его устройстве на примере фруктов (кожура — земная кора, мякоть — мантия, косточка — ядро) и предметов, имеющих схожую структуру. Поможет в проведении урока учебник География. 5-6 классы О.А.Климановой, где вы найдете красочные иллюстрации и подробные сведения по теме.