Мощностью около 2200 км, между которыми иногда выделяется переходная зона. Масса ядра - 1,932 10 24 кг.
Известно о ядре очень мало - вся информация получена косвенными геофизическими или геохимическими методами, и образы вещества ядра не доступны, и вряд ли будут получены в обозримом будущем. Однако фантасты уже несколько раз в подробностях описали путешествия к ядру Земли и несметные богатства там таящиеся. Надежда на сокровища ядра имеет под собой некоторые основания, так как согласно современным геохимическим моделям в ядре относительно велико содержание благородных металлов и других ценных элементов.
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 немецким сейсмологом Э. Вихертом, а глубина залегания (2900 км) определена в 1910 американским геофизиком Б. Гутенбергом.
Аналогичные расчеты можно сделать для металлических метеоритов, которые являются фрагментами ядер мелких планетарных тел. Оказалось, что в них формирования ядра происходило значительно быстрее, за время порядка нескольких миллионов лет.
Теория Сорохтина и Ушакова
Описанная модель не является единственной. Так по модели Сорохтина и Ушакова, изложенной в книге "Развитие Земли" процесс формирования земного ядра растянулся приблизительно на 1,6 млрд лет (от 4 до 2,6 млрд лет назад). По мнению авторов образование ядра происходило в два этапа. Сначала планеты была холодной, и в её глубинах не происходило никаких движений. Затем она прогрелось радиоактивным распадом достаточно для того, чтобы начало плавиться металлическое железо. Оно стало стекаться к центру земли, при этом за счет гравитационной дифференциации выделялось большое количество тепла, и процесс отделения ядра только ускорялся. Этот процесс шел только до некоторой глубины, ниже которой вещество было такое вязкое, что железо погружаться уже не могло. В результате образовался плотный (тяжелый) кольцевой слой расплавленного железа и его окиси. Он располагался над более легким веществом первозданной “сердцевины” Земли.
Уронив ключи в поток расплавленной лавы, попрощайся с ними, потому что, ну, чувак, они – всё.
- Джек Хэнди
Взглянув на нашу родную планету, можно заметить, что 70% её поверхности покрыто водой.
Мы все знаем, отчего это так: потому что океаны Земли всплывают над камнями и грязью, из которых состоит суша. Концепция плавучести, при которой менее плотные объекты всплывают над более плотными, погружающимися ниже, объясняет гораздо больше, чем просто океаны.
Тот же принцип, объясняющий, почему лёд плавает в воде, шар с гелием поднимается в атмосфере, а камни тонут в озере, объясняет, почему слои планеты Земля устроены именно так.
Наименее плотная часть Земли, атмосфера, плавает над водными океанами, которые плавают над земной корой, которая находится над более плотной мантией, которая не тонет в самую плотную часть Земли: в ядро.
В идеале самым стабильным состоянием Земли было бы такое, которое идеально распределялось бы на слои, на манер луковицы, и самые плотные элементы были в центре, а по мере продвижения наружу каждый последующий слой состоял бы из менее плотных элементов. И каждое землетрясение, на самом-то деле, двигает планету по направлению к этому состоянию.
И это объясняет строение не только Земли, но и всех планет, если вспомнить, откуда эти элементы взялись.
Когда Вселенная была молодой – возрастом всего в несколько минут – в ней существовали только водород и гелий. Все более тяжёлые элементы создавались в звёздах, и только когда эти звёзды погибли, тяжёлые элементы вышли во Вселенную, позволяя формироваться новым поколениям звёзд.
Но на этот раз смесь всех этих элементов – не только водорода с гелием, но и углерода, азота, кислорода, кремния, магния, серы, железа и других – формирует не только звезду, но и протопланетный диск вокруг этой звезды.
Давление изнутри наружу в формирующейся звезде выталкивает более лёгкие элементы, а гравитация приводит к тому, что неравномерности в диске коллапсируют и формируют планеты.
В случае Солнечной системы четыре внутренних мира являются самыми плотными из всех планет системы. Меркурий состоит из самых плотных элементов, которые не смогли удержать большое количество водорода и гелия.
Другие планеты, более массивные и более удалённые от Солнца (а следовательно, получающие меньше его излучения), смогли удержать больше этих ультралёгких элементов – так сформировались газовые гиганты.
У всех миров, как и на Земле, в среднем самые плотные элементы сосредоточены в ядре, а лёгкие формируют всё менее плотные слои вокруг него.
Неудивительно, что железо, самый стабильный элемент, и самый тяжёлый элемент, создаваемый в больших количествах на границе сверхновых, и есть самый распространённый элемент земного ядра. Но возможно, удивительным будет то, что между твёрдым ядром и твёрдой мантией находится жидкий слой толщиной более 2000 км: внешнее ядро Земли.
У Земли есть толстый жидкий слой, содержащий 30% массы планеты! А узнали мы о его существовании довольно остроумным методом - благодаря сейсмическим волнам, происходящим от землетрясений!
В землетрясениях рождаются сейсмические волны двух типов: основная компрессионная, известная, как Р-волна , проходящая продольным путём
И вторая сдвиговая волна, известная, как S-волна , похожая на волны на поверхности моря.
Сейсмические станции по всему миру способны улавливать Р- и S-волны, но S-волны не проходят через жидкость, а Р-волны не только проходят через жидкость, но и преломляются!
В результате можно понять, что у Земли есть жидкое внешнее ядро, вне которого находится твёрдая мантия, а внутри – твёрдое внутреннее ядро! Вот поэтому в ядре Земли содержатся самые тяжёлые и плотные элементы, и так мы знаем, что внешнее ядро – это жидкий слой.
Но почему внешнее ядро жидкое? Как и все элементы, состояние железа, твёрдое, жидкое, газообразное, или другое, зависит от давления и температуры железа.
Железо – элемент более сложный, чем многие привычные вам. Конечно, у него могут быть разные кристаллические твёрдые фазы, как указано на графике, но нас не интересуют обычные давления. Мы спускаемся к ядру земли, где давления в миллион раз превышают давление на уровне моря. А как выглядит фазовая диаграмма для таких высоких давлений?
Прелесть науки в том, что даже если у вас сразу нет ответа на вопрос, есть вероятность, что кто-то уже делал нужное исследование, в котором можно найти ответ! В этом случае, Аренс, Коллинз и Чен в 2001 году нашли ответ на наш вопрос.
И хотя на диаграмме показаны гигантские давления до 120 ГПа, важно помнить, что давление атмосферы составляет всего лишь 0.0001 ГПа, в то время как во внутреннем ядре давления достигают 330-360 ГПа. Верхняя сплошная линия показывает границу между плавящимся железом (вверху) и твёрдым (внизу). Вы обратили внимание, как сплошная линия в самом конце совершает крутой поворот вверх?
Для того, чтобы железо плавилось при давлении 330 ГПа, требуется огромная температура, сравнимая с той, что преобладает на поверхности Солнца. Эти же температуры при меньших давлениях легко будут поддерживать железо в жидком состоянии, а при более высоких – в твёрдом. Что это означает с точки зрения ядра Земли?
Это означает, что с охлаждением Земли падает её внутренняя температура, а давление остаётся неизменным. То есть, при формировании Земли, скорее всего, жидкой было всё ядро, и по мере охлаждения внутреннее ядро растёт! И в процессе этого, поскольку у твёрдого железа плотность выше, чем у жидкого, Земля потихоньку сжимается, что приводит к землетрясениям!
Так что, ядро Земли жидкое, поскольку оно достаточно горячее, чтобы расплавить железо, но только в регионах с достаточно низким давлением. По мере старения и охлаждения Земли всё большая часть ядра становится твёрдой, и поэтому Земля немного сжимается!
Если мы захотим заглянуть далеко в будущее, мы можем ожидать появления таких же свойств, какие наблюдаются у Меркурия.
Меркурий благодаря малому размеру уже значительно охладился и сжался, и обладает разломами длиной в сотни километров, появившимися из-за необходимости сжатия благодаря охлаждению.
Так почему у Земли жидкое ядро? Потому, что она ещё не охладилась. И каждое землетрясение – это небольшое приближение Земли к конечному, остывшему и насквозь твёрдому состоянию. Но не волнуйтесь, задолго до этого момента взорвётся Солнце, и все, кого вы знаете, будут уже очень давно мертвы.
Ядро Земли – внутренняя геосфера Земли со средним диаметром 3470 км, расположенная на средней глубине около 2900 км. Делится на твердое внутреннее ядро диаметром около 1300 км и жидкое внешнее ядро мощностью около 2200 км, между которыми иногда выделяется 250 км переходная зона жидкости повышенной плотности. Вероятно состоит из железо-никелевого сплава с примесью других сидерофильни элементов. Температура в центре ядра Земли достигает 5000 ° C, плотность около 12,5 т / м, давление до 361 ГПа. Масса ядра – 1932 x 10 24 кг.Сведений о ядре очень мало – вся информация получена косвенными геофизическими или геохимическими методами, образцы вещества ядра не доступны, и вряд ли будут получены в ближайшем будущем.
История исследования
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 гораздо больше, чем плотность характерна для пород, выходящих на земную поверхность.
Существование ядра было доказано в 1897 году немецким сейсмологом Э. Вихерт за наличия эффекта так называемой «сейсмической тени». В 1910 году за резким скачком скоростей продольных сейсмических волн американским геофизиком Б. Гутенбергом была определена глубина залегания его поверхности – 2900 км.
Основатель геохимии В. М. Гольдшмидт (нем. Victor Moritz Goldschmidt (1888-1947) в 1922 году предположил, что ядро образовалось путем гравитационной дифференциации первичной Земли в период ее роста или в более поздние периоды. Альтернативную гипотезу, что железное ядро возникло еще в протопланетного облака, развивали немецкий ученый А. Эйкен (1944), американский ученый Э. Орован и советский ученый А. П. Виноградов (60-70-е годы).
В 1941 году Кун и Ритман, основываясь на гипотезе идентичности химического состава Солнца и Земли и на расчетах фазового перехода в водороде, предположили, что земное ядре состоит из металлического водорода. Эта гипотеза не прошла экспериментальную проверку. Эксперименты с ударного сжатия показали, что плотность металлического водорода примерно на порядок меньше, чем плотность ядра. Однако эта гипотеза позже была адаптирована для объяснения строения планет-гигантов – Юпитера, Сатурна и т.д. Современной наукой вважааеться, которые магнитное поле 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 давлении 1,36 MБар мантийные силикаты переходят в жидкую металлическую фазу (металлизированное силикатное ядро).
Состав ядра
Состав ядра может быть оценен лишь из нескольких источников.
Наиболее близкими веществу ядра считаются образцы железных метеоритов, которые являются фрагментами ядер астероидов и протопланет. Однако железные метеориты не эквивалентны веществу земного ядра, так как они образовались в гораздо меньших телах, т.е. при других физико-химических параметрах.
Из данных гравиметрии известна плотность ядра, ограничивающий дополнительно компонентный состав. Так как плотность ядра примерно на 10% меньше, чем плотность сплавов железо-никель, то соответственно ядро Земли содержит больше легких элементов, чем железные метеориты.
Исходя из геохимических соображений, рассчитывая первичный состав Земли и вычисляя долю элементов, находящихся в других геосферах, можно построить приблизительную оценку состав ядра. Помощь в таких вычислениях оказывают высокотемпературные и високобарични эксперименты по распределению элементов между расплавленным железом и силикатными фазами.
Образование земного ядра
Время формирования
Образование ядра – ключевой момент истории Земли. Для определения возраста этого события были использованы следующие соображения:
В веществе, из которого образовалась Земля, был изотоп 182 Hf, который имеет период полураспада 9 млн лет и превращается в изотоп 182 W. Гафний являются литофильных элементов, т.е. при разделении первичного вещества Земли на силикатный и металлическую фазы он преимущественно сконцентрировался в силикатной фазе, а вольфрам – сидерофильных элемент, и сконцентрировался в металлической фазе. В металлическом ядре Земли соотношение Hf / W близко к нулю, тогда как в силикатной оболочке это отношение близко 15.
Из анализа нефракцийованих хондритов и железных метеоритов известно первичное соотношение изотопов гафния и вольфрама.
Если ядро образовалось через время много больше, чем период полураспада 182 Hf, то он бы успел почти полностью превратиться в 182 W, и изотопный состав вольфрама в силикатной части Земли и ее ядре был бы одинаковый, такой же как и в хондритах.
Если ядро формировалось пока 182 Hf еще не распался, то силикатный оболочка Земли должна содержать некоторый излишек 182 W по сравнению с хондритов, что реально и наблюдается.
Основываясь на этой модели разделения металлической и силикатной части Земли, расчеты показали, что ядро сформировалось за время меньше 30 млн лет, с момента образования в Солнечной системе первым твердых частиц. Аналогичные расчеты можно сделать для металлических метеоритов, которые являются фрагментами ядер мелких планетарных тел. В них формирования ядра происходило значительно быстрее – за несколько миллионов лет. Возраст внутреннего твердого ядра оценивается в 2-4 млрд лет.
Теория Сорохтина – Ушакова
Согласно модели Сорохтина – Ушакова, процесс формирования земного ядра растянулся приблизительно на 1,6 млрд. лет (от 4 до 2,6 млрд. лет назад). По мнению авторов формирования земного ядра происходило в два этапа. Сначала планета была холодной, и в ее глубинах не происходило никаких движений. Затем она прогрелась энергией радиоактивного распада до начала плавки металлического железа, которое стало проникать к центру Земли. При этом за счет гравитационной дифференциации выделялось большое количество тепла, и процесс отделения ядра только ускорялся. Этот процесс шел только до глубины, ниже которой вещество, из сверхвысокое давление, становилась настолько вязким, что железо глубже погружаться уже не могло. В результате образовался плотный кольцевой слой расплавленного железа и его окиси. Он располагался над более легким веществом первородной «сердцевины» Земли. Позже состоялось выдавливания силикатного вещества из центра Земли на экваторе, что и привело асимметрию планеты.
Механизм формирования земного ядра
О механизме образования ядра известно очень мало. Согласно различным оценкам формирование происходило при давлении и температуре близкой, той, что сейчас царит в верхнем и среднем мантии, а не в планетозималях и астероидах. Это значит что при аккреции Земли происходила ее новая гомогенизация.
Механизм постоянного обновления внутреннего ядра
Ряд исследований последних лет показал аномальные свойства земного ядра – было установлено, что сейсмические волны пересекают восточную часть ядра быстрее западную. Классические модели предполагают, что внутреннее ядро нашей планеты – образование симметричное, однородное и практически стабильное, медленно растет за счет застывания вещества внешнего ядра. Однако внутреннее ядро довольно динамичная структура.
Группа исследователей из университетов Жозефа Фурье (фр. Universite Joseph Fourier)
и Лиона (фр. Universite de Lyon)
выдвинула предположение, что внутреннее ядро Земли постоянно кристаллизуется на западе и плавится на востоке. Геометрический центр внутреннего ядра смещен относительно центра Земли. Части ядра на западе и востоке имеют разную температуру, что приводит к одностороннему плавления и кристаллизации. Приводит в движение всю масса внутреннего ядра, медленно смещается от западной стороны к восточной, где разрушаясь твердое вещество пополняет состав жидкой оболочки со скоростью 1,5 см / год. Т.е. полная переплав за 100 млн лет. Разница в соотношении легких и тяжелых элементов на западе и востоке ядра закономерно приводит и к разнице скоростей сейсмических волн.
Столь мощные процессы затвердевания и плавления, не могут не сказаться на конвективных потоках во внешнем ядре. Они затрагивают планетарную динамо-машину, земное магнитное поле, поведение мантии и движение материков. Гипотеза объясняет несовпадение скорости вращения ядра и остальных планеты, ускоренный сдвиг магнитных полюсов.
В какие незапамятные времена это происходило? Все эти вопросы давно уже волновали человечество. А многим ученым хотелось поскорее узнать, что там, в глубине? Но оказалось, что изучить все это не так уж и легко. Ведь и сегодня, имея все современные приспособления для проведения всевозможных исследований, человечеству под силу пробурить скважины в недра всего лишь на каких-то пятнадцать километров - не более. А для полноценных и всесторонних опытов нужная глубина должна быть на порядок больше. Поэтому научным работникам и приходится вычислять, как образовалось ядро Земли, при помощи разнообразных высокоточных приборов.
Изучение Земли
Еще с древних времен люди изучали горные породы, обнаженные естественным путем. Обрывы и склоны гор, крутые берега рек и морей... Здесь воочию можно наблюдать существовавшие, наверное, миллионы лет назад. А в некоторых подходящих местах пробуриваются скважины. Одна из таких - на Ее глубина - пятнадцать тысяч метров. Шахты, которые люди прорывают для также помогают изучать внутреннее Ядро, конечно же, они «достать» не могут. Но зато из этих шахт и скважин ученые могут извлекать образцы породы, узнавая таким способом об их изменении и происхождении, строении и составах. Минус этих методов в том, что они способны исследовать только сушу и только верхнюю часть коры Земли.
Воссоздание условий в ядре Земли
А вот бесконтактно проникать все глубже и глубже ученым помогают геофизика и сейсмология - науки о землетрясениях и геологическом составе планеты. При помощи изучения сейсмических волн и их распространения выясняется, из чего состоит и мантия, и ядро (определяется аналогично, например, с составом упавших метеоритов). Подобные знания базируются на полученных данных - косвенных - о физических свойствах веществ. Также сегодня изучению способствуют и современные данные, получаемые с искусственных спутников, находящихся на орбите.
Строение планеты
Ученым удалось понять, обобщив полученные данные, что строение Земли является сложным. Она состоит как минимум из трех неравнозначных частей. В центре находится небольшое ядро, которое окружает огромная мантия. Мантия занимает примерно пять шестых всего объема Земного шара. А сверху все покрывает довольно тонкая наружная кора Земли.
Строение ядра
Ядро - это центральная, серединная часть. Она делится на несколько слоев: внутренний и внешний. По мнению большинства современных ученых, внутреннее ядро является твердым, а внешнее - жидкостным (пребывает в расплавленном состоянии). А еще ядро очень тяжелое: оно весит больше трети массы всей планеты при объеме чуть более 15-ти. В ядре температура довольно высока, она составляет от 2000 до 6000 градусов по Цельсию. По предположениям науки, центр Земли состоит из железа и никеля в основном. Радиус этого тяжелого сегмента - 3470 километров. А площадь его поверхности составляет около 150 миллионов квадратных километров, что примерно равно площади всех материков на поверхности Земли.
Как образовалось ядро Земли
Информации о ядре нашей планеты очень мало, и она может быть получена только косвенным путем (отсутствуют образцы пород ядра). Поэтому и теории могут быть высказаны лишь гипотетически о том, как образовалось ядро Земли. История Земли насчитывает миллиарды лет. Большинство ученых придерживается теории, что вначале планета формировалась как довольно однородная. Процесс выделения ядра начался позднее. А состав его - никель и железо. Как образовалось ядро Земли? Расплав этих металлов постепенно опускался к центру планеты, формируя ядро. Это происходило за счет большего удельного веса расплава.
Альтернативные теории
Существуют и противники данной теории, приводящие свою, вполне резонную аргументацию. Во-первых, эти ученые ставят под сомнение факт прохождения сплава железа и никеля в центр ядра (а это более 100 километров). Во-вторых, если предположить выделение никеля и железа из силикатов, подобных метеоритным, то должна была произойти и соответствующая реакция восстановления. Она, в свою очередь, должна была сопровождаться выделением огромного количества кислорода, образуя атмосферное давление в несколько сот тысяч атмосфер. А свидетельства о существовании в прошлом Земли такой атмосферы отсутствуют. Потому и были выдвинуты теории об изначальном образовании ядра при формировании всей планеты.
В 2015 оксфордские ученые и вовсе предложили теорию, согласно которой ядро планеты Земля состоит из урана и имеет радиоактивность. Это косвенно доказывает и столь продолжительное существование магнитного поля у Земли, и тот факт, что в нынешние времена наша планета излучает намного больше тепла, чем предполагалось предыдущими научными гипотезами.
