Почему земное ядро не остывает? Образование земного ядра.

Земное ядро включает в себя два слоя с пограничной зоной между ними: внешняя жидкая оболочка ядра достигает толщины в 2266 километров, под ней расположено массивное плотное ядро, диаметр которого по подсчетам достигает 1300 км. Переходная зона имеет неоднородную толщину и постепенно затвердевает, переходя во внутреннее ядро. На поверхности верхнего слоя температура находится в районе 5960 градусов по Цельсию, хотя эти данные считаются приблизительными.

Примерный состав внешнего ядра и методы его определения

О составе даже внешнего слоя земного ядра до сих пор известно очень мало, так как ни представляется возможным добыть образцы для изучения. Основные элементы, из которых может состоять внешнее ядро нашей планеты, - железо и никель. К такой гипотезе ученые пришли в результате анализа состава метеоритов, поскольку скитальцы из космоса представляют собой обломки ядер астероидов и других планет.

Тем не менее метеориты нельзя считать абсолютно точно совпадающими по химическому составу, так как исходные космические тела были намного меньше Земли по размеру. После долгих исследований ученые пришли к выводу, что жидкая часть ядерного вещества сильно разбавлена другими элементами, в том числе серой. Это объясняет ее более низкую плотность, чем у железоникелевых сплавов.

Что происходит на внешней части ядра планеты?

Внешняя поверхность ядра на границе с мантией неоднородна. Ученые предполагают, что она имеет разную толщину, образуя своеобразный внутренний рельеф. Это объясняется постоянным смешиванием разнородных глубинных веществ. Они различны по химическому составу, а также имеют разную плотность, поэтому толщина границы между ядром и мантией может варьироваться от 150 до 350 км.

Фантасты прежних лет в своих произведениях описывали путешествие к центру Земли через глубокие пещеры и подземные переходы. Возможно ли это на самом деле? Увы, давление на поверхности ядра превышает 113 миллионов атмосфер. Это значит, что любая пещера наглухо «захлопнулась» бы еще на этапе приближения к мантии. Это объясняет, почему на нашей планете нет пещер глубже хотя бы 1 км.

Как изучают внешний слой ядра?

О том, как выглядит и из чего состоит ядро, ученые могут судить, отслеживая сейсмоактивность. Так, к примеру, было выяснено, что внешний и внутренний слой вращаются в разных направлениях под действием магнитного поля. Ядро Земли таит еще десятки неразгаданных тайн и ждет новых фундаментальных открытий.

Почему земное ядро не остывает и остается разогретым до температуры приблизительно 6000°C на протяжении уже 4,5 млрд лет? Вопрос крайне сложный, на который к тому же наука не может дать на 100% точный вразумительный ответ. Однако на это есть объективные причины.

Излишняя таинственность

Излишняя, так сказать, таинственность земного ядра связана с двумя факторами. Во-первых, никто достоверно не знает как, когда и при каких обстоятельствах оно сформировалось, - происходило это во время формирования протоземли либо уже на ранних стадиях существования сформированной планеты - все это большая загадка. Во-вторых, образцы из земного ядра достать абсолютно невозможно - наверняка никто не знает из чего оно состоит. Более того, все данные, которые нам известны о ядре собраны по косвенным методам и моделям.

Почему ядро Земли остается горячим?

Чтобы попытаться понять почему земное ядро не остывает на протяжении столь длительного времени нужно для начала разобраться за счет чего оно нагрелось изначально. Недра нашей как и любой другой планеты неоднородны, они представляют собой относительно четко разграниченные слои разной плотности. Но так было не всегда: тяжелые элементы медленно опускались вниз, формируя внутренне и внешнее ядро, легкие - вытеснялись на верх, образуя мантию и земную кору. Этот процесс протекает предельно медленно и сопровождается выделением тепла. Однако основной причиной нагрева было не это. Вся масса Земли с огромной силой давит на ее центр, продуцируя феноменальное давление в приблизительно 360 ГПа (3,7 млн атмосфер) в результате чего начал происходить распад радиоактивных долгоживущих элементов, содержащихся в железно-кремниево-никелевом ядре, что и сопровождалось колоссальными выбросами тепла.

Дополнительным источником нагрева служит кинетическая энергия, генерируемая в результате трения между различными слоями (каждый слой вращается независимо от другого): внутреннего ядра с внешним и внешнего с мантией.

Недра планеты (пропорции не соблюдены). Трение между собой трех внутренних слоев служит дополнительным источником нагрева.

Исходя из выше изложенного, можно сделать вывод, что Земля и в частности ее недра являются самодостаточной машиной, которая сама себя отапливает. Но вечно так естественно продолжаться не может: запасы радиоактивных элементов внутри ядра медленно исчезают и больше не чему будет поддерживать температуру.

Оно остывает!

Вообще-то процесс остывания уже начался очень давно, но протекает он крайне медленно - по доле градуса в столетие. По приблизительным подсчетам до полного остывания ядра и прекращения в нем химических и др. реакций пройдет не меньше 1 миллиарда лет.

Короткий ответ: Земля и в частности земное ядро - это самодостаточная машина, которая сама себя отапливает. Вся масса планеты давит на ее центр, продуцируя феноменальное давление и запуская тем самым процесс распада радиоактивных элементов, в результате чего и выделяется тепло.

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.

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.

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.