Чому земне ядро ​​не остигає? Освіта земного ядра.

Земне ядро ​​включає два шари з прикордонною зоною між ними: зовнішня рідка оболонка ядра досягає товщини в 2266 кілометрів, під нею розташоване масивне щільне ядро, діаметр якого за підрахунками досягає 1300 км. Перехідна зона має неоднорідну товщину і поступово твердне, переходячи у внутрішнє ядро. На поверхні верхнього шару температура знаходиться близько 5960 градусів за Цельсієм, хоча ці дані вважаються приблизними.

Зразковий склад зовнішнього ядра та методи його визначення

Про склад навіть зовнішнього шару земного ядра досі відомо дуже мало, так як не можна добути зразки для вивчення. Основні елементи, з яких може складатися зовнішнє ядро ​​нашої планети, – залізо та нікель. До такої гіпотези вчені прийшли в результаті аналізу складу метеоритів, оскільки мандрівники з космосу є уламками ядер астероїдів та інших планет.

Проте метеорити не можна вважати абсолютно точно збігаються за хімічним складом, оскільки вихідні космічні тіла були набагато меншими за Землю за розміром. Після довгих досліджень вчені дійшли висновку, що рідка частина ядерної речовини сильно розбавлена ​​іншими елементами, зокрема сіркою. Це пояснює її нижчу щільність, ніж у залізонікелевих сплавів.

Що відбувається на зовнішній частині ядра планети?

Зовнішня поверхня ядра межі з мантією неоднорідна. Вчені припускають, що вона має різну товщину, утворюючи своєрідний внутрішній рельєф. Це постійним змішуванням різнорідних глибинних речовин. Вони різні за хімічним складом, а також мають різну щільність, тому товщина кордону між ядром і мантією може змінюватись від 150 до 350 км.

Фантасти минулих років у своїх творах описували подорож до центру Землі через глибокі печери та підземні переходи. Чи це можливо насправді? На жаль, тиск на поверхні ядра перевищує 113 мільйонів атмосфер. Це означає, що будь-яка печера наглухо «закрилася» ще на етапі наближення до мантії. Це пояснює, чому на нашій планеті немає печер глибших хоча б 1 км.

Як вивчають зовнішній шар ядра?

Про те, як і з чого складається ядро, вчені можуть судити, відстежуючи сейсмоактивність. Приміром, було з'ясовано, що зовнішній і внутрішній шар обертаються у різних напрямах під впливом магнітного поля. Ядро Землі таїть ще десятки нерозгаданих таємниць і чекає на нові фундаментальні відкриття.

Чому земне ядро ​​не остигає і залишається розігрітим до температури приблизно 6000 ° C протягом 4,5 млрд років? Питання вкрай складне, на яке до того ж наука не може дати на 100% точну зрозумілу відповідь. Однак для цього є об'єктивні причини.

Зайва таємничість

Зайва, так би мовити, таємничість земного ядра пов'язана із двома факторами. По-перше, ніхто достовірно не знає, як, коли і за яких обставин воно сформувалося, - відбувалося це під час формування протоземлі або вже на ранніх стадіях існування сформованої планети - все це велика загадка. По-друге, зразки із земного ядра дістати абсолютно неможливо - напевно, ніхто не знає з чого воно складається. Більш того, всі дані, які нам відомі про ядро ​​зібрані за непрямими методами та моделями.

Чому ядро ​​Землі залишається гарячим?

Щоб спробувати зрозуміти чому земне ядро ​​не остигає протягом такого тривалого часу, потрібно для початку розібратися за рахунок чого воно нагрілося спочатку. Надра нашої як і будь-якої іншої планети неоднорідні, вони є відносно чітко розмежовані шари різної щільності. Але так було не завжди: важкі елементи повільно опускалися вниз, формуючи внутрішнє та зовнішнє ядро, легені – витіснялися на верх, утворюючи мантію та земну кору. Цей процес протікає гранично повільно та супроводжується виділенням тепла. Проте основною причиною нагріву було це. Вся маса Землі з величезною силою тисне на її центр, продукуючи феноменальний тиск приблизно 360 ГПа (3,7 млн ​​атмосфер) в результаті чого почався розпад радіоактивних довгоживучих елементів, що містяться в залізно-кремнієво-нікелевому ядрі, що і супроводжувалося колосальними. .

Додатковим джерелом нагрівання служить кінетична енергія, що генерується в результаті тертя між різними шарами (кожен шар обертається незалежно від іншого): внутрішнього ядра із зовнішнім та зовнішнього з мантією.

Надра планети (пропорції не дотримані). Тертя між собою трьох внутрішніх шарів є додатковим джерелом нагрівання.

Виходячи з вище викладеного, можна дійти невтішного висновку, що Земля і зокрема її надра є самодостатньою машиною, яка сама себе опалює. Але завжди так природно продовжуватися не може: запаси радіоактивних елементів усередині ядра повільно зникають і більше не буде чому підтримувати температуру.

Воно остигає!

Взагалі процес охолодження вже почався дуже давно, але протікає він вкрай повільно - по частці градуса в століття. За приблизними підрахунками до охолодження ядра і припинення у ньому хімічних та інших. реакцій пройде щонайменше 1 мільярда років.

Коротка відповідь:Земля і, зокрема, земне ядро ​​- це самодостатня машина, яка сама себе опалює. Вся маса планети тисне на її центр, продукуючи феноменальний тиск і тим самим запускаючи процес розпаду радіоактивних елементів, в результаті чого і виділяється тепло.

Потужністю близько 2200 км., між якими іноді виділяється перехідна зона. Маса ядра – 1,932 10 24 кг.

Відомо про ядро ​​дуже мало - вся інформація отримана непрямими геофізичними або геохімічними методами, і образи речовини ядра не доступні, і навряд чи будуть отримані в найближчому майбутньому. Однак фантасти вже кілька разів у подробицях описали подорожі до ядра Землі і незліченні багатства, що там таяться. Надія на скарби ядра має під собою деякі підстави, оскільки згідно з сучасними геохімічними моделями в ядрі відносно великий вміст шляхетних металів та інших цінних елементів.

Історія вивчення

Ймовірно одним із перших припущення про існування всередині Землі області підвищеної щільності висловив Генрі Кавендіш, який обчислив масу та середню щільність Землі та встановив, що вона значно більша, ніж щільність характерна для порід, що виходять на земну поверхню.

Існування було доведено 1897 німецьким сейсмологом Еге. Віхертом, а глибина залягання (2900 км) визначено 1910 американським геофізиком Б. Гутенбергом.

Аналогічні розрахунки можна зробити металевих метеоритів, які є фрагментами ядер дрібних планетарних тіл. Виявилося, що в них формування ядра відбувалося значно швидше, за кілька мільйонів років.

Теорія Сорохтіна та Ушакова

Описана модель не єдина. Так, за моделлю Сорохтіна та Ушакова, викладеною в книзі "Розвиток Землі" процес формування земного ядра розтягнувся приблизно на 1,6 млрд років (від 4 до 2,6 млрд років тому). На думку авторів, освіта ядра відбувалася у два етапи. Спочатку планети була холодною, і її глибинах не відбувалося жодних рухів. Потім вона прогрілося радіоактивним розпадом достатньо, щоб почало плавитися металеве залізо. Воно стало стікатися до центру землі, причому за рахунок гравітаційної диференціації виділялася велика кількість тепла, і процес відокремлення ядра тільки прискорювався. Цей процес йшов лише до деякої глибини, нижче за яку речовина була така в'язка, що залізо занурюватися вже не могло. В результаті утворився щільний (важкий) кільцевий шар розплавленого заліза та його окису. Він розташовувався над легшою речовиною первозданної "серцевини" Землі.

В які часи це відбувалося? Усі ці питання давно вже хвилювали людство. А багатьом ученим хотілося якнайшвидше дізнатися, що там, у глибині? Але виявилося, що вивчити все це не так легко. Адже і сьогодні, маючи всі сучасні пристосування для проведення різноманітних досліджень, людству під силу пробурити свердловини в надра лише на якихось п'ятнадцять кілометрів – не більше. А для повноцінних і всебічних дослідів потрібна глибина має бути значно більшою. Тому науковцям доводиться обчислювати, як утворилося ядро ​​Землі, з допомогою різноманітних високоточних приладів.

Вивчення Землі

Ще з давніх-давен люди вивчали гірські породи, оголені природним шляхом. Обриви і схили гір, круті береги річок і морів... Тут на власні очі можна спостерігати мільйони років тому, що існували, напевно. А в деяких потрібних місцях пробурюються свердловини. Одна з таких – на Її глибина – п'ятнадцять тисяч метрів. Шахти, які люди проривають також допомагають вивчати внутрішнє Ядро, звичайно ж, вони «дістати» не можуть. Зате з цих шахт і свердловин вчені можуть видобувати зразки породи, дізнаючись у такий спосіб про їх зміну та походження, будову та склади. Мінус цих методів у тому, що вони здатні досліджувати лише сушу та лише верхню частину кори Землі.

Відтворення умов у ядрі Землі

А ось безконтактно проникати все глибше і глибше вченим допомагають геофізика та сейсмологія – науки про землетруси та геологічний склад планети. За допомогою вивчення сейсмічних хвиль та їх поширення з'ясовується, з чого складається і мантія, і ядро ​​(визначається аналогічно, наприклад, зі складом метеоритів, що впали). Подібні знання базуються на отриманих даних – непрямих – про фізичні властивості речовин. Також сьогодні вивченню сприяють і сучасні дані, які отримують зі штучних супутників, що знаходяться на орбіті.

Будова планети

Вченим вдалося зрозуміти, узагальнивши отримані дані, що будова Землі є складною. Вона складається як мінімум із трьох нерівнозначних частин. У центрі знаходиться невелике ядро, яке оточує величезна мантія. Мантія займає приблизно п'ять шостих всього обсягу Земної кулі. А згори все покриває досить тонка зовнішня кора Землі.

Будова ядра

Ядро – це центральна, серединна частина. Вона ділиться на кілька шарів: внутрішній та зовнішній. На думку більшості сучасних учених, внутрішнє ядро ​​є твердим, а зовнішнє - рідинним (перебуває у розплавленому стані). А ще ядро ​​дуже важке: воно важить більше третини маси всієї планети при об'ємі трохи більше 15-ти. У ядрі температура досить висока, вона становить від 2000 до 6000 градусів за Цельсієм. За припущеннями науки, центр Землі складається із заліза та нікелю в основному. Радіус цього важкого сегмента – 3470 кілометрів. А площа його поверхні становить близько 150 мільйонів квадратних кілометрів, що приблизно дорівнює площі всіх материків на Землі.

Як утворилося ядро ​​Землі

Інформації про ядру нашої планети дуже мало, і її можна отримати лише непрямим шляхом (відсутні зразки порід ядра). Тому й теорії можна висловити лише гіпотетично у тому, як утворилося ядро ​​Землі. Історія Землі налічує мільярди років. Більшість учених дотримується теорії, що спочатку планета формувалася досить однорідна. Процес виділення ядра розпочався пізніше. А склад його - нікель та залізо. Як утворилося ядро ​​Землі? Розплав цих металів поступово опускався до центру планети, утворюючи ядро. Це відбувалося за рахунок більшої частки розплаву.

Альтернативні теорії

Існують і супротивники цієї теорії, що приводять свою, цілком резонну аргументацію. По-перше, ці вчені ставлять під сумнів факт проходження сплаву заліза та нікелю до центру ядра (а це понад 100 кілометрів). По-друге, якщо припустити виділення нікелю та заліза із силікатів, подібних до метеоритних, то мала відбутися й відповідна реакція відновлення. Вона, у свою чергу, мала супроводжуватися виділенням величезної кількості кисню, утворюючи атмосферний тиск у кілька сотень тисяч атмосфер. А свідчення про існування у минулому Землі такої атмосфери немає. Тому і були висунуті теорії про початкову освіту ядра для формування всієї планети.

У 2015 оксфордські вчені взагалі запропонували теорію, згідно з якою ядро ​​планети Земля складається з урану і має радіоактивність. Це опосередковано доводить і таке тривале існування магнітного поля в Землі, і той факт, що в наш час наша планета випромінює набагато більше тепла, ніж передбачалося попередніми науковими гіпотезами.

Історія дослідження

Одним із перших припущення про існування всередині Землі області підвищеної щільності висловив Генрі Кавендіш, який обчислив масу та середню щільність Землі та встановив, що вона набагато більша, ніж щільність характерна для порід, що виходять на земну поверхню.
Існування ядра було доведено 1897 року німецьким сейсмологом Еге. Віхерт через наявність ефекту так званої «сейсмічної тіні». 1910 року за різким стрибком швидкостей поздовжніх сейсмічних хвиль американським геофізиком Б. Гутенбергом було визначено глибину залягання його поверхні – 2900 км.

Засновник геохімії В. М. Гольдшмідт (нім. Victor Moritz Goldschmidt(1888-1947) у 1922 році припустив, що ядро ​​утворилося шляхом гравітаційної диференціації первинної Землі в період її зростання або в пізніші періоди. Альтернативну гіпотезу, що залізне ядро ​​виникло ще в протопланетній хмарі, розвивали німецький вчений А. Ейкен (1944), американський вчений Е. Орован та радянський вчений А. П. Виноградов (60-70-і роки).

У 1941 році Кун і Рітман, ґрунтуючись на гіпотезі ідентичності хімічного складу Сонця та Землі та на розрахунках фазового переходу у водні, припустили, що земне ядре складається з металевого водню. Ця гіпотеза не пройшла експериментальної перевірки. Експерименти з ударного стиску показали, що щільність металевого водню приблизно на порядок менша, ніж щільність ядра. Однак ця гіпотеза пізніше була адаптована до пояснення будови планет-гігантів – Юпітера, Сатурна тощо. Сучасною наукою вважається, що магнітне поле виникає саме в металевому водневому ядрі.

Крім того В. Н. Лодочников і У. Рамзай припустили, що нижня мантія та ядро ​​мають однаковий хімічний склад - на межі ядро-мантія при тиску 1,36 M Бар мантійні силікати переходять у рідку металеву фазу (металізоване силікатне ядро).

Склад ядра

Склад ядра можна оцінити лише з кількох джерел.

Найбільш близькими до речовини ядра вважаються зразки залізних метеоритів, які є фрагментами ядер астероїдів і протопланет. Проте залізні метеорити не еквівалентні речовині земного ядра, оскільки вони утворилися набагато менших тілах, тобто. за інших фізико-хімічних параметрів.

З цих гравіметрії відома щільність ядра, що обмежує додатково компонентний склад. Так як щільність ядра приблизно на 10% менше, ніж щільність сплавів залізо-нікель, відповідно ядро ​​Землі містить більше легких елементів, ніж залізні метеорити.

З геохімічних міркувань, розраховуючи первинний склад Землі і обчислюючи частку елементів, що у інших геосферах, можна побудувати приблизну оцінку склад ядра. Допомога в таких обчисленнях надають високотемпературні та високобаричні експерименти щодо розподілу елементів між розплавленим залізом та силікатними фазами.

Освіта земного ядра

Час формування

Освіта ядра – ключовий момент історії Землі. Для визначення віку цієї події були використані такі міркування:

У речовині, з якої утворилася Земля, був ізотоп 182 Hf, який має період напіврозпаду 9 млн. років і перетворюється на ізотоп 182 W. Гафній є літофільними елементами, тобто. при поділі первинної речовини Землі на силікатну та металеву фази він переважно сконцентрувався в силікатній фазі, а вольфрам – сидерофільний елемент, і сконцентрувався в металевій фазі. У металевому ядрі Землі співвідношення Hf/W близько до нуля, тоді як у силікатній оболонці це відношення близько 15.

З аналізу нефракційованих хондритів та залізних метеоритів відоме первинне співвідношення ізотопів гафнію та вольфраму.
Якщо ядро ​​утворилося через час набагато більше, ніж період напіврозпаду 182 Hf, то він би встиг майже повністю перетворитися на 182 W, і ізотопний склад вольфраму в силікатній частині Землі та її ядрі був однаковий, такий же як і в хондритах.
Якщо ядро ​​формувалося доки 182 Hf ще не розпався, то силікатна оболонка Землі повинна містити деякий надлишок 182 W у порівнянні з хондритами, що реально і спостерігається.

Ґрунтуючись на цій моделі поділу металевої та силікатної частини Землі, розрахунки показали, що ядро ​​сформувалося за час менше 30 млн років, з моменту утворення в Сонячній системі перших твердих частинок. Аналогічні розрахунки можна зробити металевих метеоритів, які є фрагментами ядер дрібних планетарних тіл. Вони формування ядра відбувалося значно швидше – кілька мільйонів років. Вік внутрішнього твердого ядра оцінюється в 2-4 млрд. років.

Теорія Сорохтіна – Ушакова

Згідно з моделлю Сорохтіна – Ушакова, процес формування земного ядра розтягнувся приблизно на 1,6 млрд. років (від 4 до 2,6 млрд. років тому). На думку авторів формування земного ядра відбувалося у два етапи. Спочатку планета була холодна, і в її глибинах не відбувалося жодних рухів. Потім вона прогрілася енергією радіоактивного розпаду до початку плавки металевого заліза, яке почало проникати до центру Землі. При цьому за рахунок гравітаційної диференціації виділялася велика кількість тепла і процес відділення ядра тільки прискорювався. Цей процес йшов тільки до глибини, нижче якої речовина, з надвисоким тиском, ставала настільки в'язким, що залізо глибше занурюватися вже не могло. В результаті утворився щільний кільцевий шар розплавленого заліза та його окису. Він розташовувався над легшою речовиною первородної «серцевини» Землі. Пізніше відбулося видавлювання силікатної речовини із центру Землі на екваторі, що й призвело до асиметрії планети.

Механізм формування земного ядра

Про механізм утворення ядра відомо дуже мало. Згідно з різними оцінками формування відбувалося при тиску та температурі близької, тієї, що нині панує у верхньому та середньому мантії, а не у планетозималях та астероїдах. Це означає, що при акреції Землі відбувалася її нова гомогенізація.

Механізм постійного оновлення внутрішнього ядра

Низка досліджень останніх років показала аномальні властивості земного ядра – було встановлено, що сейсмічні хвилі перетинають східну частину ядра швидше за західну. Класичні моделі припускають, що внутрішнє ядро ​​нашої планети – освіта симетрична, однорідна і практично стабільна, повільно росте за рахунок застигання речовини зовнішнього ядра. Однак внутрішнє ядро ​​є досить динамічною структурою.
Група дослідників із університетів Жозефа Фур'є (фр. Universite Joseph Fourier)та Ліона (фр. Universite de Lyon)висунула припущення, що внутрішнє ядро ​​Землі постійно кристалізується на заході та плавиться на сході. Геометричний центр внутрішнього ядра зміщений щодо центру Землі. Частини ядра на заході та сході мають різну температуру, що призводить до одностороннього плавлення та кристалізації. Приводить у рух всю маса внутрішнього ядра, що повільно зміщується від західної сторони до східної, де руйнуючись тверда речовина поповнює склад рідкої оболонки зі швидкістю 1,5 см/рік. Тобто. повна переплавка за 100 млн років. Різниця у співвідношенні легких та важких елементів на заході та сході ядра закономірно призводить і до різниці швидкостей сейсмічних хвиль.

Такі потужні процеси затвердіння і плавлення не можуть не позначитися на конвективних потоках у зовнішньому ядрі. Вони зачіпають планетарну динамо-машину, земне магнітне поле, поведінку мантії та рух материків. Гіпотеза пояснює розбіжність швидкості обертання ядра та інших планети, прискорений зсув магнітних полюсів.