Защо земята има течно ядро? Образуване на земното ядро

Когато пуснете ключовете си в поток от разтопена лава, кажете им сбогом, защото, добре, пич, те са всичко.
- Джак Хенди

Всички знаем защо е така: защото океаните на Земята плуват над скалите и мръсотията, които изграждат земята. Концепцията за плаваемост, при която по-малко плътни обекти плуват над по-плътните, които потъват отдолу, обяснява много повече от океаните.

Същият принцип, който обяснява защо ледът плува във вода, балон с хелий се издига в атмосферата и камъните потъват в езеро, обяснява защо слоевете на планетата Земя са подредени така, както са.

Най-малко плътната част от Земята, атмосферата, се носи отгоре водни океани, които се носят над земната кора, които се намират над по-плътната мантия, които не потъват в най-плътната част на Земята: ядрото.

В идеалния случай най-стабилното състояние на Земята би било това, което би било идеално разпределено на слоеве, като лук, с най-плътните елементи в центъра, и докато се движите навън, всеки следващ слой ще бъде съставен от по-малко плътни елементи. И всяко земетресение всъщност движи планетата към това състояние.

И това обяснява структурата не само на Земята, но и на всички планети, ако си спомняте откъде идват тези елементи.

Когато Вселената беше млада - само на няколко минути - съществуваха само водород и хелий. Все по-тежки елементи бяха създадени в звездите и едва когато тези звезди умряха, по-тежките елементи избягаха във Вселената, позволявайки да се формират нови поколения звезди.

Но този път смес от всички тези елементи - не само водород и хелий, но и въглерод, азот, кислород, силиций, магнезий, сяра, желязо и други - образува не само звезда, но и протопланетен диск около тази звезда.

Налягането отвътре навън в формиращата се звезда изтласква по-леките елементи, а гравитацията кара нередностите в диска да се срутват и да образуват планети.

В случай слънчева системачетири вътрешен святса най-плътните от всички планети в системата. Живакът се състои от най-плътните елементи, които не могат да задържат голям бройводород и хелий.

Други планети, по-масивни и по-отдалечени от Слънцето (и следователно получаващи по-малко от неговата радиация), са били в състояние да задържат повече от тези свръхлеки елементи - така са се образували газовите гиганти.

Във всички светове, както и на Земята, средно най-плътните елементи са концентрирани в ядрото, а леките образуват все по-малко плътни слоеве около него.

Не е изненадващо, че желязото, най-стабилният елемент и най-тежкият елемент, създаден в големи количествана границата на свръхновата и е най-често срещаният елемент от земното ядро. Но може би изненадващо, между твърдото ядро ​​и твърдата мантия лежи течен слой с дебелина повече от 2000 км: външното ядро ​​на Земята.

Земята има дебел течен слой, съдържащ 30% от масата на планетата! И ние научихме за съществуването му, използвайки доста гениален метод - благодарение на сеизмични вълни, произтичащи от земетресения!

При земетресения се раждат сеизмични вълни от два вида: основната компресионна вълна, известна като P-вълна, която се движи по надлъжна траектория

И втора срязваща вълна, известна като S-вълна, подобна на вълните на повърхността на морето.

Сеизмичните станции по целия свят могат да улавят P- и S-вълни, но S-вълните не преминават през течност, а P-вълните не само преминават през течност, но и се пречупват!

В резултат на това можем да разберем, че Земята има течно външно ядро, извън което има твърда мантия, а вътре - твърдо вътрешно ядро! Ето защо ядрото на Земята съдържа най-тежките и плътни елементи и по това знаем, че външното ядро ​​е течен слой.

Но защо външното ядро ​​е течно? Както всички елементи, състоянието на желязото, независимо дали е твърдо, течно, газообразно или друго, зависи от налягането и температурата на желязото.

Желязото е по-сложен елемент от много, с които сте свикнали. Разбира се, той може да има различни кристални твърди фази, както е показано на графиката, но ние не се интересуваме от обикновени налягания. Ние се спускаме в земното ядро, където налягането е милион пъти по-голямо от морското равнище. Как изглежда фазовата диаграма при такива високи налягания?

Красотата на науката е, че дори и да нямате отговор на въпрос веднага, има вероятност някой вече да е направил проучването, което може да доведе до отговора! В този случай Аренс, Колинс и Чен през 2001 г. намериха отговора на нашия въпрос.

И въпреки че диаграмата показва гигантски налягания до 120 GPa, важно е да запомните, че атмосферното налягане е само 0,0001 GPa, докато във вътрешното ядро ​​наляганията достигат 330-360 GPa. Горната плътна линия показва границата между топящото се желязо (отгоре) и твърдото желязо (отдолу). Забелязахте ли как плътната линия в самия край прави рязък завой нагоре?

За да се разтопи желязото при налягане от 330 GPa, е необходима огромна температура, сравнима с тази на повърхността на Слънцето. Същите температури при по-ниско налягане лесно ще поддържат желязото в течно състояние, а при по-високо налягане - в твърдо състояние. Какво означава това по отношение на ядрото на Земята?

Това означава, че докато Земята се охлажда, нейната вътрешна температура пада, но налягането остава непроменено. Тоест по време на формирането на Земята най-вероятно цялото ядро ​​е било течно и докато се охлажда, вътрешното ядро ​​расте! И в този процес, тъй като твърдото желязо има по-висока плътност от течното желязо, Земята бавно се свива, което води до земетресения!

И така, ядрото на Земята е течно, защото е достатъчно горещо, за да разтопи желязото, но само в региони с достатъчно ниско налягане. Докато Земята старее и се охлажда, все повече и повече от ядрото става твърдо и така Земята се свива малко!

Ако искаме да погледнем далеч в бъдещето, можем да очакваме да се появят същите свойства като тези, наблюдавани в Меркурий.

Меркурий, поради малкия си размер, вече се е охладил и свил значително и има пукнатини с дължина стотици километри, които са се появили поради необходимостта от компресия поради охлаждане.

Така че защо Земята има течно ядро? Защото още не е изстинал. И всяко земетресение е малко приближаване на Земята до крайното й, охладено и напълно твърдо състояние. Но не се притеснявайте, много преди този момент Слънцето ще избухне и всички, които познавате, ще бъдат мъртви за много дълго време.

Изразени са безброй идеи за структурата на земното ядро. Дмитрий Иванович Соколов, руски геолог и академик, каза, че веществата вътре в Земята се разпределят като шлака и метал в топилна пещ.

Това образно сравнение е потвърдено повече от веднъж. Учените внимателно проучиха железни метеорити, пристигащи от космоса, като ги смятаха за фрагменти от ядрото на разпаднала се планета. Това означава, че ядрото на Земята също трябва да се състои от тежко желязо в разтопено състояние.

През 1922 г. норвежкият геохимик Виктор Мориц Голдшмид излага идеята за обща стратификация на земното вещество във време, когато цялата планета е била в течно състояние. Той изведе това по аналогия с металургичния процес, изучаван в стоманодобивните заводи. „В етапа на течна стопилка“, каза той, „субстанцията на Земята е разделена на три несмесващи се течности – силикатна, сулфидна и метална. При по-нататъшно охлаждане тези течности образуват основните обвивки на Земята - кората, мантията и желязното ядро!

Въпреки това, по-близо до нашето време, идеята за „горещ“ произход на нашата планета все повече отстъпваше на „студеното“ творение. И през 1939 г. Лодочников предлага различна картина на формирането на вътрешността на Земята. По това време вече беше известна идеята за фазовите преходи на материята. Лодочников предполага, че фазовите промени в материята се засилват с увеличаване на дълбочината, в резултат на което материята се разделя на черупки. В този случай сърцевината не е задължително да е желязна. Може да се състои от свръхконсолидирани силикатни скали, които са в „метално“ състояние. Тази идея е подета и развита през 1948 г. от финландския учен В. Рамзи. Оказа се, че въпреки че ядрото на Земята има различно физическо състояние от мантията, няма причина да се смята, че е съставено от желязо. В крайна сметка свръхконсолидираният оливин може да бъде тежък като метал...

Така възникват две взаимно изключващи се хипотези за състава на ядрото. Едната е разработена въз основа на идеите на Е. Уихерт за желязо-никелова сплав с малки добавки на леки елементи като материал за земното ядро. И вторият - предложен от V.N. Лодочников и разработен от В. Рамзи, който гласи, че съставът на ядрото не се различава от състава на мантията, но веществото в него е в особено плътно метализирано състояние.

За да решат в каква посока трябва да се наклонят везните, учени от много страни проведоха експерименти в лаборатории и броиха и броиха, сравнявайки резултатите от своите изчисления с това, което показват сеизмичните изследвания и лабораторните експерименти.

През шейсетте години експертите най-накрая стигнаха до извода: хипотезата за метализация на силикатите при наляганията и температурите, преобладаващи в ядрото, не се потвърждава! Освен това проведеното изследване убедително доказа, че центърът на нашата планета трябва да съдържа най-малко осемдесет процента от общия запас от желязо... Значи все пак ядрото на Земята е желязо? Желязо, но не съвсем. Чист метал или чиста метална сплав, компресирана в центъра на планетата, би била твърде тежка за Земята. Следователно трябва да се приеме, че материалът на външното ядро ​​се състои от съединения на желязото с по-леките елементи - кислород, алуминий, силиций или сяра, които са най-разпространени в земната кора. Но кои конкретно? Това е неизвестно.

И така руският учен Олег Георгиевич Сорохтин предприе ново изследване. Нека се опитаме да проследим хода на неговите разсъждения в опростена форма. Въз основа на най-новите постижения на геоложката наука съветският учен заключава, че в първия период на формиране Земята най-вероятно е била повече или по-малко хомогенна. Цялото му вещество беше разпределено приблизително равномерно в целия обем.

С течение на времето обаче по-тежки елементи, като желязото, започнаха да потъват, така да се каже, „потъват“ в мантията, навлизайки все по-дълбоко и по-дълбоко към центъра на планетата. Ако това е така, тогава, сравнявайки млади и стари скали, може да се очаква, че в младите скали ще има по-ниско съдържание на тежки елементи, като желязото, което е широко разпространено в веществото на Земята.

Изследването на древни лави потвърди това предположение. Ядрото на Земята обаче не може да бъде чисто желязно. Твърде лек е за това.

Кой беше спътникът на желязото по пътя му към центъра? Ученият опита много елементи. Но някои не се разтваряха добре в стопилката, а други се оказаха несъвместими. И тогава на Сорохтин му хрумна: не беше ли най-често срещаният елемент - кислородът - спътник на желязото?

Вярно, изчисленията показаха, че съединението от желязо и кислород - железен оксид - изглежда твърде леко за ядрото. Но при условия на компресия и нагряване в дълбините, железният оксид също трябва да претърпи фазови промени. При условията, съществуващи близо до центъра на Земята, само два атома желязо могат да задържат един атом кислород. Това означава, че плътността на получения оксид ще стане по-голяма...

И пак изчисления, изчисления. Но какво удовлетворение, когато полученият резултат показа, че плътността и масата на земното ядро, изградено от железен оксид, който е претърпял фазови промени, дава точно необходимата стойност модерен моделядра!

Ето го - модерен и може би най-правдоподобният модел на нашата планета в цялата история на нейното търсене. „Външното ядро ​​на Земята се състои от оксида на едновалентната желязна фаза Fe2O, а вътрешното ядро ​​е направено от метално желязо или сплав от желязо и никел“, пише в книгата си Олег Георгиевич Сорохтин. „Може да се счита, че преходният слой F между вътрешното и външното ядро ​​се състои от железен сулфид-тролит FeS.“

В създаването на съвременната хипотеза за освобождаването на ядрото от първичното вещество на Земята участват много видни геолози и геофизици, океанолози и сеизмолози - представители на буквално всички клонове на науката, които изучават планетата. Процесите на тектонично развитие на Земята, според учените, ще продължат в дълбините доста дълго време, поне нашата планета има още няколко милиарда години напред. Само след този неизмерим период от време Земята ще изстине и ще се превърне в мъртво космическо тяло. Но какво ще стане до този момент?..

На колко години е човечеството? Милион, два, добре, два и половина. И през този период хората не само станаха от четири крака, опитомиха огъня и разбраха как да извличат енергия от атом, те изпратиха хора в космоса, автомати на други планети от Слънчевата система и усвоиха близкия космос за технически нужди.

Проучването и след това използването на дълбоките недра на собствената ни планета е програма, която вече чука на вратата на научния прогрес.

Защо ядрото на земята не се е охладило и е останало нагрято до температура от приблизително 6000°C в продължение на 4,5 милиарда години? Въпросът е изключително сложен, на който освен това науката не може да даде 100% точен и разбираем отговор. За това обаче има обективни причини.

Прекалена секретност

Прекалената, така да се каже, тайнственост на земното ядро ​​е свързана с два фактора. Първо, никой не знае със сигурност как, кога и при какви обстоятелства се е образувала - това се е случило по време на формирането на прото-земята или още при ранни етаписъществуването на формирана планета е голяма мистерия. Второ, абсолютно невъзможно е да се вземат проби от земното ядро ​​- никой не знае със сигурност от какво се състои. Освен това всички данни, които знаем за ядрото, се събират с помощта на непреки методи и модели.

Защо ядрото на Земята остава горещо?

За да се опитате да разберете защо земното ядро ​​не се охлажда толкова дълго време, първо трябва да разберете какво е причинило първоначалното му нагряване. Вътрешността на нашата планета, както на всяка друга планета, е разнородна; тя се състои от относително ясно разграничени слоеве с различна плътност. Но това не винаги беше така: тежките елементи бавно потъваха надолу, образувайки вътрешното и външното ядро, докато леките елементи бяха принудени да се изкачат на върха, образувайки мантията и земната кора. Този процес протича изключително бавно и е придружен от отделяне на топлина. Това обаче не беше основната причина за парното. Цялата маса на Земята огромна мощностпритиска центъра му, създавайки феноменално налягане от приблизително 360 GPa (3,7 милиона атмосфери), в резултат на което дългоживеещите радиоактивни елементи, съдържащи се в ядрото желязо-силиций-никел, започнаха да се разпадат, което беше придружено от колосални емисии на топлина.

Допълнителен източник на отопление е кинетичната енергия, генерирана в резултат на триене между различни слоеве (всеки слой се върти независимо от другия): вътрешното ядро ​​с външното и външното с мантията.

Вътрешността на планетата (пропорциите не са спазени). Триенето между трите вътрешни слоя служи като допълнителен източник на отопление.

Въз основа на горното можем да заключим, че Земята и в частност нейните недра са самодостатъчна машина, която се самозатопля. Но това естествено не може да продължава вечно: запасите от радиоактивни елементи в ядрото бавно изчезват и вече няма да има какво да поддържа температурата.

Става студено!

Всъщност процесът на охлаждане вече е започнал много отдавна, но протича изключително бавно - част от градуса на век. По груби оценки ще минат най-малко 1 милиард години, преди ядрото да се охлади напълно и химическите и други реакции в него да спрат.

кратък отговор:Земята, и по-специално земното ядро, е самодостатъчна машина, която се нагрява сама. Цялата маса на планетата притиска центъра й, създавайки феноменален натиск и по този начин задейства процеса на разпадане на радиоактивни елементи, в резултат на което се отделя топлина.

Нашата планета Земя има слоеста структура и се състои от три основни части: земната кора, мантия и ядро. Кой е центърът на Земята? Ядро. Дълбочината на ядрото е 2900 км, а диаметърът е приблизително 3,5 хиляди км. Вътре има чудовищно налягане от 3 милиона атмосфери и невероятно висока температура - 5000°C. На учените са били необходими няколко века, за да открият какво има в центъра на Земята. Даже модерни технологиине можеше да проникне по-дълбоко от дванадесет хиляди километра. Най-дълбокият сондаж, разположен на полуостров Кола, е с дълбочина 12 262 метра. Много е далече от центъра на Земята.

История на откриването на земното ядро

Един от първите, които се досещат за наличието на ядро ​​в центъра на планетата, е английският физик и химик Хенри Кавендиш в края на 18 век. С помощта на физически експерименти той изчислява масата на Земята и въз основа на нейния размер определя средната плътност на веществото на нашата планета - 5,5 g/cm3. Плътност на известни скалии имаше приблизително два пъти по-малко минерали в земната кора. Това доведе до логичното предположение, че в центъра на Земята има област от по-плътна материя - ядрото.

През 1897 г. немският сеизмолог Е. Вихерт, изучавайки преминаването на сеизмологичните вълни през вътрешността на Земята, успя да потвърди предположението за наличието на ядро. И през 1910 г. американският геофизик Б. Гутенберг определя дълбочината на местоположението му. Впоследствие се раждат хипотези за процеса на образуване на ядрото. Предполага се, че се е образувала в резултат на утаяването на по-тежки елементи към центъра, като първоначално веществото на планетата е било хомогенно (газообразно).

От какво се състои ядрото?

Доста трудно е да се изследва вещество, от което не може да се вземе проба, за да се изследват неговите физични и химични параметри. Учените трябва само да приемат наличието на определени свойства, както и структурата и състава на ядрото въз основа на косвени доказателства. Изследването на разпространението на сеизмичните вълни беше особено полезно при изучаването на вътрешната структура на Земята. Сеизмографите, разположени в много точки на повърхността на планетата, регистрират скоростта и видовете преминаващи сеизмични вълни, произтичащи от разклащането на земната кора. Всички тези данни позволяват да се съди вътрешна структураЗемята, включително ядрото.

В момента учените приемат, че централната част на планетата е разнородна. Какво е в центъра на Земята? Частта, съседна на мантията, е течното ядро, състоящо се от разтопена материя. Очевидно съдържа смес от желязо и никел. Учените са били доведени до тази идея от изследване на железни метеорити, които са части от астероидни ядра. От друга страна, получените желязо-никелови сплави имат по-висока плътност от очакваната плътност на сърцевината. Ето защо много учени са склонни да приемат, че в центъра на Земята, ядрото, има по-леки химически елементи.

Геофизиците обясняват съществуването на планетата с наличието на течно ядро ​​и въртенето на планетата около собствената си ос. магнитно поле. Известно е, че при протичане на ток около проводник възниква електромагнитно поле. Разтопеният слой, съседен на мантията, служи като такъв гигантски проводник с ток.

Вътрешната част на ядрото, въпреки температурата от няколко хиляди градуса, е твърдо вещество. Това е така, защото налягането в центъра на планетата е толкова високо, че горещите метали стават твърди. Някои учени предполагат, че твърдото ядро ​​се състои от водород, който под въздействието на невероятно налягане и огромна температура става като метал. Така дори геофизиците все още не знаят със сигурност кой е центърът на Земята. Но ако разгледаме въпроса от математическа гледна точка, можем да кажем, че центърът на Земята е приблизително на 6378 км. от повърхността на планетата.