Miks on maakeral vedel tuum? Maa tuuma teke

Kui kukutate võtmed sulalaava voogu, jätke nendega hüvasti, sest noh, kutt, need on kõik.
- Jack Handy

Me kõik teame, miks see nii on: Maa ookeanid hõljuvad maa moodustavate kivide ja mustuse kohal. Ujuvuse kontseptsioon, milles vähem tihedad objektid hõljuvad allapoole vajuvate tihedamate objektide kohal, selgitab palju enamat kui ainult ookeanid.

Sama põhimõte, mis selgitab, miks jää vees hõljub, heeliumi õhupall atmosfääris tõuseb ja kivid järve upuvad, selgitab, miks planeedi Maa kihid on paigutatud nii, nagu nad on.

Üleval hõljub Maa kõige vähem tihe osa, atmosfäär vee ookeanid, mis hõljuvad maakoore kohal, mis asetsevad tihedama vahevöö kohal, mis ei vaju Maa kõige tihedamasse ossa: tuuma.

Ideaalis oleks Maa kõige stabiilsem olek selline, mis oleks ideaalselt jaotunud kihtidesse, nagu sibul, mille keskel on kõige tihedamad elemendid, ja väljapoole liikudes koosneks iga järgmine kiht vähem tihedatest elementidest. Ja tegelikult viib iga maavärin planeedi sellesse olekusse.

Ja see selgitab mitte ainult Maa, vaid ka kõigi planeetide struktuuri, kui mäletate, kust need elemendid pärit on.

Kui universum oli noor – vaid mõne minuti vana – eksisteerisid ainult vesinik ja heelium. Tähtedes tekkisid järjest raskemad elemendid ja alles siis, kui need tähed surid, pääsesid raskemad elemendid universumisse, võimaldades tekkida uutel tähtede põlvkondadel.

Kuid seekord moodustab kõigi nende elementide segu – mitte ainult vesinik ja heelium, vaid ka süsinik, lämmastik, hapnik, räni, magneesium, väävel, raud ja teised – mitte ainult tähe, vaid ka protoplanetaarse ketta ümber selle tähe.

Moodustavas tähes seest väljapoole suunatud rõhk surub kergemad elemendid välja ja gravitatsioon põhjustab ketta ebakorrapärasuste kokkuvarisemise ja planeetide moodustumise.

Millal Päikesesüsteem neli sisemaailm on süsteemi kõigist planeetidest kõige tihedamad. Elavhõbe koosneb kõige tihedamatest elementidest, mis ei suutnud vastu pidada suur hulk vesinik ja heelium.

Teised planeedid, mis olid massiivsemad ja Päikesest kaugemal (ja saavad seetõttu vähem selle kiirgust), suutsid neid ülikergeid elemente rohkem säilitada – nii tekkisid gaasihiiglased.

Kõigis maailmades, nagu ka Maal, on tuumas keskmiselt koondunud kõige tihedamad elemendid ja heledad moodustavad selle ümber üha vähem tihedaid kihte.

Pole üllatav, et aastal loodi raud, kõige stabiilsem ja raskeim element suured hulgad supernoova piiril ja on Maa tuuma kõige levinum element. Kuid võib-olla üllatav on see, et tahke tuuma ja tahke vahevöö vahel asub enam kui 2000 km paksune vedel kiht: Maa välimine tuum.

Maal on paks vedel kiht, mis sisaldab 30% planeedi massist! Ja selle olemasolust saime teada üsna geniaalsel meetodil – tänu maavärinatest lähtuvatele seismilistele lainetele!

Maavärinates sünnivad kahte tüüpi seismilised lained: peamine survelaine, tuntud kui P-laine, mis liigub pikisuunalist rada pidi.

Ja teine ​​nihkelaine, tuntud kui S-laine, sarnaneb merepinna lainetele.

Üle maailma seismilised jaamad on võimelised püüdma P- ja S-laineid, kuid S-lained ei liigu läbi vedeliku ja P-lained mitte ainult ei liigu läbi vedeliku, vaid murduvad!

Selle tulemusena saame aru, et Maal on vedel välimine tuum, millest väljaspool on tahke vahevöö ja sees - tahke sisemine tuum! See on põhjus, miks Maa tuum sisaldab kõige raskemaid ja tihedamaid elemente ning nii teame, et välimine tuum on vedel kiht.

Aga miks on välimine südamik vedel? Nagu kõik elemendid, sõltub raua olek, olgu see tahke, vedel, gaasiline või muu, raua rõhust ja temperatuurist.

Raud on keerulisem element kui paljud, millega olete harjunud. Muidugi võivad sellel olla erinevad kristalsed tahked faasid, nagu on näidatud graafikul, kuid meid ei huvita tavalised rõhud. Me laskume maakera tuuma, kus rõhk on miljon korda suurem merepinnast. Kuidas näeb faasidiagramm välja nii kõrgete rõhkude puhul?

Teaduse ilu seisneb selles, et isegi kui teil pole kohe vastust küsimusele, on tõenäoliselt keegi juba teinud õige uurimistöö, mis võib vastuse avaldada! Sel juhul leidsid Ahrens, Collins ja Chen 2001. aastal vastuse meie küsimusele.

Ja kuigi diagramm näitab hiiglaslikke rõhku kuni 120 GPa, on oluline meeles pidada, et atmosfäärirõhk on vaid 0,0001 GPa, samas kui sisemises südamikus ulatuvad rõhud 330-360 GPa-ni. Ülemine pidev joon näitab piiri sulava raua (ülemine) ja tahke raua (alumine) vahel. Kas märkasite, kuidas pidev joon päris otsas teeb järsu ülespöörde?

Raua sulamiseks rõhul 330 GPa on vaja tohutut temperatuuri, mis on võrreldav Päikese pinnal valitsevaga. Samad temperatuurid madalamal rõhul hoiavad rauda kergesti vedelas olekus ja kõrgemal rõhul tahkes olekus. Mida see Maa tuuma mõistes tähendab?

See tähendab, et Maa jahtudes selle sisetemperatuur langeb, kuid rõhk jääb muutumatuks. See tähendab, et Maa moodustamise ajal oli suure tõenäosusega kogu tuum vedel ja jahtudes kasvab sisemine tuum! Ja selle käigus, kuna tahkel raual on suurem tihedus kui vedelal raual, tõmbub Maa aeglaselt kokku, mis põhjustab maavärinaid!

Niisiis on Maa tuum vedel, kuna see on raua sulatamiseks piisavalt kuum, kuid ainult piisavalt madala rõhuga piirkondades. Maa vananedes ja jahtudes muutub üha suurem osa tuumast tahkeks ja seega kahaneb Maa veidi!

Kui tahame vaadata kaugele tulevikku, võime eeldada, et ilmnevad samad omadused nagu Merkuuril.

Elavhõbe on oma väiksuse tõttu juba oluliselt jahtunud ja kokku tõmbunud ning sellel on sadade kilomeetrite pikkused murded, mis on tekkinud jahtumisest tingitud kokkusurumisvajadusest.

Miks on Maal vedel tuum? Sest see pole veel jahtunud. Ja iga maavärin on Maa väike lähenemine lõplikule, jahutatud ja täiesti tahkele olekule. Kuid ärge muretsege, ammu enne seda hetke plahvatab Päike ja kõik, keda teate, on väga pikaks ajaks surnud.

Maa tuuma struktuuri kohta on avaldatud lugematul hulgal ideid. Vene geoloog ja akadeemik Dmitri Ivanovitš Sokolov ütles, et Maa sees jaotuvad ained nagu räbu ja metall sulatusahjus.

Seda kujundlikku võrdlust on kinnitatud rohkem kui üks kord. Teadlased uurisid hoolikalt kosmosest saabuvaid raudmeteoriite, pidades neid lagunenud planeedi tuuma fragmentideks. See tähendab, et ka Maa tuum peaks koosnema sulas olekus raskest rauast.

1922. aastal esitas Norra geokeemik Victor Moritz Goldschmidt idee Maa aine üldisest kihistumisest ajal, mil kogu planeet oli vedelas olekus. Ta tuletas selle analoogselt terasetehastes uuritud metallurgilise protsessiga. "Vedela sulamise staadiumis jagunes Maa aine kolmeks segunematuks vedelikuks - silikaadiks, sulfiidiks ja metalliks. Edasise jahutamisega moodustasid need vedelikud Maa peamised kestad – maakoore, vahevöö ja raudsüdamiku!

Kuid meie ajale lähemal oli idee meie planeedi "kuuma" päritolu kohta üha halvem kui "külmast" loomingust. Ja 1939. aastal pakkus Lodotšnikov välja teistsuguse pildi Maa sisemuse kujunemisest. Selleks ajaks oli aine faasiüleminekute idee juba teada. Lodotšnikov pakkus, et faasimuutused aines intensiivistuvad sügavuse suurenedes, mille tulemusena aine jaguneb kestadeks. Sel juhul ei pea südamik tingimata rauast olema. See võib koosneda ülekonsolideeritud silikaatkivimitest, mis on "metallises" olekus. Selle idee võttis ja arendas 1948. aastal Soome teadlane V. Ramsey. Selgus, et kuigi Maa tuumal on vahevööst erinev füüsiline olek, pole põhjust seda rauast koosnevaks pidada. Lõppude lõpuks võib ülekonsolideeritud oliviin olla sama raske kui metall...

Nii tekkiski kaks teineteist välistavat hüpoteesi tuuma koostise kohta. Üks on välja töötatud E. Wicherti ideede põhjal raud-nikli sulamist, millele on lisatud väikeseid kergeid elemente Maa tuuma materjalina. Ja teine ​​- pakkus välja V.N. Lodotšnikovi ja V. Ramsey poolt välja töötatud, mis väidab, et südamiku koostis ei erine vahevöö koostisest, vaid selles olev aine on eriti tihedas metalliseeritud olekus.

Et otsustada, kummale poole peaks kaalud kalduma, tegid paljude riikide teadlased laborites katseid ning loendasid ja loendasid, võrreldes oma arvutuste tulemusi seismiliste uuringute ja laborikatsete tulemustega.

Kuuekümnendatel jõudsid eksperdid lõpuks järeldusele: hüpotees silikaatide metallistumisest südamikus valitseva rõhu ja temperatuuri juures ei leidnud kinnitust! Pealegi tõestasid läbiviidud uuringud veenvalt, et meie planeedi keskpunkt peaks sisaldama vähemalt kaheksakümmend protsenti kogu rauavarust... Nii et lõppude lõpuks on Maa tuum raud? Raud, aga mitte päris. Puhas metall või planeedi keskel kokkusurutud puhas metallisulam oleks Maa jaoks liiga raske. Seetõttu tuleb eeldada, et välissüdamiku materjal koosneb raua ühenditest kergemate elementidega - hapniku, alumiiniumi, räni või väävliga, mida maapõues esineb enim. Aga millised konkreetselt? See on teadmata.

Ja nii võttis vene teadlane Oleg Georgievich Sorokhtin ette uue uuringu. Püüdkem jälgida tema arutluskäiku lihtsustatud kujul. Geoloogiateaduse viimastele saavutustele tuginedes järeldab nõukogude teadlane, et esimesel tekkeperioodil oli Maa suure tõenäosusega enam-vähem homogeenne. Kogu selle aine jaotus kogu mahus ligikaudu võrdselt.

Kuid aja jooksul hakkasid raskemad elemendid, näiteks raud, nii-öelda "vajuma" vahevöö sisse, liikudes järjest sügavamale planeedi keskpunkti poole. Kui see nii on, siis võib noorte ja vanade kivimite võrdluses eeldada, et noortes kivimites on raskete elementide, näiteks Maa aines laialt levinud raua, sisaldus väiksem.

Iidsete laavade uurimine kinnitas seda oletust. Maa tuum ei saa aga olla puhtalt rauast. See on selleks liiga kerge.

Mis oli raua kaaslane teel keskusesse? Teadlane proovis paljusid elemente. Kuid mõned ei lahustunud sulatis hästi, teised aga osutusid kokkusobimatuks. Ja siis tekkis Sorokhtinil mõte: kas kõige tavalisem element, hapnik, polnud raua kaaslane?

Tõsi, arvutused näitasid, et raua ja hapniku ühend – raudoksiid – tundub tuuma jaoks olevat liiga kerge. Kuid sügavustes kokkusurumise ja kuumutamise tingimustes peab raudoksiid läbima ka faasimuutusi. Maa keskpunkti lähedal eksisteerivates tingimustes suudavad ainult kaks rauaaatomit hoida ühte hapnikuaatomit. See tähendab, et tekkiva oksiidi tihedus muutub suuremaks...

Ja jälle arvutused, arvutused. Aga milline rahulolu, kui saadud tulemus näitas, et faasimuutusi läbinud raudoksiidist ehitatud maakera tuuma tihedus ja mass annab täpselt vajaliku väärtuse. kaasaegne mudel südamikud!

Siin see on - kaasaegne ja võib-olla meie planeedi kõige usutavam mudel kogu selle otsingute ajaloos. "Maa välimine tuum koosneb monovalentse raua faasi Fe2O oksiidist ja sisemine tuum on valmistatud metallilisest rauast või raua ja nikli sulamist," kirjutab Oleg Georgievich Sorokhtin oma raamatus. "Üleminekukihti F sisemise ja välimise südamiku vahel võib arvata, et see koosneb raudsulfiidist - troilliidist FeS."

Paljud silmapaistvad geoloogid ja geofüüsikud, okeanoloogid ja seismoloogid - sõna otseses mõttes kõigi planeeti uurivate teadusharude esindajad - osalevad tänapäevase hüpoteesi loomises tuuma vabanemise kohta Maa põhiainest. Maa tektoonilise arengu protsessid jätkuvad teadlaste hinnangul sügavuses veel päris kaua, vähemalt meie planeedil on ees veel paar miljardit aastat. Alles pärast seda mõõtmatut ajaperioodi Maa jahtub ja muutub surnud kosmiliseks kehaks. Aga mis saab selleks ajaks?...

Kui vana on inimkond? Miljon, kaks, noh, kaks ja pool. Ja sel perioodil ei tõusnud inimesed mitte ainult neljakäpukilt püsti, taltsutasid tuld ja mõistsid, kuidas aatomist energiat ammutada, vaid nad saatsid inimesi kosmosesse, automaate teistele päikesesüsteemi planeetidele ja meisterdasid tehnilisteks vajadusteks lähikosmose.

Meie oma planeedi sügavate sisikonna uurimine ja seejärel kasutamine on programm, mis juba koputab teaduse progressi uksele.

Miks pole maa tuum maha jahtunud ja püsinud 4,5 miljardi aasta jooksul umbes 6000°C temperatuurini soojenenud? Küsimus on äärmiselt keeruline, millele pealegi ei saa teadus 100% täpset ja arusaadavat vastust anda. Sellel on aga objektiivsed põhjused.

Liigne salatsemine

Maa tuuma ülemäärane, nii-öelda salapära on seotud kahe teguriga. Esiteks ei tea keegi kindlalt, kuidas, millal ja mis asjaoludel see tekkis – see juhtus proto-maa tekkimise ajal või juba kl. varajased staadiumid moodustunud planeedi olemasolu on kõik suur mõistatus. Teiseks on täiesti võimatu saada proove maakera tuumast - keegi ei tea kindlalt, millest see koosneb. Lisaks kogutakse kõik andmed, mida me tuuma kohta teame, kasutades kaudseid meetodeid ja mudeleid.

Miks jääb Maa tuum kuumaks?

Et mõista, miks maa tuum nii pikka aega ei jahtu, peate esmalt mõistma, mis selle algul soojenemise põhjustas. Meie planeedi sisemus, nagu iga teise planeedi oma, on heterogeenne, need esindavad suhteliselt selgelt piiritletud erineva tihedusega kihte. Kuid see ei olnud alati nii: rasked elemendid vajusid aeglaselt alla, moodustades sisemise ja välise tuuma, samas kui kerged elemendid suruti üles, moodustades vahevöö ja maakoore. See protsess kulgeb äärmiselt aeglaselt ja sellega kaasneb soojuse eraldumine. See polnud aga kütmise peamine põhjus. Kogu Maa mass tohutut jõudu surub selle keskele, tekitades fenomenaalse rõhu ligikaudu 360 GPa (3,7 miljonit atmosfääri), mille tulemusena hakkasid raud-räni-nikli südamikus sisalduvad pikaealised radioaktiivsed elemendid lagunema, millega kaasnes kolossaalne emissioon. soojust.

Täiendavaks kütteallikaks on kineetiline energia, mis tekib hõõrdumise tulemusena erinevate kihtide vahel (iga kiht pöörleb teisest sõltumatult): sisemine südamik koos välimise ja välimine mantliga.

Planeedi sisemus (proportsioone ei peeta kinni). Kolme sisemise kihi hõõrdumine toimib täiendava kütteallikana.

Eelneva põhjal võime järeldada, et Maa ja eriti selle sisikond on isemajandav masin, mis soojendab ennast ise. Kuid see ei saa loomulikult kesta igavesti: tuuma sees olevad radioaktiivsete elementide varud kaovad aeglaselt ja temperatuuri hoidmiseks pole enam midagi.

Külmaks läheb!

Tegelikult on jahutusprotsess alanud juba väga kaua aega tagasi, kuid see kulgeb äärmiselt aeglaselt – murdosa kraadiga sajandis. Ligikaudsete hinnangute kohaselt kulub vähemalt 1 miljard aastat, enne kui tuum täielikult jahtub ning selles toimuvad keemilised ja muud reaktsioonid lakkavad.

Lühike vastus: Maa ja eriti maa tuum on isemajandav masin, mis soojendab ennast. Kogu planeedi mass surub selle keskmele, tekitades fenomenaalset rõhku ja käivitades seeläbi radioaktiivsete elementide lagunemisprotsessi, mille tulemusena eraldub soojust.

Meie planeedil Maa on kihiline struktuur ja see koosneb kolmest põhiosast: maakoor, mantel ja südamik. Mis on Maa keskpunkt? Tuum. Südamiku sügavus on 2900 km ja läbimõõt umbes 3,5 tuhat km. Sees on koletu rõhk 3 miljonit atmosfääri ja uskumatult kõrge temperatuur – 5000°C. Teadlastel kulus mitu sajandit, et teada saada, mis asub Maa keskmes. Isegi moodne tehnoloogia ei suutnud tungida sügavamale kui kaksteist tuhat kilomeetrit. Koola poolsaarel asuva sügavaima puuraugu sügavus on 12 262 meetrit. See on Maa keskpunktist kaugel.

Maa tuuma avastamise ajalugu

Üks esimesi, kes arvas tuuma olemasolu kohta planeedi keskmes, oli inglise füüsik ja keemik Henry Cavendish 18. sajandi lõpus. Füüsikalisi katseid kasutades arvutas ta välja Maa massi ja selle suuruse põhjal määras meie planeedi aine keskmise tiheduse – 5,5 g/cm3. Tuntud tihedus kivid ja maakoores oli umbes kaks korda vähem mineraale. See viis loogilise oletuseni, et Maa keskmes on tihedama ainega piirkond – tuum.

1897. aastal suutis Saksa seismoloog E. Wichert, uurides seismoloogiliste lainete läbimist läbi Maa sisemuse, kinnitada oletust tuuma olemasolu kohta. Ja 1910. aastal määras Ameerika geofüüsik B. Gutenberg selle asukoha sügavuse. Seejärel sündisid hüpoteesid tuuma moodustumise protsessi kohta. Eeldatakse, et see tekkis raskemate elementide tsentri poole settimise tõttu ja algselt oli planeedi aine homogeenne (gaasiline).

Millest tuum koosneb?

Üsna raske on uurida ainet, millest proovi ei saa, et uurida selle füüsikalisi ja keemilisi parameetreid. Teadlased peavad kaudsetele tõenditele tuginedes eeldama ainult teatud omaduste olemasolu, samuti tuuma struktuuri ja koostist. Seismiliste lainete leviku uurimine oli eriti abiks Maa siseehituse uurimisel. Paljudes planeedi pinna punktides asuvad seismograafid registreerivad maakoore värisemisest tulenevate mööduvate seismiliste lainete kiirust ja tüüpe. Kõik need andmed võimaldavad hinnata sisemine struktuur Maa, sealhulgas tuum.

Praegu eeldavad teadlased, et planeedi keskosa on heterogeenne. Mis asub Maa keskmes? Vahevööga külgnev osa on vedel tuum, mis koosneb sulaainest. Ilmselt sisaldab see raua ja nikli segu. Teadlased viis selle ideeni raudmeteoriitide, mis on asteroidi tuumade tükid, uurimine. Teisest küljest on saadud raua-nikli sulamitel suurem tihedus kui eeldatav südamiku tihedus. Seetõttu kalduvad paljud teadlased eeldama, et Maa keskmes, tuumas, on kergemad. keemilised elemendid.

Geofüüsikud seletavad planeedi olemasolu vedela tuuma olemasolu ja planeedi pöörlemisega ümber oma telje. magnetväli. On teada, et voolu liikumisel tekib juhtme ümber elektromagnetväli. Vahevööga külgnev sulakiht toimib sellise hiiglasliku voolu juhtiva juhina.

Südamiku sisemine osa on vaatamata mitme tuhande kraadisele temperatuurile tahke aine. Seda seetõttu, et rõhk planeedi keskmes on nii kõrge, et kuumad metallid muutuvad tahkeks. Mõned teadlased viitavad sellele, et tahke tuum koosneb vesinikust, mis uskumatu rõhu ja tohutu temperatuuri mõjul muutub metalli sarnaseks. Seega ei tea isegi geofüüsikud ikka veel kindlalt, mis on Maa keskpunkt. Kui aga vaadelda küsimust matemaatilisest vaatenurgast, siis võib öelda, et Maa keskpunkt asub ligikaudu 6378 km kaugusel. planeedi pinnalt.