Prečo má zem tekuté jadro? Vznik zemského jadra

Po vhodení kľúčov do prúdu roztavenej lávy sa s nimi rozlúčte, pretože, chlape, sú všetko.
- Jack Handy

Všetci vieme, prečo je to tak: pretože oceány Zeme sa týčia nad skalami a bahnom, ktoré tvoria krajinu. Koncept vztlaku, pri ktorom sa objekty s menšou hustotou vznášajú nad hustejšími, potápajúcimi sa objektmi, vysvetľuje oveľa viac než len oceány.

Rovnaký princíp, ktorý vysvetľuje, prečo ľad pláva vo vode, guľa hélia stúpa v atmosfére a kamene klesajú v jazere, vysvetľuje, prečo sú vrstvy planéty Zem usporiadané týmto spôsobom.

Nad ním sa vznáša najmenej hustá časť Zeme, atmosféra vodné oceány ktoré sa vznášajú nad zemskou kôrou, ktorá sedí nad hustejším plášťom, ktorý neklesá do najhustejšej časti zeme: do jadra.

V ideálnom prípade by najstabilnejší stav Zeme bol taký, ktorý by bol v ideálnom prípade rozdelený do vrstiev, ako je cibuľa, s najhustejšími prvkami v strede, a keď sa pohybujete smerom von, každá nasledujúca vrstva by pozostávala z menej hustých prvkov. A každé zemetrasenie v skutočnosti posúva planétu k tomuto stavu.

A to vysvetľuje štruktúru nielen Zeme, ale všetkých planét, ak si pamätáte, odkiaľ tieto prvky pochádzajú.

Keď bol vesmír mladý - len pár minút starý - existoval v ňom iba vodík a hélium. Všetky ťažšie prvky boli vytvorené vo hviezdach a až keď tieto hviezdy zomreli, ťažké prvky odišli do vesmíru a umožnili tak vznik nových generácií hviezd.

Ale tentoraz zmes všetkých týchto prvkov – nielen vodík s héliom, ale aj uhlík, dusík, kyslík, kremík, horčík, síra, železo a iné – tvorí nielen hviezdu, ale aj protoplanetárny disk okolo tejto hviezdy.

Tlak zvnútra von vo formujúcej sa hviezde vytláča ľahšie prvky a gravitácia spôsobuje zrútenie nepravidelností v disku a vytváranie planét.

Kedy Slnečná sústavaštyri vnútorný mier sú najhustejšie zo všetkých planét v systéme. Ortuť sa skladá z najhustejších prvkov, ktoré nemohli obsiahnuť veľké množstvo vodík a hélium.

Iné planéty, hmotnejšie a vzdialenejšie od Slnka (a teda prijímajúce menej jeho žiarenia), dokázali pojať viac týchto ultraľahkých prvkov – tak vznikli plynní obri.

Vo všetkých svetoch, ako aj na Zemi, sú v priemere najhustejšie prvky sústredené v jadre a pľúca okolo neho tvoria čoraz menej husté vrstvy.

Nie je prekvapením, že železo, najstabilnejší prvok a najťažší prvok vytvorený v veľké množstvá na okraji supernov a je najrozšírenejším prvkom zemského jadra. Ale možno prekvapivo sa medzi pevným jadrom a pevným plášťom nachádza tekutá vrstva hrubá viac ako 2000 km: vonkajšie jadro Zeme.

Zem má hrubú tekutú vrstvu obsahujúcu 30% hmotnosti planéty! A o jeho existencii sme sa dozvedeli pomerne dômyselnou metódou – vďaka seizmickým vlnám vychádzajúcim zo zemetrasení!

Pri zemetraseniach sa generujú seizmické vlny dvoch typov: hlavná kompresná vlna, známa ako vlna P, prechádzajúca pozdĺžnym spôsobom.

A druhá šmyková vlna, známa ako S-vlna, je podobná vlnám na hladine mora.

Seizmické stanice po celom svete sú schopné zachytiť P- a S-vlny, ale S-vlny neprechádzajú kvapalinou a P-vlny nielen prechádzajú kvapalinou, ale sa lámu!

V dôsledku toho je možné pochopiť, že Zem má tekuté vonkajšie jadro, mimo ktorého je pevný plášť, a vo vnútri - pevné vnútorné jadro! To je dôvod, prečo zemské jadro obsahuje najťažšie a najhustejšie prvky, a tak vieme, že vonkajšie jadro je tekutá vrstva.

Ale prečo je vonkajšie jadro tekuté? Rovnako ako všetky prvky, skupenstvo železa, pevné, kvapalné, plynné alebo iné, závisí od tlaku a teploty železa.

Železo je zložitejší prvok ako mnohé z tých, na ktoré ste zvyknutí. Samozrejme môže mať rôzne kryštalické tuhé fázy, ako je naznačené v grafe, ale obyčajné tlaky nás nezaujímajú. Zostupujeme do jadra zeme, kde sú tlaky miliónkrát väčšie ako tie na hladine mora. Ako vyzerá fázový diagram pre také vysoké tlaky?

Krása vedy je v tom, že aj keď nemáte okamžitú odpoveď na otázku, je pravdepodobné, že niekto už urobil výskum, na ktorý potrebujete nájsť odpoveď! V tomto prípade Ahrens, Collins a Chen našli odpoveď na našu otázku v roku 2001.

A hoci diagram ukazuje gigantické tlaky až do 120 GPa, je dôležité si uvedomiť, že atmosférický tlak je len 0,0001 GPa, zatiaľ čo tlaky vo vnútornom jadre dosahujú 330-360 GPa. Horná plná čiara ukazuje hranicu medzi roztaveným železom (hore) a pevnou látkou (dole). Všimli ste si, ako plná čiara na samom konci prudko stúpa nahor?

Aby sa železo roztavilo pri tlaku 330 GPa, je potrebná obrovská teplota, porovnateľná s tou, ktorá panuje na povrchu Slnka. Rovnaké teploty pri nižších tlakoch ľahko udržia železo v kvapalnom stave a pri vyšších tlakoch v pevnom stave. Čo to znamená z hľadiska zemského jadra?

To znamená, že keď sa Zem ochladzuje, jej vnútorná teplota klesá, pričom tlak zostáva nezmenený. To znamená, že počas formovania Zeme bolo s najväčšou pravdepodobnosťou celé jadro tekuté a keď sa ochladzovalo, vnútorné jadro rastie! A keďže pevné železo má vyššiu hustotu ako tekuté železo, Zem sa pomaly sťahuje, čo vedie k zemetraseniam!

Takže zemské jadro je tekuté, pretože je dostatočne horúce na roztavenie železa, ale iba v oblastiach s dostatočne nízkym tlakom. Ako Zem starne a chladne, stále viac a viac jadra sa stáva pevným, a preto sa Zem trochu zmenšuje!

Ak sa chceme pozrieť ďaleko do budúcnosti, môžeme očakávať objavenie sa rovnakých vlastností, aké sú pozorované u Merkúra.

Ortuť sa pre svoju malú veľkosť už výrazne ochladila a stiahla a má zlomy dlhé stovky kilometrov, ktoré sa objavili kvôli potrebe stlačenia v dôsledku ochladzovania.

Prečo má teda Zem tekuté jadro? Lebo ešte nevychladla. A každé zemetrasenie je malým priblížením Zeme ku konečnému, vychladnutému a skrz na skrz pevné skupenstvo. Ale nebojte sa, Slnko vybuchne dávno pred týmto momentom a všetci, ktorých poznáte, budú už dávno mŕtvi.

Bolo vyjadrených nespočetné množstvo myšlienok o štruktúre zemského jadra. Dmitrij Ivanovič Sokolov, ruský geológ a akademik, povedal, že látky vo vnútri Zeme sú distribuované ako troska a kov v taviacej peci.

Toto obrazné porovnanie sa potvrdilo viac ako raz. Vedci starostlivo študovali železné meteority prilietajúce z vesmíru a považovali ich za fragmenty jadra rozpadnutej planéty. To znamená, že zemské jadro musí pozostávať aj z ťažkého železa v roztavenom stave.

V roku 1922 nórsky geochemik Victor Moritz Goldschmidt predložil myšlienku všeobecnej stratifikácie hmoty Zeme aj v čase, keď bola celá planéta v tekutom stave. Vyvodil to analogicky s metalurgickým procesom študovaným v oceliarňach. „V štádiu tekutej taveniny,“ povedal, „bola zemská látka rozdelená na tri nemiešateľné kvapaliny – kremičitanovú, sulfidovú a kovovú. S ďalším ochladzovaním tieto kvapaliny vytvorili hlavné škrupiny Zeme - kôru, plášť a železné jadro!

Bližšie k našej dobe však myšlienka „horúceho“ pôvodu našej planéty čoraz viac ustupovala „studenému“ stvoreniu. A v roku 1939 Lodochnikov navrhol iný obraz formovania vnútra Zeme. V tom čase už bola známa myšlienka fázových prechodov hmoty. Lodochnikov navrhol, že fázové zmeny hmoty sa zintenzívňujú s rastúcou hĺbkou, v dôsledku čoho sa hmota delí na škrupiny. V tomto prípade jadro vôbec nemusí byť železné. Môže pozostávať z nadmerne spevnených silikátových hornín v „kovovom“ stave. Túto myšlienku vyzdvihol a rozvinul v roku 1948 fínsky vedec V. Ramsey. Ukázalo sa, že hoci jadro Zeme má iný fyzikálny stav ako plášť, nie je dôvod považovať ho za zložené zo železa. Koniec koncov, príliš konsolidovaný olivín môže byť ťažký ako kov ...

Objavili sa tak dve vzájomne sa vylučujúce hypotézy o zložení jadra. Jeden je vyvinutý na základe predstáv E. Wicherta o zliatine železa a niklu s malými prídavkami ľahkých prvkov ako materiálu zemského jadra. A druhý - navrhol V.N. Lodochnikov a vyvinutý V. Ramseyom, ktorý uvádza, že zloženie jadra sa nelíši od zloženia plášťa, ale látka v ňom je v obzvlášť hustom metalizovanom stave.

Aby sa vedci z mnohých krajín rozhodli, ktorým smerom by sa mali váhy nakloniť, uskutočňovali experimenty v laboratóriách a počítali, počítali a porovnávali výsledky svojich výpočtov s tým, čo ukázali seizmické štúdie a laboratórne experimenty.

V šesťdesiatych rokoch odborníci konečne dospeli k záveru: hypotéza pokovovania silikátov pri tlakoch a teplotách panujúcich v jadre sa nepotvrdila! Vykonané štúdie navyše presvedčivo dokázali, že stred našej planéty by mal obsahovať aspoň osemdesiat percent celkovej zásoby železa... Takže jadro Zeme je napokon železo? Železo, ale nie celkom. Čistý kov alebo čistá kovová zliatina stlačená v strede planéty by bola pre Zem príliš ťažká. Preto treba vychádzať z toho, že látku vonkajšieho jadra tvoria zlúčeniny železa s ľahšími prvkami – s kyslíkom, hliníkom, kremíkom či sírou, ktorých je v zemskej kôre najviac. Ale ktoré konkrétne? Toto je neznáme.

A tak sa ruský vedec Oleg Georgievič Sorokhtin pustil do novej štúdie. Skúsme v zjednodušenej forme sledovať priebeh jeho úvah. Na základe najnovších pokrokov v geologickej vede sovietsky vedec usudzuje, že v prvom období formovania bola Zem s najväčšou pravdepodobnosťou viac-menej homogénna. Všetka jeho látka bola približne rovnomerne rozložená v celom objeme.

Postupom času sa však ťažšie prvky, ako napríklad železo, začali takpovediac „potápať“ v plášti, čím sa dostávali stále hlbšie do stredu planéty. Ak je to tak, potom pri porovnaní mladých a starých hornín možno očakávať v mladých horninách nižší obsah ťažkých prvkov, rovnakého železa, aké je rozšírené v hmote Zeme.

Štúdium starých láv tento predpoklad potvrdilo. Jadro Zeme však nemôže byť čisto železné. Na to je príliš svetlý.

Aký bol spoločník železa na ceste do centra? Vedec vyskúšal mnoho prvkov. Niektoré sa však v tavenine nerozpúšťali dobre, zatiaľ čo iné sa ukázali ako nekompatibilné. A potom Sorokhtinovi napadlo: bol najbežnejší prvok, kyslík, spoločníkom železa?

Je pravda, že výpočty ukázali, že kombinácia železa s kyslíkom - oxid železitý - sa zdá byť príliš ľahký pre jadro. Ale koniec koncov, v podmienkach kompresie a zahrievania v hĺbke musí oxid železa tiež prejsť fázovými zmenami. V podmienkach, ktoré existujú blízko stredu Zeme, sú iba dva atómy železa schopné udržať jeden atóm kyslíka. To znamená, že hustota výsledného oxidu sa zvýši ...

A opäť výpočty, výpočty. Aké je to však zadosťučinenie, keď získaný výsledok ukázal, že hustota a hmotnosť zemského jadra, postaveného z oxidu železa, ktoré prešlo fázovými zmenami, dáva presne tú požadovanú hodnotu moderný model jadierka!

Tu je - moderný a možno najpravdepodobnejší model našej planéty v celej histórii jej hľadania. „Vonkajšie jadro Zeme pozostáva z jednomocného oxidu železa Fe2O a vnútorné jadro je vyrobené z kovového železa alebo zliatiny železa s niklom,“ píše Oleg Georgievich Sorokhtin vo svojej knihe. "Prechodnú vrstvu F medzi vnútorným a vonkajším jadrom možno považovať za zloženú zo sulfidu železa - troillitu FeS."

Na tvorbe modernej hypotézy o oddelení jadra od primárnej hmoty Zeme sa podieľa mnoho významných geológov a geofyzikov, oceánológov a seizmológov, predstaviteľov doslova všetkých oblastí vedy skúmajúcich planétu. Procesy tektonického vývoja Zeme budú podľa vedcov pokračovať v hĺbkach ešte dosť dlho, prinajmenšom pred našou planétou je ešte pár miliárd rokov. Až po tomto bezhraničnom období Zem vychladne a zmení sa na mŕtve kozmické teleso. Ale čo sa stane do tejto doby? ..

Koľko rokov má ľudstvo? Milión, dva, dobre, dva a pol. A v tomto období ľudia nielenže vstali zo štyroch, skrotili oheň a pochopili, ako získavať energiu z atómu, posielali človeka do vesmíru, automaty na iné planéty slnečnej sústavy a ovládli blízky vesmír pre technické potreby.

Prieskum a následne využitie hlbokých útrob našej vlastnej planéty je program, ktorý už klope na dvere vedeckého pokroku.

Prečo sa zemské jadro neochladzuje a zostáva zohriate na teplotu asi 6000 °C počas 4,5 miliardy rokov? Otázka je mimoriadne ťažká, na ktorú navyše veda nevie dať stopercentne presnú zrozumiteľnú odpoveď. Má to však objektívne dôvody.

Prílišná tajomnosť

Prílišná, takpovediac záhada zemského jadra je spojená s dvoma faktormi. Po prvé, nikto spoľahlivo nevie, ako, kedy a za akých okolností vznikol - stalo sa to pri vzniku prazeme alebo už na skoré štádia existencia sformovanej planéty - to všetko je veľká záhada. Po druhé, je absolútne nemožné získať vzorky zo zemského jadra – nikto s istotou nevie, z čoho pozostáva. Všetky údaje, ktoré o jadre vieme, sa navyše zbierajú nepriamymi metódami a modelmi.

Prečo zostáva jadro Zeme horúce?

Aby ste sa pokúsili pochopiť, prečo sa zemské jadro neochladzuje tak dlho, musíte najprv zistiť, ako sa pôvodne zahrievalo. Útroby našej, ako každej inej planéty, sú heterogénne, predstavujú pomerne jasne ohraničené vrstvy rôznej hustoty. Ale nebolo to tak vždy: ťažké prvky pomaly klesali a vytvorili vnútorné a vonkajšie jadro, ľahké boli vytlačené na vrch, čím sa vytvoril plášť a zemská kôra. Tento proces je extrémne pomalý a je sprevádzaný uvoľňovaním tepla. To však nebol hlavný dôvod vykurovania. Celá hmotnosť Zeme s ohromná sila tlačí na jeho stred a vytvára fenomenálny tlak približne 360 ​​GPa (3,7 milióna atmosfér), v dôsledku čoho sa začal rozpad dlhožijúcich rádioaktívnych prvkov obsiahnutých v jadre železo-kremík-nikel, ktorý bol sprevádzaný kolosálnymi emisiami tepla .

Dodatočným zdrojom ohrevu je kinetická energia vznikajúca v dôsledku trenia medzi rôznymi vrstvami (každá vrstva sa otáča nezávisle od druhej): vnútorné jadro s vonkajším a vonkajšie s plášťom.

Útroby planéty (proporcie nie sú splnené). Trenie medzi tromi vnútornými vrstvami slúži ako dodatočný zdroj ohrevu.

Na základe uvedeného môžeme konštatovať, že Zem a najmä jej útroby sú sebestačný stroj, ktorý sa sám ohrieva. Ale takto prirodzene to nemôže ísť donekonečna: zásoby rádioaktívnych prvkov vo vnútri jadra pomaly miznú a už nie je čo udržiavať teplotu.

Ochladzuje sa!

V skutočnosti sa proces ochladzovania už začal veľmi dávno, ale prebieha extrémne pomaly – o zlomok stupňa za storočie. Podľa hrubých odhadov uplynie najmenej 1 miliarda rokov, kým jadro úplne vychladne a neustanú v ňom chemické a iné reakcie.

Krátka odpoveď je: Zem, a najmä zemské jadro, je sebestačný stroj, ktorý sa sám ohrieva. Celá hmota planéty tlačí na jej stred, vytvára fenomenálny tlak a tým spúšťa proces rozpadu rádioaktívnych prvkov, v dôsledku čoho sa uvoľňuje teplo.

Naša planéta Zem má vrstvenú štruktúru a skladá sa z troch hlavných častí: kôra, plášť a jadro. Čo je stred zeme? Jadro. Hĺbka jadra je 2900 km a priemer je približne 3,5 tisíc km. Vo vnútri je monštruózny tlak 3 milióny atmosfér a neuveriteľne vysoká teplota 5000 °C. Na to, aby zistili, čo je v strede Zeme, trvalo vedcom niekoľko storočí. Dokonca moderná technológia nedokázal preniknúť hlbšie ako dvanásťtisíc kilometrov. Najhlbší vrt, ktorý sa nachádza na polostrove Kola, má hĺbku 12 262 metrov. Ďaleko od stredu Zeme.

História objavenia zemského jadra

Jedným z prvých, kto hádal o prítomnosti jadra v strede planéty, bol koncom 18. storočia anglický fyzik a chemik Henry Cavendish. Pomocou fyzikálnych experimentov vypočítal hmotnosť Zeme a na základe jej veľkosti určil priemernú hustotu hmoty na našej planéte – 5,5 g / cm3. Hustota známeho skaly a minerálov v zemskej kôre bolo približne dvakrát menej. Z toho vyplýva logický predpoklad, že v strede Zeme je oblasť hustejšej hmoty - jadro.

V roku 1897 nemecký seizmológ E. Wichert, skúmajúci prechod seizmologických vĺn vnútrozemím Zeme, dokázal potvrdiť predpoklad o prítomnosti jadra. A v roku 1910 americký geofyzik B. Gutenberg určil hĺbku jeho polohy. Následne sa zrodili hypotézy o procese tvorby jadra. Predpokladá sa, že vznikla v dôsledku usadzovania ťažších prvkov do stredu a spočiatku bola látka planéty homogénna (plynná).

Z čoho je jadro vyrobené?

Skúmanie látky, z ktorej nie je možné odobrať vzorky, aby bolo možné študovať jej fyzikálne a chemické parametre, je pomerne náročné. Vedci musia iba predpokladať prítomnosť určitých vlastností, ako aj štruktúru a zloženie jadra nepriamymi znakmi. Štúdium šírenia seizmických vĺn pomohlo najmä pri štúdiu vnútornej stavby Zeme. Seizmografy umiestnené na mnohých miestach na povrchu planéty zaznamenávajú rýchlosť a typy prechodu seizmických vĺn vznikajúcich z otrasov zemskej kôry. Všetky tieto údaje umožňujú posúdiť vnútorná štruktúra Zem vrátane jadra.

V súčasnosti vedci naznačujú, že centrálna časť planéty je heterogénna. Čo je v strede zeme? Časť susediaca s plášťom je tekuté jadro zložené z roztavenej hmoty. Zdá sa, že obsahuje zmes železa a niklu. Vedcov k tejto myšlienke priviedla štúdia železných meteoritov, čo sú kúsky jadier asteroidov. Na druhej strane výsledné zliatiny niklu a železa majú vyššiu hustotu, než je očakávaná hustota jadra. Preto sa mnohí vedci prikláňajú k predpokladu, že v strede Zeme, v jadre, sú aj ľahšie chemické prvky.

Prítomnosť tekutého jadra a rotácia planéty okolo vlastnej osi geofyziky vysvetľujú existenciu magnetické pole... Je známe, že elektromagnetické pole okolo vodiča vzniká pri pohybe prúdu. Roztavená vrstva priliehajúca k plášťu slúži ako taký obrovský prúd nesúci vodič.

Vnútorná časť jadra je napriek teplote niekoľko tisíc stupňov pevná látka. Je to preto, že tlak v strede planéty je taký vysoký, že horúce kovy stvrdnú. Niektorí vedci tvrdia, že pevné jadro pozostáva z vodíka, ktorý sa pod vplyvom neuveriteľného tlaku a obrovskej teploty stáva ako kov. Čo je teda stred Zeme, ani geofyzici stále nevedia s istotou. Ale ak zvážime problém z matematického hľadiska, potom môžeme povedať, že stred Zeme je približne 6378 km. z povrchu planéty.