Температура внутри ядра земли оказалась выше, чем на солнце. Откуда мы знаем, что находится в ядре Земли? Ядро земли жидкое или твердое

20321 0

Используя тонкое сочетание ускорителей частиц, рентгеновских лучей, высокоинтенсивных лазеров, алмазов и атомов железа, учёные сумели вычислить температуру внутреннего ядра нашей планеты.

Согласно новым подсчётам, она составляет 6000 градусов по Цельсию, что на тысячу градусов выше, чем считалось ранее.

Таким образом, ядро планеты Земля имеет более высокую температуру, чем поверхность Солнца.

Новые данные могут повлечь за собой переосмысление считавшимися непреложными фактов в таких областях знания, как геофизика, сейсмология, геодинамика и других ориентированных на изучение планеты дисциплинах.

Если смотреть с поверхности вглубь, Земля состоит из коры, твёрдой верхней мантии, далее по большей части твёрдой мантии, внешнего ядра из расплавленного железа и никеля и внутреннего ядра из твёрдого железа и никеля. Внешнее ядро находится в жидком состоянии по причине высоких температур, но более высокое давление во внутреннем ядре препятствует расплавлению породы.

Расстояние от поверхности до центра Земли составляет 6371 км. Толщина коры равняется 35 км, мантии 2855 км; на фоне таких расстояний Кольская сверхглубокая скважина глубиной 12 км выглядит сущим пустяком. По существу, о том, что происходит под корой, достоверно нам ничего не известно. Все наши данные основаны на сейсмических волнах землетрясений, отражающихся от различных слоёв Земли, и жалких крох, попадающих на поверхность из глубины, как вулканическая магма.

Естественно, учёные с превеликим удовольствием пробурили бы скважину до самого ядра, но с нынешним уровнем развития технологий осуществление этой задачи не представляется возможным. Уже на двенадцати километрах бурение Кольской скважины пришлось прекратить, так как температура на такой глубине составляет 180 градусов.

На пятнадцати километрах температура прогнозируется на уровне в 300 градусов, и при ней современные буровые установки работать не смогут. И уж тем более сейчас и близко нет технологий, которые дали бы возможность вести бурение в мантии, в диапазоне температур 500-4000 градусов. Не стоит забывать и о практичной стороне дела: за пределами коры нет нефти, так что инвестировать в попытку создания подобных технологий желающих может и не найтись.

Чтобы вычислить температуру во внутреннем ядре, французские исследователи сделали всё возможное для воссоздания сверхвысоких температур и давления ядра в лабораторных условиях. Имитация давления является самой сложной задачей: на такой глубине оно достигает значения 330 гигапаскалей, что в три миллиона раз превышает атмосферное давление.

Чтобы решить её, использовалась ячейка с алмазными наковальнями. Она представляет собой два алмаза конической формы, которые воздействуют на материал с двух сторон на площади диаметром менее миллиметра; таким образом, на образец железа оказывалось давление в 200 гигапаскалей. Затем железо нагревалось при помощи лазера, подвергалось дифракционному анализу рентгеновскими лучами для наблюдения перехода от твёрдого к жидкому состоянию при таких кондициях. Наконец, учёные внесли поправки в полученные результаты для давления в 330 гигапаскалей, получив температуру покрытия внутреннего ядра 5957 плюс-минус 500 градусов. Внутри самого ядра она, по всей видимости, ещё выше.

Почему же переосмысление температуры ядра планеты имеет большое значение?

Магнитное поле Земли генерируется именно ядром и влияет на множество событий, происходящих на поверхности планеты - например, удерживает атмосферу на месте. Знание, что температура ядра на тысячу градусов выше, чем считалось ранее, пока не даёт никаких практических областей применения, но может пригодиться в будущем. Новое значение температуры будет использоваться в новых сейсмологических и геофизических моделях, которые в будущем вполне могут привести к серьезным научным открытиям. По большому же счёту, более полная и точная картина окружающего мира ценна для учёных сама по себе.

Люди заполнили Землю. Мы завоевывали земли, летали по воздуху, ныряли в глубины океана. Мы даже побывали на Луне. Но мы никогда не были в ядре планеты. Мы даже и близко к нему не подобрались. Центральная точка Земли находится в 6000 километрах внизу, и даже самая дальняя часть ядра находится в 3000 километрах под нашими ногами. Самая глубокая дыра, которую мы сделали на поверхности - это , да и то она уходит вглубь земли на жалкие 12,3 километра.

Все известные события на Земле происходят близко к поверхности. Лава, которая извергается из вулканов, сначала плавится на глубине нескольких сотен километров. Даже бриллианты, которым необходимо чрезвычайное тепло и давление для образования, рождаются в породах на глубине не более 500 километров.

Все, что ниже, окутано тайной. Кажется недостижимым. И все же мы знаем довольно много интересного о нашем ядре. У нас даже есть некоторое представление о том, как оно сформировалось миллиарды лет назад - и все без единого физического образца. Как же нам удалось узнать так много о ядре Земли?

Для начала нужно хорошо подумать о массе Земли, говорит Саймон Редферн из Кембриджского университета в Великобритании. Мы можем оценить массу Земли, наблюдая за эффектом гравитации планеты, который она оказывает на объекты на поверхности. Выяснилось, что масса Земли составляет 5,9 секстиллиона тонн: это 59 с двадцатью нулями.

Но на поверхности нет признаков такой массы.

«Плотность материала на поверхности Земли намного ниже, чем средняя плотность всей Земли, что говорит нам о том, что есть что-то более плотное, - говорит Редферн. - Это первое».

По существу, большая часть земной массы должна быть расположена по направлению к центру планеты. Следующим шагом будет выяснить, из каких тяжелых материалов состоит ядро. И оно состоит почти полностью из железа. 80% ядра - это железо, однако точную цифру еще придется выяснить.

Главным доказательством этого является огромное количество железа во Вселенной вокруг нас. Это один из десяти самых распространенных элементов в нашей галактике, который также часто встречается в метеоритах. При всем этом на поверхности Земли намного меньше железа, чем можно было бы ожидать. Согласно теории, когда Земли образовалась 4,5 миллиарда лет назад, много железа утекло вниз к ядру.

Там сосредоточена большая часть массы, а значит, и железо должно там быть. Железо также относительно плотный элемент при нормальных условиях, а под сильным давлением в ядре Земли оно будет еще плотнее. Железное ядро могло бы объяснить всю недостающую массу.

Но погодите. Как железо вообще там оказалось? Железо должно было каким-то образом притянуться - в буквальном смысле - к центру Земли. Но сейчас этого не происходит.

Большая часть остальной Земли состоит из горных пород - силикатов - и расплавленное железо с трудом через них проходит. Подобно тому, как вода на жирной поверхности образует капли, железо собирается в небольших резервуарах, отказываясь растекаться и разливаться.

Возможное решение было обнаружено в 2013 году Венди Мао из Стэнфордского университета и ее коллегами. Они задались вопросом, что происходит, когда железо и силикат подвергаются сильному давлению глубоко в земле.

Плотно сжимая оба вещества при помощи алмазов, ученым удалось протолкнуть расплавленное железо через силикат. «Это давление существенно изменяет свойства взаимодействия железа с силикатами, - говорит Мао. - При высоком давлении образуется «сеть плавления».

Это может говорить о том, что железо постепенно проскальзывало через породы Земли в течение миллионов лет, пока не достигло ядра.

В этот момент вы можете спросить: откуда мы, собственно, знаем размер ядра? Почему ученые считают, что оно начинается в 3000 километрах? Ответ один: сейсмология.

Когда происходит землетрясение, оно посылает ударные волны по всей планете. Сейсмологи записывают эти колебания. Будто бы мы бьем по одной стороне планеты гигантским молотом и прислушиваемся к шуму на другой стороне.

«В 1960-х годах произошло землетрясение в Чили, которое дало нам огромное количество данных, - говорит Редферн. - Все сейсмические станции по всей Земле записывали толчки этого землетрясения».

В зависимости от маршрута этих колебаний, они проходят через разные участки Земли, и это влияет на то, какой «звук» они издают на другом конце.

В начале истории сейсмологии стало очевидно, что некоторые колебания пропали без вести. Эти «S-волны» ожидали увидеть на другом конце Земли после происхождения на одном, но не увидели. Причина этому простая. S-волны реверберируют через твердый материал и не могут проходить через жидкость.

Должно быть, они столкнулись с чем-то расплавленным в центре Земли. Составив карту путей S-волн, ученые пришли к выводу, что на глубине примерно 3000 километров породы становятся жидкими. Это также говорит о том, что все ядро расплавленное. Но у сейсмологов был и другой сюрприз в этой истории.

В 1930-х годах датский сейсмолог Инге Леман обнаружила, что другой тип волн, P-волны, неожиданно прошли через ядро и были обнаружены на другом конце планеты. Сразу последовало предположение, что ядро разделено на два слоя. «Внутреннее» ядро, которое начинается в 5000 километрах внизу, были твердым. Расплавлено только «внешнее» ядро.

Идея Леман была подтверждена в 1970 году, когда более чувствительные сейсмографы показали, что P-волны действительно проходят через ядро и, в некоторых случаях, отражаются от него под некоторыми углами. Неудивительно, что в конце концов они оказываются на другой стороне планеты.

Ударные волны через Землю отправляют не только землетрясения. На самом деле, сейсмологи многим обязаны развитию ядерного оружия.

Ядерный взрыв тоже создает волны на земле, поэтому государства обращаются за помощью к сейсмологам во время испытания ядерного оружия. Во время холодной войны это было чрезвычайно важно, поэтому сейсмологи вроде Леман получили большую поддержку.

Конкурирующие страны узнавали о ядерном потенциале друг друга и параллельно с этим мы узнавали все больше и больше о ядре Земли. Сейсмология до сих пор используется для обнаружения ядерных взрывов сегодня.

Теперь мы можем нарисовать примерную картину строения Земли. Есть расплавленное внешнее ядро, которое начинается примерно на полпути к центру планеты, а внутри него расположено твердое внутреннее ядро с диаметром примерно 1220 километров.

Вопросов от этого не становится меньше, особенно на тему внутреннего ядра. К примеру, насколько оно горячее? Выяснить это оказалось не так-то просто, и ученые долгое время ломали голову, говорит Лидунка Вокадло из Университетского колледжа Лондона в Великобритании. Мы не можем засунуть туда термометр, поэтому единственный возможный вариант - это создать нужное давление в лабораторных условиях.

При обычных условиях железо плавится при температуре 1538 градусов

В 2013 году группа французских ученых произвели лучшую оценку на сегодняшний день. Они подвергли чистое железо давлению в половину того, что имеется в ядре, и отталкивались уже от этого. плавления чистого железа в ядре составляет примерно 6230 градусов. Присутствие других материалов может немного снизить точку плавления, до 6000 градусов. Но это все равно горячее, чем на поверхности Солнца.

Будучи своего рода поджаренной картошкой в мундире, ядро Земли остается горячим, благодаря теплу, оставшемуся от образования планеты. Оно также извлекает тепло из трения, возникающего по мере движения плотных материалов, а также распада радиоактивных элементов. Остывает оно примерно на 100 градусов по Цельсию каждый миллиард лет.

Знать эту температуру полезно, поскольку она влияет на скорость прохождения колебаний через ядро. И это удобно, потому что в этих вибрациях есть что-то странное. P-волны проходят неожиданно медленно через внутреннее ядро - медленнее, чем если бы оно состояло из чистого железа.

«Скорости волн, которые сейсмологи измерили в землетрясениях, значительно ниже, чем показывает эксперимент или компьютерный расчет, - говорит Вокадло. - Никто пока не знает, почему так».

Очевидно, к железу примешивается другой материал. Возможно, никель. Но ученые посчитали, как сейсмические волны должны проходить через железо-никелевый сплав, и не смогли подогнать расчеты под наблюдения.

Вокадло и ее коллеги в настоящее время рассматривают возможность присутствия в ядре других элементов, например, серы и кремния. Пока никто не смог придумать теорию состава внутреннего ядра, которая удовлетворила бы всех. Проблема Золушки: туфелька никому не подходит. Вокадло пытается экспериментировать с материалами внутреннего ядра на компьютере. Она надеется найти комбинацию материалов, температур и давления, которые будут замедлять сейсмические волны на правильную величину.

Она говорит, что секрет может скрываться в том факте, что внутреннее ядро находится почти в точке плавления. В результате этого точные свойства материала могут отличаться от тех, что принадлежали бы совершенно твердому веществу. Также это могло бы объяснить, почему сейсмические волны проходят медленнее, чем ожидалось.

«Если этот эффект реален, мы могли бы примирить результаты минеральной физики с результатами сейсмологии, - говорит Вокадло. - Люди пока не могут этого сделать».

Существует еще много загадок, связаных с ядром Земли, которые еще предстоит решить. Но не имея возможности погрузиться на эти невообразимые глубины, ученые совершают подвиг, выясняя, что находится в тысячах километров под нами. Скрытые процессы недр Земли чрезвычайно важно изучать. У Земли есть мощное магнитное поле, которое генерируется благодаря частично расплавленному ядру. Постоянное движение расплавленного ядра порождает электрический ток внутри планеты, и он, в свою очередь, генерирует магнитное поле, которое уходит далеко в космос.

Это магнитное поле защищает нас от вредного солнечного излучения. Не будь ядро Земли таким, каким оно является, не было бы магнитного поля, а мы бы серьезно от этого страдали. Вряд ли кто-нибудь из нас сможет увидеть ядро своими глазами, но хорошо просто знать, что оно там есть.

Земля вместе с другими телами Солнечной системы сформировалась из холодного газопылевого облака путем аккреции составивших ее частиц. После возникновения планеты начался совершенно новый этап ее развития, который в науке принято называть догеологическим.
Название периода связано с тем, что самые ранние свидетельства былых процессов – магматические или вулканические породы – не древнее 4 млрд лет. Только их сегодня могут изучить ученые.
Догеологический этап развития Земли таит в себе еще немало загадок. Он охватывает период в 0,9 млрд лет и характеризуется широким проявлением на планете вулканизма с выделением газов и паров воды. Именно в это время начался процесс расслоения Земли на основные оболочки – ядро, мантию, кору и атмосферу. Предполагается, что данный процесс был спровоцирован интенсивной метеоритной бомбардировкой нашей планеты и плавлением отдельных ее частей.
Одним из ключевых событий в истории Земли было формирование ее внутреннего ядра. Вероятно, это произошло в догеологический этап развития планеты, когда все вещество разделилось на две основные геосферы – ядро и мантию.
К сожалению, достоверной теории об образовании земного ядра, которая подтверждалась бы серьезными научными сведениями и доказательствами, пока не существует. Как все-таки образовалось ядро Земли? На этот вопрос ученые предлагают две основные гипотезы.
Согласно первой версии, вещество непосредственно после возникновения Земли было однородным.
Оно целиком состояло из микрочастиц, которые можно сегодня наблюдать в метеоритах. Но по прошествии определенного промежутка времени эта первично-однородная масса разделилась на тяжелое ядро, куда стекло все железо, и более легкую силикатную мантию. Иными словами, капли расплавленного железа и сопутствовавшие ему тяжелые химические соединения оседали к центру нашей планеты и образовывали там ядро, которое и в наши дни остается в значительной степени расплавленным. По мере того как тяжелые элементы стремились к центру Земли, легкие шлаки наоборот всплывали наверх – к внешним слоям планеты. Сегодня эти легкие элементы составляют верхнюю мантию и земную кору.
Почему произошла такая дифференциация вещества? Считается, что сразу после завершения процесса своего формирования Земля стала интенсивно разогреваться, прежде всего за счет энергии, выделявшейся в процессе гравитационной аккумуляции частиц, а также благодаря энергии радиоактивного распада отдельных химических элементов.
Дополнительному разогреву планеты и образованию железоникелевого сплава, который в силу своего значительного удельного веса постепенно опускался к центру Земли, способствовала предполагаемая метеоритная бомбардировка.
Правда, эта гипотеза сталкивается с некоторыми трудностями. Например, не совсем понятно, каким же образом железоникелевый сплав даже в жидком состоянии смог опуститься на более чем тысячу километров и достичь района ядра планеты.
В соответствии со второй гипотезой ядро Земли сформировалось из железных метеоритов, которые сталкивались с поверхностью планеты, и позже оно обросло силикатной оболочкой из каменных метеоритов и сформировало мантию.

В этой гипотезе есть серьезный недостаток. При таком раскладе в космическом пространстве железные и каменные метеориты должны существовать раздельно. Современные же исследования показывают, что железные метеориты могли возникнуть лишь в недрах планеты, распавшейся под значительным давлением, то есть уже после образования нашей Солнечной системы и всех планет.
Первая версия выглядит логичнее, поскольку предусматривает динамичную границу между ядром Земли и мантией. Это означает, что процесс разделения вещества между ними мог продолжаться на планете еще очень долгое время, оказывая тем самым большое влияние на дальнейшую эволюцию Земли.
Таким образом, если брать за основу первую гипотезу формирования ядра планеты, то процесс дифференциации вещества растянулся примерно на 1,6 млрд лет. За счет гравитационной дифференциации и радиоактивного распада обеспечивалось разделение вещества.
Тяжелые элементы опускались только до глубины, ниже которой вещество было такое вязкое, что железо погружаться уже не могло. В результате этого процесса образовался очень плотный и тяжелый кольцевой слой расплавленного железа и его окиси. Он располагался над более легким веществом первозданной сердцевины нашей планеты. Далее произошло выдавливание легкого силикатного вещества из центра Земли. Причем оно было вытеснено на экваторе, что, возможно, положило начало асимметрии планеты.
Предполагается, что при формировании железного ядра Земли произошла значительная убыль объема планеты, вследствие чего ее поверхность к настоящему времени уменьшилась. «Всплывшие» к поверхности легкие элементы и их соединения сформировали тонкую первичную кору, которая состояла, как и у всех планет земной группы, из вулканических базальтов, перекрытых сверху толщей отложений.
Однако найти живые геологические свидетельства былых процессов, связанных с формированием земного ядра и мантии, не удается. Как уже отмечалось, древнейшие каменные породы на планете Земля имеют возраст около 4 млрд лет. Скорее всего, в начале эволюции планеты под действием высоких температур и давлений первичные базальты метаморфизировались, переплавились и преобразовались в известные нам гранитно-гнейсовые породы.
Что же представляет собой ядро нашей планеты, сформировавшееся, вероятно, на самых ранних этапах развития Земли? Оно состоит из внешней и внутренней оболочек. Согласно научным предположениям, на глубине 2900-5100 км находится внешнее ядро, которое по своим физическим свойствам приближается к жидкости.
Внешнее ядро представляет собой потоки расплавленного железа и никеля, хорошо проводящие электричество. Именно с этим ядром ученые связывают происхождение земного магнитного поля. Оставшийся до центра Земли промежуток в 1270 км занимает внутреннее ядро, на 80 % состоящее из железа и на 20 % – из диоксида кремния.
Внутреннее ядро отличается твердостью и высокой температурой. Если внешнее непосредственно связано с мантией, то внутреннее ядро Земли существует само по себе. Твердость его, несмотря на высокие температуры, обеспечивается гигантским давлением в центре планеты, которое может достигать 3 млн атмосфер.
Многие химические элементы в результате переходят в металлическое состояние. Поэтому даже высказывалось предположение, что внутреннее ядро Земли состоит из металлического водорода.
Плотное внутреннее ядро оказывает серьезное влияние на жизнь нашей планеты. В нем сосредоточено планетарное гравитационное поле, которое удерживает от разлета легкие газовые оболочки, гидросферу и геосферные слои Земли.
Вероятно, такое поле было характерно для ядра с момента формирования планеты, каким бы оно ни было тогда по своему химическому составу и строению. Оно способствовало стягиванию формировавшихся частиц к центру.
Все же происхождение ядра и изучение внутреннего строения Земли – самая актуальная проблема для ученых, вплотную занимающихся исследованием геологической истории нашей планеты. До окончательного решения этого вопроса еще очень далеко. Чтобы избежать различных противоречий, в современной науке принята гипотеза о том, что процесс образования ядра начал происходить одновременно с формированием 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.