Горещото ядро ​​на земята. Учени: Вътрешното ядро ​​на Земята не трябва да съществува

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 протоземята или вече в ранните етапи от съществуването на формираната планета - всичко това 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 загряване. Вътрешността на нашата планета, както на всяка друга планета, е разнородна, те представляват 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 притиска с огромна сила нейния център, създавайки феноменално налягане от приблизително 360 GPa (3,7 милиона атмосфери), в резултат на което се разпадат дългоживеещи радиоактивни елементи, съдържащи се в ядрото желязо-силиций-никел започна да се случва, 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 самонагрява. 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 - с част от градуса на век. По груби изчисления 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.

Земното ядро ​​включва два слоя с гранична зона между тях: външната течна обвивка на ядрото достига дебелина от 2266 километра, под нея има масивно плътно ядро, чийто диаметър се оценява на 1300 km. Преходната зона има неравномерна дебелина и постепенно се втвърдява, превръщайки се във вътрешно ядро. На повърхността на горния слой температурата е около 5960 градуса по Целзий, въпреки че тези данни се считат за приблизителни.

Приблизителен състав на външното ядро ​​и методи за неговото определяне

Все още се знае много малко за състава дори на външния слой на земното ядро, тъй като не е възможно да се получат проби за изследване. Основните елементи, които могат да изграждат външното ядро ​​на нашата планета, са желязото и никелът. Учените стигнаха до тази хипотеза в резултат на анализ на състава на метеоритите, тъй като скитниците от космоса са фрагменти от ядрата на астероиди и други планети.

Въпреки това метеоритите не могат да се считат за абсолютно идентични по химичен състав, тъй като първоначалните космически тела са били много по-малки по размер от Земята. След много изследвания учените стигнаха до извода, че течната част на ядреното вещество е силно разредена с други елементи, включително сяра. Това обяснява по-ниската му плътност от тази на желязо-никелови сплави.

Какво се случва във външното ядро ​​на планетата?

Външната повърхност на ядрото на границата с мантията е разнородна. Учените предполагат, че има различна дебелина, образувайки особен вътрешен релеф. Това се обяснява с постоянното смесване на разнородни дълбоки вещества. Те се различават по химичен състав и освен това имат различна плътност, така че дебелината на границата между ядрото и мантията може да варира от 150 до 350 km.

Писатели на научна фантастика от предишни години в своите творби описаха пътуване до центъра на Земята през дълбоки пещери и подземни проходи. Това наистина ли е възможно? Уви, налягането върху повърхността на ядрото надхвърля 113 милиона атмосфери. Това означава, че всяка пещера би се „затръшнала“ плътно дори на етапа на приближаване до мантията. Това обяснява защо на нашата планета няма пещери, по-дълбоки поне от 1 км.

Как изучаваме външния слой на ядрото?

Учените могат да преценят как изглежда ядрото и от какво се състои чрез наблюдение на сеизмичната активност. Например, установено е, че външният и вътрешният слой се въртят в различни посоки под въздействието на магнитно поле. Ядрото на Земята крие десетки неразгадани мистерии и очаква нови фундаментални открития.

МОСКВА, 12 февруари - РИА Новости. Американски геолози твърдят, че вътрешното ядро ​​на Земята не би могло да възникне преди 4,2 милиарда години във формата, в която учените си го представят днес, тъй като това е невъзможно от гледна точка на физиката, според статия, публикувана в сп. EPS Letters .

"Ако ядрото на младата Земя се състои изцяло от чиста, хомогенна течност, тогава вътрешното ядро ​​не би трябвало да съществува по принцип, тъй като тази материя не може да се охлади до температурите, при които е възможно нейното образуване. Съответно в този случай ядрото може да бъде разнороден състав и възниква въпросът как е станало по този начин.Това е парадоксът, който открихме", казва Джеймс Ван Орман от Case Western Reserve University в Кливланд (САЩ).

В далечното минало ядрото на Земята е било напълно течно и не се е състояло от два или три, както някои геолози сега предполагат, слоя - вътрешно метално ядро ​​и заобикаляща го стопилка от желязо и по-леки елементи.

В това състояние ядрото бързо се охлади и загуби енергия, което доведе до отслабване на генерираното от него магнитно поле. След известно време този процес достигна определена критична точка и централната част на ядрото „замръзна“, превръщайки се в твърдо метално ядро, което беше придружено от скок и увеличаване на силата на магнитното поле.

Времето на този преход е изключително важно за геолозите, тъй като ни позволява грубо да преценим с каква скорост се охлажда ядрото на Земята днес и колко дълго ще издържи магнитният „щит“ на нашата планета, предпазвайки ни от действието на космическите лъчи, и земната атмосфера от слънчевия вятър.

Геолози откриха какво обръща магнитните полюси на ЗемятаШвейцарски и датски геолози смятат, че магнитните полюси периодично сменят местата си поради необичайни вълни вътре в течното ядро ​​на планетата, периодично пренареждайки нейната магнитна структура, докато се движи от екватора към полюсите.

Сега, както отбелязва Ван Орман, повечето учени смятат, че това се е случило в първите мигове от живота на Земята поради явление, чийто аналог може да се намери в атмосферата на планетата или в автоматите за газирани напитки в ресторантите за бързо хранене.

Физиците отдавна са открили, че някои течности, включително водата, остават течни при температури значително под точката на замръзване, ако вътре няма примеси, микроскопични ледени кристали или мощни вибрации. Ако го разклатите лесно или пуснете прашинка в него, тогава такава течност замръзва почти моментално.

Нещо подобно, според геолозите, се е случило преди около 4,2 милиарда години вътре в ядрото на Земята, когато част от него внезапно кристализира. Ван Орман и колегите му се опитаха да възпроизведат този процес, използвайки компютърни модели на вътрешността на планетата.

Тези изчисления неочаквано показаха, че вътрешното ядро ​​на Земята не би трябвало да съществува. Оказа се, че процесът на кристализация на нейните скали е много различен от начина, по който се държат водата и другите преохладени течности - това изисква огромна температурна разлика, повече от хиляда келвина, и внушителните размери на "прашинка", чиято диаметър трябва да бъде около 20-45 километра.

В резултат на това най-вероятните са два сценария - или ядрото на планетата трябва да е замръзнало напълно, или все още да е останало напълно течно. И двете са неверни, тъй като Земята има вътрешно твърдо и външно течно ядро.

С други думи, учените все още нямат отговор на този въпрос. Ван Орман и колегите му канят всички геолози на Земята да помислят как доста голямо „парче“ желязо може да се образува в мантията на планетата и да „потъне“ в нейното ядро ​​или да намерят някакъв друг механизъм, който да обясни как се е разделило на две части.

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

Поглеждайки нашата родна планета, ще забележите, че 70% от нейната повърхност е покрита с вода.

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, плава над океани от вода, които плуват над земната кора, които се намират над по-плътната мантия, която не потъва 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 навън, а гравитацията кара неравностите в диска да се срутят и да образуват планети.

В случая на Слънчевата система четирите вътрешни свята са най-плътните от всички планети в системата. Живакът се състои от най-плътните елементи, които не могат да задържат големи количества водород 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 количества на ръба на свръхновите, е най-разпространеният елемент в 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 с помощта на 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 света са в състояние 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 има твърдо вътрешно ядро! Ето защо ядрото на Земята съдържа най-тежките и най-плътните 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. А 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.