Vruća jezgra zemlje. Znanstvenici: Zemljina unutarnja jezgra ne bi trebala postojati

Zašto se Zemljina jezgra nije ohladila i ostala zagrijana na temperaturu od približno 6000°C 4,5 milijardi godina? Pitanje je iznimno složeno na koje, osim toga, znanost ne može dati 100% točan i razumljiv odgovor. Međutim, za to postoje objektivni razlozi.

Pretjerana tajnovitost

Pretjerana, da tako kažemo, tajanstvenost zemljine jezgre povezana je s dva čimbenika. Prvo, nitko sa sigurnošću ne zna kako, kada i pod kojim okolnostima je nastao - to se dogodilo tijekom formiranja proto-zemlje ili već u ranim fazama postojanja formiranog planeta - sve je to velika misterija. Drugo, apsolutno je nemoguće dobiti uzorke iz zemljine jezgre - nitko sa sigurnošću ne zna od čega se sastoji. Štoviše, svi podaci koje znamo o kernelu prikupljaju se pomoću neizravnih metoda i modela.

Zašto Zemljina jezgra ostaje vruća?

Da biste pokušali razumjeti zašto se Zemljina jezgra ne hladi tako dugo, prvo morate razumjeti što je uzrokovalo njezino početno zagrijavanje. Unutrašnjost našeg planeta, kao i svakog drugog planeta, heterogena je, predstavljaju relativno jasno razgraničene slojeve različite gustoće. Ali to nije uvijek bio slučaj: teški elementi polako su tonuli, formirajući unutarnju i vanjsku jezgru, dok su laki elementi bili prisiljeni na vrh, formirajući plašt i zemljinu koru. Ovaj proces se odvija izuzetno sporo i popraćen je oslobađanjem topline. No, nije to bio glavni razlog grijanja. Cjelokupna masa Zemlje pritišće golemom silom svoje središte, stvarajući fenomenalan pritisak od približno 360 GPa (3,7 milijuna atmosfera), uslijed čega dolazi do raspada dugoživućih radioaktivnih elemenata sadržanih u jezgri željezo-silicij-nikal. počelo se događati, što je bilo popraćeno kolosalnim emisijama topline .

Dodatni izvor zagrijavanja je kinetička energija koja nastaje kao posljedica trenja između različitih slojeva (svaki se sloj okreće neovisno o drugom): unutarnje jezgre s vanjskom i vanjske s plaštem.

Unutrašnjost planeta (ne poštuju se proporcije). Trenje između tri unutarnja sloja služi kao dodatni izvor grijanja.

Na temelju navedenog možemo zaključiti da je Zemlja, a posebno njena utroba, samodostatan stroj koji se sam zagrijava. Ali to se, naravno, ne može nastaviti zauvijek: zalihe radioaktivnih elemenata unutar jezgre polako nestaju i više neće biti ničega za održavanje temperature.

Zahladilo je!

Zapravo, proces hlađenja već je započeo jako davno, ali se odvija izuzetno sporo - djelićem stupnja po stoljeću. Prema grubim procjenama proći će najmanje 1 milijarda godina prije nego se jezgra potpuno ohladi i prestanu kemijske i druge reakcije u njoj.

Kratak odgovor: Zemlja, a posebno zemljina jezgra, samodostatan je stroj koji se sam zagrijava. Cjelokupna masa planeta pritišće njegovo središte stvarajući fenomenalan pritisak i time pokreće proces raspadanja radioaktivnih elemenata pri čemu dolazi do oslobađanja topline.

Zemljina jezgra uključuje dva sloja s graničnom zonom između njih: vanjska tekuća ljuska jezgre doseže debljinu od 2266 kilometara, ispod nje se nalazi masivna gusta jezgra, čiji se promjer procjenjuje na 1300 km. Prijelazna zona ima nejednoliku debljinu i postupno se stvrdnjava, pretvarajući se u unutarnju jezgru. Na površini gornjeg sloja temperatura je oko 5960 stupnjeva Celzijusa, iako se ti podaci smatraju približnim.

Približan sastav vanjske jezgre i metode za njegovo određivanje

Još uvijek se vrlo malo zna o sastavu čak i vanjskog sloja zemljine jezgre, budući da nije moguće dobiti uzorke za proučavanje. Glavni elementi koji mogu činiti vanjsku jezgru našeg planeta su željezo i nikal. Znanstvenici su do ove hipoteze došli kao rezultat analize sastava meteorita, budući da su lutalice iz svemira fragmenti jezgri asteroida i drugih planeta.

Ipak, meteoriti se ne mogu smatrati apsolutno identičnima u kemijskom sastavu, jer su izvorna kozmička tijela bila mnogo manja od Zemlje. Nakon mnogo istraživanja znanstvenici su došli do zaključka da je tekući dio nuklearne tvari jako razrijeđen drugim elementima, uključujući sumpor. To objašnjava njegovu manju gustoću nego kod legura željeza i nikla.

Što se događa u vanjskoj jezgri planeta?

Vanjska površina jezgre na granici s plaštem je heterogena. Znanstvenici sugeriraju da ima različite debljine, tvoreći neobičan unutarnji reljef. To se objašnjava stalnim miješanjem heterogenih dubokih tvari. Razlikuju se po kemijskom sastavu i također imaju različite gustoće, pa debljina granice između jezgre i plašta može varirati od 150 do 350 km.

Pisci znanstvene fantastike prethodnih godina u svojim su djelima opisivali putovanje do središta Zemlje kroz duboke špilje i podzemne prolaze. Je li ovo stvarno moguće? Nažalost, tlak na površini jezgre prelazi 113 milijuna atmosfera. To znači da bi se svaka špilja čvrsto "zatvorila" čak iu fazi približavanja plaštu. To objašnjava zašto na našem planetu nema špilja dubljih od najmanje 1 km.

Kako proučavamo vanjski sloj jezgre?

Znanstvenici mogu procijeniti kako jezgra izgleda i od čega se sastoji praćenjem seizmičke aktivnosti. Na primjer, utvrđeno je da se vanjski i unutarnji sloj okreću u različitim smjerovima pod utjecajem magnetskog polja. Zemljina jezgra krije desetke neriješenih misterija i čeka nova temeljna otkrića.

MOSKVA, 12. veljače - RIA Novosti. Američki geolozi kažu da unutarnja jezgra Zemlje nije mogla nastati prije 4,2 milijarde godina u obliku u kojem je znanstvenici danas zamišljaju, jer je to sa stajališta fizike nemoguće, navodi se u članku objavljenom u časopisu EPS Letters. .

"Ako se jezgra mlade Zemlje sastoji u potpunosti od čiste, homogene tekućine, onda unutarnja jezgra ne bi trebala postojati u načelu, budući da se ova materija ne može ohladiti na temperature na kojima je moguće njeno formiranje. Sukladno tome, u ovom slučaju jezgra može biti heterogenog sastava i postavlja se pitanje kako je to postalo takvo. To je paradoks koji smo otkrili", kaže James Van Orman sa Sveučilišta Case Western Reserve u Clevelandu (SAD).

U dalekoj prošlosti Zemljina je jezgra bila potpuno tekuća i nije se sastojala od dva ili tri, kako sada neki geolozi sugeriraju, sloja – unutarnje metalne jezgre i okolne taline željeza i lakših elemenata.

U tom stanju se jezgra brzo ohladila i izgubila energiju, što je dovelo do slabljenja magnetskog polja koje je generirala. Nakon nekog vremena taj je proces dosegao određenu kritičnu točku, a središnji dio jezgre se "smrznuo", pretvorivši se u čvrstu metalnu jezgru, što je bilo popraćeno valom i povećanjem jakosti magnetskog polja.

Vrijeme ovog prijelaza iznimno je važno za geologe jer nam omogućuje grubu procjenu kojom brzinom se Zemljina jezgra danas hladi i koliko će dugo trajati magnetski “štit” našeg planeta koji nas štiti od djelovanja kozmičkih zraka, a Zemljina atmosfera od sunčevog vjetra.

Geolozi su otkrili što okreće Zemljine magnetske poloveŠvicarski i danski geolozi vjeruju da magnetski polovi povremeno mijenjaju mjesta zbog neobičnih valova unutar tekuće jezgre planeta, povremeno preuređujući njegovu magnetsku strukturu dok se kreće od ekvatora prema polovima.

Sada, kako primjećuje Van Orman, većina znanstvenika vjeruje da se to dogodilo u prvim trenucima života Zemlje zbog fenomena čiji se analog može naći u atmosferi planeta ili u aparatima za sok u restoranima brze hrane.

Fizičari su odavno otkrili da neke tekućine, uključujući vodu, ostaju tekuće na temperaturama znatno ispod točke smrzavanja, ako unutra nema nečistoća, mikroskopskih kristala leda ili snažnih vibracija. Ako ga lako protresete ili u njega bacite zrnce prašine, tada se takva tekućina smrzava gotovo trenutno.

Nešto slično, tvrde geolozi, dogodilo se prije otprilike 4,2 milijarde godina unutar Zemljine jezgre, kada se njezin dio iznenada kristalizirao. Van Orman i njegovi kolege pokušali su reproducirati ovaj proces pomoću računalnih modela unutrašnjosti planeta.

Ovi izračuni su neočekivano pokazali da Zemljina unutarnja jezgra ne bi trebala postojati. Ispostavilo se da se proces kristalizacije njegovih stijena uvelike razlikuje od načina na koji se ponašaju voda i druge prehlađene tekućine - za to je potrebna ogromna temperaturna razlika, više od tisuću kelvina, i impresivna veličina "zrnca prašine", čija promjer bi trebao biti oko 20-45 kilometara.

Kao rezultat toga, najvjerojatnija su dva scenarija - ili je jezgra planeta trebala biti potpuno smrznuta, ili je još uvijek trebala ostati potpuno tekuća. Obje su neistinite, budući da Zemlja ima unutarnju čvrstu i vanjsku tekuću jezgru.

Drugim riječima, znanstvenici još nemaju odgovor na ovo pitanje. Van Orman i njegovi kolege pozivaju sve geologe na Zemlji da razmisle o tome kako bi se prilično veliki "komad" željeza mogao formirati u plaštu planeta i "potonuti" u njegovu jezgru ili da pronađu neki drugi mehanizam koji bi objasnio kako se razdvojio na dva dijela dijelovi.

Kad baciš ključeve u potok rastaljene lave, pozdravi se s njima jer, pa, stari, oni su sve.
- Jack Handy

Gledajući naš planet, primijetit ćete da je 70% njegove površine prekriveno vodom.

Svi znamo zašto je to tako: zato što Zemljini oceani lebde iznad stijena i prljavštine koji čine kopno. Koncept uzgona, u kojem objekti manje gustoće lebde iznad onih gušćih koji tonu ispod, objašnjava mnogo više od oceana.

Isti princip koji objašnjava zašto led pluta u vodi, balon s helijem se diže u atmosferu, a kamenje tone u jezeru objašnjava zašto su slojevi planete Zemlje raspoređeni onako kako jesu.

Najmanje gusti dio Zemlje, atmosfera, lebdi iznad oceana vode, koji lebde iznad Zemljine kore, koji se nalazi iznad gušćeg plašta, koji ne tone u najgušći dio Zemlje: jezgru.

U idealnom slučaju, najstabilnije stanje Zemlje bilo bi ono koje bi bilo idealno raspoređeno u slojeve, poput luka, s najgušćim elementima u središtu, a kako se krećete prema van, svaki sljedeći sloj bio bi sastavljen od manje gustih elemenata. I svaki potres, zapravo, pomiče planetu prema ovom stanju.

I to objašnjava strukturu ne samo Zemlje, već i svih planeta, ako se sjetite odakle su ti elementi došli.

Kad je Svemir bio mlad - star samo nekoliko minuta - postojali su samo vodik i helij. Sve teži elementi stvoreni su u zvijezdama, a tek kada su te zvijezde umrle, teži elementi su pobjegli u Svemir, omogućujući stvaranje novih generacija zvijezda.

Ali ovaj put, mješavina svih ovih elemenata - ne samo vodika i helija, već i ugljika, dušika, kisika, silicija, magnezija, sumpora, željeza i drugih - ne formira samo zvijezdu, već i protoplanetarni disk oko ove zvijezde.

Pritisak iznutra prema van u zvijezdi koja se formira gura lakše elemente van, a gravitacija uzrokuje urušavanje nepravilnosti na disku i stvaranje planeta.

U slučaju Sunčevog sustava, četiri unutarnja svijeta su najgušća od svih planeta u sustavu. Merkur se sastoji od najgušćih elemenata, koji ne mogu zadržati velike količine vodika i helija.

Drugi planeti, masivniji i udaljeniji od Sunca (i stoga primaju manje njegovog zračenja), mogli su zadržati više ovih ultra-lakih elemenata - tako su nastali plinoviti divovi.

Na svim svjetovima, kao i na Zemlji, u prosjeku su najgušći elementi koncentrirani u jezgri, a oni lakši formiraju sve manje gušće slojeve oko nje.

Nije iznenađujuće da je željezo, najstabilniji element i najteži element koji se stvara u velikim količinama na rubu supernova, najzastupljeniji element u zemljinoj jezgri. Ali možda iznenađujuće, između čvrste jezgre i čvrstog plašta nalazi se tekući sloj deblji od 2000 km: Zemljina vanjska jezgra.

Zemlja ima debeli tekući sloj koji sadrži 30% mase planeta! A za njegovo postojanje doznali smo prilično dovitljivom metodom - zahvaljujući seizmičkim valovima koji potječu od potresa!

U potresima se rađaju dvije vrste seizmičkih valova: glavni kompresijski val, poznat kao P-val, koji putuje duž uzdužne putanje

I drugi posmični val, poznat kao S-val, sličan valovima na površini mora.

Seizmičke postaje diljem svijeta sposobne su uhvatiti P- i S-valove, ali S-valovi ne putuju kroz tekućinu, a P-valovi ne samo da putuju kroz tekućinu, već se i lome!

Kao rezultat toga, možemo razumjeti da Zemlja ima tekuću vanjsku jezgru, izvan koje se nalazi čvrsti omotač, a unutra je čvrsta unutarnja jezgra! Zbog toga Zemljina jezgra sadrži najteže i najgušće elemente, a po tome znamo da je vanjska jezgra tekući sloj.

Ali zašto je vanjska jezgra tekuća? Kao i kod svih elemenata, stanje željeza, bilo kruto, tekuće, plinovito ili drugo, ovisi o tlaku i temperaturi željeza.

Željezo je složeniji element od mnogih na koje ste navikli. Naravno, može imati različite kristalne čvrste faze, kao što je prikazano na grafikonu, ali nas ne zanimaju obični pritisci. Spuštamo se u zemljinu jezgru, gdje su pritisci milijun puta veći od razine mora. Kako izgleda fazni dijagram za tako visoke tlakove?

Ljepota znanosti je u tome što čak i ako nemate odgovor na pitanje odmah, velika je vjerojatnost da je netko već proveo istraživanje koje bi moglo dovesti do odgovora! U ovom su slučaju Ahrens, Collins i Chen 2001. godine pronašli odgovor na naše pitanje.

I iako dijagram pokazuje gigantske pritiske do 120 GPa, važno je zapamtiti da je atmosferski tlak samo 0,0001 GPa, dok u unutarnjoj jezgri tlakovi dosežu 330-360 GPa. Gornja puna linija pokazuje granicu između taljenja željeza (gore) i čvrstog željeza (dolje). Jeste li primijetili kako puna linija na samom kraju čini oštar zaokret prema gore?

Da bi se željezo otopilo pri tlaku od 330 GPa, potrebna je enormna temperatura, usporediva s onom koja vlada na površini Sunca. Iste temperature pri nižim tlakovima lako će održati željezo u tekućem stanju, a pri višim tlakovima - u krutom stanju. Što to znači u smislu Zemljine jezgre?

To znači da kako se Zemlja hladi, njezina unutarnja temperatura opada, ali tlak ostaje nepromijenjen. Odnosno, tijekom formiranja Zemlje, najvjerojatnije je cijela jezgra bila tekuća, a kako se hladi, unutarnja jezgra raste! I u tom procesu, budući da čvrsto željezo ima veću gustoću od tekućeg željeza, Zemlja se polako skuplja, što dovodi do potresa!

Dakle, Zemljina jezgra je tekuća jer je dovoljno vruća da rastali željezo, ali samo u područjima s dovoljno niskim tlakom. Kako Zemlja stari i hladi se, sve više i više jezgre postaje čvrsto, pa se Zemlja malo skuplja!

Ako želimo gledati daleko u budućnost, možemo očekivati ​​da će se pojaviti ista svojstva kao ona opažena u Merkuru.

Merkur se zbog svoje male veličine već znatno ohladio i skupio te ima lomove duge stotine kilometara koji su nastali zbog potrebe kompresije uslijed hlađenja.

Pa zašto Zemlja ima tekuću jezgru? Jer se još nije ohladio. A svaki potres je malo približavanje Zemlje konačnom, ohlađenom i potpuno čvrstom stanju. Ali ne brinite, puno prije tog trenutka Sunce će eksplodirati i svi koje poznajete bit će mrtvi jako dugo.