Karšta žemės šerdis. Mokslininkai: Vidinis Žemės branduolys neturėtų egzistuoti

Kodėl žemės šerdis neatvėso ir išliko įkaitusi iki maždaug 6000°C temperatūros 4,5 milijardo metų? Klausimas yra nepaprastai sudėtingas, į kurį, be to, mokslas negali pateikti 100% tikslaus ir suprantamo atsakymo. Tačiau tam yra objektyvių priežasčių.

Per didelis slaptumas

Perdėtas, taip sakant, žemės šerdies paslaptis siejama su dviem veiksniais. Pirma, niekas tiksliai nežino, kaip, kada ir kokiomis aplinkybėmis ji susiformavo – tai atsitiko formuojantis proto-žemei arba jau ankstyvose susiformavusios planetos egzistavimo stadijose – visa tai yra didelė paslaptis. Antra, visiškai neįmanoma gauti mėginių iš žemės šerdies - niekas tiksliai nežino, iš ko jis susideda. Be to, visi duomenys, kuriuos žinome apie branduolį, yra renkami naudojant netiesioginius metodus ir modelius.

Kodėl Žemės šerdis išlieka karšta?

Norint suprasti, kodėl žemės šerdis taip ilgai neatšąla, pirmiausia reikia suprasti, dėl ko ji iš pradžių įkais. Mūsų planetos, kaip ir bet kurios kitos planetos, vidus yra nevienalytis, jie yra gana aiškiai atskirti skirtingo tankio sluoksniai. Tačiau taip buvo ne visada: sunkieji elementai pamažu grimzdo žemyn, suformuodami vidinę ir išorinę šerdį, o lengvieji elementai buvo priversti į viršų, suformuodami mantiją ir žemės plutą. Šis procesas vyksta labai lėtai ir kartu išsiskiria šiluma. Tačiau tai nebuvo pagrindinė šildymo priežastis. Visa Žemės masė milžiniška jėga spaudžia jos centrą, sukeldama fenomenalų maždaug 360 GPa (3,7 mln. atmosferų) slėgį, dėl kurio suyra ilgaamžiai radioaktyvūs elementai, esantys geležies, silicio ir nikelio šerdyje. pradėjo atsirasti, o tai lydėjo didžiulis šilumos išsiskyrimas.

Papildomas šildymo šaltinis yra kinetinė energija, susidaranti dėl trinties tarp skirtingų sluoksnių (kiekvienas sluoksnis sukasi nepriklausomai nuo kito): vidinė šerdis su išorine ir išorinė su mantija.

Planetos vidus (proporcijų nesilaikoma). Trintis tarp trijų vidinių sluoksnių yra papildomas šildymo šaltinis.

Remdamiesi tuo, kas išdėstyta pirmiau, galime daryti išvadą, kad Žemė ir ypač jos žarnos yra savarankiška mašina, kuri šildo save. Tačiau tai natūraliai negali tęstis amžinai: branduolio viduje esančios radioaktyviųjų elementų atsargos pamažu nyksta ir nebebus ko palaikyti temperatūrą.

Darosi šalta!

Tiesą sakant, aušinimo procesas jau prasidėjo labai seniai, tačiau jis vyksta labai lėtai – laipsnio dalimi per šimtmetį. Apytikriais skaičiavimais, praeis mažiausiai 1 milijardas metų, kol šerdis visiškai atvės ir joje nutrūks cheminės bei kitos reakcijos.

Trumpas atsakymas:Žemė, o ypač jos šerdis, yra savarankiška mašina, kuri šildo save. Visa planetos masė spaudžia jos centrą, sukeldama fenomenalų slėgį ir taip sukeldama radioaktyviųjų elementų skilimo procesą, dėl kurio išsiskiria šiluma.

Žemės šerdį sudaro du sluoksniai su ribine zona tarp jų: ​​šerdies išorinis skystas apvalkalas siekia 2266 kilometrų storį, po juo yra masyvi tanki šerdis, kurios skersmuo, kaip manoma, siekia 1300 km. Pereinamoji zona yra nevienodo storio ir palaipsniui kietėja, virsdama vidine šerdimi. Viršutinio sluoksnio paviršiuje temperatūra yra apie 5960 laipsnių Celsijaus, nors šie duomenys laikomi apytiksliais.

Apytikslė išorinės šerdies sudėtis ir jos nustatymo metodai

Vis dar labai mažai žinoma apie net išorinio žemės šerdies sluoksnio sudėtį, nes neįmanoma gauti mėginių tyrimams. Pagrindiniai elementai, galintys sudaryti išorinę mūsų planetos šerdį, yra geležis ir nikelis. Mokslininkai priėjo prie šios hipotezės analizuodami meteoritų sudėtį, nes klajokliai iš kosmoso yra asteroidų ir kitų planetų branduolių fragmentai.

Nepaisant to, meteoritai negali būti laikomi visiškai identiškais chemine sudėtimi, nes pirminiai kosminiai kūnai buvo daug mažesni nei Žemė. Po daugybės tyrimų mokslininkai padarė išvadą, kad skystoji branduolinės medžiagos dalis yra labai atskiesta kitais elementais, įskaitant sierą. Tai paaiškina mažesnį jo tankį nei geležies ir nikelio lydinių.

Kas vyksta išorinėje planetos šerdyje?

Išorinis šerdies paviršius ties riba su mantija yra nevienalytis. Mokslininkai teigia, kad jis yra skirtingo storio, sudarydamas savotišką vidinį reljefą. Tai paaiškinama nuolatiniu nevienalyčių giluminių medžiagų maišymu. Jie skiriasi chemine sudėtimi ir taip pat turi skirtingą tankį, todėl ribos tarp šerdies ir mantijos storis gali svyruoti nuo 150 iki 350 km.

Ankstesnių metų mokslinės fantastikos rašytojai savo darbuose aprašė kelionę į Žemės centrą giliais urvais ir požeminiais perėjimais. Ar tai tikrai įmanoma? Deja, slėgis šerdies paviršiuje viršija 113 milijonų atmosferų. Tai reiškia, kad bet kuris urvas būtų tvirtai „užsitrenkęs“ net artėjant prie mantijos. Tai paaiškina, kodėl mūsų planetoje nėra urvų, gilesnių nei 1 km.

Kaip mes tiriame išorinį branduolio sluoksnį?

Stebėdami seisminį aktyvumą, mokslininkai gali nuspręsti, kaip atrodo ir iš ko ji susideda. Pavyzdžiui, buvo nustatyta, kad išorinis ir vidinis sluoksniai sukasi skirtingomis kryptimis veikiant magnetiniam laukui. Žemės šerdis slepia dešimtis neįmintų paslapčių ir laukia naujų esminių atradimų.

MASKVA, vasario 12 d. – RIA Novosti. Amerikos geologai teigia, kad vidinė Žemės šerdis negalėjo atsirasti prieš 4,2 milijardo metų tokia forma, kokią ją įsivaizduoja šiandieniniai mokslininkai, nes tai neįmanoma fizikos požiūriu, teigiama žurnale EPS Letters paskelbtame straipsnyje. .

„Jei jaunos Žemės šerdį sudarytų tik grynas, vienalytis skystis, tai vidinis branduolys iš esmės neturėtų egzistuoti, nes ši medžiaga negalėjo atvėsti iki temperatūros, kurioje buvo galima susidaryti. Atitinkamai šiuo atveju šerdis gali būti Būkite nevienalytė kompozicija, ir kyla klausimas, kaip ji tokia tapo. Tai yra paradoksas, kurį atradome“, – sako Jamesas Van Ormanas iš Case Western Reserve universiteto Klivlande (JAV).

Tolimoje praeityje Žemės šerdis buvo visiškai skysta ir nesusidarė iš dviejų ar trijų, kaip dabar siūlo kai kurie geologai, sluoksnių – vidinės metalinės šerdies ir aplinkinio geležies bei lengvesnių elementų lydalo.

Šioje būsenoje šerdis greitai atvėso ir prarado energiją, todėl susilpnėjo jos sukurtas magnetinis laukas. Po kurio laiko šis procesas pasiekė tam tikrą kritinį tašką, o centrinė branduolio dalis „užšalo“, virsdama kietu metaliniu branduoliu, kurį lydėjo magnetinio lauko bangavimas ir stiprėjimas.

Šio perėjimo laikas yra nepaprastai svarbus geologams, nes leidžia apytiksliai įvertinti, kokiu greičiu šiandien vėsta Žemės šerdis ir kiek truks mūsų planetos magnetinis „skydas“, saugantis mus nuo kosminių spindulių veikimo. ir Žemės atmosferą nuo saulės vėjo.

Geologai atrado, kas apverčia Žemės magnetinius poliusŠveicarijos ir Danijos geologai mano, kad magnetiniai poliai periodiškai keičia vietas dėl neįprastų bangų skystos planetos šerdies viduje, periodiškai pertvarkydami jos magnetinę struktūrą, kai ji juda iš pusiaujo į ašigalius.

Dabar, kaip pastebi Van Ormanas, dauguma mokslininkų mano, kad tai įvyko pirmosiomis Žemės gyvavimo akimirkomis dėl reiškinio, kurio analogą galima rasti planetos atmosferoje arba greito maisto restoranų sodos aparatuose.

Fizikai jau seniai išsiaiškino, kad kai kurie skysčiai, įskaitant vandenį, išlieka skysti esant temperatūrai, kuri yra pastebimai žemesnė už užšalimo tašką, jei viduje nėra priemaišų, mikroskopinių ledo kristalų ar galingų virpesių. Jei lengvai pakratysite arba įmessite į ją dulkių dėmę, toks skystis užšąla beveik akimirksniu.

Kažkas panašaus, anot geologų, įvyko maždaug prieš 4,2 milijardo metų Žemės šerdyje, kai dalis jos staiga išsikristalizavo. Van Ormanas ir jo kolegos bandė atkurti šį procesą naudodami kompiuterinius planetos vidaus modelius.

Šie skaičiavimai netikėtai parodė, kad vidinės Žemės šerdies neturėtų būti. Paaiškėjo, kad jo uolienų kristalizacijos procesas labai skiriasi nuo to, kaip elgiasi vanduo ir kiti peršalę skysčiai – tam reikia didžiulio temperatūrų skirtumo, daugiau nei tūkstančio kelvinų ir įspūdingo dydžio „dulkės drožlės“, kurios skersmuo turėtų būti apie 20-45 kilometrai.

Dėl to labiausiai tikėtini du scenarijai – arba planetos branduolys turėjo visiškai užšalti, arba vis tiek turėjo likti visiškai skystas. Abi yra netiesos, nes Žemė turi vidinę kietą ir išorinę skystą šerdį.

Kitaip tariant, mokslininkai dar neturi atsakymo į šį klausimą. Van Ormanas ir jo kolegos kviečia visus geologus Žemėje pagalvoti apie tai, kaip planetos mantijoje gali susidaryti gana didelis geležies „gabalas“ ir „nuskęsti“ į jos šerdį, arba surasti kokį nors kitą mechanizmą, kuris paaiškintų, kaip ji skyla į dvi dalis. dalys.

Kai įmesite raktus į išsilydžiusios lavos srovę, atsisveikinkite su jais, nes, bičiuli, jie yra viskas.
- Džekas Handis

Žvelgdami į mūsų gimtąją planetą pastebėsite, kad 70% jos paviršiaus padengta vandeniu.

Visi žinome, kodėl taip yra: Žemės vandenynai plūduriuoja virš uolų ir purvo, sudarančių žemę. Plūdrumo sąvoka, kai mažiau tankūs objektai plūduriuoja virš tankesnių, kurie skęsta žemiau, paaiškina daug daugiau nei tik vandenynus.

Tas pats principas, paaiškinantis, kodėl vandenyje plūduriuoja ledas, atmosferoje kyla helio balionas, o ežere skęsta uolos, paaiškina, kodėl Žemės planetos sluoksniai išsidėstę taip, kaip yra.

Mažiausiai tanki Žemės dalis – atmosfera – plūduriuoja virš vandens vandenynų, kurie plūduriuoja virš Žemės plutos, kuri sėdi virš tankesnės mantijos, kuri nenuskęsta į tankiausią Žemės dalį – šerdį.

Idealiu atveju stabiliausia Žemės būsena būtų tokia, kuri idealiai pasiskirstytų į sluoksnius, pavyzdžiui, svogūnas, o centre būtų tankiausi elementai, o judant į išorę kiekvienas paskesnis sluoksnis būtų sudarytas iš mažiau tankių elementų. Ir kiekvienas žemės drebėjimas, tiesą sakant, perkelia planetą šios būsenos link.

Ir tai paaiškina ne tik Žemės, bet ir visų planetų sandarą, jei prisimenate, iš kur atsirado šie elementai.

Kai Visata buvo jauna – vos kelių minučių – egzistavo tik vandenilis ir helis. Žvaigždėse buvo kuriami vis sunkesni elementai ir tik šioms žvaigždėms mirus sunkesni elementai pabėgo į Visatą, todėl susiformavo naujos žvaigždžių kartos.

Tačiau šį kartą visų šių elementų – ne tik vandenilio ir helio, bet ir anglies, azoto, deguonies, silicio, magnio, sieros, geležies ir kitų – mišinys aplink šią žvaigždę sudaro ne tik žvaigždę, bet ir protoplanetinį diską.

Slėgis iš vidaus į išorę besiformuojančioje žvaigždėje išstumia lengvesnius elementus, o dėl gravitacijos disko nelygumai žlunga ir susidaro planetos.

Saulės sistemos atveju keturi vidiniai pasauliai yra tankiausi iš visų sistemos planetų. Gyvsidabris susideda iš tankiausių elementų, kurie negali išlaikyti daug vandenilio ir helio.

Kitos planetos, masyvesnės ir toliau nuo Saulės (todėl gaunančios mažiau jos spinduliuotės), sugebėjo išlaikyti daugiau šių itin lengvų elementų – taip susiformavo dujų milžinai.

Visuose pasauliuose, kaip ir Žemėje, vidutiniškai tankiausi elementai yra susitelkę šerdyje, o šviesieji aplink ją formuoja vis mažiau tankius sluoksnius.

Nenuostabu, kad geležis, stabiliausias elementas ir sunkiausias elementas, sukurtas dideliais kiekiais supernovų pakraštyje, yra gausiausias elementas žemės šerdyje. Bet galbūt stebėtina, kad tarp kietosios šerdies ir kietosios mantijos yra daugiau nei 2000 km storio skystas sluoksnis: išorinė Žemės šerdis.

Žemėje yra storas skystas sluoksnis, kuriame yra 30% planetos masės! O apie jo egzistavimą sužinojome pasitelkę gana išradingą metodą – dėka seisminių bangų, kylančių iš žemės drebėjimų!

Žemės drebėjimų metu atsiranda dviejų tipų seisminės bangos: pagrindinė suspaudimo banga, žinoma kaip P banga, kuri sklinda išilginiu keliu.

Ir antroji šlyties banga, žinoma kaip S banga, panaši į bangas jūros paviršiuje.

Seisminės stotys visame pasaulyje gali paimti P ir S bangas, tačiau S bangos nekeliauja skysčiu, o P bangos ne tik keliauja per skystį, bet ir lūžta!

Dėl to galime suprasti, kad Žemė turi skystą išorinę šerdį, kurios išorėje yra kieta mantija, o viduje – kieta vidinė šerdis! Štai kodėl Žemės šerdyje yra sunkiausi ir tankiausi elementai, todėl žinome, kad išorinė šerdis yra skystas sluoksnis.

Bet kodėl išorinė šerdis yra skysta? Geležies, kaip ir visų elementų, būsena – kietos, skystos, dujinės ar kitos – priklauso nuo geležies slėgio ir temperatūros.

Geležis yra sudėtingesnis elementas nei daugelis, prie kurių esate įpratę. Žinoma, jis gali turėti skirtingas kristalines kietas fazes, kaip parodyta diagramoje, bet mūsų nedomina įprastiniai slėgiai. Mes leidžiamės į žemės šerdį, kur slėgis yra milijoną kartų didesnis nei jūros lygis. Kaip atrodo fazių diagrama esant tokiam aukštam slėgiui?

Mokslo grožis yra tas, kad net jei iš karto neturite atsakymo į klausimą, tikėtina, kad kažkas jau atliko tyrimą, kuris gali padėti rasti atsakymą! Šiuo atveju Ahrensas, Collinsas ir Chenas 2001 m. rado atsakymą į mūsų klausimą.

Ir nors diagramoje rodomi milžiniški iki 120 GPa slėgiai, svarbu atsiminti, kad atmosferos slėgis yra tik 0,0001 GPa, o vidinėje šerdyje slėgis siekia 330-360 GPa. Viršutinė ištisinė linija rodo ribą tarp lydančios geležies (viršuje) ir kietos geležies (apačioje). Ar pastebėjote, kaip ištisinė linija pačioje pabaigoje daro staigų posūkį aukštyn?

Kad geležis išsilydytų esant 330 GPa slėgiui, reikalinga milžiniška temperatūra, panaši į tą, kuri vyrauja Saulės paviršiuje. Tos pačios temperatūros esant žemesniam slėgiui lengvai palaikys geležį skystoje būsenoje, o esant aukštesniam slėgiui – kietą. Ką tai reiškia, kalbant apie Žemės branduolį?

Tai reiškia, kad Žemei vėsstant jos vidinė temperatūra krenta, tačiau slėgis nesikeičia. Tai yra, formuojantis Žemei, greičiausiai, visa šerdis buvo skysta, o jai vėsstant vidinė šerdis auga! Kadangi kietos geležies tankis yra didesnis nei skystos geležies, Žemė lėtai susitraukia, o tai sukelia žemės drebėjimus!

Taigi, Žemės šerdis yra skysta, nes ji pakankamai karšta, kad ištirptų geležis, tačiau tik regionuose, kuriuose slėgis pakankamai žemas. Žemei senstant ir vėsstant, vis daugiau šerdies tampa kieta, todėl Žemė šiek tiek susitraukia!

Jei norime žvelgti toli į ateitį, galime tikėtis, kad atsiras tos pačios savybės kaip ir Merkurijuje.

Gyvsidabris dėl savo mažo dydžio jau gerokai atvėsęs ir susitraukęs, turi šimtų kilometrų ilgio lūžių, atsiradusių dėl suspaudimo poreikio dėl aušinimo.

Taigi kodėl Žemė turi skystą šerdį? Nes dar neatvėso. Ir kiekvienas žemės drebėjimas yra mažas Žemės priartėjimas prie galutinės, atvėsusios ir visiškai kietos būsenos. Bet nesijaudinkite, dar gerokai prieš tą akimirką Saulė sprogs ir visi, kuriuos pažįstate, bus mirę labai ilgam.