Zemes karstais kodols. Zinātnieki: Zemes iekšējam kodolam nevajadzētu pastāvēt

Kāpēc zemes kodols nav atdzisis un 4,5 miljardus gadu saglabājies līdz aptuveni 6000°C temperatūrai? Jautājums ir ārkārtīgi sarežģīts, uz kuru turklāt zinātne nevar sniegt 100% precīzu un saprotamu atbildi. Tomēr tam ir objektīvi iemesli.

Pārmērīga slepenība

Pārmērīgais, tā sakot, zemes kodola noslēpums ir saistīts ar diviem faktoriem. Pirmkārt, neviens precīzi nezina, kā, kad un kādos apstākļos tā veidojusies - tas notika protozemes veidošanās laikā vai jau izveidojušās planētas pastāvēšanas sākumposmā - tas viss ir liels noslēpums. Otrkārt, ir absolūti neiespējami iegūt paraugus no zemes kodola - neviens precīzi nezina, no kā tas sastāv. Turklāt visi dati, ko mēs zinām par kodolu, tiek savākti, izmantojot netiešās metodes un modeļus.

Kāpēc Zemes kodols paliek karsts?

Lai mēģinātu saprast, kāpēc zemes kodols tik ilgu laiku neatdziest, vispirms ir jāsaprot, kas izraisīja tā sākotnējo uzsilšanu. Mūsu planētas, tāpat kā jebkuras citas planētas, iekšpuse ir neviendabīga, tie ir salīdzinoši skaidri norobežoti dažāda blīvuma slāņi. Bet tas ne vienmēr bija tā: smagie elementi lēnām nogrima, veidojot iekšējo un ārējo kodolu, bet vieglie elementi tika uzspiesti uz augšu, veidojot mantiju un zemes garozu. Šis process norit ārkārtīgi lēni, un to pavada siltuma izdalīšanās. Taču tas nebija galvenais apkures iemesls. Visa Zemes masa ar milzīgu spēku nospiež tās centru, radot fenomenālu spiedienu aptuveni 360 GPa (3,7 miljoni atmosfēru), kā rezultātā sabrūk ilgmūžīgie radioaktīvie elementi, kas atrodas dzelzs-silīcija-niķeļa kodolā. sāka rasties, ko pavadīja kolosālas siltuma emisijas.

Papildu sildīšanas avots ir kinētiskā enerģija, kas rodas berzes rezultātā starp dažādiem slāņiem (katrs slānis griežas neatkarīgi no otra): iekšējais kodols ar ārējo un ārējais ar apvalku.

Planētas iekšpuse (proporcijas netiek ievērotas). Berze starp trim iekšējiem slāņiem kalpo kā papildu apkures avots.

Pamatojoties uz iepriekš minēto, mēs varam secināt, ka Zeme un jo īpaši tās zarnas ir pašpietiekama iekārta, kas pati sevi silda. Bet tas, protams, nevar turpināties mūžīgi: kodolā esošās radioaktīvo elementu rezerves pamazām izzūd, un vairs nebūs ar ko uzturēt temperatūru.

Kļūst auksts!

Patiesībā dzesēšanas process ir sācies jau ļoti sen, taču tas norit ārkārtīgi lēni - grāda daļu gadsimtā. Pēc aptuvenām aplēsēm, paies vismaz 1 miljards gadu, līdz kodols pilnībā atdziest un ķīmiskās un citas reakcijas tajā beigsies.

Īsā atbilde: Zeme un jo īpaši tās kodols ir pašpietiekama iekārta, kas pati sevi silda. Visa planētas masa nospiež tās centru, radot fenomenālu spiedienu un tādējādi izraisot radioaktīvo elementu sabrukšanas procesu, kā rezultātā izdalās siltums.

Zemes kodols ietver divus slāņus ar robežzonu starp tiem: kodola ārējais šķidrais apvalks sasniedz 2266 kilometru biezumu, zem tā atrodas masīvs blīvs kodols, kura diametrs tiek lēsts līdz 1300 km. Pārejas zonai ir nevienmērīgs biezums un pakāpeniski sacietē, pārvēršoties par iekšējo serdi. Augšējā slāņa virsmā temperatūra ir aptuveni 5960 grādi pēc Celsija, lai gan šie dati tiek uzskatīti par aptuveniem.

Aptuvenais ārējā serdes sastāvs un tā noteikšanas metodes

Joprojām ir ļoti maz zināms pat zemes kodola ārējā slāņa sastāvs, jo nav iespējams iegūt paraugus izpētei. Galvenie elementi, kas var veidot mūsu planētas ārējo kodolu, ir dzelzs un niķelis. Zinātnieki pie šīs hipotēzes nonāca meteorītu sastāva analīzes rezultātā, jo klejotāji no kosmosa ir asteroīdu un citu planētu kodolu fragmenti.

Tomēr meteorītus nevar uzskatīt par absolūti identiskiem ķīmiskā sastāva ziņā, jo sākotnējie kosmiskie ķermeņi bija daudz mazāki nekā Zeme. Pēc daudziem pētījumiem zinātnieki nonāca pie secinājuma, ka kodolvielas šķidrā daļa ir ļoti atšķaidīta ar citiem elementiem, tostarp sēru. Tas izskaidro tā zemāko blīvumu nekā dzelzs-niķeļa sakausējumiem.

Kas notiek planētas ārējā kodolā?

Kodola ārējā virsma pie robežas ar apvalku ir neviendabīga. Zinātnieki norāda, ka tam ir dažādi biezumi, veidojot savdabīgu iekšējo reljefu. Tas izskaidrojams ar pastāvīgu neviendabīgu dziļo vielu sajaukšanos. Tiem ir atšķirīgs ķīmiskais sastāvs un arī atšķirīgs blīvums, tāpēc robežas biezums starp serdi un apvalku var svārstīties no 150 līdz 350 km.

Iepriekšējo gadu zinātniskās fantastikas rakstnieki savos darbos aprakstījuši ceļojumu uz Zemes centru pa dziļām alām un pazemes ejām. Vai tas tiešām ir iespējams? Diemžēl spiediens uz kodola virsmu pārsniedz 113 miljonus atmosfēru. Tas nozīmē, ka jebkura ala būtu cieši “aizvērusies” pat tad, kad tuvojas mantijai. Tas izskaidro, kāpēc uz mūsu planētas nav alu, kas būtu dziļākas par vismaz 1 km.

Kā mēs pētām kodola ārējo slāni?

Zinātnieki var spriest, kā izskatās kodols un no kā tas sastāv, novērojot seismisko aktivitāti. Piemēram, tika konstatēts, ka ārējais un iekšējais slānis magnētiskā lauka ietekmē griežas dažādos virzienos. Zemes kodols slēpj desmitiem neatrisinātu noslēpumu un gaida jaunus fundamentālus atklājumus.

MASKAVA, 12. februāris — RIA Novosti. Amerikāņu ģeologi apgalvo, ka Zemes iekšējais kodols nevarēja rasties pirms 4,2 miljardiem gadu tādā formā, kādā zinātnieki to iedomājas šodien, jo tas nav iespējams no fizikas viedokļa, teikts žurnālā EPS Letters publicētajā rakstā. .

"Ja jaunās Zemes kodols pilnībā sastāvētu no tīra, viendabīga šķidruma, tad iekšējam kodolam principā nevajadzētu pastāvēt, jo šī viela nevarēja atdzist līdz temperatūrai, kurā tā veidošanās bija iespējama. Attiecīgi šajā gadījumā kodols var būt būt neviendabīgam sastāvam, un rodas jautājums, kā tas tapa šāds. Tas ir mūsu atklātais paradokss,” saka Džeimss Van Ormens no Case Western Reserve universitātes Klīvlendā (ASV).

Tālā pagātnē Zemes kodols bija pilnīgi šķidrs un nesastāvēja no diviem vai trim slāņiem, kā tagad ierosina daži ģeologi, - iekšēja metāliska kodola un apkārtējā dzelzs un vieglāku elementu kausējuma.

Šajā stāvoklī kodols ātri atdzisa un zaudēja enerģiju, kas noveda pie tā radītā magnētiskā lauka pavājināšanās. Pēc kāda laika šis process sasniedza noteiktu kritisko punktu, un kodola centrālā daļa “sasala”, pārvēršoties par cietu metāla kodolu, ko pavadīja magnētiskā lauka pārsprieguma un stiprības palielināšanās.

Šīs pārejas laiks ir ārkārtīgi svarīgs ģeologiem, jo ​​tas ļauj aptuveni novērtēt, ar kādu ātrumu šodien atdziest Zemes kodols un cik ilgi darbosies mūsu planētas magnētiskais “vairogs”, pasargājot mūs no kosmisko staru iedarbības, un Zemes atmosfēru no saules vēja.

Ģeologi ir atklājuši, kas apgriež Zemes magnētiskos polusŠveices un Dānijas ģeologi uzskata, ka magnētiskie stabi periodiski maina vietas neparastu viļņu dēļ planētas šķidrā kodola iekšpusē, periodiski pārkārtojot tās magnētisko struktūru, pārvietojoties no ekvatora uz poliem.

Tagad, kā atzīmē Van Ormens, lielākā daļa zinātnieku uzskata, ka tas notika pirmajos Zemes dzīves mirkļos, pateicoties parādībai, kuras analogu var atrast planētas atmosfērā vai sodas automātos ātrās ēdināšanas restorānos.

Fiziķi jau sen ir atklājuši, ka daži šķidrumi, tostarp ūdens, paliek šķidri temperatūrā, kas ir ievērojami zemāka par sasalšanas punktu, ja iekšpusē nav piemaisījumu, mikroskopisku ledus kristālu vai spēcīgu vibrāciju. Ja jūs to viegli sakratat vai iemetat tajā putekļu plankumu, šāds šķidrums sasalst gandrīz acumirklī.

Kaut kas līdzīgs, pēc ģeologu domām, notika pirms aptuveni 4,2 miljardiem gadu Zemes kodolā, kad daļa no tā pēkšņi izkristalizējās. Van Ormans un viņa kolēģi mēģināja reproducēt šo procesu, izmantojot planētas interjera datormodeļus.

Šie aprēķini negaidīti parādīja, ka Zemes iekšējam kodolam nevajadzētu pastāvēt. Izrādījās, ka tā iežu kristalizācijas process ļoti atšķiras no tā, kā uzvedas ūdens un citi pārdzesēti šķidrumi - tas prasa milzīgu temperatūras starpību, vairāk nekā tūkstoti kelvinu un iespaidīgo “putekļu plankuma” izmēru. diametram jābūt apmēram 20-45 kilometriem.

Rezultātā, visticamāk, ir divi scenāriji - vai nu planētas kodolam vajadzēja pilnībā sasalt, vai arī tam joprojām bija jāpaliek pilnīgi šķidram. Abi ir nepatiesi, jo Zemei ir iekšējais cietais un ārējais šķidrais kodols.

Citiem vārdiem sakot, zinātniekiem vēl nav atbildes uz šo jautājumu. Van Ormans un viņa kolēģi aicina visus ģeologus uz Zemes padomāt par to, kā diezgan liels dzelzs “gabals” varētu veidoties planētas apvalkā un “nogrimt” tās kodolā, vai atrast kādu citu mehānismu, kas izskaidrotu, kā tā sadalās divās daļās. daļas.

Kad nometat atslēgas izkausētas lavas straumē, atvadieties no tām, jo, vecīt, tās ir viss.
- Džeks Hendijs

Aplūkojot mūsu dzimto planētu, jūs ievērosiet, ka 70% tās virsmas ir klāta ar ūdeni.

Mēs visi zinām, kāpēc tas tā ir: jo Zemes okeāni peld virs akmeņiem un netīrumiem, kas veido zemi. Peldspējas jēdziens, kurā mazāk blīvi objekti peld virs blīvākiem objektiem, kas nogrimst zemāk, izskaidro daudz vairāk nekā tikai okeānus.

Tas pats princips, kas izskaidro, kāpēc ledus peld ūdenī, hēlija balons paceļas atmosfērā un akmeņi grimst ezerā, izskaidro, kāpēc planētas Zeme slāņi ir sakārtoti tā, kā tie ir.

Vismazāk blīvā Zemes daļa, atmosfēra, peld virs ūdens okeāniem, kas peld virs Zemes garozas, kas atrodas virs blīvākas mantijas, kas neiegrimst Zemes blīvākajā daļā: kodolā.

Ideālā gadījumā visstabilākais Zemes stāvoklis būtu tāds, kas būtu ideāli sadalīts slāņos, piemēram, sīpols, ar blīvākajiem elementiem centrā, un, virzoties uz āru, katrs nākamais slānis sastāvētu no mazāk blīviem elementiem. Un katra zemestrīce patiesībā virza planētu uz šo stāvokli.

Un tas izskaidro ne tikai Zemes, bet arī visu planētu uzbūvi, ja atceraties, no kurienes nākuši šie elementi.

Kad Visums bija jauns — tikai dažas minūtes vecs — pastāvēja tikai ūdeņradis un hēlijs. Zvaigznēs tika radīti arvien smagāki elementi, un tikai tad, kad šīs zvaigznes nomira, smagākie elementi izkļuva Visumā, ļaujot veidoties jaunām zvaigžņu paaudzēm.

Taču šoreiz visu šo elementu – ne tikai ūdeņraža un hēlija, bet arī oglekļa, slāpekļa, skābekļa, silīcija, magnija, sēra, dzelzs un citu – maisījums ap šo zvaigzni veido ne tikai zvaigzni, bet arī protoplanetāru disku.

Veidojošās zvaigznes spiediens no iekšpuses uz āru izspiež vieglākus elementus, un gravitācija izraisa diska nelīdzenumu sabrukšanu un planētu veidošanos.

Saules sistēmas gadījumā četras iekšējās pasaules ir blīvākās no visām sistēmas planētām. Dzīvsudrabs sastāv no blīvākajiem elementiem, kas nespēj saturēt lielu daudzumu ūdeņraža un hēlija.

Citas planētas, kas bija masīvākas un atrodas tālāk no Saules (un līdz ar to saņēma mazāk tās starojuma), spēja noturēt vairāk šo īpaši vieglo elementu – tā veidojās gāzes milži.

Visās pasaulēs, tāpat kā uz Zemes, vidēji blīvākie elementi ir koncentrēti kodolā, un gaišie ap to veido arvien mazāk blīvus slāņus.

Nav pārsteidzoši, ka dzelzs, visstabilākais elements un smagākais elements, kas lielos daudzumos radīts supernovu malās, ir visizplatītākais elements zemes kodolā. Bet varbūt pārsteidzoši, ka starp cieto kodolu un cieto apvalku atrodas vairāk nekā 2000 km biezs šķidrs slānis: Zemes ārējais kodols.

Zemei ir biezs šķidruma slānis, kas satur 30% no planētas masas! Un mēs uzzinājām par tās esamību, izmantojot diezgan ģeniālu metodi - pateicoties seismiskiem viļņiem, kas radušies zemestrīču rezultātā!

Zemestrīcēs rodas divu veidu seismiskie viļņi: galvenais saspiešanas vilnis, kas pazīstams kā P-vilnis, kas virzās pa garenisko ceļu.

Un otrs bīdes vilnis, kas pazīstams kā S-vilnis, līdzīgs viļņiem jūras virsmā.

Seismiskās stacijas visā pasaulē spēj uztvert P- un S-viļņus, bet S-viļņi nepārvietojas caur šķidrumu, un P-viļņi ne tikai pārvietojas caur šķidrumu, bet arī tiek lauzti!

Rezultātā mēs varam saprast, ka Zemei ir šķidrs ārējais kodols, kura ārpusē ir cieta mantija, bet iekšpusē ir ciets iekšējais kodols! Tāpēc Zemes kodolā ir vissmagākie un blīvākie elementi, un tā mēs zinām, ka ārējais kodols ir šķidrs slānis.

Bet kāpēc ārējais kodols ir šķidrs? Tāpat kā visi elementi, dzelzs stāvoklis neatkarīgi no tā, vai tas ir ciets, šķidrs, gāzēts vai cits, ir atkarīgs no dzelzs spiediena un temperatūras.

Dzelzs ir sarežģītāks elements nekā daudzi, pie kuriem esat pieradis. Protams, tam var būt dažādas kristāliskās cietās fāzes, kā norādīts grafikā, taču mūs neinteresē parastie spiedieni. Mēs nolaižamies zemes kodolā, kur spiediens ir miljons reižu lielāks par jūras līmeni. Kā izskatās fāzes diagramma tik augsta spiediena gadījumā?

Zinātnes skaistums ir tāds, ka pat tad, ja jums nav uzreiz atbildes uz jautājumu, iespējams, kāds jau ir veicis pētījumu, kas varētu novest pie atbildes! Šajā gadījumā Ahrens, Collins un Chen 2001. gadā atrada atbildi uz mūsu jautājumu.

Un, lai gan diagramma parāda milzīgus spiedienus līdz 120 GPa, ir svarīgi atcerēties, ka atmosfēras spiediens ir tikai 0,0001 GPa, savukārt iekšējā kodolā spiediens sasniedz 330-360 GPa. Augšējā cietā līnija parāda robežu starp kūstošo dzelzi (augšpusē) un cieto dzelzi (apakšā). Vai ievērojāt, kā nepārtrauktā līnija pašā galā strauji pagriežas uz augšu?

Lai dzelzs izkustu pie 330 GPa spiediena, ir nepieciešama milzīga temperatūra, kas ir salīdzināma ar to, kas valda uz Saules virsmas. Tāda pati temperatūra pie zemāka spiediena viegli uzturēs dzelzi šķidrā stāvoklī, bet pie augstāka spiediena - cietā stāvoklī. Ko tas nozīmē attiecībā uz Zemes kodolu?

Tas nozīmē, ka Zemei atdziestot, tās iekšējā temperatūra pazeminās, bet spiediens paliek nemainīgs. Tas ir, Zemes veidošanās laikā, visticamāk, viss kodols bija šķidrs, un, atdziestot, iekšējais kodols aug! Un šajā procesā, tā kā cietajam dzelzs blīvums ir lielāks nekā šķidrajam, Zeme lēnām saraujas, kas izraisa zemestrīces!

Tātad Zemes kodols ir šķidrs, jo tas ir pietiekami karsts, lai izkausētu dzelzi, bet tikai reģionos ar pietiekami zemu spiedienu. Zemei novecojot un atdziestot, arvien vairāk kodola kļūst ciets, un tāpēc Zeme nedaudz saraujas!

Ja mēs vēlamies raudzīties tālu nākotnē, mēs varam sagaidīt, ka parādīsies tādas pašas īpašības kā dzīvsudrabā.

Dzīvsudrabs sava mazā izmēra dēļ jau ir ievērojami atdzisis un samazinājies, un tam ir simtiem kilometru gari lūzumi, kas radušies sakarā ar nepieciešamību pēc kompresijas dzesēšanas dēļ.

Tātad, kāpēc Zemei ir šķidrs kodols? Jo vēl nav atdzisis. Un katra zemestrīce ir neliela Zemes tuvošanās tās galīgajam, atdzesētajam un pilnīgi cietajam stāvoklim. Bet neuztraucieties, ilgi pirms šī brīža Saule uzsprāgs un visi, kurus pazīstat, būs miruši ļoti ilgu laiku.