Miezul fierbinte al pământului. Oamenii de știință: Miezul interior al Pământului nu ar trebui să existe

De ce nucleul pământului nu s-a răcit și a rămas încălzit la o temperatură de aproximativ 6000°C timp de 4,5 miliarde de ani? Întrebarea este extrem de complexă, la care, de altfel, știința nu poate da un răspuns 100% exact și inteligibil. Cu toate acestea, există motive obiective pentru aceasta.

Secretul excesiv

Misterul excesiv, ca să spunem așa, al miezului pământului este asociat cu doi factori. În primul rând, nimeni nu știe sigur cum, când și în ce circumstanțe s-a format - acest lucru s-a întâmplat în timpul formării proto-pământului sau deja în primele etape ale existenței planetei formate - toate acestea sunt un mare mister. În al doilea rând, este absolut imposibil să obțineți mostre din miezul pământului - nimeni nu știe sigur în ce constă. Mai mult, toate datele pe care le cunoaștem despre nucleu sunt colectate folosind metode și modele indirecte.

De ce nucleul Pământului rămâne fierbinte?

Pentru a încerca să înțelegeți de ce miezul pământului nu se răcește atât de mult timp, trebuie mai întâi să înțelegeți ce a făcut să se încălzească inițial. Interiorul planetei noastre, ca și cel al oricărei alte planete, este eterogen; ele reprezintă straturi relativ clar delimitate de diferite densități. Dar nu a fost întotdeauna cazul: elementele grele s-au scufundat încet, formând miezul intern și extern, în timp ce elementele ușoare au fost forțate în vârf, formând mantaua și scoarța terestră. Acest proces decurge extrem de lent și este însoțit de eliberarea de căldură. Cu toate acestea, acesta nu a fost motivul principal al încălzirii. Întreaga masă a Pământului apasă cu o forță enormă asupra centrului său, producând o presiune fenomenală de aproximativ 360 GPa (3,7 milioane de atmosfere), în urma căreia dezintegrarea elementelor radioactive cu viață lungă conținute în miezul fier-siliciu-nichel. a început să apară, care a fost însoțită de emisii colosale de căldură.

O sursă suplimentară de încălzire este energia cinetică generată ca urmare a frecării dintre diferite straturi (fiecare strat se rotește independent de celălalt): miezul interior cu exteriorul și exteriorul cu mantaua.

Interiorul planetei (nu se respecta proportiile). Frecarea dintre cele trei straturi interioare servește ca o sursă suplimentară de încălzire.

Pe baza celor de mai sus, putem concluziona că Pământul și în special intestinele sale sunt o mașinărie autosuficientă care se încălzește singur. Dar acest lucru nu poate continua pentru totdeauna: rezervele de elemente radioactive din interiorul nucleului dispar încet și nu va mai exista nimic care să mențină temperatura.

Se face frig!

De fapt, procesul de răcire a început deja cu foarte mult timp în urmă, dar decurge extrem de lent - la o fracțiune de grad pe secol. Conform estimărilor aproximative, vor trece cel puțin 1 miliard de ani înainte ca miezul să se răcească complet și reacțiile chimice și alte reacții din el să înceteze.

Răspuns scurt: Pământul, și în special miezul pământului, este o mașină autosuficientă care se încălzește singur. Întreaga masă a planetei apasă pe centrul său, producând o presiune fenomenală și, prin urmare, declanșând procesul de dezintegrare a elementelor radioactive, în urma căruia se eliberează căldură.

Miezul Pământului include două straturi cu o zonă de limită între ele: învelișul lichid exterior al nucleului atinge o grosime de 2266 de kilometri, sub acesta se află un nucleu dens masiv, al cărui diametru este estimat la 1300 km. Zona de tranziție are o grosime neuniformă și se întărește treptat, transformându-se în miezul interior. La suprafața stratului superior, temperatura este în jur de 5960 de grade Celsius, deși aceste date sunt considerate aproximative.

Compoziția aproximativă a miezului exterior și metode de determinare a acestuia

Se cunosc încă foarte puține despre compoziția chiar și a stratului exterior al nucleului pământului, deoarece nu este posibil să se obțină mostre pentru studiu. Principalele elemente care pot alcătui nucleul exterior al planetei noastre sunt fierul și nichelul. Oamenii de știință au ajuns la această ipoteză ca urmare a analizei compoziției meteoriților, deoarece rătăcitorii din spațiu sunt fragmente din nucleele asteroizilor și ale altor planete.

Cu toate acestea, meteoriții nu pot fi considerați absolut identici ca compoziție chimică, deoarece corpurile cosmice originale erau mult mai mici ca dimensiune decât Pământul. După multe cercetări, oamenii de știință au ajuns la concluzia că partea lichidă a substanței nucleare este foarte diluată cu alte elemente, inclusiv cu sulf. Aceasta explică densitatea sa mai mică decât cea a aliajelor fier-nichel.

Ce se întâmplă pe nucleul exterior al planetei?

Suprafața exterioară a miezului la limita cu mantaua este eterogenă. Oamenii de știință sugerează că are grosimi diferite, formând un relief intern deosebit. Acest lucru se explică prin amestecarea constantă a substanțelor profunde eterogene. Ele diferă în compoziția chimică și au, de asemenea, densități diferite, astfel încât grosimea limitei dintre miez și manta poate varia de la 150 la 350 km.

Scriitorii de science fiction din anii precedenți au descris în lucrările lor o călătorie în centrul Pământului prin peșteri adânci și pasaje subterane. Este acest lucru cu adevărat posibil? Din păcate, presiunea de pe suprafața miezului depășește 113 milioane de atmosfere. Aceasta înseamnă că orice peșteră s-ar fi „închis” strâns chiar și în stadiul de apropiere a mantalei. Acest lucru explică de ce nu există peșteri pe planeta noastră mai adânci de cel puțin 1 km.

Cum studiem stratul exterior al nucleului?

Oamenii de știință pot judeca cum arată miezul și în ce constă prin monitorizarea activității seismice. De exemplu, s-a constatat că straturile exterior și interior se rotesc în direcții diferite sub influența unui câmp magnetic. Miezul Pământului ascunde zeci de mistere nerezolvate și așteaptă noi descoperiri fundamentale.

MOSCOVA, 12 februarie - RIA Novosti. Geologii americani spun că nucleul interior al Pământului nu ar fi putut apărea acum 4,2 miliarde de ani în forma în care oamenii de știință îl imaginează astăzi, deoarece acest lucru este imposibil din punct de vedere al fizicii, potrivit unui articol publicat în jurnalul EPS Letters. .

„Dacă nucleul tânărului Pământ era format în întregime din lichid pur, omogen, atunci nucleolul interior nu ar trebui să existe în principiu, deoarece această materie nu s-ar putea răci la temperaturile la care a fost posibilă formarea sa. Prin urmare, în acest caz, nucleul poate să fie o compoziție eterogenă și se pune întrebarea cum a devenit astfel. Acesta este paradoxul pe care l-am descoperit", spune James Van Orman de la Case Western Reserve University din Cleveland (SUA).

În trecutul îndepărtat, miezul Pământului era complet lichid și nu era format din două sau trei straturi, așa cum sugerează acum unii geologi, un miez metalic interior și o topitură înconjurătoare de fier și elemente mai ușoare.

În această stare, miezul s-a răcit rapid și a pierdut energie, ceea ce a dus la o slăbire a câmpului magnetic pe care l-a generat. După ceva timp, acest proces a atins un anumit punct critic, iar partea centrală a nucleului a „înghețat”, transformându-se într-un nucleol metalic solid, care a fost însoțit de o creștere și o creștere a puterii câmpului magnetic.

Momentul acestei tranziții este extrem de important pentru geologi, deoarece ne permite să estimăm aproximativ cu ce viteză se răcește nucleul Pământului astăzi și cât va dura „scutul” magnetic al planetei noastre, protejându-ne de acțiunea razelor cosmice, și atmosfera Pământului de la vântul solar.

Geologii au descoperit ceea ce inversează polii magnetici ai PământuluiGeologii elvețieni și danezi cred că polii magnetici își schimbă periodic locul din cauza undelor neobișnuite din interiorul nucleului lichid al planetei, rearanjându-și periodic structura magnetică pe măsură ce se deplasează de la ecuator la poli.

Acum, după cum notează Van Orman, majoritatea oamenilor de știință cred că acest lucru s-a întâmplat în primele momente ale vieții Pământului din cauza unui fenomen, un analog al căruia poate fi găsit în atmosfera planetei sau în aparatele de sifon din restaurantele fast-food.

Fizicienii au descoperit de mult timp că unele lichide, inclusiv apa, rămân lichide la temperaturi vizibil sub punctul de îngheț, dacă în interior nu există impurități, cristale de gheață microscopice sau vibrații puternice. Dacă îl scuturați ușor sau aruncați o bucată de praf în el, atunci un astfel de lichid îngheață aproape instantaneu.

Ceva similar, potrivit geologilor, s-a întâmplat acum aproximativ 4,2 miliarde de ani în interiorul nucleului Pământului, când o parte din acesta s-a cristalizat brusc. Van Orman și colegii săi au încercat să reproducă acest proces folosind modele computerizate ale interiorului planetei.

Aceste calcule au arătat în mod neașteptat că nucleul interior al Pământului nu ar trebui să existe. S-a dovedit că procesul de cristalizare a rocilor sale este foarte diferit de modul în care se comportă apa și alte lichide suprarăcite - aceasta necesită o diferență uriașă de temperatură, mai mult de o mie de kelvin și dimensiunea impresionantă a unui „peți de praf”, a cărui diametrul ar trebui să fie de aproximativ 20-45 de kilometri.

Ca rezultat, două scenarii sunt cel mai probabil - fie nucleul planetei ar fi trebuit să înghețe complet, fie ar fi trebuit să rămână complet lichid. Ambele sunt neadevărate, deoarece Pământul are un nucleu solid interior și un nucleu lichid exterior.

Cu alte cuvinte, oamenii de știință nu au încă un răspuns la această întrebare. Van Orman și colegii săi îi invită pe toți geologii de pe Pământ să se gândească la modul în care o „bucată” destul de mare de fier s-ar putea forma în mantaua planetei și „s-ar scufunda” în miezul acesteia, sau să găsească un alt mecanism care să explice modul în care s-a împărțit în două. părți.

Când îți arunci cheile într-un flux de lavă topită, spune-le la revedere pentru că, ei, băiete, sunt totul.
- Jack Handy

Privind planeta noastră natală, vei observa că 70% din suprafața sa este acoperită cu apă.

Știm cu toții de ce este așa: pentru că oceanele Pământului plutesc deasupra stâncilor și murdăriei care alcătuiesc pământul. Conceptul de flotabilitate, în care obiectele mai puțin dense plutesc deasupra celor mai dense care se scufundă dedesubt, explică mult mai mult decât oceanele.

Același principiu care explică de ce gheața plutește în apă, un balon cu heliu se ridică în atmosferă și rocile se scufundă într-un lac explică de ce straturile planetei Pământ sunt aranjate așa cum sunt.

Cea mai puțin densă parte a Pământului, atmosfera, plutește deasupra oceanelor de apă, care plutesc deasupra scoarței terestre, care se află deasupra mantalei mai dense, care nu se scufundă în partea cea mai densă a Pământului: nucleul.

În mod ideal, cea mai stabilă stare a Pământului ar fi cea care ar fi distribuită în mod ideal în straturi, ca o ceapă, cu elementele cele mai dense în centru, iar pe măsură ce vă deplasați spre exterior, fiecare strat ulterior ar fi compus din elemente mai puțin dense. Și fiecare cutremur, de fapt, mișcă planeta spre această stare.

Și aceasta explică nu numai structura Pământului, ci și a tuturor planetelor, dacă vă amintiți de unde provin aceste elemente.

Când Universul era tânăr – în vârstă de doar câteva minute – existau doar hidrogen și heliu. Elementele din ce în ce mai grele au fost create în stele și numai atunci când aceste stele au murit, elementele mai grele au scăpat în Univers, permițând să se formeze noi generații de stele.

Dar de această dată, un amestec al tuturor acestor elemente - nu numai hidrogen și heliu, ci și carbon, azot, oxigen, siliciu, magneziu, sulf, fier și altele - formează nu numai o stea, ci și un disc protoplanetar în jurul acestei stele.

Presiunea din interior spre exterior într-o stea în formare împinge elementele mai ușoare în afară, iar gravitația face ca neregulile din disc să se prăbușească și să formeze planete.

În cazul Sistemului Solar, cele patru lumi interioare sunt cele mai dense dintre toate planetele din sistem. Mercurul este format din elementele cele mai dense, care nu puteau reține cantități mari de hidrogen și heliu.

Alte planete, mai masive și mai îndepărtate de Soare (și, prin urmare, primesc mai puțină radiație), au fost capabile să rețină mai multe dintre aceste elemente ultra-ușoare - așa s-au format giganții gazosi.

Pe toate lumi, ca și pe Pământ, în medie, cele mai dense elemente sunt concentrate în miez, iar cele ușoare formează în jurul lui straturi din ce în ce mai puțin dense.

Nu este de mirare că fierul, cel mai stabil element și cel mai greu element creat în cantități mari la marginea supernovelor, este cel mai abundent element din nucleul pământului. Dar poate surprinzător, între nucleul solid și mantaua solidă se află un strat lichid de peste 2.000 km grosime: nucleul exterior al Pământului.

Pământul are un strat gros de lichid care conține 30% din masa planetei! Și am aflat despre existența sa folosind o metodă destul de ingenioasă - datorită undelor seismice provenite din cutremure!

În cutremur, se nasc unde seismice de două tipuri: unda principală de compresie, cunoscută sub numele de undă P, care se deplasează de-a lungul unui traseu longitudinal.

Și o a doua undă de forfecare, cunoscută sub numele de undă S, similară cu valurile de pe suprafața mării.

Stațiile seismice din întreaga lume sunt capabile să capteze undele P și S, dar undele S nu călătoresc prin lichid, iar undele P nu doar călătoresc prin lichid, ci sunt refractate!

Drept urmare, putem înțelege că Pământul are un nucleu exterior lichid, în afara căruia există o manta solidă, iar în interior există un nucleu interior solid! Acesta este motivul pentru care nucleul Pământului conține cele mai grele și mai dense elemente și așa știm că nucleul exterior este un strat lichid.

Dar de ce este lichidul miezului exterior? Ca toate elementele, starea fierului, fie solid, lichid, gaz sau altele, depinde de presiunea și temperatura fierului.

Fierul este un element mai complex decât multele cu care sunteți obișnuiți. Desigur, poate avea diferite faze solide cristaline, așa cum este indicat în grafic, dar nu ne interesează presiunile obișnuite. Coborâm în miezul pământului, unde presiunile sunt de un milion de ori mai mari decât nivelul mării. Cum arată diagrama de fază pentru presiuni atât de mari?

Frumusețea științei este că, chiar dacă nu aveți răspunsul la o întrebare imediat, sunt șanse ca cineva să fi făcut deja cercetările care ar putea duce la răspuns! În acest caz, Ahrens, Collins și Chen în 2001 au găsit răspunsul la întrebarea noastră.

Și deși diagrama arată presiuni gigantice de până la 120 GPa, este important de reținut că presiunea atmosferică este de numai 0,0001 GPa, în timp ce în miezul interior presiunile ajung la 330-360 GPa. Linia continuă superioară arată limita dintre fierul de topire (sus) și fierul solid (jos). Ai observat cum linia continuă de la capăt face o întoarcere bruscă în sus?

Pentru ca fierul să se topească la o presiune de 330 GPa, este necesară o temperatură enormă, comparabilă cu cea care predomină pe suprafața Soarelui. Aceleași temperaturi la presiuni mai mici vor menține cu ușurință fierul în stare lichidă, iar la presiuni mai mari - în stare solidă. Ce înseamnă asta în ceea ce privește nucleul Pământului?

Aceasta înseamnă că, pe măsură ce Pământul se răcește, temperatura sa internă scade, dar presiunea rămâne neschimbată. Adică, în timpul formării Pământului, cel mai probabil, întregul nucleu a fost lichid și, pe măsură ce se răcește, nucleul interior crește! Și în acest proces, deoarece fierul solid are o densitate mai mare decât fierul lichid, Pământul se contractă încet, ceea ce duce la cutremure!

Așadar, nucleul Pământului este lichid deoarece este suficient de fierbinte pentru a topi fierul, dar numai în regiunile cu presiune suficient de scăzută. Pe măsură ce Pământul îmbătrânește și se răcește, tot mai mult nucleu devine solid și astfel Pământul se micșorează puțin!

Dacă vrem să privim departe în viitor, ne putem aștepta să apară aceleași proprietăți ca cele observate la Mercur.

Mercurul, datorită dimensiunilor sale mici, s-a răcit deja și s-a contractat semnificativ și are fracturi lungi de sute de kilometri care au apărut din cauza nevoii de compresie din cauza răcirii.

Deci, de ce Pământul are un nucleu lichid? Pentru că încă nu s-a răcit. Și fiecare cutremur este o mică apropiere a Pământului până la starea sa finală, răcită și complet solidă. Dar nu-ți face griji, cu mult înainte de acel moment Soarele va exploda și toți cei pe care îi cunoști vor fi morți pentru o perioadă foarte lungă de timp.