Jordens heta kärna. Forskare: Jordens inre kärna borde inte existera

Varför har inte jordens kärna svalnat och förblivit uppvärmd till en temperatur på cirka 6000°C i 4,5 miljarder år? Frågan är extremt komplex, som vetenskapen dessutom inte kan ge ett 100% korrekt och begripligt svar på. Det finns dock objektiva skäl för detta.

Överdriven sekretess

Det överdrivna, så att säga, mysteriet med jordens kärna är förknippat med två faktorer. För det första vet ingen säkert hur, när och under vilka omständigheter den bildades - detta hände under bildandet av proto-jorden eller redan i de tidiga stadierna av existensen av den bildade planeten - allt detta är ett stort mysterium. För det andra är det absolut omöjligt att få prover från jordens kärna - ingen vet säkert vad den består av. Dessutom samlas all data som vi känner till om kärnan med indirekta metoder och modeller.

Varför förblir jordens kärna varm?

För att försöka förstå varför jordens kärna inte svalnar under så lång tid måste du först förstå vad som fick den att värmas upp initialt. Vår planets inre är, precis som vilken annan planet som helst, heterogen, de representerar relativt tydligt avgränsade lager med olika tätheter. Men detta var inte alltid fallet: tunga element sjönk långsamt ner och bildade den inre och yttre kärnan, medan lätta element tvingades till toppen och bildade manteln och jordskorpan. Denna process fortskrider extremt långsamt och åtföljs av frigöring av värme. Detta var dock inte huvudorsaken till uppvärmningen. Hela jordens massa pressar med enorm kraft på dess centrum och producerar ett fenomenalt tryck på cirka 360 GPa (3,7 miljoner atmosfärer), som ett resultat av vilket sönderfallet av långlivade radioaktiva grundämnen som finns i järn-kisel-nickelkärnan började inträffa, vilket åtföljdes av kolossala utsläpp av värme .

En ytterligare uppvärmningskälla är den kinetiska energin som genereras till följd av friktion mellan olika lager (varje lager roterar oberoende av det andra): den inre kärnan med den yttre och den yttre med manteln.

Planetens inre (proportionerna respekteras inte). Friktionen mellan de tre inre skikten fungerar som en extra värmekälla.

Baserat på ovanstående kan vi dra slutsatsen att jorden och i synnerhet dess tarmar är en självförsörjande maskin som värmer sig själv. Men detta kan naturligtvis inte fortsätta för evigt: reserverna av radioaktiva ämnen inuti kärnan försvinner sakta och det kommer inte längre att finnas något som håller temperaturen.

Det börjar bli kallt!

I själva verket har avkylningsprocessen redan börjat för mycket länge sedan, men den går extremt långsamt - med en bråkdel av en grad per sekel. Enligt grova uppskattningar kommer det att gå minst 1 miljard år innan kärnan svalnar helt och kemiska och andra reaktioner i den upphör.

Kort svar: Jorden, och i synnerhet jordens kärna, är en självförsörjande maskin som värmer sig själv. Hela planetens massa pressar på dess centrum, producerar ett fenomenalt tryck och utlöser därigenom processen för sönderfall av radioaktiva element, som ett resultat av vilket värme frigörs.

Jordens kärna innehåller två lager med en gränszon mellan dem: kärnans yttre flytande skal når en tjocklek av 2266 kilometer, under den finns en massiv tät kärna, vars diameter beräknas nå 1300 km. Övergångszonen har en ojämn tjocklek och hårdnar gradvis och förvandlas till den inre kärnan. Vid ytan av det övre lagret är temperaturen runt 5960 grader Celsius, även om dessa data anses vara ungefärliga.

Ungefärlig sammansättning av den yttre kärnan och metoder för dess bestämning

Mycket lite är fortfarande känt om sammansättningen av ens det yttre lagret av jordens kärna, eftersom det inte är möjligt att få prover för studier. De viktigaste elementen som kan utgöra den yttre kärnan av vår planet är järn och nickel. Forskare kom till denna hypotes som ett resultat av att analysera sammansättningen av meteoriter, eftersom vandrare från rymden är fragment av kärnorna i asteroider och andra planeter.

Ändå kan meteoriter inte anses vara helt identiska i kemisk sammansättning, eftersom de ursprungliga kosmiska kropparna var mycket mindre i storlek än jorden. Efter mycket forskning kom forskare till slutsatsen att den flytande delen av kärnämnet är mycket utspädd med andra element, inklusive svavel. Detta förklarar dess lägre densitet än för järn-nickellegeringar.

Vad händer på planetens yttre kärna?

Den yttre ytan av kärnan vid gränsen till manteln är heterogen. Forskare föreslår att den har olika tjocklek, vilket bildar en märklig inre lättnad. Detta förklaras av den ständiga blandningen av heterogena djupa ämnen. De skiljer sig i kemisk sammansättning och har också olika densiteter, så tjockleken på gränsen mellan kärnan och manteln kan variera från 150 till 350 km.

Science fiction-författare från tidigare år beskrev i sina verk en resa till jordens centrum genom djupa grottor och underjordiska passager. Är detta verkligen möjligt? Tyvärr överstiger trycket på kärnans yta 113 miljoner atmosfärer. Detta betyder att vilken grotta som helst skulle ha "stängt igen" ordentligt även när man närmade sig manteln. Detta förklarar varför det inte finns några grottor på vår planet som är djupare än minst 1 km.

Hur studerar vi kärnans yttre skikt?

Forskare kan bedöma hur kärnan ser ut och vad den består av genom att övervaka seismisk aktivitet. Till exempel fann man att de yttre och inre lagren roterar i olika riktningar under påverkan av ett magnetfält. Jordens kärna döljer dussintals olösta mysterier och väntar på nya grundläggande upptäckter.

MOSKVA, 12 februari - RIA Novosti. Amerikanska geologer säger att jordens inre kärna inte kunde ha uppstått för 4,2 miljarder år sedan i den form som forskare föreställer sig det idag, eftersom detta är omöjligt ur fysikens synvinkel, enligt en artikel publicerad i tidskriften EPS Letters .

"Om kärnan av den unga jorden helt och hållet bestod av ren, homogen vätska, borde den inre kärnan i princip inte existera, eftersom denna materia inte kunde svalna till de temperaturer vid vilka dess bildning var möjlig. Följaktligen kan kärnan i det här fallet vara heterogen sammansättning, och frågan uppstår om hur det blev så här. Det är den paradox vi upptäckte, säger James Van Orman från Case Western Reserve University i Cleveland (USA).

I det avlägsna förflutna var jordens kärna helt flytande, och bestod inte av två eller tre, som vissa geologer nu föreslår, lager - en inre metallisk kärna och en omgivande smälta av järn och lättare element.

I detta tillstånd kyldes kärnan snabbt och förlorade energi, vilket ledde till en försvagning av det magnetiska fält som den genererade. Efter en tid nådde denna process en viss kritisk punkt, och den centrala delen av kärnan "frös" och förvandlades till en solid metallkärna, som åtföljdes av en ökning och ökning av magnetfältets styrka.

Tiden för denna övergång är extremt viktig för geologer, eftersom den tillåter oss att grovt uppskatta med vilken hastighet jordens kärna svalnar idag och hur länge den magnetiska "skölden" på vår planet kommer att pågå och skydda oss från inverkan av kosmiska strålar, och jordens atmosfär från solvinden.

Geologer har upptäckt vad som vänder jordens magnetiska polerSchweiziska och danska geologer tror att de magnetiska polerna med jämna mellanrum byter plats på grund av ovanliga vågor inuti planetens flytande kärna, och regelbundet omarrangerar dess magnetiska struktur när den rör sig från ekvatorn till polerna.

Nu, som Van Orman noterar, tror de flesta forskare att detta hände under de första ögonblicken av jordens liv på grund av ett fenomen, vars analog kan hittas i planetens atmosfär eller i läskmaskiner på snabbmatsrestauranger.

Fysiker har länge upptäckt att vissa vätskor, inklusive vatten, förblir flytande vid temperaturer märkbart under fryspunkten, om det inte finns föroreningar, mikroskopiska iskristaller eller kraftiga vibrationer inuti. Om du skakar den lätt eller tappar en dammfläck i den, fryser en sådan vätska nästan omedelbart.

Något liknande, enligt geologer, hände för cirka 4,2 miljarder år sedan inuti jordens kärna, när en del av den plötsligt kristalliserades. Van Orman och hans kollegor försökte reproducera denna process med hjälp av datormodeller av planetens inre.

Dessa beräkningar visade oväntat att jordens inre kärna inte borde existera. Det visade sig att processen för kristallisering av dess stenar skiljer sig mycket från hur vatten och andra underkylda vätskor beter sig - detta kräver en enorm temperaturskillnad, mer än tusen kelvin och den imponerande storleken på ett "dammfläck", vars diameter bör vara ca 20-45 kilometer.

Som ett resultat är två scenarier mest sannolika - antingen borde planetens kärna ha frusit helt eller så borde den fortfarande ha förblivit helt flytande. Båda är osanna, eftersom jorden har en inre fast och yttre flytande kärna.

Med andra ord har forskarna ännu inte något svar på denna fråga. Van Orman och hans kollegor bjuder in alla geologer på jorden att fundera på hur en ganska stor "bit" järn kunde bildas i planetens mantel och "sjunka" in i dess kärna, eller att hitta någon annan mekanism som skulle förklara hur den delas i två delar.

När du släpper dina nycklar i en ström av smält lava, säg adjö till dem för, ja, grabb, de är allt.
- Jack Handy

När du tittar på vår hemplanet kommer du att märka att 70 % av dess yta är täckt med vatten.

Vi vet alla varför det är så: för att jordens hav flyter över klipporna och smutsen som utgör landet. Begreppet flytkraft, där mindre täta föremål flyter ovanför tätare som sjunker under, förklarar mycket mer än bara haven.

Samma princip som förklarar varför is flyter i vatten, en heliumballong stiger i atmosfären och stenar sjunker i en sjö förklarar varför lagren på planeten jorden är ordnade som de är.

Den minst täta delen av jorden, atmosfären, svävar över hav av vatten, som svävar ovanför jordskorpan, som sitter ovanför den tätare manteln, som inte sjunker ner i den tätaste delen av jorden: kärnan.

Helst skulle jordens mest stabila tillstånd vara ett som skulle vara idealiskt fördelat i lager, som en lök, med de tätaste elementen i mitten, och när du rör dig utåt, skulle varje efterföljande lager vara sammansatt av mindre täta element. Och varje jordbävning förflyttar faktiskt planeten mot detta tillstånd.

Och detta förklarar inte bara jordens struktur, utan också alla planeter, om du kommer ihåg var dessa element kom ifrån.

När universum var ungt - bara några minuter gammalt - fanns bara väte och helium. Allt tyngre grundämnen skapades i stjärnor, och först när dessa stjärnor dog flydde de tyngre grundämnena in i universum, vilket gjorde att nya generationer av stjärnor kunde bildas.

Men den här gången bildar en blandning av alla dessa grundämnen - inte bara väte och helium, utan också kol, kväve, syre, kisel, magnesium, svavel, järn och andra - inte bara en stjärna, utan också en protoplanetarisk skiva runt denna stjärna.

Tryck inifrån och ut i en stjärna som bildar trycker ut lättare element och gravitationen gör att oregelbundenheter i skivan kollapsar och bildar planeter.

När det gäller solsystemet är de fyra inre världarna den tätaste av alla planeterna i systemet. Kvicksilver består av de tätaste grundämnena, som inte kunde hålla stora mängder väte och helium.

Andra planeter, mer massiva och längre bort från solen (och därför får mindre av sin strålning), kunde behålla fler av dessa ultralätta element - det var så gasjättar bildades.

På alla världar, som på jorden, är i genomsnitt de tätaste elementen koncentrerade i kärnan, och de lätta bildar allt mindre täta lager runt den.

Det är inte förvånande att järn, det mest stabila grundämnet och det tyngsta grundämnet som skapas i stora mängder vid kanten av supernovor, är det vanligaste grundämnet i jordens kärna. Men kanske överraskande, mellan den fasta kärnan och den fasta manteln ligger ett vätskeskikt som är mer än 2 000 km tjockt: jordens yttre kärna.

Jorden har ett tjockt flytande lager som innehåller 30 % av planetens massa! Och vi lärde oss om dess existens med en ganska genialisk metod - tack vare seismiska vågor som härrör från jordbävningar!

Vid jordbävningar föds seismiska vågor av två typer: huvudkompressionsvågen, känd som P-våg, som färdas längs en längsgående bana

Och en andra skjuvvåg, känd som en S-våg, liknande vågor på havets yta.

Seismiska stationer runt om i världen kan ta upp P- och S-vågor, men S-vågor färdas inte genom vätska, och P-vågor färdas inte bara genom vätska, utan bryts!

Som ett resultat kan vi förstå att jorden har en flytande yttre kärna, utanför vilken det finns en fast mantel, och inuti finns det en fast inre kärna! Det är därför som jordens kärna innehåller de tyngsta och tätaste elementen, och det är så vi vet att den yttre kärnan är ett vätskeskikt.

Men varför är den yttre kärnan flytande? Liksom alla element beror järnets tillstånd, oavsett om det är fast, flytande, gas eller annat, på järnets tryck och temperatur.

Järn är ett mer komplext element än många du är van vid. Naturligtvis kan det ha olika kristallina fasta faser, som visas i grafen, men vi är inte intresserade av vanliga tryck. Vi går ner i jordens kärna, där trycket är en miljon gånger större än havsnivån. Hur ser fasdiagrammet ut för så höga tryck?

Det fina med vetenskap är att även om du inte har svaret på en fråga direkt, är chansen stor att någon redan har gjort forskningen som kan leda till svaret! I det här fallet hittade Ahrens, Collins och Chen 2001 svaret på vår fråga.

Och även om diagrammet visar gigantiska tryck på upp till 120 GPa, är det viktigt att komma ihåg att atmosfärstrycket endast är 0,0001 GPa, medan trycket i den inre kärnan når 330-360 GPa. Den övre heldragna linjen visar gränsen mellan smältande järn (överst) och fast järn (botten). Har du märkt hur den heldragna linjen i slutet gör en skarp sväng uppåt?

För att järn ska smälta vid ett tryck på 330 GPa krävs en enorm temperatur, jämförbar med den som råder på solens yta. Samma temperaturer vid lägre tryck kommer lätt att hålla järn i flytande tillstånd och vid högre tryck - i fast tillstånd. Vad betyder detta i termer av jordens kärna?

Detta innebär att när jorden svalnar sjunker dess inre temperatur, men trycket förblir oförändrat. Det vill säga, under bildandet av jorden var troligen hela kärnan flytande, och när den svalnar växer den inre kärnan! Och i processen, eftersom fast järn har en högre densitet än flytande järn, drar jorden långsamt ihop sig, vilket leder till jordbävningar!

Så, jordens kärna är flytande eftersom den är tillräckligt varm för att smälta järn, men bara i områden med tillräckligt lågt tryck. När jorden åldras och svalnar blir mer och mer av kärnan fast, och så krymper jorden lite!

Om vi ​​vill se långt in i framtiden kan vi förvänta oss att samma egenskaper ska dyka upp som de som observerades i Merkurius.

Kvicksilver, på grund av sin ringa storlek, har redan svalnat och minskat avsevärt och har hundratals kilometer långa sprickor som har uppstått på grund av behovet av kompression på grund av kylning.

Så varför har jorden en flytande kärna? För det har inte svalnat ännu. Och varje jordbävning är ett litet närmande av jorden till dess slutliga, kylda och helt fasta tillstånd. Men oroa dig inte, långt innan det ögonblicket kommer solen att explodera och alla du känner kommer att vara döda under mycket lång tid.