В наше время констатирование факта, что есть ядро Земли, никого не удивит. А вот подкрепить это констатирование каким-нибудь доказательством значительно сложнее.

Для того, чтобы доказать наличие металлического и притом жидкого ядра, следует обратиться к оправдавшей себя дисциплине, какой является сейсмология.

Ядро Земли центральная геосфера находящаяся под мантией радиусом порядка 3500 км и состоящая, вероятно, из расплавленного железа и никеля температурой порядка 6000 градусов.

Попробуем  собрать те немногие аргументы, которые говорят в пользу существования, состояния и состава земного ядра.ядро земли

Доказательства по составу

Основные физические данные – масса, форма Земли, средняя плотность, момент количества движения – показывают, что по направлению вглубь планеты увеличивается количество материала, масса которого весьма отличается от массы верхних слоев горных пород.


о должна быть материя, которая значительно тяжелее, чем та, которая встречается на поверхности. Даже породы, из которых состоит верхняя мантия, не обладают такой высокой плотностью, какая соответствовала бы физическим свойствам требуемым средней плотностью всего земного шара. Конечно,  состав и строение Солнца как звезды очевидно совсем другое.

Поэтому предположение о наличии тяжелого центра нашей планеты является, с физической точки зрения, в сущности, единственным решением. Возможно есть вырожденное вещество со свободными электронами.  И с космохимической точки зрения, при сравнении количества элементов в метеоритах и состава звезд следует, что Земля должна иметь внутри гораздо больше тяжелых элементов, чем находится на ее поверхности: например, больше железа, чем встречается в верхних горных породах и в породах верхней мантии. Но где-то на планете оно должно быть.

Доказательство о наличии ядра Земли исходит от сейсмологии, из изучения распространения сейсмических волн при прохождении через планету.

Доказательство было получено в начале 20 века. Граница между мантией и внешним ядром лежит на глубине 2900 км. Ее называют разделом Вайхерта-Гуттенберга. Она значительно выразительнее, чем граница между земной корой и мантией (раздел Мохоровичича). Здесь происходит сильное изгибание и отклонение сейсмических волн. А волны одного типа, так называемые S-волны, через эту границу даже не проникают.

Именно это и является доказательством, что внешняя часть ядра Земли находится в жидком состоянии, поскольку S- волны в жидкости не распространяются.

Состав центра планеты


Но это не последнее слово геологов, геофизиков и геохимиков о состоянии и составе ядра.

Лабораторные опыты, во время которых в течение более длительного времени проверялись физические условия, существующие на границе мантии и внешнего ядра, то есть на глубине 2900 км, удалось провести пока лишь в отдельных случаях и на короткий период, поэтому геологи надеются на изучение явлений, имеющих место при крупных взрывах.

Итак, внешнее ядро является жидким, тогда как внутренняя часть – субядро, называемое ядрышком, вероятно, твердое.

Но само железо не имеет соответствующих свойств, поэтому предполагается, что в земном ядре присутствует еще один металл — никель, а некоторые ученые полагают, что там есть еще довольно значительное количество (около 10-20%) металлического кремния. При этом проводится сравнение с металлическими метеоритами, которые, помимо железа, содержат значительное количество никеля.

А поскольку весьма возможно, что железные метеориты являются остатками какой-то небольшой, распавшейся или разбитой в результате столкновения планетки (результат столкновения в Космосе), ученые считают, что центр Земли обладает железно-никелевым составом. температура ядра Земли Однако ответ на эти вопросы ученые смогут получить только в будущем, сначала экспериментальным путем в лаборатории. Может быть, удастся сконструировать и такую аппаратуру, которая проникнет в фантастические глубины мантии или даже в само ядро.


В нынешнее время бурение к центру планеты невозможно технически. Самое глубокое бурение было на глубину в 12 262 метра на Кольском полуострове в СССР и закончилось в далеком уже 1991 году.

В настоящее время нет информации про бурение к центру Земли в каких-либо странах.

Источник: v-nayke.ru

Путь к ядру

Изучать ядро достаточно непросто — поверхность Земли и его верхнюю кромку разделяют 2900 километров. Непросто пробуриться на такие глубины — чем ниже опускаться под землю, тем выше растет температура. В Кольской скважине, которая пока остается самой глубокой, на глубине в 12 километров накал достигал 220°C! Уже при таких температурах сложно работать не только электронике, но и самой аппаратуре — ведь ее надо как-то опустить в скважину, а потом вынуть обратно.

Кольская сверхглубокая скважина
iv>

И даже преодолев литосферу, надо как-то пробиться сквозь раскаленную пластичную мантию. В двухтысячных годах был рассчитан проект, позволяющий зонду размером с небольшую дыню достичь ядра. Правда, в нем есть пара слабых мест — для того, чтобы добраться до ядра, нужно было взорвать несколько ядерных бомб, залить туда море раскаленного металла и изобрести такой материал, который мог бы выдержать температуру в 2–3 тысячи градусов по Цельсию! Но на бумаге все выглядело чудесно: вместе с потоком раскаленного железа зонд мог бы достичь ядра Земли всего за неделю.

Однако в ученых остался метод, позволяющий достаточно точно рассчитать плотность и объем ядра Земли — сейсмография. Колебания, исходящие от поверхностных слоев планеты — вибрации землетрясений или импульсы ядерных взрывов — распространяются не только по поверхности Земли, но и уходят глубоко в недра. Там они преломляются, увеличивая свою скорость прохождения — как преломляются световые волны, проходя через стекло или воду. Именно по тому, как изменяется сейсмическая волна при прохождении через планету, ученые сумели получить точные физические параметры ядра.

Схема движения сейсмических волн в теле Земли

Помогают геологам также различные косвенные признаки. Например, наблюдение за магнитным полем Земли позволяет отслеживать динамику вращения ядра. Ценные подсказки порой дает даже то, что совсем не предназначено для исследования глубин. Был случай, когда сбои в работе орбитального телескопа «Хаббл» позволили выявить изменение направления потоков в жидком внешнем ядре Земли, служащих причиной сдвига магнитных полюсов.

Структура и характеристики ядра

Путь к знаниям долгий и тернистый, но плоды их сладки. На сегодняшний день достоверно известны следующие физические характеристики ядра Земли:

  • Температура ядра Земли в центральной точке может доходить до 6000 градусов Цельсия — это столько же, как на поверхности Солнца! Но в отличие от светила, энергией глубины питают не ядерные реакции, а гравитация. Точнее, ее сжатие — давление в ядре превышает атмосферное в 3,5 миллиона раз, достигая отметки в 360 гигапаскаль. Хотя процессы атомного распада в глубинах Земли происходят, их вклад не столь большой. Да и без громадного сжатия они были бы вялотекущими и не столь продуктивными.
>
Классические основные сферы Земли
  • Ядро Земли достигает 7000 километров в поперечнике — это больше не только Луны, но и Марса! Оно занимает не так много места внутри нашей планеты — около 15% объема — но зато его масса в 1,932 × 1024 килограмм составляет 30% от всей массы Земли.
  • Оказывается, что разные слои ядра вращаются в разные стороны. Сегодня считается, что внешнее жидкое ядро вращается вокруг своей оси с востока на запад, а внутреннее — с запада на восток, при этом еще и быстрее Земли. Впрочем, разница не очень значительная — за год оно опережает планету всего на четверть градуса

Кроме того, новейшие исследования говорят о том, что внутри внутреннего ядра Земли лежит еще одно — «самое» внутреннее ядро, которое вращается вообще по другой оси. Давайте рассмотрим его и другие составляющие земного ядра подробнее.

Внешнее ядро

Самый первый слой ядра, который непосредственно контактирует с мантией — это внешнее ядро. Его верхняя граница находится на глубине 2,3 тысячи километров под уровнем моря, а нижняя — на глубине 2900 километров. По составу оно ничем не отличается от нижележащих оболочек — давления гравитации попросту недостаточно для того, чтобы раскаленный металл затвердел. Зато его жидкое состояние является главным козырем Земли в сравнении с другими внутренними планетами Солнечной системы.


Как работает геодинамо

Дело в том, что именно жидкая часть ядра ответственна за возникновение магнитного поля Земли. Как наверняка известно читателю, магнитосфера служит щитом планеты против заряженных частиц открытого космоса и солнечного ветра. Они даже более опасны, чем излучение — частицы способны вывести из строя не только живые организмы, но и электронику. Биологи считают, что именно активное магнитное поле стало залогом выживания первобытных одноклеточных существ.

Как именно генерируется магнитное поле? Его порождает вращение жидкого железа и никеля в ядре. Магнитные свойства металлов тут ни при чем — это исключительно динамический эффект. А еще внешнее ядро подогревает мантию — причем в отдельных местах настолько сильно, что восходящие потоки магмы достигают даже поверхности, вызывая извержения вулканов.


Внутреннее ядро

Внутри жидкой оболочки находится внутреннее ядро. Это твердая сердцевина Земли, диаметр которой составляет 1220 километров — такой же размер у Харона, спутника-напарника Плутона. Эта часть ядра очень плотная — средняя концентрация вещества достигает 12,8–13г/см3, что в два раза больше густоты железа, и горячая — накал достигает знаменитых 5–6 тысяч градусов по Цельсию.

Высокое давление в центре Земли заставляет металл затвердевать при температурах, превышающих точку его кипения. При этом формируются необычные кристаллы, которые отличаются устойчивостью даже в обычных условиях. Считается, что внутреннее ядро представляет собой лес из многокилометровых кристаллов железа и никеля, которые направлены с юга на север. Для того чтобы проверить эту теорию, японские ученые потратили десять лет на создание особой алмазной наковальни — только в ней можно добиться такого давления и температуры, как в центре нашей планеты.

«Внутреннее» внутреннее ядро, или гипотетическая матрешка


Еще во время начальных исследований ядра при помощи сейсмических волн, геологи заметили необычное отклонение колебаний внутри ядра по направлению с востока на запад. Так как из-за своего вращения Земля шире на экваторе, чем на полюсах, сперва на это не обратили внимание. Но последующее изучение выявило, что центральная часть ядра может быть всего лишь очередной оболочкой.

Что представляет собой «внутреннее» внутреннее ядро? Скорее всего, оно состоит из тех же металлических кристаллов — но направленных уже не на север, а на запад. Пока что неясно, что вызывает такое расслоение. Однако ориентация кристаллов указывает на то, что тут не обошлось без гравитационных взаимодействий с Солнцем или Луной.

«Внутреннее» внутреннее ядро в строении Земли

Механизм формирования ядра


Ядром обладают все планеты Солнечной системы, как и полноценные, так и карликовые — от величественного газового гиганта Юпитера до отдаленной и холодной Седны. Параметры ядра разнятся от объекта к объекту — так, у Меркурия ядро занимает 60% массы и 80% объема планеты, когда радиус ядра Луны составляет скромные 350 километров от 1735 километров общего радиуса спутника.

Тем не менее создание ядра любого космического тела, даже звезды, обязано одному интересному гравитационному явлению — дифференциации недр. Когда планеты только начинают формироваться из газовых туч вокруг молодой звезды, их вещество собирается вокруг первичных ядер: больших камней, сгустков льда или пыли. Когда молодая планета набирает достаточную массу, в действие вступает гравитация, втягивающая массивные элементы вроде железа к центру объекта — тем самым  более легкие вещества, как вот кремний или кислород, выталкиваются на поверхность.

Земля во время активной аккреции в представлении художника

Во время этих перемещений выделяется громадное количество энергии, из-за которой планета расплавляется, а гравитация придает ей характерную сферическую форму.  Тем самым процесс перемещения тяжелых веществ ускоряется. Астероиды, масса которых недостаточна для плавления, так и остались кучками пыли и камней, сбитыми вместе.

  • Интересный факт — хотя уран является одним из самых тяжелых элементов в природе, он проигнорировал дифференциацию недр и практически полностью остался на поверхности планеты, в земной коре. Причиной этому является то, что уран встречается лишь в связке с другими, более легкими элементами. Они и послужили ему «спасательным кругом», который удержал радиоактивный металл наверху.

А все тяжелые элементы, которые ушли вглубь — в первую очередь железо и никель — сформировали центр планеты. Ядро Земли прошло весь долгий путь от пыли на орбите новорожденного Солнца до многослойного металлического шара — и сегодня оно греет и защищает нашу планету изнутри.

Полная версия: https://spacegid.com/vnutrennee-i-vneshnee-yadro-zemli.html

Источник: zen.yandex.ru

Точные науки и дисциплины
Дебаты по Теории Относительности Эйнштейна. Все кому не лень хотят опровергнуть Теорию Относительности Эйнштейна. Вам предоставляется слово для аргументации.
Физика, астрономия, математические решения. Физико-математические вопросы, наблюдения, исследования, теории и их решение.
Физика альтернативная. Новые взгляды на физические законы, теории, эксперименты, не вписывающиеся в общепринятые законы физики.
Teхника, узлы, механизмы, электроника и аппаратура. Все про технику, приборы, детали, узлы и механизмы. Электроника, компьютеры, программное обеспечение. Новые технические решения в самых разных областях.
Биология, Генетика, Все о жизни. Генетика и другие вопросы биологии. Их развитие. Медицина. Биотехнологии, агротехника и сельское хозяйство. Эволюционные теории и альтернативные им.
Химия. Вопросы по химическим технологиям, разработкам и применению химических материалов. Химические элементы и их свойства.
Геология, все о Земле и ее обитателях. Геология, метеорология, антропология, сейсмология, атмосферные явления и непознанные эффекты природы.

Источник: www.sciteclibrary.ru

История изучения

Вероятно одним из первых предположение о существовании внутри Земли области повышенной плотности высказал Генри Кавендиш, который вычислил массу и среднюю плотность Земли и установил, что она значительно больше, чем плотность характерная для пород выходящих на земную поверхность.

Существование было доказано в 1897 немецким сейсмологом Э. Вихертом, а глубина залегания (2900 км) определена в 1910 американским геофизиком Б. Гутенбергом.

Основоположник геохимии В. М. Гольдшмидт в 1922 году предположил, что ядро образовалось путём гравитационной дифференциации первичной Земли в период её роста или позже.

Альтернативную гипотезу, что железное ядро возникло ещё в протопланетном облаке, развивали немецкий учёный А. Эйкен (1944), американский учёный Э. Орован и советский учёный А. П. Виноградов (60-70-е гг.).

В 1941 г. Кун и Ритман, основываясь на гипотезе идентичности состава Солнца и Земли и на расчетах фазового перехода в водороде, предположили, что земное ядре состоит из металлического водорода. Эта гипотеза не прошла экспериментальную проверку. Эксперименты по ударному сжатию показали, что плотность металлического водорода примерно на порядок меньше, чем плотность ядра. Однако эта гипотеза позже эта гипотеза была адаптирована для объяснения строения планет гигантов — Юпитера, Сатурна и тп. Сейчас предполагается, что их магнитное поле возникает именно в металлическом водородном ядре.

Кроме того В. Н. Лодочников и У. Рамзей предположили, что нижняя мантия и ядро имеют одинаковый химический состав — на границе ядро-мантия при 1.36 Мбар мантийные силикаты переходят в жидкую металлическую фазу (металлизованное силикатное ядро).

Состав ядра

Состав ядра непосредственно не известен, и может быть предположительно оценён из нескольких источников. Во-первых, видимо, наиболее близкими веществу ядра образцами являются железные метеориты, которые, представляют собой фрагменты ядер астероидов и протопланет. Однако железные метеориты не могут быть полностью эквивалентны веществу земного ядра, так как они образовались в гораздо меньших телах, а значит при других физико-химических параметрах.

С другой стороны из данных гравиметрии известна плотность ядра, и это накладывает на его состав дополнительные ограничения. Так как плотность ядра примерно на 10% меньше, чем плотность сплавов железо-никель, то предполагается, что ядро Земли содержит больше легких элементов, чем железные метеориты.

Наконец состав ядра можно оценить исходя из геохимических соображений. Если мы каким либо рассчитаем первичный состав Земли и вычислим какая доля элементов находится в других геосферах, то тем самым могут быть построены оценки состава ядра. Большую помощь в таких вычислениях оказывают высокотемпературные и высокобарические эксперименты по распределению элементов между расплавленным железом и силикатными фазами.

Химический состав ядра.

Источник Si, wt.% Fe, wt.% Ni, wt.% S, wt.% O, wt% Mn, ppm Cr, ppm Co,ppm P, ppm
Allegre et al., 1995 7.35 79.39 4.87 2.30 4.10 5820 7790 2530 3690
Mc Donough 2003 6.0 85.5 5.20 1.90 0 300 9000 2500 2000

Образование ядра

Время формирования ядра

Образование ядра является одним из ключевых моментов истории Земли. Для определения возраста ядра были использованы следующие соображения:

  • в веществе, из которого образовалась Земля, был изотоп 182Hf, который с периодом полураспада 9 миллионов лет превращается в изотоп 182W. Гафний является литофильным элементом, то есть при разделении первичного вещества Земли на силикатную и металлическую фазы он предпочтительно концентрировался в силикатной фазе, а вольфрам — сидерофильный элемент, и концентрировался в металлической фазе. В металлическом ядре Земли отношение Hf/W близко к нулю, тогда как в силикатной оболочке это отношение около 15.
  • Из анализа не фракционированных хондритов и железных метеоритов известно первичное соотношение изотопов гафния и вольфрама.
  • Если ядро образовалось через время много большее, чем период полураспада 182Hf, то он бы успел почти полностью превратиться в 182W, и изотопный состав вольфрама в силикатной части Земли и её ядре был бы одинаковый, такой же как в хондритах.
  • Если ядро формировалось пока 182Hf ещё не распался, то силикатная оболочка Земли должна содержать некоторый избыток 182W по сравнению с хондритами, что реально и наблюдается.

Основываясь на этой модели можно рассчитать время разделения металлической и силикатной части Земли. Расчёты показали (см. Jacobsen, 2005), что ядро сформировалось за время меньше 30 миллионов лет, с момента образования появления в Солнечной Системе первых твёрдых частиц, CAI.

Аналогичные расчеты можно сделать для металлических метеоритов, которые являются фрагментами ядер мелких планетарных тел. Оказалось, что в них формирования ядра происходило значительно быстрее, за время порядка нескольких миллионов лет.

Теория Сорохтина и Ушакова

Описанная модель не является единственной. Так по модели Сорохтина и Ушакова, изложенной в книге «Развитие Земли» процесс формирования земного ядра растянулся приблизительно на 1,6 млрд лет (от 4 до 2,6 млрд лет назад). По мнению авторов образование ядра происходило в два этапа. Сначала планеты была холодной, и в её глубинах не происходило никаких движений. Затем она прогрелось радиоактивным распадом достаточно для того, чтобы начало плавиться металлическое железо. Оно стало стекаться к центру земли, при этом за счет гравитационной дифференциации выделялось большое количество тепла, и процесс отделения ядра только ускорялся. Этот процесс шел только до некоторой глубины, ниже которой вещество было такое вязкое, что железо погружаться уже не могло. В результате образовался плотный (тяжелый) кольцевой слой расплавленного железа и его окиси. Он располагался над более легким веществом первозданной “сердцевины” Земли.

Затем произошло выдавливание силикатного вещества из центра Земли, причем оно было выдавлено на экваторе и тем самым дало начало асимметрии планеты.

Механизм формирования ядра

Об механизме образования ядра известно очень мало. Согласно различным оценкам формирование ядра происходило при давлениях и температурах близких, тем какие сейчас в верхней и средней мантии, а не в планетозималях и астероидах. Это не значит, что акреция земли происходила из не дифференцированного вещества. Просто при акреции происходила его новая гомогенизация.

Литература

  • Петрографический словарь, В. Рыка, А.Малишевская, М:»Недра», 1989
  • Allegre, C.J., Poirier, J.P., Humler, E. and Hofmann, A.W. (1995). The Chemical-Composition of the Earth. Earth and Planetary Science Letters 134(3-4): 515-526. doi: 10.1016/0012-821X(95)00123-T.
  • Treatise on Geochemistry, 2003, Volume 2 The Mantle and Core:
    • Partition Coefficients at High Pressure and Temperature K. Righter and M. J. Drake
    • Experimental Constraints on Core Composition J. Li
    • Compositional Model for the Earth’s Core W. F. Mc Donough.
  • Jacobsen S.B. (2005). The Hf-W isotopic system and the origin of the Earth and Moon. Annu. Rev. Earth Planet. Sci. 2005. 33:18.1–18.40.

Статьи

  • Geochemical Evidence for Excess Iron in the Mantle Beneath Hawaii Munir Humayun, Liping Qin, Marc D. Norman

Источник: wiki.web.ru