Из чего состоит ядро планеты: Внутреннее ядро Земли действительно твердое, хотя и немного пластичное • Владислав Стрекопытов • Новости науки на «Элементах» • Геофизика

Внутреннее ядро Земли действительно твердое, хотя и немного пластичное • Владислав Стрекопытов • Новости науки на «Элементах» • Геофизика

То, что ядро Земли состоит из двух слоев, вещество которых по-разному пропускает сейсмические волны, известно давно. Но если по поводу жидкой природы внешнего ядра сомнений не было, то по поводу состояния внутреннего ядра ученые-геофизики спорят уже более 80 лет. Наконец получены убедительные доказательства того, что внутреннее ядро твердое. Но не совсем: оно обладает определенными признаками пластичности.

Несмотря на технический прогресс, в обозримом будущем люди вряд ли смогут физически проникнуть в мантию Земли, а уж тем более — в ее ядро: пока удалось углубиться лишь на 12 километров в земную кору (см. Кольская сверхглубокая скважина) и этот рекорд еще долго не будет побит. Но знания о том, что представляют собой внутренние оболочки планеты, чрезвычайно важны для понимания физических процессов, определяющих развитие Земли. Для изучения глубоких недр используют геофизические методы, в первую очередь — сейсмические. Именно использование сейсмических методов, основанных на изучении скорости распространения объемных сейсмических волн в толще Земли, позволило ученым провести границы между зонами внутренних неоднородностей в теле планеты и определить, что земная толща подразделяется на верхнюю мантию, нижнюю мантию, внешнее ядро и внутреннее ядро (рис. 1).

Объемные сейсмические волны, используемые в геофизических наблюдениях, делятся на продольные P-волны, в которых упругие механические колебания совершаются вдоль направления распространения, и поперечные S-волны, в которых колебания перпендикулярны направлению распространения. Первичным источником сейсмических волн для глубинных исследований обычно служат природные землетрясения, а для фиксации отклика прошедших сквозь недра Земли волн используют сейсмографы. Любой сейсмический импульс «запускает» одновременно оба типа волн — и продольные, и сдвиговые, которые по-разному преломляются (или отражаются) на границах сред с разной плотностью. Если Р-волны проходят через любые материалы, то S-волны, которые еще называют сдвиговыми волнами (так как они являются деформациями сдвига), распространяются только в твердых телах, поскольку модуль сдвига в жидкостях и газах равен нулю.

Предположение о том, что ядро Земли неоднородно, а состоит из двух оболочек — внешней расплавленной и внутренней твердой — было высказано еще в 1936 году датским геофизиком Инге Леманн на основе анализа прохождения сквозь тело Земли сейсмических волн от крупного землетрясения в южной части Тихого океана. Последующие исследования подтвердили, что на глубине около 5100 км от поверхности Земли находится четкая граница, фиксирующаяся по преломлению и отражению продольных сейсмических волн, — она и считается разделом между внешним и внутренним ядром. Верхняя граница внешнего ядра находится на глубине около 2900 км от поверхности.

Тот факт, что сдвиговые волны практически не распространяются во внешнем ядре, свидетельствует о том, что вещество этой оболочки находится в жидком состоянии. Что касается, внутреннего ядра, то неоднозначность интерпретации сейсмических данных, связанных с ним, долгие годы служила поводом для дискуссии о том, твердое оно или нет. С одной стороны, характер преломления и отражения продольных волн от его поверхности говорили в пользу предположения о твердом внутреннем ядре. Да и при тех давлениях, которые существуют на этих глубинах (около 3,8 млн бар), вряд ли можно представить себе другое состояние вещества. Но для однозначного подтверждения этой версии нужно было зафиксировать распространение в нем сдвиговых волн, что было сделать весьма проблематично, так как волны этого типа практически не проходят через окружающую внутреннее ядро жидкую оболочку внешнего ядра.

Волнам от конкретного сейсмического импульса, прошедшим сквозь различные оболочки и зафиксированным сейсмографами на выходе, присваивается определенный код, указывающий на то, какой тип волн преобладал при прохождении через ту или иную оболочку. Например, если и в мантии, и во внешнем ядре больше проявлены продольные колебания, а во внутреннем ядре колебания не фиксируются вообще, такой волне присваивается код PKIKP. Таким образом, для доказательства того, что внутреннее ядро является твердым, необходимо было уверенно зафиксировать волны типа PKJKP (рис. 2).

Ученые-геофизики из Австралийского национального университета (ANU) Хрвое Ткальчич (Hrvoje Tkalčić) и Тхань Сон Фам (Thanh-Son Pham) применили особый прием для обнаружения сверхслабых PKJKP-волн — так называемый метод корреляционных волновых полей, в основе которого лежит принцип сопоставления сигналов, поступающих на пары сейсмографов. При этом анализируются не сами поступающие сигналы, а сходство между сигналами от одного и того же сейсмического события. Сейсмограммы, полученные на различных сейсмографах, сравнивались попарно, а затем с помощью специальной программы строились так называемые глобальные коррелограммы (изображения волновых полей), покрывающие всю поверхность Земли (рис. 3).

Еще одна особенность примененного авторами подхода заключалась в преднамеренном игнорировании сильных волновых сигналов, которые обычно и являются главным предметом изучения. Понимая, что PKJKP-волны можно обнаружить только в области слабых сигналов, авторы отбрасывали первые три часа сейсмограмм, рассматривая только интервал от 3 до 10 часов после землетрясения.

Главной характеристикой сдвиговых волн, позволяющей делать вывод о состоянии среды, в которой они распространяются, является их скорость (Vs). Полученные авторами значения скоростей J-волн во внутреннем ядре (3,42 км/с на границе и 3,58 км/с в центре) подтверждают, что внутренне ядро Земли действительно твердое, но при этом не такое твердое, как считалось ранее. Полученные значения на 2,5% ниже, чем предполагается в принятой на сегодняшний день Предварительной Эталонной модели Земли (Preliminary Reference Earth Model, PREM), построенной на основе анализа собственных колебаний Земли (подробнее о собственных колебаниях планет читайте в материале Планеты на ленте сейсмометра). Это значит, что внутреннее ядро не абсолютно твердое, а обладает определенной пластичностью, как некоторые металлы — например, золото или платина. Хотя пониженные значения скоростей J-волн можно объяснить и другой причиной — наличием во внутреннем ядре небольшого количества расплава, заключенного в пространстве между кристаллами твердого вещества.

Полученные значения Vs позволяют делать определенные выводы и относительно состава внутреннего ядра. В частности, если бы внутренне ядро состояло из чистого железа или сплавов на его основе, скорости Vs были бы значительно выше тех, которые удалось зафиксировать. Наилучшим образом таким скоростям соответствует сплав железа, кремния и углерода.

Авторы считают, что, хотя до полного понимания состава внутреннего ядра и состояния вещества в нем еще очень далеко, если планомерно продолжать изучать параметры J-волн, можно будет не только ответить на эти вопросы, но и лучше понять, как наша планета сформировалась и как она эволюционировала.

Источник: Hrvoje Tkalčić, Thanh-Son Phạm. Shear properties of Earth’s inner core constrained by a detection of J waves in global correlation wavefield // Science. 2018. DOI: 10.1126/science.aau7649.

Владислав Стрекопытов

Ядро Земли: характеристики, происхождение и состав

Ядро — последнее из слои Земли. Он также известен под названием эндосфера и представляет собой горячую массу, расположенную в самом центре внутренней части планеты. В его составе мы можем видеть как твердое ядро, которое находится внутри, так и внешнее ядро, которое является жидким. Из-за конвекционных токов, которые возникают из-за разницы в плотности материалов в ядро земли то Магнитное поле Земли.

В этой статье мы увидим полный анализ ядра Земли и его важности.

Индекс

  • 1 Происхождение и формирование
  • 2 Состав ядра Земли
  • 3 Características principales
  • 4 Основные слои
    • 4.1 Внешнее ядро
    • 4.2 Внутреннее ядро

Происхождение и формирование

Ядро возникло после планеты. Когда Земля сформировалась около 4.500 миллиарда лет назадЭто был просто однородный шар из раскаленного камня. Мало-помалу он страдал от радиоактивного разложения, и из-за тепла, выделявшегося при образовании планеты, она еще больше нагрелась до точки плавления железа. Этот момент, когда Земля достигла таких температур, был назван железной катастрофой. Расплавленный материал, который был в скале, и весь скальный материал имел большее движение и большую скорость. В результате движения менее плотных материалов, таких как вода, воздух и силикаты, они стали мантией Земли.

Напротив, более плотные и тяжелые материалы, такие как железо, никель и другие тяжелые металлы были способны притягивать гравитационное притяжение Земли к центру. Таким образом образовалось то, что мы знаем как первое примитивное земное ядро. Этот процесс известен как планетарная дифференциация, и именно здесь мы начинаем видеть, что Земля состоит из разных слоев с разными характеристиками и составом.

Состав ядра Земли

Как известно, земная кора и мантия богата минералами. Тем не мение, ядро Земли состоит в основном из железа и никеля. Мы также находим вещества, растворяющиеся в железе, называемые сидерофилами. Эти элементы совсем не распространены в коре и поэтому были названы драгоценными металлами. В этих драгоценных металлах мы находим кобальт, золото и платину.

Еще один ключевой элемент, обнаруженный в ядре, — сера. 90% всей серы на Земле находится в ядре. Ядро, как известно, самая горячая часть всей планеты. Внутренние структуры нагреваются по мере увеличения глубины. Тем не мение, учитывая более чем 6.000 километров, которые отделяют нас от поверхности Земли до ядра Земли, довольно сложно узнать при температуре, при которой находится этот расплавленный железо-никелевый центр. Температуры не всегда одинаковы. Они колеблются в зависимости от давления, вращения Земли и состава элементов, составляющих ядро.

Поскольку конвекционные токи заставляют материалы перемещаться, некоторые материалы попадают в ядро ​​«новыми», а другие уходят снова и больше не расплавляются. Это происходит из-за близости или удаленности материалов от центра и их очень высокой температуры плавления.

Исследования обычно говорят, что температура ядра Земли Температура колеблется от 4000 до 6000 градусов Цельсия.

Características principales

Среди его характеристик мы видим, что материалы, которые способствуют выделению тепла в активной зоне, — это разложение радиоактивных материалов. При разрушении радиоактивные материалы выделяют большое количество энергии. Эта энергия превращается в тепло при высвобождении. Остатки тепла от образования планеты все еще согревают ядро. Другим источником тепла является тепло, которое выделяется в жидкое внешнее ядро ​​и затвердевает на пределе, когда сталкивается с внутренним ядром. Помните, что внешнее ядро ​​нашей планеты жидкое, а внутреннее твердое.

Каждый раз, когда мы спускаемся на 1 км от поверхности земли, температура повышается еще примерно на 25 градусов. Это означает, что геотермальный градиент составляет примерно 25 градусов. Предел, отделяющий внутреннее ядро ​​от внешнего, известен как разрыв Буллена. Самая удаленная часть ядра находится примерно на 3.000 км под нашими ногами. Но хуже всего то, что центральная точка ядра Земли находится на глубине около 6.000 км.

Чтобы дать вам представление о том, как мало мы пронзили нашу планету, это Самая глубокая дыра прошла всего 12,3 км. Как будто от яблока мы только копошились (и то не то).

Основные слои

Давайте подробнее рассмотрим основные слои.

Внешнее ядро

Его толщина составляет около 2.200 км, и он состоит из железа и никеля в жидком состоянии. Его температура составляет около 5000 градусов по Цельсию. Жидкий металл в этом слое имеет очень низкую вязкость, поэтому он легко деформируется и поддается ковке. В этом случае возникают довольно сильные конвекционные потоки, которые вызывают формирование магнитного поля Земли.

Самая горячая часть внешнего ядра находится в разрыве Буллена.

Внутреннее ядро

Это очень горячий и плотный шар, состоящий в основном из железа. Температура достигает около 5200 градусов по Цельсию. Здесь давление составляет почти 3,6 миллиона атмосфер.

Температура внутреннего ядра намного выше точки плавления железа. Однако он находится в твердом состоянии. Это потому, что, в отличие от внешнего ядра, атмосферное давление намного выше, и это не позволяет ему плавиться.

Благодаря этой информации они смогут больше узнать о ядре Земли и его характеристиках.

Из чего состоит ядро ​​Земли?

НАУКА — Земля и космос

Задумывались ли вы когда-нибудь…

  • Из чего состоит ядро ​​Земли?
  • Насколько горячо ядро ​​Земли?
  • Насколько толстое ядро ​​Земли?
Метки:

См. все метки

  • сплав,

    • ядро

  • ,
  • корка,
  • земля,
  • геология,

    • золото

  • ,

    • железо

  • ,
  • жидкость,
  • магма,
  • магнитный,
  • мантия,
  • металл,
  • никель,
  • платина,
  • давление,
  • наука,
  • твердый,
  • уран

Сегодняшнее чудо дня было вдохновлено Виктором из AL. Виктор Уондерс , « каковы физические и химические свойства мантии? ” Спасибо, что ДУМАЕТЕ вместе с нами, Виктор!

Что у тебя под ногами? В зависимости от того, где вы сейчас стоите, это может быть грязь, камень или трава. Но что на самом деле у вас под ногами? Если бы вы копали прямо вниз, что бы вы нашли? И как далеко вы могли копать? Могли бы вы действительно вырыть дыру в Китай?

Ученые, изучающие Землю и ее состав, скажут вам, что Земля состоит из трех основных слоев. Мы, люди, живем на твердом внешнем слое, называемом земной корой.

Под земной корой находится мантия, состоящая из горячей магмы и других полутвердых горных пород и минералов. Тектоническая активность в мантии часто приводит к заметным изменениям в земной коре, на которой мы живем, включая извержения вулканов и землетрясения.

Под мантией вы найдете ядро. Ядро Земли — самый глубокий и горячий слой, и само оно состоит из двух слоев: внешнего ядра, граничащего с мантией, и внутреннего ядра, представляющего собой шарообразный слой, почти полностью состоящий из металла.

Внешнее ядро ​​имеет толщину около 1400 миль и состоит в основном из комбинации (так называемого сплава) железа и никеля, а также небольшого количества других плотных элементов, таких как золото, платина и уран. Эти металлы, конечно, можно найти на поверхности Земли в твердом виде. Во внешнем ядре они находятся в очень горячей жидкой форме. Как жарко? Попробуйте между 7000-9000º F!

Внутреннее ядро ​​толщиной около 750 миль состоит в основном из железа. В отличие от внешнего ядра, внутреннее ядро ​​в основном твердое. Хотя железо во внутреннем ядре еще более горячее (10 000º F или более — такое же горячее, как поверхность Солнца!), чем внешнее ядро, интенсивное давление со стороны остальной части планеты настолько велико, что железо не может расплавиться.

Миллиарды лет назад, когда сформировалась Земля, все самые тяжелые вещества опустились к центру развивающейся планеты. Более легкие и менее плотные вещества оставались ближе к земной коре. Вот почему внутреннее ядро ​​состоит из одних из самых тяжелых материалов на Земле.

С гигантским шаром из твердого металла в качестве ядра вся Земля является магнитной. Ученые считают, что мощное магнитное поле Земли контролируется жидким внешним ядром. Магнитное поле Земли защищает нас от всех видов заряженных частиц, летающих по Солнечной системе, включая многие вредные солнечные лучи.

Хотя это трудно представить. ученые считают, что металлы в ядре Земли находятся в постоянном движении. Некоторые ученые даже считают, что внутреннее ядро ​​Земли вращается быстрее, чем остальная часть планеты. Движение внутри жидкого внешнего ядра Земли иногда изменяет положение магнитных Северного и Южного полюсов Земли.

Интересно, что дальше?

Если вы планируете посетить Вандерополис завтра, вы можете подождать, пока не стемнеет!

Попробуйте

Готовы копнуть глубже? Попробуйте вместе с другом или членом семьи заняться следующими видами деятельности:

  • Из чего, по мнению других людей, состоит ядро ​​Земли? Проведите опрос десяти одноклассников, друзей, соседей или членов семьи. Спросите каждого из них, из чего, по их мнению, состоит ядро ​​Земли и почему. Когда они ответят, поделитесь с ними тем, что вы узнали из сегодняшнего чуда дня. Сколько из них были правильными?
  • Хотите узнать больше о слоях Земли? Как насчет того, чтобы узнать о них больше, а также выучить новую рэп-песню? Слушайте Layers of the Earth Rap и подпевайте, пока учитесь!
  • Готовы принять вызов? Напишите небольшой рассказ о своем путешествии к центру Земли. Использовать ваше воображение! Вы можете быть шахтером, который копает годами, пока не достигнете ядра Земли. Или, возможно, вы спелеолог, который исследует пещеры и натыкается на портал, ведущий прямо в центр Земли. Небо это предел! Или ядро ​​Земли является пределом? Вам решать! Поделитесь своей захватывающей историей с другом или членом семьи.

Получил?

Проверьте свои знания

Wonder Contributors

Благодарим:

hashim
за ответы на вопросы по сегодняшней теме Wonder!

Удивляйтесь вместе с нами!

Что вас интересует?

Чудесные слова

  • твердый
  • корка
  • ядро ​​
  • железо
  • плотный
  • толстый
  • жидкость
  • мантия
  • никель
  • магма
  • прежде всего
  • самый глубокий

    • сплав

  • композиция
  • тектонический
  • заметный
  • гигантский
  • уран

Примите участие в конкурсе Wonder Word

Оцените это чудо
Поделись этим чудом

×

ПОЛУЧАЙТЕ СВОЕ ЧУДО ЕЖЕДНЕВНО

Подпишитесь на Wonderopolis и получайте
Wonder of the Day® по электронной почте или SMS

Присоединяйтесь к Buzz

Не пропустите наши специальные предложения, подарки и рекламные акции. Узнай первым!

Поделитесь со всем миром

Расскажите всем о Вандерополисе и его чудесах.

Поделиться Wonderopolis
Wonderopolis Widget

Хотите делиться информацией о Wonderopolis® каждый день? Хотите добавить немного чуда на свой сайт? Помогите распространить чудо семейного обучения вместе.

Добавить виджет

Ты понял!

Продолжить

Не совсем!

Попробуйте еще раз

Ядро Земли находится в странном суперионном состоянии: «совершенно ненормальное»

Технология и наука

Автор
Орландо Дженкинсон

Технологии и наука
Земля
Землетрясение
Геология
Магнитное поле Земли

Внутреннее ядро ​​Земли, вероятно, представляет собой странную смесь перегретых элементов, делающих его одновременно жидким и твердым, как показало исследование.

Когда-то считалось, что экстремальные температуры и давления в центре Земли накапливаются в твердом внутреннем ядре, состоящем в основном из железа. Это ядро ​​дает планете магнитное поле, которое защищает нас от солнечной радиации.

Однако исследование, опубликованное учеными из Института геохимии Китайской академии наук (IGCAS) в журнале Nature , показало, что различные «более легкие» элементы, вероятно, присутствовали в центре Земли в виде перегретого твердого вещества. и жидкие состояния, известные как «сверхионные».

Материалы, найденные во внутреннем ядре Земли, ведут себя таким образом из-за экстремальных условий там. Включая огромное давление, температура в центре Земли, как полагают, превышает 10 000 градусов по Фаренгейту — так же жарко, как на поверхности Солнца.

Исследователи использовали данные о землетрясениях, известную как сейсмология, чтобы прийти к своим выводам. Ученые также использовали теорию квантовой механики, которая помогает объяснить, как атомы и частицы ведут себя на микроскопическом уровне, для создания симуляций, имитирующих сильное давление и температуру во внутреннем ядре. Их моделирование показало, как некоторые сплавы переходят в суперионное состояние при помещении в условия, характерные для внутреннего ядра Земли.

Результаты добавлены к статье, опубликованной в Физика Земли и планетарных недр в декабре 2021 года, в котором также использовались данные о землетрясениях, чтобы предположить, что внутреннее ядро, вероятно, состоит из элементов в нескольких различных состояниях, включая «мягкий» материал.

Последние открытия могут повлиять на наше понимание процессов, связанных с ядром Земли. К ним относятся вулканизм, землетрясения и магнитное поле Земли: «Это довольно ненормально», — сказал Хэ Юй в своем заявлении.

Он сказал Newsweek : «Наш результат показывает, что [во] внутреннем ядре Земли некоторые легкие элементы, такие как углерод, водород и кислород, ведут себя как жидкости и свободно диффундируют в решетке твердого железа. Это говорит о том, что внутреннее ядро ​​не является нормальным твердые, а состоят из твердой железной подрешетки и жидкоподобных легких элементов».

В документе было обнаружено, что перегретые твердые тела, находящиеся во внутреннем ядре, создают сильные конвекционные потоки, придавая плавучесть более легким элементам. Они, в свою очередь, плавают вокруг и создают конвекционные токи внешнего ядра, которые приводят в движение жидкий металл, находящийся там, и объединяются с внутренним ядром, создавая магнитное поле Земли.

Полученные данные проливают свет на то, почему ученые обнаружили изменения, происходящие в центре Земли в последние десятилетия.

«Очень интересно, что и внутренняя структура ядра, и геомагнитное поле показали заметные изменения за последние несколько десятилетий», — сказал он. «В этом случае структура ядра может меняться в зависимости от геомагнитного поля. Мы начали соответствующее моделирование. Надеюсь, мы сможем показать наши результаты в ближайшем будущем».

На стоковом изображении показан 3D-рендеринг поперечного сечения Земли, выполненный художником. Внутреннее ядро ​​планеты достигает температуры такой же горячей, как поверхность Солнца, и вызывает ключевые явления, такие как магнитное поле и землетрясения.