Содержание
Как пролететь до центра Земли за 38 минут
22868
Добавить в закладки
Студент университета Макгилла (Канада) Александр Клотц (Alexander
Klotz) уточнил вычислил время падения тела до центра Земли в
сквозном туннеле. Обычно в этой классической задаче плотность
Земли принимают однородной, а Клотц взял реальную плотность,
которая меняется от поверхности к ядру, и вместо обычных 42 минут
получил 38 минут. Решение задачи студент опубликовал в
журнале the American Journal of Physics, а ее
популярное изложение приводит Science.
Представим себе туннель, прорытый сквозь Землю, через ее центр.
Мы стоим на поверхности Земли у края туннеля и бросаем туда тело.
Оно свободно падает вниз. Вопрос: сколько времени займет полет
тела до центра Земли? Такую задачу обычно студенты решают на
экзаменах. Решение требует знания законов Ньютона и колебательных
уравнений.
В процессе решения нужно вычислить, как изменяется
сила гравитации (и ускорение свободного падения) для объекта,
который падает через тоннель.
В самом простом случае Землю рассматривают как бильярдный шар,
имеющий однородную плотность, примерно 5500 кг/м3. В этом случае
по мере приближения тела к центру Земли изменяется и сила
гравитации, которая на него действует. Это происходит потому, что
количество массы Земли ниже и выше положения тела в туннеле
различаются. Здесь используют теорему Ньютона об отсутствии
гравитации внутри, получившую название от того, что в центре
планеты гравитация будет нулевая. Пролетев центр Земли, тело
падает дальше — к другой стороне туннеля, и, достигнув его
противоположного конца, падает обратно. Так оно совершает
колебания по туннелю, как маятник.
Александр Клотц сделал простую вещь — он взял реальную плотность
планеты, которая, вообще говоря, не одинакова в разных ее частях
и слоях. Земная кора и мантия — менее плотные, чем ядро.
Реальное
распределение массы он взял из Preliminary
Reference Earth model, построенной на сейсмических данных.
Эта модель дает у поверхности Земли плотность менее 1000 кг/м3 и
примерно 13000 кг/м3 — в центре ядра. Расстояние от
поверхности до центра Земли равно 6371 км. Приняв эти условия,
Клотц вычислил, что тело будет падать по туннелю до центра Земли
38 минут 11 секунд. Для сравнения, время падения в задаче с
Землей однородной плотности составляет 42 минуты 12 секунд.
гравитация
плотность земли
ускорение свободного падения
Информация предоставлена Информационным агентством «Научная Россия». Свидетельство о регистрации СМИ: ИА № ФС77-62580, выдано
Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций 31 июля 2015 года.
НАУКА ДЕТЯМ
Ученые упростили использование углеродных нанотрубок в полимерных нанокомпозитах
12:00 / Химия
Современный подход к экономическому образованию.
Высшей школе экономики 30 лет
10:30 / Наука и общество, Образование, Экономика
27 ноября родился Андерс Цельсий
10:00 / Астрономия, Персона
День рождения академика Владимира Хавинсона
09:55 / Биология, Здравоохранение, Медицина
Алгоритм ученых Пермского Политеха повысит надежность управления авиадвигателем
14:00 / Инженерия
Академик-секретарь отделения энергетики, машиностроения, механики и процессов управления Владислав Хомич
13:00 / Инженерия, Наука и общество, Новые технологии, Персона
Новая модель позволит предсказать вымирание видов при глобальном потеплении
12:00 / Биология, Климат, Экология
26 ноября ― Всемирный день информации
10:00 / Информационные технологии, Наука и общество
Ученые Петербургского Политеха первыми в мире обнаружили новый эффект в стеклах
16:00 / Физика
Сессия КПП ОИЯИ впервые прошла на африканском континенте
15:00 / Наука и общество, Физика
Памяти великого ученого.
Наука в глобальном мире. «Очевиднное — невероятное» эфир 10.05.2008
04.03.2019
Памяти великого ученого. Нанотехнологии. «Очевидное — невероятное» эфир 3.08.2002
04.03.2019
Вспоминая Сергея Петровича Капицу
14.02.2017
Смотреть все
Ядро Земли расстояние до ядра Земли и его температура
В строении
каждой планеты предусмотрено ядро. В большинстве случаев оно многослойное. Это
своеобразный фундамент для шарообразного небесного тела. Вещества, находящиеся
в составе ядра, обладают необычными свойствами. К примеру, железо, которое
находится на огромнейшей глубине в центральной части планеты, может
преобразовываться в кристаллы либо находиться в жидком состоянии.
Что такое ядро Земли
Это наиболее глубоко расположенная центральная часть земного шара находящаяся под мантией нашей планеты состоящая в основном из железного и никелевого сплава. При этом оно состоит из двух слоев.
Процедура изучения свойств и состав ядра — задача не из легких, так как оно находится на глубине в 2900 км.
Опускаясь в недра планеты, с каждым километром увеличивается температура, из-за чего электронные приборы и техническое оборудование выходят из строя.
Пройдя сквозь литосферу, следует преодолеть слой раскаленной мантии. Самое глубокое бурление к центру нашей планеты было создано на Кольском полуострове еще в 1991 году. Глубина этой скважины составляет 12 262 метров, а температура здесь превышает 200°С. В 2000 году был разработан проект зонда, с помощью которого можно было бы изучить недра Земли. Но для создания этого прибора необходимо взорвать несколько ядерных бомб, после чего залить туда большое количество жидкого металла. Кроме этого, в основе зонда должен быть материал, способный выдержать температуру в +2000°-+3000°С.
Все
известные параметры центральной части Земли были получены в результате
наблюдений за изменениями сейсмической волны. Также ученые следят за магнитным
полем, что позволяет исследовать вращение ядра.
Состав и структура
Несмотря на
сложности при исследовании центральной части нашей планеты, ученым удалось
выяснить физические параметры “сердца” земного шара.
Основным материалом,
который образует центральный участок нашей планеты, является железо в жидком и
кристаллообразном виде. Ученые полагают, что в составе центра нашего небесного
тела находиться также никель.
Радиус
Средняя окружность сферы ядра составляет 3500 км. Радиус внутренней твердой части равна 1300 км. Толщина верхнего жидкого слоя не превышает 2200 км.
Расстояние до ядра Земли
Достичь наиболее глубокий центральный участок небесного тела еще никому не удавалось. Лавы, извергающихся вулканов, плавятся на глубине 220-300 км, образование драгоценных пород (бриллиантов) происходит не ниже 500 км. Все, что находится глубже — это тайна. Однако, ученые нашли способ ответить на вопрос “Сколько километров до ядра Земли” с помощью сейсмологии.
Во время
землетрясений образуются мощные ударные волны по всей планете. Подобные
колебания должны проходить по всей территории земного шара. Но, если толчки от
землетрясений происходят на одной стороне планеты, то на противоположной —
колебательные волны подавляются.
Исследовав эти данные, ученые пришли к выводу,
что S-волны реверберируют, сталкиваясь с твердым и жидким слоями.
После того,
как специалисты воссоздали карту движений колебательных волн, стало ясно, что
на расстоянии 3000 км находятся жидкие породы.
Масса
Наблюдая за
гравитационным полем нашего небесного тела, ученые пришли к выводу что масса
земного шара составляет 5,9 секстиллионов тонн (5920). Плотность
поверхностного слоя меньше, чем общие средние показатели. Это говорит о том,
что в недрах планеты находятся твердые и плотные породы. Общий вес жидкого слоя
составляет 30% от массы всего шара.
Температура ядра Земли
Известно,
что самая глубокая центральная часть нашей планеты состоит из двух слоев:
внешнего жидкого и внутреннего твердого. При воздействии давления 3,3 млн
атмосфер, температура между ними колеблется в пределах +6000°-+6500°С. Это
горячее, чем на Солнце. Внешнее ядро горячее и не остывает, так как от него исходят мощные
потоки магмы, которые растекаются в стороны, приближаясь к поверхности мантии.
При трении между внешним слоем и центром Земли, температура повышается. Ввиду
этих процессов, “сердце” нашей планеты не остывает. Земля не успевает охлаждаться, ее
внутренний твердый слой образовывается из охлажденных, кристаллизованных
остатков железа. Ученые предполагают, что со временем, весь центральный участок
может стать твердым и это станет началом конца.
Магнитное поле
Известно,
что надежной защитой от радиационного воздействия Солнца является магнитное
поле. Оно генерируется благодаря жидкому слою железа и никеля. Кроме этого,
внешний слой “подогревает” мантию на столько сильно, что потоки магмы
извергаются вулканами. Активная магнитосфера стала залогом зарождения жизни на
земном шаре, в отличие от других небесных тел.
Ядро Земли намного горячее, чем считалось ранее — горячее, чем поверхность Солнца
- Себастьян Энтони, 26 апреля 2013 г., 12:20
Этот сайт может получать партнерские комиссионные от ссылок на этой странице.
Условия эксплуатации.
Используя восхитительную комбинацию ускорителей частиц, рентгеновских лучей, высокоинтенсивных лазеров, алмазов и атомов железа, ученые выяснили, что внутреннее ядро Земли на самом деле имеет температуру 6000 градусов по Цельсию, что примерно на 1000 градусов горячее, чем предыдущая научная оценка. . Это означает, что ядро нашей Земли на самом деле горячее, чем поверхность Солнца. Эти новые данные могут иметь последствия в области геофизики, сейсмологии, геодинамики и других научных дисциплин, связанных с Землей.
Снаружи внутрь Земля состоит из коры (все они стоят), верхней мантии (твердой), мантии (в основном твердой), внешнего ядра (расплавленного железоникеля) и внутреннего ядра ( твердый железо-никель). Внешнее ядро расплавлено из-за очень высоких температур, но повышенное давление в центре Земли означает, что внутреннее ядро остается твердым. Расстояние до центра Земли составляет 6371 км (3958 миль), толщина земной коры 35 км (21 миля), толщина мантии 2855 км (1774 мили).
Сверхглубокая скважина глубиной всего 12 км. По правде говоря, у нас почти нет прямых сведений о чем-либо под земной корой — все наши данные получены из сейсмических волн землетрясений, отражающихся от различных слоев, и из различных частей земных недр, всплывающих на поверхность, таких как вулканическая магма.
Хотя мы хотели бы докопаться до керна и провести точные измерения, это просто невозможно с нашей современной технологией бурения — и, вероятно, никогда не будет. Бурение Кольской сверхглубокой скважины пришлось остановить на глубине 12 километров, потому что температура уже достигла 180 градусов по Цельсию (356 градусов по Фаренгейту), и ожидалось, что она достигнет 300 градусов на целевой глубине 15 километров, после чего буровое долото перестанет работать. Нет технологий бурения, которые хотя бы приблизились к выживанию в мантии, которая колеблется от 500С до 4000С (плюс, за корой нефти нет, так что нужен для разработки такой технологии…)
Чтобы определить температуру внутреннего ядра, французские исследователи, по сути, сделали все возможное, чтобы воссоздать сверхвысокую температуру и давление ядра… оборудованная лаборатория.
Самое сложное — воссоздать интенсивное давление внутреннего ядра, которое оценивается в 330 гигапаскалей (ГПа) — более чем в три миллиона раз превышает нормальное атмосферное давление. Для этого они используют ячейку с алмазной наковальней — по сути, тиски с алмазным наконечником (на фото ниже) — чтобы раздавить крошечный образец железа под давлением 200 гигапаскалей. Затем железо нагревают лазером, а затем подвергают рентгеноструктурному анализу, чтобы увидеть, как железо переходит из твердого состояния в жидкое в этих экстремальных условиях. Наконец, ученые экстраполируют свои данные с 200 ГПа на 330 ГПа, что дает окончательную оценку 6230 ± 500 Кельвинов (5957 ± 500C, 10755 ± 932F) на внутренней границе ядра. Температура в самом ядре внутреннего ядра — центре Земли — вероятно, еще выше.
Почему важна пересмотренная температура ядра Земли? Что ж, простой ответ заключается в том, что магнитное поле Земли создается ядром, и на многое из того, что происходит здесь, на поверхности Земли, влияет магнитное поле — во-первых, оно предотвращает сдувание нашей атмосферы Солнечный ветер.
Выявление того, что внутреннее ядро Земли на самом деле на 1000 градусов горячее, чем ожидалось, не будет иметь немедленных последствий, но именно так идет наука. Обновленная температура будет введена в компьютерные модели сейсмологов и геофизиков, и кто знает: может быть, это в конечном итоге приведет к какому-то прорыву в планетарной науке. В общем, чем лучше мы понимаем окружающий мир, тем лучше будет наша жизнь.
Теперь прочтите: QuakeFinder: стало ли наконец предсказание землетрясений реальностью?
Исследовательская статья: DOI: 10.1126/science.1233514 – «Плавление железа на границе внутреннего ядра Земли на основе быстрой дифракции рентгеновских лучей»
[Изображение предоставлено Википедией, Стив Якобсен]
Отмечен в
Этот сайт может получать партнерские комиссионные от ссылок на этой странице. Условия эксплуатации.
Информационный бюллетень ExtremeTech
Подпишитесь сегодня, чтобы получать последние новости ExtremeTech прямо на ваш почтовый ящик.
Этот информационный бюллетень может содержать рекламу, предложения или партнерские ссылки. Подписка на рассылку означает ваше согласие с нашими
Условия использования и
Политика конфиденциальности. Вы можете отказаться от подписки на информационный бюллетень в любое время.
Еще статьи
| СПЕКУЛЯТИВНАЯ НАУКА Какова самая глубокая точка проникновения человека под земную поверхность, и какую долю она составляет от расстояния до ядра? Тони Стерн, Лондон W2
| ||||||||||||||||||||||||||||
Под корой находится более пластичная астеносфера, которая, если бы вышележащая порода внезапно высвободилась, расплавилась бы и изверглась. В действительности температура земной коры (я думаю, что в основании континентальной коры около 1500 градусов по Цельсию, а криволинейная зависимость между температурой и глубиной проходит почти прямо через кору, так что на глубине 8 км можно ожидать, что температура горных пород будет намного выше 300 градусов по Цельсию) и длина буровой шахты означает, что вы не сможете приблизиться к астеносфере. Я смутно припоминаю, что в начале прошлого века кто-то пытался проникнуть в земную кору, чтобы изучить мантию, и что ему это не удалось по вышеуказанной причине, но я не могу вспомнить ни его имени, ни того, как далеко он продвинулся. Я предполагаю, что самые глубокие раскопки сегодня — это алмазные рудники, такие как Кимберли в Южной Африке.
Земля не сферическая, и наилучшим приближением является эллипс, вращающийся вокруг своей малой оси, поэтому расстояние до центра Земли зависит от широты. Экваториальный радиус Земли составляет 6 378 км; предполагая, что это достаточно точно для западных глубинных уровней, глубина составляет немногим более 0,05% расстояния до центра Земли, хотя следует сделать поправку на широту. Глубина до ядра, в отличие от центра земли, составляет примерно 2,898 км, поэтому глубина шахты чуть превышает 0,1% от этой цифры.
Цель этого проекта состояла в том, чтобы определить природу разрыва Мохоровичича, который является границей между земной корой и земной мантией, поверх которой он плавает.
Каждый раз, когда сверло извлекалось на
На это ушло с 1970 по 1984 год.