Состав ядра земли: Найден «недостающий элемент» ядра Земли

Что происходит в ядре Земли?

Ядро нашей планеты — одна из самых больших загадок современной геологии. Ученые до сих пор не могут получить прямых данных о его составе, поэтому информацию приходится добывать косвенными методами — путем изучения сейсмограмм и близких по составу метеоритов. Тем не менее полученные сведения уже очень ценны: на огромной глубине привычные вещества приобретают невероятные свойства — становятся жидкими, генерируют электрический ток или кристаллизуются. А самое главное — именно ядро защищает жизнь на планете. 

Как изучают глубины?

Когда мы говорим о ядре планеты, в первую очередь возникает вопрос о способах изучения, ведь оно находится примерно в 2,9 тыс. км под землей. Еще не изобрели методов, которые позволили бы непосредственно изучить глубинное строение, — опуститься так глубоко не удалось даже методом бурения. В Кольской скважине глубиной 12 км температура достигает 220° C, а чем ниже — тем горячее. Никакие аппаратура и электроника не способны выдержать такую жару.  

Но как же ученые получили сведения, которыми мы сегодня располагаем? С помощью сейсмографии! Исследователи используют редкие сейсмические волны от землетрясений или ядерных испытаний, которые проникают во внутреннее ядро или отражаются от него. Проходя через недра планеты, колебания преломляются. Изучая эти колебания, ученые могут установить параметры и даже состав ядра. 

Земля в разрезе. 

Источник: Википедия

В начале 1930-х гг. датский сейсмолог Инге Леманн выяснила, что ядро Земли не полностью жидкое, как считалось ранее. Изучая волны давления, она поняла, что у Земли есть твердое внутреннее ядро, пропускающее S-волны, в отличие от внешнего жидкого. 

Исследованиям внутреннего строения Земли на удивление способствовали испытания термоядерных бомб, которые почти одновременно проводились в 1969–1974 гг. на подземных полигонах Советским Союзом на Новой Земле и США на острове Амчитка. Военный сейсмограф LASA в штате Монтана зафиксировал резонанс от взрывов, колебания которых достигли внутреннего ядра Земли и отразились назад. Ученые использовали эти данные для оценки скорости и направления вращения ядра нашей планеты. 

В 1990-х гг. специалисты проанализировали материалы ядерных испытаний и выяснили, что ядро вращается быстрее планеты. Долгое время эти результаты считали основополагающими, пока сотрудники Университета Южной Калифорнии не представили новое исследование. Специалисты под руководством Джона Видале пересмотрели результаты и поняли, что ситуация с вращением намного сложнее: ядро действительно опережает вращение самой планеты, но иногда отстает от него. «Наши последние наблюдения показывают, что внутреннее ядро вращалось немного медленнее с 1969 по 1971 г., а затем двигалось в другом направлении с 1971 по 1974 г.», — утверждает исследователь. 

Иллюстрация неравномерности вращения внутреннего ядра Земли. 

Источник: Naked science / Edward Sotelo / USC

Выяснилось, что помимо скорости внутреннее ядро может менять направление вращения. При этом разные слои ядра вращаются в разные стороны: внешнее жидкое ядро вращается вокруг своей оси с востока на запад, а внутреннее — с запада на восток.

Структура ядра

На сегодня можно выделить следующие физические характеристики ядра: радиус сферы составляет 3,5 тыс. км и делится на твердое внутреннее ядро и жидкое внешнее. Ядро составляет всего 15% объема, а  масса — 30% всей Земли (1,932⋅10²⁴ кг).

Представить состав ядра можно методами изучения близких по составу материалов, например железных метеоритов, представляющих собой фрагменты ядер астероидов. 

Ученым удалось определить, что примерно на 85% ядро состоит из железа, на 10% — из никеля. Состав остальных 5% установить пока не представляется возможным, но исследователи предполагают, что это может быть углерод или кислород.

Внутренне ядро — самый центр Земли диаметром 1,3 тыс. км, размером с Плутон. Это очень плотный и горячий шар, состоящий в основном из железа плотностью 12,8–13 г/см^3. Температура внутреннего ядра достигает 6000° и значительно превышает точку кипения, но из-за высокого атмосферного давления ядро не плавится и остается твердым.  

В 2015 г. группа геологов под руководством профессора Сяодуна Суна из Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне пришла к неожиданному открытию: стало известно, что внутреннее твердое ядро двойное — в нем находится еще одно, в два раза меньше. Исследователи полагают, что состав третьего ядра не железно-никелевый, а какой-то другой. А его кристаллы повернуты не с севера на юг, вдоль магнитного поля Земли, а с запада на восток. 

Уточненное строение Земли: три слоя ядра. 

Источник: РИА Новости / Lachina Publishing Services

Что касается внешнего ядра, оно располагается на глубине 2,3 тыс. км под уровнем моря и имеет толщину 2,2 тыс. км. Внешнее ядро состоит из железа и никеля, как и внутреннее, но в жидком состоянии — давления гравитации недостаточно для затвердевания раскаленного металла. Жидкость находится в постоянном движении и образует магнитное поле, которое защищает планету от космического излучения. 

Магнитное поле Земли

Течение жидкого металла во внешнем ядре порождает хаотические электрические токи, образующие магнитное поле.

Оно появилось одновременно с зарождением нашей планеты и наравне с атмосферой помогло защитить первобытных одноклеточных существ от губительного космического излучения, заряженных частиц открытого космоса и солнечного ветра. 

Магнитное поле Земли. 

Источник: РИА Новости / Depositphotos.com / Andreus

Однако оно не всегда «работало» регулярно, 565 млн лет его напряженность резко понижалась до 10% от современного уровня. Удивительно, но всего за несколько десятков миллионов лет напряженность магнитного поля восстановилась, как раз незадолго до зарождения жизни на планете. Поэтому можно сказать, что нашим существованием мы обязаны в том числе внешнему ядру Земли. 

Фото на странице: 123rf.com

Фото на главной: РИА Новости/ Depositphotos.com/ Shad.off

3.Ядро Земли. Строение и состав, физический свойства.

Ядро́
Земли́ —
центральная, наиболее глубокая часть
планеты Земля, геосфера,
находящаяся под мантией
Земли и,
предположительно, состоящая из железо-
никелевого сплава
с примесью других сидерофильных
элементов.
Глубина залегания — 2900 км. Средний
радиус сферы — 3,5 тыс. км. Разделяется
на твердое внутреннее ядро радиусом
около 1300 км и жидкое внешнее ядро
толщиной около 2200 км, между которыми
иногда выделяется переходная зона.
Температура на поверхности твердого
ядра Земли предположительно достигает
6230±500 K (5960±500°C)^[1][2],
в центре ядра плотность может составлять
около 12,5 т/м³, давление до 361 ГПа (3,7 млн
атм). Масса ядра — 1,932·10²⁴ кг.

Состав
ядра непосредственно неизвестен, 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
каким-либо образом рассчитать первичный
состав Земли и
вычислить, какая доля элементов находится
в других геосферах, то тем самым можно
построить оценки состава ядра. Большую
помощь в таких вычислениях оказывают
высокотемпературные и высокобарические
эксперименты по распределению элементов
между расплавленным железом и
силикатными фазами.

Ядро занимает
16% объема и 31% массы планеты. Температура
в нем достигает 5000⁰С,
давление – 37 х 10¹¹Па,
плотность – 16 г/см³.
Ядро делится на внешнее (до глубины 5100
км) и внутреннее. Внешнее ядро –
расплавленное, состоит из железа или
металлизованных силикатов, внутреннее
– твердое, железоникелевое.
От
плотности вещества зависит масса
небесного тела, масса определяет размеры
Земли и силу тяжести. Наша планета имеет
достаточные размеры и силу тяжести, она
удержала гидросферу и атмосферу. В ядре
Земли происходит металлизация вещества,
обусловливая образование электрических
токов и магнитосферы. 

4.Химический состав земной коры. Весовые кларки наиболее распространенных химических элементов. Причины изменения химического состава земной коры.

Химический
состав земной коры был
определен по результатам анализа
много­численных образцов горных пород
и минералов, выходящих на поверхность
земли при горообразовательных процессах,
а также взятых из горных выработок и
глубоких буровых скважин.

В
настоящее время земная кора изучена на
глубину до 15—20 км. Она состоит из
химических элементов, которые входят
в состав горных пород.

Наибольшее
распространение в земной коре имеют 46
элемен­тов, из них 8 составляют 97,2—98,8
% ее массы, 2 (кислород и кремний) —75 %
массы Земли.

Первые
13 элементов (за исключением титана),
наиболее час­то встречающиеся в земной
коре, входят в состав органического
вещества растений, участвуют во всех
жизненно необходимых процессах и играют
важную роль в плодородии почв. Большое
количество элементов, участвующих в
химических реакциях в нед­рах Земли,
приводит к образованию самых разнообразных
со­единений. Химические элементы,
которых больше всего в лито­сфере,
входят в состав многих минералов (из
них в основном со­стоят разные породы).

Отдельные
химические элементы распределяются в
геосферах следующим образом:
кислород и водород заполняют гидросферу;
кислород, водород и углерод составляют
основу биосферы; кисло­род, водород,
кремний и алюминий являются основными
компо­нентами глин и песчаных пород
или продуктов выветривания (они в
основном составляют верхнюю часть коры
Земли).

Химические
элементы в природе находятся в самых
различных соединениях, называемых
минералами. Это однородные химичес­кие
вещества земной коры, которые образовались
вследствие сложных физико-химических
или биохимических процессов, например
каменная соль (NaCl), гипс (CaS04*2h30), ортоклаз
(K2Al2Si6016).

В
природе химические элементы принимают
неодинаковое участие в образовании
разных минералов.
Например, кремний (Si) входит в состав
более 600 минералов, а также очень
распро­странен в форме окисей. Сера
образует до 600 соединений, каль­ций—300,
магний —200, марганец—150, бор — 80, калий
— до 75, соединений лития известно только
10, а йода — еще меньше.

Среди
наиболее известных минералов в земной
коре преобладает большая группа полевых
шпатов с тремя основными элементами —
К, Na и Са. В почвообразующих породах и
продук­тах их выветривания полевые
шпаты занимают основное положе­ние.
Полевые шпаты постепенно выветриваются
(распадаются) и обогащают почву на К,
Na, Са, Mg, Fe и другие зольные вещест­ва,
а также микроэлементы.

Состав и структура Земли

Ядро, мантия и кора подразделяются по составу. Кора составляет менее 1 процента Земли по массе и состоит из океанической коры, а континентальная кора часто представляет собой более кислую породу. Мантия горячая и составляет около 68 процентов массы Земли. Наконец, ядро ​​в основном состоит из железа. Ядро составляет около 31% Земли. Литосфера и астеносфера — подразделения, основанные на механических свойствах. Литосфера состоит как из коры, так и из части верхней мантии, которая ведет себя как хрупкое твердое тело. Астеносфера представляет собой частично расплавленный материал верхней мантии, который ведет себя пластично и может течь. Эта анимация от Earthquide показывает слои по составу и механическим свойствам.

Кора и литосфера

Внешняя поверхность Земли – ее кора; холодная, тонкая, хрупкая внешняя оболочка из камня. Кора очень тонкая по сравнению с радиусом планеты. Существует два очень разных типа корки, каждый из которых имеет свои отличительные физические и химические свойства. Океаническая кора состоит из магмы, которая извергается на морском дне, образуя потоки базальтовой лавы, или остывает глубже, образуя интрузивные магматические габбро. Морское дно покрыто отложениями, прежде всего илом и панцирями крошечных морских существ. Осадки самые толстые у берега, где они отрываются от континентов реками и ветровыми течениями. Континентальная кора состоит из множества различных типов изверженных, метаморфических и осадочных пород. Средний состав — гранит, который значительно менее плотный, чем основные изверженные породы океанической коры. Поскольку она мощная и имеет относительно низкую плотность, континентальная кора возвышается над мантией выше, чем океаническая кора, которая погружается в мантию, образуя бассейны. Наполненные водой, эти бассейны образуют океаны планеты. Литосфера — это самый внешний механический слой, который ведет себя как хрупкое твердое тело. Литосфера имеет толщину около 100 километров. Определение литосферы основано на том, как ведут себя земные материалы, поэтому оно включает в себя кору и самую верхнюю мантию, которые являются хрупкими. Поскольку она жесткая и хрупкая, при воздействии на литосферу напряжений она разрушается. Это то, что мы переживаем как землетрясение.

Мантия

Две самые важные особенности мантии: (1) она состоит из твердой породы и (2) она горячая. Ученые знают, что мантия состоит из горных пород, основываясь на свидетельствах сейсмических волн, теплового потока и метеоритов. Свойства соответствуют перидотиту ультраосновной породы, который состоит из силикатных минералов, богатых железом и магнием. Перидотит редко встречается на поверхности Земли. Ученые знают, что мантия очень горячая из-за исходящего от нее тепла и из-за ее физических свойств. Внутри Земли тепло течет двумя способами: теплопроводностью и конвекцией. Теплопроводность определяется как передача тепла, которая происходит посредством быстрых столкновений атомов, что может произойти только в том случае, если материал является твердым. Тепло течет от более теплых мест к более холодным, пока все они не станут одинаковой температуры. Мантия горячая в основном из-за тепла, отводимого от ядра. Конвекция — это процесс, при котором материал может двигаться и течь, могут развиваться конвекционные потоки. Конвекция в мантии такая же, как конвекция в кастрюле с водой на плите. Конвекционные потоки внутри мантии Земли формируются по мере того, как материал вблизи ядра нагревается. По мере того как ядро ​​нагревает нижний слой материала мантии, частицы движутся быстрее, уменьшая его плотность и заставляя его подниматься. Поднимающийся материал начинает конвекционный ток. Когда теплый материал достигает поверхности, он распространяется горизонтально. Материал охлаждается, потому что он больше не находится рядом с ядром. В конце концов он становится достаточно прохладным и плотным, чтобы снова погрузиться в мантию. На дне мантии материал перемещается горизонтально и нагревается ядром. Он достигает места, где поднимается теплый материал мантии, и ячейка мантийной конвекции завершается.

Конвекция в мантии такая же, как конвекция в кастрюле с водой на плите. Конвекционные потоки внутри мантии Земли формируются по мере того, как материал вблизи ядра нагревается. По мере того как ядро ​​нагревает нижний слой материала мантии, частицы движутся быстрее, уменьшая его плотность и заставляя его подниматься. Поднимающийся материал начинает конвекционный ток. Когда теплый материал достигает поверхности, он распространяется горизонтально. Материал охлаждается, потому что он больше не находится рядом с ядром. В конце концов он становится достаточно прохладным и плотным, чтобы снова погрузиться в мантию. На дне мантии материал перемещается горизонтально и нагревается ядром. Он достигает места, где поднимается теплый материал мантии, и ячейка мантийной конвекции завершается.

Ядро

В центре планеты находится плотное металлическое ядро. Ученые знают, что ядро ​​состоит из металла по нескольким причинам. Плотность поверхностных слоев Земли намного меньше, чем общая плотность планеты, рассчитанная по вращению планеты. Если поверхностные слои менее плотные, чем в среднем, то внутренние должны быть плотнее, чем в среднем. Расчеты показывают, что сердечник состоит примерно на 85 процентов из металлического железа, а металлический никель составляет большую часть оставшихся 15 процентов. Кроме того, считается, что металлические метеориты представляют собой ядро. Если бы ядро ​​Земли не было металлическим, у планеты не было бы магнитного поля. Такие металлы, как железо, обладают магнитными свойствами, а горные породы, составляющие мантию и кору, — нет. Ученые знают, что внешнее ядро ​​жидкое, а внутреннее твердое, потому что S-волны останавливаются во внутреннем ядре. Сильное магнитное поле вызвано конвекцией в жидком внешнем ядре. Конвекционные потоки во внешнем ядре возникают из-за тепла от еще более горячего внутреннего ядра. Тепло, удерживающее внешнее ядро ​​от затвердевания, образуется в результате распада радиоактивных элементов во внутреннем ядре.

Ядро Земли | SpringerLink