Ядро Земли

Перейти к навигацииПерейти к поиску
Модель Земли

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 — 3500 км. Разделяется на твердое внутреннее ядро радиусом около 1300 км и жидкое внешнее ядро толщиной около 2200 км, между которыми иногда выделяется переходная зона[1]. Температура на поверхности твёрдого ядра Земли предположительно достигает 6230±500 K (5960±500 °C)[2][3], в центре ядра плотность может составлять около 12,5 т/м³, давление до 3,7 млн атм (375 ГПа). Масса ядра — 1,932⋅1024 кг.

Известно о ядре очень мало — вся информация получена косвенными геофизическими или геохимическими методами. Образцы вещества ядра пока недоступны.

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[4].

Существование было доказано в 1897 году немецким сейсмологом Э. Вихертом, а глубина залегания (2900 км) определена в британским геофизиком Ричардом Диксоном Олдхэмом на основании материалов Великого ассамского землетрясения 1897 года.

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 Е. Орован и советский учёный А. П. Виноградов (1960-е — 1970-е).

В 1941 году Кун и Ритман, основываясь на гипотезе идентичности состава Солнца и Земли и на расчётах фазового перехода в водороде, предположили, что земное ядро состоит из металлического водорода.[5][6] Эта гипотеза не прошла экспериментальную проверку. Эксперименты по ударному сжатию показали, что плотность металлического водорода примерно на порядок меньше, чем плотность ядра. Однако позже эта гипотеза была адаптирована для объяснения строения планет-гигантов — Юпитера, Сатурна и других. До недавнего времени предполагалось, что магнитное поле таких планет возникает именно в металлическом водородном ядре.

Но в 2016 году учёные из США и Великобритании, создав условия, близкие к ядру при мгновенном сжатии, создающего давление в 1,5 млн атмосфер и высоких температур в несколько тысяч градусов, смогли получить третье промежуточное состояние водорода[7], при котором он имеет свойства и металла, и газа. В этом состоянии он не пропускает видимый свет, в отличие от ИК-излучения, поэтому его назвали «тёмный водород». Причём тёмный водород, в отличие от металлического, идеально вписывается в модель строения планет-гигантов[], в частности объясняет, почему верхние слои газовых гигантов значительно теплее, чем должны быть, перенося энергию от ядра, а поскольку он также обладает электропроводностью, хотя и хуже, чем металлический водород, то он играет ту же роль, что и внешнее ядро на Земле.[8]

Кроме того, В. Н. Лодочников и У. Рамзай 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 (металлизированное силикатное ядро)[9].

В 2015 году стало известно, что в жидкой части ядра есть третий слой. Анализ сейсмических волн позволил группе геологов под руководством профессора Сяодуна Суна (Xiaodong Song) из университета Иллинойса (University of Illinois) сделать вывод, что ядро у Земли не двухслойное, а трёхслойное[10][11][12].

Новое исследование, изначально опубликованное в Physics of the Earth and Planetary Interiors, предполагает, что состояние внутреннего ядра нашей планеты варьируется от твердого до полумягкого и даже жидкого.

«Чем больше мы изучаем [ядро], тем больше понимаем, что это не просто скучный кусок железа, — комментирует исследование Джессика Ирвинг, сейсмолог из Бристольского университета в Англии. — Мы находим совершенно новый скрытый мир».[13]

Состав ядра

О составе ядра существуют лишь косвенные данные, полученные различными путями. По-видимому, из доступных материалов наиболее близки по составу к земному ядру железные метеориты, которые представляют собой фрагменты ядер астероидов и протопланет. Однако железные метеориты не могут дать точное представление о веществе земного ядра, так как они образовались в гораздо меньших телах, а значит, при других физико-химических условиях.

С другой стороны, сейсмические исследования дают точный размер ядра[14], а из данных гравиметрии известна его плотность, и это накладывает на его состав дополнительные ограничения. Так как плотность ядра примерно на 5—10 % меньше, чем плотность сплавов железо-никель, то предполагается, что ядро Земли содержит больше легких элементов, чем железные метеориты[14]. Среди вероятных кандидатов: сера, кислород, кремний, углерод, фосфор, водород[14].

Наконец, состав ядра можно оценить, исходя из геохимических и космохимических 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.

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, Table 2 p 522 7,35 79,39 ± 2 4,87 ± 0,3 2,30 ± 0,2 4,10 ± 0,5 5820 7790 2530 3690
Mc Donough, 2003, Table 4 p 556 6,0 85,5 5,20 1,90 ~0 300 9000 2500 2000

В апреле 2015 года ученые из Оксфордского университета предложили теорию, согласно которой содержание урана в ядре Земли на несколько миллиардных долей выше, чем предполагалось ранее[15]. Подобное заявление привело к распространению в СМИ громких заметок о якобы открытии у Земли уранового ядра[16].

Магнитное поле Земли

Основная статья: Магнитное поле Земли

Магнитное поле Земли создается внутренними структурами планеты. Существует заблуждение, будто бы оно создается ферромагнитными материалами внутреннего ядра (наподобие постоянного магнита)[17], хотя ферромагнитные свойства железа пропадают при температурах выше точки Кюри. Общепринятая гипотеза, объясняющая образование магнитного поля Земли, называется геодинамо. Согласно ей, магнитное поле образуется за счет движения электропроводящей жидкости во внешнем ядре.[18][19]

См. также

Примечания

  1. ↑ Д. Ю. Пущаровский, Ю. М. Пущаровский (МГУ), Состав и строение мантии Земли Архивная копия от 21 января 2022 на Wayback Machine // Соросовский образовательный журнал № 11 1998
  2. ↑ S. Anzellini, A. Dewaele, M. Mezouar, P. Loubeyre, G. Morard. Melting of Iron at Earth’s Inner Core Boundary Based on Fast X-ray Diffraction (англ.) // Science : journal. — 2013. — 26 April (vol. 340, no. 6131). — P. 464—466. — doi:10.1126/science.1233514. Архивировано 4 ноября 2015 года.
  3. ↑ The Earth’s Centre is 1000 Degrees Hotter than Previously Thought Архивная копия от 28 апреля 2013 на Wayback Machine // European Synchrotron Radiation Facility, 25-04-2013;
    краткий перевод — Физики уточнили температуру земного ядра Архивная копия от 28 апреля 2013 на Wayback Machine // Lenta.ru, 26 апреля 2013: «Температура твердого железного ядра Земли, как установили ученые, составляет около 6 тысяч градусов по Цельсию. Это на тысячу градусов выше по сравнению с более ранними оценками.»
  4. ↑ Кавендиш Генри (Henry Cavendish). www.tsput.ru. Дата обращения: 31 июля 2018. Архивировано 1 августа 2018 года.
  5. ↑ Кусков О. Л., Хитаров Н. И. (1982) «Термодинамика и геохимия ядра и мантии Земли. М.: Наука, 1982» стр 127: «В середине XX в. появляются гипотезы о нежелезном составе ядра. У. Кун и А. Ритман [513], основываясь на гипотезе идентичности составов Солнца и Земли и на расчётах фазового перехода в водороде [666], выдвинули предположение о ядре, состоящем из металлического водорода.»
  6. ↑ Kuhn W, Rittmann A. Über den Zustand des Erdinnern und seine Enstehung aus einem homogenen Urzustand — Geologische Rundschau, 1941, vol 32., issue 3, p. 215—256. doi:10.1007/BF01799758, ISSN 00167835
  7. ↑ R. Stewart McWilliams, D. Allen Dalton, Mohammad F. Mahmood, Alexander F. Goncharov. Optical Properties of Fluid Hydrogen at the Transition to a Conducting State // Physical Review Letters. — 2016-06-22. — Т. 116, вып. 25. — С. 255501. — doi:10.1103/PhysRevLett.116.255501.
  8. ↑ Иван Ортега, Тёмный водород объяснил загадки гигантских планет Архивная копия от 30 июня 2016 на Wayback Machine L!FE #НАУКА 28.06.2016 по Optical Properties of Fluid Hydrogen at the Transition to a Conducting State Архивная копия от 29 января 2017 на Wayback Machine 2016. doi:10.1103/PhysRevLett.116.255501
  9. ↑ Е.Н.Люстих, доктор физ.-мат. наук АН СССР. Загадки глубоких недр // http://neotec.ginras.ru/. — 1967. Архивировано 27 января 2018 года.
  10. ↑ Ядро Земли оказалось трёхслойной "матрёшкой", выяснили геологи. РИА Новости - Наука (9 февраля 2015). Дата обращения: 14 мая 2015. Архивировано 29 апреля 2015 года.
  11. ↑ "Новости науки. Внутреннее ядро Земли структурировано. Оно содержит в себе ещё одно ядро". ВСЕГЕИ. 2015-02-17. Архивировано 18 мая 2015. Дата обращения: 14 мая 2015.
  12. ↑ Tao Wang, Xiaodong Song, Han H. Xia. «Equatorial anisotropy in the inner part of Earth’s inner core from autocorrelation of earthquake coda». Nature Geoscience 2015 doi:10.1038/ngeo2354 (09 February 2015)
  13. ↑ Rhett Butler, Seiji Tsuboi. Antipodal seismic reflections upon shear wave velocity structures within Earth's inner core (англ.) // Physics of the Earth and Planetary Interiors. — 2021-12-01. — Vol. 321. — P. 106802. — ISSN 0031-9201. — doi:10.1016/j.pepi.2021.106802. Архивировано 11 ноября 2021 года.
  14. ↑ 1 2 3 Formation of Earth’s Core Архивная копия от 12 октября 2013 на Wayback Machine, 2007
  15. ↑ Carlson R. W. (2015) Planetary science: A new recipe for Earth formation. doi:10.1038/520299a
  16. ↑ ученые из Оксфордского университета предложили теорию, согласно которой ядро Земли состоит из радиоактивного урана. Дата обращения: 14 мая 2015. Архивировано 18 мая 2015 года.
  17. ↑ http://www.earthlearningidea.com/PDF/147_Core.pdf Архивная копия от 24 февраля 2015 на Wayback Machine page 2, «widely-held misconception that one piece of evidence for the core being made of nickel-iron is that they are magnetic materials which cause the Earth’s magnetic field.»
  18. ↑ Magnetic Field of the Earth. Дата обращения: 26 апреля 2013. Архивировано 11 марта 2012 года.
  19. ↑ The geodynamo Архивная копия от 25 ноября 2013 на Wayback Machine // EPS 122: lecture 7

Литература

  • Левин Б. В., Павлов В. П. Ещё раз о смещении внутреннего ядра Земли (комментарий к статье В. А. Антонова, Б. П. Кондратьева «К вопросу о величине смещения внутреннего ядра Земли») // Физика Земли. 2006. № 1. С. 92-93.
  • Рык В., Малишевская А. Петрографический словарь. М: Недра, 1989.
  • Allegre C. J., Poirier J. P., Humler E., 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:
  • Geochemical Evidence for Excess Iron in the Mantle Beneath Hawaii Munir Humayun, Liping Qin, Marc D. Norman
  • Edward J. Tarbuck, Frederick K. Lutgens. Allgemeine Geologie (неопр.). — 2009. — ISBN 978-3-8273-7335-9..
  • Heinrich Bahlburg, Christoph Breitkreuz. Grundlagen der Geologie (неопр.). — Elsevier, 2004. — ISBN 3-8274-1394-X..
  • Martin Okrusch, Siegfried Matthes. Mineralogie: Eine Einführung in die spezielle Mineralogie, Petrologie und Lagerstättenkunde (нем.). — Springer, 2009. — ISBN 978-3-540-78200-1.
  • Л. Юдасин. Ядро Земли // журнал "Наука и жизнь", № 8, 1981 стр.66-71
  • Джинлоз Р. Земное ядро. // В мире науки, 1983, № 11, с. 16-27

Ссылки