20321 0
Используя тонкое сочетание ускорителей частиц, рентгеновских лучей, высокоинтенсивных лазеров, алмазов и атомов железа, учёные сумели вычислить температуру внутреннего ядра нашей планеты.
Согласно новым подсчётам, она составляет 6000 градусов по Цельсию, что на тысячу градусов выше, чем считалось ранее.
Таким образом, ядро планеты Земля имеет более высокую температуру, чем поверхность Солнца.
Новые данные могут повлечь за собой переосмысление считавшимися непреложными фактов в таких областях знания, как геофизика, сейсмология, геодинамика и других ориентированных на изучение планеты дисциплинах.
Если смотреть с поверхности вглубь, Земля состоит из коры, твёрдой верхней мантии, далее по большей части твёрдой мантии, внешнего ядра из расплавленного железа и никеля и внутреннего ядра из твёрдого железа и никеля. Внешнее ядро находится в жидком состоянии по причине высоких температур, но более высокое давление во внутреннем ядре препятствует расплавлению породы.
Расстояние от поверхности до центра Земли составляет 6371 км. Толщина коры равняется 35 км, мантии 2855 км; на фоне таких расстояний Кольская сверхглубокая скважина глубиной 12 км выглядит сущим пустяком. По существу, о том, что происходит под корой, достоверно нам ничего не известно. Все наши данные основаны на сейсмических волнах землетрясений, отражающихся от различных слоёв Земли, и жалких крох, попадающих на поверхность из глубины, как вулканическая магма.
Естественно, учёные с превеликим удовольствием пробурили бы скважину до самого ядра, но с нынешним уровнем развития технологий осуществление этой задачи не представляется возможным. Уже на двенадцати километрах бурение Кольской скважины пришлось прекратить, так как температура на такой глубине составляет 180 градусов.
На пятнадцати километрах температура прогнозируется на уровне в 300 градусов, и при ней современные буровые установки работать не смогут. И уж тем более сейчас и близко нет технологий, которые дали бы возможность вести бурение в мантии, в диапазоне температур 500-4000 градусов. Не стоит забывать и о практичной стороне дела: за пределами коры нет нефти, так что инвестировать в попытку создания подобных технологий желающих может и не найтись.
Чтобы вычислить температуру во внутреннем ядре, французские исследователи сделали всё возможное для воссоздания сверхвысоких температур и давления ядра в лабораторных условиях. Имитация давления является самой сложной задачей: на такой глубине оно достигает значения 330 гигапаскалей, что в три миллиона раз превышает атмосферное давление.
Чтобы решить её, использовалась ячейка с алмазными наковальнями. Она представляет собой два алмаза конической формы, которые воздействуют на материал с двух сторон на площади диаметром менее миллиметра; таким образом, на образец железа оказывалось давление в 200 гигапаскалей. Затем железо нагревалось при помощи лазера, подвергалось дифракционному анализу рентгеновскими лучами для наблюдения перехода от твёрдого к жидкому состоянию при таких кондициях. Наконец, учёные внесли поправки в полученные результаты для давления в 330 гигапаскалей, получив температуру покрытия внутреннего ядра 5957 плюс-минус 500 градусов. Внутри самого ядра она, по всей видимости, ещё выше.
Почему же переосмысление температуры ядра планеты имеет большое значение?
Магнитное поле Земли генерируется именно ядром и влияет на множество событий, происходящих на поверхности планеты - например, удерживает атмосферу на месте. Знание, что температура ядра на тысячу градусов выше, чем считалось ранее, пока не даёт никаких практических областей применения, но может пригодиться в будущем. Новое значение температуры будет использоваться в новых сейсмологических и геофизических моделях, которые в будущем вполне могут привести к серьезным научным открытиям. По большому же счёту, более полная и точная картина окружающего мира ценна для учёных сама по себе.
Почему земное ядро не остывает и остается разогретым до температуры приблизительно 6000°C на протяжении уже 4,5 млрд лет? Вопрос крайне сложный, на который к тому же наука не может дать на 100% точный вразумительный ответ. Однако на это есть объективные причины.
Излишняя таинственность
Излишняя, так сказать, таинственность земного ядра связана с двумя факторами. Во-первых, никто достоверно не знает как, когда и при каких обстоятельствах оно сформировалось, - происходило это во время формирования протоземли либо уже на ранних стадиях существования сформированной планеты - все это большая загадка. Во-вторых, образцы из земного ядра достать абсолютно невозможно - наверняка никто не знает из чего оно состоит. Более того, все данные, которые нам известны о ядре собраны по косвенным методам и моделям.
Почему ядро Земли остается горячим?
Чтобы попытаться понять почему земное ядро не остывает на протяжении столь длительного времени нужно для начала разобраться за счет чего оно нагрелось изначально. Недра нашей как и любой другой планеты неоднородны, они представляют собой относительно четко разграниченные слои разной плотности. Но так было не всегда: тяжелые элементы медленно опускались вниз, формируя внутренне и внешнее ядро, легкие - вытеснялись на верх, образуя мантию и земную кору. Этот процесс протекает предельно медленно и сопровождается выделением тепла. Однако основной причиной нагрева было не это. Вся масса Земли с огромной силой давит на ее центр, продуцируя феноменальное давление в приблизительно 360 ГПа (3,7 млн атмосфер) в результате чего начал происходить распад радиоактивных долгоживущих элементов, содержащихся в железно-кремниево-никелевом ядре, что и сопровождалось колоссальными выбросами тепла.
Дополнительным источником нагрева служит кинетическая энергия, генерируемая в результате трения между различными слоями (каждый слой вращается независимо от другого): внутреннего ядра с внешним и внешнего с мантией.
Недра планеты (пропорции не соблюдены). Трение между собой трех внутренних слоев служит дополнительным источником нагрева.
Исходя из выше изложенного, можно сделать вывод, что Земля и в частности ее недра являются самодостаточной машиной, которая сама себя отапливает. Но вечно так естественно продолжаться не может: запасы радиоактивных элементов внутри ядра медленно исчезают и больше не чему будет поддерживать температуру.
Оно остывает!
Вообще-то процесс остывания уже начался очень давно, но протекает он крайне медленно - по доле градуса в столетие. По приблизительным подсчетам до полного остывания ядра и прекращения в нем химических и др. реакций пройдет не меньше 1 миллиарда лет.
Короткий ответ: Земля и в частности земное ядро - это самодостаточная машина, которая сама себя отапливает. Вся масса планеты давит на ее центр, продуцируя феноменальное давление и запуская тем самым процесс распада радиоактивных элементов, в результате чего и выделяется тепло.
Люди заполнили Землю. Мы завоевывали земли, летали по воздуху, ныряли в глубины океана. Мы даже побывали на Луне. Но мы никогда не были в ядре планеты. Мы даже и близко к нему не подобрались. Центральная точка Земли находится в 6000 километрах внизу, и даже самая дальняя часть ядра находится в 3000 километрах под нашими ногами. Самая глубокая дыра, которую мы сделали на поверхности - это , да и то она уходит вглубь земли на жалкие 12,3 километра.
Все известные события на Земле происходят близко к поверхности. Лава, которая извергается из вулканов, сначала плавится на глубине нескольких сотен километров. Даже бриллианты, которым необходимо чрезвычайное тепло и давление для образования, рождаются в породах на глубине не более 500 километров.
Все, что ниже, окутано тайной. Кажется недостижимым. И все же мы знаем довольно много интересного о нашем ядре. У нас даже есть некоторое представление о том, как оно сформировалось миллиарды лет назад - и все без единого физического образца. Как же нам удалось узнать так много о ядре Земли?
Для начала нужно хорошо подумать о массе Земли, говорит Саймон Редферн из Кембриджского университета в Великобритании. Мы можем оценить массу Земли, наблюдая за эффектом гравитации планеты, который она оказывает на объекты на поверхности. Выяснилось, что масса Земли составляет 5,9 секстиллиона тонн: это 59 с двадцатью нулями.
Но на поверхности нет признаков такой массы.
«Плотность материала на поверхности Земли намного ниже, чем средняя плотность всей Земли, что говорит нам о том, что есть что-то более плотное, - говорит Редферн. - Это первое».
По существу, большая часть земной массы должна быть расположена по направлению к центру планеты. Следующим шагом будет выяснить, из каких тяжелых материалов состоит ядро. И оно состоит почти полностью из железа. 80% ядра - это железо, однако точную цифру еще придется выяснить.
Главным доказательством этого является огромное количество железа во Вселенной вокруг нас. Это один из десяти самых распространенных элементов в нашей галактике, который также часто встречается в метеоритах. При всем этом на поверхности Земли намного меньше железа, чем можно было бы ожидать. Согласно теории, когда Земли образовалась 4,5 миллиарда лет назад, много железа утекло вниз к ядру.
Там сосредоточена большая часть массы, а значит, и железо должно там быть. Железо также относительно плотный элемент при нормальных условиях, а под сильным давлением в ядре Земли оно будет еще плотнее. Железное ядро могло бы объяснить всю недостающую массу.
Но погодите. Как железо вообще там оказалось? Железо должно было каким-то образом притянуться - в буквальном смысле - к центру Земли. Но сейчас этого не происходит.
Большая часть остальной Земли состоит из горных пород - силикатов - и расплавленное железо с трудом через них проходит. Подобно тому, как вода на жирной поверхности образует капли, железо собирается в небольших резервуарах, отказываясь растекаться и разливаться.
Возможное решение было обнаружено в 2013 году Венди Мао из Стэнфордского университета и ее коллегами. Они задались вопросом, что происходит, когда железо и силикат подвергаются сильному давлению глубоко в земле.
Плотно сжимая оба вещества при помощи алмазов, ученым удалось протолкнуть расплавленное железо через силикат. «Это давление существенно изменяет свойства взаимодействия железа с силикатами, - говорит Мао. - При высоком давлении образуется «сеть плавления».
Это может говорить о том, что железо постепенно проскальзывало через породы Земли в течение миллионов лет, пока не достигло ядра.
В этот момент вы можете спросить: откуда мы, собственно, знаем размер ядра? Почему ученые считают, что оно начинается в 3000 километрах? Ответ один: сейсмология.
Когда происходит землетрясение, оно посылает ударные волны по всей планете. Сейсмологи записывают эти колебания. Будто бы мы бьем по одной стороне планеты гигантским молотом и прислушиваемся к шуму на другой стороне.
«В 1960-х годах произошло землетрясение в Чили, которое дало нам огромное количество данных, - говорит Редферн. - Все сейсмические станции по всей Земле записывали толчки этого землетрясения».
В зависимости от маршрута этих колебаний, они проходят через разные участки Земли, и это влияет на то, какой «звук» они издают на другом конце.
В начале истории сейсмологии стало очевидно, что некоторые колебания пропали без вести. Эти «S-волны» ожидали увидеть на другом конце Земли после происхождения на одном, но не увидели. Причина этому простая. S-волны реверберируют через твердый материал и не могут проходить через жидкость.
Должно быть, они столкнулись с чем-то расплавленным в центре Земли. Составив карту путей S-волн, ученые пришли к выводу, что на глубине примерно 3000 километров породы становятся жидкими. Это также говорит о том, что все ядро расплавленное. Но у сейсмологов был и другой сюрприз в этой истории.
В 1930-х годах датский сейсмолог Инге Леман обнаружила, что другой тип волн, P-волны, неожиданно прошли через ядро и были обнаружены на другом конце планеты. Сразу последовало предположение, что ядро разделено на два слоя. «Внутреннее» ядро, которое начинается в 5000 километрах внизу, были твердым. Расплавлено только «внешнее» ядро.
Идея Леман была подтверждена в 1970 году, когда более чувствительные сейсмографы показали, что P-волны действительно проходят через ядро и, в некоторых случаях, отражаются от него под некоторыми углами. Неудивительно, что в конце концов они оказываются на другой стороне планеты.
Ударные волны через Землю отправляют не только землетрясения. На самом деле, сейсмологи многим обязаны развитию ядерного оружия.
Ядерный взрыв тоже создает волны на земле, поэтому государства обращаются за помощью к сейсмологам во время испытания ядерного оружия. Во время холодной войны это было чрезвычайно важно, поэтому сейсмологи вроде Леман получили большую поддержку.
Конкурирующие страны узнавали о ядерном потенциале друг друга и параллельно с этим мы узнавали все больше и больше о ядре Земли. Сейсмология до сих пор используется для обнаружения ядерных взрывов сегодня.
Теперь мы можем нарисовать примерную картину строения Земли. Есть расплавленное внешнее ядро, которое начинается примерно на полпути к центру планеты, а внутри него расположено твердое внутреннее ядро с диаметром примерно 1220 километров.
Вопросов от этого не становится меньше, особенно на тему внутреннего ядра. К примеру, насколько оно горячее? Выяснить это оказалось не так-то просто, и ученые долгое время ломали голову, говорит Лидунка Вокадло из Университетского колледжа Лондона в Великобритании. Мы не можем засунуть туда термометр, поэтому единственный возможный вариант - это создать нужное давление в лабораторных условиях.
При обычных условиях железо плавится при температуре 1538 градусов
В 2013 году группа французских ученых произвели лучшую оценку на сегодняшний день. Они подвергли чистое железо давлению в половину того, что имеется в ядре, и отталкивались уже от этого. плавления чистого железа в ядре составляет примерно 6230 градусов. Присутствие других материалов может немного снизить точку плавления, до 6000 градусов. Но это все равно горячее, чем на поверхности Солнца.
Будучи своего рода поджаренной картошкой в мундире, ядро Земли остается горячим, благодаря теплу, оставшемуся от образования планеты. Оно также извлекает тепло из трения, возникающего по мере движения плотных материалов, а также распада радиоактивных элементов. Остывает оно примерно на 100 градусов по Цельсию каждый миллиард лет.
Знать эту температуру полезно, поскольку она влияет на скорость прохождения колебаний через ядро. И это удобно, потому что в этих вибрациях есть что-то странное. P-волны проходят неожиданно медленно через внутреннее ядро - медленнее, чем если бы оно состояло из чистого железа.
«Скорости волн, которые сейсмологи измерили в землетрясениях, значительно ниже, чем показывает эксперимент или компьютерный расчет, - говорит Вокадло. - Никто пока не знает, почему так».
Очевидно, к железу примешивается другой материал. Возможно, никель. Но ученые посчитали, как сейсмические волны должны проходить через железо-никелевый сплав, и не смогли подогнать расчеты под наблюдения.
Вокадло и ее коллеги в настоящее время рассматривают возможность присутствия в ядре других элементов, например, серы и кремния. Пока никто не смог придумать теорию состава внутреннего ядра, которая удовлетворила бы всех. Проблема Золушки: туфелька никому не подходит. Вокадло пытается экспериментировать с материалами внутреннего ядра на компьютере. Она надеется найти комбинацию материалов, температур и давления, которые будут замедлять сейсмические волны на правильную величину.
Она говорит, что секрет может скрываться в том факте, что внутреннее ядро находится почти в точке плавления. В результате этого точные свойства материала могут отличаться от тех, что принадлежали бы совершенно твердому веществу. Также это могло бы объяснить, почему сейсмические волны проходят медленнее, чем ожидалось.
«Если этот эффект реален, мы могли бы примирить результаты минеральной физики с результатами сейсмологии, - говорит Вокадло. - Люди пока не могут этого сделать».
Существует еще много загадок, связаных с ядром Земли, которые еще предстоит решить. Но не имея возможности погрузиться на эти невообразимые глубины, ученые совершают подвиг, выясняя, что находится в тысячах километров под нами. Скрытые процессы недр Земли чрезвычайно важно изучать. У Земли есть мощное магнитное поле, которое генерируется благодаря частично расплавленному ядру. Постоянное движение расплавленного ядра порождает электрический ток внутри планеты, и он, в свою очередь, генерирует магнитное поле, которое уходит далеко в космос.
Это магнитное поле защищает нас от вредного солнечного излучения. Не будь ядро Земли таким, каким оно является, не было бы магнитного поля, а мы бы серьезно от этого страдали. Вряд ли кто-нибудь из нас сможет увидеть ядро своими глазами, но хорошо просто знать, что оно там есть.
Земное ядро включает в себя два слоя с пограничной зоной между ними: внешняя жидкая оболочка ядра достигает толщины в 2266 километров, под ней расположено массивное плотное ядро, диаметр которого по подсчетам достигает 1300 км. Переходная зона имеет неоднородную толщину и постепенно затвердевает, переходя во внутреннее ядро. На поверхности верхнего слоя температура находится в районе 5960 градусов по Цельсию, хотя эти данные считаются приблизительными.
Примерный состав внешнего ядра и методы его определения
О составе даже внешнего слоя земного ядра до сих пор известно очень мало, так как ни представляется возможным добыть образцы для изучения. Основные элементы, из которых может состоять внешнее ядро нашей планеты, - железо и никель. К такой гипотезе ученые пришли в результате анализа состава метеоритов, поскольку скитальцы из космоса представляют собой обломки ядер астероидов и других планет.
Тем не менее метеориты нельзя считать абсолютно точно совпадающими по химическому составу, так как исходные космические тела были намного меньше Земли по размеру. После долгих исследований ученые пришли к выводу, что жидкая часть ядерного вещества сильно разбавлена другими элементами, в том числе серой. Это объясняет ее более низкую плотность, чем у железоникелевых сплавов.
Что происходит на внешней части ядра планеты?
Внешняя поверхность ядра на границе с мантией неоднородна. Ученые предполагают, что она имеет разную толщину, образуя своеобразный внутренний рельеф. Это объясняется постоянным смешиванием разнородных глубинных веществ. Они различны по химическому составу, а также имеют разную плотность, поэтому толщина границы между ядром и мантией может варьироваться от 150 до 350 км.
Фантасты прежних лет в своих произведениях описывали путешествие к центру Земли через глубокие пещеры и подземные переходы. Возможно ли это на самом деле? Увы, давление на поверхности ядра превышает 113 миллионов атмосфер. Это значит, что любая пещера наглухо «захлопнулась» бы еще на этапе приближения к мантии. Это объясняет, почему на нашей планете нет пещер глубже хотя бы 1 км.
Как изучают внешний слой ядра?
О том, как выглядит и из чего состоит ядро, ученые могут судить, отслеживая сейсмоактивность. Так, к примеру, было выяснено, что внешний и внутренний слой вращаются в разных направлениях под действием магнитного поля. Ядро Земли таит еще десятки неразгаданных тайн и ждет новых фундаментальных открытий.
