Ядро Земли

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
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 твердого 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 361 ГПа (3,7 млн атм). Масса ядра — 1,932·1024 кг.

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

История изучения[править | править вики-текст]

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.

Существование было доказано в 1897 году немецким сейсмологом Э. Вихертом, а глубина залегания (2900 км) определена в 1910 году американским геофизиком Б. Гутенбергом.

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-е70-е годы).

В 1941 году Кун и Ритман, основываясь на гипотезе идентичности состава Солнца и Земли и на расчетах фазового перехода в водороде, предположили, что земное ядро состоит из металлического водорода.[4][5] 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 ученые 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[источник не указан 45 дней] промежуточное состояние водорода, 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 «темный водород». Причем темный водород в отличие от металлического идеально вписывается в модель строения планет-гигантов[значимость факта?], 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.[6]

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).[источник не указан 986 дней]

В 2015 году стало известно, что в жидкой части ядра есть третий слой. Анализ сейсмических волн позволил группе геологов под руководством профессора Сяодуна Суна (Professor Xiaodong Song) из университета Иллинойса (University of Illinois) сделать вывод, что ядро у Земли не двухслойное, а трёхслойное[7][8][9].

Состав ядра[править | править вики-текст]

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, сейсмические исследования дают точный размер ядра[10], а из данных гравиметрии известна плотность ядра, 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[10]. Среди вероятных кандидатов: сера, кислород, кремний, углерод, фосфор, водород[10].

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[11]. Подобное заявление привело к распространению в СМИ громких заметок о якобы открытии у Земли уранового ядра[12].

Магнитное поле Земли[править | править вики-текст]

Магнитное поле Земли создается внутренними структурами планеты. Существует заблуждение, будто бы оно создается ферромагнитными материалами внутреннего ядра (наподобие постоянного магнита),[13] 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.[14][15]

Моделирование структуры ядра Земли[править | править вики-текст]

Данные многолетних наблюдений гравитационного поля Земли с низкоорбитальных спутников[источник не указан 45 дней], кватернионное исчисление

рассматривает как совместное притя­жение нескольких сотен точечных масс разного «веса», расположен­ных около центра Земли в определённом порядке. Практическая цель наблюдений, - точное моделирование реального поля тяготения Земли на трассе полёта ракеты и ориентация в пространстве как ступени разведения так и собственно боеголовок. Эффективность модели позволила перейти с созданию маневрирующих боевых частей стратегических ракет.

См. также[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

  1. Д. Ю. Пущаровский, Ю. М. Пущаровский (МГУ), Состав и строение мантии Земли // Соросовский образовательный журнал № 11 1998
  2. (April 26, 2013) «Melting of Iron at Earth’s Inner Core Boundary Based on Fast X-ray Diffraction». Science Magazine 340 (6131): 464-466. DOI:10.1126/science.1233514.
  3. The Earth’s Centre is 1000 Degrees Hotter than Previously Thought // European Synchrotron Radiation Facility, 25-04-2013;
    краткий перевод — Физики уточнили температуру земного ядра // 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. 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.»
  5. 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 0016-7835
  6. Иван Ортега, Тёмный водород объяснил загадки гигантских планет L!FE #НАУКА 28.06.2016 по Optical Properties of Fluid Hydrogen at the Transition to a Conducting State 2016 10.1103/PhysRevLett.116.255501
  7. Ядро Земли оказалось трехслойной "матрешкой", выяснили геологи. РИА Новости - Наука (09.02.2015).
  8. Новости науки. Внутреннее ядро Земли структурировано. Оно содержит в себе еще одно ядро, ВСЕГЕИ (17.02.2015). Проверено 14 мая 2015.
  9. 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)
  10. 1 2 3 Formation of Earth’s Core, 2007
  11. Experimental results suggest that if Earth initially grew by the accumulation of highly chemically reduced material, its core could contain enough uranium to drive the planet's magnetic field throughout Earth's history.
  12. ученые из Оксфордского университета предложили теорию, согласно которой ядро Земли состоит из радиоактивного урана.
  13. http://www.earthlearningidea.com/PDF/147_Core.pdf 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.»
  14. Magnetic Field of the Earth
  15. The geodynamo // EPS 122: lecture 7

Литература[править | править вики-текст]

  • Петрографический словарь, В. Рыка, А.Малишевская, М:"Недра", 1989
  • Allegre, C.J., Poirier, J.P., Humler, E. and 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. — 2009..
  • Heinrich Bahlburg, Christoph Breitkreuz. Grundlagen der Geologie. — Elsevier, 2004..
  • Martin Okrusch, Siegfried Matthes. Mineralogie: Eine Einführung in die spezielle Mineralogie, Petrologie und Lagerstättenkunde. — Springer, 2009..

Ссылки[править | править вики-текст]