|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Чтобы рассчитать, каких значений достигает давление внутри Земли, вызванное весом горных пород, слагающих различные оболочки, нужно знать плотность пород на всех глубинах и величину силы тяжести также на всех глубинах вплоть до центра. Как мы видели, плотность пород с глубиною растет, хотя и неравномерно. От 2,5 на поверхности она доходит до 3,4 на глубине около 100 км и до 6,0 на уровне 2900 км ниже поверхности. Здесь, на границе ядра, в величине плотности наблюдается скачок: она сразу достигает значения 9,5 (приблизительно), а далее снова растет равномерно, доходя в центре ядра до 12,5 (по М. С. Молоденскому, 1955) (см. рис. 8).
Рис. 8. Изменение плотности внутри Земли.
Что касается силы тяжести, то о ней можно сказать следующее. Сила тяжести — сила, с которой Земля притягивает к себе все тела. Под влиянием этой силы тела, находящиеся в свободном состоянии (например, в воздухе), падают на Землю, т. е. движутся по направлению к центру Земли, постепенно убыстряясь, т. е. получая «ускорение». Величину «ускорения силы тяжести» можно вычислить. На поверхности Земли ускорение силы тяжести равно приблизительно 9,8 м/сек2; в глубине Земли оно сначала немного возрастает, достигая максимума близ поверхности ядра, а затем быстро падает, доходя в центре Земли до нуля (рис. 9). Это понятно: точка, находящаяся в центре земного шара, притягивается всеми окружающими ее частями, с одинаковой силой по всем радиусам, а в итоге равнодействующая будет равна нулю. Рис. 9. Изменение ускорения силы тяжести внутри Земли.
Обладая указанными сведениями, мы можем вычислить вес столбика пород с поперечным сечением, равным 1 кв.
Рис. 10. Изменения давления внутри Земли.
Перейдем к температуре. По данным измерений в буровых скважинах, а также в шахтах, выяснено, что с глубиной температура растет, поднимаясь приблизительно на 3° на протяжении каждых 100 метров. Подобный темп роста температуры сохраняется всюду, на всех материках, но лишь в наружных частях Земли, близ самой ее поверхности. С глубиной величина «геотермического градиента» (геотермический градиент — изменение температуры в градусах на каждый сантиметр) падает. Вычисления, основанные на учете теплопроводности горных пород, показывают, что геотермический градиент, известный для наружных частей земного шара, сохраняется не далее, чем на протяжении первых 20 км; ниже рост температуры заметно замедляется. У подошвы сиалической оболочки вряд ли температура будет выше 900°; на глубине 100 км — около 1500°; дальше рост ее еще более замедляется. Что касается центральных частей Земли, в частности ядра, то с достоверностью о них оказать что-либо очень трудно. Специалисты, изучавшие этот вопрос, полагают, что недра Земли нагреты не выше, чем на 2–3 тысячи градусов (рис. 11).
Рис. 11. Изменение температуры внутри Земли.
Может быть, интересно для сравнения напомнить, что в центре Солнца температура оценивается в 1 миллион градусов, на поверхности Солнца — около 6000°. Волосок горящей электрической лампочки накален до 3000°. Интересные данные имеются по вопросу об источниках тепла и тепловом режиме земного шара. Когда-то считалось, что Земля сохраняет в себе «первозданное» тепло, оставленное ей «в наследство» Солнцем, и постепенно теряет его, остывая и сокращаясь в объеме. Открытие радиоактивных элементов изменило прежние представления. Оказалось, что породы, слагающие земную кору, содержат радиоактивные элементы, которые самопроизвольно и непрерывно выделяют тепло. Количество этого тепла оценивается приблизительно в 6 миллионных долей малой калории на 1 кубический сантиметр породы в год, а для того, чтобы покрыть весь расход тепла, излучаемого земной поверхностью в мировое пространство, нужно, чтобы такой же элементарный кубик породы выделял всего лишь три десятимиллионные части малой калории в год. Другими словами, нет никаких оснований полагать, что земной шар остывает. Скорее, наоборот, он может разогреваться. На этом основании в последние годы предложены новые гипотезы развития земной коры и происхождения движений, испытываемых ею. Учитывая наличие высокой температуры в недрах Земли, мы вправе поставить такой вопрос: в каком же физическом («агрегатном») состоянии находятся внутренние части Земли? В твердом или жидком, или, быть может, газообразном? Последняя версия, т. е. представление о газообразном состоянии вещества внутри Земли, может быть сразу отклонена. Чтобы превратить в газ минералы, слагающие Землю, нужна гораздо более высокая температура, чем та, которая допустима, судя по изложенным выше данным. Но в жидком состоянии породы могут оказаться. Известно, например, что «кислые» породы плавятся при 1000°, «основные» — при 1000–1200°, «ультраосновные» — при 1300–1400°. Это значит, что уже на глубине 100–130 км породы должны бы расплавиться. Но там очень высокое давление, а давление повышает температуру плавления. Чье же влияние окажется бóльшим: высокой температуры или высокого давления? Здесь нужно снова обратиться к помощи сейсмических наблюдений. Продольные и поперечные волны свободно проходят через все оболочки Земли, заключенные между поверхностью Земли и границей ядра; следовательно, всюду здесь вещество ведет себя, как твердое. С таким выводом согласуется заключение астрономов и геофизиков, которые показали, что твердость Земли в целом близка к твердости стали. По вычислениям В. Ф. Бончковского, твердость Земли оценивается в 12 · 1011 дин на квадратный сантиметр, что в четыре раза больше твердости гранита. Таким образом, совокупность современных данных говорит о том, что все оболочки Земли (кроме ее ядра!) должны считаться находящимися в твердом состоянии. Жидкое состояние материи можно допустить лишь для совершенно незначительных участков в толще земной коры, с которыми непосредственно связаны вулканы.
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Главная | В избранное | Наш E-MAIL | Добавить материал | Нашёл ошибку | Вверх Источник: www.nnre.ru
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 Кольская сверхглубокая скважина в России, 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.
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 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. Температура 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.
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.
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. Источник: Hi-News.ru Ядро планеты Земли. В центре планеты Земля находиться ядро, оно отделено от поверхности слоями коры, магмы, и довольно тонким слоем наполовину газообразного вещества, наполовину жидкого. Этот слой играет роль смазки и позволяет ядру планеты вращаться практически независимо от основной её массы.
Зоны ядерных реакций синтеза и распада. Зона ядра Земли — реакции ядерного распада. Зона ядра Земли — реакции ядерного синтеза. Магнитное поле ядра планеты. Вращение ядра планеты. Угловая скорость вращения ядра планеты больше угловой скорости ращения самой планеты, и опережает её. Баланс процессов ядерного распада и синтеза в ядре планеты. В наш исторический период. Источник: terran-ru.livejournal.com В марте 1997 года под конец рабочего дня пятницы инженеру NASA Кену Лабелу (Ken LaBel) позвонили из группы, занимающейся космическим телескопом «Хаббл». Возникла проблема с только что установленным на него оборудованием.
Для группы, которая создавала эти инструменты, на кону стояли несколько лет работы. «Беда была в том, что проблема могла оказаться гибельной для этих устройств; они просто вышли бы из строя», — рассказывает Лабел. О других планетах Солнечной системы нам известно больше, чем о центре Земли. Из космоса наша планета может казаться безмятежным голубым шариком, и только вулканы и землетрясения напоминают людям о том, что под земной корой протекают турбулентные процессы колоссальной разрушительной силы. И этот скрытый мир сильнейшим образом влияет на нашу жизнь. Ученых давно волнуют загадки земного ядра, но его изучение сталкивается с одним очевидным и, по-видимому, непреодолимым препятствием; прямые его наблюдения невозможны. Огромная температура и давление не оставляют исследователям ни единого шанса на то, чтобы посмотреть на него вблизи (см. врезку «Сможем ли мы когда-нибудь добраться до земного ядра?»).
Сейсмические волны, порождаемые землетрясениями, бывают двух типов: поверхностные волны, бегущие вокруг планеты по ее коре, и объемные, проходящие прямо через центр Земли и выходящие на противоположную сторону. Именно объемные волны наиболее интересны тем, кто пытается изучать ядро Земли, и они тоже бывают разных видов. Первичные, или P-волны, распространяются быстро, сжимая и растягивая частицы горных пород в направлении своего движения. Медленнее движущиеся вторичные S-волны сдвигают частицы пород перпендикулярно направлению своего распространения.
Одно из наиболее загадочных для современной геофизики открытий состоит в том, что скорость объемных волн зависит от их направления. Как это ни странно, но с севера на юг они распространяются быстрее, чем с запада на восток. Если говорить еще точнее, измерения показывают, что скорость сейсмических волн в направлении от полюса к полюсу на 3% выше, чем поперек экватора. Профессор Ки Хироси из Токийского технологического института (Япония) считает, что раз путешествие к центру Земли никак невозможно, то единственное и лучшее, что нам остается, — это попробовать выстроить его модель в более удобных для изучения условиях. Условно говоря, создать образ ядра прямо в научном институте. «Нам, конечно, не побывать в ядре Земли, но мы можем воспроизвести соответствующие условия в лаборатории, — говорит Хироси. — Поскольку в этом тоже есть что-то от путешествия к центру Земли, я бы хотел быть первопроходцем и постараться первым туда попасть».
«Это было весьма непросто. Я бы назвал это сумасшедшей затеей, но она того стоила», — говорит Хироси. Он проводил свой эксперимент на синхротроне SPring-8 в японской префектуре Хиого, где имеется современное рентгеновское оборудование, позволяющее наблюдать любые изменения в кристаллической структуре металла.
Для воссоздания температуры ядра использовался лазер, нагревавший металл. Чтобы получить условия, аналогичные состоянию в ядре Земли, потребовалось больше 10 лет. Рассказывает Хироси: «Повышение температуры оказалось особенно сложным делом. Мы долго готовим образец, но самый интересный момент длится всего несколько минут». В 11 тыс. км от Хироси другой ученый, профессор Дэн Лэтроп (Dan Lathrop), работает в своей лаборатории в Мэрилендском университете (США) над созданием модели земного ядра — хоть и не в натуральную величину, но внушительной трехметровой высоты и весом в 22 тонны. Он намерен использовать ее для изучения того, как ядро влияет на земное магнитное поле.
Исследователи связывают возникновение магнитного поля с миллионами тонн жидкого металла во внешнем ядре, движущимися над внутренним ядром и создающими динамо-эффект. Но порождаемое ими магнитное поле далеко не простое. «Люди думают, что магнитное поле — это просто север и юг, — говорит Лэтроп. — В действительности все очень запутанно. Имеется общая крупномасштабная структура. Но на нее наложены пятна слабого и сильного поля. И всё это сложным образом движется вокруг планеты, становясь в одних местах слабее, в других сильнее».
«Изменения, которые мы видим в земном магнитном поле, указывают на бурную, турбулентную погоду внутри ядра, — рассказывает Лэтроп. — Когда я говорю об этом, то имею в виду более быстрые изменения, чем те, что обычно испытывает Земля». Команда «Хаббла» обнаружила, что всплески тока появляются в космосе над зоной, известной как Южно-Атлантическая аномалия. Она очень важна и хорошо известна всем, кто занимается космическими исследованиями. Эта область на высоте примерно 500 км простирается от берегов Южной Африки до дальней части Южной Америки. Ее сравнивают с Бермудским треугольником из-за некоторых странных явлений, но в отличие от последнего картина событий здесь не вызывает сомнений.
Несколько спутников, пролетавших через аномалию, вышли из строя. Здесь нарушалась работа компьютеров космических челноков. Самое странное, что астронавты, пролетая через эту зону, сообщали, что видят падающие звезды даже с закрытыми глазами.
Наблюдения установили, что магнитное поле в зоне Южно-Атлантической аномалии значительно слабее, чем в любом другом районе планеты. Это создает угрозу для электроники космических аппаратов, поскольку ослабленное поле позволяет разрушительным излучениям глубже проникать в земную атмосферу. На пути спутников оказывается больше субатомных частиц (протонов).
Лабел решил выяснить, насколько электроника «Хаббла» чувствительна к этим протонам, и обнаружил, что проблема связана с оптроном телескопа — устройством, которое должно предотвращать сильные или быстрые перепады напряжения между различными частями электронных цепей. «Данные указывали на то, что этот элемент чрезвычайно чувствителен к протонам, возможно, даже в большей степени, чем мы ожидали», — рассказывает Лабел. Разобравшись в причинах сложившейся ситуации, специалисты NASA решили перед входом «Хаббла» в аномалию отключать несколько высоковольтных инструментов.
Актуален вопрос: не разовьется ли данная локальная переполюсовка в глобальную, при которой северный и южный магнитный полюсы поменяются местами. В прошлом это случалось неоднократно, причем последний раз около 800 тыс. лет назад. Некоторые ученые, как и Лэтроп, полагают, что этот процесс уже начался, но твердо в этом никто не уверен. Другая неопределенность связана с тем, как эта переполюсовка отразится на нас, ведь прошлую никто из людей не застал. Ясно, однако, что если магнитосфера изменится, то и спутники, и электронное оборудование здесь на Земле непременно это ощутят. Источник: galspace.spb.ru Все статьи о космосе:You May Also Like
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||
