Давление в ядре земли


Давление в ядре земли

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).


Давление в ядре земли

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.

Давление в ядре земли

Рис. 9. Изменение ускорения силы тяжести внутри Земли.

Обладая указанными сведениями, мы можем вычислить вес столбика пород с поперечным сечением, равным 1 кв.
нтиметру, и длиной, равной радиусу Земли или любой его части. Это и будет давление, оказываемое весом вышележащих пород на элементарную площадку (1 кв. см)в глубине Земли. Расчеты приводят к следующим цифрам: у «подошвы» земной коры, т. е. у основания сиалической оболочки (на глубине 50 км) — около 13 тыс. атмосфер, т. е. около 13 тонн на квадратный сантиметр; на границе ядра — около 1,4 миллиона атмосфер; в центре Земли — около 3 млн. атмосфер (рис. 10). Три миллиона атмосфер — это приблизительно три тысячи тонн на квадратный сантиметр. Это — огромная величина. Ни в одной лаборатории достичь таких давлений пока не удалось.

Давление в ядре земли

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).


Давление в ядре земли

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.


Земля

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. 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.

«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.

Источник: Hi-News.ru

Ядро планеты Земли.
(Описание процессов ядерного распада и синтеза в ядре планеты)
Автор наблюдений и статьи Кочевник
источник http://www.flighttoinfini.com/forum/338-3734-1

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.
Верхний слой ядра состоит из очень плотной оболочки. Возможно, это вещество близко по своим свойствам к металлам, очень прочное и пластичное, возможно обладает магнитными свойствами.
Поверхность ядра планеты — его твёрдая оболочка — очень сильно разогрета до значительных температур, при соприкосновении с ней магма переходит почти в газообразное состояние.
Под твёрдой оболочкой внутреннее вещество ядра находится в состоянии сжатой плазмы, которая в основном состоит из элементарных атомов (водород) и продуктов деления ядер – протоны, электроны, нейтроны и другие элементарные частицы, которые образуются в результате реакций ядерного синтеза и ядерного распада.

Давление в ядре земли

Зоны ядерных реакций синтеза и распада.
В ядре планеты Земля идут реакции ядерного синтеза и распада, что вызывает постоянное выделение большого количества тепла и других видов энергий (электромагнитных импульсов, различных излучений), а так же поддерживает внутреннее вещество ядра постоянно в состоянии плазмы.

Зона ядра Земли — реакции ядерного распада.
В самом центре ядра планеты происходят реакции ядерного распада.
Она происходит следующим образом — тяжёлые и сверх тяжёлые элементы (которые образуются в зоне ядерного синтеза), так как обладают большей массой, чем все стальные элементы, как бы тонут в жидкой плазме, и постепенно погружаются в самый центр ядра планеты, где они набирают критическую массу и вступают в реакцию ядерного распада с выделением большого количества энергии и продуктов распада ядер. В этой зоне тяжёлые элементы деяться до состояния элементарных атомов – атома водорода, нейтронов, протонов, электронов и других элементарных частиц.
Эти элементарные атомы и частицы, вследствие выделения большой энергии с большими скоростями, разлетаются от центра ядра к его периферии, где и вступают в реакцию ядерного синтеза.

Зона ядра Земли — реакции ядерного синтеза.
Элементарные атомы водорода и элементарные частицы, которые образуются вследствие реакции ядерного распада в центре ядра Земли, достигают внешней твёрдой оболочки ядра, где в непосредственной близости от неё, в слое, расположенном под твёрдой оболочкой, происходят реакции ядерного синтеза.
Протоны, электроны и элементарные атомы, разогнанные до больших скоростей реакцией ядерного распада в центре ядра планеты, встречаются с различными атомами, которые находятся на периферии. Стоит отметить, что многие элементарные частицы вступают в реакции ядерного синтеза ещё по пути к поверхности ядра.
Постепенно, в зоне ядерного синтеза образуются всё более и более тяжёлые элементы, практически вся таблица Менделеева, некоторые из них имеют наиболее тяжёлую массу.
В этой зоне идёт своеобразное разделение атомов веществ по их весу вследствие свойства самой водородной плазмы, сжатой огромным давлением, которая имеет огромную плотность, вследствие центробежной силы вращения ядра, и вследствие центростремительной силы земного притяжения.
В результате сложения всех этих сил наиболее тяжёлые металлы тонут в плазме ядра и попадают в его центр для дальнейшего поддержания непрерывного процесса ядерного деления в центре ядра, а более лёгкие элементы стремиться или покинуть ядро, или осесть на его внутренней части — твёрдой оболочке ядра.
В результате в магму постепенно попадают атомы всей таблицы Менделеева, которые затем вступают в химические реакции над поверхностью ядра, образуя сложные химические элементы.

Магнитное поле ядра планеты.
Магнитное поле ядра образуется за счёт реакции ядерного распада в центре ядра вследствие того, что элементарные продукты ядерного распада, вылетая из центральной зоны ядра, увлекают за собой потоки плазмы в ядре, образуя мощные вихревые потоки, которые закручиваются вокруг основных силовых линий магнитного поля. Так как эти потоки плазмы содержат элементы с определённым зарядом, то и возникают сильнейший электрический ток, который создаёт своё электромагнитное поле.
Основной вихревой ток (поток плазмы) находиться в зоне термоядерного синтеза ядра, всё внутреннее вещество в этой зоне движется в сторону вращения планеты по кругу (по экватору ядра планеты), создавая мощное электромагнитное поле.

Вращение ядра планеты.
Вращение ядра планеты не совпадает с плоскостью вращения самой планеты, ось вращения ядра находиться между осью вращения планеты и осью, соединяющей магнитные плюса.

Угловая скорость вращения ядра планеты больше угловой скорости ращения самой планеты, и опережает её.
Давление в ядре земли

Баланс процессов ядерного распада и синтеза в ядре планеты.
Процессы ядерного синтеза и ядерного распада в планете в принципе уравновешены. Но по нашим наблюдениям это равновесие может нарушаться в ту или иную сторону.
В зоне ядерного синтеза ядра планеты может постепенно накапливаться избыток тяжёлых металлов, которые затем, попадая в центр планеты в большем количестве, чем обычно, могут вызвать усиление реакции ядерного распада, вследствие чего выделиться значительно больше энергии, чем обычно, что отразиться на сейсмической активности в сейсмоопасных районах, а так же вулканической активности на поверхности Земли.
По нашим наблюдениям, время от времени происходит микро разрыв твёрдой белочки ядра Земли, что приводит к попаданию плазмы ядра в магму планеты, и это приводит к резкому увеличению её температуры в этом месте. Над этими местами возможно резкое усиление сейсмической активности и вулканической активности на поверхности планеты.
Возможно, периоды глобального потепления и глобального похолодания связаны с балансом процессов ядерного синтеза и ядерного распада внутри планеты. Смены геологических эпох так же связаны с этими процессами.

В наш исторический период.
По нашим наблюдениям сейчас происходит рост активности ядра планеты, увеличение его температуры, и как следствие — разогрев магмы, которая окружает ядро планеты, а так же увеличение глобальной температуры её атмосферы.
Косвенно это подтверждает ускорение дрейфа магнитных полюсов, которое указывает на то, что процессы внутри ядра изменились и перешли в иную фазу.
Уменьшение напряжённости магнитного поля Земли связано с накоплением в магме планеты веществ, которые экранируют магнитное поле Земли, что, естественно, так же повлияет на изменения режимов ядерных реакций в ядре планеты.

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.
    Когда «Хаббл» пролетал над побережьем Бразилии, в его электронике возникали опасные токи, грозившие необратимыми повреждениями. Как заметили инженеры NASA, на других участках орбиты телескопа проблем не было, они случались только над Южной Америкой. «В течение недели с этой ситуацией столкнулись дважды, и не хотелось, чтобы она повторилась цнова», — говорит Лабел.
    Астронавты только что установили новое оборудование: спектрометр для измерения свойств приходящего света и инфракрасную камеру. Они предназначались для, важного эксперимента NASA, разработанного, чтобы проникнуть под завесу межзвездных облаков газа и пыли и попытаться раскрыть тайны первых дней нашей Вселенной, Оборудование стоило космическому агентству 136 млн. долларов.

Давление в ядре земли
ЗЕМНОЕ ЯДРО

    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.
    Разобраться в происходящем было жизненно важно. Но когда ответ нашелся, объяснение того, что случилось, оказалось связанным с удивительными изменениями, происходящими не в космосе, а глубоко внутри земного ядра. В результате группа не только спасла аппаратуру, но и раскрыла новые секреты ядра нашей планеты.

    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.
    Ядро отвечает за генерацию земного магнитного поля, задающего положение северного и южного магнитных полюсов. Соединяющие их магнитные силовые линии помогают морякам и перелетным птицам пересекать океаны. Но роль магнитного поля далеко не ограничивается навигацией. Оно служит гигантским щитом нашей планеты, отклоняющим заряженные частицы, посылаемые Солнцем. Если бы не этот щит, мы подвергались бы куда более высокому уровню облучения, а наша атмосфера истончалась бы под воздействием солнечного ветра (см. врезку «Чем мы обязаны земному ядру»). Таким образом, сама жизнь на Земле зависит от магнитного поля, порождаемого ядром планеты.

    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?»).
    И тем не менее любопытные геофизики по всему миру стали проникать в тайны ядра благодаря новым технологиям и ряду многообещающих экспериментов. Кроме того, Земля предоставляет человечеству для изучения своих «внутренностей» полезный инструмент — землетрясения. «Сейсмология — фактически лучшее средство для изучения недр планет, — рассказывает сейсмолог, профессор Рик Эстер (Rick Aster) из Института горного дела и технологии в Соккоро, штат Нью-Мексико (США). — Это единственный метод, которым мы располагаем для изучения земных глубин в любых подробностях. Если бы не сейсмология, мы мало что могли бы сказать о внутреннем устройстве Земли».

Давление в ядре земли
Профессор Рик Эстер со своей группой изучает сейсмические волны для выяснения состава земного ядра.
ЗЕМНОЕ ЯДРО

    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.
    Очень важно то, что в отличие от Р-волн S-волны могут проходить только по твердому веществу. Эти два вида волн, подобно свету, с разными скоростями распространяются сквозь вещество разной плотности. И так же, как свет, они могут отражаться от границ между разными материалами. «Самым быстрым волнам требуется всего 22 минуты, чтобы пересечь планету от полюса до полюса прямо через земное ядро, — отмечает Эстер. — Прохождение этих волн сквозь планету позволяет сейсмологам построить нечто наподобие рентгенограммы земных недр».

Давление в ядре земли
    Исследование внутреннего строения нашей планеты
    Наш мир похож на луковицу, он состоит из множества слоев, которые образовались в основном на ранней стадии истории Земли, когда недра были достаточно горячими для плавления железа. Гравитация заставила большую часть железа вместе с другими тяжелыми элементами, такими как никель, погрузиться к центру планеты и сформировать ее ядро.

    КОРА
    Кора сложена из минералов низкой плотности, богатых кремнием. Под океанами, разумеется, она значительно тоньше.

    ЛИТОСФЕРА
    Кора и верхняя часть мантии образуют литосферу. Эта хрупкая оболочка состоит из тектонических плит.

    АСТЕНОСФЕРА
    Область верхней мантии, где горные породы плавятся, образуя магму. Тектонические плиты «плавают» на поверхности этого ^горячего пластичного слоя.

    МАНТИЯ
    Мантия — это горячие кремниевые минералы, обогащенные железом и магнием. Медленная конвекция в ней приводит тектонические плиты в движение.

    ВНЕШНЕЕ ЯДРО
    Конвекция в этом слое жидкого железа и никеля порождает земное магнитное поле, без которого жизнь сильно отличалась . бы от известной нам.

    ВНУТРЕННЕЕ ЯДРО
    Давление здесь такое большое, что, несмотря на невероятную температуру, железо и никель находятся в твердом состоянии.

СЛОИ ЗЕМЛИ

    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.
    Это наблюдение показывает, что ядро не просто металлическая сфера. Очевидно, что у него есть различия по направлениям, как в куске дерева. Иными словами, оно анизотропно. Так что ядро Земли и впрямь оказывается весьма странным местом.

    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».
    Создание дубликата ядра было колоссальной проблемой. Хироси пришлось построить машину, которая поддерживала давление в три миллиона раз выше атмосферного при температуре, превосходящей 4700 °С. Он стремился получить железоникелевый образец с таким же химическим составом, как и в ядре, и внимательно изучить его изменения в экстремальных условиях.

Давление в ядре земли
    Ядро Земли оказывает огромное влияние на нашу жизнь; без него и самой жизни бы не было.

    Кажется невероятным, что нечто, находящееся почти в 3000 км под ногами, влияет на многие стороны нашей жизни. Без ядра, однако, весьма сомнительно, чтобы мы, — а возможно, и любые живые существа, — вообще появились на Земле. Тепло внутреннего ядра в сочетании с вращением Земли порождает водовороты в океане жидкого металла, образующего внешнее ядро. Подобно динамо-машине оно генерирует мощное магнитное поле, которое защищает нашу планету от бомбардировки заряженными частицами солнечного ветра. Это поле также способствует удержанию атмосферы и помогает в навигации.

    Защитный пузырь магнитосферы, создаваемый земным магнитным полем, мешает непрекращающемуся потоку частиц, несущихся со стороны Солнца, постепенно сдувать и истончать нашу атмосферу. Без этой защиты быстрые заряженные частицы солнечного ветра беспрепятственно вышибали бы в космос частицы атмосферы. В итоге нам досталась бы тонкая газовая оболочка, куда менее пригодная для поддержания жизни.

    Если бы не было магнитного поля, не было бы и компасов. Характер магнитного поля примерно такой, как если бы в центре Земли находился намагниченный стержень, один конец которого смотрит примерно на север, а другой — на юг. Именно на это поле откликается стрелка компаса. Но «магнитный стержень» не выставлен строго по земной оси, а несколько наклонен к ней и смещен от центра.

    Предположительно в среднем каждые 300 тыс. лет северный и южный магнитные полюсы меняются местами, хотя последняя такая переполюсовка случилась примерно 800 тыс. лет назад. Это происходит из-за перемен в хаотических потоках горячего металла во внешнем ядре, и никто не знает, почему и когда случится очередной переворот магнита. Некоторые исследователи ядра, например профессор Дэн Лэтроп из Мэрилендского университета (США), считают, что этот процесс уже начался.

    В результате моделирования на суперкомпьютере, выполненного в Калифорнийском университете (США), обнаружилось, что при смене полярности новые магнитные полюсы могут появиться где угодно, вызывая хаос в навигации. Защита, которую обеспечивает нашей планете магнитное поле, тоже будет ослаблена.

ЧЕМ МЫ ОБЯЗАНЫ ЗЕМНОМУ ЯДРУ

    «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 получения давления он создал инструмент из самого твердого известного человеку природного материала — алмаза. Образец из железа и никеля помещался между двумя алмазными наковальнями и сжимался до тех пор, пока давление не становилось таким же большим, как и внутри земного ядра. Чтобы добиться такого состояния алмаза, требовалась очень осторожная кропотливая работа. Первое время у японских ученых было немало хлопот и откровенных неудач, когда торцы алмазов попросту разрушались.

Давление в ядре земли
Алмазные наковальни с лазерным подогревом используются профессором Ки Хироси для воссоздания условий, как в центре Земли
ЗЕМНОЕ ЯДРО

    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».
    Рентгеновские изображения, полученные за те недолгие минуты, на которые Хироси удавалось воспроизвести на своей установке условия земного ядра, демонстрировали удивительные изменения в кристаллической структуре металла. К примеру, в одном из экспериментов кристаллы выросли в размерах в 1000 раз. И, что не менее важно, они при этом сохраняли стабильность.
    Это привело Хироси к поразительному выводу о строении ядра: «Существует внутреннее ядро, в котором имеется небольшое ч исло очень-очень больших кристаллов». Он считает, что размеры таких внутренних кристаллов в центре Земли могут достигать 10 км в длину и образовывать во внутреннем ядре планеты «похожую на лес структуру», вытянутую с севера на юг. «Это было просто потрясающе. Мы предприняли множество попыток, и все неудачные. Но наконец мы попробовали новую форму алмазов, и у нас всё получилось», — рассказывает Хироси.
    Такая кристаллическая структура дает объяснение сейсмической аномалии, из-за которой колебания от землетрясений с севера на юг идут быстрее, чем поперек экватора. Обычно волны быстрее распространяются вдоль граней кристаллов, чем поперек них.
    Это лишь начало работы Хироси. Со своими алмазными наковальнями он теперь может создавать практически любые материалы, встречающиеся вблизи центра Земли. Это настоящий прорыв в понимании мира, скрытого в глубинах нашей планеты.

    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.

Давление в ядре земли
Профессор Дэн Лэтроп построил масштабную модель земного ядра для изучения свойств его магнитного поля.
ЗЕМНОЕ ЯДРО

    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 земного магнитного поля вызваны переменами в потоках жидкого металла вокруг внутреннего ядра, в тысячах километров под поверхностью (см. врезку «Слои Земли»),
    Численную модель этих потоков во внешнем ядре не создать даже на суперкомпьютере. Приходится воспроизводить ее физически, и для этого Лэтроп разрабатывает свой аппарат. Это сфера, заполненная 12 тоннами жидкого натрия, которая вращается со скоростью 140 км/ч и демонстрирует сложные схемы течения жидкого металла и соответствующих изменений порождаемого им магнитного поля. Как сообщает сайт лаборатории, машина уже прошла проверку на воде, системы контроля натрия уже практически готовы. Скоро их заполнят жидким натрием, а позднее ожидается первая закрутка.

ФАКТЫ О ЯДРЕ
    5500°С
    Температура внутр. ядра Земли, она почти так же высока, как на поверхности Солнца.

    360
    ГПа — давление во внутреннем ядре, оно достигает почти 3,5 млн атмосфер.

    15%
    Объема Земли приходится на ядро, но оно дает 30% массы планеты.

    7000 км
    Примерныи диаметр земного ядра: по размеру оно сопоставимо с Марсом.

ФАКТЫ О ЯДРЕ

    «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».
    Довольно жутко думать о том, что в тысячах километров под нами, в земном ядре, бушует колоссальное море жидкого металла. Это и есть те процессы, которые поставили под угрозу инфракрасную камеру телескопа «Хаббл» и подняли Лабела из-за рабочего стола в конце одной из пятниц 1997 года.

    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.

Давление в ядре земли
Южно-Атлантическая аномалия вызывает отказы оборудования на спутниках.
ЗЕМНОЕ ЯДРО

    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.
    Через две недели после звонка Лабел собрал свою группу в Ядерной лаборатории им. Крокера при Калифорнийском университете в Дэвисе (США). Они привезли тестовое оборудование, чтобы смоделировать условия над Южно-Атлантической аномалией и проследить за ее влиянием на электронику «Хаббла».

Давление в ядре земли
Модель переполюсовки магнитного поля Земли, которая может быть вызвана изменениями в ядре планеты.
ЗЕМНОЕ ЯДРО

    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).

Давление в ядре земли
Работа оборудования, установленного на «Хаббле», оказалась под угрозой из-за Южно-Атлантической аномалии
ЗЕМНОЕ ЯДРО

    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.
    Слабое магнитное поле в зоне Южно-Атлантической аномалии дает ученым важную информацию о том, что на самом деле происходит внутри земного ядра. «Это место, где земное магнитное поле особенно ослаблено и становится все слабее на протяжении последних десятилетий», — говорит Лэтроп.
    Эти перемены на поверхности должны вызываться изменениями потоков жидкого металла в ядре, в области, расположенной прямо под аномалией. «Заглянув глубоко внутрь Земли, можно увидеть, что в этой зоне на границе ядра земное магнитное поле уже поменяло свою полярность», — объясняет Лэтроп. Так, в ядре происходит переполюсовка магнитного поля, проявляющаяся в его ослаблении у поверхности.

Давление в ядре земли
    Благодаря фантазии голливудских продюсеров и впечатляющей компьютерной графике, путешествия к центру Земли стали легкодоступным делом, что и было показано в фильме «Земное ядро» в 2003 году. В действительности, однако, подобная экскурсия была бы ошеломляюще трудна, чтобы не сказать совершенно невозможна. Достаточно того, что проникновение на любое расстояние вглубь Земли требует в миллиарды раз больше энергии, чем отправка ракеты в космос.
    Впрочем, это обстоятельство не помешало профессору Дэвиду Стивенсону (David Stevenson), планетологу из Калифорнийского технологического института (США), набросать шуточный план отправки в ядро зонда размером с грейпфрут. Такой зонд должен был бы погрузиться в течение недели вглубь земной коры сквозь трещину, образованную ядерными зарядами, с помощью мощного потока расплавленного железа.
    Трудность этого плана состоит в том, что не существует материала, способного выдержать температуру и давление, с которыми пришлось бы столкнуться такому зонду. Невероятным выглядит также сохранение трещины в пластичной мантии достаточно долгое время, не говоря уже об астрономической стоимости такого проекта и ущербе, который нанесут окружающей среде ядерные взрывы.
    Так что, скорее всего, люди гораздо раньше высадятся на поверхность планеты у другой звезды, чем какой-нибудь искусственный аппарат достигнет центра нашего мира.
ЗЕМНОЕ ЯДРО

    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.
    За последние годы мы значительно продвинулись в понимании ядра Земли и его влияния на нашу жизнь. Но нам предстоит еще долгий путь, и чем больше мы узнаем, тем яснее становится необходимость докопаться до сути процессов, протекающих в центре Земли.

Источник: galspace.spb.ru


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.