Масса ядра земли


Ядром Земли называют наиболее глубоко расположенную центральную часть планеты. А поскольку добраться до него не представляется возможным, то все исследования ядра проводятся косвенными методами. И тем не менее, с высокой долей вероятности можно утверждать, что центральная часть планеты изучена довольно не плохо. Хотя этого, конечно же, мало.

Свойства ядра Земли

Внешняя часть ядра находится на глубине 2900 км. Само же оно имеет радиус 3500 км. Предположительно, состоит ядро из сплава железа и никеля, с примесью различных элементов (серы, кислорода, кремния, хрома, фосфора и других). Всё это находится под огромной температурой, около 5-6 тысяч градусов, а потому представляет собой достаточно однородную массу. И поскольку ядро железное, по большей части, то весит оно довольно много. На него приходится 1/3 часть массы планеты.
Само же ядро разделено на 2 части: внутреннюю и внешнюю.

Внутреннее ядро находится в твёрдом состоянии. Его радиус составляет 1300 км. Температура на внешней его части колеблется в районе 6000 градусов, а какова температура в центре — остаётся лишь догадываться, но вряд ли они сильно отличаются. Внутреннее ядро обладает высокой плотностью (около 12 тонн на кубический метр) и находится под огромным давлением.


Внешнее ядро находится в жидком состоянии. И большая часть земного ядра приходится именно на него. Внешнее ядро играет роль некой оболочки для внутреннего, обтекая его со всех сторон. И толщина этого слоя Земли составляет примерно 2200 км. Иногда между двумя такими различными частями ядра существует переходная зона, обладающая свойствами каждой из частей.

Значение ядра Земли

Невозможно с уверенностью утверждать, какое влияние оказывает ядро на планету. Ведь оно плохо изучено, а потому если мы и знаем что-то о нём, то это лишь крохи информации. Но всё же, одну очень важную его функцию мы знаем. Магнитное поле, защищающее нашу планету от солнечного и космического излучения, образовано именно ядром. Если быть точным, внешней его частью, жидкой. Образуется геомагнитное поле благодаря движению жидкости в ней. Получается, ядро как батарейка для планеты: перестанет вращаться — и планета лишится своей защиты.

Источник: naturae.ru

Прямых данных о составе земного ядра нет. Тем не менее современные эксперименты с ударным сжатием металлов и их соединений, а в последние годы и данные статического сжатия этих веществ в сверхпрочных алмазных прессах с учётом данных о распространённости химических элементов в Солнечной системе и на Земле позволяют с высокой степенью достоверности считать, что в земном ядре содержится около 90% железа (Альтшулер и др., 1968).


нако внешнее ядро не может состоять только из чистого железа и тем более из его сплава с никелем, поскольку плотность железа и никелистого железа метеоритного состава при давлениях, господствующих в земном ядре, приблизительно на 10-15% выше плотности «ядерного» вещества во внешнем ядре Земли. Отсюда следует, что помимо железа в «ядерном» веществе должны содержаться лёгкие добавки, несколько снижающие плотность вещества.

Среди таких добавок в разное время рассматривались кремний, сера и кислород. Однако кремний — наименее вероятный компонент «ядерного» вещества по чисто термодинамическим причинам. Действительно, судя по составам наименее дифференцированных метеоритов — углистых хондритов 1-го типа, в холодном веществе протопланетного газопылевого облака в заметных количествах (до 25%) содержалась окись железа FeO, но в её присутствии силициды железа FeSi2 и FeSi неустойчивы и распадаются с образованием кремнезёма SiO2 и восстановлением железа до металлического состояния. Причём эта реакция происходит с выделением большого количества тепла и, следовательно, необратима:

Кроме того, нигде в метеоритном веществе, начиная от примитивных недифференцированных углистых хондритов, просто хондритов и кончая высокодифференцированными железоникелистыми метеоритами, силициды железа не встречаются.


При выборе наиболее вероятной лёгкой добавки в «ядерном» веществе между серой и кислородом следует учитывать как термодинамические условия формирования нашей планеты, так и условия выделения земного ядра на планетной стадии развития Земли.

Не вдаваясь в подробности процесса образования планет Солнечной системы, обратим внимание лишь на твёрдо установленные и наиболее общие закономерности распределения планетного вещества по мере удаления от Солнца. Так, резкие различия плотности планет Солнечной системы совершенно определённо говорят, что их аккреции предшествовала (или сопровождала её) интенсивная сегрегация химического состава первичного протопланетного облака. Действительно, сейчас можно считать установленным общее уменьшение содержания железоникелевой фазы в планетах земной группы по мере их удаления от Солнца (кроме Луны, «сбросившей» своё железное ядро на Землю при разрушении её родоначальной планеты — Протолуны на пределе Роша Земли). Так, судя по плотности планет (с учётом их сжатия), Меркурий содержит около 65% железоникелевой фазы, Венера — 28,8, Земля (вместе со «сброшенным» на неё железом Протолуны) — 32,5, а Марс — 20%. С другой стороны, в атмосферах внешних планет сосредоточились огромные количества летучих компонент (H2, He, CO2, CH4, H2O, NH3, N2 и др.), иногда на порядок-два превосходящие массу силикатных ядер самих планет.


я сравнения отметим, что суммарная массы земной атмосферы и гидросферы составляет лишь 0,024% массы твёрдой Земли, для Венеры эта доля меньше — только 0,0085%. Аналогичная сегрегация, лишь в несколько меньшей степени, должна была происходить и с легкоподвижными элементами, включая серу. Теперь, после проведения подробного фотографирования спутников Юпитера, достоверно известно, что поверхность одного из них, Ио, сплошь покрыта «океаном» серы. Это, по-видимому, убедительно говорит о выносе серы ещё в процессе дифференциации протопланетного облака на периферию Солнечной системы. Следовательно, можно ожидать, что вещество планет земной группы ещё до момента их аккреции было существенно обеднено серой, во всяком случае по сравнению со средним составом протопланетного облака.

Рассматривая этот вопрос, А. Рингвуд (1982) отмечает, что гипотеза вхождения серы в состав ядра встречает большие трудности в связи со значительным обеднением земного вещества рядом менее летучих, чем сера, элементов, например Cr, Mn, Na, K, F, Cs, Zn и Cl. Коэффициенты обеднения этими элементами по сравнению с их первичной распространённостью в углистых хондритах 1-го типа и на Солнце находятся в пределах от 0,3 до 0,03. Аналогичная картина наблюдается и во многих метеоритах. Например, обычные хондриты обеднены серой на 80%, тогда как Na, K, Rb, Mn и Cr в них сохранились почти полностью.


лее того, железные метеориты содержат в среднем только около 1% серы, хотя при сегрегации железа в родительских телах если бы последние содержали средние (солнечные) концентрации серы (5-6%), большая её часть должна была бы сконцентрироваться именно в металлической фазе в форме сульфида железа. В том случае концентрация серы в железных метеоритах была бы существенно выше 6%. Отсюда следует, что и земное вещество в целом по сравнению с солнечным веществом в несколько раз обеднено серой.

Вместе с тем следует признать, что, подобно углистым хондритам, земное вещество достаточно окислено. Во всяком случае, вещество современной мантии сравнительно полно окислено, хотя и не до предельного состояния, поскольку в нем FeO/Fe2O3 больше 1.

Таким образом, анализ данных сравнительной планетологии позволяет считать, что относительно среднего состава планет и метеоритов Солнечной системы Земля несколько обогащена железом (в 1,3-1,4 раза), существенно обеднена серой (в 10 раз) и другими подвижными элементами, очень обеднена летучими соединениями (в 105—107 раз) и характеризуется почти средним для Солнечной системы обилием кислорода (по отношению к кремнию).

Однако даже если бы потери серы из протопланетного облака в области формирования Земли не происходило и в её составе наблюдалось бы среднее содержание элемента (около 56%), то и тогда этого количества серы не хватило бы на формирование земного ядра, так как в ядре состава FeS должно было бы содержаться по отношению к массе Земли около 11% серы. Но поскольку земное вещество все-таки было существенно обеднено серой, то оставшегося её количества в Земле тем более не хватит для формирования у неё сульфидно-железного ядра. Одновременно с этим, сравнительно полное окисление мантийного вещества Земли позволяет предполагать существование окислов железа и в земном ядре.


Рассмотрим теперь чисто геофизическую и геологическую информацию о возможном составе лёгкой добавки к железу в «ядерном» веществе Земли. Подробный анализ энергетического баланса нашей планеты показывает, что главным источником эндогенной энергии в современной Земле является процесс гравитационной дифференциации мантийного вещества, приводящий к выделению в центре планеты плотного земного ядра и к возбуждению в остаточной силикатной мантии конвективных движений. Благодаря этому процессу сегодня в мантии генерируется около 3×1020 эрг/с гравитационной энергии, тогда как на долю распада радиоактивных элементов приходится только около 0,35×1020 эрг/с тепловой энергии (остальная и большая часть радиогенной энергии, приблизительно 0,9×1020 эрг/с, выделяется в земной коре). Расчёты показывают, что в этом случае в настоящее время из мантии в ядро переходит приблизительно 150 млрд т/год «ядерного» вещества. Но единственными подходящими на эту роль компонентами в современной мантии Земли являются окислы железа FeO и Fe2O3, суммарное содержание которых в её веществе сейчас достигает приблизительно 8%. В противоположность этому, концентрация сульфидов железа в современной ювенильной мантии не превышает 0,1%. Следовательно, и с этой точки зрения лёгкой добавкой к железу в земном ядре скорее всего является кислород.


Из наиболее вероятного процесса гомогенной аккреции планет вытекает, что молодая Земля сразу после своего образования была однородной по составу и лишённой плотного ядра планетой. Изучение процесса расслоения Земли, а также изотопно-свинцовые отношения в земных породах показывают, что ядро выделялось постепенно. Отсюда следует, что все «ядерное» вещество, ныне находящееся в ядре, в начале геологической истории Земли было более или менее равномерно рассеяно по первичной мантии. Но поскольку самые древние породы коры так или иначе произошли в результате их выделения из мантии, можно ожидать, что в их составе в изобилии должны находиться и компоненты, ныне опустившиеся в земное ядро. В ультраосновных и основных породах архея обычно наблюдаются повышенные содержания FeO, а в древних базальтах Гренландии на о. Диско встречается даже самородное железо. Но никаких заметных аномалий концентрации серы в архейских породах не наблюдается. Удельный же вес сульфидной металлогении того времени по сравнению с общей массой содержащихся в породах окислов железа ничтожно мал. Следовательно, геологические данные также свидетельствуют в пользу окисно-железного, а не сульфидного состава земного ядра.


Учитывая приведённые выше данные и соображения, ещё в 1971 г. О.Г. Сорохтиным была предложена и обоснована гипотеза окисно-железного состава внешнего жидкого ядра Земли. Внутреннее же твёрдое ядро при этом по традиции принималось состоящим из железоникелевого сплава метеоритного состава Fe0,9×Ni0,1. В дальнейшем эта гипотеза была воспринята и поддержана К. Булленом (1973) и А. Рингвудом (1977).

Для определения стехиометрии соединения железа с кислородом при высоких давлениях необходимо напомнить, что железо относится к переходной группе элементов с полностью заполненной внешней электронной оболочкой 4s2 и частично вакантной внутренней 3d6 электронной оболочкой. Напомним, что электроны в атомах могут находиться только на определённых энергетических уровнях и группируются в электронных оболочках, обозначаемых латинскими буквами s, p, d, f и т.д., тогда как номер оболочки обозначается цифрами. В каждой атомной оболочке нейтрального атома может находиться не более определенного количества электронов: в s-оболочке — не более двух электронов, в p-оболочке — не более 6 электронов, в d-оболочке — 10 электронов, в f-оболочке — 14 электронов и т.д. Число электронов, находящихся в данной оболочке, обычно отмечается числовым индексом над обозначением оболочки. Например, атомный номер железа равен 26, следовательно, у каждого нейтрального атома железа имеется 26 электронов, сгруппированных в семи электронных оболочках следующим образом: 1s22s22p63s23p63d64s2. Химические связи элемента могут возникать только с электронами, находящимися во внешних и не полностью заполненных оболочках. По этой причине при характеристике химических свойств конкретных элементов внутренние, полностью заполненные электронами оболочки, обычно не отмечаются. В этом случае электронную конфигурацию железа можно обозначить 3d64s2.


Поскольку внешняя электронная оболочка железа 4s полностью заполнена электронами, то при нормальных давлениях все химические свойства этого элемента определяются только вакантными электронными уровнями оболочки 3d. Однако известно, что под влиянием высоких давлений в атомах переходных металлов возникают электронно-фазовые перестройки, в результате которых внешние электроны переходят на внутренние орбиты, но при этом меняются и химические свойства элемента.

У железа первый электронно-фазовый переход наблюдается при давлениях р меньше 130 кбар, после чего один из внешних s-электронов переходит на d-орбиты, меняя тем самым электронную конфигурацию в его атомах 3d64s2 — 3d74s1 . В результате такого перехода на внешней электронной s-оболочке железа остаётся только один неспаренный электрон, приобретающий теперь способность присоединять к себе один из электронов другого атома, например кислорода, образуя с ним прочную одновалентную связь, откуда следует, что у железа при высоких давлениях должны проявляться чётко выраженные свойства одновалентного металла. Следовательно, химический состав «ядерного» вещества во внешнем земном ядре должен отвечать окиси железа с несколько непривычной стехиометрией Fe2O или эвтектическому сплаву Fe×FeO.


При ещё больших давлениях р = 3 Мбар в железе происходит второй электронно-фазовый переход 3d74s1 — 3d8, после которого железо становится химическим аналогом никеля (3d84s2), а химические свойства также полностью определяются аналогичной конфигурацией электронов (d8) в 3d-оболочке его атомов. Под влиянием высоких давлений, правда, никель также может испытывать электронно-фазовые перестройки и менять свои химические свойства, но это происходит при ещё более высоких давлениях. Поэтому вторым электронно-фазовым переходом железа, по-видимому, можно объяснять формирование сплава Fe×Ni во внутреннем ядре Земли и его большую плотность, чем у железа при том же давлении.

Гипотеза окисно-железного состава (Fe2O) внешнего ядра и железоникелевого (Fe0,9×Ni0,1) состава внутреннего ядра в середине 70-х годов была проверена нами расчётами по экспериментальным данным ударного сжатия металлов и их окислов. Результаты такой проверки показали полную совместимость принятой гипотезы с распределениями плотности вещества в Земле, построенными по независимым сейсмологическим данным (см. рис. 13).

Тогда же гипотезу окисно-железного состава внешней оболочки земного ядра активно поддержал известный сейсмолог К. Буллен (1973, 1978) и петролог А. Рингвуд (1977, 1982). Несколько позже появились работы Е. Отани и А. Рингвуда (1984), экспериментально показавшие, что при высоких давлениях (р меньше 200 кбар) наблюдается практически полная растворимость окиси железа в расплаве металлического железа с образованием сплава Fe×FeO, близкого по стехиометрии к составу Fe2O. При этом оказалось, что температура плавления эвтектического сплава Fе×FO существенно ниже температуры плавления исходных компонент и заметно ниже адиабатического распределения температуры в мантии (см. рис. 17). Более того, в эксперименте было обнаружено теоретически предсказанное уменьшение мольного объёма сплава Fe×FeO примерно на 3,8 см3/моль по сравнению с суммарным мольным объёмом исходных компонент (при нормальном давлении этот объем приблизительно равен 19,1 см3/моль). Столь значительное уплотнение сплава Fe×FeO (более, чем на 20%), по-видимому, можно объяснить только электронно-фазовыми переходами в атомах железа и возникновением в расплаве при высоких давлениях сильных химических ковалентных s-связей в молекулах Fe2O, как и предполагается в исходной гипотезе. Проведённые А. Рингвудом и его коллегами расчёты также подтвердили, что при давлениях, господствующих во внешнем ядре, плотность эвтектического сплава Fe×FeO неплохо соответствует наблюдаемым плотностям «ядерного» вещества по сейсмологическим данным.

Происхождение магнитного поля Земли и его нестационарный (переменный) характер обычно связываются с конвективными течениями в жидком веществе земного ядра. Однако для возбуждения магнитного поля Земли необходимо, чтобы «ядерное» вещество обладало высокой электропроводностью. Прямых измерений электропроводности соединения Fe2O или сплава Fe×FeO при высоких давлениях и температурах пока не проводилось, тем не менее из общих физических и квантово-механических соображений следует, что вещество с таким составом в условиях земного ядра должно обладать металлической электропроводностью.

Таким образом, суммируя приведённые выше теоретические соображения о природе «ядерного» вещества Земли, а также экспериментальные данные о температуре плавления и плотности эвтектических сплавов железа с его окисью при высоких давлениях, можно с большой долей вероятности утверждать, что внешняя (жидкая) часть земного ядра состоит из расплава окиси одновалентного железа Fe2O или из эквивалентного этому соединению эвтектического сплава Fe2O, устойчивых только при высоких давлениях. Внутреннее же ядро вероятнее всего состоит из железоникелевого сплава Fe0,9×Ni0,1. Состав переходного слоя F между внешним и внутренним ядром естественнее всего считать сульфидным состава FeS. Выяснив составы отдельных геосфер, можно рассчитать и средний состав Земли (табл. 1).

Таблица 1. Состав современной Земли и первичного земного вещества
По А. Б. Ронову и А. А. Ярошевскому (1976); (2) Наша модель с использованием данных Л. В. Дмитриева (1973) и А. Рингвуда (Ringwood, 1966); (3) H. Urey, H. Craig (1953); (4) Флоренский К. П., Базилевский Ф. Т. и др., 1981.
Окислы Состав континентальной коры(1) Модельный состав мантии Земли(2) Модельный состав ядра Земли Состав первичного вещества Земли (расчёт) Средний состав хондритов(3) Средний состав углистых хондритов(4)
SiO2 59,3 45,5 30,78 38,04 33,0
TiO2 0,7 0,6 0,41 0,11 0,11
Al2O3 15,0 3,67 2,52 2,50 2,53
Fe2O3 2,4 4,15
FeO 5,6 4,37 49,34 22,76 12,45 22,0
MnO 0,1 0,13 0,09 0,25 0,24
MgO 4,9 38,35 25,77 23,84 23,0
CaO 7,2 2,28 1,56 1,95 2,32
Na2O 2,5 0,43 0,3 0,95 0,72
K2O 2,1 0,012 0,016 0,17
Cr2O3 0,41 0,28 0,36 0,49
P2O5 0,2 0,38
NiO 0,1 0,07
FeS 6,69 2,17 5,76 13,6
Fe 43,41 13,1 11,76
Ni 0,56 0,18 1,34
Сумма 100,0 100,0 100,0 100,0 99,48 98,39

Источник: www.gemp.ru

История изучения

Вероятно одним из первых предположение о существовании внутри Земли области повышенной плотности высказал Генри Кавендиш, который вычислил массу и среднюю плотность Земли и установил, что она значительно больше, чем плотность характерная для пород выходящих на земную поверхность.

Существование было доказано в 1897 немецким сейсмологом Э. Вихертом, а глубина залегания (2900 км) определена в 1910 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 Э. Орован и советский учёный А. П. Виноградов (60-70-е гг.).

В 1941 г. Кун и Ритман, основываясь на гипотезе идентичности состава Солнца и Земли и на расчетах фазового перехода в водороде, предположили, что земное ядре состоит из металлического водорода. Эта гипотеза не прошла экспериментальную проверку. Эксперименты по ударному сжатию показали, что плотность металлического водорода примерно на порядок меньше, чем плотность ядра. Однако эта гипотеза позже эта гипотеза была адаптирована для объяснения строения планет гигантов — Юпитера, Сатурна и тп. Сейчас предполагается, что их магнитное поле возникает именно в металлическом водородном ядре.

Кроме того В. Н. Лодочников и У. Рамзей 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 (металлизованное силикатное ядро).

Состав ядра

Состав ядра непосредственно не известен, 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 из данных гравиметрии известна плотность ядра, и это накладывает на его состав дополнительные ограничения. Так как плотность ядра примерно на 10% меньше, чем плотность сплавов железо-никель, то предполагается, что ядро Земли содержит больше легких элементов, чем железные метеориты.

Наконец состав ядра можно оценить исходя из геохимических соображений. Если мы каким либо рассчитаем первичный состав Земли и вычислим какая доля элементов находится в других геосферах, то тем самым могут быть построены 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 7.35 79.39 4.87 2.30 4.10 5820 7790 2530 3690
Mc Donough 2003 6.0 85.5 5.20 1.90 0 300 9000 2500 2000

Образование ядра

Время формирования ядра

Образование ядра является одним из ключевых моментов истории Земли. Для определения возраста ядра были использованы следующие соображения:

  • в веществе, из которого образовалась Земля, был изотоп 182Hf, который с периодом полураспада 9 миллионов лет превращается в изотоп 182W. Гафний является литофильным элементом, то есть при разделении первичного вещества Земли на силикатную и металлическую фазы он предпочтительно концентрировался в силикатной фазе, а вольфрам — сидерофильный элемент, и концентрировался в металлической фазе. В металлическом ядре Земли отношение Hf/W близко к нулю, тогда как в силикатной оболочке это отношение около 15.
  • Из анализа не фракционированных хондритов и железных метеоритов известно первичное соотношение изотопов гафния и вольфрама.
  • Если ядро образовалось через время много большее, чем период полураспада 182Hf, то он бы успел почти полностью превратиться в 182W, и изотопный состав вольфрама в силикатной части Земли и её ядре был бы одинаковый, такой же как в хондритах.
  • Если ядро формировалось пока 182Hf ещё не распался, то силикатная оболочка Земли должна содержать некоторый избыток 182W по сравнению с хондритами, что реально и наблюдается.

Основываясь на этой модели можно рассчитать время разделения металлической и силикатной части Земли. Расчёты показали (см. Jacobsen, 2005), что ядро сформировалось за время меньше 30 миллионов лет, с момента образования появления в Солнечной Системе первых твёрдых частиц, CAI.

Аналогичные расчеты можно сделать для металлических метеоритов, которые являются фрагментами ядер мелких планетарных тел. Оказалось, что в них формирования ядра происходило значительно быстрее, за время порядка нескольких миллионов лет.

Теория Сорохтина и Ушакова

Описанная модель не является единственной. Так по модели Сорохтина и Ушакова, изложенной в книге «Развитие Земли» процесс формирования земного ядра растянулся приблизительно на 1,6 млрд лет (от 4 до 2,6 млрд лет назад). По мнению авторов образование ядра происходило в два этапа. Сначала планеты была холодной, и в её глубинах не происходило никаких движений. Затем она прогрелось радиоактивным распадом достаточно для того, чтобы начало плавиться металлическое железо. Оно стало стекаться к центру земли, при этом за счет гравитационной дифференциации выделялось большое количество тепла, и процесс отделения ядра только ускорялся. Этот процесс шел только до некоторой глубины, ниже которой вещество было такое вязкое, что железо погружаться уже не могло. В результате образовался плотный (тяжелый) кольцевой слой расплавленного железа и его окиси. Он располагался над более легким веществом первозданной “сердцевины” Земли.

Затем произошло выдавливание силикатного вещества из центра Земли, причем оно было выдавлено на экваторе и тем самым дало начало асимметрии планеты.

Механизм формирования ядра

Об механизме образования ядра известно очень мало. Согласно различным оценкам формирование ядра происходило при давлениях и температурах близких, тем какие сейчас в верхней и средней мантии, а не в планетозималях и астероидах. Это не значит, что акреция земли происходила из не дифференцированного вещества. Просто при акреции происходила его новая гомогенизация.

Литература

  • 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:
    • Partition Coefficients at High Pressure and Temperature K. Righter and M. J. Drake
    • Experimental Constraints on Core Composition J. Li
    • Compositional Model for the Earth’s Core W. F. Mc Donough.
  • Jacobsen S.B. (2005). The Hf-W isotopic system and the origin of the Earth and Moon. Annu. Rev. Earth Planet. Sci. 2005. 33:18.1–18.40.

Статьи

  • Geochemical Evidence for Excess Iron in the Mantle Beneath Hawaii Munir Humayun, Liping Qin, Marc D. Norman

Источник: wiki.web.ru

    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.

Масса ядра 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».

Масса ядра 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».

Масса ядра 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.

Масса ядра 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.

Масса ядра 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.

Масса ядра 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.

Масса ядра 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».

Масса ядра 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).

Масса ядра 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.

Масса ядра 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

Ядро Земли – внутренняя геосфера Земли со средним диаметром 3470 км, расположенная на средней глубине около 2900 км. Делится на твердое внутреннее ядро диаметром около 1300 км и жидкое внешнее ядро мощностью около 2200 км, между которыми иногда выделяется 250 км переходная зона жидкости повышенной плотности. Вероятно состоит из железо-никелевого сплава с примесью других сидерофильни элементов. Температура в центре ядра Земли достигает 5000 ° C, плотность около 12,5 т / м , давление до 361 ГПа. Масса ядра – 1932 x 10 24 кг. 
Сведений о ядре очень мало – вся информация получена косвенными геофизическими или геохимическими методами, образцы вещества ядра не доступны, и вряд ли будут получены в ближайшем будущем.

История исследования

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 гораздо больше, чем плотность характерна для пород, выходящих на земную поверхность.
Существование ядра было доказано в 1897 году немецким сейсмологом Э. Вихерт за наличия эффекта так называемой «сейсмической тени». В 1910 году за резким скачком скоростей продольных сейсмических волн американским геофизиком Б. Гутенбергом была определена глубина залегания его поверхности – 2900 км.

Основатель геохимии В. М. Гольдшмидт (нем. Victor Moritz Goldschmidt (1888-1947) в 1922 году предположил, что ядро образовалось путем гравитационной дифференциации первичной Земли в период ее роста или в более поздние периоды. Альтернативную гипотезу, что железное ядро возникло еще в протопланетного облака, развивали немецкий ученый А. Эйкен (1944), американский ученый Э. Орован и советский ученый А. П. Виноградов (60-70-е годы).

В 1941 году Кун и Ритман, основываясь на гипотезе идентичности химического состава Солнца и Земли и на расчетах фазового перехода в водороде, предположили, что земное ядре состоит из металлического водорода. Эта гипотеза не прошла экспериментальную проверку. Эксперименты с ударного сжатия показали, что плотность металлического водорода примерно на порядок меньше, чем плотность ядра. Однако эта гипотеза позже была адаптирована для объяснения строения планет-гигантов – Юпитера, Сатурна и т.д. Современной наукой вважааеться, которые магнитное поле возникает именно в металлическом водородном ядре.

Кроме того В. Н. Лодочников и У. Рамзай предположили, что нижняя мантия и ядро имеют одинаковый химический состав – на границе ядро-мантия при давлении 1,36 MБар мантийные силикаты переходят в жидкую металлическую фазу (металлизированное силикатное ядро).

Состав ядра

Состав ядра может быть оценен лишь из нескольких источников.

Наиболее близкими веществу ядра считаются образцы железных метеоритов, которые являются фрагментами ядер астероидов и протопланет. Однако железные метеориты не эквивалентны веществу земного ядра, так как они образовались в гораздо меньших телах, т.е. при других физико-химических параметрах.

Из данных гравиметрии известна плотность ядра, ограничивающий дополнительно компонентный состав. Так как плотность ядра примерно на 10% меньше, чем плотность сплавов железо-никель, то соответственно ядро Земли содержит больше легких элементов, чем железные метеориты. 

Исходя из геохимических соображений, рассчитывая первичный состав Земли и вычисляя долю элементов, находящихся в других геосферах, можно построить приблизительную оценку состав ядра. Помощь в таких вычислениях оказывают высокотемпературные и високобарични эксперименты по распределению элементов между расплавленным железом и силикатными фазами. 

Образование земного ядра

Время формирования

Образование ядра – ключевой момент истории Земли. Для определения возраста этого события были использованы следующие соображения:

В веществе, из которого образовалась Земля, был изотоп 182 Hf, который имеет период полураспада 9 млн лет и превращается в изотоп 182 W. Гафний являются литофильных элементов, т.е. при разделении первичного вещества Земли на силикатный и металлическую фазы он преимущественно сконцентрировался в силикатной фазе, а вольфрам – сидерофильных элемент, и сконцентрировался в металлической фазе. В металлическом ядре Земли соотношение Hf / W близко к нулю, тогда как в силикатной оболочке это отношение близко 15.

Из анализа нефракцийованих хондритов и железных метеоритов известно первичное соотношение изотопов гафния и вольфрама.
Если ядро образовалось через время много больше, чем период полураспада 182 Hf, то он бы успел почти полностью превратиться в 182 W, и изотопный состав вольфрама в силикатной части Земли и ее ядре был бы одинаковый, такой же как и в хондритах.
Если ядро формировалось пока 182 Hf еще не распался, то силикатный оболочка Земли должна содержать некоторый излишек 182 W по сравнению с хондритов, что реально и наблюдается.

Основываясь на этой модели разделения металлической и силикатной части Земли, расчеты показали, что ядро сформировалось за время меньше 30 млн лет, с момента образования в Солнечной системе первым твердых частиц. Аналогичные расчеты можно сделать для металлических метеоритов, которые являются фрагментами ядер мелких планетарных тел. В них формирования ядра происходило значительно быстрее – за несколько миллионов лет. Возраст внутреннего твердого ядра оценивается в 2-4 млрд лет.

Теория Сорохтина – Ушакова

Согласно модели Сорохтина – Ушакова, процесс формирования земного ядра растянулся приблизительно на 1,6 млрд. лет (от 4 до 2,6 млрд. лет назад). По мнению авторов формирования земного ядра происходило в два этапа. Сначала планета была холодной, и в ее глубинах не происходило никаких движений. Затем она прогрелась энергией радиоактивного распада до начала плавки металлического железа, которое стало проникать к центру Земли. При этом за счет гравитационной дифференциации выделялось большое количество тепла, и процесс отделения ядра только ускорялся. Этот процесс шел только до глубины, ниже которой вещество, из сверхвысокое давление, становилась настолько вязким, что железо глубже погружаться уже не могло. В результате образовался плотный кольцевой слой расплавленного железа и его окиси. Он располагался над более легким веществом первородной «сердцевины» Земли. Позже состоялось выдавливания силикатного вещества из центра Земли на экваторе, что и привело асимметрию планеты.

Механизм формирования земного ядра

О механизме образования ядра известно очень мало. Согласно различным оценкам формирование происходило при давлении и температуре близкой, той, что сейчас царит в верхнем и среднем мантии, а не в планетозималях и астероидах. Это значит что при аккреции Земли происходила ее новая гомогенизация.

Механизм постоянного обновления внутреннего ядра

Ряд исследований последних лет показал аномальные свойства земного ядра – было установлено, что сейсмические волны пересекают восточную часть ядра быстрее западную. Классические модели предполагают, что внутреннее ядро нашей планеты – образование симметричное, однородное и практически стабильное, медленно растет за счет застывания вещества внешнего ядра. Однако внутреннее ядро довольно динамичная структура.
Группа исследователей из университетов Жозефа Фурье (фр. Universite Joseph Fourier) и Лиона (фр. Universite de Lyon) выдвинула предположение, что внутреннее ядро Земли постоянно кристаллизуется на западе и плавится на востоке. Геометрический центр внутреннего ядра смещен относительно центра Земли. Части ядра на западе и востоке имеют разную температуру, что приводит к одностороннему плавления и кристаллизации. Приводит в движение всю масса внутреннего ядра, медленно смещается от западной стороны к восточной, где разрушаясь твердое вещество пополняет состав жидкой оболочки со скоростью 1,5 см / год. Т.е. полная переплав за 100 млн лет. Разница в соотношении легких и тяжелых элементов на западе и востоке ядра закономерно приводит и к разнице скоростей сейсмических волн.

Столь мощные процессы затвердевания и плавления, не могут не сказаться на конвективных потоках во внешнем ядре. Они затрагивают планетарную динамо-машину, земное магнитное поле, поведение мантии и движение материков. Гипотеза объясняет несовпадение скорости вращения ядра и остальных планеты, ускоренный сдвиг магнитных полюсов.

Похожие статьи:


Масса ядра земли

Изотопы

Распределение изотопов. По горизонтали – заряд ядра (число протонов). По вертикали – атомная масса (число нуклонов). Цвет – стабильность изотопа …


Масса ядра земли

Ядро атома

Ядро – центральная часть атома. В ядре сосредоточены положительный электрический заряд и основная часть массы атома. По сравнению с размерами атома, …


Масса ядра земли

Генри Кавендиш

Генри Кавендиш (англ. Henry Cavendish * 10 октября 1731, Ницца – † 24 февраля 1810, Лондон) – английский физик и химик, член Лондонского королевского …


Масса ядра земли

Плотность населения

Плотность населения Земли (линейная шкала, 1994 год) Плотность населения по странам (2006) Плотность населения – уровень заселенности данной …


Масса ядра земли

Клеточное ядро

Диаграмма клеточного ядра В клеточной биологии, ядро (лат. nucleus) – клеточные органеллы, найденная в большинстве клеток эукариот и содержит ядерные …


Масса ядра земли

Земля

Земля – это третья от Солнца планета Солнечной системы, единственная планета, на которой известно жизнь, дом человечества. Планетарные …

Источник: mir-prekrasen.net


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

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