Сколько градусов в ядре земли


Член Шведской королев­ской академии наук и почётный профессор МИСиС, Йоханссон является одним из авторов теории, согласно которой ядро Земли — это кристалл с кубиче­ской решёткой. 

Кубики внутри

То, что у нашей планеты есть ядро, учёные установили лишь в ХХ в. Сначала считалось, что ядро жидкое. Потом была версия, что вещест­во там находится в аморфном состоянии. В 2005 г. доказали, что сердцевина «шарика» твёрдая, но её окружает жидкое ядро, радиус которого в два раза превышает радиус Луны. Загадкой оставались состав твёрдого ядра (по косвенным признакам, в нём должно преобладать железо) и его структура.

«Это был принципиальный вопрос для науки, — рассказал «АиФ» Борье Йоханссон. — Мы заинтересовались феноменом: почему волны после землетрясений достигают противоположных точек планеты с разной скоростью? В одних местах Земли это происходит быстрее, в других — медленнее.


предположили, что дело в строении ядра — оно меняет скорость прохождения волн сквозь «внутренности» планеты. Но воссоздать экспериментально те условия, которые есть в ядре, невозможно — там температура, как на поверхности Солнца, а давление достигает 3,7 млн атмосфер. Однако можно построить компьютерную модель. Мы сделали такую программу и заложили в неё параметры (температуру и давление, строение атома железа и пр.), после чего стали «пускать» сейсмические волны. И оказалось, что заданным условиям отвечает только одна возможная структура вещества. Все атомы, из которых состоит ядро Земли, упорядочены в виде ячеек-кубиков. В вершинах каждого находятся атомы железа, а в центре — ещё один атом».

Что даст нам это знание? Первое — предсказание землетрясений. Современная наука утверждает, что достоверно назвать время и место очередного катаклизма нельзя. Теперь же можно создать компьютерные модели, учитывающие, как строение ядра влияет на сейсмические процессы. 

Второе применение — данные о магнитном поле Земли. От них зависит, например, надёжность спутниковой связи и космических систем, на которые сейчас «завязаны» навигация, разведка полезных ископаемых, прогнозы погоды, наблюдение за природными процессами и многое другое. 

«Колодец в ад»


Можно ли проникнуть в «серд­це Земли»? Более всего в этом преуспели советские геологи: Кольская сверхглубокая скважина, бурение которой было начато в 1970 г., опустилась в земную кору на 12 с лишним километров. Работы шли с перебоями, но они дали учёным новые ценные сведения о строении коры. А кроме того, породили таинственные легенды. Так, западная пресса писала, что «русские вырыли колодец в ад»: буровики, наткнувшись на пустоты в глубинах Земли, опустили в скважину микрофон, и он записал жуткие крики и стоны.

Ещё была идея использовать для проникновения в недра направленный ядерный взрыв. Или, например, положить на дно скважины шар из вольфрама, начинённый ядерным топливом. Как только пойдёт реакция, шар начнёт плавить породу и под собст­венной тяжестью будет опускаться к земному ядру. Если снабдить этот зонд необходимыми датчиками и наладить связь (что в данных условиях самое трудное), он передаст наверх бесценные сведения о «начинке» планеты.

Все эти проекты, однако, относятся к области фантастики. А ядро Земли — реальность, которая по-прежнему таит много загадок.

Источник: aif.ru

Согласно опубликованным 26 апреля результатам научных исследований в журнале Science, оказывается, что температура ядра нашей планеты на 1000 градусов выше, чем предполагалось ранее. Благодаря этим наблюдениям у ученых появилась возможность лучше понять то, как наша Земля создает магнитное поле.


structure

Группа, проводившая новые исследования, измерила в лабораторных условиях показатели высшей точки кипения железа и, сопоставив полученные результаты с показателями внешнего и внутреннего ядра, пришла к выводу, что их температура составляет порядка 6000 градусов Цельсия. То есть почти столько же, как и температура Солнца.

Факт различия в температурных показателях очень важен для ученых. Ведь это помогает объяснить то, как Земля генерирует магнитное поле. Твердое ядро Земли находится внутри внешнего жидкого ядра, сверху которого, в свою очередь, расположен твердый, но в то же время текучий слой мантии. Благодаря разнице температуры между слоем мантии и внутренним ядром, которая составляет порядка 2700 градусов Цельсия, а также за счет движения мантии и вращения планеты и создается магнитное поле.

Для нового эксперимента использовалась новая рентгеновская техника, которая позволяет намного быстрее производить расчеты, чем раньше. В обычных лабораторных условиях временной интервал процесса сжатия железа, который смог бы показать является ли его структура по-прежнему твердой или же железо начинает плавиться, был возможен только в течение нескольких секунд. Новый же метод ученых основан на дифракции, которая образуется тогда, когда рентгеновские лучи или любая другая форма света сталкивается с препятствием и огибает его.


Эксперименты показали, что при давлении в 2,2 миллиона раз выше, чем обычное давление на уровне моря точка плавления железа составляет 4800 градусов Цельсия. Опираясь на результаты полученных исследований, ученые пришли к выводу, что температура между внешним и внутренним ядром Земли при давлении в 3,3 миллиона атмосфер (в 3,3 миллиона раз выше, чем атмосферное давление на уровне моря) составляет 6000 градусов, плюс-минус 500 градусов.

В исследованиях принимали участие такие организации как CEA (французская национальная технологическая исследовательская организация), Французский национальный центр научных исследований, а также Европейский исследовательский ускорительный комплекс (ESRF).

Источник: Hi-News.ru

Путь к ядру

Изучать ядро достаточно непросто — поверхность Земли и его верхнюю кромку разделяют 2900 километров. Непросто пробуриться на такие глубины — чем ниже опускаться под землю, тем выше растет температура. В Кольской скважине, которая пока остается самой глубокой, на глубине в 12 километров накал достигал 220°C! Уже при таких температурах сложно работать не только электронике, но и самой аппаратуре — ведь ее надо как-то опустить в скважину, а потом вынуть обратно.


Кольская сверхглубокая скважина

И даже преодолев литосферу, надо как-то пробиться сквозь раскаленную пластичную мантию. В двухтысячных годах был рассчитан проект, позволяющий зонду размером с небольшую дыню достичь ядра. Правда, в нем есть пара слабых мест — для того, чтобы добраться до ядра, нужно было взорвать несколько ядерных бомб, залить туда море раскаленного металла и изобрести такой материал, который мог бы выдержать температуру в 2–3 тысячи градусов по Цельсию! Но на бумаге все выглядело чудесно: вместе с потоком раскаленного железа зонд мог бы достичь ядра Земли всего за неделю.

Однако в ученых остался метод, позволяющий достаточно точно рассчитать плотность и объем ядра Земли — сейсмография. Колебания, исходящие от поверхностных слоев планеты — вибрации землетрясений или импульсы ядерных взрывов — распространяются не только по поверхности Земли, но и уходят глубоко в недра. Там они преломляются, увеличивая свою скорость прохождения — как преломляются световые волны, проходя через стекло или воду. Именно по тому, как изменяется сейсмическая волна при прохождении через планету, ученые сумели получить точные физические параметры ядра.


Схема движения сейсмических волн в теле Земли

Помогают геологам также различные косвенные признаки. Например, наблюдение за магнитным полем Земли позволяет отслеживать динамику вращения ядра. Ценные подсказки порой дает даже то, что совсем не предназначено для исследования глубин. Был случай, когда сбои в работе орбитального телескопа «Хаббл» позволили выявить изменение направления потоков в жидком внешнем ядре Земли, служащих причиной сдвига магнитных полюсов.

Структура и характеристики ядра

Путь к знаниям долгий и тернистый, но плоды их сладки. На сегодняшний день достоверно известны следующие физические характеристики ядра Земли:

  • Температура ядра Земли в центральной точке может доходить до 6000 градусов Цельсия — это столько же, как на поверхности Солнца! Но в отличие от светила, энергией глубины питают не ядерные реакции, а гравитация. Точнее, ее сжатие — давление в ядре превышает атмосферное в 3,5 миллиона раз, достигая отметки в 360 гигапаскаль. Хотя процессы атомного распада в глубинах Земли происходят, их вклад не столь большой. Да и без громадного сжатия они были бы вялотекущими и не столь продуктивными.

Классические основные сферы Земли
  • Ядро Земли достигает 7000 километров в поперечнике — это больше не только Луны, но и Марса! Оно занимает не так много места внутри нашей планеты — около 15% объема — но зато его масса в 1,932 × 1024 килограмм составляет 30% от всей массы Земли.
  • Оказывается, что разные слои ядра вращаются в разные стороны. Сегодня считается, что внешнее жидкое ядро вращается вокруг своей оси с востока на запад, а внутреннее — с запада на восток, при этом еще и быстрее Земли. Впрочем, разница не очень значительная — за год оно опережает планету всего на четверть градуса

Кроме того, новейшие исследования говорят о том, что внутри внутреннего ядра Земли лежит еще одно — «самое» внутреннее ядро, которое вращается вообще по другой оси. Давайте рассмотрим его и другие составляющие земного ядра подробнее.

Внешнее ядро

Самый первый слой ядра, который непосредственно контактирует с мантией — это внешнее ядро. Его верхняя граница находится на глубине 2,3 тысячи километров под уровнем моря, а нижняя — на глубине 2900 километров. По составу оно ничем не отличается от нижележащих оболочек — давления гравитации попросту недостаточно для того, чтобы раскаленный металл затвердел. Зато его жидкое состояние является главным козырем Земли в сравнении с другими внутренними планетами Солнечной системы.

Как работает геодинамо

Дело в том, что именно жидкая часть ядра ответственна за возникновение магнитного поля Земли. Как наверняка известно читателю, магнитосфера служит щитом планеты против заряженных частиц открытого космоса и солнечного ветра. Они даже более опасны, чем излучение — частицы способны вывести из строя не только живые организмы, но и электронику. Биологи считают, что именно активное магнитное поле стало залогом выживания первобытных одноклеточных существ.


Как именно генерируется магнитное поле? Его порождает вращение жидкого железа и никеля в ядре. Магнитные свойства металлов тут ни при чем — это исключительно динамический эффект. А еще внешнее ядро подогревает мантию — причем в отдельных местах настолько сильно, что восходящие потоки магмы достигают даже поверхности, вызывая извержения вулканов.

Внутреннее ядро

Внутри жидкой оболочки находится внутреннее ядро. Это твердая сердцевина Земли, диаметр которой составляет 1220 километров — такой же размер у Харона, спутника-напарника Плутона. Эта часть ядра очень плотная — средняя концентрация вещества достигает 12,8–13г/см3, что в два раза больше густоты железа, и горячая — накал достигает знаменитых 5–6 тысяч градусов по Цельсию.

Высокое давление в центре Земли заставляет металл затвердевать при температурах, превышающих точку его кипения. При этом формируются необычные кристаллы, которые отличаются устойчивостью даже в обычных условиях. Считается, что внутреннее ядро представляет собой лес из многокилометровых кристаллов железа и никеля, которые направлены с юга на север. Для того чтобы проверить эту теорию, японские ученые потратили десять лет на создание особой алмазной наковальни — только в ней можно добиться такого давления и температуры, как в центре нашей планеты.


Внутреннее и внешнее ядро Земли

«Внутреннее» внутреннее ядро, или гипотетическая матрешка

Еще во время начальных исследований ядра при помощи сейсмических волн, геологи заметили необычное отклонение колебаний внутри ядра по направлению с востока на запад. Так как из-за своего вращения Земля шире на экваторе, чем на полюсах, сперва на это не обратили внимание. Но последующее изучение выявило, что центральная часть ядра может быть всего лишь очередной оболочкой.

Что представляет собой «внутреннее» внутреннее ядро? Скорее всего, оно состоит из тех же металлических кристаллов — но направленных уже не на север, а на запад. Пока что неясно, что вызывает такое расслоение. Однако ориентация кристаллов указывает на то, что тут не обошлось без гравитационных взаимодействий с Солнцем или Луной.

«Внутреннее» внутреннее ядро в строении Земли

Механизм формирования ядра

Ядром обладают все планеты Солнечной системы, как и полноценные, так и карликовые — от величественного газового гиганта Юпитера до отдаленной и холодной Седны. Параметры ядра разнятся от объекта к объекту — так, у Меркурия ядро занимает 60% массы и 80% объема планеты, когда радиус ядра Луны составляет скромные 350 километров от 1735 километров общего радиуса спутника.

Тем не менее создание ядра любого космического тела, даже звезды, обязано одному интересному гравитационному явлению — дифференциации недр. Когда планеты только начинают формироваться из газовых туч вокруг молодой звезды, их вещество собирается вокруг первичных ядер: больших камней, сгустков льда или пыли. Когда молодая планета набирает достаточную массу, в действие вступает гравитация, втягивающая массивные элементы вроде железа к центру объекта — тем самым  более легкие вещества, как вот кремний или кислород, выталкиваются на поверхность.

Земля во время активной аккреции в представлении художника

Во время этих перемещений выделяется громадное количество энергии, из-за которой планета расплавляется, а гравитация придает ей характерную сферическую форму.  Тем самым процесс перемещения тяжелых веществ ускоряется. Астероиды, масса которых недостаточна для плавления, так и остались кучками пыли и камней, сбитыми вместе.

  • Интересный факт — хотя уран является одним из самых тяжелых элементов в природе, он проигнорировал дифференциацию недр и практически полностью остался на поверхности планеты, в земной коре. Причиной этому является то, что уран встречается лишь в связке с другими, более легкими элементами. Они и послужили ему «спасательным кругом», который удержал радиоактивный металл наверху.

А все тяжелые элементы, которые ушли вглубь — в первую очередь железо и никель — сформировали центр планеты. Ядро Земли прошло весь долгий путь от пыли на орбите новорожденного Солнца до многослойного металлического шара — и сегодня оно греет и защищает нашу планету изнутри.

Полная версия: https://spacegid.com/vnutrennee-i-vneshnee-yadro-zemli.html

Источник: zen.yandex.ru

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

Температура внутри Земли. Определение температуры в оболочках Земли основывается на различных, часто косвенных данных. Наиболее достоверные температурные данные относятся к самой верхней части земной коры, вскрываемой шахтами и буровыми скважинами до максимальных глубин- 12 км (Кольская скважина).

Нарастание температуры в градусах Цельсия на единицу глубины называют геотермическим градиентом, а глубину в метрах, на протяжении которой температура увеличивается на 10 С — геотермической ступенью. Геотермический градиент и соответственно геотермическая ступень изменяются от места к месту в зависимости от геологических условий, эндогенной активности в различных районах, а также неоднородной теплопроводности горных пород. При этом, по данным Б. Гутенберга, пределы колебаний отличаются более чем в 25 раз. Примером тому являются два резко различных градиента: 1) 150o на 1 км в штате Орегон (США), 2) 6o на 1 км зарегистрирован в Южной Африке. Соответственно этим геотермическим градиентам изменяется и геотермическая ступень от 6,67 м в первом случае до 167 м — во втором. Наиболее часто встречаемые колебания градиента в пределах 20-50o, а геотермической ступени -15-45 м. Средний геотермический градиент издавна принимался в 30oС на 1 км.

По данным В. Н. Жаркова, геотермический градиент близ поверхности Земли оценивается в 20o С на 1 км. Если исходить из этих двух значений геотермического градиента и его неизменности в глубь Земли, то на глубине 100 км должна была бы быть температура 3000 или 2000o С. Однако это расходится с фактическими данными. Именно на этих глубинах периодически зарождаются магматические очаги, из которых изливается на поверхность лава, имеющая максимальную температуру 1200-1250o. Учитывая этот своеобразный «термометр», ряд авторов (В. А. Любимов, В. А. Магницкий) считают, что на глубине 100 км температура не может превышать 1300-1500oС.

При более высоких температурах породы мантии были бы полностью расплавлены, что противоречит свободному прохождению поперечных сейсмических волн. Таким образом, средний геотермический градиент прослеживается лишь до некоторой относительно небольшой глубины от поверхности (20-30 км), а дальше он должен уменьшаться. Но даже и в этом случае в одном и том же месте изменение температуры с глубиной неравномерно. Это можно видеть на примере изменения температуры с глубиной по Кольской скважине, расположенной в пределах устойчивого кристаллического щита платформы. При заложении этой скважины рассчитывали на геотермический градиент 10o на 1 км и, следовательно, на проектной глубине (15 км) ожидали температуру порядка 150oС. Однако такой градиент был только до глубины 3 км, а далее он стал увеличиваться в 1,5-2,0 раза. На глубине 7 км температура была 120o С, на 10 км -180oС, на 12 км -220o С. Предполагается, что на проектной глубине температура будет близка к 280o С. Вторым примером являются данные по скважине, заложенной в Северном Прикаспии, в районе более активного эндогенного режима. В ней на глубине 500 м температура оказалась равной 42,2o С, на 1500 м-69,9oС, на 2000 м-80,4oС, на 3000 м — 108,3oС.

Какова же температура в более глубоких зонах мантии и ядра Земли? Более или менее достоверные данные получены о температуре основания слоя В верхней мантии (см. рис. 1.6). По данным В. Н. Жаркова, «детальные исследования фазовой диаграммы Mg2SiO4 — Fe2Si04 позволили определить реперную температуру на глубине, соответствующей первой зоне фазовых переходов (400 км)» (т.е. перехода оливина в шпинель). Температура здесь в результате указанных исследований около 1600 50o С.

Вопрос о распределении температур в мантии ниже слоя В и ядре Земли еще не решен, и поэтому высказываются различные представления. Можно только предположить, что температура с глубиной увеличивается при значительном уменьшении геотермического градиента и увеличении геотермической ступени. Предполагают, что температура в ядре Земли находится в пределах 4000-5000o С.

Средний химический состав Земли. Для суждения о химическом составе Земли привлекаются данные о метеоритах, представляющих собой наиболее вероятные образцы протопланетного материала, из которого сформировались планеты земной группы и астероиды. К настоящему времени хорошо изучено много выпавших на Землю в разные времена и в разных местах метеоритов. По составу выделяют три типа метеоритов: 1)железные, состоящие главным образом из никелистого железа (90-91% Fe), с небольшой примесью фосфора и кобальта; 2) железокаменные (сидеролиты), состоящие из железа и силикатных минералов; 3) каменные, илиаэролиты, состоящие главным образом из железисто-магнезиальных силикатов и включений никелистого железа.

Наибольшее распространение имеют каменные метеориты- около 92,7% всех находок, железокаменные 1,3% и железные 5,6%. Каменные метеориты подразделяют на две группы: а) хондриты с мелкими округлыми зернами — хондрами ( 90%); б) ахондриты, не содержащие хондр. Состав каменных метеоритов близок к ультраосновным магматическим породам. По данным М. Ботта, в них около 12% железоникелевой фазы.

На основании анализа состава различных метеоритов, а также полученных экспериментальных геохимических и геофизических данных, рядом исследователей дается современная оценка валового элементарного состава Земли, представленная в табл. 1.3.

Как видно из данных таблицы, повышенное распространение относится к четырем важнейшим элементам — О, Fe, Si, Mg, составляющим свыше 91%. В группу менее распространенных элементов входят Ni, S, Ca, A1. Остальные элементы периодической системы Менделеева в глобальных масштабах по общему распространению имеют второстепенное значение. Если сравнить приведенные данные с составом земной коры, то отчетливо видно существенное различие, заключающееся в резком уменьшении О, A1, Si и значительном увеличении Fe, Mg и появлении в заметных количествах S и Ni.

Фигуру Земли называют геоидом. О глубинном строении Земли судят по продольным и поперечным сейсмическим волнам, которые, распространяясь внутри Земли, испытывают преломление, отражение и затухание, что свидетельствует о расслоенности Земли. Выделяют три главные области:

  • земная кора;

  • мантия: верхняя до глубины 900 км, нижняя до глубины 2900 км;

  • ядро Земли внешнее до глубины 5120 км, внутреннее до глубины 6371 км.

Внутреннее тепло Земли связано с распадом радиоактивных элементов — урана, тория, калия, рубидия и др. Средняя, величина теплового потока составляет 1,4-1,5 мккал/см2.с.

— ? —

1. Каковы форма и размеры Земли?

2. Какие существуют методы изучения внутреннего строения Земли?

3. Каково внутреннее строение Земли?

4. Какие сейсмические разделы первого порядка четко выделяются при анализе строения Земли?

5. Каким границам соответствуют разделы Мохоровичича и Гутенберга?

6. Какая средняя плотность Земли и как она изменяется на границе мантии и ядра?

7. Как изменяется тепловой поток в различных зонах? Как понимается изменение геотермического градиента и геотермической ступени?

8. По каким данным определяется средний химический состав Земли?

Литература

  • Войткевич Г.В. Основы теории происхождения Земли. М., 1988.

  • Жарков В.Н. Внутреннее строение Земли и планет. М., 1978.

  • Магницкий В.А. Внутреннее строение и физика Земли. М., 1965.

  • Очерки сравнительной планетологии. М., 1981.

  • Рингвуд А.Е. Состав и происхождение Земли. М., 1981.

Источник: www.MyGeos.com


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.