Ядро земли картинки


    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.

Ядро земли картинки
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.
оединяющие 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».


Ядро земли картинки
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».


Ядро земли картинки
    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.

Ядро земли картинки
    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.


Ядро земли картинки
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.
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.

Ядро земли картинки
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.

Ядро земли картинки
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».

Ядро земли картинки
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).

Ядро земли картинки
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.

Ядро земли картинки
    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

Строение земной коры

Большая часть коры снаружи покрыта гидросферой, а меньшая граничит с атмосферой. В соответствии с этим различают земную кору океанического и материкового типов, причем они имеют различное строение.

Материковая (континентальная) земная кора занимает меньшую площадь (около 40 % от всей поверхности Земли), но имеет более сложное строение. Под высокими горами ее толщина достигает 60—70 км. Состоит континентальная кора из 3 слоев — базальтового, гранитного и осадочного. Океаническая земная кора более тонкая — всего 5—7 км. Состоит она из двух слоев: нижнего — базальтового и верхнего — осадочного.

Земная кора наиболее изучена на глубину до 20 км. По результатам анализа многочисленных образцов горных пород и минералов, выходящих на поверхность земли при горообразовательных процессах, а также взятых из горных выработок и глубоких буровых скважин, был вычислен средний состав химических элементов земной коры.

Пограничный слой, разделяющий мантию и кору Земли, называют границей Мохо-ровичича, или поверхностью Мохо, в честь хорватского ученого А. Мохоровичича. Он первым в 1909 г. указал на характерное повеление сейсмических волн при переходе границы, которая прослеживается по всему земному шару на глубине от 5 до 70 км.

Как изучают мантию?

Мантия находится глубоко под Землей, и даже самые глубокие буровые скважины не доходят до нее. Но иногда при прорыве газов через земную кору образуются так называемые кимберлитовые трубки. Через них на поверхность поступают мантийные породы и минералы. Самый знаменитый из них — это алмаз, самый глубокорасположенный фрагмент нашей планеты, который мы можем изучать. Благодаря таким трубкам мы можем судить о строении мантии.

Источник: SiteKid.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» 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

Рис. 1. Схематическое изображение внутренних оболочек Земли: земной коры, верхней мантии, нижней мантии, внешнего ядра и внутреннего ядра. Рисунок с сайта pinterest.com

То, что ядро Земли состоит из двух слоев, вещество которых по-разному пропускает сейсмические волны, известно давно. Но если по поводу жидкой природы внешнего ядра сомнений не было, то по поводу состояния внутреннего ядра ученые-геофизики спорят уже более 80 лет. Наконец получены убедительные доказательства того, что внутреннее ядро твердое. Но не совсем: оно обладает определенными признаками пластичности.

Несмотря на технический прогресс, в обозримом будущем люди вряд ли смогут физически проникнуть в мантию Земли, а уж тем более — в ее ядро: пока удалось углубиться лишь на 12 километров в земную кору (см. Кольская сверхглубокая скважина) и этот рекорд еще долго не будет побит. Но знания о том, что представляют собой внутренние оболочки планеты, чрезвычайно важны для понимания физических процессов, определяющих развитие Земли. Для изучения глубоких недр используют геофизические методы, в первую очередь — сейсмические. Именно использование сейсмических методов, основанных на изучении скорости распространения объемных сейсмических волн в толще Земли, позволило ученым провести границы между зонами внутренних неоднородностей в теле планеты и определить, что земная толща подразделяется на верхнюю мантию, нижнюю мантию, внешнее ядро и внутреннее ядро (рис. 1).

Объемные сейсмические волны, используемые в геофизических наблюдениях, делятся на продольные P-волны, в которых упругие механические колебания совершаются вдоль направления распространения, и поперечные S-волны, в которых колебания перпендикулярны направлению распространения. Первичным источником сейсмических волн для глубинных исследований обычно служат природные землетрясения, а для фиксации отклика прошедших сквозь недра Земли волн используют сейсмографы. Любой сейсмический импульс «запускает» одновременно оба типа волн — и продольные, и сдвиговые, которые по-разному преломляются (или отражаются) на границах сред с разной плотностью. Если Р-волны проходят через любые материалы, то S-волны, которые еще называют сдвиговыми волнами (так как они являются деформациями сдвига), распространяются только в твердых телах, поскольку модуль сдвига в жидкостях и газах равен нулю.

Предположение о том, что ядро Земли неоднородно, а состоит из двух оболочек — внешней расплавленной и внутренней твердой — было высказано еще в 1936 году датским геофизиком Инге Леманн на основе анализа прохождения сквозь тело Земли сейсмических волн от крупного землетрясения в южной части Тихого океана. Последующие исследования подтвердили, что на глубине около 5100 км от поверхности Земли находится четкая граница, фиксирующаяся по преломлению и отражению продольных сейсмических волн, — она и считается разделом между внешним и внутренним ядром. Верхняя граница внешнего ядра находится на глубине около 2900 км от поверхности.

Тот факт, что сдвиговые волны практически не распространяются во внешнем ядре, свидетельствует о том, что вещество этой оболочки находится в жидком состоянии. Что касается, внутреннего ядра, то неоднозначность интерпретации сейсмических данных, связанных с ним, долгие годы служила поводом для дискуссии о том, твердое оно или нет. С одной стороны, характер преломления и отражения продольных волн от его поверхности говорили в пользу предположения о твердом внутреннем ядре. Да и при тех давлениях, которые существуют на этих глубинах (около 3,8 млн бар), вряд ли можно представить себе другое состояние вещества. Но для однозначного подтверждения этой версии нужно было зафиксировать распространение в нем сдвиговых волн, что было сделать весьма проблематично, так как волны этого типа практически не проходят через окружающую внутреннее ядро жидкую оболочку внешнего ядра.

Для обозначения волн разных типов, распространяющихся сквозь внутренние оболочки Земли, геофизики пользуются следующими обозначениями:

P — продольные волны в мантии;

S — сдвиговые волны в мантии;

K — продольные волны во внешнем ядре;

I — продольные волны во внутреннем ядре;

J — сдвиговые волны во внутреннем ядре.

Источник: pikabu.ru

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. Мы 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


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.