Почему ядро земли горячее. Кто разогревает земное ядро? Зачем ядро земле

У ученых, кажется, появилось новое объяснение тому, почему земное ядро сохраняет твердое состояние, несмотря на то что его температура выше, чем температура поверхности Солнца. Оказывается, это может быть связано с атомной архитектурой кристаллизованного железного «шарика», расположенного в центре нашей планеты.

Исследователи предполагают, что для земного ядра может быть свойственно никогда невиданное доселе атомное состояние, которое позволяет ему выдерживать невероятные температуры и давление, характерные, согласно расчетам, для центра нашей планеты. Если ученые правы в этом вопросе, то это, возможно, поможет решить еще одну загадку, которая не давала покоя многие десятилетия.

Группа исследователей из шведского Королевского технологического института в Стокгольме использовали Triolith – один из самых производительных суперкомпьютеров страны – для симуляции атомного процесса, который бы мог происходить на глубине около 6400 километров под поверхностью земли. Как и в случае с любым другим металлом, атомные структуры железа способны изменяться под воздействием изменения температуры и давления. При комнатной температуре и при обычном давлении железо находится в так называемой фазе объёмно-центрированной кубической структуры (ОЦК) кристаллической решетки. Под высоким же давлением решетка переходит в гексагональную плотноупакованную фазу. Этими терминами описывается расположение атомов внутри кристаллической решетки металла, которые, в свою очередь, отвечают за прочность и другие его свойства, вроде того, останется ли металл в этом случае в твердом состоянии или нет.

Ранее считалось, что твердое, кристаллизованное состояние железа в земном ядре объясняется тем, что оно находится в гексагональной плотноупакованной фазе кристаллической решетки, так как условия для ОЦК здесь слишком нестабильны. Однако новое исследование может указывать на то, что среда в центре нашей планеты на самом деле закаляет и уплотняет состояние ОЦК, а не разрушает.

«В условиях земного ядра ОЦК решетка железа демонстрирует ранее невиданную картину диффузии атомов. ОЦК-фаза проходит под девизом «что меня не убивает, то делает сильнее». Нестабильность способна прервать ОЦК-фазу при низкой температуре, однако высокая температура, наоборот, повышает стабильность этой фазы», — говорит ведущий исследователь Анатолий Белоношко.

В качестве аналогии повышенной активности атомов в железе в центре Земли Белоношко приводит колоду тасующихся карт, где атомы (представленные картами) могут постоянно и очень быстро между собой перемешиваться под воздействием повышенной температуры и давления, но при этом колода остается единым целым. И показатели эти очень впечатляют: в 3,5 миллиона раз выше того давления, что мы испытываем на поверхности, и примерно на 6000 градусов Цельсия выше температура.

Данные, полученные с помощью суперкомпьютера Triolith, также показывают, что до 96 процентов (выше, чем показывали предыдущие расчеты) от массы внутреннего земного ядра, вероятнее всего, приходится именно на железо. Оставшаяся часть приходится на никель и другие легкие элементы.

Еще одна загадка, которая может быть решена благодаря последним исследованиям, заключается в том, почему сейсмические волны двигаются быстрее между полюсами, а не через экватор. Это явление часто называют анизотропией. Исследователи говорят, что особенности поведения ОЦК решетки в железе под воздействием экстремальных условий, свойственных для центра Земли, могут быть достаточны для крупномасштабного эффекта анизотропии, что, в свою очередь, создает для ученых еще одно поле для исследований в будущем.

Важно отметить, что это предположение выведено на базе конкретно взятых компьютерных симуляций внутренних динамических процессов Земли, и на базе других моделей результаты подсчетов могут отличаться. До тех пор, пока мы не придумаем, как опустить на такую глубину соответствующие научные инструменты, мы не сможем со стопроцентной уверенностью говорить о правильности расчетов. А учитывая ту температуру и давление, которые там могут иметь место, получение прямых доказательств активности ядра планеты, возможно, для нас будет и вовсе невозможным.

И все же, несмотря на сложности, важно продолжать подобные исследования, потому что как только мы сможем больше узнать о том, что же на самом деле происходит внутри нашей планеты, у нас будет больше шансов на то, чтобы узнать, что будет дальше.

Одним из первых, кто предположил, что в центре Земли существует область повышенной плотности, был Генри Кавендиш. Ему удалось высчитать массу и среднюю плотность планеты и установить, что она значительно больше, чем плотность у пород

Ядро Земли является центральной, наиболее глубокой частью Земли, расположенной под мантией планеты.
Оно залегает на глубине 2900 км. Средний радиус сферы составляет 3,5 тыс. км. Температура на поверхности твердого ядра Земли достигает 6230±500 K (5960±500°C), в центре плотность составляет около 12,5 т/м³, давление – до 361 ГПа (3,7 млн атм). Масса ядра - 1,932·1024 кг. Вещество, из которого состоит ядро Земли, разогревает давление (гравитация).

Информации о ядре Земли очень мало, даже та, что имеется, получена косвенными геофизическими или геохимическими методами. Пока не представляется возможным взять образцы вещества ядра. Его состав непосредственно неизвестен. Предположительно он состоит из железо-никелевого сплава с примесью других сидерофильных элементов.

В сторону архипелага Северная Земля со скоростью 55 километров в год. Ученые предполагают: готовится смена полюсов из-за волнений в жидкой части ядра планеты, недоступной прямым наблюдениям. Что именно там происходит, понять трудно, но есть много гипотез.

Миссия к «железному миру»

В 2022 году NASA собирается отправить аппарат к астероиду Психея, находящемуся между Марсом и Юпитером. Его называют железным миром.

По отражению лучей с поверхности, по тому, как быстро она нагревается и остывает, ученые поняли, что это если не полностью, то по большей части металл. Не исключено, что именно оттуда к нам прилетают железные метеориты. Это происходит очень редко, всего известно не более двух сотен таких событий.

Предполагается, что Психея - ядро планеты земной группы, которая лишилась внешних оболочек. Вместе с Землей и Венерой эта планета формировалась вблизи Солнца, но затем что-то случилось. Может, катастрофа, а может, всему виной повторные разогревы планетоземали - сгустков материи, из которых образуются планеты.

Ученые непременно хотят попасть в «железный мир», и не только ради геологической разведки месторождений в интересах наших потомков. В первую очередь - чтобы вплотную исследовать аналог ядра Земли.

Почему ядро железное

Ядро Земли - интереснейший объект. Его состав и температура отражаются на вышележащих слоях и атмосфере. Ядро - источник магнитного поля, благодаря которому возникла жизнь. Там же - ключ к тайне образования планет земной группы.

Недра Земли исследуют с помощью сейсмических волн и моделирования. Грубо говоря, планета состоит из верхней оболочки - коры, мантии и ядра.

О том, что ядро - железное, свидетельствует несколько фактов. У Земли собственное магнитное поле, словно диполь вставлен по оси вращения. Мантия не может генерировать такое поле, она слишком слабо проводит электрический ток. Согласно модели геодинамо на это способна только проводящая жидкость. Значит, часть ядра - жидкая. Железо - один из самых распространенных элементов в Солнечной системе. Это подтверждается его обилием в метеоритах.

Во внешней части ядра не проходят упругие S-волны, значит, она жидкая. Внутренняя часть ядра радиусом примерно 1221 километр слабо распространяет S-волны - соответственно, она либо твердая, либо в состоянии, симулирующем твердость. Граница двух слоев в ядре довольно четкая, как и между ядром и нижней мантией.

Считается, что ядро железное, с небольшими примесями никеля (на это указывает состав железных метеоритов), кремния, сульфидов и кислорода.

Некоторые особенности прохождения сейсмоволн говорят о том, что внутреннее твердое ядро вращается слегка быстрее, чем мантия и кора, примерно на 0,15 градуса в год.

Когда и как образовалось ядро Земли? Каково в нем соотношение химических элементов? Почему оно не однородное? Какая там температура? Где источник энергии? И главное, почему ядро вообще сформировалось внутри планеты? По каждому из этих и множеству других вопросов есть немало гипотез.

Кому из близнецов повезло

Венеру считают близнецом Земли - она лишь немного меньше по массе и размерам. Но нынешние условия на ее поверхности совершенно другие. У Земли есть собственное магнитное поле, атмосфера и биосфера.

У Венеры из этого списка - только ядовитая атмосфера с облаками из серной кислоты. Следов магнитного поля нет и в геологическом прошлом, хотя они могли и исчезнуть. Вероятно, все дело в происхождении близнецов.

Венера и Земля образовались в одной части газопылевой туманности, окружавшей Солнце. Зародыши планет увеличивались, притягивая к себе все больше материала. Когда масса стала критической, начались разогрев, плавление. Вещество разделялось на фракции: тяжелые элементы оседали внутри, легкие поднимались наверх.

Как полагают ученые из Германии, Японии и Франции, расслоение таких тел, как Земля, идет равномерно и стабильно, каждый слой - однородный. Чтобы ядро получилось двухслойное и неоднородное, где-то ближе к концу процесса планета должна была испытать очень сильный удар другого массивного тела. Часть вещества «пришельца» осталась в недрах Земли, часть была выбита на орбиту, где затем образовалась Луна. От удара внутренности планеты перемешались, и это привело к частичному плавлению ядра.

А вот эволюция Венеры прошла гладко, без ЧП космического масштаба. Расслоение благополучно завершилось с образованием твердого железного ядра, неспособного генерировать магнитное поле.

Есть и другая гипотеза: спонтанная кристаллизация железного расплава. Однако для этого ему нужно остыть до тысячи Кельвинов, что невозможно.

Значит, зародыши кристаллизации проникли извне, сделали вывод ученые из США. Например, из нижней мантии. Это крупные куски железа размером десятки и сотни метров. Откуда им там взяться - большой вопрос.

Один из ответов лежит на поверхности Земли в виде древних железистых кварцитов. Возможно, более трех миллиардов лет назад из этих пород сложилось дно океанов. Из-за движения плит оно погрузилось в мантию и оттуда - в ядро.

Создание магнитного щита

Соотношение радиоактивных изотопов свинца указывает на возраст ядра: порядка четырех с половиной миллиардов лет. Когда возникло магнитное поле, неизвестно. Его следы встречаются уже в самых древних горных породах Земли возрастом 3,5 миллиарда лет.

В соответствии с моделью геодинамо для магнитного поля Земли нужна проводящая жидкость, вращение которой сопровождается перемешиванием.

Проблема в том, что магнитное поле у быстро вращающихся жидкостей рано или поздно затухает. Судя по геологическим данным, на видимом нам отрезке времени интенсивность магнитного поля Земли не менялась. Должен быть какой-то постоянный мощный источник энергии.

На эту роль есть два кандидата. Температурная конвекция, возможная, если внутреннее ядро горячее внешнего, и композиционная конвекция, то есть перемещение элементов из одной части в другую. Это означает, что твердая часть ядра увеличивается. Но бояться полного застывания не стоит. На это понадобится не один миллиард лет.

Британские ученые составили новую модель процессов, происходящих в земном ядре. Она несколько расходится с традиционной, согласно которой ядро постепенно остывает. Исследователи выяснили, что оно кое-где, наоборот, нагревается, поскольку его взаимодействие с корой и мантией более активно. Как это может сказываться на обитателях поверхности Земли?

Надобно заметить, что находящееся в центре нашей планеты субстанция, называемая ядром — вещь весьма загадочная. А все потому, что, как вы понимаете, до сих пор не один ученый не держал в руках даже самый крошечный образец ядерного вещества. При современных технологиях добыть его не представляется возможным, ведь ядро залегает на глубине 2900 км от поверхности, а максимальная глубина, на которую ученым удалось пробурить кору нашей планеты — 12 км. 290 метров (такова глубина нефтяная скважина Maersk Oil BD-04A, находящийся в нефтяном бассейне Аль-Шахин на территории Катара).

Поэтому до сих пор наши знания о том, что находится в самом сердце Земли, весьма приблизительны. Предполагается, что ядро состоит из железоникелевого сплава с примесью других элементов, родственных железу. Средний радиус сферы ядра составляет примерно 3,5 тыс. км (что примерно в два раза больше Луны), а его масса — около 1,932×10 24 кг. При этом ядро разделяется на твердое внутреннее, радиусом около 1300 км, и жидкое внешнее, чей радиус примерно 2200 км, между которыми, как считают некоторые ученые, существует переходная зона.

Традиционно считается, что на такой глубине условия поистине адские: температура в центре ядра достигает 5000º С, плотность вещества там около 12,5 т/м³, а давление доходит до 361 ГПа. Из этого следует, что вообще-то от ядра хрупким живым существам необходимо держаться подальше. В то же время интерес к этой субстанции нашей достаточно велик. И вовсе не из-за того, что, согласно данным геохимиков, в центральной сфере планеты сосредоточено до 90% всех благородных металлов. Дело в том, что именно ядро способствует активному движению вещества в следующем слое Земли, мантии (так называемая мантийная конвекция, подробнее о ней читайте в статье "Вулканы — уровень тревоги растет "), которое "аукается" на поверхности такими неприятными для нас явлениями, как землетрясения, извержения вулканов.

Кроме того, считается, что ядро порождает магнитное поле Земли, значение которого для жизни нашей планеты (и жизни на ней) трудно переоценить. "Природа магнитосферы Земли остается загадкой. Мы не можем отправиться к центру Земли и получить образцы оттуда. Нам остается полагаться лишь на косвенные измерения, проводимые у поверхности, и на теоретические модели, способные раскрыть происходящее в ядре" — говорит один из ученых, занимающихся исследованием процессов, происходящих в ядре и около него, геофизик Йон Маунд из Лидского университета (Великобритания).

Недавно именно группа Маунда, проанализировав некоторые данные последних лет, представила очень интересную модель современного состояния ядра. Традиционно считалось, что, возникнув примерно 4,5 миллиарда лет назад земное ядро сначала было раскаленным, а потом начало медленно остывать (этот процесс продолжается и по сей день). Тепло, которое выделяется при этом "замерзании" ядра, поднимается через мантию вплоть до коры в ходе конвекции — логично предположить, что более теплое, и, соответственно, менее плотное вещество мантии поднимается к поверхности, а более холодное и тяжелоеопускается к ядру. Именно эти потоки в сочетании с вращением самой планеты, считается, и подпитывает работу "внутреннего динамо" Земли, создающего ее магнитное поле.

Однако Маунд и его коллеги пришли к выводу, что не все так просто. Согласно их модели, в ядре может идти и обратный процесс, приводящий не только к его остыванию, но и к нагреванию и даже подплавлению этой субстанции. В своей работе они учли как характеристики процесса конвекции, так и последние сейсмические данные. В результате сложилась весьма интересная картина — согласно модели Маунда, течение тепла на границе ядра и мантии может принимать очень разный характер, зависящий от структуры вышележащего мантийного слоя. В некоторых областях Земли, где этот слой и так перегрет, это приводит к тому, что тепловая энергия словно бы "отражается" от мантии и направляется обратно к ядру, в итоге подплавляя его.

В частности, в таком сейсмически активном регионе, как Тихоокеанское вулканическое огненное кольцо (начинается от полуострова Камчатка, далее идет через Курильские, Японские, Филиппинские острова, к Новой Гвинее, Соломоновым острова, Новой Зеландиии, северо-западу Антарктиды, островам Огненной Земли, и возвращаясь через Анды, Кордильеры и Алеутские островов вновь на Камчатку.), где океаническая кора погружается в мантию, толстый слой твердых литосферных плит отнимает от мантии тепло и остужает ее. В результате остывшая мантия начинает вытягивать тепло из самого ядра. Поэтому та часть, что находится под вышеописанным регионом в настоящее время продолжает остывать.

А вот под обширными регионами Африки и центрального Тихого океана наблюдается совсем другая картина. Там температура мантии значительно выше, поскольку лежащая над ней земная кора не отнимает, а наоборот, отдает ей тепло. В результате мантия, работая как гигантский теплоизолятор, вызывает отражение идущего от ядра инфракрасного излучения (поскольку, согласно Второму началу термодинамики, тепло может идти лишь от более нагретого к менее нагретому телу, но никогда наоборот), что вызывает разогрев и последующее подплавление центрального слоя Земли.

Итак, получается, что взаимодействие ядра и мантии куда более сложные, чем те, которые описывает традиционная модель. А ведь изменение температуры ядра и его плотности обязательно должно сказываться на состоянии магнитного поля. Возможно, некоторые до сих пор необъяснимые возмущения, происходящие в магнитосфере нашей планеты (так называемые геомагнитные бури) как раз связаны с неравномерностью остывания ядра? Возможно также, что ядерно-мантийные взаимодействия могут более активно влиять на глобальные процессы, вроде климатических изменений, происходящие на поверхности нашей планеты.

МОСКВА, 13 июн - РИА Новости, Татьяна Пичугина. Северный магнитный полюс продолжает смещаться с территории Канады в сторону архипелага Северная Земля со скоростью 55 километров в год. Ученые предполагают: готовится смена полюсов из-за волнений в жидкой части ядра планеты, недоступной прямым наблюдениям. Что именно там происходит, понять трудно, но есть много гипотез.

Миссия к "железному миру"

Ученые непременно хотят попасть в "железный мир", и не только ради геологической разведки месторождений в интересах наших потомков. В первую очередь - чтобы вплотную исследовать аналог ядра Земли.

Почему ядро железное

Кому из близнецов повезло

Как полагают ученые из Германии, Японии и Франции, расслоение таких тел, как Земля, идет равномерно и стабильно, каждый слой - однородный. Чтобы ядро получилось двухслойное и неоднородное, где-то ближе к концу процесса планета должна была испытать очень сильный удар другого массивного тела. Часть вещества "пришельца" осталась в недрах Земли, часть была выбита на орбиту, где затем образовалась Луна. От удара внутренности планеты перемешались, и это привело к частичному плавлению ядра.

© Иллюстрация РИА Новости. Алина Полянина, NASA Более четырех миллиардов лет назад Земля столкнулась с массивным космическим телом. В результате удара ее формирующееся ядро перемешалось, в нем выделилась жидкая внешняя часть, и это привело к возникновению магнитного поля. Ударом выбило часть вещества Земли, из которого возникла Луна