Ядро Земли

АННОТАЦИЯ

 

                       Бобкова О.А.  Ядро Земли–

  Челябинск:  ЮУрГУ, ТЭ-250

                                                                                        20 с., 1 табл .,

                                                                                        библиогр. список  – 6  наим. 

       

Цель реферата  – изучить теории состава  и значения ядра Земли.

Задачи  реферата  –  ознакомиться с историей изучения ядра Земли; определить состав ядра Земли; рассмотреть внешнее и внутреннее ядро, образование ядра Земли; описать современную гипотезу о составе и свойствах ядра Земли.

Рассмотрены   теории изучения ядра Земли, а также изучены современная  гипотеза французских исследователей  о составе и свойствах ядра Земли. Сделано заключение, что единой общепризнанной теории, объясняющей и описывающей ядро Земли, на данный момент не существует.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

 

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………….……………………….. 4

1. ИСТОРИЯ ИЗУЧЕНИЯ ЯДРА  ЗЕМЛИ…………….…………………………….6

2. СОСТАВ ЯДРА ЗЕМЛИ……………………………………….…………………..7

3. ВНЕШНЕЕ ЯДРО И ЕГО  ЗНАЧЕНИЕ ДЛЯ ЗЕМЛИ……………………………10

4. ВНУТРЕННЕЕ ЯДРО………………………………………………………………11

5. ОБРАЗОВАНИЕ ЯДРА…………………………………………………………….12

6. СОВРЕМЕННАЯ ГИПОТЕЗА  О СОСТАВЕ И СВОЙСТВАХ ЯДРА  ЗЕМЛИ..14

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ………………………………………………………………………18

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК……………………………………………….20

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Ядро Земли - центральная, наиболее глубокая часть планеты Земля, геосфера, находящаяся под мантией Земли и, предположительно, состоящая из железо-никелевого сплава с примесью других сидерофильных элементов. Глубина залегания - 2900 км. Средний радиус сферы - 3,5 тыс. км. Разделяется на твердое внутреннее ядро радиусом около 1300 км и жидкое внешнее ядро радиусом около 2200 км, между которыми иногда выделяется переходная зона. Температура в центре ядра Земли достигает 5000 С, плотность около 12,5 т/м³, давление до 361 ГПа (3,7 млн атм). Масса ядра - 1,932·10²⁴ кг.

Тема актуальна, потому что  известно о ядре очень мало - вся информация получена косвенными геофизическими или геохимическими методами. Образцы вещества ядра недоступны.

Цель работы: изучить теории состава  и значения ядра Земли.

Задачи:

1. Ознакомиться с историей  изучения ядра Земли.

2. Определить состав ядра  Земли .

3. Рассмотреть внешнее  и внутреннее ядро, образование  ядра Земли.

6. Описать современную  гипотезу о составе и свойствах ядра Земли.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. ИСТОРИЯ ИЗУЧЕНИЯ  ЯДРА ЗЕМЛИ

 

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 году немецким сейсмологом Э. Вихертом, а глубина залегания (2900 км) определена в 1910 году 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 Е. Орован и советский учёный А. П. Виноградов (1960-е-70-е годы).

В 1941 году Кун и Ритман, основываясь на гипотезе идентичности состава Солнца и Земли и на расчетах фазового перехода в водороде, предположили, что земное ядро 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 позже эта гипотеза была адаптирована для объяснения строения планет-гигантов - Юпитера, Сатурна и других. Сейчас предполагается, что магнитное поле таких планет 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 1.36 Мбар мантийные силикаты переходят в жидкую металлическую фазу (металлизованное силикатное ядро).

Выводы  по  разделу  один

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.

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 Е. Орован и советский учёный А. П. Виноградов (1960-е-70-е годы).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. СОСТАВ ЯДРА ЗЕМЛИ

 

Состав ядра непосредственно  неизвестен, 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 каким-либо образом рассчитать первичный состав Земли и вычислить, какая доля элементов находится в других геосферах, то тем самым можно построить оценки состава ядра. Большую помощь в таких вычислениях оказывают высокотемпературные и высокобарические эксперименты по распределению элементов между расплавленным железом и силикатными фазами.

О.Г. Сорохтин предложил гипотезу о составе внешнего ядра из так называемого «ядерного вещества», не существующего при нормальных условиях. «Ядерное вещество» представляет собой оксид одновалентного железа Fe₂O. При давлении 250-300 ГПа »ядерное вещество» разлагается на железо и кислород, поэтому внутреннее ядро, давление в котором превышает упомянутое значение, состоит из железа с примесью никеля.

По мнению Сорохтина, со временем оксиды железа из мантии Земли под  действием силы тяжести опускаются в ядро, превращаясь в «ядерное вещество». При этом выделяется кислород, причём по мере уменьшения количества оксидов железа в мантии его выделяется всё больше. Часть этого кислорода поступает в атмосферу. До начала фанерозоя кислорода образовывалось крайне мало, затем увеличение его концентрации в атмосфере вызвало резкий всплеск развития жизни на Земле («кембрийский взрыв»).

Но именно ещё большее  увеличение парциального давления кислорода  в атмосфере Земли через 500-600 миллионов  лет (до значения порядка 0,5 МПа) вызовет  глобальное потепление и вымирание  всех живых организмов, а затем  и полное выкипание океана задолго  до превращения Солнца в красный гигант.

Таблица 1 - 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., 2005	7.35	79.39	4.87	2.30	4.10	5820	7790	2530	3690
Mc Donough 2008	6.0	85.5	5.20	1.90	0	300	9000	2500	2000

 

Выводы  по  разделу два

Состав ядра непосредственно  неизвестен, и может быть предположительно оценён из нескольких источников. 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 каким-либо образом рассчитать первичный состав Земли и вычислить, какая доля элементов находится  в других геосферах, то тем самым  можно построить оценки состава  ядра. Большую помощь в таких вычислениях  оказывают высокотемпературные  и высокобарические эксперименты по распределению элементов между  расплавленным железом и силикатными  фазами.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. ВНЕШНЕЕ ЯДРО И ЕГО ЗНАЧЕНИЕ ДЛЯ ЗЕМЛИ

 

Внешнее ядро Земли —  жидкий слой толщиной около 2266 километров. Он состоит из железа и никеля. Ядро расположено выше твердого внутреннего  ядра Земли и ниже ее мантии. Его  внешняя граница — 2890 км (1800 миль) под поверхностью Земли. Переход  от внутреннего ядра и внешнего ядра находится на глубине около 5150 км под поверхностью Земли. Диапазон температур во внешнем ядре составляет от 4400 ° C во внешних областях до 6100 ° C недалеко от внутреннего ядра. Внешнее ядро ​​не находится под достаточным давлением, чтобы быть твердым, так что жидкость, даже если она имеет состав, похожий на внутреннее ядро, остается жидкостью. Сера и кислород также иногда встречаются во внешнем ядре. Вихревые токи в жидкости внешнего ядра, как считается, влияют на магнитное поле Земли. Средняя напряженность магнитного поля во внешнем ядре Земли — 25 Гаусс, в 50 раз сильнее, чем магнитное поле на поверхности[1][2]. Без внешнего ядра, жизнь на Земле была бы совсем другой. Конвекция жидких металлов во внешнем ядре создает магнитное поле Земли[3]. Это магнитное поле простирается от Земли на несколько тысяч километров, и создает некий защитный пузырь вокруг Земли, который сохраняет Землю от солнечного ветра. Без этого поля, солнечный ветер будет напрямую попадать в атмосферу Земли. Это уничтожило бы атмосферу Земли, что сделало бы нашу планету почти безжизненной. Ученые предполагают, что подобная ситуация случилась с Марсом[4].

Выводы  по  разделу три

Внешнее ядро Земли —  жидкий слой толщиной около 2266 километров. Он состоит из железа и никеля. Ядро расположено выше твердого внутреннего  ядра Земли и ниже ее мантии. Внешнее ядро ​​не находится под достаточным давлением, чтобы быть твердым, так что жидкость, даже если она имеет состав, похожий на внутреннее ядро, остается жидкостью. Конвекция жидких металлов во внешнем ядре создает магнитное поле Земли.

4. ВНУТРЕННЕЕ ЯДРО

 

Внутреннее ядро — самая  глубокая геосфера Земли, имеющая радиус около 1220 км (около 70% радиуса Луны). В отличие от жидкого внешнего ядра, находится в твёрдом состоянии. О его существовании известно по преломлению и отражению продольных сейсмических волн. Его масса - 9,675·1022 кг.[источник не указан 771 день] Средняя плотность внутреннего ядра 12,85 г/см³. Плотность в центре ядра - 13,01 г/см³.

Внутреннее ядро открыла  в 1936 г. датский геофизик И. Леманн[1], по наблюдениям землетрясений генерирующих сейсмические волны , которые частично отражаются от его границы и могут  быть обнаружены с помощью чувствительных сейсмографов на поверхности Земли. Эта граница называется как разрыв Буллена [2] , а иногда и разрыв Леманн [3].

Время начала кристаллизации внутреннего ядра оценивается в 2 миллиарда лет тому назад.

Сейсмические исследования свидетельствуют, что во внутреннем ядре фиксируется анизотропия скоростей  сейсмических волн: скорость распространения  продольных волн на 3-4 % больше вдоль  полярной оси, нежели в экваториальном плане.

Существует также точка зрения, что внутреннее ядро находится не в кристаллическом, а в специфическом состоянии, схожем с аморфным, и его упругие свойства обусловлены давлением.

Выводы  по  разделу четыре

Внутреннее ядро — самая  глубокая геосфера Земли, имеющая радиус около 1220 км (около 70% радиуса Луны). В отличие от жидкого внешнего ядра, находится в твёрдом состоянии. Существует также точка зрения, что внутреннее ядро находится не в кристаллическом, а в специфическом состоянии, схожем с аморфным, и его упругие свойства обусловлены давлением.

 

5. 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.