Ядро Земли

Из анализа не фракционированных  хондритов и железных метеоритов известно первичное соотношение  изотопов гафния и вольфрама.

Если ядро образовалось через  время много большее, чем период полураспада 182Hf, то он бы успел почти  полностью превратиться в 182W, и изотопный  состав вольфрама в силикатной части  Земли и её ядре был бы одинаковый, такой же как в хондритах.

Если ядро формировалось  пока 182Hf ещё не распался, то силикатная оболочка Земли должна содержать  некоторый избыток 182W по сравнению  с хондритами, что реально и  наблюдается.

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

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

Теория Сорохтина и  Ушакова

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

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

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

Выводы  по  разделу пять

Образование ядра является одним из ключевых моментов истории  Земли. Расчеты  сделанные для металлических метеоритов, которые являются фрагментами ядер мелких планетарных тел, показали, что в них формирования ядра происходило значительно быстрее, за время порядка нескольких миллионов лет.

6. СОВРЕМЕННАЯ ГИПОТЕЗА О СОСТАВЕ И СВОЙСТВАХ ЯДРА ЗЕМЛИ

 

Ряд исследований последних лет показал аномальные свойства земного ядра, заставив геофизиков усомниться в верности устоявшихся о нём представлений. Объяснить загадки центральной части планеты попробовала группа учёных из Франции. Но для этого ей пришлось объявить: внутреннее ядро — структура намного более динамичная, нежели кто-либо мог предположить.

Ядро Земли разделено  на две части — жидкую внешнюю  и твёрдую внутреннюю. Обе содержат преимущественно железо, с добавкой никеля, кремния и небольшого количества иных элементов.

О характеристиках обеих  частей можно судить по прохождению  через них сейсмических колебаний  от крупных землетрясений. Именно так  было установлено, что волны, пересекающие восточную часть ядра, бегут быстрее, чем на западной его стороне, что  выглядит, по меньшей мере, странным.

Наличие твёрдого ядра Земли  было надёжно подтверждено в 2005 году. Пару лет назад учёные обосновали любопытное предположение о типе кристаллической структуры внутреннего  ядра и оценили температуру его  в древности, а значит, и темп остывания, скорость кристаллизации и наращивания  его диаметра и массы (иллюстрация  с сайта scienceahead.com).

Кроме того, на границе двух частей ядра обнаружился 250-километровый слой жидкости повышенной плотности. Вместе с тем, если постоянно растущее твёрдое  ядро забирает из расплава тяжёлые  элементы, остаток в прилегающих  слоях должен содержать больше элементов  лёгких, нежели другие уровни жидкого  ядра, стало быть, оказаться менее  плотным.

Так возникает противоречие, требующее объяснения. Ведь классические модели предполагают, что внутреннее ядро нашей планеты – образование  симметричное, однородное и практически  стабильное, разве что медленно растущее за счёт застывания вещества внешнего ядра.

Состыковать все наблюдения в цельную картину помогло  нынешнее предположение, выдвинутое группой  исследователей из университетов Жозефа Фурье (Université Joseph Fourier) и Лиона (Université de Lyon). Учёные утверждают, что внутреннее ядро Земли постоянно кристаллизуется  на западе и плавится на востоке.

Геометрический центр  внутреннего ядра O немного сдвинут  относительно центра Земли C на величину δ, которая была бы равна нулю, если бы строение ядра было более равномерным, а само ядро – симметричным. Сдвиг  приводит к тому, что части ядра на западе и востоке обладают немного  разной температурой (градиент серого на рисунке).

А это, в свою очередь, ведёт  к односторонним плавлению и  кристаллизации и приводит в движение всю массу ядра со скоростью V. Пунктир  – идеальное положение внутреннего  ядра в отсутствие градиентов плотности  и температуры (иллюстрация Thierry Alboussière et al./Nature).

Вся масса внутреннего  ядра медленно смещается от западной стороны к восточной, где разрушающееся  твёрдое вещество пополняет состав жидкой оболочки. На западе, соответственно, дело обстоит обратным образом.

Всё это напоминает бесконечную  бегущую дорожку, движущуюся со скоростью 1,5 сантиметра в год. С таким темпом внутреннее ядро перерабатывает себя полностью за 100 миллионов лет, —  говорят учёные.

Удивительный механизм постоянного  обновления ядра объясняет и плотную  жидкую прослойку на границе двух ядер, ведь она рождается из более  плотного материала самой сердцевины планеты.

Авторы новой гипотезы провели серию экспериментов  с прозрачным баком, наполненным  водным солевым раствором, в который  с двух сторон подавался тоже солевой  раствор, но большей и меньшей  концентрации, смешанный с красителем.

Анализ градиентов концентрации (цветные рисунки, проценты на метр) по горизонтали и вертикали, вместе с образованием ровного слоя повышенной плотности, убедил учёных, что аналогичным образом вокруг внутреннего ядра планеты может образовываться выделенный слой жидкости, обогащённой тяжёлыми элементами.

Ну а разница в соотношении  лёгких и тяжёлых элементов на западе и востоке ядра закономерно  приводит и к разнице скоростей  сейсмических волн, которую учёные и наблюдают.

Современная наука гласит: когда-то всё ядро планеты было жидким. Возраст внутреннего твёрдого ядра оценивается в 2-4 миллиарда лет, в  то время как самой Земле — 4,54 млрд.

Ранее учёные предполагали, что процесс застывания и роста  самой сердцевины нашего мира шёл, да и сейчас идёт практически симметрично. Новая же версия показывает: что-то давным-давно нарушило эту симметрию.

Сдвиг внутреннего ядра помещает две его противоположные половинки  выше и ниже адиабаты, то есть линии, отмечающей сбалансированную «энергетическую границу» между слоями. Соответственно, одно полушарие твёрдого ядра оказывается в зоне плавления, второе – в зоне кристаллизации.

При рассмотрении температур этих процессов следует также  учитывать, что на разных глубинах и  давление отличается. T – температура. На шкале r показано отклонение положения  восточной и западной поверхностей ядра относительно геометрически правильной сферы (иллюстрация Thierry Alboussière et al./Nature).

Скорость омоложения твёрдого ядра, утверждают французы, в 10-100 раз  превышает скорость роста его  диаметра, а это значит, что с  кристаллизующегося бока оно должно усваивать железо из окружающей жидкости быстрее, чем теряет этот элемент  с противоположной стороны.

Столь мощные процессы затвердевания  и плавления, очевидно, не могут не сказаться на конвективных потоках  в ядре внешнем. А значит, они затрагивают  и планетарную динамо-машину, и  земное магнитное поле, и поведение  мантии, и движение материков.

Не тут ли кроется разгадка несовпадения скорости вращения ядра и остальной планеты и путь к объяснению ускоряющегося сдвига магнитных полюсов?

Питер Ольсон (Peter Olson) из университета Джона Хопкинса (Johns Hopkins University), не принимавший  участия в новом исследовании, отмечает, что предложенная модель ядра гораздо проще объясняет  его загадки, нежели прежние гипотезы.

Последние, к примеру, выстраивают  обратную цепочку воздействия: от неравномерностей в движении вещества мантии к неравномерностям в потоках внешнего ядра и через  них — к аномалиям в распределении  вещества в ядре внутреннем. Впрочем, оба варианта вовсе не исключают  друг друга, а вполне могут оказаться  дополняющими.

Выводы  по  разделу шесть

Ряд исследований последних  лет показал аномальные свойства земного ядра, заставив геофизиков усомниться в верности устоявшихся  о нём представлений. Объяснить  загадки центральной части планеты  попробовала группа учёных из Франции. Но для этого ей пришлось объявить: внутреннее ядро — структура намного  более динамичная, нежели кто-либо мог  предположить.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

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).

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.

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.

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.

Образование ядра является одним из ключевых моментов истории  Земли. Расчеты  сделанные для  металлических метеоритов, которые  являются фрагментами ядер мелких планетарных  тел, показали, что в них формирования ядра происходило значительно быстрее, за время порядка нескольких миллионов  лет.

Ряд исследований последних  лет показал аномальные свойства земного ядра, заставив геофизиков усомниться в верности устоявшихся  о нём представлений. Объяснить  загадки центральной части планеты  попробовала группа учёных из Франции. Но для этого ей пришлось объявить: внутреннее ядро — структура намного  более динамичная, нежели кто-либо мог  предположить.

 

 

 

 

 

 

 

 

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

 

1. Джеффрис Г. Земля, ее происхождение, история и строение. - Самара, Изд-во Самар. гос. экон. акад., 2007. - 80 с.
2. Жарков В.Н. Внутреннее строение Земли и планет. - М.: ИНФРА – М, 2007. – 314 с.
3. Магницкий В.А. Внутреннее строение и физика Земли. – Петрозаводск: «Периодика», 2007. – 94 с.
4. Петрографический словарь, В. Рыка, А.Малишевская, - М.: Дело ЛТД, 2008. – 224 с.
5. Материал из GeoWiki - открытой энциклопедии по наукам о Земле/ http://wiki.web.ru
6. Ядро земли /http://www.walkinspace.ru/publ/6-1-0-43