Ядро земли

Доказательства по составу

Основные физические данные – масса, форма Земли, средняя плотность, момент количества движения – показывают, что по направлению вглубь планеты увеличивается количество материала, масса которого весьма отличается от массы верхних слоев горных пород. Это должна быть материя, которая значительно тяжелее, чем та, которая встречается на поверхности. Даже породы, из которых состоит верхняя мантия, не обладают такой высокой плотностью, какая соответствовала бы физическим свойствам требуемым средней плотностью всего земного шара. Конечно,  состав и строение Солнца как звезды очевидно совсем другое.

Поэтому предположение о наличии тяжелого центра нашей планеты является, с физической точки зрения, в сущности, единственным решением. Возможно есть вырожденное вещество со свободными электронами.  И с космохимической точки зрения, при сравнении количества элементов в метеоритах и состава звезд следует, что Земля должна иметь внутри гораздо больше тяжелых элементов, чем находится на ее поверхности: например, больше железа, чем встречается в верхних горных породах и в породах верхней мантии. Но где-то на планете оно должно быть.

Таким образом железо является самым подходящим кандидатом: оно обладает высокой плотностью, и в Космосе и на Земле его достаточно много.

Доказательство о наличии ядра Земли исходит от сейсмологии, из изучения распространения сейсмических волн при прохождении через планету.

Доказательство было получено в начале 20 века. Граница между мантией и внешним ядром лежит на глубине 2900 км. Ее называют разделом Вайхерта-Гуттенберга. Она значительно выразительнее, чем граница между земной корой и мантией (раздел Мохоровичича). Здесь происходит сильное изгибание и отклонение сейсмических волн. А волны одного типа, так называемые S-волны, через эту границу даже не проникают.

Именно это и является доказательством, что внешняя часть ядра Земли находится в жидком состоянии, поскольку S- волны в жидкости не распространяются.

Литосфера

Верхушка мантии, располагающаяся на жаркой астеносфере, в тандеме с земной корой нашей планеты образует прочный корпус — литосферу. В переводе с греческого языка – камень. Она не является цельной, а состоит из литосферных плит. Их количество – тринадцать, хотя оно не остается постоянным. Движутся они очень медленно, до шести сантиметров в год.

Их совокупные разнонаправленные движения, которые сопровождаются разломами с образованием бороздок земной коры, носят название тектонические.

Этот процесс активируется за счет постоянной миграции составляющих мантии.

Поэтому происходят вышеупомянутые подземные толчки, существуют вулканы, глубоководные впадины, хребты.

Земная кора и поверхность Мохоровичича

Строение земной коры

Остаток древнего океана предохраняет участок Закавказья от вулканов.

Поверхность Мохоровичича (Мохо)

Земная кора от подстилающей её мантии отделяется довольно хорошо выраженным сейсмическим разделом —
границей Мохоровичича (границей Мохо или границей М).
В большинстве случаев в основании коры скорости продольных волн не превышают 7,5 км/с, а в прикровельной части мантии они составляют 8,0-8,1 км/с.
В океанах эта граница отвечает переходу от полосчатого комплекса третьего слоя к серпентинизированным перидотитам,
а на континентах — от магматитов и метаморфитов (гранулиты) основного состава к перидотитам и, в отдельных зонах, к эклогитам.

Таким образом, граница Мохо в одном случае разделяет среды разного химического состава
(переход от пород основного состава к ультраосновным породам — габбро -> перидотит),
а в другом она является фазовой границей при неизменности химического состава (переход габбро -> эклогит).
Последнее возможно лишь в пределах континентальных блоков.
Однозначное проведение границы Мохо затруднительно при наличии на сейсмических профилях довольно мощных зон со скоростями продольных волн 7,5-8,0 км/с.
Это может отмечаться при подъёме к подошве коры разуплотнённой мантии (аномальная мантия, скорости упругих колебаний могут составлять 7,4 км/с),
проявлении фазовых переходов, чередовании пород основного и ультраосновного состава.
Вследствие этого в данных областях переход от коры к мантии растягивается по вертикали на несколько километров
(до 20 км на Балтийском щите, 5 км в Западной Европе).
Такие градиентные переходы связывались с перемешиванием (переслаиванием) в переходных зонах корового
(средняя плотность коры: континентальной — 2,8 г/см3, океанской — 2,9 г/см3)
и мантийного (плотность верхней части нормальной мантии 3,3 г/см3) материала.

В  настоящее время считается (Enderle, 1997), что граница Мохо должна рассматриваться
как зона тонкого переслаивания пород с мантийными и коровыми свойствами,
и что эта зона вероятно является зоной дифференциального перемещения коры относительно мантии в глобальном масштабе.
Такие перемещения наиболее вероятны в обстановке коллизионных орогенов, континентальных рифтов, трансформных разломов.

В СССР была сделана самая глубокая скважина в мире. Кольская сверхглубокая скважина была заложена
в честь 100-летия со дня рождения Ленина в 1970 году.
С 1970 до 1990 годов удалось достигнуть глубины 12 262 метров.

Больше всего учёных интересует поверхность Мохоровичича (граница Мохо).
Она прослеживается по всему земному шару на глубине от 5 до 70 км.
Граница Мохо является нижней частью земной коры однако не на всей поверхности планеты.
Учёные полагают, эта часть является границей между земной корой и мантией.
Она вызывает интерес учёных, поскольку в ней увеличилась скорость сейсмических процессов.

В Индийском океане пробурят огромную скважину для изучения ядра Земли.

Движение континентов

Взглянув на карту Земли, вы можете заметить, что очертания континентов совпадают друг с другом, словно фрагменты составной шарады-загадки. Некоторые ученные полагают, что все континенты некогда (около 200 миллионов лет назад) представляли собой единое целое, образуя единый суперконтинент – Пангею. Считается, что затем материковые плиты начали расползаться, это и привело к появлению материков (см. статью «Движение материков«). Свидетельство существования Пангеи являются ископаемые окаменелости – остатки древнейших растений и животных, дошедших до нас в горных породах (см. статью «Древнейшие формы жизни«). Окаменелости одних и тех же животных были найдены на разных континентах, удаленных друг от друга на многие тысячи километров. Например, окаменелые останки листозавра, древней растительноядной рептилии, были обнаружены в Южной Африке, Азии и Антарктиде. Это доказывает, что все континенты представляли собой в древности единое целое. Некоторые ученые не признают существование Пангеи. Они утверждают, что животные могли перебираться с материка на материк по узким полоскам суши, некогда соединявшим континенты. Другие полагают, что эти животные могли попасть на стволах гигантских древних деревьев.

Поиски окаменелостей

Окаменелости часто встречаются в таких породах, как известняки и сланцы. Их можно также найти на разрезах горных пород, обнаженных при строительстве дорог. Начиная раскопки, всегда заручитесь разрешением на их проведение. Окаменелости можно отыскать в грудах камней у подножия гор. Разная окраска и типы горных пород указывает на то, что здесь можно встретить окаменелости. Чтобы извлечь их из пород, вам потребуется молоток и зубило. Записи о своих находках вы можете заносить в особый журнал.

Строение Земли постоянно меняется. Более 4,6 миллиардов лет тому назад поверхность Земли была покрыта огнедышащими вулканами, из кратеров которых извергались газы, потоки расплавленных пород и водяной пар. После их остывания началось формирование земной коры. Пар конденсировался и выпадал на землю в виде ливневых дождей, которые постепенно заполняли пространство будущих морей.

На протяжении многих миллионов лет Земля прошла через разные этапы своего развития. На дне высохших морей иногда находят окаменелые остатки простейших древних организмов. Первыми на суше появились растения. Позднее из приморских болот и мелководных морей на сушу стали выбираться первые животные. У них развились особые органы – лимбы, позволяющие дышать воздухом.

Постоянно меняющаяся планета

Около 65 миллионов лет назад случилось нечто, повлекшее за собой гибель 75% видов животных, обитавших тогда на Земле, в том числе и динозавров. Как свидетельствуют окаменелости, это произошло за сравнительно короткий период. Динозавры жили на Земле примерно 140 миллионов лет назад. Существует немало теорий, объясняющих причины их вымирание. Может быть болота и озера, в которых жило большинство динозавров, начали активно высыхать. Возможно, эти древние гиганты не сумели приспособиться к изменениям температуры на Земле. Или основная масса растений, которыми питались растительноядные динозавры, погибла в результате изменений климата, что повлекло за собой вымирание сначала растительноядных, а затем хищных динозавров. Одна из теорий объясняет это вымирание столкновением Земли с громадным астероидом, после чего над поверхностью планеты поднялись огромные плотные тучи пыли, на долгие годы закрывшие солнечный свет.

литература

• Генрих Бальбург, Кристоф Брайткройц: Основы геологии . Эльзевир, 2004, ISBN 3-8274-1394-X .
• Эдвард Дж. Тарбак, Фредерик К. Лутгенс : Общая геология . Немецкое издание отредактировано и дополнено Берндом Ламмерером. 9-е, обновленное издание. Исследования Пирсона, Мюнхен 2009, ISBN 978-3-8273-7335-9 (английский язык: Земля: Введение в физическую геологию . Перевод Татьяны Д. Логан ).
• Мартин Окруш, Зигфрид Маттес: Минералогия: Введение в специальную минералогию, петрологию и месторождения . Часть III. Springer, 2009, ISBN 978-3-540-78200-1 , Глава 27. Структура недр Земли .
• Хиденори Терасаки и др. : Глубокая земля — ​​физика и химия нижней мантии и ядра . John Wiley & Sons , Нью-Йорк, 2016 г., ISBN 978-1-118-99247-0 .

Температура ядра Земли

Известно,
что самая глубокая центральная часть нашей планеты состоит из двух слоев:
внешнего жидкого и внутреннего твердого. При воздействии давления 3,3 млн
атмосфер, температура между ними колеблется в пределах +6000°-+6500°С. Это
горячее, чем на Солнце. Внешнее ядро горячее и не остывает, так как от него исходят мощные
потоки магмы, которые растекаются в стороны, приближаясь к поверхности мантии.
При трении между внешним слоем и центром Земли, температура повышается. Ввиду
этих процессов, “сердце” нашей планеты не остывает. Земля не успевает охлаждаться, ее
внутренний твердый слой образовывается из охлажденных, кристаллизованных
остатков железа. Ученые предполагают, что со временем, весь центральный участок
может стать твердым и это станет началом конца.

Открытие

Земля была открыта , чтобы иметь твердое внутреннее ядро , отличное от его расплавленного внешнего ядра в 1936 году, датский сейсмолог И. Лемана , который выводил свое присутствие путем изучения сейсмограмм от землетрясения в Новой Зеландии . Она заметила, что сейсмические волны отражаются от границы внутреннего ядра и могут быть обнаружены чувствительными сейсмографами на поверхности Земли. Она сделала вывод о радиусе 1400 км для внутреннего ядра, что недалеко от принятого в настоящее время значения 1221 км. В 1938 г. Б. Гутенберг и К. Рихтер проанализировали более обширный набор данных и оценили толщину внешнего ядра в 1950 км с крутым, но непрерывным переходом толщиной 300 км во внутреннее ядро; что подразумевает радиус от 1230 до 1530 км для внутреннего ядра.

Несколько лет спустя, в 1940 году, была выдвинута гипотеза, что это внутреннее ядро ​​было сделано из твердого железа. В 1952 г. Ф. Берч опубликовал подробный анализ имеющихся данных и пришел к выводу, что внутреннее ядро, вероятно, было кристаллическим железом.

Границу между внутренним и внешним ядрами иногда называют «разрывом Лемана», хотя это название обычно относится к другому разрыву . Было предложено название «Буллен» или «разрыв Леманна-Буллена» в честь К. Буллена , но его использование кажется редким. Жесткость внутреннего сердечника была подтверждена в 1971 году.

Дзевонски и Гилберт установили, что измерения нормальных форм колебаний Земли, вызванных сильными землетрясениями, соответствовали жидкому внешнему ядру. В 2005 г. были обнаружены поперечные волны, проходящие через внутреннее ядро; изначально эти утверждения вызывали споры, но теперь они получают признание.

Моделирование мантии в лаборатории

Минералы и породы меняются под высоким давлением. Например, общий мантийный минерал — оливин преобразовывается в различные кристаллические формы на глубинах около 410 километров и снова на 660 километрах.

Изучение поведения минералов в условиях мантии происходит двумя способами: компьютерное моделирование, основанное на уравнениях физики минералов и лабораторных экспериментах. Таким образом, современные исследования мантии проводятся сейсмологами, программистами и лабораторными исследователями, которые теперь могут воспроизводить условия в любом месте мантии с помощью лабораторного оборудования под высоким давлением, такого как ячейка с алмазной наковальней.

Историческая справка

Ядро Земли было обнаружено Генри Кавендишем. Именно он предположил, что у планеты, вероятно, имеется область, где наблюдается повышенное значение плотности. Этот специалист также занялся работами по вычислению массы, средней плотности, которая оказалась намного выше, нежели у поверхности. Официальное подтверждение эта теория получила в 1897 году силами немецкого сейсмолога Э. Вихерта. Но тогда ничего не было известно о глубине залегания. Данные о ней появились только в 1910 г. с помощью американского геофизика Б. Гутенберга.

Аналогично никакой информации не было известно и доступно об образовании ядерной части планеты. Только в 1922 г. основоположником геохимии В. М. Гольдшмидтом было сделано открытие. Оно связано с тем, что образование ядра произошло вследствие гравитационной дифференциации первичной Земли на этапе её роста или позднее. Альтернативная версия была предложена в 1960-1970 гг. Её разработкой занимался Е. Орован, а также советский гений А. П. Виноградов. В итоге было получено заключение о том, что ядро появилось в протопланетном облаке.

В 2021 г. британские и американские учёные смогли создать условия, приближённые к ядру. Это позволило понять, что ядро и мантия обладают схожим химическим составом, а на их границе наблюдается серьёзный перепад давления и консистенции веществ. В 2015 г. были получены сведения о том, что в жидкой области присутствует третий слой.

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.

Тенденция замедления скорости Земли и увеличения продолжительности суток

Скорость вращения нашей планеты медленно уменьшается. Это обусловлено подъемом материков после последнего ледникового периода, а также притяжением Луной воды океанов, что вызывает приливы, силы трения которых оказывают тормозящее действие. В результате постепенно увеличивается продолжительность суток. Однако обнаружены еще более мелкие изменения длины суток, величиной в миллиардные доли секунды. Они могут объясняться давлением атмосферы на горные хребты. Еще более важным фактором является циркуляция вещества во внешнем ядре, которая влияет на изменение структуры земной коры и рельефа. Колебания длины суток служат мерой циркуляции вещества в ядре и дают нам ще один ключ к разгадке процессов внутри Земли.

Периодика по геофизике

Geophysical Research Letters.

Главная

Науки о геосфере :

Геофизика |
Геоморфология |
Геотектоника |
Структурная геология |

Вулканология |
Сейсмология |

Минералогия |
Полезные ископаемые
(золото и др.)

Близкие по теме страницы:
География |
Карты |

Музеи и библиотеки

На правах рекламы (см.
условия):

такси лекс отзывы
   

«Сайт Игоря Гаршина», 2002, 2005.
Автор и владелец — Игорь Константинович Гаршин
(см. резюме).

Пишите письма
().

Страница обновлена 23.06.2021

Тропосфера

0 Это нижний слой, он же самый плотный. Именно сейчас вы находитесь в нем. Геономия, наука о строении Земли, занимается изучением данного слоя. Его верхний предел варьируется от семи до двадцати километров, при этом чем выше температура, тем шире слой. Если рассматривать строение Земли в разрезе на полюсах и на экваторе, то он будет заметно отличаться, на экваторе он гораздо шире

Что еще важного можно сказать о данном слое? Именно здесь происходит круговорот воды, формируются циклоны и антициклоны, генерируется ветер, если говорить обобщенно, то происходят все процессы, связанные с погодой и климатом. Очень интересное свойство, распространяющееся только на Тропосферу, если подняться на сто метров, то температура воздуха упадет примерно на один градус. За пределами данной оболочки закон действует с точностью наоборот

Есть одно место между тропосферой и стратосферой, где температура не меняется – тропопауза

За пределами данной оболочки закон действует с точностью наоборот. Есть одно место между тропосферой и стратосферой, где температура не меняется – тропопауза

https://youtube.com/watch?v=4PTRyVVtH58

Динамика

Поскольку внутреннее ядро ​​не связано жестко с твердой мантией Земли, возможность того, что оно вращается немного быстрее или медленнее, чем остальная часть Земли, давно обсуждалась. В 1990-х годах сейсмологи делали различные заявления об обнаружении этого вида супервращения, наблюдая за изменениями характеристик сейсмических волн, проходящих через внутреннее ядро ​​в течение нескольких десятилетий, используя вышеупомянутое свойство, заключающееся в том, что оно быстрее передает волны в некоторых направлениях. В 1996 г. X. Сонг и П. Ричардс оценили это «супервращение» внутреннего ядра относительно мантии примерно в один градус в год. В 2005 году они и Дж. Чжан сравнили записи «сейсмических дублетов» (записи одной и той же станции землетрясений, произошедших в том же месте на противоположной стороне Земли с разницей в несколько лет) и изменили эту оценку до 0,3–0,5 градуса на год.

В 1999 г. М. Грефф-Леффц и Х. Легро отметили, что гравитационные поля Солнца и Луны, ответственные за океанические приливы, также прикладывают крутящие моменты к Земле, влияя на ее ось вращения и замедляя скорость ее вращения . Эти крутящие моменты ощущаются в основном земной корой и мантией, поэтому их оси вращения и скорость могут отличаться от общего вращения жидкости во внешнем ядре и вращения внутреннего ядра. Динамика усложняется из-за токов и магнитных полей во внутреннем сердечнике. Они обнаружили, что ось внутреннего ядра слегка колеблется ( нуате ) с периодом около 1 дня. Сделав некоторые предположения об эволюции Земли, они пришли к выводу, что движения жидкости во внешнем ядре несколько раз входили в резонанс с приливными силами в прошлом (3,0, 1,8 и 0,3 миллиарда лет назад). В те эпохи, каждая из которых длилась 200–300 миллионов лет, дополнительное тепло, генерируемое более сильными движениями жидкости, могло остановить рост внутреннего ядра.

История изучения

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 немецким сейсмологом Э. Вихертом, а глубина залегания (2900 км) определена в 1910 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 Э. Орован и советский учёный А. П. Виноградов (60-70-е гг.).

В 1941 г. Кун и Ритман, основываясь на гипотезе идентичности состава Солнца и Земли и на расчетах фазового перехода в водороде, предположили, что земное ядре 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 эта гипотеза позже эта гипотеза была адаптирована для объяснения строения планет гигантов — Юпитера, Сатурна и тп. Сейчас предполагается, что их магнитное поле возникает именно в металлическом водородном ядре.

Кроме того В. Н. Лодочников и У. Рамзей 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).

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.

Похожие записи:

Как выбрать камень для близнецов? Огромная птица Что дал науке челябинский метеорит? Что такое комета и чем отличается от астероида? Мужчина К чему снится ананас?