Как узнали что есть ядро земли
Строение Земли: как ученые заглянули внутрь планеты
Ты наверняка знаешь, что наша планета состоит из нескольких слоев: сверху находится земная кора, ниже лежит мантия, а в центре располагается ядро, которое делится на внешнее и внутреннее. Но каким образом ученые это выяснили? Ведь ни мантию, ни тем более ядро Земли никто никогда не видел. Может быть, геологи исследовали недра, просверлив в Земле гигантский шурф? Увы, самая глубокая скважина, когда-либо пробуренная людьми, – Кольская сверхглубокая – уходит вниз лишь на двенадцать с небольшим километров. Если представить нашу Землю в виде яблока, то этой скважиной мы бы даже не проткнули его кожуру!
ДВА СИГНАЛА ОТ ДВУХ ПОРОД
В 1909 году хорватский сейсмолог Андрия Мохоровичич с помощью разработанных им приборов-сейсмографов зарегистрировал небольшое землетрясение, произошедшее и 39 км 01 3aipe6a, где эти приборы были установлены. Казалось бы, сейсмографы должны были просто зафиксировать каждый толчок произошедшего землетрясения. Однако на приборах почему-то были видны записи не одного, а как будто двух землетрясений, имевших разную силу и произошедших в разное время. Присмотревшись внимательнее к показаниям прибора, Мохоровичич понял, что часть колебаний Земли достигла сейсмографов напрямую, а часть отразилась от пород, лежащих ниже и отличающихся от верхних своими свойствами. Границу между этими породами впоследствии назвали поверхностью Мохоровичича. А дальнейшие наблюдения с помощью сейсмических приборов, установленных в разных местах, показали, что она пролегает на глубине от 500 метров (в некоторых местах под океанами) до 70 километров (под крупнейшими горными массивами на континентах).
Прошло немного времени, и ученые установили сейсмографы по всему земному шару. Теперь, когда происходило землетрясение, приборы по всей планете регистрировали идущие от него колебания. Причем регистрировали они два типа сейсмических волн: продольные – это фактически звуковые колебания, передающиеся в горных породах, и поперечные, характеризующиеся смещением грунта из стороны в сторону. Вскоре немецкий ученый Бено Гутенберг заметил, что если землетрясение случается на противоположной от установленного сейсмографа стороне Земли, то продольные волны доходят до прибора обычным образом, а вот поперечные как будто огибают некое препятствие в центре Земли. Поскольку ученые уже знали, что поперечные волны, в отличие от продольных, не распространяются в жидкости, был сделан вывод, что где-то в центре Земли имеется жидкий слой. Проанализировав записи поперечных волн, ученые выяснили, что верхняя граница этого слоя находится на глубине около 2900 км относительно земной поверхности. Так была открыта еще одна невидимая подземная граница – поверхность Гутенберга.
А затем оказалось, что средняя скорость продольных волн, идущих через центр Земли или очень близко к нему, немного больше, чем у таких же волн, проходящих сбоку от центра. Очевидно, что в центре Земли скорость волн возрастает, и значит, здесь снова происходит изменение физических свойств ядра, а именно, оно из жидкого превращается в твердое! Так ученые установили, что на глубине более 5100 км находится твердое земное ядро.
ГОСТИ ИЗ ПОДЗЕМЕЛЬЯ
Итак, геологи и создали знакомую нам схему строения Земли. То, что выше поверхности Мохоровичича, назвали земной корой, слой между ней и границей Гутенберга – мантией, центральную часть – ядром, а место изменения скорости продольных волн в ядре определили как границу жидкого внешнего и твердого внутреннего ядра. Но из каких же веществ состоят эти слои?
Казалось бы, узнать состав мантии довольно просто, ведь на поверхности Земли много горных пород, которые сформировались в мантии. (Правда, тут нужно отличить породу, зародившуюся в мантии, от породы, образовавшейся в более высоком слое, но это можно сделать, зная, при каком давлении формируется тот или иной вид горных пород). Но проблема в том, что, перемещаясь из глубин Земли к поверхности, породы частично оплавляются. И если по химическому составу они действительно, скорее всего, очень близки к породам мантии, то по структуре – вряд ли.
К счастью, в мантийных породах иногда встречаются фрагменты, которые не подвергались плавлению. Например в базальтах можно найти включения, поднятые с глубины 80 км. А алмазы в кимберлитах (другом виде частично оплавленных пород мантии) образовались, как считают геологи, на глубинах 100-200 км, то есть алмаз – самый глубокий фрагмент Земли, доступный изучению.
Словом, геологический состав мантии установлен довольно точно. Однако остается неизвестным, как различные мантийные породы (а их на сегодняшний день известен уже не один десяток) соотносятся между собой, каковы закономерности их залегания. То, что мы знаем сейчас о мантии, можно сравнить с тем, что может узнать о горах человек, который их никогда не видел, но внимательно изучил гальку, принесенную с гор рекой.
А что же с составом ядра? Никакие его части на поверхности Земли не появлялись. Однако анализируя скорость распространения сейсмических волн в ядре, ученые довольно точно смогли определить его плотность. Оказалось, что на границе с мантией плотность ядра в 10, а в центре – в 14 раз больше плотности воды. Для сравнения: плотность горных пород на поверхности Земли превышает плотность воды в три-четыре раза. Логично предположить, что ядро состоит из металла, причем достаточно тяжелого – магний или алюминий не подойдут. А вот железо годится на эту роль, у него и плотность подходящая, и оно – самый распространенный металл во Вселенной. Поэтому ученые и сделали вывод что ядро Земли, скорее всего, состоит из железа.
Откуда мы знаем, что находится в ядре Земли?
Люди заполнили Землю. Мы завоевывали земли, летали по воздуху, ныряли в глубины океана. Мы даже побывали на Луне. Но мы никогда не были в ядре планеты. Мы даже и близко к нему не подобрались. Центральная точка Земли находится в 6000 километрах внизу, и даже самая дальняя часть ядра находится в 3000 километрах под нашими ногами. Самая глубокая дыра, которую мы сделали на поверхности — это Кольская сверхглубокая скважина в России, да и то она уходит вглубь земли на жалкие 12,3 километра.
Все известные события на Земле происходят близко к поверхности. Лава, которая извергается из вулканов, сначала плавится на глубине нескольких сотен километров. Даже бриллианты, которым необходимо чрезвычайное тепло и давление для образования, рождаются в породах на глубине не более 500 километров.
Все, что ниже, окутано тайной. Кажется недостижимым. И все же мы знаем довольно много интересного о нашем ядре. У нас даже есть некоторое представление о том, как оно сформировалось миллиарды лет назад — и все без единого физического образца. Как же нам удалось узнать так много о ядре Земли?
Для начала нужно хорошо подумать о массе Земли, говорит Саймон Редферн из Кембриджского университета в Великобритании. Мы можем оценить массу Земли, наблюдая за эффектом гравитации планеты, который она оказывает на объекты на поверхности. Выяснилось, что масса Земли составляет 5,9 секстиллиона тонн: это 59 с двадцатью нулями.
Но на поверхности нет признаков такой массы.
«Плотность материала на поверхности Земли намного ниже, чем средняя плотность всей Земли, что говорит нам о том, что есть что-то более плотное, — говорит Редферн. — Это первое».
По существу, большая часть земной массы должна быть расположена по направлению к центру планеты. Следующим шагом будет выяснить, из каких тяжелых материалов состоит ядро. И оно состоит почти полностью из железа. 80% ядра — это железо, однако точную цифру еще придется выяснить.
Главным доказательством этого является огромное количество железа во Вселенной вокруг нас. Это один из десяти самых распространенных элементов в нашей галактике, который также часто встречается в метеоритах. При всем этом на поверхности Земли намного меньше железа, чем можно было бы ожидать. Согласно теории, когда Земли образовалась 4,5 миллиарда лет назад, много железа утекло вниз к ядру.
Там сосредоточена большая часть массы, а значит, и железо должно там быть. Железо также относительно плотный элемент при нормальных условиях, а под сильным давлением в ядре Земли оно будет еще плотнее. Железное ядро могло бы объяснить всю недостающую массу.
Но погодите. Как железо вообще там оказалось? Железо должно было каким-то образом притянуться — в буквальном смысле — к центру Земли. Но сейчас этого не происходит.
Большая часть остальной Земли состоит из горных пород — силикатов — и расплавленное железо с трудом через них проходит. Подобно тому, как вода на жирной поверхности образует капли, железо собирается в небольших резервуарах, отказываясь растекаться и разливаться.
Возможное решение было обнаружено в 2013 году Венди Мао из Стэнфордского университета и ее коллегами. Они задались вопросом, что происходит, когда железо и силикат подвергаются сильному давлению глубоко в земле.
Плотно сжимая оба вещества при помощи алмазов, ученым удалось протолкнуть расплавленное железо через силикат. «Это давление существенно изменяет свойства взаимодействия железа с силикатами, — говорит Мао. — При высоком давлении образуется «сеть плавления».
В этот момент вы можете спросить: откуда мы, собственно, знаем размер ядра? Почему ученые считают, что оно начинается в 3000 километрах? Ответ один: сейсмология.
Когда происходит землетрясение, оно посылает ударные волны по всей планете. Сейсмологи записывают эти колебания. Будто бы мы бьем по одной стороне планеты гигантским молотом и прислушиваемся к шуму на другой стороне.
«В 1960-х годах произошло землетрясение в Чили, которое дало нам огромное количество данных, — говорит Редферн. — Все сейсмические станции по всей Земле записывали толчки этого землетрясения».
В зависимости от маршрута этих колебаний, они проходят через разные участки Земли, и это влияет на то, какой «звук» они издают на другом конце.
В начале истории сейсмологии стало очевидно, что некоторые колебания пропали без вести. Эти «S-волны» ожидали увидеть на другом конце Земли после происхождения на одном, но не увидели. Причина этому простая. S-волны реверберируют через твердый материал и не могут проходить через жидкость.
Должно быть, они столкнулись с чем-то расплавленным в центре Земли. Составив карту путей S-волн, ученые пришли к выводу, что на глубине примерно 3000 километров породы становятся жидкими. Это также говорит о том, что все ядро расплавленное. Но у сейсмологов был и другой сюрприз в этой истории.
Идея Леман была подтверждена в 1970 году, когда более чувствительные сейсмографы показали, что P-волны действительно проходят через ядро и, в некоторых случаях, отражаются от него под некоторыми углами. Неудивительно, что в конце концов они оказываются на другой стороне планеты.
Конкурирующие страны узнавали о ядерном потенциале друг друга и параллельно с этим мы узнавали все больше и больше о ядре Земли. Сейсмология до сих пор используется для обнаружения ядерных взрывов сегодня.
Вопросов от этого не становится меньше, особенно на тему внутреннего ядра. К примеру, насколько оно горячее? Выяснить это оказалось не так-то просто, и ученые долгое время ломали голову, говорит Лидунка Вокадло из Университетского колледжа Лондона в Великобритании. Мы не можем засунуть туда термометр, поэтому единственный возможный вариант — это создать нужное давление в лабораторных условиях.
В 2013 году группа французских ученых произвели лучшую оценку на сегодняшний день. Они подвергли чистое железо давлению в половину того, что имеется в ядре, и отталкивались уже от этого. Температура плавления чистого железа в ядре составляет примерно 6230 градусов. Присутствие других материалов может немного снизить точку плавления, до 6000 градусов. Но это все равно горячее, чем на поверхности Солнца.
Будучи своего рода поджаренной картошкой в мундире, ядро Земли остается горячим, благодаря теплу, оставшемуся от образования планеты. Оно также извлекает тепло из трения, возникающего по мере движения плотных материалов, а также распада радиоактивных элементов. Остывает оно примерно на 100 градусов по Цельсию каждый миллиард лет.
Знать эту температуру полезно, поскольку она влияет на скорость прохождения колебаний через ядро. И это удобно, потому что в этих вибрациях есть что-то странное. P-волны проходят неожиданно медленно через внутреннее ядро — медленнее, чем если бы оно состояло из чистого железа.
«Скорости волн, которые сейсмологи измерили в землетрясениях, значительно ниже, чем показывает эксперимент или компьютерный расчет, — говорит Вокадло. — Никто пока не знает, почему так».
Очевидно, к железу примешивается другой материал. Возможно, никель. Но ученые посчитали, как сейсмические волны должны проходить через железо-никелевый сплав, и не смогли подогнать расчеты под наблюдения.
Вокадло и ее коллеги в настоящее время рассматривают возможность присутствия в ядре других элементов, например, серы и кремния. Пока никто не смог придумать теорию состава внутреннего ядра, которая удовлетворила бы всех. Проблема Золушки: туфелька никому не подходит. Вокадло пытается экспериментировать с материалами внутреннего ядра на компьютере. Она надеется найти комбинацию материалов, температур и давления, которые будут замедлять сейсмические волны на правильную величину.
«Если этот эффект реален, мы могли бы примирить результаты минеральной физики с результатами сейсмологии, — говорит Вокадло. — Люди пока не могут этого сделать».
Существует еще много загадок, связаных с ядром Земли, которые еще предстоит решить. Но не имея возможности погрузиться на эти невообразимые глубины, ученые совершают подвиг, выясняя, что находится в тысячах километров под нами. Скрытые процессы недр Земли чрезвычайно важно изучать. У Земли есть мощное магнитное поле, которое генерируется благодаря частично расплавленному ядру. Постоянное движение расплавленного ядра порождает электрический ток внутри планеты, и он, в свою очередь, генерирует магнитное поле, которое уходит далеко в космос.
Это магнитное поле защищает нас от вредного солнечного излучения. Не будь ядро Земли таким, каким оно является, не было бы магнитного поля, а мы бы серьезно от этого страдали. Вряд ли кто-нибудь из нас сможет увидеть ядро своими глазами, но хорошо просто знать, что оно там есть.
Исследование: ядро Земли образовалось всего 565 млн лет назад. Это в 8 раз позже, чем сформировалась Земля!
Земле почти 4,5 млрд лет, однако плотное внутреннее ядро планеты сформировалось только 565 млн лет назад. К такому выводу пришли исследователи из Университета Рочестера.
Читайте «Хайтек» в
Достаточно долго все исследования исходили из того, что земное ядро — самая старая часть планеты, и именно вокруг него формировалась остальная планета. Сейчас геологи считают, что ядро Земли разделено на две части — сплошной железный шар во внутреннем ядре. До конца неизвестно, твердое оно или все-таки жидкое. Вторая часть ядра — гигантская масса жидкого железа, менее плотного, чем внутренняя часть.
Согласно различным теориям, внутренняя часть ядра затвердела примерно до 2,5 млрд лет назад. Однако исследователи из Университета Рочестера провели анализ древних кристаллов из Септ-Ильского комплекса в Квебеке — внутри них находятся крошечные магнитные иглы и сохраняют информацию о магнитном поле того времени, когда они оказались закрыты в минерале.
Исследователи обнаружили, что около 565 млн лет назад магнитное поле по своей силе было как одна десятая часть сегодняшнего его состояния. Пока до конца непонятно, из-за чего оно было таких слабым, но ученые из Рочестера считают: скорее всего, это связано именно из-за формирования твердого внутреннего ядра.
Магнитное поле Земли создается именно благодаря жидкому железу. В течение миллиардов лет Земля, видимо, имела очень слабую геодинамику — с этим может быть связано и то, что, что планете в это время практически не было крупных представителей живых организмов. Магнитное поле, среди прочего, частично защищает поверхность Земли от ультрафиолета и потока заряженных солнечных частиц.
Во внутреннем ядре Земли обнаружен «новый скрытый мир»
Новое исследование, изначально опубликованное в Physics of the Earth and Planetary Interiors, предполагает, что состояние внутреннего ядра нашей планеты варьируется от твердого до полумягкого и даже жидкого. Об этом пишет Live Science.
«Чем больше мы изучаем [ядро], тем больше понимаем, что это не просто скучный кусок железа, — комментирует исследование Джессика Ирвинг, сейсмолог из Бристольского университета в Англии. — Мы находим совершенно новый скрытый мир».
В некотором смысле внутреннее ядро Земли остается таким же загадочным, как и тогда, когда Жюль Верн опубликовал свое фантастическое «Путешествие к центру Земли» в 1864 году. Хотя ученые с 1950-х годов знали, что наша планета не полая, как предсказывал Верн, внутренняя часть планеты все еще не исследована. Безмерная жара и давление просто слишком велики для любого человеческого или созданного человеком зонда, чтобы добраться туда.
«Если с нашей планетой не случится что-то ужасное, у нас никогда не будет способа напрямую наблюдать за ядром Земли», — отмечает специалист.
Как раскрыли тайну ядра Земли
Во время изучения ядра нашей планеты геофизики полагаются на сейсмические волны, вызванные землетрясениями. Измеряя эти массивные вибрации, ученые могут восстановить картину внутреннего устройства Земли способом, который напоминает компьютерную томографию человека. Волны бывают двух основных видов: продольные и поперечные. Каждая волна может ускоряться, замедляться или отражаться от разных сред при движении.
Для Ретта Батлера, геофизика из Гавайского института геофизики и планетологии, новое исследование началось с вопроса о несовпадении данных. Батлер наблюдал за тем, как сейсмические волны, создаваемые сильными землетрясениями в пяти разных местах планеты, проходят через ядро Земли и отображаются на противоположной стороне земного шара. Но что-то было не так: поперечные волны, которые должны были пройти через твердый металлический шар, вместо этого отклонялись в определенных областях.
По словам Батлера, особенно поражает диапазон консистенций железа. «Мы видели доказательства того, что ядро не только не везде твердое, но и может быть очень мягким в некоторых местах», — говорит ученый.
Новое исследование потенциально может революционизировать наше понимание о магнитном поле Земли. Согласно данным, опубликованным в 2019 году в журнале Science Advances, жидкое внешнее ядро управляет магнитным полем нашей планеты, а внутреннее ядро помогает его изменять. В то же время данные NASA о других планетах, таких как Марс, показывают, что у них есть жидкий центр, но отсутствует как внутреннее ядро, так и магнитное поле. Батлер и Ирвинг считают, что более глубокое понимание о строении внутреннего ядра Земли поможет понять взаимосвязь между внутренним пространством планеты и ее магнитной активностью.
Посмотрите на интригующие находки людей на Земле:
Почему у Земли жидкое ядро?
Уронив ключи в поток расплавленной лавы, попрощайся с ними, потому что, ну, чувак, они – всё.
— Джек Хэнди
Взглянув на нашу родную планету, можно заметить, что 70% её поверхности покрыто водой.
Мы все знаем, отчего это так: потому что океаны Земли всплывают над камнями и грязью, из которых состоит суша. Концепция плавучести, при которой менее плотные объекты всплывают над более плотными, погружающимися ниже, объясняет гораздо больше, чем просто океаны.
Тот же принцип, объясняющий, почему лёд плавает в воде, шар с гелием поднимается в атмосфере, а камни тонут в озере, объясняет, почему слои планеты Земля устроены именно так.
Наименее плотная часть Земли, атмосфера, плавает над водными океанами, которые плавают над земной корой, которая находится над более плотной мантией, которая не тонет в самую плотную часть Земли: в ядро.
В идеале самым стабильным состоянием Земли было бы такое, которое идеально распределялось бы на слои, на манер луковицы, и самые плотные элементы были в центре, а по мере продвижения наружу каждый последующий слой состоял бы из менее плотных элементов. И каждое землетрясение, на самом-то деле, двигает планету по направлению к этому состоянию.
И это объясняет строение не только Земли, но и всех планет, если вспомнить, откуда эти элементы взялись.
Когда Вселенная была молодой – возрастом всего в несколько минут – в ней существовали только водород и гелий. Все более тяжёлые элементы создавались в звёздах, и только когда эти звёзды погибли, тяжёлые элементы вышли во Вселенную, позволяя формироваться новым поколениям звёзд.
Но на этот раз смесь всех этих элементов – не только водорода с гелием, но и углерода, азота, кислорода, кремния, магния, серы, железа и других – формирует не только звезду, но и протопланетный диск вокруг этой звезды.
Давление изнутри наружу в формирующейся звезде выталкивает более лёгкие элементы, а гравитация приводит к тому, что неравномерности в диске коллапсируют и формируют планеты.
В случае Солнечной системы четыре внутренних мира являются самыми плотными из всех планет системы. Меркурий состоит из самых плотных элементов, которые не смогли удержать большое количество водорода и гелия.
Другие планеты, более массивные и более удалённые от Солнца (а следовательно, получающие меньше его излучения), смогли удержать больше этих ультралёгких элементов – так сформировались газовые гиганты.
У всех миров, как и на Земле, в среднем самые плотные элементы сосредоточены в ядре, а лёгкие формируют всё менее плотные слои вокруг него.
Неудивительно, что железо, самый стабильный элемент, и самый тяжёлый элемент, создаваемый в больших количествах на границе сверхновых, и есть самый распространённый элемент земного ядра. Но возможно, удивительным будет то, что между твёрдым ядром и твёрдой мантией находится жидкий слой толщиной более 2000 км: внешнее ядро Земли.
У Земли есть толстый жидкий слой, содержащий 30% массы планеты! А узнали мы о его существовании довольно остроумным методом — благодаря сейсмическим волнам, происходящим от землетрясений!
В землетрясениях рождаются сейсмические волны двух типов: основная компрессионная, известная, как Р-волна, проходящая продольным путём
и вторая сдвиговая волна, известная, как S-волна, похожая на волны на поверхности моря.
Сейсмические станции по всему миру способны улавливать Р- и S-волны, но S-волны не проходят через жидкость, а Р-волны не только проходят через жидкость, но и преломляются!
В результате можно понять, что у Земли есть жидкое внешнее ядро, вне которого находится твёрдая мантия, а внутри – твёрдое внутреннее ядро! Вот поэтому в ядре Земли содержатся самые тяжёлые и плотные элементы, и так мы знаем, что внешнее ядро – это жидкий слой.
Но почему внешнее ядро жидкое? Как и все элементы, состояние железа, твёрдое, жидкое, газообразное, или другое, зависит от давления и температуры железа.
Железо – элемент более сложный, чем многие привычные вам. Конечно, у него могут быть разные кристаллические твёрдые фазы, как указано на графике, но нас не интересуют обычные давления. Мы спускаемся к ядру земли, где давления в миллион раз превышают давление на уровне моря. А как выглядит фазовая диаграмма для таких высоких давлений?
Прелесть науки в том, что даже если у вас сразу нет ответа на вопрос, есть вероятность, что кто-то уже делал нужное исследование, в котором можно найти ответ! В этом случае, Аренс, Коллинз и Чен в 2001 году нашли ответ на наш вопрос.
И хотя на диаграмме показаны гигантские давления до 120 ГПа, важно помнить, что давление атмосферы составляет всего лишь 0.0001 ГПа, в то время как во внутреннем ядре давления достигают 330-360 ГПа. Верхняя сплошная линия показывает границу между плавящимся железом (вверху) и твёрдым (внизу). Вы обратили внимание, как сплошная линия в самом конце совершает крутой поворот вверх?
Для того, чтобы железо плавилось при давлении 330 ГПа, требуется огромная температура, сравнимая с той, что преобладает на поверхности Солнца. Эти же температуры при меньших давлениях легко будут поддерживать железо в жидком состоянии, а при более высоких – в твёрдом. Что это означает с точки зрения ядра Земли?
Это означает, что с охлаждением Земли падает её внутренняя температура, а давление остаётся неизменным. То есть, при формировании Земли, скорее всего, жидкой было всё ядро, и по мере охлаждения внутреннее ядро растёт! И в процессе этого, поскольку у твёрдого железа плотность выше, чем у жидкого, Земля потихоньку сжимается, что приводит к землетрясениям!
Так что, ядро Земли жидкое, поскольку оно достаточно горячее, чтобы расплавить железо, но только в регионах с достаточно низким давлением. По мере старения и охлаждения Земли всё большая часть ядра становится твёрдой, и поэтому Земля немного сжимается!
Если мы захотим заглянуть далеко в будущее, мы можем ожидать появления таких же свойств, какие наблюдаются у Меркурия.
Меркурий благодаря малому размеру уже значительно охладился и сжался, и обладает разломами длиной в сотни километров, появившимися из-за необходимости сжатия благодаря охлаждению.
Так почему у Земли жидкое ядро? Потому, что она ещё не охладилась. И каждое землетрясение – это небольшое приближение Земли к конечному, остывшему и насквозь твёрдому состоянию. Но не волнуйтесь, задолго до этого момента взорвётся Солнце, и все, кого вы знаете, будут уже очень давно мертвы.