Фото ядро земли: D1 8f d0 b4 d1 80 d0 be d0 bf d0 bb d0 b0 d0 bd d0 b5 d1 82 d1 8b картинки, стоковые фото D1 8f d0 b4 d1 80 d0 be d0 bf d0 bb d0 b0 d0 bd d0 b5 d1 82 d1 8b

Ученые предупредили, что земное ядро теряет слишком много тепла

Из ядра Земли уходит больше тепла, чем ожидалось. Это значит, что наша планета остывает слишком быстро. Об этом свидетельствует результат лабораторных исследований швейцарских ученых из Высшей технической школы (ETH) в Цюрихе.

Тепло недр Земли управляет важными геологическими процессами, такими как тектоника плит, горообразование и вулканизм, а также поддерживает работу геодинамо — движение огромной массы расплавленного железа во внешнем ядре Земли. Без этих процессов Земля была бы гораздо менее гостеприимной и, возможно, такой же мертвой, как Луна или Марс.

Огромный резервуар тепла, который большей частью находится в ядре Земли, не является неисчерпаемым: тепло постоянно проникает из ядра в мантию и далее наружу — в результате планета постепенно остывает. «Это поднимает вопрос, насколько быстро Земля теряет тепло и как долго она может оставаться динамично активной», — объясняет исследовательский интерес своей команды профессор ETH Мотохико Мураками.

Решающее значение для ответа имеет граница между ядром и мантией — именно здесь горячий жидкий железоникелевый расплав внешнего ядра Земли встречается с вязкой мантийной породой, которая примерно на тысячу градусов холоднее. «Разница температур между двумя этими слоями очень велика. Это термальная граница Земли», — говорят ученые. И, таким образом, здесь в значительной степени определяется, сколько тепла может выйти из ядра Земли и как быстро планета теряет его в целом.

Пограничный слой образован в основном минералом бриджманитом. И до сих пор было сложно оценить, сколько тепла этот минерал проводит от ядра в мантию. Этот вопрос был предметом споров: для измерения теплопроводности бриджманита давление и температура должны соответствовать таковым у нижнего предела мантии Земли, и измерительные системы должны выдерживать такие экстремальные условия.

Команде Мураками удалось разработать такую измерительную систему.

В лабораторных исследованиях ученые использовали монокристаллические образцы бриджманита. Образцы помещались по одному в ячейку с алмазной наковальней и подвергались давлению в 80 гигапаскалей. С помощью лазера постепенно нагревали образец кристалла бриджманита примерно до 2200 градусов. Тем временем специальный спектроскоп фиксировал исходящее от кристалла излучение — прибор измеряет теплопроводность и состояние кристаллической решетки.

Результат показал: бриджманит проводит тепло в 1,5 раза лучше, чем предполагалось ранее на основе геофизических моделей.

Это означает, что на границе из ядра в мантию поток тепла значительно больше, чем считалось ранее. Если земное ядро передает больше тепла мантии, недра планеты также остывают быстрее: сильные конвекционные течения обеспечивают быстрый перенос тепла на поверхность и его потерю там. Поэтому наша планета может остыть быстрее, чем ожидалось.

Что это означает для будущего Земли? «Наши результаты могут дать новый взгляд на эволюцию динамики Земли», — говорит Мураками. — Они указывают на то, что Земля, как и другие планеты, например Меркурий и Марс, остывает и становится неактивной гораздо быстрее, чем ожидалось».

Однако ученые не могут предсказать, сколько времени потребуется, чтобы конвекционные потоки в мантии остановились. «Пока это определить невозможно: еще нет таких методов и инструментов», — говорит Мураками. К тому же распад радиоактивных элементов в земных недрах тоже существенно влияет на механизм мантийной конвекции. И это тоже предстоит ученым выяснить.

Ядро Земли назвали самым большим хранилищем углерода на планете — Наука

ТАСС, 20 августа. Изучив, как сейсмические волны движутся через ядро Земли, геологи пришли к выводу, что в нем должно быть около 0,3-2% углерода. Это делает ядро самым большим резервуаром углерода на планете, считают ученые. Исследование опубликовал научный журнал Communications Earth & Environment.

«Мы знаем, что ядро Земли по большей части состоит из железа, однако плотность последнего заметно выше, чем у ядра. Это говорит о значительной доле легких элементов, одним из которых может быть углерод. Мы выяснили, насколько большими могут быть его запасы», – рассказал один из авторов исследования, доцент Института штата Флорида Майнак Мукерджи.

Ядро Земли состоит из двух слоев: твердого металлического ядра и окружающего его жидкого слоя из расплавленных железа и никеля. Эта жидкость постоянно движется подобно тому, как кружит вода в кипящем чайнике. В результате возникает магнитное поле, которое защищает Землю от космических лучей, вспышек на Солнце и других опасных космических явлений.

Геологов давно интересует, как происходит это движение, и какие процессы внутри ядра приводят к периодическим переворотам магнитных полюсов Земли, а также к ослаблениям и усилениям магнитного поля. Для ответа на этот вопрос крайне важно знать точный состав жидкого и твердого ядра, так как присутствие небольших примесей других элементов может заметным образом поменять характер движения потоков в ядре.

Мукерджи и его коллеги выяснили, что значительную долю этих примесей составляет углерод, который, предположительно, попал в нижние слои недр планеты еще в первые мгновения жизни Солнечной системы. Ученые пришли к такому выводу при создании компьютерной модели ядра и мантии Земли, способной воспроизвести появление самых глубинных источников сейсмических волн.

Первые наблюдения за подобными колебаниями, которые были проведены еще в начале 1990-х годов, указали, что жидкое ядро Земли примерно на 3% состоит из различных примесей. Их состав оставался загадкой для ученых, так как ни один потенциальный кандидат на эту роль, в том числе кислород, сера, кремний и углерод, не могли объяснить всех странностей в поведении глубинных источников сейсмических волн.

Американские геологи впервые смогли разрешить эти противоречия. Это стало возможным благодаря тому, что они детально просчитали, как ведут себя расплавы углерода в железе при широком наборе давлений и температур. Аналогичные данные Мукерджи и его коллеги получили для азота, кремния, кислорода, серы и водорода.

Опираясь на эти расчеты, исследователи создали набор компьютерных моделей недр Земли, которые детально описывали характер круговорота материи внутри жидкого ядра. При их помощи геологи просчитали то, как с ними будут взаимодействовать глубинные сейсмические волны, и сопоставили результаты этих расчетов с данными реальных наблюдений.

Оказалось, что все их особенности воспроизводились теми моделями жидкой части ядра Земли, которые включали очень большие запасы углерода, около 0,3-2% от общей его массы, а также значимые количества кислорода. Это означает, что в центре планеты сосредоточено почти 95% массы земного углерода, что делает ядро самым большим резервуаром этого элемента на нашей планете.

Как столь большие количества углерода попали туда, геологи пока не могут сказать. Они предполагают, что углерод находился в центре Земли фактически с первых фаз ее формирования. Если это действительно так, ученым придется пересмотреть текущие представления о том, как углерод вел себя во время образования планеты, подытожили Мукерджи и его коллеги.

Ядро Земли «остывает быстрее, чем предполагалось»

Планета Земля, возможно, теряет свое внутреннее тепло быстрее, чем это предполагалось ранее. Keystone / Vilhelm Gunnersson

Планета Земля, возможно, теряет свое внутреннее тепло быстрее, чем это предполагалось ранее. Таков предварительный вывод ученых Высшей технической школы Цюриха (ETHZ).

Этот контент был опубликован 19 января 2022 года — 07:00

Русскоязычная редакция SWI Swissinfo, швейцарское информационное агентство Keystone-SDA / ETHZ / ИП

Доступно на 2 других языках

Для того чтобы прийти к такому выводуВнешняя ссылка, ученые разработали лабораторный эксперимент для измерения количества тепловой энергии, излучаемой жидким ядром планеты, состоящим из расплавленных железа и никеля. Тепло проходит через бриджманит (силикат-перовскит), плохо еще изученный минерал, находящийся в нижних слоях мантии Земли. Особенности передачи тепловой энергии в этом регионе регулируют скорость распространения сейсмических волн, которые приводят в том числе к вулканической активности и к движению тектонических плит.

В эксперименте использовалась «система измерения оптического поглощения тепла в алмазном блоке, нагреваемом импульсным лазером», что позволяло моделировать параметры теплопроводности бриджманита на глубине примерно 3 000 километров при температуре до 6 000 градусов Цельсия.

«Эта измерительная система позволила нам показать, что теплопроводность силикат-перовскита примерно в 1,5 раза выше, чем предполагалось ранее», — указал профессор ETHZ Мотохико Мураками (Motohiko Murakami).

«Наши результаты могут изменить принятый взгляд на историю Земли. Они дают основание предполагать, что Земля, как и другие скальные планеты, например Меркурий и Марс, охлаждается гораздо быстрее, чем считалось ранее. Этот процесс также может усилиться, поскольку бриджманит при охлаждении переходит в фазу постперовскита, а в таком состоянии он проводит тепло более эффективно». А это, как известно, заметно влияет на конвективное перемешивание в мантии, отвечающей за тектонику плит.

Ученые считают, что, когда постперовскит станет доминирующим минералом в мантии, темпы охлаждения ядра Земли ускорятся. Пока полученных результатов недостаточно, чтобы точно определить, когда Земля может остыть настолько, что тектонические плиты вообще перестанут двигаться. В игру вступают и другие факторы, например динамика распада радиоактивных элементов в недрах Земли.

Исследование проводилось совместно ETHZ и Научным институтом Карнеги в США (Carnegie Institution for Science).

Статья в этом материале

Ключевые слова:

В соответствии со стандартами JTI

Показать больше: Сертификат по нормам JTI для портала SWI swissinfo.ch

Внутреннее ядро Земли может оказаться на 1,2 млрд лет древнее, чем считается

Внутреннее ядро Земли может оказаться на 1,2 млрд лет древнее, чем традиционно предполагалось. К такому выводу, изучая историю образования Сибирских траппов, пришел российский ученый Алексей Смирнов, который в настоящее время является профессором Мичиганского технологического университета.

Ядро Земли — это центральная, наиболее глубокая часть нашей планеты, которая находится под мантией Земли и, предположительно, состоит из железоникелевого сплава с некоторыми примесями. Средний радиус ядра составляет 3 500 км, в то время как средний радиус Земли — 6 300 км. Про ядро мало что можно сказать достоверно: вся информация получена косвенными геофизическими или геохимическими методами, поскольку образцы вещества ядра пока недоступны для современной науки: не существует технологий, которые позволили бы человечеству пробурить скважину глубиной почти в 3000 км.

Существует много версий того, как образовалось ядро Земли. По одной из них, ядро Земли возникло ещё в протопланетном облаке. Согласно другой теории, ядро возникло в результате гравитационной дифференциации первичной Земли в период её роста или позже. В последнее время именно эта точка зрения стала наиболее популярной среди ученых. Возраст ядра Земли они оценивали в интервале от 1 до 3,5 млрд лет, но аргументов в пользу того, что ядро сформировалось 1 млрд лет назад, было больше.

Теперь же Алексей Смирнов, профессор геофизики Мичиганского технологического университета, и его коллеги из Университета Рочестера и Йельского университета обнаружили, что возраст внутреннего ядра Земли может оказаться как минимум на 1,2 млрд лет больше и составить 2,2 млрд лет.

Соответствующая работа опубликована в журнале Physics of the Earth and Planetary Interiors.

Трапп

(швед. trapp, от trappa — лестница), групповое название основных магматических горных пород с характерной ступенчатой отдельностью (диабаз, габбродиабаз, габбро, долерит и базальты), занимающих значительные площади — так называемые…

«Это большое достижение для фундаментальной науки. Исследователи, строившие свои предположения на том, что внутреннее ядро гораздо моложе, не очень обрадуются», — сказал Смирнов, слова которого приводит

пресс-служба университета.

Ранее Смирнову удалось объяснить историю образования так называемых Сибирских траппов (особых ступенчатых структур магматического происхождения). Ученый использует метод датировки, основанный на палеомагнитных данных, то есть на измерении магнитных полей в древнейших скальных породах Земли. Собрав эту информацию с различных точек по всей планете, Смирнов смог оценить возраст внутреннего ядра Земли.

Он утверждает, что эта дата связана с началом тектонических процессов литосферных плит.

15 сентября 13:41

«Когда при формировании Земли в процессе субдукции одна литосферная плита «подползла» под другую, приближение этого холодного материала к границе жидкого внешнего ядра могло инициировать возникновение и рост твердого внешнего ядра», — считает он. Эти выводы удалось сделать на основе «летописей» древнейших скал Земли.

Он также принимает во внимание эффект дрейфа материков, поэтому следующим станет исследование древних пород в Индии, которая в доисторические времена составляла единый континент с Африкой и Южной Америкой, а не с Азией.

В Индии расположены еще одни знаменитые траппы — траппы Декана.

«Мы изучили геологические формации, которые оказались распыленными по всему земному шару. Теперь мы знаем, какие различия в магнетизме характеризуют породы возрастом от 5 до 195 млн лет, от 1 до 2,2 млрд лет и от 2,2 до 3 млрд лет», — отметил Смирнов.
Выводы последнего исследования были сделаны на основе анализа данных с 28 точек на разных континентах, теперь эта информация доступна в особой базе данных. Ранее работы велись в основном в Австралии и Канаде. «Эти исследования можно вести в любом месте планеты, где доступны докембрийские породы», — отметил он (Кембрийский период начался около 542 млн лет назад. — «Газета.Ru»).

Смирнов начал писать свои работы по палеомагнетизму, еще будучи студентом в России.

До отъезда в США ученый работал в СПбГУ, в лаборатории профессора Владимира Шашканова, после этого он получил магистерскую степень и степень кандидата наук в Университете Рочестера, работал постдоком в Университете Рочестера и Йельском университете.

Внутреннее ядро Земли находится в суперионном состоянии

Внутреннее ядро Земли может находиться в суперионном состоянии, то есть промежуточной фазе между твердой и жидкой формой. Соответствующее исследование провели представители Китайской академии наук, сообщает Nature.

На поверхности Земли мы обычно имеем дело с тремя состояниями материи: твердым, жидким и газообразным. Но когда вещества подвергаются сильному давлению или нагреву, что типично для недр планеты, они могут переходить в другие, более необычные формы.

Суперионная материя находится между жидкостью и твердым телом. Молекулы в ней распадаются на атомы кислорода и водорода. Первые образуют трехмерную решетку, а вторые свободно перемещаются вокруг них.

«Атомы кислорода кристаллизуются в трехмерную структуру, как вы могли бы видеть в твердом теле, в то время как атомы водорода свободно перемещаются, как жидкость», – пояснили авторы.

Суперионный водяной лед может составлять основную массу гигантских ледяных планет, таких как Нептун и Уран. Авторы нового исследования пришли к выводу, что такая материя есть и на нашей планете, глубоко под поверхностью.

Отличие заключается лишь в том, что ядро Земли сделано не из воды, а из металлического сплава. В его состав входят железо, никель и несколько других гораздо более легких элементов, таких как водород и углерод. Атомы железа образуют трехмерную твердую структуру, а легкие элементы обтекают ее, как жидкость.

Внутреннее ядро Земли достигает температуры, аналогичной поверхности Солнца, а давление в 3,7 миллиона раз превышает поверхностное. Чтобы получить о нем больше данных, ученые измеряют и анализируют проходящие через центр планеты сейсмические волны.

Авторы нового исследования использовали компьютерное моделирование, чтобы увидеть, как сейсмические волны проходят через сплав из железа, водорода, углерода и кислорода под огромным давлением и высокой температурой. Результаты показали, что ядро менее плотное, чем чистое железо, поэтому в него должны входить более легкие элементы, и оно относительно мягкое.

Ученые подчеркнули, что для полного понимания свойств ядра потребуется провести еще много анализов. Так, до сих пор неизвестно, почему сейсмические волны проходят сквозь него с разной скоростью. Но моделирование помогло им сделать «существенный шаг вперед».

Ранее ученые воссоздали давление ядра Земли. Эксперимент провели в лаборатории.

Внутреннее ядро Земли не только охлаждается, но и нагревается

Внутреннее ядро Земли одновременно плавится и кристаллизуется из-за циркуляции тепла в вышележащей мантии, утверждают исследователи из Университета Лидса (Великобритания), Калифорнийского университета в Сан-Диего (США) и Индийского технологического института.

«Происхождение магнитного поля Земли остаётся загадкой, — поясняет соавтор исследования Джон Маунд из Университета Лидса. — Мы не можем пойти и взять образцы центра Земли, поэтому нам остаётся полагаться на поверхностные измерения и компьютерные модели. Так вот, наша новая модель обеспечивает довольно простое объяснение некоторых измерений, которые озадачивали учёных в течение многих лет. Она предполагает, что вся динамика ядра Земли так или иначе связана с тектоникой плит. И это вовсе не очевидно из наземных наблюдений. Если модель будет верифицирована, это серьёзно поможет понять, как образуется внутреннее ядро и как оно генерирует магнитное поле Земли».

Внутреннее ядро Земли представляет собой шар из твёрдого железа размером с Луну. Он окружён подвижным внешним ядром, состоящим из жидкого сплава железа и никеля (и некоторых других, более лёгких элементов), вязкой мантией и твёрдой корой, на которой мы живём. Внутреннее ядро растёт со скоростью около 1 мм в год, по мере того как железо охлаждается и кристаллизуется. Тепло, покидающее ядро, попадает в мантию и затем в кору. Мантия, нагретая ядром, поднимается ближе к поверхности, тогда как её более холодные слои опускаются. Эта конвекция запускает геодинамо и в сочетании с вращением Земли генерирует магнитное поле.

Совсем недавно учёные начали понимать, что внутреннее ядро может не только кристаллизоваться, но и плавиться. Это вызвало горячие споры о том, как подобное возможно при условии, что внутренняя часть Земли охлаждается. Вот эту тайну и попытались раскрыть авторы нового исследования.

С помощью компьютерной модели конвекции во внешнем ядре и данных сейсмологии они показали, что тепловой поток на границе ядра и мантии варьируется в зависимости от структуры вышележащей мантии. В некоторых регионах это изменение оказывается достаточно большим, чтобы тепло из мантии отправлялось обратно в ядро, вызывая локальное плавление.

Модель показывает, что под сейсмически активным «Огненным кольцом» Тихого океана, где тектонические плиты подползают одна под другую, холодные остатки океанических плит в нижней части мантии оттягивают на себя большое количество тепла от ядра. Это дополнительное охлаждение мантии порождает нисходящие потоки холодного материала, которые пересекают внешнее ядро и охлаждают внутреннее.

С другой стороны, в двух больших регионах под Африкой и Тихим океаном, где нижняя мантия горячее, чем в среднем, из ядра выходит меньше тепла. Внешнее ядро под этими регионами может становиться достаточно тёплым, чтобы вызывать плавление внутреннего ядра. «Если это так, то динамика вблизи границы внешнего и внутреннего ядер может оказаться более сложной, чем считалось, — подчёркивает соавтор Бинод Шринивасан из Индийского технологического института. — С одной стороны, у нас есть сгустки лёгкого материала, постоянно образующиеся там, где кристаллизуется чистое железо. С другой — плавление создаёт слой плотной жидкости над границей. Таким образом, сгусткам лёгких элементов предстоит пройти через этот слой, прежде чем они смогут попасть в вышележащее внешнее ядро. Интересно, что не все модели геодинамо предусматривают попадание тепла во внутреннее ядро. Получается, что возможность плавления внутреннего ядра налагает мощное ограничение на режим, в котором может работать земная динамо-машина».

Себастьян Рост из Университета Лидса добавляет: «Наша модель объясняет некоторые сейсмические измерения, которые показали, что существует слой плотной жидкости, окружающей внутреннее ядро. Гипотеза локального плавления способна также объяснить, почему сейсмические волны землетрясений через одни части ядра перемещаются быстрее, чем через другие».

Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.
Подготовлено по материалам Университета Лидса.

Недра Земли остывают быстрее, чем ожидалось

Эволюция Земли — это история её остывания.

4,5 миллиарда лет назад поверхность молодой планеты была покрыта глубоким океаном магмы, и на ней царили экстремальные температуры. За миллионы лет поверхность планеты остыла, образовав относительно хрупкую кору.

Однако огромная тепловая энергия, запасённая в недрах Земли, продолжает отвечать за такие геологические процессы, как конвекция в мантии, тектоника плит и вулканизм.

Что точно известно учёным: остывание продолжается. Однако до сих пор остаются без ответа вопросы о том, насколько быстро остывает Земля и сколько времени может потребоваться, чтобы это продолжающееся охлаждение остановило вышеупомянутые тепловые процессы и изменило жизнь на планете.

По крайней мере отчасти этот процесс определяется теплопроводностью минералов, образующих границу между ядром Земли и мантией.

Исследователи из Высшей технической школы (ETH) в Цюрихе провели лабораторный эксперимент, показавший, насколько хорошо минерал бриджманит, в изобилии присутствующий на границе между ядром Земли и мантией, проводит тепло.

Это привело учёных к выводу, что тепло Земли может рассеяться даже раньше, чем считалось до этого.

Этот пограничный слой имеет большое значение, поскольку именно здесь вязкая порода мантии Земли находится в непосредственном контакте с горячим железоникелевым расплавом внешней части ядра планеты.

Разница температур между двумя этими слоями очень велика, поэтому здесь происходит активный отток тепла.

Пограничный слой образован в основном минералом бриджманитом. Однако исследователи затрудняются оценить, сколько тепла этот минерал проводит от ядра Земли в мантию, потому что сложно как-либо проверить это в ходе эксперимента.

Теперь профессор ETH Мотохико Мураками (Motohiko Murakami) и его коллеги из Института Карнеги в США разработали сложную систему, которая позволяет им измерять теплопроводность бриджманита в лаборатории в условиях давления и температур, которые преобладают в глубинах Земли.

Для измерений учёные использовали разработанную ранее систему оптического поглощения в алмазной ячейке, нагреваемой импульсным лазером. Внутрь алмазной ячейки помещался кристалл бриджманита.

Эта измерительная система позволила исследователям выяснить, что теплопроводность бриджманита примерно в полтора раза выше, чем предполагалось.

Это говорит о том, что поток тепла из ядра в мантию также выше, чем считалось ранее. Больший тепловой поток, в свою очередь, увеличивает мантийную конвекцию и ускоряет охлаждение Земли.

Это может привести к тому, что тектоника плит, которая поддерживается конвективными перемещениями мантии, будет замедляться быстрее, чем ожидали исследователи, основываясь на предыдущих значениях теплопроводности.

Мураками и его коллеги также показали, что более быстрое охлаждение мантии изменит стабильные минеральные фазы на границе ядра и мантии.

Поясним, что при охлаждении бриджманит превращается в минерал постперовскит. Но как только постперовскит появится и начнёт преобладать на границе ядра и мантии, охлаждение мантии может ускориться ещё больше, поскольку этот минерал проводит тепло даже более эффективно, чем бриджманит.

«Наши результаты могут дать нам новый взгляд на эволюцию Земли. Они предполагают, что Земля, как и другие планеты земной группы – Меркурий и Марс, остывает и становится неактивной гораздо быстрее, чем ожидалось», – объясняет Мураками.

Однако он не может сказать, сколько времени потребуется, например, для прекращения конвекционных течений в мантии.

Учёные до сих пор недостаточно знают о таких процессах, чтобы точно определить для них временные рамки. Для этого необходимо сначала лучше понять, как работает мантийная конвекция в пространстве и времени. А для этого пока не хватает инструментов и методов.

Кроме того, учёным необходимо выяснить, как распад радиоактивных элементов в недрах Земли — один из основных источников тепла — влияет на динамику мантии.

Работа международной группы учёных была опубликована в издании Earth and Planetary Science Letters.

Напомним, ранее мы рассказывали о том, как внутреннюю структуру нашей планеты изучают с помощью «погодных бомб», а также о крупнейшем в истории Земли излиянии магмы.

Также мы писали о том, что когда-то давно наша планета наклонилась набок и возвращалась в исходное положение целых пять миллионов лет. Сообщали мы и о том, что извержения вулканов и подъём океана следуют особому циклу.

Больше новостей из мира науки вы найдёте в разделе «Наука» на медиаплатформе «Смотрим».

Инге Леманн: первооткрывательница внутреннего ядра Земли

Доктор Инге Леманн (1888–1993), первооткрывательница внутреннего ядра Земли.Фото предоставлено Б.А. Болт.

Как мы можем узнать, что происходит глубоко внутри Земли? Температура слишком высока, давление слишком велико, а расстояния слишком велики, чтобы их можно было исследовать с помощью обычных зондов. Поэтому ученые полагаются на сейсмические волны — ударные волны, возникающие в результате землетрясений и взрывов, которые проходят через Землю и по ее поверхности, — чтобы выявить внутреннюю структуру планеты. Каждый год происходят тысячи землетрясений, и каждое дает мимолетное представление о недрах Земли. Сейсмические сигналы состоят из нескольких видов волн. Для понимания недр Земли важны P-волны (первичные, или волны сжатия) и S-волны (вторичные, или поперечные волны), которые по-разному проходят через твердый и жидкий материал.

Сейсмические волны, называемые S-волнами, не распространяются через жидкость.Мы знаем, что внешнее ядро ​​жидкое из-за тени, которую оно отбрасывает в S-волнах. Иллюстрации © Американский музей естественной истории

Сейсмограф, обнаруживающий и регистрирующий движение сейсмических волн, был изобретен в 1880 году. К концу этого десятилетия по всему миру работали сейсмические станции. В то время геофизики полагали, что Земля состоит из жидкого ядра, окруженного твердой мантией, окруженной корой, и все это разделено резкими изменениями плотности в Земле, называемыми «разрывами».

В 1929 году недалеко от Новой Зеландии произошло сильное землетрясение. Датский сейсмолог Инге Леманн, «единственный датский сейсмолог», как она однажды назвала себя, изучала ударные волны и была озадачена увиденным. Несколько продольных волн, которые должны были быть отклонены ядром, действительно были зарегистрированы на сейсмостанциях. Леманн предположил, что эти волны прошли некоторое расстояние в ядро, а затем отразились от какой-то границы. Ее интерпретация этих данных легла в основу статьи 1936 года, в которой она предположила, что центр Земли состоит из двух частей: твердого внутреннего ядра, окруженного жидким внешним ядром, разделенных тем, что стало называться разрывом Лемана.Гипотеза Леманна была подтверждена в 1970 году, когда более чувствительные сейсмографы обнаружили волны, отклоняющиеся от этого твердого ядра.

Сейсмические волны, называемые P-волнами, проходят через ядро ​​и обнаруживаются на дальней стороне Земли.Косвенные сигналы, полученные в зоне тени P-волн, позволяют предположить наличие твердого внутреннего ядра, отклоняющего некоторые волны. Иллюстрации © Американский музей естественной истории

Леманн родилась в Дании в 1888 году и стала пионером среди женщин и ученых. Ее раннее образование было в прогрессивной школе, где к мальчикам и девочкам относились одинаково. Это резко отличалось от математического и научного сообщества, с которым она столкнулась позже, по поводу которого она однажды протестовала перед своим племянником Найлсом Гроузом: «Вы должны знать, со сколькими некомпетентными людьми мне пришлось соревноваться — напрасно». Грус вспоминает: «Я помню Инге однажды в воскресенье в своем любимом саду… с большим столом, заставленным картонными коробками из-под овсяных хлопьев. В коробках были картонные карточки с информацией о землетрясениях… по всему миру. Это было до того, как стала доступна компьютерная обработка, но система осталась прежней.С помощью своих картонных карточек и коробок из-под овсяных хлопьев Инге регистрировала скорость распространения землетрясений во всех частях земного шара. С помощью этой информации она вывела новые теории внутренних частей Земли».

Вырез показывает четыре основных слоя Земли: твердое внутреннее ядро, жидкое внешнее ядро, мантию и кору. Иллюстрации © Американский музей естественной истории

Критический и независимый мыслитель, Леманн впоследствии зарекомендовала себя как авторитет в области строения верхней мантии. Она провела обширные исследования в других странах, воспользовавшись возросшим глобальным интересом к сейсмологии для наблюдения за тайными ядерными взрывами.Когда в 1971 году Леманн получила медаль Уильяма Боуи, высшую награду Американского геофизического союза, ее охарактеризовали как «мастера черного искусства, которое никакая компьютеризация вряд ли сможет полностью заменить». Леманн дожил до 105 лет.

Внутреннее ядро ​​Земли может содержать как мягкое, так и твердое железо

Места землетрясений (красные) и сейсмические станции (желтые). (Фото предоставлено Батлером и Цубои, 2021 г.)

На глубине 3200 миль под поверхностью Земли находится внутреннее ядро ​​— шарообразная масса, состоящая в основном из железа и отвечающая за магнитное поле Земли. Согласно NASA , это поле действует как защитный щит вокруг планеты, отталкивая и улавливая заряженные частицы от Солнца. В 1950-х годах исследователи предположили, что внутреннее ядро ​​было твердым, в отличие от окружающей его жидкометаллической области. Новое исследование, проведенное Реттом Батлером , геофизиком из Гавайского университета в Школе океанологии и наук о Земле Маноа ( SOEST ), предполагает, что «твердое» внутреннее ядро ​​Земли на самом деле наделено рядом жидкие, мягкие и твердые структуры, которые различаются по верхним 150 милям внутреннего ядра.

Волны землетрясения дают подсказки

В этом регионе не было ни человека, ни машины. Глубина, давление и температура делают внутреннюю Землю недоступной. Итак, Батлер, исследователь из Гавайского института геофизики и планетологии SOEST , и соавтор Сэйдзи Цубои, научный сотрудник Японского агентства морских и земных наук и технологий, полагались на единственные доступные средства для исследования самых внутренних областей Земли. — волны землетрясений.

Сейсмическая энергия отражается по кругу вокруг вершины внутреннего ядра.(Фото: Батлер, Цубои, 2021 г.)

«Освещённая землетрясениями в земной коре и верхней мантии и наблюдаемая сейсмическими обсерваториями на поверхности Земли, сейсмология предлагает единственный прямой способ исследовать внутреннее ядро ​​и его процессы», — сказал Батлер. .

Когда сейсмические волны проходят через различные слои Земли, их скорость меняется, и они могут отражаться или преломляться в зависимости от минералов, температуры и плотности этого слоя.

Чтобы определить характеристики внутреннего ядра, Батлер и Цубои использовали данные сейсмометров, расположенных прямо напротив места, где произошло землетрясение.Используя японский суперкомпьютер Earth Simulator, они оценили пять пар для широкого охвата внутреннего региона ядра: Тонга-Алжир, Индонезия-Бразилия и три между Чили-Китай.

Улучшение понимания

«В отличие от однородных сплавов мягкого железа, рассматриваемых во всех моделях внутреннего ядра Земли с 1970-х годов, наши модели предполагают наличие смежных областей твердых, мягких и жидких или кашеобразных сплавов железа в верхних 150 милях от поверхности Земли. внутреннее ядро», — сказал Батлер. «Это накладывает новые ограничения на состав, тепловую историю и эволюцию Земли.

Изучение внутреннего ядра и обнаружение его гетерогенной структуры дают важную новую информацию о динамике на границе между внутренним и внешним ядром, которая влияет на генерацию магнитного поля Земли.

«Знания об этом граничном условии из сейсмологии могут позволить создать более совершенные прогностические модели геомагнитного поля, которое защищает и защищает жизнь на нашей планете», — сказал Батлер.

Эта работа является примером UH цели Mānoa «Совершенство в исследованиях: продвижение научно-исследовательской и творческой деятельности» ( PDF ), одной из четырех целей, определенных в Стратегическом плане на 2015–2025 годы ( PDF ), обновленном в декабрь 2020.

Для получения дополнительной информации см. веб-сайт SOEST .

– Марси Грабовски

Земля скрывает пятый слой в своем внутреннем ядре

Пятый слой

Ученые давно подозревали, что внутреннее ядро ​​Земли состоит из двух слоев. Но только после того, как исследователи ANU более внимательно изучили то, что находится ниже, было подтверждено наличие «самого внутреннего внутреннего ядра».

Их работа выявила отчетливое изменение структуры железа глубоко во внутреннем ядре примерно на 3604 мили ниже поверхности Земли.Вы можете вспомнить ранее, что внутреннее ядро ​​состоит из твердого сплава железа. Это происходит из-за высокого давления глубоко внутри Земли, которое препятствует плавлению железного сплава. Но в этом железном сплаве были обнаружены отчетливые структурные изменения, которые отличают недавно обнаруженный самый внутренний слой от остальной части внутреннего ядра.

По словам Салона, это открытие привело исследователей к мысли, что изменение структуры могло быть вызвано неизвестным драматическим событием в ранней истории Земли. Дальнейшее изучение этого крошечного слоя может дать дополнительные сведения о том, как сформировались наши планеты.

«Подробности этого крупного события до сих пор остаются загадкой, но мы добавили еще одну часть головоломки, когда дело доходит до наших знаний о внутреннем ядре Земли», — сказала ведущий автор исследования и исследователь Джоан Стефенсон. в заявлении.

За кулисами открытия

Сейсмический мониторинг позволяет нам лучше понять недра Земли.Это стало возможным благодаря измерению звуковых волн, которые создаются землетрясениями и проходят через слои Земли. Анализируя, как различные слои замедляют звуковые волны, ученые могут мельком увидеть, что находится под ними.

Недавнее открытие было сделано с помощью специального поискового алгоритма, который исследователи использовали для сравнения тысяч моделей внутреннего ядра с накопленными за десятилетия данными о том, как долго сейсмические волны проходят через Землю. Эти данные, собранные сейсмографическими станциями по всему миру, помогли обнаружить изменения в структуре железа во внутреннем ядре. Эти результаты помогли подтвердить, что внутреннее ядро ​​Земли имеет еще один слой.

Хотя эта работа все еще анализируется, открытие нового слоя может проложить путь к новому геологическому принципу и побудить к переписыванию учебников.

Ядро Земли: что лежит в центре и откуда мы это знаем?

Когда пионер научной фантастики Жюль Верн написал «Путешествие к центру Земли » в 1864 году, он, вероятно, знал, что его сюжет — чистая фантазия.Герои Верна спустились всего на несколько миль вниз, но мысль о том, что кто-то может даже помыслить о путешествии к ядру Земли, была отвергнута еще до викторианской эпохи.

На самом деле, даже сегодня самая дальняя точка, которую мы пробурили в Земле, составляет около 12 км, а расстояние до центра более чем в 500 раз больше — 6370 км.

Так откуда мы знаем, что скрывается под ним? Выяснение того, что находится в сердце нашей планеты, было великолепной научной загадкой.

Откуда мы знаем, что Земля круглая?

Представление о том, что у Земли есть значимый центр, идет рука об руку с тем, что планета имеет форму шара, и мы знаем, что уже давно не живем на диске.

Миф о том, что средневековые люди думали, что Земля плоская – на самом деле это произошло из-за смеси викторианской антирелигиозной пропаганды и неверного толкования стилизованных карт того периода.

Более 2200 лет назад греческий эрудит Эратосфен впервые измерил расстояние вокруг сферы Земли, и с тех пор стало ясно, что у нее должен быть центр.

Неверно истолкованные карты средневековья привели к мифу о том, что когда-то люди думали, что Земля плоская © Getty Images

Однако это не означает, что ранние философы думали о Земле так же, как мы сегодня.

Древнегреческие физики говорили, что мир состоит из ряда концентрических сфер четырех основных элементов: земли, воды, воздуха и, наконец, огня.

В этой древнейшей научной картине центр планеты должен был быть твердым, поскольку воздух не мог находиться внутри земной сферы.

Очевидно, что земная сфера не была полностью окружена водой, иначе не было бы суши, поэтому считалось, что часть земли торчит наружу, а это означает, что может быть только один континент.

В результате открытие Америки явилось, по сути, одним из первых экспериментальных научных результатов, опровергнувших представление о едином континенте и обозначивших значительный шаг на пути к выходу за пределы древнегреческого научного мышления.

Знание Эратосфеном Солнца и заданных местоположений на планете помогло ему вычислить окружность Земли © Getty Images

Представление о том, что Земля является полностью полой или с огромными пещерами, достигающими центра, как в книге Верна, было популярно в художественной литературе и мифологии с древних времен, а также использовалось в лженауке и теориях заговора.

Однако неясно, относился ли когда-либо к этой идее всерьез какой-либо ученый, кроме астронома Эдмонда Галлея, предложившего в 1692 году полую Землю для объяснения некоторых необычных показаний компаса.

А в 1798 году английский ученый и чудак забил последний гвоздь в гроб гипотезы «полой Земли». Шаг вперед Генри Кавендиша с экспериментом по точному взвешиванию планеты.

Сколько весит Земля?

Кавендиш был странным человеком, который общался со своими слугами только с помощью записок, чтобы не встречаться с ними лицом к лицу.

Несмотря на свое аристократическое происхождение, Кавендиш посвятил свою жизнь науке, работая как в химии, так и в физике, и наиболее известен тем, что разработал эксперимент по вычислению плотности Земли.

Английский естествоиспытатель Генри Кавендиш (1731-1810) построил крутильные весы для измерения гравитационной силы между двумя большими массами, чтобы он мог произвести первое вычисление массы Земли © Getty Images

С помощью простых крутильных весов, которые измеряли силу кручения, вызванную гравитационным притяжением двух больших шаров к паре меньших, Кавендиш смог рассчитать слабое гравитационное притяжение между двумя парами шаров.

Сравнив это с собственным гравитационным притяжением Земли, он смог вычислить плотность планеты (и, поскольку размер Земли уже был известен, ее массу).

Но показатель плотности показал, что наша планета должна быть в основном твердой, если только где-то в недрах не было чрезвычайно плотных неизвестных материалов.

Откуда мы знаем, что находится в ядре Земли?

Сегодня мы разделили недра Земли на три сегмента: кора, которая является внешним слоем, толщиной от 5 км до 75 км, мантия, простирающаяся на глубину около 2900 км, с толщиной ядра — немного нас интересует здесь — протяженность около 3500 км от центра Земли, с двумя отдельными сегментами.

В центре ядра находится очень горячая, но все еще твердая никель-железная сфера с радиусом около 1200 км. Температура этого внутреннего ядра примерно 5400°C аналогична температуре поверхности Солнца. Остальное — это жидкое внешнее ядро ​​Земли, состоящее в основном из никель-железного сплава с такими же температурами, но нагревающееся ближе к центру.

Но как мы можем знать такие подробности о таком труднодоступном месте?

Учитывая почти невозможность когда-либо добраться хотя бы на тысячу километров до ядра, все наши знания являются косвенными и зависят от сейсмологии — науки о землетрясениях.

Температура ядра Земли аналогична температуре поверхности Солнца

После землетрясения сейсмические волны проходят через Землю, меняя свою форму и направление в зависимости от материалов, через которые они проходят. Геофизики использовали эту информацию, чтобы определить, что находится в ядре Земли.

Их сейсмометры, устройства для измерения таких волн, являются эквивалентом телескопов для исследования недр Земли.

Подробнее о ядре Земли :

К началу 20-го века повышение температуры по мере того, как мы углублялись в землю, в сочетании с анализом земных волн сейсмологами предположили, что внутренние части нашей планеты были, по крайней мере, частично расплавлены — достаточно горячими, чтобы превратить камень и металл в жидкость. .

А ключевые открытия были сделаны двумя учеными, которые, позорно, даже не были номинированы на Нобелевскую премию: британским геологом Ричардом Олдхэмом и датским сейсмологом Инге Леманн.

Что волны могут рассказать нам о структуре Земли?

Подумайте о волне, и вы, вероятно, подумаете о поверхностной волне, подобной той, которую вы видите в море. Но многие волны — например, звук — проходят через тело материала.

Хотя сейсмические волны, вызывающие повреждения при землетрясении, распространяются по поверхности, существуют также два типа «объемных волн», которые проходят через Землю.Р-волны («P» означает «первичные») — это продольные волны, как и звук.

Они вибрируют в направлении движения, заставляя Землю сжиматься и расширяться по мере их прохождения.

Р-волны распространяются быстро — около 5 км в секунду в породе, похожей на гранит, и до 14 км в секунду в самых плотных частях мантии.

Второй тип объемных волн, S-волны («S» означает «вторичные»), представляют собой более медленные поперечные волны, движущиеся из стороны в сторону. В отличие от P-волн, они не могут проходить через жидкость, поэтому эти два типа волн оказались важными, помогая нам понять ядро ​​Земли.

Представьте себе сильное землетрясение. Волны начинают двигаться по Земле.

Последствия землетрясения в Сан-Франциско в 1906 году © Getty Images

P-волны устремляются вперед, а S-волны следуют за ними примерно вдвое медленнее. Оба типа волн будут обнаружены сейсмометрами, которые используются для измерения колебаний в земле по всей Земле.

Но там, где волны проходят через ядро ​​и достигают удаленной измерительной станции, возникает так называемая теневая зона.Пройдите около 104° по периметру Земли от эпицентра землетрясения, и волны исчезнут. Но начиная со 140° снова появляются зубцы P без сопутствующих зубцов S.

Еще в 1906 году Ричард Олдхэм понял значение этой странной тени. Олдхэм провел большую часть своей карьеры в Геологической службе Индии, часто работая в Гималаях.

Подробнее о землетрясениях:

Уехав на пенсию в 1903 году в Великобританию, он использовал данные, накопленные за предыдущие несколько лет, для исследования недр Земли.Он понял, что наблюдаемое поведение P-волн и S-волн можно было бы объяснить, если бы центр Земли был жидким.

В таком случае P-волны будут преломляться жидкостью, изгибаясь, как свет, когда он переходит из воды в воздух, оставляя отчетливую тень. S-волны, напротив, будут полностью остановлены жидким ядром.

Прорыв Олдхэма привел к широко распространенной картине расплавленного ядра, но 30 лет спустя Инге Леманн поняла, что идея Олдхэма была слишком простой.

Преломление Р-волн плотной жидкостью в центре Земли должно было дать полную тень.

На самом деле, измерения, проведенные с помощью более чувствительных сейсмометров, доступных во времена Лемана, показали, что слабые продольные волны все еще появлялись в теневой зоне.

Датский сейсмолог Инге Леманн, фото 1932 г. © Королевская библиотека, Национальная библиотека Дании и Университетская библиотека Копенгагенского университета

Изучая данные, проходящие через планету во время новозеландского землетрясения 1929 года, Леманн предположил, что эти волны отражались от границы между внутренним твердым ядром и внешней жидкостью.

Ее результаты, опубликованные в 1936 году, были подтверждены два года спустя Бено Гутенбергом и Чарльзом Рихтером, которые точно смоделировали эффекты твердого ядра.

Прямые измерения этих отраженных сейсмических волн, наконец, были проведены в 1970 году.

Из чего состоит ядро ​​Земли?

Дальнейшие исследования выявили еще более тонкие волны, которые из-за их задержки прибытия должны были пересечь жидкое внешнее ядро ​​как P-волны, прежде чем преобразоваться в поперечные S-волны во внутреннем ядре, а затем обратно в P-волны на выход.

Это открытие, подтвержденное только в 2005 году, стало еще одним доказательством наличия твердого ядра.

Несмотря на это, точная природа внутреннего ядра является предметом серьезных споров. Температуры, например, можно определить только на основе экспериментальных исследований того, как материалы плавятся и затвердевают под давлением.

Чарльз Рихтер подтвердил теорию Инге Леманн о том, что Земля имеет твердое ядро; он также создал шкалу Рихтера для определения силы землетрясений © Getty Images

На самом деле предположение, что ядро ​​состоит в основном из железа и никеля, исходит из комбинации частоты, с которой различные элементы встречаются в нашей локальной области Млечного Пути, и нашего понимания того, как сформировалась наша планета.

Под огромным давлением в центре Земли, превышающим атмосферное давление в три миллиона раз, материалы могут вести себя совершенно иначе, чем в нормальных условиях.

Хотя наиболее очевидным претендентом на внутреннее ядро ​​является твердый сплав никеля и железа, вполне возможно, что чрезвычайно плотная плазма — состояние материи, обнаруженное в звезде — может иметь аналогичные свойства. Одной из трудностей здесь является знание того, как материалы ведут себя в таких экстремальных условиях.

Войдите в камеру с алмазной наковальней.

В этом замечательном устройстве кончики двух алмазов диаметром всего в доли миллиметра сжаты вместе.

Приложение усилия к маленькому участку производит большее давление, чем к широкому, поэтому наступать на шпильку намного больнее, чем на плоскую подошву.

Алмазная наковальня создает давление, в два раза превышающее давление ядра Земли, а нагрев осуществляется с помощью лазеров.

Когда металлические образцы измельчаются и нагреваются до состояния, подобного ядру, результаты предполагают наличие кристаллического твердого вещества в центре Земли.

В реальности мы никогда не приблизимся к ядру Земли.

Уровни тепла, давления и радиоактивности (один из основных источников внутреннего нагрева) настолько высоки, что даже если бы мы смогли пробурить более 6000 км породы и металла, зонд не смог бы выжить.

По сравнению с достижением ядра путешествие к внешним пределам Солнечной системы тривиально.

Но собственные вибрации нашей планеты, вызванные землетрясениями и интерпретированные такими гениальными учеными, как Инге Леманн, дают нам возможность исследовать своим разумом то, что мы никогда не посетим лично.

  • Эта статья впервые появилась в выпуске 304 журнала BBC Focus
Ключевые термины

Продольные волны – Эти волны состоят из серии сжатий и расслаблений в направлении движения, подобно гибкой пружине, которую толкают по всей ее длине. Примеры включают звук и P-волны.

Преломление – Когда волна достигает границы между двумя материалами, двигаясь под углом, она меняет направление. Световые волны, например, преломляются при прохождении между водой и воздухом, из-за чего прямой объект кажется изогнутым.

Сейсмология – Изучение землетрясений. Анализ того, как различные типы сейсмических волн проходят через Землю, позволил нам собрать воедино внутреннюю структуру нашей планеты.

Торсионные весы – Этот прибор состоит из стержня, подвешенного к раме на скрученном волокне. Когда стержень движется вбок, он прикладывает силу к волокну — чем сильнее он скручивается, тем больше сила.

Поперечные волны – Эти волны состоят из серии колебаний из стороны в сторону, подобно волнам, передаваемым через веревку при движении одного конца вверх и вниз.Примеры включают световые и S-волны.

Недра Земли | National Geographic

Внутри Земли

Недра Земли состоят из четырех слоев, трех твердых и одного жидкого — не магмы, а расплавленного металла, почти такого же горячего, как поверхность Солнца.

Самый глубокий слой представляет собой твердый железный шар диаметром около 1500 миль (2400 километров). Хотя это внутреннее ядро ​​раскалено добела, давление настолько велико, что железо не может расплавиться.

Железо не является чистым — ученые считают, что оно содержит серу и никель, а также небольшое количество других элементов.Оценки его температуры разнятся, но, вероятно, она находится где-то между 9 000 и 13 000 градусов по Фаренгейту (5 000 и 7 000 градусов по Цельсию).

Над внутренним ядром находится внешнее ядро, оболочка из жидкого железа. Этот слой более прохладный, но все же очень горячий, возможно, от 7200 до 9000 градусов по Фаренгейту (от 4000 до 5000 градусов по Цельсию). Он также состоит в основном из железа, а также значительного количества серы и никеля. Он создает магнитное поле Земли и имеет толщину около 1400 миль (2300 километров).

River of Rock

Следующий слой — мантия. Многие думают, что это лава, но на самом деле это камень. Однако скала настолько горячая, что течет под давлением, как дорожная смола. Это создает очень медленные течения, когда горячие камни поднимаются из глубины, а более холодные опускаются.

Толщина мантии составляет около 1800 миль (2900 километров), и, по-видимому, она разделена на два слоя: верхнюю мантию и нижнюю мантию. Граница между ними находится примерно в 465 милях (750 км) под поверхностью Земли.

Земная кора — это самый внешний слой Земли. Это знакомый ландшафт, на котором мы живем: скалы, почва и морское дно. Его толщина колеблется от пяти миль (восьми километров) под океанами до в среднем 25 миль (40 километров) под континентами.

Течения внутри мантии разбили земную кору на блоки, называемые плитами, которые медленно перемещаются, сталкиваясь, образуя горы, или раскалываясь, образуя новое морское дно.

Континенты состоят из относительно легких блоков, плавающих высоко в мантии, подобно гигантским медленно движущимся айсбергам.Морское дно состоит из более плотной породы, называемой базальтом, который глубже вдавливается в мантию, образуя бассейны, которые могут заполняться водой.

За исключением земной коры, недра Земли нельзя изучать путем бурения отверстий для отбора проб. Вместо этого ученые наносят на карту внутреннюю часть, наблюдая, как сейсмические волны от землетрясений изгибаются, отражаются, ускоряются или задерживаются различными слоями.

Перекошенное ядро ​​Земли? Странности в недрах нашей планеты

Односторонний рост ядра Земли предполагает новая компьютерная модель.Эта иллюстрация ядра сделана Johan Swanepoel/Shutterstock.

Односторонний рост ядра Земли

Глубоко под нашими ногами внутреннее ядро ​​Земли состоит из твердого железа, очень горячего и очень плотного. Он окружен расплавленным железно-никелевым внешним ядром (потоки которого создают магнитное поле Земли) и каменистой мантией, которая в основном твердая, но с течением времени движется медленно. Иллюстрации показывают внутреннее ядро ​​Земли круглым, как шар. Но ядро ​​Земли не стремится к округлости. Новое исследование предполагает, что внутреннее ядро ​​Земли растет асимметрично, то есть с одной стороны быстрее, чем с другой. Очевидно, так было с тех пор, как ядро ​​нашей планеты начало вымерзать из расплавленного железа более полумиллиарда лет назад. Область внутреннего ядра с самым быстрым ростом расположена под морем Банда в Индонезии.

Если внутреннее ядро ​​растет быстрее с одной стороны, означает ли это, что ядро ​​теперь перекошено? Нет. Непрекращающееся притяжение Земли сжимает то, что в противном случае было бы кривым земным ядром, обратно в форму круглого шара.

Исследователи объявили о своих выводах 3 июня 2021 года через Калифорнийский университет в Беркли. Nature Geoscience опубликовала рецензируемые результаты 3 июня. В заявлении ученых говорится, что новая работа:

… имеет значение для магнитного поля Земли и ее истории, потому что конвекция во внешнем ядре, вызванная выделением тепла из внутреннего ядра, — это то, что сегодня приводит в действие динамо-машину, которая генерирует магнитное поле, защищающее нас от опасных частиц Солнца.

Опять же, ядро ​​Земли не оказывается однобоким. Гравитация возвращает его в форму сферы.

Тем не менее, что-то заставляет одну сторону внутреннего ядра расти более быстрыми темпами. Что бы это могло быть? Что бы это ни было, оно отводит тепло с той стороны ядра — охлаждает его — быстрее, чем с противоположной стороны, расположенной под Бразилией.

Эволюция внутреннего ядра Земли

Чтобы понять, почему одна сторона внутреннего ядра Земли будет охлаждаться или затвердевать — расти — быстрее, чем другая сторона, исследователи изучили историю ядра Земли и связанного с ним магнитного поля.

Тепло внутреннего ядра Земли происходит от радиоактивного распада плюс тепло, оставшееся от формирования Земли 4,5 миллиарда лет назад. С момента образования Земли планета в целом медленно остывает. При этом внутреннее ядро ​​Земли растет медленно. Он растет за счет затвердевания или кристаллизации частиц расплавленного внешнего ядра со скоростью около 1 миллиметра в год.

Выделение тепла из внутреннего ядра помогает создавать магнитное поле нашей планеты. Барбара Романович из Калифорнийского университета в Беркли, один из авторов новой статьи, прокомментировала:

Мы даем довольно условные оценки возраста внутреннего ядра — от полумиллиарда до 1 года.5 миллиардов лет — это может помочь в споре о том, как создавалось магнитное поле до существования твердого внутреннего ядра. Мы знаем, что магнитное поле уже существовало 3 миллиарда лет назад, поэтому в то время конвекцию во внешнем ядре должны были вызывать другие процессы.

По словам ведущего автора Дэниела Фроста из сейсмологической лаборатории Беркли (BSL):

Споры о возрасте внутреннего ядра ведутся давно. Сложность такова: если внутреннее ядро ​​могло существовать только 1.5 миллиардов лет, основываясь на том, что мы знаем о том, как она теряет тепло и насколько она горячая, откуда взялось старое магнитное поле? Отсюда и возникла эта идея о растворенных световых элементах, которые затем замерзают.

Твердое железное внутреннее ядро ​​Земли (красный цвет) медленно растет из-за замерзания внешнего жидкого ядра (оранжевого цвета). Кристаллы, состоящие из гексагонально плотно упакованных сплавов железа и никеля, выровнены параллельно оси вращения Земли. Внешнее ядро ​​расплавлено. Изображение Дэниела Фроста/Калифорнийского университета в Беркли.

Размышляя над загадкой 30-летней давности

Ученые задались вопросом: почему кристаллизованное железо в ядре выровнено вдоль оси вращения Земли? Кристаллы железа должны быть выровнены случайным образом, но вместо этого они следуют оси Земли, больше на западе, чем на востоке.

Ученые заметили это, измерив, сколько времени требуется сейсмическим волнам от землетрясений, чтобы пройти через внутреннее ядро. Из-за западно-восточной асимметрии волны быстрее распространяются с севера на юг и медленнее с востока на запад вдоль экватора.

Новая модель исследователей согласуется с наблюдениями исследователей о временах прохождения сейсмических волн. Разница во времени прохождения также увеличивается с глубиной и смещается от оси вращения Земли примерно на 250 миль (400 км).

На этой иллюстрации показано, как кристаллы железа распределяются и перемещаются во внутреннем ядре Земли. Изображение предоставлено Марин Ласблейс/Калифорнийским университетом в Беркли.

Компьютерная модель роста кристаллов железа

Фрост и Романович вместе с Марин Ласбле из Нантского университета во Франции и Брайаном Чендлером из Калифорнийского университета в Беркли создали новую компьютерную модель.Эта модель объединила другие модели геодинамического роста и физику минералов железа при высоком давлении и высокой температуре. Фрост сказал:

Простейшая модель показалась немного необычной, что внутреннее ядро ​​асимметрично. Западная сторона выглядит иначе, чем восточная, вплоть до центра, а не только в верхней части внутреннего ядра, как предполагают некоторые. Единственный способ, которым мы можем объяснить это, это то, что одна сторона растет быстрее, чем другая.

В этой модели асимметричный рост примерно на 60% выше на востоке.

Результаты также предполагают, что внутреннее ядро ​​состоит примерно на 4-8% из никеля, а остальное — из железа. Интересно, что это похоже на пропорции, обнаруженные в железных метеоритах. Ученые считают, что эти метеориты когда-то были частью ядер карликовых планет.

Треугольники на этой карте показывают расположение сейсмометров, используемых для обнаружения сейсмических волн от землетрясений (кружки). Изображение от Дэниела Фроста / Калифорнийского университета в Беркли. Геофизик Дэниел Фрост из Калифорнийского университета в Беркли возглавил новое исследование внутреннего ядра Земли.Изображение через Д. А. Фроста.

Итог: внутреннее ядро ​​Земли асимметрично, оно растет быстрее с одной стороны, чем с другой. Новая компьютерная модель, разработанная исследователями из Калифорнийского университета в Беркли, показывает, как более быстрое охлаждение на одной стороне ядра помогает объяснить, почему.

Источник: Динамическая история внутреннего ядра, ограниченная сейсмической анизотропией

Через Калифорнийский университет в Беркли

Пол Скотт Андерсон
Просмотр статей
Об авторе:

У Пола Скотта Андерсона страсть к исследованию космоса началась еще в детстве, когда он посмотрел «Космос» Карла Сагана. В школе он был известен своей страстью к исследованию космоса и астрономии. В 2005 году он начал свой блог The Meridiani Journal, который представлял собой хронику исследования планет. В 2015 году блог был переименован в Planetaria. Хотя он интересуется всеми аспектами освоения космоса, его главной страстью является планетарная наука. В 2011 году он начал писать о космосе на фрилансе, а сейчас пишет для AmericaSpace и Futurism (часть Vocal). Он также писал для Universe Today и SpaceFlight Insider, публиковался в The Mars Quarterly и писал дополнительные статьи для известного iOS-приложения Exoplanet для iPhone и iPad.

Сделать веер из слоев Земли

Практически все время мы проводим на земной коре . Там вся земля и океаны. Но под коркой происходит многое.

Корочка очень похожа на кожуру яблока. Это не идет очень глубоко. Но это все еще глубже, чем вы когда-либо могли копать. Средняя глубина на суше составляет около 19 миль (30 км). На дне океана кора все еще имеет глубину около 3 миль (5 км).

Под корой находится самый большой слой Земли, мантия . Это горячий суп из расплавленной породы. Мантия уходит в глубину на 1800 миль (2900 км). Под мантией находится внешнее ядро ​​ ; он сделан из жидкого железа и никеля. В центре Земли находится внутреннее ядро ​​ . Это твердый центр из железа и никеля.

Цвета на этой диаграмме те же, что и на листе Земного веера ниже. Помните, что представляет каждый цвет, когда вы собираете и используете свой веер.

Чтобы помнить, что Земля — это гораздо больше, чем просто поверхность, которую мы видим каждый день, сделайте этот слой Земли веером.



  1. Распечатайте три копии рабочего листа Earth Fan.
  2. Вырежьте три квадрата.
  3. Сложите по первой пунктирной линии.
  4. Переверните бумагу и согните до следующей пунктирной линии.
  5. Продолжайте сгибать, переворачивая бумагу после каждого сгиба, пока не сложите веером.
  6. Сложите веер пополам.
  7. Склейте внутреннюю часть сгиба, чтобы получилась небольшая веерная секция.
  8. Повторите шаги с третьего по седьмой с двумя другими распечатками. Теперь у вас есть три маленьких вентилятора.
  9. Приклейте первую секцию к палочке от мороженого так, чтобы изгиб веера касался верхней части палочки.
  10. Приклейте следующую секцию вентилятора сверху.Убедитесь, что веерные складки направлены в одном направлении.
  11. Приклейте последнюю секцию вентилятора сверху.
  12. Приклейте вторую палочку сверху. Нажмите вниз, чтобы получить хорошее уплотнение.
  13. Дайте клею высохнуть в течение нескольких минут.
  14. Открой вентилятор и охладись.

Внутренний сердечник желтый.
Внешнее ядро ​​красное.
Мантия оранжево-коричневая.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.