Температура центра земли: Скорость вращения ядра Земли стремительно увеличивается — Российская газета

Скорость вращения ядра Земли стремительно увеличивается — Российская газета

Ученые из Австралийского национального университета обнаружили странное явление. Раскаленное жидкое ядро нашей планеты вращается то быстрей, то медленней. А ведь до сих пор считалось, что скорость перемещения ядра примерно такая же, как у мантии, которая расположена между ядром и корой. И вот такой сюрприз.

Свой вывод австралийские ученые сделали, наблюдая за так называемыми дублетами землетрясений за последние 50 лет. Это пары идентичных землетрясений, которые могут состояться с интервалом от 2 недель до 30-40 лет. На основании этих наблюдений австралийцы и сделали вывод, что ядро вращалось быстрее в 70-х и 90-х годах прошлого века и медленнее в 80-х. В последние несколько лет оно сильно разогналось и вращается быстрее, чем за всю историю изученного 50-летнего цикла.

— Результаты австралийских ученых очень любопытны, однако они требуют серьезных проверок и подтверждений, — сказал корреспонденту «РГ» профессор кафедры физики Земли МГУ им. Ломоносова Владимир Трухин. — Ведь речь идет о таком загадочном и до сих пор мало понятном явлении, как земной магнетизм. Напомню, что великий Эйнштейн 100 с лишним лет назад называл его одной из пяти главных загадок физики. И хотя за эти годы наука накопила много новых данных, однако с магнитным полем Земли далеко не все понятно. Ученые до сих пор выдвигают самые разные гипотезы, почему оно вообще появилось. Сегодня наука склоняется к тому, что причиной является как раз вращение ядра Земли. То есть оно является своего рода земной динамо-машиной, которая создает вокруг планеты магнитное поле. Остается непонятным, почему перемещаются магнитные полюса нашей планеты. Как известно, сейчас Южный полюс расположен на севере, а Северный — на юге.

— Словом, земной магнетизм пока остается почти такой загадкой, как был и во времена Эйнштейна, — говорит профессор Трухин. — Вопросов он ставит намного больше, чем дает ответов. Может быть, данные австралийских ученых приблизят науку к пониманию природы магнитного поля Земли.

Кстати

Ядро Земли расположено под мантией Земли на глубине 2900 км. Средний радиус этой сферы — 3,5 тыс. км. Состоит из твердого внутреннего ядра радиусом около 1300 км и жидкого внешнего толщиной около 2200 км. Температура на поверхности твердого ядра Земли приблизительно достигает плюс 6000 C, давление в центре ядра около 4 миллионов атмосфер. Ядро состоит из железо-никелевого сплава с примесью других элементов. Масса около 1,932×10 в 24 степени килограммов.

Ученые нашли «недостающий элемент» ядра Земли

Ребекка Морель
Научный корреспондент, BBC News

10 января 2017

Автор фото, Science Photo Library

Подпись к фото,

По мнению ученых, ядро нашей планеты на 5% состоит из кремния

Японские ученые полагают, что им удалось определить элемент химического состава ядра Земли, который исследователи пытаются идентифицировать уже много лет.

По своей доле в химическом составе центра нашей планеты элемент занимает третье место после никеля и железа, однако ученые до сих пор не могут точно его назвать.

Эксперимент исследователей из университета Тогоку был проведен в условиях высокой температуры и давления, чтобы как можно точнее симулировать реальную обстановку в центре Земли. По его итогам ученые пришли к выводу, что скорее всего искомым элементом является кремний.

Это открытие может помочь нам получить более ясное понимание того, как формировалась наша планета.

«Мы считаем, что кремний — важный элемент в составе ядра — около 5% веса [внутреннего ядра Земли] могут приходиться на кремний, растворенный в железо-никелевых сплавах,» — рассказал в интервью Би-би-си ведущий исследователь Эйдзи Отани из университета Тохоку.

Вне досягаемости

Внутреннее ядро Земли ученые представляют как твердый шар диаметром примерно 2400 км.

Ядро находится слишком глубоко под земной поверхностью, чтобы исследовать непосредственно, поэтому для определения его состава ученые изучают то, как отражаются и преломляются проходя через центр планеты продольные сейсмические волны.

Ученым удалось определить, что примерно на 85% ядро состоит из железа, и еще на 10% — из никеля. Из чего состоят оставшиеся 5% ядра с точностью установить до их пор не удавалось. В частности ученые предполагали, что это может быть углерод или кислород. То, что это может быть кремний, также постулировалось в прошлом.

Чтобы установить состав оставшихся 5% ядра, команда Эйдзи Отани смешала железно-никелевый сплав с кремнием. После этого смесь подвергли воздействию высокой температуры и давления, таким образом создав условия близкие к условиям центра Земли.

Как обнаружили ученые, показатели искажения волн при проходе через эту смесь полностью совпадали с поведением сейсмических волн, проходящих через ядро планеты.

Впрочем, по словам Охани, окончательно присутствие и долю кремния в ядре еще предстоит подтвердить, а открытие не отменяет наличия в составе ядра новых элементов.

Зарождение ядра

«Такие сложные эксперименты очень важны, потому что могут показать, какой была Земля внутри сразу после того, как сформировалась около четырех с половиной миллиардов лет назад», — комментирует исследование профессор Саймон Редферн из униварситета Кембриджа.

«Но другие исследователи недавно предположили, что в составе ядра важную роль может играть также кислород,» — добавляет ученый.

В частности, говорит Редферн, эти знания помогут ученым определить, какое количество кислорода присутствовало в только что сформировавшемся ядре.

Если, как следует из исследования японских ученых, в ядре было большое количество кремния, это может означать, что в окружающей ядро мантии было относительно много кислорода.

Однако если в ядре найдут кислород а не кремний, это будет значить, что при формировании планеты он перетекал из мантии в ядро, а значит четыре с половиной миллиарда лет назад уровень кислорода в мантии Земли был крайне низок.

«Эти два варианта являются взаимоисключающими и во многом определяются условиями, в которых начало формироваться земное ядро», — говорит профессор Редферн.

«Последние находки добавляют нам понимания, но я подозреваю, что они не станут последним словом в этой истории», — подытожил профессор.

Условия центра Земли впервые воссоздали в лаборатории

https://ria.ru/20200415/1570097324.html

Условия центра Земли впервые воссоздали в лаборатории

Японские ученые, используя ячейку с алмазными наковальнями, впервые смогли в лабораторном эксперименте получить давления и температуры, характерные для внешнего РИА Новости, 15.04.2020

2020-04-15T19:03

наука

физика

земля — риа наука

открытия — риа наука

токийский университет

япония

/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content

/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content

https://cdn23.img.ria.ru/images/30644/44/306444420_0:899:1957:2000_1920x0_80_0_0_c1623e6323268d6cd4f980d1aebcb908.jpg

МОСКВА, 15 апр — РИА Новости. Японские ученые, используя ячейку с алмазными наковальнями, впервые смогли в лабораторном эксперименте получить давления и температуры, характерные для внешнего ядра Земли, а также проверить, каким будет при этом его состав. Результаты опубликованы в журнале Physical Review Letters.Первичные данные о состоянии внутренних оболочек Земли геофизики получают из результатов сейсмических наблюдений. Крупные землетрясения вызывают сейсмические волны, которые распространяются в теле планеты, и по характеру прохождения которых — изменению скоростей и преломлению — ученые судят о глубинных структурах и границах слоев Земли. Из результатов сейсмических наблюдений известно, что в центре Земли находится твердое ядро, окруженное менее плотной, частично расплавленной оболочкой — внешним ядром. Ученые предполагают, что эта оболочка сложена расплавленным железом, возможно, с примесями каких-то еще элементов. Компьютерное моделирование и физические расчеты позволяют предполагать, какие в этой зоне должны быть условия — давление и температура. Но ученым всегда хотелось проверить эти данные экспериментально. Понятно, что пробурить скважину до ядра Земли и опустить туда зонд невозможно, поэтому речь шла только об экспериментах на приборах.Японские ученые из Токийского университета решили для моделирования условий земного ядра использовать конструкцию под названием ячейка с алмазными наковальнями. Физически она представляет собой два алмаза конической формы, через острые концы которых передаются сжимающие усилия на рабочие площадки диаметром менее миллиметра. Благодаря исключительной твердости и прочности алмаза таким образом могут быть достигнуты давления в несколько миллионов атмосфер в огромном диапазоне температур, а прозрачность алмазов позволяет при этом изучать сквозь них образец с помощью целого ряда методов. Авторы определенным образом доработали алмазную наковальню, что позволило им впервые достичь в лабораторном эксперименте давлений и температур, характерных для внешнего ядра, производя при этом рентгеновские измерения. Еще одна сложность заключалась в том, что в алмазной наковальне надо было зажимать не твердый материал, а жидкое железо. Измерять плотность жидкого образца труднее, чем твердого, поскольку для этого требуется больше времени. Но благодаря уникальной экспериментальной установке, которую авторы создавали в течение двадцати лет, им удалось собрать необходимые данные.»Воссоздать условия центра Земли здесь, на поверхности, нелегко, — приводятся в пресс-релизе университета слова первого автора исследования Ясухиро Кувейама (Yasuhiro Kuwayama). — Мы использовали алмазную наковальню для сжатия образца жидкого железа, подверженного сильному нагреву. Но для того, чтобы создать условия, нам нужно было поддерживать их достаточно долго, чтобы проводить измерения. Это было настоящей проблемой».Исследователи успешно определили плотность жидкого железа и скорость распространения звука через него при чрезвычайно высоких давлениях. Для этого они использовали высокофокусный рентгеновский источник синхротронного комплекса SPring-8 с самой высокой в мире энергией, расположенный в префектуре Хёго, Япония.Результаты подтвердили, что жидкое железо обладает примерно на 8 процентов большей плотностью, чем расплавленное внешнее ядро, а значит, в составе последнего помимо железа присутствуют другие, более легкие элементы, которые в настоящее время не идентифицированы.»Мы обнаружили, что плотность жидкого железа, такого как во внешнем ядре, составляет около 10 тонн на кубический метр при давлении 116 гигапаскалей, а температура — 4350 Кельвинов, — пояснил Кувайяма. — Для справки, типичная комнатная температура составляет около 273 Кельвинов. Таким образом, этот образец в 16 раз горячее вашей комнаты и в 10 раз плотнее воды».Авторы надеются, что их результаты помогут раскрыть тайны глубинного строения Земли и будут полезны при построении моделей других планет.

https://ria.ru/20200221/1565067365.html

https://ria.ru/20200311/1568445242.html

япония

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

2020

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

Новости

ru-RU

https://ria.ru/docs/about/copyright.html

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

https://cdn22.img.ria.ru/images/30644/44/306444420_0:532:1957:2000_1920x0_80_0_0_782ee3f38d02c828d6f963148924cae1.

jpg

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

физика, земля — риа наука, открытия — риа наука, токийский университет, япония

МОСКВА, 15 апр — РИА Новости. Японские ученые, используя ячейку с алмазными наковальнями, впервые смогли в лабораторном эксперименте получить давления и температуры, характерные для внешнего ядра Земли, а также проверить, каким будет при этом его состав. Результаты опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Первичные данные о состоянии внутренних оболочек Земли геофизики получают из результатов сейсмических наблюдений. Крупные землетрясения вызывают сейсмические волны, которые распространяются в теле планеты, и по характеру прохождения которых — изменению скоростей и преломлению — ученые судят о глубинных структурах и границах слоев Земли.

Из результатов сейсмических наблюдений известно, что в центре Земли находится твердое ядро, окруженное менее плотной, частично расплавленной оболочкой — внешним ядром. Ученые предполагают, что эта оболочка сложена расплавленным железом, возможно, с примесями каких-то еще элементов.

Компьютерное моделирование и физические расчеты позволяют предполагать, какие в этой зоне должны быть условия — давление и температура. Но ученым всегда хотелось проверить эти данные экспериментально. Понятно, что пробурить скважину до ядра Земли и опустить туда зонд невозможно, поэтому речь шла только об экспериментах на приборах.

Японские ученые из Токийского университета решили для моделирования условий земного ядра использовать конструкцию под названием ячейка с алмазными наковальнями. Физически она представляет собой два алмаза конической формы, через острые концы которых передаются сжимающие усилия на рабочие площадки диаметром менее миллиметра.

Благодаря исключительной твердости и прочности алмаза таким образом могут быть достигнуты давления в несколько миллионов атмосфер в огромном диапазоне температур, а прозрачность алмазов позволяет при этом изучать сквозь них образец с помощью целого ряда методов. 21 февраля 2020, 15:34НаукаУченые выяснили, что Земля сформировалась быстрее, чем считалось ранее

Авторы определенным образом доработали алмазную наковальню, что позволило им впервые достичь в лабораторном эксперименте давлений и температур, характерных для внешнего ядра, производя при этом рентгеновские измерения. Еще одна сложность заключалась в том, что в алмазной наковальне надо было зажимать не твердый материал, а жидкое железо. Измерять плотность жидкого образца труднее, чем твердого, поскольку для этого требуется больше времени. Но благодаря уникальной экспериментальной установке, которую авторы создавали в течение двадцати лет, им удалось собрать необходимые данные.

«Воссоздать условия центра Земли здесь, на поверхности, нелегко, — приводятся в пресс-релизе университета слова первого автора исследования Ясухиро Кувейама (Yasuhiro Kuwayama). — Мы использовали алмазную наковальню для сжатия образца жидкого железа, подверженного сильному нагреву. Но для того, чтобы создать условия, нам нужно было поддерживать их достаточно долго, чтобы проводить измерения. Это было настоящей проблемой».

Исследователи успешно определили плотность жидкого железа и скорость распространения звука через него при чрезвычайно высоких давлениях. Для этого они использовали высокофокусный рентгеновский источник синхротронного комплекса SPring-8 с самой высокой в мире энергией, расположенный в префектуре Хёго, Япония.

Результаты подтвердили, что жидкое железо обладает примерно на 8 процентов большей плотностью, чем расплавленное внешнее ядро, а значит, в составе последнего помимо железа присутствуют другие, более легкие элементы, которые в настоящее время не идентифицированы.

«Мы обнаружили, что плотность жидкого железа, такого как во внешнем ядре, составляет около 10 тонн на кубический метр при давлении 116 гигапаскалей, а температура — 4350 Кельвинов, — пояснил Кувайяма. — Для справки, типичная комнатная температура составляет около 273 Кельвинов. Таким образом, этот образец в 16 раз горячее вашей комнаты и в 10 раз плотнее воды».

Авторы надеются, что их результаты помогут раскрыть тайны глубинного строения Земли и будут полезны при построении моделей других планет.

11 марта 2020, 19:03НаукаУченые обнаружили планету, на которой идет железный дождь

Строение Земли — урок. География, 5 класс.

Учёные выделяют во внутреннем строении Земли три основные оболочки: земную кору, мантию и ядро. Они отличаются по своей мощности, твёрдости и плотности, давлению и температуре.

Внутреннее строение Земли можно сравнить с яблоком (земная кора — кожура, мантия — мякоть, ядро — сердцевина).

Ядро — центральная часть земного шара. В нём очень высокое давление и температура \(+4000\) °С — \(+5000\) °С. Масса ядра составляет \(30\) % массы нашей планеты, объём — \(15\) % объёма Земли. Это связано с тем, что ядро состоит из плотного и тяжёлого вещества (возможно железа).

Ядро располагается на глубине более \(2900\) км и имеет радиус около \(3550\) км (внутреннее ядро — \(1300\) км, внешнее — \(2250\) км).

Движение внутреннего твёрдого ядра во внешнем жидком создаёт магнитное поле Земли. Оно спасает нашу планету от вредных для жизни космических лучей. С помощью магнитного поля можно определить стороны горизонта, так как стрелка компаса на него реагирует.

Мантия (от греч. «шерстяной плащ») — часть Земли, которая расположена между земной корой и ядром. Мантия составляет более \(80\) % Земли, её масса почти \(70\) % массы нашей планеты. Толщина мантии — около \(2900\) км.

Давление и температура мантии (в среднем \(+2000\) °С — \(+2500\) °С) увеличивается с глубиной. Вещество мантии в основном находится в твёрдом состоянии. Но его плотность ниже плотности ядра.

Астеносфера — слой мантии, где вещество находится в расплавленном и пластичном состоянии. По этому слою движутся литосферные плиты.

В составе мантии преобладают кислород, кремний и магний.

Земная кора — твёрдая и самая тонкая наружная оболочка Земли: её наибольшая мощность (\(8\)–\(40\) км) в \(90\) раз меньше радиуса Земли. На долю земной коры приходится менее \(1\) % массы земного шара и около \(5\) % объёма.

В составе земной коры преобладают кислород, кремний, алюминий и железо. Температура в земной коре, начиная с глубины \(20\)–\(30\) км, постепенно возрастает в среднем на \(3\) °С на каждые \(100\) м.

Горячее сердце | Публикации | Вокруг Света

Долгое время люди считали Землю центром Вселенной. И даже сейчас, несмотря на понимание того, сколь скромное положение наша планета занимает в Солнечной системе, она все равно продолжает оставаться в самом центре внимания исследователей. Ее «сердце» все еще хранит множество загадок для ученых, продолжающих выдвигать многочисленные теории о внутреннем строении земных недр.

Земля не самая большая, но и не самая маленькая планета среди своих соседей. Экваториальный радиус ее, равный 6378 км, из-за центробежной силы, создаваемой суточным вращением, больше полярного на 21 км. Давление в центре Земли составляет 3 млн. атм., а плотность вещества около 12 г/см³ .

Масса нашей планеты, найденная путем экспериментальных измерений физической постоянной тяготения и ускорения силы тяжести на экваторе, составляет 6•1024 кг, что соответствует средней плотности вещества 5,5 г/см³ . Плотность минералов на поверхности приблизительно вдвое меньше средней плотности, а значит, плотность вещества в центральных частях планеты должна быть выше среднего значения. Момент инерции Земли, зависящий от распределения плотности вещества вдоль радиуса, также свидетельствует о значительном увеличении плотности вещества от поверхности к центру. Из недр Земли постоянно выделяется тепловой поток, а так как тепло может передаваться только от более горячего вещества к более холодному, то температура в глубине планеты должна быть выше, чем на ее поверхности. Глубокое бурение показало, что температура с глубиной увеличивается примерно на 20°С на каждом километре и меняется от места к месту. Если бы увеличение температуры продолжалось непрерывно, то в самом центре Земли она достигла бы десятков тысяч градусов, однако геофизические исследования показывают, что в действительности температура здесь должна составлять несколько тысяч градусов.

Толщина земной коры (внешней оболочки) изменяется от нескольких километров (в океанических областях) до нескольких десятков километров (в горных районах материков). Сфера земной коры очень небольшая, на ее долю приходится всего около 0,5% общей массы планеты. Основной состав коры это окислы кремния, алюминия, железа и щелочных металлов. В составе континентальной коры, содержащей под осадочным слоем верхний (гранитный) и нижний (базальтовый), встречаются наиболее древние породы Земли, возраст которых оценивается более чем в 3 млрд. лет. Океаническая же кора под осадочным слоем содержит в основном один слой, близкий по составу к базальтам. Возраст осадочного чехла не превышает 100150 млн. лет.

От нижележащей мантии земную кору отделяет во многом еще загадочный слой мохо (назван так в честь сербского сейсмолога Мохоровичича, открывшего его в 1909 году), в котором скорость распространения сейсмических волн скачкообразно увеличивается.

На долю мантии приходится около 67% общей массы планеты. Твердый слой верхней мантии, распространяющийся до различных глубин под океанами и континентами, совместно с земной корой называют литосферой самой жесткой оболочкой Земли. Под ней отмечен слой, где наблюдается некоторое уменьшение скорости распространения сейсмических волн, что говорит о своеобразном состоянии вещества. Этот слой, менее вязкий и более пластичный по отношению к выше и ниже лежащим слоям, называют астеносферой. Считается, что вещество мантии находится в непрерывном движении, и высказывается предположение, что в относительно глубоких слоях мантии с ростом температуры и давления происходит переход вещества в более плотные модификации. Такой переход подтверждается и экспериментальными исследованиями.

В нижней мантии на глубине 2 900 км отмечается резкий скачок не только в скорости продольных волн, но и в плотности, а поперечные волны здесь исчезают совсем, что указывает на смену вещественного состава пород. Это внешняя граница ядра Земли.

Земное ядро интересовало ученых с момента его открытия в 1936 году. Получить его изображение было чрезвычайно трудно из-за относительно малого числа сейсмических волн, достигавших его и возвращавшихся к поверхности. Кроме того, экстремальные температуры и давления ядра долгое время трудно было воспроизвести в лаборатории. Новые исследования способны обеспечить более детальную картину центра нашей планеты. Земное ядро разделяется на 2 отдельные области: жидкую (внешнее ядро) и твердую (внутреннее) , переход между которыми лежит на глубине 5 156 км. Железо единственный элемент, который близко соответствует сейсмическим свойствам земного ядра и достаточно обильно распространен во Вселенной, чтобы представить в ядре планеты приблизительно 35% ее массы. По современным данным, внешнее ядро представляет собой вращающиеся потоки расплавленного железа и никеля, хорошо проводящие электричество. Именно с ним связывают происхождение земного магнитного поля, считая, что, подобно гигантскому генератору, электрические токи, текущие в жидком ядре, создают глобальное магнитное поле. Слой мантии, находящийся в непосредственном соприкосновении с внешним ядром, испытывает его влияние, поскольку температуры в ядре выше, чем в мантии. Местами этот слой порождает огромные, направленные к поверхности Земли тепломассопотоки плюмы.

Внутреннее твердое ядро не связано с мантией. Полагают, что его твердое состояние, несмотря на высокую температуру, обеспечивается гигантским давлением в центре Земли. Высказываются предположения о том, что в ядре помимо железоникелевых сплавов должны присутствовать и более легкие элементы, такие как кремний и сера, а возможно, кремний и кислород. Вопрос о состоянии ядра Земли до сих пор остается дискуссионным. По мере удаления от поверхности увеличивается сжатие, которому подвергается вещество. Расчеты показывают, что в земном ядре давление может достигать 3 млн. атм. При этом многие вещества как бы металлизируются переходят в металлическое состояние. Существовала даже гипотеза, что ядро Земли состоит из металлического водорода.

Природный «реактор»?
Недавно американский геофизик М. Херндон высказал гипотезу о том, что в центре Земли находится естественный «ядерный реактор» из урана и плутония (или тория) диаметром всего 8 км. Эта гипотеза способна объяснить инверсию земного магнитного поля, происходящую каждые 200 000 лет. Если это предположение подтвердится, то жизнь на Земле может завершиться на 2 млрд. лет ранее, чем предполагалось, так как и уран, и плутоний сгорают очень быстро. Их истощение приведет к исчезновению магнитного поля, защищающего Землю от коротковолнового солнечного излучения и, как следствие, к исчезновению всех форм биологической жизни.

Эту теорию прокомментировал член-корреспондент РАН В.П. Трубицын: «И уран, и торий очень тяжелые элементы, которые в процессе дифференциации первичного вещества планеты могут опуститься к центру Земли. Но на атомном уровне они увлекаются с легкими элементами, которые выносятся в земную кору, поэтому все урановые месторождения и находятся в самом верхнем слое коры. То есть если бы и эти элементы были сосредоточены в виде скоплений, они могли бы опуститься в ядро, но, по сложившимся представлениям, их должно быть небольшое количество. Таким образом, для того чтобы делать заявления об урановом ядре Земли, необходимо дать более обоснованную оценку количества урана, ушедшего в железное ядро. Следует также заметить, что перемещение урана в ядро приводит к уменьшению радиоактивной опасности, так как каменная мантия является очень хорошим экраном».

Глубже не бывает
Осенью 2002 года профессор Гарвардского университета А. Дзевонски и его студент М. Исии на основании анализа данных от более чем 300 000 сейсмических явлений, собранных за 30 лет, предложили новую модель, согласно которой в пределах внутреннего ядра лежит так называемое «самое внутреннее» ядро, имеющее около 600 км в поперечнике. Его наличие может быть доказательством существования двух этапов развития внутреннего ядра. Для подтверждения подобной гипотезы необходимо разместить по всему земному шару еще большее число сейсмографов, чтобы провести более детальное выделение анизотропии (зависимость физических свойств вещества от направления внутри него), которая характеризует самый центр Земли.

Эволюция познания

Индивидуальное лицо планеты, подобно облику живого существа, во многом определяется внутренними факторами, возникающими в ее глубоких недрах.

Изучать эти недра очень трудно, так как материалы, из которых состоит Земля, непрозрачны и плотны, поэтому объем прямых данных о веществе глубинных зон весьма ограничен. К их числу относятся: так называемый минеральный агрегат (крупные составные части породы) из природной сверхглубокой скважины кимберлитовой трубки в Лесото (Южная Африка), который рассматривается как представитель пород, залегающих на глубине порядка 250 км, а также керн (цилиндрическая колонка горной породы), поднятый из глубочайшей в мире скважины (12 262 м) на Кольском полуострове. Исследование сверхглубин планеты этим не ограничивается. В 70-е годы XX века научное континентальное бурение производилось на на территории Азербайджана Сааблинская скважина (8 324 м). А в Баварии в начале 90-х годов прошлого века была заложена сверхглубокая скважина КТБ-Оберпфальц размером более 9 000 м.

Существует много остроумных и интересных методов изучения нашей планеты, но основная информация о ее внутреннем строении получена в результате исследований сейсмических волн, возникающих при землетрясениях и мощных взрывах. Каждый час в различных точках Земли регистрируется около 10 колебаний земной поверхности. При этом возникают сейсмические волны двух типов: продольные и поперечные. В твердом веществе могут распространяться оба типа волн, а вот в жидкостях только продольные. Смещения земной поверхности регистрируются сейсмографами, установленными по всему земному шару. Наблюдения скорости, с которой волны проходят сквозь Землю, позволяют геофизикам определить плотность и твердость пород на глубинах, недоступных прямым исследованиям. Сопоставление плотностей, известных по сейсмическим данным и полученным в ходе лабораторных экспериментов с горными породами (где моделируются температура и давление, соответствующие определенной глубине Земли), позволяет сделать вывод о вещественном составе земных недр. Новейшие данные геофизики и эксперименты, связанные с исследованием структурных превращений минералов, позволили смоделировать многие особенности строения, состава и процессов, происходящих в глубинах Земли.

Еще в XVII веке удивительное совпадение очертаний береговых линий западного побережья Африки и восточного побережья Южной Америки наводило некоторых ученых на мысль о том, что континенты «гуляют» по планете. Но только три века спустя, в 1912 году, немецкий метеоролог Альфред Лотар Вегенер подробно изложил свою гипотезу континентального дрейфа, согласно которой относительное положение континентов менялось на протяжении истории Земли. Одновременно он выдвинул множество аргументов в пользу того, что в далеком прошлом континенты были собраны вместе. Помимо сходства береговых линий им были обнаружены соответствие геологических структур, непрерывность реликтовых горных хребтов и тождественность ископаемых остатков на разных континентах. Профессор Вегенер активно отстаивал идею о существовании в прошлом единого суперконтинента Пангея, его расколе и последующем дрейфе образовавшихся континентов в разные стороны. Но эта необычная теория не была воспринята всерьез, потому что с точки зрения того времени казалось совершенно непостижимым, чтобы гигантские континенты могли самостоятельно перемещаться по планете. К тому же сам Вегенер не смог предоставить подходящий «механизм», способный двигать континенты.

Возрождение идей этого ученого произошло в результате исследований дна океанов. Дело в том, что наружный рельеф континентальной коры хорошо известен, а вот океанское дно, в течение многих веков надежно укрытое многокилометровой толщей воды, оставалось недоступным для изучения и служило неисчерпаемым источником всевозможных легенд и мифов. Важным шагом вперед в изучении его рельефа явилось изобретение прецизионного эхолота, с помощью которого стало возможным непрерывно измерять и регистрировать глубину дна по линии движения судна. Одним из поразительных результатов интенсивного исследования дна океанов стали новые данные о его топографии. Сегодня топографию океанского дна легче картировать благодаря спутникам, очень точно измеряющим «высоту» морской поверхности: ее в точности отображают различия уровня моря от места к месту. Вместо плоского, лишенного каких-либо особых примет, прикрытого илом дна обнаружились глубокие рвы и крутые обрывы, гигантские горные хребты и крупнейшие вулканы. Особенно явственно выделяется на картах Срединно-Атлантический горный хребет, рассекающий Атлантический океан точно посередине.

Оказалось, что дно океана стареет по мере удаления от срединно-океанического хребта, «расползаясь» от его центральной зоны со скоростью несколько сантиметров в год. Действием этого процесса можно объяснить сходство очертаний континентальных окраин, если предполагать, что между частями расколовшегося континента образуется новый океанический хребет, а океаническое дно, наращиваемое симметрично с обеих сторон, формирует новый океан. Атлантический океан, посреди которого лежит Срединно-Атлантический хребет, вероятно, возник именно таким образом. Но если площадь морского дна увеличивается, а Земля не расширяется, то что-то в глобальной коре должно разрушаться, чтобы скомпенсировать этот процесс. Именно это и происходит на окраинах большей части Тихого океана. Здесь литосферные плиты сближаются, и одна из сталкивающихся плит погружается под другую и уходит глубоко внутрь Земли. Такие участки столкновения отмечаются активными вулканами, которые протянулись вдоль берегов Тихого океана, образуя так называемое «огненное кольцо».

Непосредственное бурение морского дна и определение возраста поднятых пород подтвердили результаты палеомагнитных исследований. Эти факты легли в основу теории новой глобальной тектоники, или тектоники литосферных плит, которая произвела настоящую революцию в науках о Земле и принесла новое представление о внешних оболочках планеты. Главной идеей этой теории являются горизонтальные движения плит.

Как рождалась Земля

Согласно современным космологическим представлениям Земля образовалась вместе с другими планетами около 4,5 млрд. лет назад из кусков и обломков, вращавшихся вокруг молодого Солнца. Она разрасталась, захватывая вещество, находившееся вокруг, пока не достигла своего нынешнего размера. Вначале процесс разрастания происходил очень бурно, и непрерывный дождь падающих тел должен был привести к ее значительному нагреванию, так как кинетическая энергия частиц превращалась в тепло. При ударах возникали кратеры, причем выбрасываемое из них вещество уже не могло преодолеть силу земного притяжения и падало обратно, и чем крупнее были падающие тела, тем сильнее разогревали они Землю. Энергия падающих тел освобождалась уже не на поверхности, а в глубине планеты, не успевая излучиться в пространство.

Хотя первоначальная смесь веществ могла быть однородной в большом масштабе, разогрев земной массы вследствие гравитационного сжатия и бомбардировки ее обломками привел к расплавлению смеси и возникшие жидкости под действием тяготения отделялись от оставшихся твердых частей. Постепенное перераспределение вещества по глубине в соответствии с плотностью должно было привести к его расслоению на отдельные оболочки. Более легкие вещества, богатые кремнием, отделялись от более плотных, содержащих железо и никель, и образовывали первую земную кору. Спустя примерно миллиард лет, когда Земля существенно охладилась, земная кора затвердела, превратившись в прочную внешнюю оболочку планеты. Остывая, Земля выбрасывала из своего ядра множество различных газов (обычно это происходило при извержении вулканов) легкие, такие как водород и гелий, большей частью улетучивались в космическое пространство, но так как сила притяжения Земли была уже достаточно велика, то удерживала у своей поверхности более тяжелые. Они как раз и составили основу земной атмосферы. Часть водяных паров из атмосферы сконденсировалась, и на Земле возникли океаны.

Блуждающие плиты

Тектоника плит это основной процесс, который в значительной степени формирует облик Земли. Слово «тектоника» происходит от греческого «тектон» «строитель» или «плотник», плитами же в тектонике называют куски литосферы. Согласно этой теории литосфера Земли образована гигантскими плитами, которые придают нашей планете мозаичную структуру. По поверхности Земли движутся не континенты, а литосферные плиты. Медленно передвигаясь, они увлекают за собой континенты и океаническое дно. Плиты сталкиваются друг с другом, выдавливая земную твердь в виде горных хребтов и горных систем, или продавливаются вглубь, создавая сверхглубокие впадины в океане. Их могучая деятельность прерывается лишь краткими катастрофическими событиями землетрясениями и извержениями вулканов. Почти вся геологическая активность сосредоточена вдоль границ плит.

То, что плиты перемещаются, вполне доказано (с помощью спутников можно точно измерить изменение расстояния между двумя точками на разных плитах и определить скорость их перемещения), но механизм их движения все еще до конца неизвестен. Существующая теория объясняет движение плит тем, что возникающие в толще мантии горячие зоны выбрасывают к поверхности нагретое подвижное вещество плюмы, которые своим напором заставляют континенты смещаться.

Вопрос о том, когда процессы плитовой тектоники возникли впервые, обсуждается среди специалистов уже более трех десятилетий. Сначала считалось, что они сравнительно молоды всего несколько сот миллионов лет, но в связи с новыми данными их возраст может быть «отодвинут» глубоко в архейскую эру. Если это предположение подтвердится, то придется признать, что примерно 2,5 млрд. лет назад Земля выделяла тепловую энергию на поверхность таким же образом, как и сегодня.

К сожалению, теория тектоники плит не объясняет, как движение плит связано с процессами, происходящими в глубине планеты, поэтому необходима иная теория, описывающая не только строение и передвижение литосферных плит, но и внутреннее строение самой Земли, и те процессы, которые происходят в ее недрах. Однако разработка такой теории связана с большими трудностями, так как требует совместных усилий геологов, геофизиков, физиков, химиков, математиков и географов. И тем не менее попытки ее создания не прекращаются.

Глубинное тепло

Весной 2001 года Алессандро Форте из университета Западного Онтарио и Джерри Митровица из университета Tоронто в Канаде представили собственную модель, согласно которой огромные потоки горячей породы (плюмы) размером с континент, медленно поднимающиеся из глубоких земных недр, являются истинной движущей силой для дрейфа континентов, землетрясений, извержений вулканов и даже изменений климата. Первым толчком для создания этой модели послужили изображения внутренней структуры Земли, полученные с помощью сейсмической томографии (многолучевого просвечивания Земли сейсмическими волнами от большого числа землетрясений, принимаемых сетью сейсмостанций).

Удивительные изображения мантии, от подошвы земной коры до границы «мантияядро», показывали, что на окраинах Тихого океана, глубоко под его дном, имеются две обширные дугообразные области, где скорости сейсмических волн увеличиваются, а под центральной частью Атлантического океана и под Африкой имеются две такие же огромные струеобразные области, в которых скорости сейсмических волн уменьшаются. Так как окраины Тихого океана являются зонами, где холодные плотные части тектонических плит опускаются в Землю, «быстрые» зоны четко отметили эти области, где плиты тяжелой материи опущены в Землю в направлении ее ядра.

Согласно общепринятому мнению «медленные» области являются просто огромными инертными вкраплениями, которые остались, по существу, неизменными с момента формирования Земли. Но Форте и Митровица доказали, что эти выделяющиеся особенности в действительности поднимаются к поверхности, подобно баллонам с горячим воздухом. Для обоснования своей модели они использовали результаты многочисленных исследований: от небольших вариаций вращения Земли и гравитационного поля до драматических прогибов континентальных областей, таких как Южная Африка, которая теперь находится на 1 000 м выше, чем Северная. Согласно их гипотезе твердая Земля «вспенивается» своеобразным 4-поршневым тепловым двигателем (с двумя огромными опускающимися холодными плитами и с двумя такими же огромными поднимающимися горячими потоками), который, собственно, и передвигает континенты, и «управляет» землетрясениями, и даже влияет на изменения климата.

И хотя ученым предстоит еще немало поработать, чтобы выведать все тайны земных недр, уже теперь мы знаем, что наша планета активна и динамична, что она изменялась и развивалась с момента своего образования и до сих пор не обнаруживает признаков спокойствия.

Работа для неразлучных

Очень важные сведения о Земле дают измерения силы тяжести в различных точках земного шара, а также измерения силы и направления ее магнитного поля. Ученые полагают, что анализ гравитационных полей поможет понять, как идет процесс восстановления планеты после ледникового периода, а также причины повышения уровня Мирового океана. Для сбора максимально точных данных о гравитационном поле два абсолютно идентичных спутника были выведены в 2002 году на совершенно одинаковые орбиты на высоте 500 км над Землей. Расстояние между ними составляет 220 км. Во время движения над поверхностью Земли спутники испытывают влияние гравитации, то ускоряющей, то замедляющей их движение. Предполагается, что полученные таким образом данные будут в 1 000 раз точнее современных. Когда расстояние между аппаратами немного меняется, изменения фиксируют микроволновым дальномером с точностью до тысячных долей миллиметра. Спутники GRACE будут нести свою службу в течение 5 лет. Кроме сбора данных о гравитационном поле Земли в их задачу будет входить изучение полярных областей и внутреннего строения нашей планеты.

Людмила Князева

Изменен возраст внутреннего ядра Земли

Создав условия, похожие на центр Земли, внутри лабораторной камеры, исследователи уточнили оценку возраста твердого внутреннего ядра нашей планеты, оценив его возраст от 1 до 1,3 миллиарда лет, — пишет eurekalert.org.

Теперь ученые считают, что ядро образовалось в период от 1,3 до 4,5 миллиардов лет, что делает его намного старше, чем 565 миллионов лет, как считалось ранее.

Более того, эксперименты и сопутствующие теории помогают установить величину того, как ядро проводит тепло, и источники энергии, которые питают геодинамо планеты, — механизм, поддерживающий магнитное поле Земли, который держит компасы направленными на север и помогает защитить жизнь от вредных космических лучей.

«Людям действительно интересно узнать о происхождении геодинамо — силе магнитного поля, потому что это способствует обитаемости планеты», — сказал Юнг-Фу Линь — профессор Техасского университета в школе Джексона в Остине.

Ядро Земли состоит в основном из железа, причем внутреннее ядро твердое, а внешнее — жидкое. Эффективность железа в передаче тепла, известная как теплопроводность, является ключом к определению ряда других характеристик ядра, в том числе времени формирования внутреннего ядра.

С годами оценка возраста активной зоны смещалась от очень старой до очень молодой, а проводимости – от относительно низкой до относительно высокой. Но эти более молодые оценки также создали парадокс, когда ядро должно было достичь нереально высоких температур, чтобы поддерживать геодинамо в течение миллиардов лет до образования внутреннего ядра.

Новое исследование разрешает этот парадокс, находя решение, которое поддерживает температуру активной зоны в пределах реалистичных параметров. Поиск этого решения зависел от прямого измерения проводимости железа в условиях, подобных ядру, — когда давление превышает 1 миллион атмосфер, а температура может соперничать с температурами на поверхности Солнца.

Исследователи достигли этих условий, сжимая нагретые лазером образцы железа между двумя алмазными наковальнями. Это была нелегкая работа. На получение подходящих результатов ушло два года.

«Мы столкнулись с множеством проблем и несколько раз потерпели неудачу, что расстроило нас, и мы почти сдались, — сказал соавтор статьи Юцзюнь Чжан — доцент Сычуаньского университета в Китае. — Благодаря конструктивным комментариям и поддержке профессора Чжун-Фу Линя, мы наконец-то разрешили это после нескольких пробных запусков».

Недавно измеренная проводимость на 30-50% меньше, чем проводимость по оценке молодого ядра, и это предполагает, что геодинамо поддерживалось двумя различными источниками энергии и механизмами: тепловой конвекцией и композиционной конвекцией. Сначала геодинамо поддерживалось только тепловой конвекцией. Теперь каждый механизм играет примерно одинаково важную роль.

Лин сказал, что с этой улучшенной информацией о проводимости и теплопередаче с течением времени исследователи могут сделать более точную оценку возраста внутреннего ядра.

«Как только вы действительно узнаете, сколько тепла идет от внешнего ядра к нижней мантии, вы сможете подумать о том, когда Земля достаточно остыла до такой степени, что внутреннее ядро начнет кристаллизоваться», — сказал он.

Этот пересмотренный возраст внутреннего ядра мог коррелировать с всплеском силы магнитного поля Земли, что было зафиксировано расположением магнитных материалов в породах, которые образовались примерно в это время. В совокупности данные свидетельствуют о том, что формирование внутреннего ядра было важной частью создания современных сильных магнитных полей.

[Фото: eurekalert.org]

Давление в центре Земли заставило гелий соединиться с железом и кислородом

Jurong Zhang et al. / Physical Review Letters, 2018

Физики из Китая и США с помощью численного моделирования показали, что в центре Земли может образоваться стабильное соединение гелия и оксида железа. Это соединение могло захватить первичный гелий на заре формирования Земли и сохранить его до настоящего времени, что объясняет необычно высокое отношение концентраций гелия-3 и гелия-4 в мантийных плюмах. Статья опубликована в

Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics.
На Земле гелий производится в двух типах процессов. С одной стороны, он образуется в результате альфа-распада радиоактивных элементов внутри земной коры (альфа-частицы — это ядра гелия-4). С другой стороны, геологи находят гелий в плюмах — горячих мантийных потоках, которые двигаются от ядра Земли до ее поверхности. Отношение концентраций гелия-3 и гелия-4 в таких плюмах в 50 раз превышает отношение концентраций в океанском базальте. Это указывает на то, что внутри земного ядра сохранился первичный гелий, который был захвачен Землей на ранних этапах формирования Солнечной системы.

К сожалению, ученые не знают, как земное ядро могло захватить первичный гелий. Дело в том, что электронные оболочки атома гелия полностью заполнены, а потому он практически не вступает в химические реакции и не образует устойчивых соединений с элементами земного ядра (железо, кремний, никель, кислород и так далее). Следовательно, первичный гелий, имеющий сравнительно низкую плотность, должен был давно улетучиться из ядра. Если бы это было так, геологи зарегистрировали бы в плюмах гораздо более низкую концентрацию гелия.

Группа ученых под руководством Янмин Ма (Yanming Ma) предположила, что при экстремальных условиях в центре Земли гелий все-таки вступает в химическую реакцию с элементами ядра и образует твердое устойчивое соединение. В самом деле, ранее исследователи уже сообщали об устойчивых соединениях гелия с водой, натрием, азотом и железом, которые возникают при высоких давлениях и температурах. На этот раз физики выбрали в качестве исходного соединения диоксид железа FeO₂, находящийся при давлении от одного до трех миллионов атмосфер, соответствующих давлениям в центре Земли. С помощью программы CALYPSO, ранее разработанной той же группой исследователей, ученые «просканировали» возможные соединения гелия и FeO
2. Для этого физики случайным образом присоединяли к структуре атом гелия, а затем оценивали устойчивость получившегося материала, рассчитывая энергию в рамках теории функционала плотности. Если энергия соединения с гелием оказывалась меньше энергии исходного соединения, ученые сохраняли его, поскольку оно могло оказаться стабильным. После этого стабильность структуры дополнительно уточнялась независимыми инструментами.
В результате исследователи обнаружили редкое соединение FeO₂He, которое остается стабильным при давлении более 1,35 миллиона атмосфер и температуре 3000–5000 кельвинов, обладает кубической структурой и пространственной группой Fm-3m. Плотность вещества составляет примерно 7,2 грамм на кубический сантиметр, то есть «всплыть» на поверхность Земли оно не может. После этого физики рассчитали распределение зарядов внутри соединения и его зонную структуру. Оказалось, что в среднем на атом кислорода приходится заряд около 0,8e⁻, на атом железа — 1,64e⁻, а на атом гелия — 0,04e⁻ (e⁻ — элементарный заряд). Этот результат показывает, что атом гелия выступает в качестве кулоновского щита, который стабилизирует соединение. Кроме того, ученые определили зонную структуру материала и показали, что он является полупроводником с непрямой запрещенной зоной шириной около 0,95 электронвольт (при давлении 1,35 миллионов атмосфер). Наконец, физики рассчитали скорость звука внутри FeO₂He. Оказалось, что эти параметры попадают в «ворота», установленные сейсмологическими наблюдениями. Таким образом, авторы статьи считают, что FeO₂He действительно может образоваться внутри земного ядра.
Кристаллическая решетка FeO₂He. Железо отмечено золотым, кислород — красным, гелий — белым
Jurong Zhang et al. / Physical Review Letters, 2018
Фазовая диаграмма соединения: в голубой области стабильно соединение FeO₂He, в розовой — FeO₂ и He по отдельности. Красным показана область параметров внутри, достигаемых внутри Земли
Jurong Zhang et al. / Physical Review Letters, 2018
Зонная структура (слева) и плотность состояний (справа) FeO₂He при различных давлениях
Jurong Zhang et al. / Physical Review Letters, 2018
Помимо соединений FeO₂, ученые аналогичным образом проверили, может ли гелий образовать устойчивое соединение MgO или MgSiO₃ при давлениях от одного до трех миллионов атмосфер. Как и ожидалось, ученым не удалось обнаружить такие соединения. Таким образом, авторы заключают, что FeO₂He является первым и единственным известным соединением, которые может сохранить первичный гелий внутри земного ядра.
Совсем недавно — в июле этого года — физики из Великобритании и США показали, что при давлениях порядка ста миллионов атмосфер гелий и железо образуют устойчивые соединения FeHe и FeHe₂. Тем не менее, такие соединения не могут сформироваться внутри Земли, поскольку давление в ее ядре не превышает 3,7 миллионов атмосфер. Следовательно, они не могут хранить внутри себя первичный гелий.
За последние несколько лет численное моделирование химических соединений в экстремальных условиях стало очень популярным направлением. Например, в феврале 2017 года группа ученых под руководством Артема Оганова предсказала, что при давлении выше 1,6 миллионов атмосфер гелий образует устойчивое соединение с азотом Na₂He, а затем получила это соединение в лаборатории. В марте 2018 химики из США, Канады и России обнаружили, что ксенон образует устойчивые соединения с железом и никелем при давлении и температуре, соответствующим условиям ядра Земли. По словам ученых, это объясняет пониженное содержание ксенона в атмосфере Земли. В ноябре химики синтезировали при давлении порядка миллиона атмосфер две новые модификации диоксида кремния высокого давления, которые может объяснить распределение силикатных минералов и их расплавов в глубоких слоях мантии Земли. Узнать, как ученые исследуют вещества в таких экстремальных условиях, можно в нашем материале «Путешествие к центру Земли».
Дмитрий Трунин
Почему ядро Земли такое горячее? А как ученые измеряют его температуру?
Есть три основных источника тепла в глубинах Земли: (1) тепло, возникшее в момент образования и аккреции планеты, которое еще не потеряно; (2) нагрев от трения, вызванный опусканием более плотного материала ядра к центру планеты; и (3) тепло от распада радиоактивных элементов.
Тепло выходит из земли довольно долго. Это происходит как за счет «конвективного» переноса тепла внутри жидкого внешнего ядра Земли и твердой мантии, так и за счет более медленного «проводящего» переноса тепла через неконвекционные пограничные слои, такие как земные плиты на поверхности.В результате большая часть изначального тепла планеты, с того момента, когда Земля впервые образовала свое ядро, была сохранена.
Количество тепла, которое может возникнуть в результате простых аккреционных процессов, объединяющих маленькие тела, чтобы сформировать протоземлю, велико: порядка 10 000 кельвинов (около 18 000 градусов Фаренгейта). Ключевой вопрос заключается в том, сколько этой энергии было вложено в растущую Землю, а сколько было переизлучено в космос. Действительно, в настоящее время принятая идея о том, как образовалась Луна, включает удар или аккрецию объекта размером с Марс с протоземлей или от нее.Когда два объекта такого размера сталкиваются, выделяется большое количество тепла, довольно много которого сохраняется. Этот единственный эпизод мог в значительной степени растопить самые отдаленные несколько тысяч километров планеты.
Кроме того, спуск плотного богатого железом материала, составляющего ядро планеты, к центру вызовет нагрев порядка 2000 кельвинов (около 3000 градусов по Фаренгейту). Величина третьего основного источника тепла — радиоактивного отопления — не определена. Точное содержание радиоактивных элементов (в первую очередь калия, урана и тория) плохо известно глубоко под землей.
В общем, на ранней Земле не было недостатка в тепле, а неспособность планеты быстро остыть приводит к сохранению высоких температур внутри Земли. Фактически, не только земные плиты действуют как одеяло внутри, но даже конвективный перенос тепла в твердой мантии не обеспечивает особенно эффективного механизма потери тепла. Планета действительно теряет некоторое количество тепла из-за процессов, управляющих тектоникой плит, особенно на срединных океанских хребтах. Для сравнения: более мелкие тела, такие как Марс и Луна, демонстрируют мало свидетельств недавней тектонической активности или вулканизма.
Мы получаем нашу первичную оценку температуры глубин Земли из плавления железа при сверхвысоких давлениях. Мы знаем, что на глубине ядра Земли от 2 886 километров до центра на 6 371 километре (от 1794 до 3960 миль) преобладает железо с некоторыми примесями. Как? Скорость звука через ядро (измеряемая по скорости распространения сейсмических волн через него) и плотность ядра очень похожи на те, которые наблюдаются в железе при высоких давлениях и температурах, как измерено в лаборатории.Железо — единственный элемент, который близко соответствует сейсмическим свойствам ядра Земли, а также присутствует в достаточном количестве во Вселенной, чтобы составлять примерно 35 процентов массы планеты, присутствующей в ядре.
Ядро Земли разделено на две отдельные области: жидкое внешнее ядро и твердое внутреннее ядро, переход между которыми находится на глубине 5 156 километров (3 204 мили). Следовательно, если мы можем измерить температуру плавления железа при экстремальном давлении на границе между внутренним и внешним ядрами, то эта лабораторная температура должна достаточно близко приближаться к реальной температуре на этой границе раздела жидкость-твердое тело.Ученые в лабораториях физики минералов используют лазеры и устройства высокого давления, называемые ячейками с алмазными наковальнями, чтобы максимально точно воссоздать эти адские давления и температуры.
Эти эксперименты представляют собой сложную задачу, но наши оценки температуры плавления железа в этих условиях колеблются от примерно 4500 до 7500 кельвинов (примерно от 7600 до 13000 градусов по Фаренгейту). Поскольку внешнее ядро жидкое и предположительно конвекционное (и с дополнительной поправкой на присутствие примесей во внешнем ядре), мы можем экстраполировать этот диапазон температур на температуру в основании мантии Земли (верхняя часть внешнего ядра). примерно от 3500 до 5500 кельвинов (от 5800 до 9400 градусов по Фаренгейту) у основания мантии Земли.
Суть в том, что большая часть внутренней части планеты (внешнее ядро) состоит из несколько нечистого сплава расплавленного железа. Температура плавления железа в глубоких земных условиях высока, что дает на первый взгляд свидетельство того, что глубинные земли довольно горячие.
Грегори Лизенга — доцент физики в колледже Харви Мадда. Он предоставил некоторые дополнительные сведения об оценке температуры ядра Земли:
Как узнать температуру? Ответ в том, что мы действительно этого не делаем — по крайней мере, с большой уверенностью или точностью.Центр Земли находится под нашими ногами на 6400 километров (4000 миль), но самая большая глубина, которую когда-либо удавалось пробурить для прямых измерений температуры (или других физических величин), составляет всего около 10 километров (шесть миль).
По иронии судьбы, ядро Земли гораздо менее доступно, более недоступно для прямого зондирования, чем поверхность Плутона. У нас не только нет технологии, позволяющей «проникнуть в суть», но и совсем не ясно, как это вообще будет возможно.
В результате ученые должны сделать косвенный вывод о температуре в глубоких недрах Земли. Наблюдение за скоростью прохождения сейсмических волн через землю позволяет геофизикам определять плотность и жесткость горных пород на глубинах, недоступных для непосредственного исследования. Если возможно сопоставить эти свойства со свойствами известных веществ при повышенных температурах и давлениях, можно (в принципе) сделать вывод, какие условия окружающей среды должны быть глубоко под землей.
Проблема заключается в том, что условия в центре Земли настолько экстремальны, что очень трудно провести какой-либо лабораторный эксперимент, точно имитирующий условия в ядре Земли. Тем не менее, геофизики постоянно проводят эти эксперименты и совершенствуют их, чтобы их результаты можно было экстраполировать на центр Земли, где давление более чем в три миллиона раз превышает атмосферное.
Суть этих усилий в том, что существует довольно широкий диапазон текущих оценок температуры ядра Земли.«Популярные» оценки варьируются от примерно 4000 до более 7000 кельвинов (от 7000 до 12000 градусов по Фаренгейту).
Если бы мы очень точно знали температуру плавления железа при высоком давлении, мы могли бы более точно определить температуру ядра Земли, потому что оно в значительной степени состоит из расплавленного железа. Но до тех пор, пока наши эксперименты при высокой температуре и давлении не станут более точными, неопределенность в этом фундаментальном свойстве нашей планеты будет сохраняться.
Центр Земли горячий, как Солнце | Умные новости
Фото: NASA
Раздавленное массой тысяч километров жидкого железа и серы, перегретого металла и минералов и прохладной коры наверху, ядро Земли находится под огромным давлением.Нагреваемое изнутри трением и распадом радиоактивного материала и все еще выделяющее тепло от первоначального образования планеты 4,5 миллиарда лет назад, ядро планеты невероятно горячее. В ходе нового исследования ученые, изучающие, какими должны быть условия в ядре, обнаружили, что центр Земли намного горячее, чем мы думали, — примерно на 1800 градусов выше, а температура составляет ошеломляющие 10 800 градусов по Фаренгейту.
По данным BBC, это перегретое ядро примерно так же горячо, как поверхность Солнца.
Ученые знают, что ядро Земли, многослойная структура с твердым железным ядром, вращающимся в море жидкого железа и серы, горячее. Но, будучи отрезанным от прямого изучения всем, что находится между ядром и поверхностью, получить точное представление о свойствах ядра — непростая задача.
Под руководством Симоны Анзеллини французская исследовательская группа сделала все возможное, чтобы воспроизвести свойства ядра в лаборатории: они взяли кучу железа и раздавили ее между двумя кусками алмаза. Потом расстреляли его лазером. Аппарат производит огромные давления и перегретые температуры. Это позволило им изучить, как железо ведет себя в таких интенсивных условиях, и дало им возможность увидеть условия в центре планеты.
Знание того, насколько горячее ядро Земли, может добавить к нашему пониманию всевозможные чудеса, от существования планетарного магнитного поля до распространения сейсмических волн после землетрясения и до рождения самой Земли.
Больше из Смитсоновского института.com:
10 фактов о Земле, которые мы узнали со времени последнего дня Земли
Новый проект направлен на пробуждение к мантии Земли, глубина 3,7 мили вниз
Понравилась статья?
ПОДПИШИТЕСЬ на нашу рассылку новостей
Центр Земли на 1000 градусов горячее, чем предполагалось ранее, показывает эксперимент с синхротронным рентгеновским излучением — ScienceDaily
Ученые определили, что температура около центра Земли составляет 6000 градусов по Цельсию, что на 1000 градусов выше, чем в предыдущем эксперименте, проведенном 20 лет назад.Эти измерения подтверждают геофизические модели, согласно которым разница температур между твердым ядром и верхней мантией должна составлять не менее 1500 градусов, чтобы объяснить, почему у Земли есть магнитное поле. Ученые даже смогли установить, почему более ранний эксперимент дал более низкую температуру.
Результаты опубликованы 26 апреля 2013 г. в журнале Science .
Исследовательскую группу возглавляли Аньес Деваэль из французской национальной научно-исследовательской организации CEA, а также члены Французского национального центра научных исследований CNRS и Европейского центра синхротронного излучения ESRF в Гренобле (Франция).
Ядро Земли состоит в основном из сферы из жидкого железа, имеющей температуру выше 4000 градусов и давление более 1,3 миллиона атмосфер. В этих условиях железо жидкое, как вода в океанах. Только в самом центре Земли, где давление и температура поднимаются еще выше, жидкое железо затвердевает. Анализ сейсмических волн, вызванных землетрясениями, проходящих через Землю, показывает нам толщину твердых и жидких ядер и даже то, как давление в Земле увеличивается с глубиной.Однако эти волны не дают информации о температуре, которая имеет важное влияние на движение материала внутри жидкого ядра и твердой мантии над ним. Действительно, разница температур между мантией и ядром является основным двигателем крупномасштабных тепловых движений, которые вместе с вращением Земли действуют как динамо-машина, генерирующая магнитное поле Земли. Температурный профиль недр Земли также лежит в основе геофизических моделей, которые объясняют создание и интенсивную активность горячих вулканов, таких как Гавайские острова или Реюньон.
Чтобы получить точную картину профиля температуры в центре Земли, ученые могут посмотреть на температуру плавления железа при различных давлениях в лаборатории, используя ячейку с алмазной наковальней для сжатия образцов размером с крупицу до давлений в несколько миллионов атмосфер, и мощные лазерные лучи для нагрева их до 4000 или даже 5000 градусов Цельсия. «На практике приходится решать множество экспериментальных задач, — объясняет Агнес Деваэле из CEA, — поскольку образец железа должен быть теплоизолирован, а также не должен допускать химически реагирует с окружающей средой.Даже если образец достигнет экстремальных температур и давлений в центре Земли, это произойдет только в течение нескольких секунд. За такой короткий срок чрезвычайно сложно определить, начало ли оно плавиться или все еще твердое «.
Вот где в игру вступают рентгеновские лучи. «Мы разработали новую технику, при которой интенсивный пучок рентгеновских лучей от синхротрона может исследовать образец и определять, является ли он твердым, жидким или частично расплавленным, всего за секунду, используя процесс, известный как дифракция», — говорит Мохамед Мезуар. от ESRF », и этого достаточно, чтобы поддерживать постоянную температуру и давление и в то же время избегать любых химических реакций.«
Ученые определили экспериментально температуру плавления железа до 4800 градусов Цельсия и давления 2,2 миллиона атмосфер, а затем использовали метод экстраполяции, чтобы определить, что при 3,3 миллиона атмосфер, давлении на границе между жидким и твердым ядром, температура будет 6000 +/- 500 градусов. Это экстраполированное значение может немного измениться, если железо претерпевает неизвестный фазовый переход между измеренными и экстраполированными значениями.
Когда ученые просканировали область давлений и температур, они выяснили, почему Рейнхард Бёлер, работавший в то время в MPI для химии в Майнце (Германия), в 1993 г. опубликовал значения примерно на 1000 градусов ниже.Начиная с 2400 градусов, на поверхности образцов железа появляются эффекты рекристаллизации, приводящие к динамическим изменениям кристаллической структуры твердого железа. В эксперименте двадцать лет назад использовался оптический метод, чтобы определить, были ли образцы твердыми или расплавленными, и весьма вероятно, что наблюдение перекристаллизации на поверхности было интерпретировано как плавление.
«Мы, конечно, очень довольны тем, что наш эксперимент подтвердил лучшие современные теории теплопередачи от ядра Земли и генерации магнитного поля Земли.Я надеюсь, что в недалеком будущем мы сможем воспроизводить в наших лабораториях и исследовать с помощью синхротронного рентгеновского излучения каждое состояние материи внутри Земли », — заключает Агнес Деваэле.
История Источник:
Материалы предоставлены Европейским центром синхротронного излучения . Примечание. Содержимое можно редактировать по стилю и длине.
Насколько горячий центр Земли? Почему так жарко?
(Последнее обновление: 16 июня 2020 г.)
Если бы мы отправились в путешествие через внешнюю кору Земли, мы бы нырнули сквозь слои горных пород и грязи, сквозь мантию Земли и во внешнее ядро. Если мы зайдем достаточно далеко, то достигнем центра Земли, внутреннего ядра. Ядро Земли — самое жаркое место на планете и одно из самых жарких мест в Солнечной системе. Так насколько же горячий центр Земли?
Насколько горячий центр Земли?
Огромные размеры и масштаб Земли затрудняют для ученых измерение температуры ядра Земли. Мы можем отправиться на Луну или на дно океана. Мы не можем попасть в центр Земли.Почему нет? Что ж, ядро находится на глубине около 2900 километров (1802 мили) от поверхности Земли. Самая глубокая земля, которую выкопали люди, составляет всего 12 километров (7,5 миль).
Дополнительная литература: Насколько глубока самая глубокая дыра в мире?
Таким образом, прямых свидетельств о составе внутреннего ядра у нас нет. Однако, основываясь на преобладании различных химических элементов в Солнечной системе и теории образования планет, исследователи пришли к широко распространенному мнению, что внутреннее ядро состоит из сплава железа и никеля.И что это в первую очередь солидно.
На основании того, что мы знаем о свойствах железа, ученые пришли к различным оценкам температуры в центре Земли. Согласно текущим исследованиям, температура внутреннего ядра Земли составляет приблизительно 5 700 К (то есть 5 430 ° С или 9 806 ° F). И хотите верьте, хотите нет, но это примерно такая же температура, что и поверхность Солнца!
Почему центр Земли такой горячий?
Внутреннее ядро Земли имеет три основных источника тепла.Во-первых, это тепло, оставшееся после образования и аккреции планеты. Земля на самом деле очень плохо избавляется от тепла, поэтому большая часть изначального тепла, оставшегося с момента первого развития ядра, сохранилась. Тектонические плиты Земли, по сути, действуют как одеяло изнутри.
Другой источник внутреннего тепла — трение. Когда плотный материал, богатый железом, спускается к сердцевине, выделяется тепло. И, наконец, тепло от распада радиоактивных элементов.
Итак, у Земли есть все это тепло, и нет хорошего способа охлаждения.Так что центр Земли остается довольно горячим!
Проверьте свои знания о Солнечной системе с помощью этой викторины .
Итак, вы знаете, насколько горячий центр Земли. Если вам это показалось интересным, возможно, вам понравятся эти статьи по астрономии.
Комментарии
комментария
Солнце или ядро Земли?
Мануэль Смеу, специально для The Press & Sun-Bulletin Опубликовано 2:50 стр.м. ET 2 июня 2018 г.
ЗАКРЫТЬ
12 мая Twin Tiers Honor Flight Mission 7 вылетел в Вашингтон, округ Колумбия.
Ураган-тайфун над планетой Земля, вид из космоса. Элементы изображения предоставлены НАСА. (Фото: Elen11, Getty Images / iStockphoto)
Познакомьтесь с учеником, задающим вопрос :
Аарон Мерке (Фото: предоставленное фото)
Имя: Аарон Мерке
Оценка: 6
Школа: Евангелист Св. Иоанна, католические школы округа Брум
Учитель: Ану Рай
Познакомьтесь с ученым :
Мануэль Смеу (Фото: предоставлено фото)
Ответил: Мануэль Смеу
Название: Ассистент Профессор физики Бингемтонского университета
Область исследований: Физика вычислительных материалов
Интересы / хобби: Бег, бразильское джиу-джитсу
Вопрос :
Что горячее: Солнце или ядро Земли?
Ответ :
Когда мы думаем о том, насколько что-то горячее, мы можем учитывать его температуру; чем горячее что-то, тем выше его температура.На ум приходят температура и жара, когда мы задаемся вопросом, насколько жарко сейчас, будет ли в бассейне холодно, когда мы прыгаем в него, или же наш суп сожжет нас, когда мы его съедим. Мы можем чувствовать температуру нашей кожей, но для точных измерений мы используем термометры, которые представляют собой инструменты, которые показывают температуру в виде числа на шкале. Шкала градусов Фаренгейта (символ ºF) используется в США, шкала градусов Цельсия (символ ºC) используется в большинстве стран мира, а шкала Кельвина (символ K) используется учеными.Вода замерзает при 273 K (32 ºF), закипает при 373 K (212 ºF), и большинство температур, с которыми мы сталкиваемся изо дня в день, колеблются от 250 K до 500 K. Однако для описания температуры требуются гораздо большие числа. температура ядра Земли и Солнца.
Итак, кто из них горячее?
Как вы, возможно, знаете, внутренняя часть Земли состоит из нескольких регионов. Самая внутренняя область — это твердое внутреннее ядро, которое окружено (жидким) расплавленным внешним ядром и окружено мантией.Наконец, у нас есть кора, внешняя оболочка, на которой мы живем. Чем ближе к середине Земли, тем выше температура; поэтому ядро - самая горячая часть, и она становится только холоднее, когда вы продвигаетесь наружу к корке. Невозможно поместить термометр в ядро Земли, но у ученых есть несколько довольно хороших способов косвенно оценить температуру. Наилучшее значение, которое у нас есть сегодня, — это температура ядра Земли от 5700 до 6700 К (около 11000 ºF). Это тепло фактически осталось от того, когда Земля сформировалась более 4 миллиардов лет назад! Он уходит с Земли, но на это уходит очень много времени.
Солнце немного сложнее. Тепло на Солнце вызывается ядерным синтезом содержащегося в нем водорода, что происходит из-за экстремального давления и температуры в его центре, где температура составляет около 15 000 000 К (15 миллионов К или 27 миллионов ºF). За пределами центра находится поверхность Солнца, называемая фотосферой, которая имеет гораздо более низкую температуру — 5 500 К (10 000 ºF). Обратите внимание, что температура фотосферы на самом деле близка или даже немного ниже температуры ядра Земли! Однако за пределами фотосферы существует корона Солнца, температура которой может достигать 17 000 000 К; здесь жарче, чем в центре Солнца, и это самое жаркое место в солнечной системе! По-прежнему остается загадкой, почему внешняя часть Солнца может быть горячее, чем его середина, но многие ученые очень стараются найти ответ. Возможно, когда-нибудь вы или кто-нибудь из ваших одноклассников решите загадку.
Спросите ученого проходит каждый второй понедельник. На вопросы отвечают научные эксперты из Бингемтонского университета. Учителей в районе Большого Бингемтона, желающих участвовать в программе, просят написать по адресу Ask a Scientist, через Бингемтонский университет, Управление коммуникаций и маркетинга, PO Box 6000, Binghamton, NY 13902-6000, или по электронной почте ученому. @ binghamton.edu. Для получения дополнительной информации посетите http: // www.binghamton.edu/mpr/ask-a-scientist/.
Прочтите или поделитесь этой историей: https://www.pressconnects.com/story/news/local/2018/06/02/what-hotter-sun-earths-core/664573002/
Откуда мы знаем Температура ядра Земли?
Что сейчас у вас под ногами? Ковер? Плитка? Бетонный тротуар? Трава, грязь и листья? Независимо от того, на чем вы стоите сейчас, вы, так сказать, стоите на вершине айсберга. Осознаёте вы это или нет, но под вашими ногами есть тысячи миль Земли, состоящей из самых разных материалов, включая почву, камни, реки с водой, вулканическую лаву и твердое железо, и это лишь некоторые из них.
Если вы когда-нибудь выкопали яму на заднем дворе, вы знаете, что копать может потребоваться много работы. Тем не менее, может быть интересно увидеть, что скрывается под поверхностью. Ваша яма, вероятно, состояла в основном из земли и, возможно, из нескольких камней по пути.
Чем глубже вы копаете, тем труднее увидеть дно копаемой ямы. Если вы не залезете в яму, тем труднее будет копать, чем глубже вы войдете. Вот почему люди, которые зарабатывают себе на жизнь копанием ям, таких как угольные шахты и колодцы, используют специальное оборудование, которое позволяет им копать действительно глубокие ямы.
Однако даже самые глубокие угольные шахты и колодцы едва царапают поверхность того, что находится под внешним слоем Земли, называемым корой. Под корой лежит мантия, которая является полутвердой и состоит из горных пород и движущейся магмы.
Под мантией вы найдете ядро Земли, которое состоит из двух частей. Есть жидкое внешнее ядро, которое окружает твердое внутреннее ядро. Ученые считают, что твердое внутреннее ядро представляет собой твердый шар из железа и никеля, который находится под большим давлением.Какое давление? Попробуйте примерно в 9 миллионов раз больше атмосферного давления, которое люди испытывают на уровне моря на поверхности Земли.
Все это давление удерживает металл во внутреннем сердечнике в твердой форме, несмотря на его чрезвычайно высокую температуру. Недавние научные исследования заставляют экспертов полагать, что внутреннее ядро Земли имеет температуру примерно 10 800 ° F — или примерно такую же температуру, как и поверхность Солнца!
Но как ученые узнают, насколько горячее ядро Земли? Они этого не видят. Они не могут копать достаточно глубоко, чтобы измерить температуру термометром.Несмотря на то, что оно находится прямо у нас под ногами, ядро Земли до безумия недоступно.
Земное ядро размером с Плутон. Учитывая тысячи миль горных пород и других материалов, которые отделяют нас от ядра, это может быть так же далеко, как Плутон! Как мы можем что-то об этом знать?
Современные ученые придумали гениальные способы изучения слоев Земли. Например, геологи давно используют сейсмические волны, чтобы узнать, что находится под поверхностью Земли.Сейсмические волны — это типы волн, вызванные землетрясениями и другими движениями тектонических плит, которые происходят под поверхностью Земли.
Измеряя сейсмические волны, ученые могут многое узнать о составе подземных слоев Земли. Поскольку слои состоят из разных материалов разной толщины, исследователи могут анализировать способы отражения сейсмических волн от границ между различными слоями. Сейсмические волны проходят сквозь горные породы так же, как звуковые волны проходят через воздух.
Что касается ядра Земли, ученые полагают, что оно в основном состоит из железа из-за магнитного поля, которое существует вокруг Земли. Используя передовые технологии, ученые смогли с большей точностью определить точную температуру плавления железа, что позволяет им делать обоснованные предположения о температурах, которые должны существовать во внутреннем и внешнем ядрах Земли.
Ядро Земли на 1000 градусов горячее, чем ожидалось
Внутренний двигатель Земли работает примерно на 1000 градусов Цельсия (около 1800 градусов по Фаренгейту) выше, чем было измерено ранее, что дает лучшее объяснение того, как планета генерирует магнитное поле, как показало новое исследование.
Группа ученых измерила точку плавления железа с высокой точностью в лаборатории, а затем извлекла из этого результат, чтобы вычислить температуру на границе внутреннего и внешнего ядра Земли, которая сейчас оценивается в 6000 C (около 10800 F). . Он такой же горячий, как поверхность солнца.
Разница в температуре имеет значение, потому что это объясняет, как Земля генерирует свое магнитное поле. Земля имеет твердое внутреннее ядро, окруженное жидким внешним ядром, которое, в свою очередь, имеет твердую, но текущую мантию над ним.Между внутренним ядром и мантией должна быть разница в 2700 градусов по Фаренгейту (1500 градусов по Фаренгейту), чтобы стимулировать «тепловые движения», которые — наряду с вращением Земли — создают магнитное поле.
Ранее измеренная внутренняя температура не показала достаточного различия, что озадачило исследователей в течение двух десятилетий. Новые результаты подробно описаны в выпуске журнала Science от 26 апреля.
Центральным элементом эксперимента был новый рентгеновский метод, который позволяет проводить измерения быстрее, чем раньше.Образцы железа, сжатые в лаборатории, обычно хранятся всего несколько секунд, что затрудняет определение в предыдущих экспериментах, является ли железо все еще твердым или оно начинает плавиться.
Этот метод использует дифракцию, которая возникает, когда рентгеновские лучи или другие формы света попадают на препятствие и огибают его.