Ядро Земли

Модель внутреннего строения планеты Земля

Ядро Земли - внутренняя геосфера Земли со средним диаметром 3470 км, расположена на средней глубине около 2900 км. Делится на твердое внутреннее ядро [1] диаметром около 1300 км и жидкое внешнее ядро мощностью около 2200 км, между которыми иногда выделяется 250 км переходная зона жидкости повышенной плотности. Вероятно состоит из железо - никелевого сплава с примесью других сидерофильних элементов. Расчетная температура в центре ядра Земли достигает 5000 ? C, плотность - около 12,5 т / м ?, давление - до 361 ГПа. Масса земного ядра - 1 932 ? 10 24 кг.

Данных о ядре очень мало - вся информация получена косвенными геофизическими или геохимическими методами, образцы вещества ядра не доступны, и вряд ли они будут получены в ближайшем будущем [2].


1. История исследования

Одним из первых предположение о существовании внутри Земли области повышенной плотности выразил Генри Кавендиш, который вычислил массу и среднюю плотность Земли и установил, что она значительно больше, чем характерна для пород, выходящих на земную поверхность.

Существование ядра было доказано 1897 году немецким сейсмологом Е. Вихерт из-за наличия эффекта так называемой "сейсмической тени". 1910 года за резким скачком скорости продольных сейсмических волн американским геофизиком Бено Гутенбергом было определено глубину залегания его поверхности - 2900 км.

Основатель геохимии В. М. Гольдшмидт ( нем. Victor Moritz Goldschmidt ) 1922 года предположил, что ядро образовалось путем гравитационной дифференциации первичной Земли в период аккреции или в более поздние периоды. Альтернативную гипотезу, что железное ядро ​​образовалось еще в протопланетного облака, разрабатывали немецкий ученый А. Эйкен ( 1944), американский ученый Э. Орован и советский ученый А. П. Виноградов ( 60 - 70-е годы).

1941 года Кун и Ритман, основываясь на гипотезе идентичности химического состава Солнца и Земли и на расчетах фазового перехода в водные, предположили, что земное ядро состоит из металлического водорода. Эта гипотеза не выдержала экспериментальной проверки. Эксперименты с ударного сжатия доказали, что плотность металлического водорода примерно на порядок меньше, чем ядра. Однако эта гипотеза позднее была адаптирована для объяснения строения планет-гигантов - Юпитера, Сатурна и др.. Современной наукой вважааеться, что их магнитное поле возникает именно в металлическом водородном ядре [ ].

Кроме того, В. М. Лодочников и Уильям Рамзай предположили, что нижняя мантия и ядро имеют одинаковый химический состав - на грани "ядро-мантия" при давлении 1,36 MБар мантийные силикаты переходят в жидкую металлическую фазу (металлизированное силикатное ядро).


2. Состав ядра

Состав ядра может быть оценен из нескольких источников.

  • Ближайшими к вещества ядра считают образцы железных метеоритов, которые являются фрагментами ядер астероидов и протопланет. Однако железные метеориты не эквивалентны веществе земного ядра, поскольку они образовались в гораздо меньших телах, т.е., других физико-химических условий.
  • Из данных гравиметрии известна плотность ядра ограничивает дополнительно компонентный состав. Поскольку плотность ядра примерно на 10% меньше, чем плотность сплавов железо-никель, то, соответственно, ядро ​​Земли содержит более легких элементов, чем железные метеориты.
  • Исходя из геохимических соображений, рассчитывая первичный состав Земли и вычисляя долю элементов, составляющих другие геосферы, можно построить приблизительную оценку состав ядра. Помощь в таких вычислениях оказывают высокотемпературные и високобарични эксперименты по распределению элементов между расплавленным железом и силикатными фазами.
Химический состав земного ядра
По данным Si,% Fe,% Ni,% S,% O,% Mn,% Cr,% Co,% P,%
Allegre et al., 1995 7,35 79,39 4,87 2,30 4,10 0,582 0,779 0,253 0,369
Mc Donough, 2003 6,0 85,5 5,20 1,90 0 0,030 0,900 0,250 0,200

3. Образование земного ядра

3.1. Время формирования

Образование ядра - ключевой момент истории Земли. Для определения возраста этого события были использованы следующие соображения:

  • В веществе, из которого образовалась Земля, был изотоп 182 Hf, имеющий период полураспада 9 млн лет и превращается в изотоп 182 W. Гафний является литофильных элементов, т.е. при делении первичного вещества Земли на силикатный и металлическую фазы он преимущественно концентрировался в силикатной фазе, а вольфрам - в присутствии металлической фазы проявляет сидерофильни властовости, и концентрировался в металлической фазе. В металлическом ядре Земли соотношение Hf / W близкое к нулю, тогда как в силикатной оболочке это отношение близко к 10 -14 [3].
  • Из анализа нефракцийованих хондритов и железных метеоритов известно первичное соотношение изотопов гафния и вольфрама.
  • Если ядро образовалось через время, значительно превышающей период полураспада 182 Hf, то он бы успел почти полностью преобразиться на 182 W, и изотопный состав вольфрама в силикатной части Земли и ее ядре был бы одинаковым, таким же, как и в хондритах.
  • Если ядро формировалось пока 182 Hf еще не распался, то силикатная оболочка Земли должна содержать некоторый избыток 182 W (по сравнению с хондритов), что на самом деле и наблюдается [3].

Основываясь на этой модели разделения металлической и силикатной части Земли, расчеты показали, что ядро ​​сформировалось за время менее 30 млн лет, с момента образования в Солнечной системе первым твердым частиц [3]. Аналогичные расчеты можно сделать для металлических метеоритов, которые являются фрагментами ядер мелких планетарных тел. В них формирование ядра происходило значительно быстрее - за несколько миллионов лет. Возраст внутреннего твердого ядра оценивается в 2-4 млрд лет.


3.2. Теория Сорохтина - Ушакова

Согласно модели Сорохтина - Ушакова, [4] процесс формирования земного ядра растянулся примерно на 1,6 млрд. лет (от 4 до 2,6 млрд. лет назад). По мнению авторов формирования земного ядра происходило в два этапа. Сначала планета была холодной и однородной. Затем она прогрелась энергией радиоактивного распада в начале плавки металлического железа, которое стало проникать к центру Земли. При этом за счет гравитационной дифференциации выделялась большое количество тепла, и процесс отделения ядра только ускорялся. Этот процесс шел только до глубины, ниже которой вещество, через сверхвысокое давление, становилась настолько вязкой, чем глубже погружаться железо уже не могло. В результате образовался тороидальный слой расплавленного железа и его окиси. Он располагался над легче веществом первичной "сердцевины" Земли. Позже произошло выдавливание силикатного вещества из центра Земли на экваторе, что и привело асимметрию планеты.


3.3. Механизм формирования земного ядра

О механизме образования ядра известно очень мало. Согласно различным оценкам формирование происходило при давлении и температуре близкой к той, что сейчас царит в верхней и средней мантии, а не в планетозималей и астероидах. Это значит что при аккреции Земли происходила ее новая гомогенизация.

4. Механизм постоянного обновления внутреннего ядра

Ряд исследований последних лет показал аномальные свойства земного ядра - было установлено, что сейсмические волны пересекают восточную полушарие ядра быстрее, чем западную. Классические модели предполагают, что внутреннее ядро ​​нашей планеты - образование симметричное, однородное и практически стабильное, которое медленно растет за счет застывания вещества внешнего ядра. Однако внутреннее ядро ​​достаточно динамичная структура.

Группа исследователей из университетов Жозефа Фурье ( фр. Universit? Joseph Fourier ) И Лиона ( фр. Universit? de Lyon ) Выдвинула предположение, что внутреннее ядро ​​Земли постоянно кристаллизуется на западе и плавится на востоке [5]. Геометрический центр внутреннего ядра сдвинуты относительно центра Земли. Части ядра на западе и востоке имеют разную температуру, что приводит к одностороннему плавления и кристаллизации. Приводит в движение всю масса внутреннего ядра, медленно сдвигается с западного полушария к восточной, где разрушаясь твердое вещество пополняет состав жидкой оболочки со скоростью 1,5 см / год. То есть, полная переплавка длится 100 млн лет. Разница в соотношении легких и тяжелых элементов на западе и востоке ядра закономерно приводит и к различной скорости сейсмических волн.

Столь мощные процессы затвердевания и плавления не могут не сказаться на конвективных потоках во внешнем ядре [6]. Они затрагивают планетарную динамо-машину, земное магнитное поле, поведение мантии и движение материков. Гипотеза объясняет расхождение скорости вращения ядра [7] и остальных планеты, ускоренное смещение магнитных полюсов [8].


См.. также

Примечания

  1. It's official: Earth has solid core - www.abc.net.au/science/news/stories/s1350587.htm. ABC News in science, 21 апреля 2005. (Англ.)
  2. Rick Wakeman. Planetary science: Mission to Earth's core - a modest proposal - www.nature.com/index.html?file=/nature/journal/v423/n6937/full/423239a_fs.html. Nature 423, 239-240, 15 мая 2003, doi: 10.1038/423239a. (Англ.)
  3. а б в (Англ.) Jacobsen SB (2005). The Hf-W isotopic system and the origin of the Earth and Moon. - www.eos.ubc.ca/ ~ mjelline/453website/eosc453/E_prints/AnnRev.33.092203.122614.pdf Annu. Rev. Earth Planet. Sci. 2005. 33:18.1-18.40.
  4. Сорохтин О. Г., Ушаков С. А. " Глава 4. Процесс выделения земного ядра - www.evolbiol.ru/sorohtin08.pdf ", Развитие Земли - www.evolbiol.ru / sorohtin.htm. - С. 506. - М: Изд-во МГУ, 2002. (Рус.)
  5. Thierry Alboussi?re, Renaud Deguen & Micka?l Melzani. Melting-induced stratification above the Earth's inner core due to convective translation - www.nature.com/nature/journal/v466/n7307/full/nature09257.html. Nature 466, 744-747, 5 августа 2010. doi: 10.1038/nature09257. (Англ.)
  6. Ядро Земли постоянно переваривает же себя - www.membrana.ru/print.html?1281361740. Membrana, 9 августа 2010. (Рус.)
  7. Ядро Земли вращается быстрее нее - www.membrana.ru/lenta/?5046. Membrana, 26 августа 2005. (Рус.)
  8. Richard A. Lovett. North Magnetic Pole Moving Due to Core Flux - news.nationalgeographic.com/news/2009/12/091224-north-pole-magnetic-russia-earth-core.html. National Geographic, 24 декабря 2009. (Англ.)

Литература

  1. (Рус.) Петрографических словарь / В. Рыка, А. Малишевская. - М: "Недра", 1989.
  2. (Англ.) Allegre, CJ, Poirier, JP, Humler, E. and Hofmann, AW (1995). The Chemical-Composition of the Earth. Earth and Planetary Science Letters 134 (3-4): 515-526. doi: 10.1016/0012-821X (95) 00123-T.
  3. (Рус.) Хаин В. Е. Современная геодинамика: достижения и проблемы - vivovoco.rsl.ru/VV/JOURNAL/NATURE/01_02/GEODYN.HTM / / Природа № 1, январь 2002.
  4. (Рус.) Жарков В. Н., Трубицын В. П. Физика планетных недр. М., 1980.
  5. (Рус.) Джекоб Дж. земной ядро. М., 1979.