Proučavanje Zemljinog jezgra. Zašto Zemlja ima tečno jezgro? Rekreiranje uslova u Zemljinom jezgru

Dom

Zašto se Zemljino jezgro ne ohladi i ostane zagrijano na temperaturu od približno 6000°C tokom 4,5 milijardi godina? Pitanje je izuzetno složeno, na koje, osim toga, nauka ne može dati 100% tačan i razumljiv odgovor. Međutim, za to postoje objektivni razlozi.

Pretjerana tajnovitost Prevelika, da tako kažemo, misterija Zemljinog jezgra povezana je sa dva faktora. Prvo, niko sa sigurnošću ne zna kako, kada i pod kojim okolnostima je nastala - to se dogodilo tokom formiranja proto-Zemlje ili već u ranim fazama postojanje formirane planete - sve to velika misterija

. Drugo, apsolutno je nemoguće dobiti uzorke iz Zemljinog jezgra - niko sa sigurnošću ne zna od čega se sastoji. Štaviše, svi podaci koje znamo o kernelu prikupljaju se pomoću indirektnih metoda i modela.

Zašto Zemljino jezgro ostaje vruće? Da biste pokušali razumjeti zašto se Zemljino jezgro ne hladi tako dugo, prvo morate razumjeti šta je uzrokovalo njegovo zagrijavanje. Unutrašnjost naše planete, kao i ona svake druge planete, je heterogena; Ali to nije uvek bio slučaj: teški elementi su polako tonuli, formirajući unutrašnje i spoljašnje jezgro, laki elementi su bili potisnuti na vrh, formirajući plašt i zemljine kore

. Ovaj proces se odvija izuzetno sporo i praćen je oslobađanjem toplote. Međutim, to nije bio glavni razlog grijanja. Cela masa Zemlje pritišće ogromnom silom njeno središte, stvarajući fenomenalni pritisak od približno 360 GPa (3,7 miliona atmosfera), usled čega dolazi do raspada dugovečnih radioaktivnih elemenata sadržanih u jezgru gvožđe-silicijum-nikl. je počelo da se dešava, što je bilo praćeno kolosalnim emisijama toplote.

Dodatni izvor grijanja je kinetička energija nastala kao rezultat trenja između različitih slojeva (svaki sloj rotira neovisno o drugom): unutarnje jezgro s vanjskim i vanjsko s plaštom.

Na osnovu navedenog, možemo zaključiti da su Zemlja, a posebno njena utroba, samodovoljna mašina koja se grije. Ali to se, naravno, ne može nastaviti zauvijek: rezerve radioaktivnih elemenata unutar jezgre polako nestaju i više neće biti ničega za održavanje temperature.

Postaje hladno!

U stvari, proces hlađenja je već počeo veoma davno, ali se odvija izuzetno sporo - na delić stepena po veku. Prema grubim procjenama, proći će najmanje milijardu godina prije nego što se jezgro potpuno ohladi i prestanu kemijske i druge reakcije u njemu.

Kratak odgovor: Zemlja, a posebno Zemljino jezgro, je samodovoljna mašina koja se grije. Cijela masa planete pritišće njeno središte, stvarajući fenomenalan pritisak i na taj način pokrećući proces raspadanja radioaktivnih elemenata, uslijed čega se oslobađa toplina.

Dubina pojave - 2900 km. Prosječni polumjer sfere je 3500 km. Podijeljeno je na čvrsto unutrašnje jezgro polumjera oko 1300 km i tekuće vanjsko jezgro debljine oko 2200 km, između kojih se ponekad razlikuje prelazna zona. Temperatura na površini Zemljinog čvrstog jezgra navodno dostiže 6230±500 (5960±500 °C), u centru jezgra gustina može biti oko 12,5 t/m³, pritisak do 3,7 miliona atm (375 GPa) . Masa jezgre - 1.932⋅10 24 kg.

O jezgru se zna vrlo malo – sve informacije su dobijene indirektnim geofizičkim ili geohemijskim metodama. Uzorci osnovnog materijala još nisu dostupni.

Istorija studije

MOSKVA, 12. februara - RIA Novosti. Američki geolozi kažu da unutrašnje jezgro Zemlje nije moglo nastati prije 4,2 milijarde godina u obliku u kojem ga naučnici danas zamišljaju, jer je to nemoguće sa stanovišta fizike, navodi se u članku objavljenom u časopisu EPS Letters. .

“Ako se jezgro mlade Zemlje sastoji u potpunosti od čiste, homogene tekućine, onda unutarnja jezgra u principu ne bi trebala postojati, jer se ova materija ne bi mogla ohladiti na temperature na kojima je bilo moguće njeno formiranje, u ovom slučaju jezgro može biti heterogena kompozicija i postavlja se pitanje kako je to postalo ovako, to je paradoks koji smo otkrili”, kaže James Van Orman sa Univerziteta Case Western Reserve u Clevelandu (SAD).

U dalekoj prošlosti, Zemljino jezgro je bilo potpuno tečno i nije se sastojalo od dva ili tri, kako neki geolozi sada sugerišu, sloja - unutrašnjeg metalnog jezgra i okolnog rastapanja gvožđa i lakših elemenata.

U tom stanju, jezgro se brzo ohladilo i izgubilo energiju, što je dovelo do slabljenja energije koju proizvodi. magnetno polje. Nakon nekog vremena, ovaj proces je dostigao određenu kritičnu tačku, i centralni dio jezgro se "zamrznulo", pretvarajući se u čvrstu metalnu jezgru, što je bilo praćeno naletom i povećanjem jačine magnetskog polja.

Vrijeme ove tranzicije izuzetno je važno za geologe, jer nam omogućava da grubo procijenimo kojom brzinom se danas hladi Zemljino jezgro i koliko će dugo trajati magnetni “štit” naše planete, štiteći nas od djelovanja kosmičkih zraka, i Zemljinu atmosferu od sunčevog vjetra.

Sada, kako primjećuje Van Orman, većina naučnika vjeruje da se to dogodilo u prvim trenucima života Zemlje zbog fenomena, čiji se analog može naći u atmosferi planete ili u aparatima za gazirane napitke u restoranima brze hrane.

Fizičari su odavno otkrili da neke tečnosti, uključujući vodu, ostaju tečne na temperaturama znatno ispod tačke smrzavanja ako unutra nema nečistoća, mikroskopskih kristala leda ili snažnih vibracija. Ako ga lako protresete ili u njega ispustite mrvicu prašine, tada se takva tekućina smrzava gotovo trenutno.

Nešto slično, prema geolozima, dogodilo se prije oko 4,2 milijarde godina unutar Zemljinog jezgra, kada se njegov dio iznenada kristalizirao. Van Orman i njegove kolege pokušali su da reproduciraju ovaj proces koristeći kompjuterske modele unutrašnjosti planete.

Ovi proračuni su neočekivano pokazali da unutrašnje jezgro Zemlje ne bi trebalo da postoji. Pokazalo se da se proces kristalizacije njegovih stijena uvelike razlikuje od načina na koji se ponašaju voda i druge prehlađene tekućine - za to je potrebna ogromna temperaturna razlika, više od hiljadu kelvina, i impresivna veličina "trunke prašine", čija je prečnik bi trebao biti oko 20-45 kilometara.

Kao rezultat toga, najvjerovatnija su dva scenarija - ili je jezgro planete trebalo potpuno zamrznuti, ili je još uvijek trebalo ostati potpuno tečno. Obje su netačne, jer Zemlja ima unutrašnje čvrsto i vanjsko tečno jezgro.

Drugim riječima, naučnici još uvijek nemaju odgovor na ovo pitanje. Van Orman i njegove kolege pozivaju sve geologe na Zemlji da razmisle o tome kako bi se prilično veliki "komad" gvožđa mogao formirati u omotaču planete i "potonuti" u njeno jezgro, ili da pronađu neki drugi mehanizam koji bi objasnio kako se on podelio na dva dela. dijelovi.

Izražene su bezbrojne ideje o strukturi Zemljinog jezgra. Dmitrij Ivanovič Sokolov, ruski geolog i akademik, rekao je da se supstance unutar Zemlje distribuiraju poput šljake i metala u peći za topljenje.

Ovo figurativno poređenje je više puta potvrđeno. Naučnici su pažljivo proučavali željezne meteorite koji su stizali iz svemira, smatrajući ih fragmentima jezgra raspadnute planete.

To znači da bi Zemljino jezgro takođe trebalo da se sastoji od teškog gvožđa u rastopljenom stanju.

Godine 1922. norveški geohemičar Victor Moritz Goldschmidt iznio je ideju o općoj stratifikaciji Zemljine tvari u vrijeme kada je cijela planeta bila u tekućem stanju. On je to izveo analogijom s metalurškim procesom proučavanim u čeličanama. „U fazi tečnog taljenja“, rekao je, „tvar Zemlje je podeljena na tri nemešljive tečnosti – silikat, sulfid i metal.

Daljnjim hlađenjem ove tečnosti su formirale glavne ljuske Zemlje - koru, plašt i gvozdeno jezgro!

Međutim, bliže našem vremenu, ideja o "vrućem" porijeklu naše planete bila je sve inferiornija od "hladne" kreacije. A 1939. Lodočnikov je predložio drugačiju sliku formiranja Zemljine unutrašnjosti. Do tada je ideja o faznim prijelazima materije već bila poznata. Lodočnikov je sugerisao da se fazne promene u materiji intenziviraju sa povećanjem dubine, usled čega se materija deli na školjke. U ovom slučaju, jezgro ne mora nužno biti željezo. Može se sastojati od prekomjerno konsolidiranih silikatnih stijena koje su u "metalnom" stanju.

Ovu ideju je preuzeo i razvio 1948. finski naučnik V. Ramsey. Ispostavilo se da iako Zemljino jezgro ima drugačije fizičko stanje, nego plašt, ali nema razloga da se smatra da se sastoji od gvožđa. Na kraju krajeva, previše konsolidovani olivin mogao bi biti težak kao metal...

Tako su nastale dvije međusobno isključive hipoteze o sastavu jezgra.

Jedan je razvijen na osnovu ideja E. Wicherta o leguri željeza i nikla sa malim dodacima lakih elemenata kao materijalu za Zemljino jezgro.

I drugi - koji je predložio V.N. Lodochnikov i razvio V. Ramsey, koji navodi da se sastav jezgra ne razlikuje od sastava plašta, ali je supstanca u njemu u posebno gustom metaliziranom stanju.

Kako bi odlučili na koju stranu vaga treba da se okrene, naučnici iz mnogih zemalja izveli su eksperimente u laboratorijama i brojali i brojali, upoređujući rezultate svojih proračuna sa onim što su pokazala seizmička istraživanja i laboratorijski eksperimenti.

Model Zemlje. XX vijek

Šezdesetih godina stručnjaci su konačno došli do zaključka: hipoteza o metalizaciji silikata, pri pritiscima i temperaturama koji vladaju u jezgru, nije potvrđena! Štaviše, sprovedene studije su ubedljivo dokazale da centar naše planete treba da sadrži najmanje osamdeset odsto ukupnih rezervi gvožđa... Dakle, ipak je jezgro Zemlje gvožđe? Gvožđe, ali ne baš. Čisti metal ili čista metalna legura komprimirana u centru planete bila bi preteška za Zemlju. Stoga se mora pretpostaviti da se materijal vanjskog jezgra sastoji od spojeva željeza sa lakšim elementima - kisikom, aluminijem, silicijumom ili sumporom, koji su najčešći u zemljinoj kori.

Ali koje konkretno? Ovo je nepoznato.

I tako je sovjetski naučnik Oleg Georgijevič Sorokhtin preduzeo novu studiju. Pokušajmo u pojednostavljenom obliku pratiti tok njegovog rezonovanja, iznesenog u zanimljiva knjiga « Globalna evolucija Zemlja."

Na osnovu najnovijih dostignuća geološke nauke, sovjetski naučnik zaključuje da je u prvom periodu formiranja Zemlja najvjerovatnije bila manje-više homogena. Sve njegove tvari bile su približno jednako raspoređene po cijelom volumenu.

Međutim, s vremenom su teži elementi, poput gvožđa, počeli da tonu, da tako kažem, "tonu" u plašt, idući sve dublje i dublje prema centru planete. Ako je to tako, onda poredeći mlade i stare stijene, možete očekivati ​​manje sadržaja kod mladih teški elementi, isto gvožđe široko rasprostranjeno u Zemljinoj materiji.

Proučavanje drevnih lava potvrdilo je ovu pretpostavku. Međutim, Zemljino jezgro ne može biti čisto gvožđe. Prelagan je za to.

Šta je bio gvožđev pratilac na putu do centra?

Naučnik je isprobao mnoge elemente. Ali neki se nisu dobro rastvorili u topljenju, dok su se drugi ispostavili kao nekompatibilni.

A onda je Sorokhtin pomislio: nije li najčešći element - kiseonik - pratilac gvožđa?

Istina, proračuni su pokazali da je spoj željeza i kisika - željezni oksid - izgleda previše lagan za jezgro. Ali u uslovima kompresije i zagrijavanja u dubini, željezni oksid također mora proći kroz fazne promjene.

U uslovima koji postoje u blizini centra Zemlje, samo dva atoma gvožđa mogu zadržati jedan atom kiseonika. To znači da će gustina nastalog oksida postati veća...

I opet kalkulacije, kalkulacije.

Ali kakvo zadovoljstvo kada je dobijeni rezultat pokazao da gustina i masa Zemljinog jezgra, izgrađenog od željeznog oksida koji je prošao fazne promene, daje upravo onu vrednost koju zahteva savremeni model jezgra!

Evo ga - modernog i, možda, najvjerovatnijeg modela naše planete u cijeloj istoriji njenog traganja. „Spoljno jezgro Zemlje sastoji se od oksida gvožđa Fe 2 O, unutrašnje jezgro je napravljeno od metalnog gvožđa ili legure gvožđa i nikla“, piše Oleg Georgijevič Sorokhtin u svojoj knjizi. “Može se smatrati da se prijelazni sloj F između unutrašnjeg i vanjskog jezgra sastoji od željeznog sulfida – troilita FeS.”

Mnogi istaknuti geolozi i geofizičari, oceanolozi i seizmolozi - predstavnici doslovno svih grana nauke koji proučavaju planetu - učestvuju u stvaranju moderne hipoteze o oslobađanju jezgra iz primarne supstance Zemlje. Procesi tektonskog razvoja Zemlje, prema naučnicima, nastaviće se u dubinama još dugo vremena, prema barem Pred našom planetom je još nekoliko milijardi godina. Tek nakon ovog nemjerljivog vremenskog perioda Zemlja će se ohladiti i pretvoriti u mrtvo kosmičko tijelo. Ali šta će se dogoditi do ovog trenutka?..

Koliko je staro čovečanstvo? Milion, dva, pa, dva i po.

I tokom ovog perioda, ljudi ne samo da su ustali sa četiri noge, ukrotili vatru i shvatili kako da izvuku energiju iz atoma, već su poslali mitraljeze na druge planete solarni sistem i ovladao bliskim prostorom za tehničke potrebe.

Istraživanje, a zatim i korištenje dubokih utroba naše planete je program koji već kuca na vrata naučnog napretka. I vi, današnji školarci, to morate implementirati.

Čvrstim stiskanjem obe supstance pomoću dijamanata, naučnici su uspeli da proguraju rastopljeno gvožđe kroz silikat. „Ovaj pritisak značajno menja svojstva interakcije gvožđa sa silikatima“, kaže Mao. - Pri visokom pritisku formira se “mreža za topljenje”.

Ovo može ukazivati ​​na to da je gvožđe postepeno klizilo kroz Zemljine stene tokom miliona godina sve dok nije došlo do jezgra.

U ovom trenutku možete se zapitati: kako zapravo znamo veličinu kernela? Zašto naučnici vjeruju da počinje 3000 kilometara dalje? Postoji samo jedan odgovor: seizmologija.

Kada dođe do zemljotresa, on šalje udarne talase širom planete. Seizmolozi bilježe ove vibracije. Kao da udaramo na jednu stranu planete ogromnim čekićem i slušamo buku na drugoj strani.

“Šezdesetih godina prošlog vijeka dogodio se zemljotres u Čileu, koji nam je dao ogromna količina podataka”, kaže Redfern. “Svaka seizmička stanica oko Zemlje zabilježila je potrese ovog potresa.”

Ovisno o ruti kojom te vibracije prolaze, one prolaze kroz različite dijelove Zemlje, a to utiče na to kakav "zvuk" ispuštaju na drugom kraju.

Rano u istoriji seizmologije postalo je očigledno da nedostaju neke oscilacije. Očekivalo se da će ovi "S-talasi" biti viđeni na drugom kraju Zemlje nakon što su nastali na jednom kraju, ali nisu viđeni. Razlog za to je jednostavan. S-talasi odjekuju kroz čvrsti materijal i ne mogu putovati kroz tečnost.

Mora da su naišli na nešto otopljeno u centru Zemlje. Kartirajući putanje S-talasa, naučnici su zaključili da na dubini od oko 3.000 kilometara stijene postaju tečne. Ovo također sugerira da je cijelo jezgro rastopljeno. Ali seizmolozi su u ovoj priči imali još jedno iznenađenje.


1930-ih, danska seizmologinja Inge Lehman otkrila je da je drugi tip talasa, P-talasi, neočekivano prošao kroz jezgro i otkriven na drugoj strani planete. Odmah je uslijedila pretpostavka da je jezgro podijeljeno na dva sloja. "Unutrašnje" jezgro, koje počinje 5.000 kilometara ispod, bilo je čvrsto. Topi se samo “spoljna” jezgra.

Lehmanova ideja je potvrđena 1970. godine, kada su osjetljiviji seizmografi pokazali da P valovi zaista putuju kroz jezgro i, u nekim slučajevima, reflektiraju se od njega pod određenim uglovima. Nije iznenađenje da završe na drugoj strani planete.

Nisu samo zemljotresi ti koji šalju udarne talase kroz Zemlju. U stvari, seizmolozi mnogo duguju razvoju nuklearno oružje.

Nuklearna eksplozija također stvara valove na tlu, zbog čega se države obraćaju seizmolozima za pomoć prilikom testiranja nuklearnog oružja. Tokom hladnog rata ovo je bilo izuzetno važno, pa su seizmolozi poput Lehmana dobili veliku podršku.

Konkurentske zemlje su učile o nuklearnim sposobnostima jedne druge, a mi smo u isto vrijeme učili sve više i više o Zemljinom jezgru. Seizmologija se još uvijek koristi za otkrivanje nuklearne eksplozije Danas.


Sada možemo nacrtati grubu sliku strukture Zemlje. Postoji rastopljeno vanjsko jezgro koje počinje otprilike na pola puta do centra planete, a unutar njega je čvrsto unutrašnje jezgro promjera približno 1.220 kilometara.

To ne čini pitanja manje, posebno na temu unutrašnjeg jezgra. Na primjer, koliko je vruće? Ispostavilo se da to nije tako lako, a naučnici dugo vremenačešali su se po glavi, kaže Lidunka Vokadlo sa University College London u Velikoj Britaniji. Ne možemo tamo staviti termometar, tako da je jedina opcija stvoriti potreban pritisak u laboratorijskim uvjetima.


U normalnim uslovima, gvožđe se topi na temperaturi od 1538 stepeni

Grupa francuskih naučnika je 2013. proizvela najbolja ocjena do danas. Čisto gvožđe su podvrgnuli upola manjem pritisku od onoga što je u jezgru i krenuli odatle. Tačka topljenja čistog gvožđa u jezgru je približno 6230 stepeni. Prisustvo drugih materijala može blago sniziti tačku topljenja, do 6000 stepeni. Ali i dalje je toplije od površine Sunca.

Kao neka vrsta krompira, Zemljino jezgro ostaje vruće zahvaljujući toploti preostaloj od formiranja planete. Takođe izvlači toplotu od trenja koje se javlja prilikom kretanja gustih materijala, kao i od raspada radioaktivnih elemenata. Hladi se za oko 100 stepeni Celzijusa svake milijarde godina.

Poznavanje ove temperature je korisno jer utiče na brzinu kojom vibracije putuju kroz jezgro. I to je zgodno, jer ima nečeg čudnog u ovim vibracijama. P-talasi putuju iznenađujuće sporo kroz unutrašnje jezgro - sporije nego da je napravljeno od čistog željeza.

„Brzine talasa koje su seizmolozi izmerili u zemljotresima su mnogo niže od onoga što pokazuju eksperimenti ili kompjuterski proračuni“, kaže Vokadlo. “Niko još ne zna zašto je to tako.”

Očigledno je još jedan materijal pomiješan s gvožđem. Moguće nikal. Ali naučnici su izračunali kako bi seizmički talasi trebalo da prođu kroz leguru gvožđa i nikla, i nisu bili u stanju da uklope proračune u posmatranja.

Vokadlo i njene kolege sada razmatraju mogućnost da drugi elementi, kao što su sumpor i silicijum, mogu biti prisutni u jezgru. Do sada niko nije uspeo da smisli teoriju sastava unutrašnjeg jezgra koja bi zadovoljila sve. Problem Pepeljuge: cipela nikome ne stoji. Vokadlo pokušava da eksperimentiše sa materijalima unutrašnjeg jezgra na računaru. Ona se nada da će pronaći kombinaciju materijala, temperatura i pritisaka koji će usporiti seizmičke talase za pravu količinu.


Ona kaže da tajna možda leži u činjenici da je unutrašnje jezgro skoro na tački topljenja. Kao rezultat toga, tačna svojstva materijala mogu se razlikovati od onih potpuno čvrste tvari. To bi takođe moglo objasniti zašto seizmički talasi putuju sporije nego što se očekivalo.

„Ako je ovaj efekat stvaran, mogli bismo pomiriti rezultate mineralne fizike sa rezultatima seizmologije“, kaže Vokadlo. “Ljudi to još ne mogu.”

Još uvijek postoje mnoge misterije vezane za Zemljino jezgro koje tek treba riješiti. Ali nesposobni da zarone do ovih nezamislivih dubina, naučnici postižu podvig otkrivanja onoga što se nalazi hiljadama kilometara ispod nas. Skriveni procesi unutrašnjosti Zemlje izuzetno su važni za proučavanje. Zemlja ima snažno magnetsko polje koje stvara njeno djelomično rastopljeno jezgro. Stvara se stalno kretanje rastaljenog jezgra električna struja unutar planete, a ona, zauzvrat, stvara magnetno polje koje ide daleko u svemir.

Ovo magnetsko polje nas štiti od štetnog sunčevog zračenja. Da Zemljino jezgro nije takvo kakvo jeste, ne bi postojalo magnetno polje i mi bismo ozbiljno patili od njega. Malo je vjerovatno da će neko od nas moći vlastitim očima vidjeti jezgro, ali dobro je samo znati da je tu.