Ядро земли: доказательства состава и строения

Земная кора

Считается, что у Венеры и Марса (но не у Меркурия) также есть верхний слой коры, схожий с земным. Однако на Земле выделяют два вида коры: континентальный и океанический. Континентальная кора значительно более древняя, возраст ее пород может достигать миллиардов лет. Она состоит из трех слоев. Верхний образован горными породами, средний – гранитами и так называемыми гнейсами, а внизу располагаются гранулиты и подобные им породы.

Океаническая кора постоянно обновляется. Она образуется в центрах современных океанов в местах, которые называют срединно-океаническими хребтами. Перемещаясь оттуда в разных направлениях, она исчезает в зонах субдукции, растворяясь в мантии. Возраст океанической коры не превышает 140-150 миллионов лет. Также ее толщина значительно ниже и, по некоторым оценкам, составляет 5-10 км. Именно поэтому первая попытка пробурить земную кору была предпринята 1961-1966 г. в Тихом океане (проект «Мохол»).

Интересно, что большую часть земной коры образует незначительное количество элементов. Самыми распространенными из них являются:

кислород (49%);
кремний (26%);
алюминий (7,5%);
железо (4,2%);
кальций (3,25%);
натрий (2,4%);
калий (2,35%);
магний (2,35%)
водород (1%).

На остальные элементы суммарно приходится примерно 1% вещества земной коры.

Доказательства по составу

Основные физические данные — масса, форма Земли, средняя плотность, момент количества движения — показывают, что по направлению вглубь планеты увеличивается количество материала, масса которого весьма отличается от массы верхних слоев горных пород. Это должна быть материя, которая значительно тяжелее, чем та, которая встречается на поверхности. Даже породы, из которых состоит верхняя мантия, не обладают такой высокой плотностью, какая соответствовала бы физическим свойствам требуемым средней плотностью всего земного шара. Конечно, состав и строение Солнца как звезды очевидно совсем другое.

Поэтому предположение о наличии тяжелого центра нашей планеты является, с физической точки зрения, в сущности, единственным решением. Возможно есть вырожденное вещество со свободными электронами. И с космохимической точки зрения, при сравнении количества элементов в метеоритах и состава звезд следует, что Земля должна иметь внутри гораздо больше тяжелых элементов, чем находится на ее поверхности: например, больше железа, чем встречается в верхних горных породах и в породах верхней мантии. Но где-то на планете оно должно быть.

Таким образом железо является самым подходящим кандидатом: оно обладает высокой плотностью, и в Космосе и на Земле его достаточно много.

Доказательство о наличии ядра Земли исходит от сейсмологии, из изучения распространения сейсмических волн при прохождении через планету.

Доказательство было получено в начале 20 века. Граница между мантией и внешним ядром лежит на глубине 2900 км. Ее называют разделом Вайхерта-Гуттенберга. Она значительно выразительнее, чем граница между земной корой и мантией (раздел Мохоровичича). Здесь происходит сильное изгибание и отклонение сейсмических волн. А волны одного типа, так называемые S-волны, через эту границу даже не проникают.

Именно это и является доказательством, что внешняя часть ядра Земли находится в жидком состоянии, поскольку S- волны в жидкости не распространяются.

ПРИРОДОВЕДЕНИЕ

Что у Земли внутри

Внутреннее строение Земли сложное. В ее центре расположено ядро. Затем следуют мантия, занимающая большую часть объема Земли, и земная кора.

Ядро Земли делится на два слоя: внутреннее ядро и внешнее. Внутреннее ядро твердое, внешнее — жидкое, оно находится в расплавленном состоянии. Температура ядра достигает 6000 °С. Ученые предполагают, что оно состоит в основном из железа и никеля.

Мантия (в переводе с латинского языка это слово означает «покрывало») составляет 83% от объема Земли. Несмотря на высокую температуру (до 2000 °С), вещество мантии из-за большого давления находится в твердом состоянии. Правда, в верхней части мантии имеется слой, который частично размягчен и пластичен. Но над ним мантия снова становится твердой.

Земная кора — это твердая верхняя оболочка Земли. Ее толщина от 5 до 75 км, причем под материками она значительно толще, чем под океанами. Поверхность земной коры неровная: мы видим на ней горы, равнины, холмы, овраги. Все неровности земной поверхности называют рельефом (от латинского «релево» — поднимаю).

Земная кора состоит из горных пород. Гранит, известняк, каменный уголь, глина, песок — все это горные породы. Они очень разнообразны по своему цвету, блеску, температуре плавления и многим другим свойствам. Хотя за ними закрепилось название «горные», они находятся и на равнинах под слоем почвы. Горные породы бывают плотными и рыхлыми. Плотные — достаточно прочные камни, например гранит, известняк. Рыхлые — породы, которые рассыпаются или легко разламываются руками. Это глина, песок, торф.

Горные породы состоят из минералов. Например, гранит состоит из трех минералов — кварца, слюды и полевого шпата. Это хорошо заметно, если рассмотреть образец гранита под лупой. Встречаются в природе горные породы, состоящие и из одного минерала. Так, известняк состоит из минерала кальцита.

Движение материков

180 млн лет назад единый материк Пангея раскололся на два больших материка

135 млн лет назад Северная Америка начала удаляться от Европы, Африка — от Южной Америки, Индия двинулась в сторону Азии

Современное положение материков

Горные породы и минералы, которые использует человек, называют полезными ископаемыми. Земная кора — источник самых разнообразных полезных ископаемых, со многими из которых вы уже познакомились в младших классах. Сравнительно недавно было установлено, что земная кора и расположенный под ней самый верхний твердый слой мантии — не сплошные, а как бы составлены из отдельных частей — плит. Плиты очень медленно (со скоростью несколько сантиметров в год) движутся — скользят по размягченному, пластичному слою мантии. В результате материки перемещаются по поверхности Земли. Конечно, мы этого не замечаем, но на протяжении многих миллионов лет расположение материков значительно изменилось. В тех местах, где плиты смыкаются, часто возникают землетрясения и извержения вулканов.

Границы плит Земли

Маленькая экскурсия в мир камней

Магматические горные породы — гранит, базальт и другие — составляют до 60% объема земной коры. Они образовались из магмы в результате ее остывания. Осадочные горные породы формируются при накоплении обломков других горных пород или остатков организмов на поверхности суши или на дне океана. К ним относят песок, глину, мел, известняк. Метаморфические горные породы образуются из магматических и осадочных горных пород, подвергшихся воздействию высоких температур и давления (мрамор, кварцит, гнейс и др.).

Горные породы

Проверьте свои знания

Каково внутреннее строение Земли?
Что представляет собой земное ядро?
Какими свойствами обладает вещество мантии?
Как называют неровности земной поверхности?
Что такое горные породы и минералы?
Что называют полезными ископаемыми?
Почему движутся материки?

Подумайте!

Почему одни участки суши медленно поднимаются, а другие опускаются?
Как ученые изучают состав земной коры?

Земля состоит из ядра, мантии и земной коры. Земная кора образована горными породами. Горные породы состоят из минералов.

Внутреннее и внешнее ядро Земли

Внутреннее ядро сформировалось сотни миллионов лет назад, когда расплавленная внутренняя часть Земли стала остывать,
и тяжёлые элементы — оседать. С тех пор оно медленно растёт.

Возможно, внутреннее ядро Земли имеет особый кристаллокаркас, наличием которого можно объяснить
многочисленные географические закономерности: залежи некоторых полезных ископаемых
(золота…), расположение вулканов и даже возникновение крупных городов…

Его внутренняя часть (внутреннее ядро) диаметром 2400 км — твердая,
а наружняя часть (внешнее ядро) диаметром 7000 км —
расплавленная вязкая жидкость (для сравнения — диаметр Луны составляет 3476 км).

Твердая часть ядра Земли (внутреннее ядро) вращается вокруг своей оси быстрее, чем поверхность планеты.
Разница в скорости достигает от 0,3° до 0,5° в год — значит, 1 раз в 700–1200 лет твердая часть ядра
проходит дополнительный оборот вокруг своей оси.

играет огромную роль в поддержании магнитного поля Земли благодаря своим электрическим токам.
А без магнитного поля жизнь на Земле была бы уничтожена космической радиацией.

Ядро Земли состоит из железа с примесями.
Его внутренняя часть диаметром 2400 км — твердая, а наружняя часть диаметром 7000 км —
расплавленная вязкая жидкость (для сравнения — диаметр Луны составляет 3476 км).

Внутренняя часть ядра, состоящая из железа с никелем,
играет огромную роль в поддержании магнитного поля Земли благодаря своим электрическим токам.
А без магнитного поля жизнь на Земле была бы уничтожена космической радиацией.

Ученые заметили странные процессы в земном ядре.
Модель, разработанная учёными, объясняет, почему существует большой жидкий слой между внутренним и внешним частями ядра.
Если этот слой текучий, а не просто расплавленный, то он будет тяжелее, чем остальное внешнее ядро.
И если внутренняя часть кристаллизуется в западной части и плавится в восточной,
то это повлияет и на распространение сейсмических волн.
Земное ядро оказалось таким же горячим, как Солнце.
Новые измерения выявили цифру 6000 градусов Цельсия, что фактически равно температуре поверхности Солнца.
Ученые обнаружили, что ядро Земли имеет собственный цикл вращения.

Библиография по физике ядра Земли

Альтерман З., Ярош Х., Пекерис Х.Л. Колебания Земли.
В сб. Собственные колебания Земли, под ред. В.Н.Жаркова. М. Мир. 1964. 315 с.
Бобряков А.П., Ревуженко А.Ф., Шемякин Е.И. Приливное торможение планет:
опыт экспериментального моделирования. Геотектоника. 1991. № 6. С. 21-35.
Денисов Г.Г., Новиков В.В. Об оценке вязкости жидкого ядра Земли. ДАН. 1998. Т. 362. № 4. С. 484-485.
Кузнецов В.В. Анизотропия свойств внутреннего ядра. УФН. Т. 167. № 9. С. 1001-1012. 1997.
Овчинников В.М., Адушкин В.В, Ан В.А. О скорости относительного вращения внутреннего ядра Земли.
ДАН 1998. Т. 362. № 5. С. 683-686.
Пекерис Х.Л., Альтерман З., Ярош Х. Сравнение теоретических и наблюденных периодов собственных колебаний Земли.
В сб. Собственные колебания Земли, под ред. В.Н.Жаркова. М. Мир. 1964. 315 с.
Ревуженко А.Ф. О приливном механизме переноса масс. Физика Земли. 1991. № 6. С. 13-20.

Как образовалась столь сложная структура Земли?

Предполагается, что Земля образовалась из множества протопланет, которые из-за силы тяжести постепенно притягивались друг к другу. Сначала она была полностью жидкой. При этом в ней проходили характерные для жидкости процессы – более тяжелые элементы погружались глубже, а более легкие поднимались на поверхность. Так за примерно 10 млн лет образовалось железное ядро Земли. Существует версия, что раньше там находилось значительно больше радиоактивных металлов, но они распались со временем. После окончания активной фазы планетообразования Земля начала медленно остывать, в результате чего верхний слой отвердел, и образовалась земная кора.

Мне нравитсяНе нравится

Недра в геологическом смысле слова

Недра — это сложно построенные «внутренности» Земли, главнейшая особенность которых — слоистость. В разрезе наша планета как бы напоминает матрешек, вложенных одна в другую. В строении земного шара можно выделить внешнюю оболочку — земную кору, промежуточную оболочку — мантию и внутреннюю оболочку — ядро (рис. 1).

Рис. 1. ‘Срез’ Земли по экватору

Земная кора — верхняя и самая тонкая оболочка, или геосфера: мощность ее не превышает 70-75 км, в среднем составляет 40 км под континентами и 5-7 км под океанами. Если ее максимальную толщину сравнить с мощностью мантии и ядра Земли, то окажется, что кора почти в 40 раз тоньше мантии и более чем в 43 раза тоньше ядра. Кора имеет различное строение под материками и под океанами, поэтому принято различать кору материкового типа и кору океанического типа.

Кора материкового типа состоит из трех слоев (осадочного, гранитного и базальтового), тогда как под океанами она резко утонена за счет выклинивания гранитного слоя. Граница различных типов земной коры фиксируется крутым уступом в рельефе океанического дна, который проходит по периферии материков (континентальный склон), отделяя их от океанов.

Под земной корой до глубины 2900 км простирается мантия Земли. Плотность ее вещества больше плотности пород коры и колеблется от 3,3 г/см3 в верхней части до 6-9 г/см3 в низах мантии. На глубине 900 км мантия разделяется на верхнюю и нижнюю.

Ядро Земли представляет всю внутреннюю область планеты. Оно также неоднородно, как и другие геосферы. Различают внешнее и внутреннее ядро, граница между которыми лежит на глубине 5000-5200 км.

Слоистое строение недр — результат длительного и сложного процесса дифференциации земного вещества, начавшегося 4-5 млрд. лет назад и продолжающегося в наши дни.

Устройство недр нашей планеты еще во многом загадочно, нет ясности в отношении их химического состава и физического состояния вещества. Более или менее исследована лишь земная кора, поэтому, говоря о недрах, будем иметь в виду прежде всего эту самую верхнюю и самую тонкую геосферу земного шара. Было бы ошибочно думать, что строение коры определяется только теми слоями, о которых мы уже упомянули. Нет, земная кора состоит из многих весьма своеобразных геологических тел — структур, которые и определяют устройство недр. Изучением геологических структур, особенностей их строения и размещения в пространстве занимается специальная геологическая наука об архитектуре земных недр — тектоника.

Тенденция замедления скорости Земли и увеличения продолжительности суток

Скорость вращения нашей планеты медленно уменьшается. Это обусловлено подъемом материков после последнего ледникового периода, а также притяжением Луной воды океанов, что вызывает приливы, силы трения которых оказывают тормозящее действие. В результате постепенно увеличивается продолжительность суток. Однако обнаружены еще более мелкие изменения длины суток, величиной в миллиардные доли секунды. Они могут объясняться давлением атмосферы на горные хребты. Еще более важным фактором является циркуляция вещества во внешнем ядре, которая влияет на изменение структуры земной коры и рельефа. Колебания длины суток служат мерой циркуляции вещества в ядре и дают нам ще один ключ к разгадке процессов внутри Земли.

Модели строения и состава слоёв Земли

В современном представлении Земля — это сложный многослойный объект. Каждый
из слоев имеет также достаточно сложную структуру, которая изучается различными
геофизическими методами (сейсмическими, магнитными, гравитационными и др.).

Наиболее распространенная модель Земли — модель Буллена:

Зона	Наименование слоя	Глубина(км)	Плотность (г/см3)
А	кора	35	3,2
В	силикаты	400	3,5
С	фазовые переходы	900	4,0
D	нижняя мантия	2700	5,0
D’	переходная зона	2883
E	внешнее ядро	4980	10-11
F	переходная зона	5120
G	внутреннее ядро	6371	12

Тем не менее, даже бурением самой глубокой скважины на Кольском полуострове достигли только 12 262 метра,
и полученные данные напрочь отвергли теоретические построения даже для этой маленькой скорлупке земной коры,
мощность которой 50-80 км.

Состав ядра Земли

Как известно, земная кора и мантия богата минералами. Тем не мение, ядро Земли состоит в основном из железа и никеля. Мы также находим вещества, растворяющиеся в железе, называемые сидерофилами. Эти элементы совсем не распространены в коре и поэтому были названы драгоценными металлами. В этих драгоценных металлах мы находим кобальт, золото и платину.

Еще один ключевой элемент, обнаруженный в ядре, — сера. 90% всей серы на Земле находится в ядре. Ядро, как известно, самая горячая часть всей планеты. Внутренние структуры нагреваются по мере увеличения глубины. Тем не мение, учитывая более чем 6.000 километров, которые отделяют нас от поверхности Земли до ядра Земли, довольно сложно узнать при температуре, при которой находится этот расплавленный железо-никелевый центр. Температуры не всегда одинаковы. Они колеблются в зависимости от давления, вращения Земли и состава элементов, составляющих ядро.

Поскольку конвекционные токи заставляют материалы перемещаться, некоторые материалы попадают в ядро «новыми», а другие уходят снова и больше не расплавляются. Это происходит из-за близости или удаленности материалов от центра и их очень высокой температуры плавления.

Исследования обычно говорят, что температура ядра Земли Температура колеблется от 4000 до 6000 градусов Цельсия.

Историческая справка

Ядро Земли было обнаружено Генри Кавендишем. Именно он предположил, что у планеты, вероятно, имеется область, где наблюдается повышенное значение плотности. Этот специалист также занялся работами по вычислению массы, средней плотности, которая оказалась намного выше, нежели у поверхности. Официальное подтверждение эта теория получила в 1897 году силами немецкого сейсмолога Э. Вихерта. Но тогда ничего не было известно о глубине залегания. Данные о ней появились только в 1910 г. с помощью американского геофизика Б. Гутенберга.

Аналогично никакой информации не было известно и доступно об образовании ядерной части планеты. Только в 1922 г. основоположником геохимии В. М. Гольдшмидтом было сделано открытие. Оно связано с тем, что образование ядра произошло вследствие гравитационной дифференциации первичной Земли на этапе её роста или позднее. Альтернативная версия была предложена в 1960-1970 гг. Её разработкой занимался Е. Орован, а также советский гений А. П. Виноградов. В итоге было получено заключение о том, что ядро появилось в протопланетном облаке.

В 2016 г. британские и американские учёные смогли создать условия, приближённые к ядру. Это позволило понять, что ядро и мантия обладают схожим химическим составом, а на их границе наблюдается серьёзный перепад давления и консистенции веществ. В 2015 г. были получены сведения о том, что в жидкой области присутствует третий слой.

Мантия

Считается, что в некоторых местах мантия залегает на глубинах всего в 30 км, однако достичь ее до сих пор не удалось. Границу между мантией и корой называют поверхностью Мохоровичича. В ней фиксирует резкий рост скорости сейсмический волн, а также там должен происходить и такой же резкий рост плотности вещества.

Мантию разделяют на верхнюю и нижнюю. Граница между ними проходит на глубинах 410-670 км и носит название слой Голицына. В нем наблюдается структурная перестройка вещества мантии.

Мантия находится в жидком агрегатном состоянии, однако это не значит, что она похожа на воду. Она отличается огромной вязкостью, в квадриллион раз превышающую вязкости песка. На мантию, простирающуюся до глубины 2900 км, приходится примерно 80% объема земного шара. Также она отличается от земной коры химическим составом. Доля алюминия в ней ниже, а магния значительно выше. Основными элементами в ней являются:

кислород (44,8 %);
кремний (21,5%);
магний (22,8%);
железо (5,8%);
кальций (2,3%);
алюминий (2,2%).

В верхней мантии выделяют слой астеносферы, который более пластичен, чем остальная часть мантии. Также в нем ниже скорость распространения сейсмических волн и выше электропроводность. Именно в ней происходит перемещение литосферных плит земной коры, что порою вызывает землетрясения. По разным оценкам, астеносфера может начинаться на глубинах порядка 50 км и доходить до отметки 350 км.

Происхождение и формирование

Ядро возникло после планеты. Когда Земля сформировалась около 4.500 миллиарда лет назадЭто был просто однородный шар из раскаленного камня. Мало-помалу он страдал от радиоактивного разложения, и из-за тепла, выделявшегося при образовании планеты, она еще больше нагрелась до точки плавления железа. Этот момент, когда Земля достигла таких температур, был назван железной катастрофой. Расплавленный материал, который был в скале, и весь скальный материал имел большее движение и большую скорость. В результате движения менее плотных материалов, таких как вода, воздух и силикаты, они стали мантией Земли.

Напротив, более плотные и тяжелые материалы, такие как железо, никель и другие тяжелые металлы были способны притягивать гравитационное притяжение Земли к центру. Таким образом образовалось то, что мы знаем как первое примитивное земное ядро. Этот процесс известен как планетарная дифференциация, и именно здесь мы начинаем видеть, что Земля состоит из разных слоев с разными характеристиками и составом.

Características principales

Среди его характеристик мы видим, что материалы, которые способствуют выделению тепла в активной зоне, — это разложение радиоактивных материалов. При разрушении радиоактивные материалы выделяют большое количество энергии. Эта энергия превращается в тепло при высвобождении. Остатки тепла от образования планеты все еще согревают ядро. Другим источником тепла является тепло, которое выделяется в жидкое внешнее ядро и затвердевает на пределе, когда сталкивается с внутренним ядром. Помните, что внешнее ядро нашей планеты жидкое, а внутреннее твердое.

Каждый раз, когда мы спускаемся на 1 км от поверхности земли, температура повышается еще примерно на 25 градусов. Это означает, что геотермальный градиент составляет примерно 25 градусов. Предел, отделяющий внутреннее ядро от внешнего, известен как разрыв Буллена. Самая удаленная часть ядра находится примерно на 3.000 км под нашими ногами. Но хуже всего то, что центральная точка ядра Земли находится на глубине около 6.000 км.

Чтобы дать вам представление о том, как мало мы пронзили нашу планету, это Самая глубокая дыра прошла всего 12,3 км. Как будто от яблока мы только копошились (и то не то).

Ядро Земли

Существование ядра было доказано ещё в 1897 г. Честь этого открытия принадлежит Иоганну Вихерту. Состоит ядро из двух слоев – жидкого внешнего и твердого внутреннего, однако в 2015 г. геолог Сяодунь Сун обосновал версию, что во внешнем ядре можно выделить третий слой.

Во внешнем ядре температура изменяется от 4400°С на глубине 2900 км до 6100°С на глубине 5150 км. В нем протекают вихревые электрические токи, что ведет к образованию у Земли магнитного поля, которое возникает из-за эффекта, известного как геодинамо.

Во внутреннем ядре давление может достигать 375 ГПа, поэтому находящееся там вещество просто не может стать жидкостью, несмотря на огромную температуру в 6400°. Эта часть структуры планеты возникла не сразу, а 2 млрд (по некоторым оценкам, только 500 млн) лет назад. Это связано с постепенным остыванием Земли. Со временем внутреннее ядро увеличивается в размерах.

Химический состав ядра сильно отличается от мантии. Порядка 85% его массы приходится на железо, 6% – на кремний, ещё 5% – на никель. Это примерные цифры, так как точный состав определить невероятно сложно. Возможно, что в ядре присутствует значительные доли серы, кислорода, углерода, фосфора и водорода.

Расстояние до ядра Земли

Достичь наиболее глубокий центральный участок небесного тела еще никому не удавалось. Лавы, извергающихся вулканов, плавятся на глубине 220-300 км, образование драгоценных пород (бриллиантов) происходит не ниже 500 км. Все, что находится глубже — это тайна. Однако, ученые нашли способ ответить на вопрос “Сколько километров до ядра Земли” с помощью сейсмологии.

Во время
землетрясений образуются мощные ударные волны по всей планете. Подобные
колебания должны проходить по всей территории земного шара. Но, если толчки от
землетрясений происходят на одной стороне планеты, то на противоположной —
колебательные волны подавляются. Исследовав эти данные, ученые пришли к выводу,
что S-волны реверберируют, сталкиваясь с твердым и жидким слоями.

После того,
как специалисты воссоздали карту движений колебательных волн, стало ясно, что
на расстоянии 3000 км находятся жидкие породы.