Британские ученые составили новую модель процессов, происходящих в земном ядре. Она несколько расходится с традиционной, согласно которой ядро постепенно остывает. Исследователи выяснили, что оно кое-где, наоборот, нагревается, поскольку его взаимодействие с корой и мантией более активно. Как это может сказываться на обитателях поверхности Земли?
Надобно заметить, что находящееся в центре нашей планеты субстанция, называемая ядром — вещь весьма загадочная. А все потому, что, как вы понимаете, до сих пор не один ученый не держал в руках даже самый крошечный образец ядерного вещества. При современных технологиях добыть его не представляется возможным, ведь ядро залегает на глубине 2900 км от поверхности, а максимальная глубина, на которую ученым удалось пробурить кору нашей планеты — 12 км. 290 метров (такова глубина нефтяная скважина Maersk Oil BD-04A, находящийся в нефтяном бассейне Аль-Шахин на территории Катара).
Поэтому до сих пор наши знания о том, что находится в самом сердце Земли, весьма приблизительны. Предполагается, что ядро состоит из железоникелевого сплава с примесью других элементов, родственных железу. Средний радиус сферы ядра составляет примерно 3,5 тыс. км (что примерно в два раза больше Луны), а его масса — около 1,932×10 24 кг. При этом ядро разделяется на твердое внутреннее, радиусом около 1300 км, и жидкое внешнее, чей радиус примерно 2200 км, между которыми, как считают некоторые ученые, существует переходная зона.
Традиционно считается, что на такой глубине условия поистине адские: температура в центре ядра достигает 5000º С, плотность вещества там около 12,5 т/м³, а давление доходит до 361 ГПа. Из этого следует, что вообще-то от ядра хрупким живым существам необходимо держаться подальше. В то же время интерес к этой субстанции нашей достаточно велик. И вовсе не из-за того, что, согласно данным геохимиков, в центральной сфере планеты сосредоточено до 90% всех благородных металлов. Дело в том, что именно ядро способствует активному движению вещества в следующем слое Земли, мантии (так называемая мантийная конвекция, подробнее о ней читайте в статье "Вулканы — уровень тревоги растет "), которое "аукается" на поверхности такими неприятными для нас явлениями, как землетрясения, извержения вулканов.
Кроме того, считается, что ядро порождает магнитное поле Земли, значение которого для жизни нашей планеты (и жизни на ней) трудно переоценить. "Природа магнитосферы Земли остается загадкой. Мы не можем отправиться к центру Земли и получить образцы оттуда. Нам остается полагаться лишь на косвенные измерения, проводимые у поверхности, и на теоретические модели, способные раскрыть происходящее в ядре" — говорит один из ученых, занимающихся исследованием процессов, происходящих в ядре и около него, геофизик Йон Маунд из Лидского университета (Великобритания).
Недавно именно группа Маунда, проанализировав некоторые данные последних лет, представила очень интересную модель современного состояния ядра. Традиционно считалось, что, возникнув примерно 4,5 миллиарда лет назад земное ядро сначала было раскаленным, а потом начало медленно остывать (этот процесс продолжается и по сей день). Тепло, которое выделяется при этом "замерзании" ядра, поднимается через мантию вплоть до коры в ходе конвекции — логично предположить, что более теплое, и, соответственно, менее плотное вещество мантии поднимается к поверхности, а более холодное и тяжелоеопускается к ядру. Именно эти потоки в сочетании с вращением самой планеты, считается, и подпитывает работу "внутреннего динамо" Земли, создающего ее магнитное поле.
Однако Маунд и его коллеги пришли к выводу, что не все так просто. Согласно их модели, в ядре может идти и обратный процесс, приводящий не только к его остыванию, но и к нагреванию и даже подплавлению этой субстанции. В своей работе они учли как характеристики процесса конвекции, так и последние сейсмические данные. В результате сложилась весьма интересная картина — согласно модели Маунда, течение тепла на границе ядра и мантии может принимать очень разный характер, зависящий от структуры вышележащего мантийного слоя. В некоторых областях Земли, где этот слой и так перегрет, это приводит к тому, что тепловая энергия словно бы "отражается" от мантии и направляется обратно к ядру, в итоге подплавляя его.
В частности, в таком сейсмически активном регионе, как Тихоокеанское вулканическое огненное кольцо (начинается от полуострова Камчатка, далее идет через Курильские, Японские, Филиппинские острова, к Новой Гвинее, Соломоновым острова, Новой Зеландиии, северо-западу Антарктиды, островам Огненной Земли, и возвращаясь через Анды, Кордильеры и Алеутские островов вновь на Камчатку.), где океаническая кора погружается в мантию, толстый слой твердых литосферных плит отнимает от мантии тепло и остужает ее. В результате остывшая мантия начинает вытягивать тепло из самого ядра. Поэтому та часть, что находится под вышеописанным регионом в настоящее время продолжает остывать.
А вот под обширными регионами Африки и центрального Тихого океана наблюдается совсем другая картина. Там температура мантии значительно выше, поскольку лежащая над ней земная кора не отнимает, а наоборот, отдает ей тепло. В результате мантия, работая как гигантский теплоизолятор, вызывает отражение идущего от ядра инфракрасного излучения (поскольку, согласно Второму началу термодинамики, тепло может идти лишь от более нагретого к менее нагретому телу, но никогда наоборот), что вызывает разогрев и последующее подплавление центрального слоя Земли.
Итак, получается, что взаимодействие ядра и мантии куда более сложные, чем те, которые описывает традиционная модель. А ведь изменение температуры ядра и его плотности обязательно должно сказываться на состоянии магнитного поля. Возможно, некоторые до сих пор необъяснимые возмущения, происходящие в магнитосфере нашей планеты (так называемые геомагнитные бури) как раз связаны с неравномерностью остывания ядра? Возможно также, что ядерно-мантийные взаимодействия могут более активно влиять на глобальные процессы, вроде климатических изменений, происходящие на поверхности нашей планеты.
Почему земное ядро не остывает и остается разогретым до температуры приблизительно 6000°C на протяжении уже 4,5 млрд лет? Вопрос крайне сложный, на который к тому же наука не может дать на 100% точный вразумительный ответ. Однако на это есть объективные причины.
Излишняя таинственность
Излишняя, так сказать, таинственность земного ядра связана с двумя факторами. Во-первых, никто достоверно не знает как, когда и при каких обстоятельствах оно сформировалось, - происходило это во время формирования протоземли либо уже на ранних стадиях существования сформированной планеты - все это большая загадка. Во-вторых, образцы из земного ядра достать абсолютно невозможно - наверняка никто не знает из чего оно состоит. Более того, все данные, которые нам известны о ядре собраны по косвенным методам и моделям.
Почему ядро Земли остается горячим?
Чтобы попытаться понять почему земное ядро не остывает на протяжении столь длительного времени нужно для начала разобраться за счет чего оно нагрелось изначально. Недра нашей как и любой другой планеты неоднородны, они представляют собой относительно четко разграниченные слои разной плотности. Но так было не всегда: тяжелые элементы медленно опускались вниз, формируя внутренне и внешнее ядро, легкие - вытеснялись на верх, образуя мантию и земную кору. Этот процесс протекает предельно медленно и сопровождается выделением тепла. Однако основной причиной нагрева было не это. Вся масса Земли с огромной силой давит на ее центр, продуцируя феноменальное давление в приблизительно 360 ГПа (3,7 млн атмосфер) в результате чего начал происходить распад радиоактивных долгоживущих элементов, содержащихся в железно-кремниево-никелевом ядре, что и сопровождалось колоссальными выбросами тепла.
Дополнительным источником нагрева служит кинетическая энергия, генерируемая в результате трения между различными слоями (каждый слой вращается независимо от другого): внутреннего ядра с внешним и внешнего с мантией.
Недра планеты (пропорции не соблюдены). Трение между собой трех внутренних слоев служит дополнительным источником нагрева.
Исходя из выше изложенного, можно сделать вывод, что Земля и в частности ее недра являются самодостаточной машиной, которая сама себя отапливает. Но вечно так естественно продолжаться не может: запасы радиоактивных элементов внутри ядра медленно исчезают и больше не чему будет поддерживать температуру.
Оно остывает!
Вообще-то процесс остывания уже начался очень давно, но протекает он крайне медленно - по доле градуса в столетие. По приблизительным подсчетам до полного остывания ядра и прекращения в нем химических и др. реакций пройдет не меньше 1 миллиарда лет.
Короткий ответ: Земля и в частности земное ядро - это самодостаточная машина, которая сама себя отапливает. Вся масса планеты давит на ее центр, продуцируя феноменальное давление и запуская тем самым процесс распада радиоактивных элементов, в результате чего и выделяется тепло.
МОСКВА, 12 фев - РИА Новости . Американские геологи заявляют, что внутреннее ядро Земли не могло возникнуть 4,2 миллиарда лет Земли в том виде, в котором его себе представляют ученые сегодня, так как это невозможно с точки зрения физики, говорится в статье, опубликованной в журнале EPS Letters.
"Если ядро юной Земли полностью состояло из чистой, однородной жидкости, то тогда внутреннее ядрышко не должно существовать в принципе, так как эта материя не могла охладиться до тех температур, при которых его формирование было возможно. Соответственно, в таком случае ядро может быть неоднородным по составу, и возникает вопрос, как оно стало таким. В этом заключается открытый нами парадокс", — рассказывает Джеймс ван Орман (James Van Orman) из университета Кейс Вестерн Резерв в Кливленде (США).
В далеком прошлом ядро Земли было полностью жидким, а не состояло не из двух или трех, как сегодня предполагают некоторые геологи, слоев - внутреннего металлического ядра и окружающего его расплава из железа и более легких элементов.
В таком состоянии ядро быстро охлаждалось и теряло энергию, что приводило ослаблению вырабатываемого им магнитного поля. Через некоторое время этот процесс достиг некой критической точки, и центральная часть ядра "заморозилась", превратившись в твердое металлическое ядрышко, что сопровождалось всплеском и ростом в силе магнитного поля.
Время это перехода крайне важно для геологов, так как оно позволяет примерно оценить, с какой скоростью ядро Земли остывает сегодня и как долго просуществует магнитный "щит" нашей планеты, защищающий нас от действия космических лучей, а атмосферу Земли - от солнечного ветра.
Геологи выяснили, что переворачивает магнитные полюса Земли Швейцарские и датские геологи полагают, что магнитные полюса периодически меняются местами из-за необычных волн внутри жидкого ядра планеты, периодически перестраивающих его магнитную структуру при движении от экватора к полюсам.Сейчас, как отмечает Ван Орман, большинство ученых считает, что это произошло в первые мгновения жизни Земли благодаря феномену, аналог которого можно встретить в атмосфере планеты или в газировочных автоматах в ресторанах быстрого питания.
Физики достаточно давно обнаружили, что некоторые жидкости, в том числе вода, остаются жидкими при температурах, заметно меньших точки замерзания, если внутри нет примесей, микроскопических кристалликов льда или мощных колебаний. Если ее легко взболтать или опустить в нее пылинку, то тогда такая жидкость почти мгновенно замерзает.
Нечто похожее, по мнению геологов, произошло примерно 4,2 миллиарда лет назад внутри ядра Земли, когда часть его внезапно кристаллизовалась. Ван Орман и его коллеги попытались воспроизвести этот процесс, используя компьютерные модели недр планеты.
Эти расчеты неожиданно показали, что внутреннее ядро Земли не должно существовать. Оказалось, что процесс кристаллизации его пород сильно отличается от того, как ведут себя вода и прочие сверхохлажденные жидкости — для этого требуется огромная разница температур, больше тысячи кельвинов, и внушительные размеры "пылинки", чей диаметр должен составлять около 20-45 километров.
В результате чего наиболее вероятны два сценария - или ядро планеты должно было замерзнуть полностью, или же оно до сих пор должно было остаться полностью жидким. И то, и другое не соответствует действительности, так как у Земли действительно есть внутреннее твердое и внешнее жидкое ядро.
Иными словами, ответа на этот вопрос у ученых пока нет. Ван Орман и его коллеги предлагают всем геологам Земли задуматься, как достаточно крупный "кусок" железа мог сформироваться в мантии планеты и "утонуть" в ее ядре, или найти какой-то другой механизм, который бы объяснял, как оно разделилось на две части.
МОСКВА, 13 июн - РИА Новости, Татьяна Пичугина. Северный магнитный полюс продолжает смещаться с территории Канады в сторону архипелага Северная Земля со скоростью 55 километров в год. Ученые предполагают: готовится смена полюсов из-за волнений в жидкой части ядра планеты, недоступной прямым наблюдениям. Что именно там происходит, понять трудно, но есть много гипотез.
Миссия к "железному миру"
По отражению лучей с поверхности, по тому, как быстро она нагревается и остывает, ученые поняли, что это если не полностью, то по большей части металл. Не исключено, что именно оттуда к нам прилетают железные метеориты. Это происходит очень редко, всего известно не более двух сотен таких событий.
Предполагается, что Психея - ядро планеты земной группы, которая лишилась внешних оболочек. Вместе с Землей и Венерой эта планета формировалась вблизи Солнца, но затем что-то случилось. Может, катастрофа, а может, всему виной повторные разогревы планетоземали - сгустков материи, из которых образуются планеты.
Ученые непременно хотят попасть в "железный мир", и не только ради геологической разведки месторождений в интересах наших потомков. В первую очередь - чтобы вплотную исследовать аналог ядра Земли.
Почему ядро железное
Ядро Земли - интереснейший объект. Его состав и температура отражаются на вышележащих слоях и атмосфере. Ядро - источник магнитного поля, благодаря которому возникла жизнь. Там же - ключ к тайне образования планет земной группы.
Недра Земли исследуют с помощью сейсмических волн и моделирования. Грубо говоря, планета состоит из верхней оболочки - коры, мантии и ядра.
О том, что ядро - железное, свидетельствует несколько фактов. У Земли собственное магнитное поле, словно диполь вставлен по оси вращения. Мантия не может генерировать такое поле, она слишком слабо проводит электрический ток. Согласно модели геодинамо на это способна только проводящая жидкость. Значит, часть ядра - жидкая. Железо - один из самых распространенных элементов в Солнечной системе. Это подтверждается его обилием в метеоритах.
Во внешней части ядра не проходят упругие S-волны, значит, она жидкая. Внутренняя часть ядра радиусом примерно 1221 километр слабо распространяет S-волны - соответственно, она либо твердая, либо в состоянии, симулирующем твердость. Граница двух слоев в ядре довольно четкая, как и между ядром и нижней мантией.
Считается, что ядро железное, с небольшими примесями никеля (на это указывает состав железных метеоритов), кремния, сульфидов и кислорода.
Некоторые особенности прохождения сейсмоволн говорят о том, что внутреннее твердое ядро вращается слегка быстрее, чем мантия и кора, примерно на 0,15 градуса в год.
Когда и как образовалось ядро Земли? Каково в нем соотношение химических элементов? Почему оно не однородное? Какая там температура? Где источник энергии? И главное, почему ядро вообще сформировалось внутри планеты? По каждому из этих и множеству других вопросов есть немало гипотез.
Кому из близнецов повезло
Венеру считают близнецом Земли - она лишь немного меньше по массе и размерам. Но нынешние условия на ее поверхности совершенно другие. У Земли есть собственное магнитное поле, атмосфера и биосфера.
У Венеры из этого списка - только ядовитая атмосфера с облаками из серной кислоты. Следов магнитного поля нет и в геологическом прошлом, хотя они могли и исчезнуть. Вероятно, все дело в происхождении близнецов.
Венера и Земля образовались в одной части газопылевой туманности, окружавшей Солнце. Зародыши планет увеличивались, притягивая к себе все больше материала. Когда масса стала критической, начались разогрев, плавление. Вещество разделялось на фракции: тяжелые элементы оседали внутри, легкие поднимались наверх.
Как полагают ученые из Германии, Японии и Франции, расслоение таких тел, как Земля, идет равномерно и стабильно, каждый слой - однородный. Чтобы ядро получилось двухслойное и неоднородное, где-то ближе к концу процесса планета должна была испытать очень сильный удар другого массивного тела. Часть вещества "пришельца" осталась в недрах Земли, часть была выбита на орбиту, где затем образовалась Луна. От удара внутренности планеты перемешались, и это привело к частичному плавлению ядра.
А вот эволюция Венеры прошла гладко, без ЧП космического масштаба. Расслоение благополучно завершилось с образованием твердого железного ядра, неспособного генерировать магнитное поле.
Есть и другая гипотеза: спонтанная кристаллизация железного расплава. Однако для этого ему нужно остыть до тысячи Кельвинов, что невозможно.
Значит, зародыши кристаллизации проникли извне, сделали вывод ученые из США. Например, из нижней мантии. Это крупные куски железа размером десятки и сотни метров. Откуда им там взяться - большой вопрос.
Один из ответов лежит на поверхности Земли в виде древних железистых кварцитов. Возможно, более трех миллиардов лет назад из этих пород сложилось дно океанов. Из-за движения плит оно погрузилось в мантию и оттуда - в ядро.
© Иллюстрация РИА Новости. Алина Полянина, NASA Более четырех миллиардов лет назад Земля столкнулась с массивным космическим телом. В результате удара ее формирующееся ядро перемешалось, в нем выделилась жидкая внешняя часть, и это привело к возникновению магнитного поля. Ударом выбило часть вещества Земли, из которого возникла Луна