Нашата планета Земя има слоест строеж и се състои от три основни части: земна кора, мантия и ядро. Кой е центърът на Земята? Ядро. Дълбочината на ядрото е 2900 км, а диаметърът е приблизително 3,5 хиляди км. Вътре има чудовищно налягане от 3 милиона атмосфери и невероятно висока температура - 5000°C. На учените са били необходими няколко века, за да открият какво има в центъра на Земята. Дори модерна технологияне можеше да проникне по-дълбоко от дванадесет хиляди километра. Най-дълбокият сондаж, намиращ се в Колски полуостров, има дълбочина 12 262 метра. Много е далече от центъра на Земята.

История на откриването на земното ядро

Един от първите, които се досещат за наличието на ядро ​​в центъра на планетата, е английският физик и химик Хенри Кавендиш в края на 18 век. С помощта на физически експерименти той изчислява масата на Земята и въз основа на нейния размер определя средната плътност на веществото на нашата планета - 5,5 g/cm3. Плътността на известните скали и минерали в земната кора се оказа приблизително наполовина по-малка. Това доведе до логичното предположение, че в центъра на Земята има площ повече плътна материя- сърцевина.

През 1897 г. немският сеизмолог Е. Вихерт, изучавайки преминаването на сеизмологичните вълни през вътрешността на Земята, успя да потвърди предположението за наличието на ядро. И през 1910 г. американският геофизик Б. Гутенберг определя дълбочината на местоположението му. Впоследствие се раждат хипотези за процеса на образуване на ядрото. Предполага се, че се е образувала в резултат на утаяването на по-тежки елементи към центъра, като първоначално веществото на планетата е било хомогенно (газообразно).

От какво се състои ядрото?

Доста трудно е да се изследва вещество, от което не може да се вземе проба, за да се изследват неговите физични и химични параметри. Учените трябва само да приемат наличието на определени свойства, както и структурата и състава на ядрото въз основа на косвени доказателства. Изследването на разпространението на сеизмичните вълни беше особено полезно при изучаването на вътрешната структура на Земята. Сеизмографите, разположени в много точки на повърхността на планетата, регистрират скоростта и видовете преминаващи сеизмични вълни, произтичащи от разклащането на земната кора. Всички тези данни позволяват да се прецени вътрешната структура на Земята, включително нейното ядро.

В момента учените приемат, че централната част на планетата е разнородна. Какво е в центъра на Земята? Частта, съседна на мантията, е течното ядро, състоящо се от разтопена материя. Очевидно съдържа смес от желязо и никел. Учените стигнаха до тази идея въз основа на изследвания железни метеорити, които са части от астероидни ядра. От друга страна, получените желязо-никелови сплави имат по-висока плътност от очакваната плътност на сърцевината. Затова много учени са склонни да приемат, че в центъра на Земята, ядрото, има по-леки химически елементи.

Геофизиците обясняват съществуването на планетата с наличието на течно ядро ​​и въртенето на планетата около собствената си ос. магнитно поле. Известно е, че при протичане на ток около проводник възниква електромагнитно поле. Разтопеният слой в съседство с мантията служи като такъв гигантски проводник, носещ ток.

ИнтериорЯдрото, въпреки температурата от няколко хиляди градуса, е твърдо вещество. Това е така, защото налягането в центъра на планетата е толкова високо, че горещите метали стават твърди. Някои учени предполагат, че твърдото ядро ​​се състои от водород, който под въздействието на невероятно налягане и огромна температура става като метал. Така дори геофизиците все още не знаят със сигурност кой е центърът на Земята. Но ако разгледаме въпроса от математическа гледна точка, можем да кажем, че центърът на Земята е приблизително на 6378 км. от повърхността на планетата.

Чрез плътно притискане на двете вещества с помощта на диаманти учените успяха да прокарат разтопеното желязо през силиката. „Това налягане значително променя свойствата на взаимодействие на желязото със силикатите“, казва Мао. - При високо налягане се образува "мрежа на топене".

Това може да означава, че желязото постепенно се е плъзгало през скалите на Земята в продължение на милиони години, докато достигне ядрото.

В този момент може да попитате: как всъщност знаем размера на ядрото? Защо учените смятат, че започва на 3000 километра? Има само един отговор: сеизмология.

Когато се случи земетресение, то изпраща ударни вълни по цялата планета. Сеизмолозите записват тези вибрации. Сякаш удряме едната страна на планетата с гигантски чук и слушаме шума от другата страна.

„През 60-те години имаше земетресение в Чили, което ни даде голяма сумаданни“, казва Редфърн. „Всяка сеизмична станция около Земята записа трусовете от това земетресение.“

В зависимост от маршрута, който поемат тези вибрации, те преминават през различни части на Земята и това се отразява на това какъв „звук“ издават в другия край.

В началото на историята на сеизмологията стана ясно, че някои колебания липсват. Очакваше се тези „S-вълни“ да се видят в другия край на Земята, след като произлязоха от единия край, но не бяха видени. Причината за това е проста. S-вълните реверберират през твърд материал и не могат да преминават през течност.

Трябва да са се натъкнали на нещо разтопено в центъра на Земята. Чрез картографиране на пътищата на S-вълните учените заключиха, че на дълбочина от около 3000 километра скалите стават течни. Това също предполага, че цялото ядро ​​е разтопено. Но сеизмолозите имаха друга изненада в тази история.


През 30-те години на миналия век датският сеизмолог Инге Леман открива, че друг тип вълни, P-вълните, неочаквано преминават през ядрото и са открити от другата страна на планетата. Веднага последва предположението, че ядрото е разделено на два слоя. „Вътрешното“ ядро, което започва на 5000 километра по-надолу, беше твърдо. Разтопява се само „външното“ ядро.

Идеята на Леман беше потвърдена през 1970 г., когато по-чувствителни сеизмографи показаха, че P вълните наистина преминават през ядрото и в някои случаи се отразяват от него под определени ъгли. Не е изненада, че се озовават на другия край на планетата.

Не само земетресенията изпращат ударни вълни през Земята. Всъщност сеизмолозите дължат много на разработването на ядрени оръжия.

Ядрената експлозия също създава вълни на земята, поради което държавите се обръщат към сеизмолозите за помощ по време на тестване на ядрени оръжия. По време на студена войнатова беше изключително важно, така че сеизмолози като Lehman получиха голяма подкрепа.

Конкуриращите се страни научаваха взаимно за ядрените способности и в същото време ние научавахме все повече и повече за ядрото на Земята. Сеизмологията все още се използва за откриване ядрени експлозииДнес.


Сега можем да начертаем груба картина на структурата на Земята. Има разтопено външно ядро, което започва около средата на пътя до центъра на планетата, а в него има твърдо вътрешно ядро ​​с диаметър приблизително 1220 километра.

Това не намалява въпросите, особено по темата за вътрешното ядро. Например, колко е горещо? Да разберат това не беше толкова лесно и учените отдавна си блъскат главите, казва Лидунка Вокадло от Университетския колеж в Лондон във Великобритания. Не можем да поставим термометър там, така че единственият вариант е да създадем необходимото налягане в лабораторни условия.


При нормални условия желязото се топи при температура 1538 градуса

През 2013 г. група френски учени направиха най-добрата оценка до момента. Те подлагат чистото желязо на половината от налягането, което е в ядрото, и продължават оттам. Точката на топене на чистото желязо в ядрото е приблизително 6230 градуса. Наличието на други материали може леко да понижи точката на топене до 6000 градуса. Но все още е по-горещ от повърхността на Слънцето.

Подобно на картофено яке, ядрото на Земята остава горещо благодарение на топлината, останала от формирането на планетата. Той също така извлича топлина от триенето, създадено, докато се движите. плътни материали, както и разпадането на радиоактивни елементи. Охлажда се с около 100 градуса по Целзий на всеки милиард години.

Познаването на тази температура е полезно, защото влияе върху скоростта, с която вибрациите преминават през ядрото. И това е удобно, защото има нещо странно в тези вибрации. P-вълните преминават изненадващо бавно през вътрешното ядро ​​- по-бавно, отколкото ако беше направено от чисто желязо.

„Скоростите на вълните, които сеизмолозите са измерили при земетресения, са много по-ниски от това, което показват експериментите или компютърните изчисления“, казва Вокадло. "Никой все още не знае защо това е така."

Явно има друг материал, смесен с желязото. Вероятно никел. Но учените изчислиха как сеизмичните вълни трябва да преминат през желязо-никелова сплав и не успяха да съобразят изчисленията с наблюденията.

Vokadlo и нейните колеги сега разглеждат възможността други елементи, като сяра и силиций, да присъстват в ядрото. Досега никой не е успял да излезе с теория за състава на вътрешното ядро, която да удовлетвори всички. Проблемът на Пепеляшка: обувката не става на никого. Vokadlo се опитва да експериментира с материали на вътрешното ядро ​​на компютър. Тя се надява да намери комбинация от материали, температури и налягания, които ще забавят сеизмичните вълни с точната сума.


Тя казва, че тайната може да се крие във факта, че вътрешното ядро ​​е почти в точката на топене. В резултат на това точните свойства на материала могат да се различават от тези, които биха принадлежали напълно твърдо. Това може също да обясни защо сеизмичните вълни се движат по-бавно от очакваното.

„Ако този ефект е реален, можем да съгласуваме резултатите от минералната физика с резултатите от сеизмологията“, казва Вокадло. „Хората все още не могат да направят това.“

Все още има много мистерии, свързани с ядрото на Земята, които все още не са решени. Но неспособни да се гмурнат до тези невъобразими дълбочини, учените постигат подвига да разберат какво се крие на хиляди километри под нас. Скритите процеси във вътрешността на Земята са изключително важни за изучаване. Земята има мощно магнитно поле, което се генерира от нейното частично разтопено ядро. Постоянното движение на разтопеното ядро ​​генерира електричествовътре в планетата, а тя от своя страна генерира магнитно поле, което отива далеч в космоса.

Това магнитно поле ни предпазва от вредното слънчево лъчение. Ако ядрото на Земята не беше такова, каквото е, нямаше да има магнитно поле и ние сериозно щяхме да страдаме от него. Едва ли някой от нас ще успее да види ядрото със собствените си очи, но е добре просто да знаем, че то е там.

Има специален състав, различен от състава на покриващата го земна кора. Данните за химичния състав на мантията са получени въз основа на анализи на най-дълбоките магмени скали, навлезли в горните хоризонти на Земята в резултат на мощни тектонични издигания с отстраняването на мантийния материал. Тези скали включват ултраосновни скали - дунити, перидотити, които се срещат в планински системи. Скалите на островите Сейнт Пол в средната част Атлантически океан, според всички геоложки данни, принадлежат към мантийния материал. Материалът на мантията също включва скални фрагменти, събрани от съветските океанографски експедиции от дъното Индийски океанв региона на хребета на Индийския океан. Що се отнася до минералогичния състав на мантията, тук могат да се очакват значителни промени, от горните хоризонти до основата на мантията поради нарастващото налягане. Горната мантия е съставена предимно от силикати (оливини, пироксени, гранати), които са стабилни при относително ниско налягане. Долната мантия е съставена от минерали с висока плътност.

Най-често срещаният компонент на мантията е силициевият оксид в силикатите. Но при високо налягане силициевият диоксид може да се трансформира в по-плътен полиморф - стишовит. Този минерал е получен от съветския изследовател Стишов и е кръстен на него. Ако обикновеният кварц има плътност 2,533 r/cm 3, тогава стишовитът, образуван от кварц при налягане 150 000 бара, има плътност 4,25 g/cm 3.

В допълнение, по-плътни минерални модификации на други съединения са вероятни в долната мантия. Въз основа на горното може разумно да се смята, че с увеличаване на налягането обикновените желязо-магнезиеви силикати, оливини и пироксени се разлагат на оксиди, които индивидуално имат по-висока плътност от силикатите, които са стабилни в горната мантия.

Горната мантия се състои предимно от феромагнезиеви силикати (оливини, пироксени). Някои алумосиликати могат да се трансформират тук в по-плътни минерали като гранати. Под континентите и океаните горната мантия има различни свойства и вероятно различен състав. Може само да се предположи, че в континенталната област мантията е по-диференцирана и има по-малко SiO 2 поради концентрацията на този компонент в алумосиликатната кора. Под океаните мантията е по-малко диференцирана. В горната мантия могат да се появят по-плътни полиморфни модификации на оливин със структура на шпинел и др.

Преходният слой на мантията се характеризира с постоянно нарастване на скоростите на сеизмичните вълни с дълбочина, което показва появата на по-плътни полиморфни модификации на веществото. Тук очевидно се появяват оксиди на FeO, MgO, GaO, SiO 2 под формата на вюстит, периклаз, вар и стишовит. Броят им нараства с дълбочината, докато броят на обикновените силикати намалява и на дълбочина над 1000 km те съставляват незначителна част.

Долната мантия в диапазона на дълбочина от 1000-2900 km почти изцяло се състои от плътни разновидности на минерали - оксиди, както се вижда от високата й плътност в диапазона 4,08-5,7 g/cm 3 . Под въздействието на повишено налягане, плътните оксиди се компресират, което допълнително увеличава тяхната плътност. Съдържанието на желязо също е вероятно да се увеличи в долната мантия.

земното ядро. Въпросът за състава и физическата природа на ядрото на нашата планета е един от най-вълнуващите и мистериозни проблеми на геофизиката и геохимията. Напълно съм съгласен напоследъкИма известен напредък в решаването на този проблем.

Обширното централно ядро ​​на Земята, което заема вътрешен регион, по-дълбок от 2900 km, се състои от голямо външно ядро ​​и малко вътрешно ядро. Според сеизмичните данни външното ядро ​​има свойствата на течност. Не пропуска напречни сеизмични вълни. Липсата на кохезионни сили между ядрото и долната мантия, естеството на приливите и отливите в мантията и кората, особеностите на движението на оста на въртене на Земята в космоса, естеството на преминаването на сеизмичните вълни по-дълбоки от 2900 km показват че външното ядро ​​на Земята е течно.

Някои автори приемат, че съставът на ядрото за химически хомогенен модел на Земята е силикатен и под въздействието на високо налягане силикатите преминават в „метализирано“ състояние, придобивайки атомна структура, в която се споделят външните електрони. Въпреки това, геофизичните данни, изброени по-горе, противоречат на предположението за „метализирано“ състояние на силикатния материал в ядрото на Земята. По-специално, липсата на кохезия между ядрото и мантията не може да бъде съвместима с "метализирани" твърдо ядро, което беше позволено в хипотезата на Лодочников-Рамзай. Много важни косвени данни за ядрото на Земята са получени при експерименти със силикати под високо налягане. В същото време налягането достигна 5 милиона атм. Междувременно в центъра на Земята налягането е 3 милиона атм, а на границата на ядрото - приблизително 1 милион атм. По този начин експериментално беше възможно да се блокира налягането, съществуващо в самите дълбини на Земята. В този случай за силикатите се наблюдава само линейна компресия без скок и преход към „метализирано“ състояние. Освен това при високи налягания в диапазона на дълбочина от 2900-6370 km силикатите не могат да бъдат в течно състояние, като оксидите. Тяхната точка на топене се повишава с увеличаване на налягането.

Отзад последните годинимного интересни резултати от изследвания са получени за влиянието на много високи наляганиявърху точката на топене на металите. Оказа се, че редица метали при високо налягане (300 хиляди атм. и повече) преминават в течно състояние при относително ниски температури. Според някои изчисления сплав от желязо с примес на никел и силиций (76% Fe, 10% Ni, 14% Si) на дълбочина 2900 km под въздействието на високо налягане трябва да бъде в течно състояние вече при температура от 1000 ° C. Но температурата на тези дълбочини, според най-консервативните оценки на геофизиците, трябва да бъде значително по-висока.

Ето защо, в светлината на съвременните данни от геофизиката и физиката на високото налягане, както и данните от космохимията, сочещи водещата роля на желязото като най-разпространен метал в космоса, следва да се приеме, че ядрото на Земята е съставено основно от течност желязо с примес на никел. Изчисленията на американския геофизик Ф. Бърч обаче показаха, че плътността на земното ядро ​​е с 10% по-ниска от тази на желязо-никелова сплав при температурите и наляганията, преобладаващи в ядрото. От това следва, че металното ядро ​​на Земята трябва да съдържа значително количество (10-20%) някакъв вид светлина. От всички най-леки и често срещани елементи, най-вероятните са силиций (Si) и сяра (S). Наличието на едното или другото може да обясни наблюдаваното физични свойстваземното ядро. Следователно въпросът дали силицият или сярата е примес на земното ядро ​​е дискусионен и се свързва с начина, по който на практика се е формирала нашата планета.

A. Ridgwood през 1958 г. приема, че земното ядро ​​съдържа силиций като лек елемент, като твърди, че елементарен силиций в количество от няколко тегловни процента се намира в металната фаза на някои редуцирани хондритни метеорити (енстатити). Други аргументи в полза на наличието на силиций в земното ядро ​​обаче няма.

Предположението, че има сяра в земното ядро, следва от сравнение на нейното разпределение в хондритния материал на метеоритите и земната мантия. По този начин сравнението на елементарните атомни съотношения на някои летливи елементи в сместа от кора и мантия и в хондритите показва остър дефицит на сяра. В материала на мантията и кората концентрацията на сяра е с три порядъка по-ниска, отколкото в средния материал слънчева система, които се приемат за хондрити.

Възможността за загуба на сяра при високите температури на първичната Земя е елиминирана, тъй като други по-летливи елементи от сярата (например H2 под формата на H2O), които показват много по-малък дефицит, биха били загубени за много по-голяма степен. Освен това, когато слънчевият газ се охлади, сярата се свързва химически с желязото и престава да бъде летлив елемент.

В тази връзка е напълно възможно големи количества сяра да попаднат в земното ядро. Трябва да се отбележи, че при равни други условия точката на топене на системата Fe-FeS е значително по-ниска от точката на топене на желязо или мантиен силикат. Така при налягане от 60 kbar температурата на топене на системата Fe-FeS (евтектика) ще бъде 990 ° C, докато чистото желязо - 1610 °, а мантийният пиролит - 1310. Следователно, с повишаване на температурата във вътрешността на предимно хомогенна Земя, желязна стопилка, обогатена със сяра, ще се образува първо и поради ниския си вискозитет и висока плътност лесно ще се влее в централните части на планетата, образувайки желязно-сярно ядро. По този начин наличието на сяра в желязо-никелова среда действа като поток, понижавайки общата й точка на топене. Хипотезата за наличието на значителни количества сяра в земното ядро ​​е много привлекателна и не противоречи на всички известни данни от геохимията и космохимията.

По този начин съвременните представи за природата на вътрешността на нашата планета съответстват на химически диференциран глобус, който се оказа разделен на две различни части: дебела твърда силикатно-оксидна мантия и течно, предимно метално ядро. Земната кора е най-леката горна твърда обвивка, състояща се от алумосиликати и имаща най-сложната структура.

Обобщавайки казаното, можем да направим следните изводи.

1. Земята има слоесто-зонална структура. Състои се от две трети от твърда силикатно-оксидна обвивка - мантия и една трета от метално течно ядро.
2. Основните свойства на Земята показват, че ядрото е в течно състояние и само желязото, сред най-често срещаните метали, с примес на някои леки елементи (най-вероятно сяра) е в състояние да осигури тези свойства.
3. В горните си хоризонти Земята има асиметрична структура, покриваща кората и горната част на мантията. Океанското полукълбо в горната мантия е по-малко диференцирано от противоположното континентално полукълбо.

Задачата на всяка космогонична теория за произхода на Земята е да обясни тези основни характеристики на нейната вътрешна природа и състав.

Земното ядро ​​включва два слоя с гранична зона между тях: външната течна обвивка на ядрото достига дебелина от 2266 километра, под нея има масивно плътно ядро, чийто диаметър се оценява на 1300 km. Преходната зона има неравномерна дебелина и постепенно се втвърдява, превръщайки се във вътрешно ядро. На повърхността на горния слой температурата е около 5960 градуса по Целзий, въпреки че тези данни се считат за приблизителни.

Приблизителен състав на външното ядро ​​и методи за неговото определяне

Все още се знае много малко за състава дори на външния слой на земното ядро, тъй като не е възможно да се получат проби за изследване. Основните елементи, които могат да изграждат външното ядро ​​на нашата планета, са желязото и никелът. Учените стигнаха до тази хипотеза в резултат на анализ на състава на метеоритите, тъй като скитниците от космоса са фрагменти от ядрата на астероиди и други планети.

Въпреки това метеоритите не могат да се считат за абсолютно идентични по отношение на химичен състав, тъй като първоначалните космически тела са били много по-малки по размер от Земята. След много изследвания учените стигнаха до извода, че течната част на ядреното вещество е силно разредена с други елементи, включително сяра. Това обяснява по-ниската му плътност от тази на желязо-никелови сплави.

Какво се случва във външното ядро ​​на планетата?

Външната повърхност на ядрото на границата с мантията е разнородна. Учените предполагат, че има различна дебелина, образувайки вид вътрешен релеф. Това се обяснява с постоянното смесване на разнородни дълбоки вещества. Те се различават по химичен състав и освен това имат различна плътност, така че дебелината на границата между ядрото и мантията може да варира от 150 до 350 km.

Писатели на научна фантастика от предишни години в своите творби описаха пътуване до центъра на Земята през дълбоки пещери и подземни проходи. Това наистина ли е възможно? Уви, налягането върху повърхността на ядрото надхвърля 113 милиона атмосфери. Това означава, че всяка пещера би се „затръшнала“ плътно дори на етапа на приближаване до мантията. Това обяснява защо на нашата планета няма пещери, по-дълбоки поне от 1 км.

Как изучаваме външния слой на ядрото?

Учените могат да преценят как изглежда ядрото и от какво се състои чрез наблюдение на сеизмичната активност. Например, установено е, че външният и вътрешният слой се въртят в различни посоки под въздействието на магнитно поле. Ядрото на Земята крие още десетки неразгадани мистериии очаква нови фундаментални открития.

Защо ядрото на земята не се охлажда и остава нагрято до температура от приблизително 6000°C в продължение на 4,5 милиарда години? Въпросът е изключително сложен, на който освен това науката не може да даде 100% точен и разбираем отговор. Има обаче обективни причини за това.

Прекалена секретност

Прекалената, така да се каже, тайнственост на земното ядро ​​е свързана с два фактора. Първо, никой не знае със сигурност как, кога и при какви обстоятелства се е образувала - това се е случило по време на формирането на протоземята или вече в ранните етапи от съществуването на формираната планета - всичко това е голяма мистерия. Второ, абсолютно невъзможно е да се вземат проби от земното ядро ​​- никой не знае със сигурност от какво се състои. Освен това всички данни, които знаем за ядрото, се събират с помощта на непреки методи и модели.

Защо ядрото на Земята остава горещо?

За да се опитате да разберете защо ядрото на земята не се охлажда толкова дълго време, първо трябва да разберете какво го е накарало да се нагрее първоначално. Вътрешността на нашата планета, както на всяка друга планета, е разнородна; тя се състои от относително ясно разграничени слоеве с различна плътност. Но не винаги е било така: тежки елементибавно потъна надолу, образувайки вътрешното и външното ядро, белите дробове бяха принудени да се изкачат нагоре, образувайки мантията и земната кора. Този процес протича изключително бавно и е придружен от отделяне на топлина. Това обаче не беше основната причина за парното. Цялата маса на Земята притиска с огромна сила нейния център, създавайки феноменално налягане от приблизително 360 GPa (3,7 милиона атмосфери), в резултат на което се разпадат дългоживеещи радиоактивни елементи, съдържащи се в ядрото желязо-силиций-никел започна да се случва, което беше придружено от колосални емисии на топлина.

Допълнителен източник на отопление е кинетичната енергия, генерирана в резултат на триене между различни слоеве (всеки слой се върти независимо от другия): вътрешното ядро ​​с външното и външното с мантията.

Вътрешността на планетата (пропорциите не са спазени). Триенето между трите вътрешни слоя служи като допълнителен източник на отопление.

Въз основа на горното можем да заключим, че Земята и в частност нейните недра са самодостатъчна машина, която се самозатопля. Но това естествено не може да продължава вечно: запасите от радиоактивни елементи в ядрото бавно изчезват и вече няма да има какво да поддържа температурата.

Става студено!

Всъщност процесът на охлаждане вече е започнал много отдавна, но протича изключително бавно - с част от градуса на век. По груби изчисления ще минат най-малко 1 милиард години, преди ядрото да се охлади напълно и химическите и други реакции в него да спрат.

Кратък отговор:Земята, и по-специално земното ядро, е самодостатъчна машина, която се нагрява сама. Цялата маса на планетата притиска центъра й, създавайки феноменален натиск и по този начин задейства процеса на разпадане на радиоактивни елементи, в резултат на което се отделя топлина.