|
Никто точно не знает из чего состоит ядро Земли
|
|
|
|
Богатое железом ядро в центре нашей планеты было важной частью эволюции Земли. Ядро не только питает магнитное поле, которое защищает нашу атмосферу и океаны от солнечной радиации, но и влияет на тектонику плит, которая постоянно изменяет форму континентов.
|
|
|
|
Но, несмотря на его важность, многие из наиболее фундаментальных свойств ядра неизвестны. Мы не знаем точно, насколько горячим является ядро, из чего оно состоит и когда оно начало замерзать. К счастью, недавнее открытие, сделанное мной и моими коллегами, значительно приблизило нас к разгадке всех трех этих загадок.
|
|
|
|
Мы знаем, что температура внутреннего ядра Земли составляет примерно 5000 Кельвинов (K) (4727°C). Когда-то она была жидкой, но со временем остыла и стала твердой, расширяясь при этом наружу. Охлаждаясь, она отдает тепло в вышележащую мантию, что приводит в движение течения, лежащие в основе тектоники плит.
|
|
|
|
Это же охлаждение также генерирует магнитное поле Земли. Большая часть энергии этого поля сегодня поступает от замораживания жидкой части ядра и роста твердого внутреннего ядра в его центре.
|
|
|
|
Однако, поскольку мы не можем получить доступ к ядру, мы должны оценить его свойства, чтобы понять, как оно охлаждается.
|
|
|
|
|
|
|
Ключевой частью понимания ядра является знание температуры его плавления. Из сейсмологии (науки о землетрясениях) мы знаем, где проходит граница между твердым внутренним ядром и жидким внешним. Температура ядра в этом месте должна равняться температуре его плавления, потому что именно здесь оно замерзает. Итак, если мы точно знаем, какова температура плавления, мы сможем узнать больше о точной температуре ядра и о том, из чего оно состоит.
|
|
Таинственный химический состав
|
|
|
|
Традиционно у нас есть два способа выяснить, из чего состоит ядро: метеориты и сейсмология. Изучая химический состав метеоритов, которые, как считается, являются осколками планет, которые никогда не формировались, или ядрами разрушенных планет земного типа, мы можем получить представление о том, из чего могло бы состоять наше ядро.
|
|
|
|
Проблема в том, что это дает нам лишь приблизительное представление. Метеориты показывают нам, что ядро должно состоять из железа и никеля и, возможно, нескольких процентов кремния или серы, но более точно сказать трудно.
|
|
|
|
Сейсмология, с другой стороны, гораздо более специфична. Когда звуковые волны от землетрясений распространяются по планете, они ускоряются или замедляются в зависимости от того, через какие материалы они проходят. Сравнивая время прохождения этих волн от землетрясения к сейсмометру с тем, с какой скоростью волны проходят через минералы и металлы в экспериментах, мы можем получить представление о том, из чего состоят недра Земли.
|
|
|
|
Оказывается, для такого времени прохождения требуется, чтобы ядро Земли было примерно на 10% менее плотным, чем чистое железо, и чтобы жидкое внешнее ядро было плотнее твердого внутреннего. Только некоторые известные химические свойства ядра могут объяснить эти свойства.
|
|
|
|
Но даже при небольшом выборе возможных компонентов потенциальные температуры плавления варьируются на сотни градусов, что не позволяет нам точно определить свойства сердцевины.
|
|
|
|
Новое ограничение
|
|
|
|
В нашем новом исследовании мы использовали физику минералов для изучения того, как ядро могло впервые начать замерзать, открывая новый способ понимания химического состава ядра. И этот подход, по-видимому, еще более специфичен, чем сейсмология и изучение метеоритов.
|
|
|
|
Исследования, в ходе которых моделировалось, как атомы в жидких металлах соединяются, образуя твердые вещества, показали, что некоторые сплавы требуют более интенсивного "переохлаждения", чем другие. Переохлаждение - это когда жидкость охлаждается ниже температуры ее плавления. Чем интенсивнее переохлаждение, тем чаще атомы соединяются вместе, образуя твердые частицы, что ускоряет замерзание жидкости. Бутылку с водой в морозильной камере можно переохладить до -5°C в течение нескольких часов перед замораживанием, в то время как град образуется за считанные минуты, когда капли воды в виде облаков охлаждаются до -30°C.
|
|
|
|
Исследуя все возможные температуры плавления активной зоны, мы пришли к выводу, что наиболее переохлажденной могла быть активная зона примерно на 420°C ниже температуры плавления — еще чуть-чуть, и внутреннее ядро было бы больше, чем предполагает сейсмология. Но для замерзания чистого железа требуется переохлаждение до невозможных ~1000°C. При таком охлаждении, вопреки наблюдениям сейсмологов, замерзла бы вся сердцевина.
|
|
|
|
Добавление кремния и серы, которые, как предполагают метеориты и сейсмология, могут присутствовать в ядре, только усугубляют эту проблему, требуя еще большего переохлаждения.
|
|
|
|
В нашем новом исследовании изучается влияние углерода в активной зоне. Если бы 2,4% массы активной зоны составлял углерод, для начала замораживания внутренней части активной зоны потребовалось бы переохлаждение при температуре около 420°C. Впервые было доказано, что замораживание активной зоны возможно. Если содержание углерода в активной зоне составляет 3,8%, то требуется всего лишь переохлаждение при температуре 266°C. Это все еще много, но гораздо более правдоподобно.
|
|
|
|
Это новое открытие показывает, что, хотя сейсмология может сузить возможный химический состав ядра до нескольких различных комбинаций элементов, многие из них не могут объяснить наличие твердого внутреннего ядра в центре планеты.
|
|
|
|
Ядро не может быть сделано только из железа и углерода, потому что сейсмические свойства ядра требуют, по крайней мере, еще одного элемента. Наши исследования показывают, что оно, скорее всего, содержит немного кислорода и, возможно, кремния.
|
|
|
|
Это знаменует собой важный шаг к пониманию того, из чего состоит ядро, как оно начало замерзать и как оно сформировало нашу планету изнутри.
|
|
|
|
Источник
|
