Ядро Земли

Ядро Земли – внутренняя геосфера Земли со средним диаметром 3470 км, расположенная на средней глубине около 2900 км. Делится на твердое внутреннее ядро диаметром около 1300 км и жидкое внешнее ядро мощностью около 2200 км, между которыми иногда выделяется 250 км переходная зона жидкости повышенной плотности. Вероятно состоит из железо-никелевого сплава с примесью других сидерофильни элементов. Температура в центре ядра Земли достигает 5000 ° C, плотность около 12,5 т / м , давление до 361 ГПа. Масса ядра – 1932 x 10 24 кг. 
Сведений о ядре очень мало – вся информация получена косвенными геофизическими или геохимическими методами, образцы вещества ядра не доступны, и вряд ли будут получены в ближайшем будущем.

История исследования

Одним из первых предположение о существовании внутри Земли области повышенной плотности высказал Генри Кавендиш, который вычислил массу и среднюю плотность Земли и установил, что она гораздо больше, чем плотность характерна для пород, выходящих на земную поверхность.
Существование ядра было доказано в 1897 году немецким сейсмологом Э. Вихерт за наличия эффекта так называемой «сейсмической тени». В 1910 году за резким скачком скоростей продольных сейсмических волн американским геофизиком Б. Гутенбергом была определена глубина залегания его поверхности – 2900 км.

Основатель геохимии В. М. Гольдшмидт (нем. Victor Moritz Goldschmidt (1888-1947) в 1922 году предположил, что ядро образовалось путем гравитационной дифференциации первичной Земли в период ее роста или в более поздние периоды. Альтернативную гипотезу, что железное ядро возникло еще в протопланетного облака, развивали немецкий ученый А. Эйкен (1944), американский ученый Э. Орован и советский ученый А. П. Виноградов (60-70-е годы).

В 1941 году Кун и Ритман, основываясь на гипотезе идентичности химического состава Солнца и Земли и на расчетах фазового перехода в водороде, предположили, что земное ядре состоит из металлического водорода. Эта гипотеза не прошла экспериментальную проверку. Эксперименты с ударного сжатия показали, что плотность металлического водорода примерно на порядок меньше, чем плотность ядра. Однако эта гипотеза позже была адаптирована для объяснения строения планет-гигантов – Юпитера, Сатурна и т.д. Современной наукой вважааеться, которые магнитное поле возникает именно в металлическом водородном ядре.

Кроме того В. Н. Лодочников и У. Рамзай предположили, что нижняя мантия и ядро имеют одинаковый химический состав – на границе ядро-мантия при давлении 1,36 MБар мантийные силикаты переходят в жидкую металлическую фазу (металлизированное силикатное ядро).

Состав ядра

Состав ядра может быть оценен лишь из нескольких источников.

Наиболее близкими веществу ядра считаются образцы железных метеоритов, которые являются фрагментами ядер астероидов и протопланет. Однако железные метеориты не эквивалентны веществу земного ядра, так как они образовались в гораздо меньших телах, т.е. при других физико-химических параметрах.

Из данных гравиметрии известна плотность ядра, ограничивающий дополнительно компонентный состав. Так как плотность ядра примерно на 10% меньше, чем плотность сплавов железо-никель, то соответственно ядро Земли содержит больше легких элементов, чем железные метеориты. 

Исходя из геохимических соображений, рассчитывая первичный состав Земли и вычисляя долю элементов, находящихся в других геосферах, можно построить приблизительную оценку состав ядра. Помощь в таких вычислениях оказывают высокотемпературные и високобарични эксперименты по распределению элементов между расплавленным железом и силикатными фазами. 

Образование земного ядра

Время формирования

Образование ядра – ключевой момент истории Земли. Для определения возраста этого события были использованы следующие соображения:

В веществе, из которого образовалась Земля, был изотоп 182 Hf, который имеет период полураспада 9 млн лет и превращается в изотоп 182 W. Гафний являются литофильных элементов, т.е. при разделении первичного вещества Земли на силикатный и металлическую фазы он преимущественно сконцентрировался в силикатной фазе, а вольфрам – сидерофильных элемент, и сконцентрировался в металлической фазе. В металлическом ядре Земли соотношение Hf / W близко к нулю, тогда как в силикатной оболочке это отношение близко 15.

Из анализа нефракцийованих хондритов и железных метеоритов известно первичное соотношение изотопов гафния и вольфрама.
Если ядро образовалось через время много больше, чем период полураспада 182 Hf, то он бы успел почти полностью превратиться в 182 W, и изотопный состав вольфрама в силикатной части Земли и ее ядре был бы одинаковый, такой же как и в хондритах.
Если ядро формировалось пока 182 Hf еще не распался, то силикатный оболочка Земли должна содержать некоторый излишек 182 W по сравнению с хондритов, что реально и наблюдается.

Основываясь на этой модели разделения металлической и силикатной части Земли, расчеты показали, что ядро сформировалось за время меньше 30 млн лет, с момента образования в Солнечной системе первым твердых частиц. Аналогичные расчеты можно сделать для металлических метеоритов, которые являются фрагментами ядер мелких планетарных тел. В них формирования ядра происходило значительно быстрее – за несколько миллионов лет. Возраст внутреннего твердого ядра оценивается в 2-4 млрд лет.

Теория Сорохтина – Ушакова

Согласно модели Сорохтина – Ушакова, процесс формирования земного ядра растянулся приблизительно на 1,6 млрд. лет (от 4 до 2,6 млрд. лет назад). По мнению авторов формирования земного ядра происходило в два этапа. Сначала планета была холодной, и в ее глубинах не происходило никаких движений. Затем она прогрелась энергией радиоактивного распада до начала плавки металлического железа, которое стало проникать к центру Земли. При этом за счет гравитационной дифференциации выделялось большое количество тепла, и процесс отделения ядра только ускорялся. Этот процесс шел только до глубины, ниже которой вещество, из сверхвысокое давление, становилась настолько вязким, что железо глубже погружаться уже не могло. В результате образовался плотный кольцевой слой расплавленного железа и его окиси. Он располагался над более легким веществом первородной «сердцевины» Земли. Позже состоялось выдавливания силикатного вещества из центра Земли на экваторе, что и привело асимметрию планеты.

Механизм формирования земного ядра

О механизме образования ядра известно очень мало. Согласно различным оценкам формирование происходило при давлении и температуре близкой, той, что сейчас царит в верхнем и среднем мантии, а не в планетозималях и астероидах. Это значит что при аккреции Земли происходила ее новая гомогенизация.

Механизм постоянного обновления внутреннего ядра

Ряд исследований последних лет показал аномальные свойства земного ядра – было установлено, что сейсмические волны пересекают восточную часть ядра быстрее западную. Классические модели предполагают, что внутреннее ядро нашей планеты – образование симметричное, однородное и практически стабильное, медленно растет за счет застывания вещества внешнего ядра. Однако внутреннее ядро довольно динамичная структура.
Группа исследователей из университетов Жозефа Фурье (фр. Universite Joseph Fourier) и Лиона (фр. Universite de Lyon) выдвинула предположение, что внутреннее ядро Земли постоянно кристаллизуется на западе и плавится на востоке. Геометрический центр внутреннего ядра смещен относительно центра Земли. Части ядра на западе и востоке имеют разную температуру, что приводит к одностороннему плавления и кристаллизации. Приводит в движение всю масса внутреннего ядра, медленно смещается от западной стороны к восточной, где разрушаясь твердое вещество пополняет состав жидкой оболочки со скоростью 1,5 см / год. Т.е. полная переплав за 100 млн лет. Разница в соотношении легких и тяжелых элементов на западе и востоке ядра закономерно приводит и к разнице скоростей сейсмических волн.

Столь мощные процессы затвердевания и плавления, не могут не сказаться на конвективных потоках во внешнем ядре. Они затрагивают планетарную динамо-машину, земное магнитное поле, поведение мантии и движение материков. Гипотеза объясняет несовпадение скорости вращения ядра и остальных планеты, ускоренный сдвиг магнитных полюсов.