Zakaj se zemeljsko jedro ne ohladi? Kaj je v središču Zemlje. Znanstveniki so morda ugotovili, zakaj zemljino jedro ostaja trdno, zakaj je notranjost zemlje vroča in se noče ohladiti.

Proti otočju Severnaya Zemlya s hitrostjo 55 kilometrov na leto. Znanstveniki domnevajo, da se pripravlja sprememba polov zaradi motenj v tekočem delu planetovega jedra, ki je nedostopno neposrednim opazovanjem. Težko je razumeti, kaj točno se tam dogaja, vendar obstaja veliko hipotez.

Poslanstvo v "železni svet"

Leta 2022 bo NASA poslala napravo na asteroid Psyche, ki se nahaja med Marsom in Jupitrom. Imenuje se železni svet.

Po odboju žarkov od površine, po tem, kako hitro se ta segreva in ohlaja, so znanstveniki ugotovili, da je, če ne v celoti, pa večinoma kovina. Možno je, da od tam k nam letijo železovi meteoriti. To se zgodi zelo redko; znanih je največ dvesto takih dogodkov.

Predpostavlja se, da je Psiha jedro zemeljskega planeta, ki je izgubil svoje zunanje lupine. Skupaj z Zemljo in Venero je ta planet nastal v bližini Sonca, potem pa se je nekaj zgodilo. Morda je to katastrofa, ali pa je vse posledica ponavljajočega segrevanja planeta Zemlje - grudic snovi, iz katerih nastajajo planeti.

Znanstveniki si vsekakor želijo priti v »svet železa«, pa ne le zaradi geološkega raziskovanja nahajališč v interesu naših zanamcev. Najprej natančno preučiti analog zemeljskega jedra.

Zakaj je jedro železo?

Zemljino jedro je zelo zanimiv objekt. Njegova sestava in temperatura se odražata v zgornjih plasteh in ozračju. Jedro je vir magnetnega polja, ki je povzročilo življenje. Tam je tudi ključ do skrivnosti nastanka zemeljskih planetov.

Notranjost Zemlje raziskujejo s seizmičnimi valovi in ​​modeliranjem. V grobem je planet sestavljen iz zgornje lupine - skorje, plašča in jedra.

Več dejstev kaže, da je jedro železo. Zemlja ima svoje magnetno polje, kot da je vzdolž vrtilne osi vstavljen dipol. Plašč ne more ustvariti takšnega polja; prešibko prevaja elektriko. Po modelu geodinama je tega sposobna le prevodna tekočina. To pomeni, da je del jedra tekoč. Železo je eden najpogostejših elementov v sončnem sistemu. To potrjuje njegova številčnost v meteoritih.

Elastični S-valovi ne prehajajo skozi zunanji del jedra, kar pomeni, da je tekoče. Notranji del jedra s polmerom približno 1221 kilometrov šibko širi S-valove - v skladu s tem je bodisi trden bodisi v stanju, ki simulira trdnost. Meja med obema plastema v jedru je precej jasna, prav tako meja med jedrom in spodnjim plaščem.

Jedro naj bi bilo železo z majhnimi primesmi niklja (na to kaže sestava železovih meteoritov), ​​silicija, sulfidov in kisika.

Nekatere značilnosti prehoda seizmičnih valov kažejo, da se notranje trdno jedro vrti nekoliko hitreje kot plašč in skorja, za približno 0,15 stopinje na leto.

Kdaj in kako je nastalo Zemljino jedro? Kakšno je razmerje kemičnih elementov v njem? Zakaj ni enoten? Kakšna je tam temperatura? Kje je vir energije? In kar je najpomembnejše, zakaj se je jedro sploh oblikovalo znotraj planeta? Za vsako od teh in mnogih drugih vprašanj obstaja veliko hipotez.

Kateri dvojček ima srečo?

Venera velja za Zemljino dvojčico – po masi in velikosti je le nekoliko manjša. Toda trenutne razmere na njenem površju so popolnoma drugačne. Zemlja ima svoje magnetno polje, atmosfero in biosfero.

Venera na tem seznamu ima samo strupeno atmosfero z oblaki žveplove kisline. V geološki preteklosti ni sledi magnetnega polja, čeprav bi lahko izginili. Verjetno je vse povezano s poreklom dvojčkov.

Venera in Zemlja sta nastali v enem delu meglice plina in prahu, ki obdaja Sonce. Zarodki planetov so postajali vse večji in so privabljali vedno več materiala nase. Ko je masa postala kritična, se je začelo segrevanje in taljenje. Snov je bila razdeljena na frakcije: težki elementi so se usedli v notranjost, lahki so se dvignili na vrh.

Znanstveniki iz Nemčije, Japonske in Francije verjamejo, da plastenje teles, kot je Zemlja, poteka enakomerno in stabilno, vsaka plast je homogena. Da bi bilo jedro dvoslojno in nehomogeno, je moral planet nekje proti koncu procesa doživeti zelo močan udar drugega masivnega telesa. Del "tuje" snovi je ostal v Zemljinem črevesju, del je bil prevrnjen v orbito, kjer je nato nastala Luna. Trk je povzročil mešanje notranjosti planeta, kar je povzročilo delno taljenje jedra.

Toda evolucija Venere je potekala gladko, brez izrednih razmer v kozmičnem obsegu. Razslojevanje je bilo uspešno zaključeno s tvorbo trdnega železnega jedra, ki ne more ustvariti magnetnega polja.

Obstaja še ena hipoteza: spontana kristalizacija železove taline. Vendar se mora za to ohladiti na tisoč Kelvinov, kar je nemogoče.

To pomeni, da so kristalizacijska jedra prodrla od zunaj, so ugotovili znanstveniki iz ZDA. Na primer iz spodnjega plašča. Gre za velike kose železa, ki merijo desetine in stotine metrov. Od kod bodo prišli, je veliko vprašanje.

Eden od odgovorov leži na zemeljski površini v obliki starodavnih železovih kvarcitov. Morda pred več kot tremi milijardami let so te kamnine tvorile dno oceanov. Zaradi gibanja plošč se je pogreznil v plašč in od tam v jedro.

Ustvarjanje magnetnega ščita

Razmerje med radioaktivnimi izotopi svinca kaže na starost jedra: približno štiri in pol milijarde let. Ni znano, kdaj se je pojavilo magnetno polje. Njegove sledi najdemo že v najstarejših kamninah na Zemlji, starih 3,5 milijarde let.

Glede na model geodinama zahteva zemeljsko magnetno polje prevodno tekočino, katere vrtenje spremlja mešanje.

Težava je v tem, da magnetno polje hitro vrtečih se tekočin prej ali slej zbledi. Sodeč po geoloških podatkih se v nam vidnem obdobju intenzivnost zemeljskega magnetnega polja ni spremenila. Obstajati mora nek stalen močan vir energije.

Za to vlogo sta dva kandidata. Temperaturna konvekcija, možna, če je notranje jedro bolj vroče od zunanjega, in kompozicijska konvekcija, to je premikanje elementov iz enega dela v drugega. To pomeni, da se trdi del jedra poveča. Vendar se ne smete bati popolne zamrznitve. To bo trajalo več kot milijardo let.

Eden prvih, ki je predlagal, da je v središču Zemlje območje povečane gostote, je bil Henry Cavendish. Uspelo mu je izračunati maso in povprečno gostoto planeta ter ugotoviti, da je bistveno večja od gostote kamnin

Zemljino jedro je osrednji, najgloblji del Zemlje, ki se nahaja pod plaščem planeta.
Leži na globini 2900 km. Povprečni polmer krogle je 3,5 tisoč km. Temperatura na površini trdnega jedra Zemlje doseže 6230±500 K (5960±500°C), v središču je gostota okoli 12,5 t/m³, tlak do 361 GPa (3,7 milijona atm). Masa jedra - 1.932·1024 kg. Snov, ki sestavlja Zemljino jedro, segreva s pritiskom (gravitacijo).

Eden prvih, ki je predlagal, da je v središču Zemlje območje povečane gostote, je bil Henry Cavendish. Uspelo mu je izračunati maso in povprečno gostoto planeta ter ugotoviti, da je bistveno večja od gostote kamnin, ki dosežejo zemeljsko površje.

Podatkov o Zemljinem jedru je zelo malo, tudi tisto, kar je na voljo, je bilo pridobljeno s posrednimi geofizikalnimi ali geokemičnimi metodami. Odvzem vzorcev materiala jedra še ni mogoč. Njegova sestava ni neposredno znana. Verjetno je sestavljen iz zlitine železa in niklja s primesjo drugih siderofilnih elementov.

Britanski znanstveniki so sestavili nov model procesov, ki se dogajajo v zemeljskem jedru. Nekoliko se razlikuje od tradicionalnega, po katerem se jedro postopoma ohlaja. Raziskovalci so ugotovili, da se ponekod, nasprotno, segreva, saj je njegova interakcija s skorjo in plaščem bolj aktivna. Kako bi to lahko vplivalo na prebivalce zemeljskega površja?

Treba je opozoriti, da je snov, ki se nahaja v središču našega planeta, imenovana jedro, zelo skrivnostna stvar. In vse zato, ker, kot razumete, do zdaj še noben znanstvenik ni držal v rokah niti najmanjšega vzorca jedrske snovi. S sodobnimi tehnologijami ga ni mogoče izkopati, saj jedro leži na globini 2900 km od površja, največja globina, do katere so znanstveniki uspeli vrtati v skorjo našega planeta, pa je 12 km. 290 metrov (to je globina naftne vrtine Maersk Oil BD-04A, ki se nahaja v naftnem bazenu Al Shaheen v Katarju).

Zato je naše znanje o tem, kaj je v samem srcu Zemlje, še zelo približno. Predpostavlja se, da je jedro sestavljeno iz zlitine železa in niklja s primesjo drugih elementov, povezanih z železom. Povprečni polmer krogle jedra je približno 3,5 tisoč km (kar je približno dvakrat več od velikosti Lune), njena masa pa približno 1,932 × 10 24 kg. V tem primeru je jedro razdeljeno na trdno notranje jedro, s polmerom približno 1300 km, in tekoče zunanje, katerega polmer je približno 2200 km, med katerima je po mnenju nekaterih znanstvenikov prehodno območje.

Tradicionalno velja, da so na takšni globini razmere resnično peklenske: temperatura v središču jedra doseže 5000º C, gostota snovi tam je približno 12,5 t/m³, tlak pa doseže 361 GPa. Iz tega sledi, da se morajo krhka živa bitja na splošno držati stran od jedra. Hkrati je naše zanimanje za to snov precej veliko. In sploh ne, ker je po mnenju geokemikov do 90% vseh plemenitih kovin koncentriranih v osrednji sferi planeta. Dejstvo je, da je jedro tisto, ki prispeva k aktivnemu gibanju snovi v naslednji plasti Zemlje, plašču (tako imenovana konvekcija plašča, preberite več o tem v članku "Vulkani - stopnja alarma raste «), ki »odmeva« na površju s tako za nas neprijetnimi pojavi, kot so potresi, vulkanski izbruhi.

Poleg tega se domneva, da jedro ustvarja zemeljsko magnetno polje, katerega pomen za življenje našega planeta (in življenja na njem) je težko preceniti. "Narava zemeljske magnetosfere ostaja skrivnost. Ne moremo iti v središče Zemlje in od tam dobiti vzorcev. Lahko se zanašamo samo na posredne meritve na površini in na teoretične modele, ki lahko razkrijejo, kaj se dogaja v jedro,« pravi eden od znanstvenikov, vključenih v študijske procese, ki potekajo v jedru in okoli njega, geofizik Ion Mound z Univerze v Leedsu (UK).

Pred kratkim je prav Maundova skupina po analizi nekaterih podatkov iz zadnjih let predstavila zelo zanimiv model trenutnega stanja jedra. Tradicionalno je veljalo, da je bilo zemeljsko jedro po nastanku pred približno 4,5 milijardami let najprej vroče, nato pa se je začelo počasi ohlajati (ta proces traja še danes). Toplota, ki se sprosti med tem "zamrzovanjem" jedra, se med konvekcijo dvigne skozi plašč do skorje - logično je domnevati, da se toplejša in s tem manj gosta snov plašča dvigne na površje in hladnejša in težja snov potone v jedro. Prav ti tokovi, skupaj z vrtenjem samega planeta, naj bi spodbudili delo "notranjega dinama" Zemlje, ki ustvarja njeno magnetno polje.

Vendar so Mound in njegovi sodelavci prišli do zaključka, da ni vse tako preprosto. Po njihovem modelu lahko v jedru pride tudi do obratnega procesa, ki vodi ne le do njegovega ohlajanja, ampak tudi do segrevanja in celo taljenja te snovi. Pri svojem delu so upoštevali tako značilnosti konvekcijskega procesa kot najnovejše seizmične podatke. Posledično se je pojavila zelo zanimiva slika - po Moundovem modelu lahko tok toplote na meji med jedrom in plaščem prevzame zelo drugačen značaj, odvisno od strukture prekrivne plasti plašča. Na nekaterih območjih Zemlje, kjer je ta plast že pregreta, to vodi do dejstva, da se zdi, da se toplotna energija "odbije" od plašča in usmeri nazaj v jedro, ki ga na koncu stopi.

Zlasti v tako potresno aktivni regiji, kot je pacifiški vulkanski ognjeni obroč (začne se s polotoka Kamčatka, nato poteka preko Kurilskih, Japonskih, Filipinskih otokov, do Nove Gvineje, Salomonovih otokov, Nove Zelandije, severozahodno od Antarktika, otoki Ognjena zemlja in vračanje skozi Ande, Kordiljere in Aleutske otoke spet na Kamčatko.), kjer se oceanska skorja pogreza v plašč, debela plast trdnih litosferskih plošč odvzema toploto iz plašča in ga ohlaja. Zaradi tega začne ohlajeni plašč črpati toploto iz samega jedra. Zato se del, ki se nahaja pod zgoraj opisano regijo, trenutno še naprej ohlaja.

Toda pod prostranimi območji Afrike in osrednjega Tihega oceana je opaziti povsem drugačno sliko. Tam je temperatura plašča veliko višja, saj zemeljska skorja, ki leži nad njim, ne odvzema, ampak ji, nasprotno, daje toploto. Posledično plašč, ki deluje kot ogromen toplotni izolator, povzroči odboj infrardečega sevanja, ki prihaja iz jedra (saj po drugem zakonu termodinamike lahko toplota teče samo od bolj segretega k manj segretemu telesu, nikoli pa ne obratno), kar povzroči segrevanje in posledično taljenje osrednje plasti Zemlje.

Tako se izkaže, da je interakcija med jedrom in plaščem veliko bolj zapletena od tistih, ki jih opisuje tradicionalni model. Toda sprememba temperature jedra in njegove gostote mora nujno vplivati ​​na stanje magnetnega polja. Morda so nekatere še nepojasnjene motnje, ki se pojavljajo v magnetosferi našega planeta (t.i. geomagnetne nevihte), povezane prav z neenakomernim ohlajanjem jedra? Možno je tudi, da interakcije med jedrom in plaščem bolj aktivno vplivajo na globalne procese, kot so podnebne spremembe, ki se pojavljajo na površini našega planeta.

Zakaj se zemeljsko jedro ni ohladilo in je 4,5 milijarde let ostalo segreto na temperaturo približno 6000 °C? Vprašanje je izjemno kompleksno, na katerega poleg tega znanost ne more dati 100-odstotno natančnega in razumljivega odgovora. Vendar za to obstajajo objektivni razlogi.

Pretirana skrivnostnost

Prekomerna, tako rekoč, skrivnostnost zemeljskega jedra je povezana z dvema dejavnikoma. Prvič, nihče ne ve zagotovo, kako, kdaj in v kakšnih okoliščinah je nastal - to se je zgodilo med nastankom proto-zemlje ali že v zgodnjih fazah obstoja oblikovanega planeta - vse to je velika skrivnost. Drugič, absolutno je nemogoče dobiti vzorce iz zemeljskega jedra - nihče zagotovo ne ve, iz česa je sestavljeno. Poleg tega so vsi podatki, ki jih poznamo o jedru, zbrani s posrednimi metodami in modeli.

Zakaj Zemljino jedro ostaja vroče?

Če želite razumeti, zakaj se zemeljsko jedro tako dolgo ne ohladi, morate najprej razumeti, kaj je povzročilo, da se je prvotno segrelo. Notranjost našega planeta je, tako kot vsakega drugega planeta, heterogena, sestavljena je iz relativno jasno razmejenih plasti različnih gostot. Vendar ni bilo vedno tako: težki elementi so se počasi pogrezali navzdol in tvorili notranje in zunanje jedro, lahki elementi pa so bili prisiljeni na vrh ter tvorili plašč in zemeljsko skorjo. Ta proces poteka zelo počasi in ga spremlja sproščanje toplote. Vendar to ni bil glavni razlog za ogrevanje. Celotna masa Zemlje z ogromno silo pritiska na njeno središče, pri čemer nastane fenomenalen pritisk približno 360 GPa (3,7 milijona atmosfer), zaradi česar pride do razpada dolgoživih radioaktivnih elementov, ki jih vsebuje jedro železo-silicij-nikelj. začelo dogajati, kar so spremljale ogromne emisije toplote .

Dodaten vir ogrevanja je kinetična energija, ki nastane kot posledica trenja med različnimi plastmi (vsaka plast se vrti neodvisno od druge): notranjega jedra z zunanjim in zunanjega s plaščem.

Notranjost planeta (razmerja niso upoštevana). Trenje med tremi notranjimi plastmi služi kot dodaten vir ogrevanja.

Na podlagi navedenega lahko sklepamo, da je Zemlja in še posebej njeno črevesje samozadosten stroj, ki se segreva sam. A to seveda ne more trajati večno: zaloge radioaktivnih elementov v jedru počasi izginjajo in ne bo več ničesar, kar bi vzdrževalo temperaturo.

Hladi se!

Pravzaprav se je proces ohlajanja začel že zelo dolgo nazaj, vendar poteka zelo počasi - delček stopinje na stoletje. Po grobih ocenah bo minilo vsaj 1 milijarda let, preden se jedro popolnoma ohladi in v njem prenehajo kemične in druge reakcije.

Kratek odgovor: Zemlja, še posebej zemeljsko jedro, je samozadosten stroj, ki se segreva sam. Celotna masa planeta pritiska na njegovo središče, povzroča fenomenalen pritisk in s tem sproži proces razpadanja radioaktivnih elementov, posledično pa se sprošča toplota.

Zdi se, da imajo znanstveniki novo razlago, zakaj Zemljino jedro ostaja trdno, čeprav je njegova temperatura višja od površine Sonca. Izkazalo se je, da je to lahko posledica atomske arhitekture kristalizirane železne "krogle", ki se nahaja v središču našega planeta.

Raziskovalci domnevajo, da ima Zemljino jedro atomsko stanje, ki ga še nikoli ni bilo, kar mu omogoča, da prenese neverjetne temperature in pritiske, ki naj bi se pojavili v središču našega planeta. Če imajo znanstveniki prav glede tega vprašanja, potem lahko to pomaga rešiti še eno skrivnost, ki nas preganja že več desetletij.

Skupina raziskovalcev s švedskega Kraljevega tehnološkega inštituta v Stockholmu je uporabila Triolith - enega najmočnejših superračunalnikov v državi - za simulacijo atomskega procesa, ki bi se lahko zgodil približno 6400 kilometrov pod zemeljskim površjem. Tako kot pri vseh drugih kovinah se lahko atomske strukture železa spreminjajo pod vplivom sprememb temperature in tlaka. Pri sobni temperaturi in normalnem tlaku je železo v tako imenovani kubični (bcc) fazi kristalne mreže. Pod visokim pritiskom se mreža spremeni v heksagonalno tesno zapakirano fazo. Ti izrazi opisujejo razporeditev atomov v kristalni mreži kovine, ki so odgovorni za njeno trdnost in druge lastnosti, na primer, ali bo kovina ostala v trdnem stanju ali ne.

Prej je veljalo, da je trdno, kristalizirano stanje železa v zemeljskem jedru razloženo z dejstvom, da je v heksagonalni tesno pakirani fazi kristalne mreže, saj so pogoji za bcc tukaj preveč nestabilni. Vendar pa lahko nove raziskave kažejo, da okolje v središču našega planeta dejansko utrjuje in zgosti bcc stanje, namesto da ga uniči.

»V pogojih zemeljskega jedra bcc železova mreža kaže doslej neprimerljiv vzorec atomske difuzije. Faza BCC poteka pod geslom "kar me ne ubije, me naredi močnejšega." Nestabilnost lahko prekine bcc fazo pri nizkih temperaturah, visoke temperature pa nasprotno povečajo stabilnost te faze,« pravi vodilni raziskovalec Anatolij Belonoško.

Kot analogijo povečane aktivnosti atomov v železu v središču Zemlje Belonoško navaja krov mešanih kart, kjer se lahko atomi (predstavljeni s kartami) nenehno in zelo hitro mešajo med seboj pod vplivom povišane temperature in tlaka. , vendar špil ostaja ena sama celota. In te številke so zelo impresivne: 3,5-milijonkrat višji od pritiska, ki ga doživljamo na površini, in približno 6000 stopinj Celzija višja temperatura.

Podatki iz superračunalnika Triolith tudi kažejo, da je verjetno do 96 odstotkov (več kot prejšnji izračuni) mase Zemljinega notranjega jedra železa. Preostanek prihaja iz niklja in drugih lahkih elementov.

Druga skrivnost, ki bi jo lahko razrešile nedavne raziskave, je, zakaj seizmični valovi potujejo hitreje med poloma kot čez ekvator. Ta pojav pogosto imenujemo anizotropija. Raziskovalci pravijo, da je obnašanje bcc rešetke v železu v ekstremnih pogojih, ki jih najdemo v središču Zemlje, morda dovolj za ustvarjanje obsežnih učinkov anizotropije, kar posledično ustvarja še eno pot, ki jo bodo znanstveniki lahko raziskovali v prihodnosti.

Pomembno je omeniti, da je ta predpostavka izpeljana na podlagi posebnih računalniških simulacij notranjih dinamičnih procesov Zemlje, na podlagi drugih modelov pa se lahko rezultati izračuna razlikujejo. Dokler ne ugotovimo, kako spustiti ustrezne znanstvene instrumente na tako globino, ne bomo mogli s stoodstotno gotovostjo govoriti o pravilnosti izračunov. In glede na temperaturo in pritisk, ki tam morda obstajata, bo pridobivanje neposrednih dokazov o aktivnosti jedra planeta za nas morda popolnoma nemogoče.

Kljub izzivom pa je pomembno nadaljevati tovrstne raziskave, kajti ko bomo lahko izvedeli več o tem, kaj se v resnici dogaja na našem planetu, bomo imeli boljše možnosti vedeti, kaj sledi.