Идей о строении ядра Земли было высказано бесчисленное множество. Дмитрий Иванович Соколов - русский геолог и академик - говорил, что вещества внутри Земли распределяются, словно шлак и металл в плавильной печи.
Это образное сравнение не раз получало подтверждение. Ученые внимательно изучали прилетавшие из космоса железные метеориты, считая их осколками ядра распавшейся планеты. Значит, и у Земли ядро должно состоять из тяжелого железа, находящегося в расплавленном состоянии.
В 1922 году норвежский геохимик Виктор Мориц Гольдшмидт выдвинул идею общего расслоения вещества Земли еще в ту пору, когда вся планета находилась в жидком состоянии. Он это вывел по аналогии с металлургическим процессом, изученным на сталелитейных заводах. «В стадии жидкого расплава, - говорил он, - вещество Земли разделилось на три несмешивающихся жидкости - силикатную, сульфидную и металлическую. При дальнейшем остывании эти жидкости образовали главные оболочки Земли - кору, мантию и железное ядро!»
Однако ближе к нашему времени идея «горячего» происхождения нашей планеты все больше уступала «холодному» творению. И в 1939 году Лодочников предложил другую картину формирования недр Земли. К этому времени уже была известна идея фазовых переходов вещества. Лодочников предположил, что фазовые изменения вещества с увеличением глубины усиливаются, в результате чего вещество разделяется на оболочки. При этом ядро вовсе не обязательно должно быть железным. Оно может состоять из переуплотненных силикатных пород, находящихся в «металлическом» состоянии. Эта идея была подхвачена и развита в 1948 году финским ученым В. Рамзеем. Получалось, что хоть ядро Земли и имеет иное физическое состояние, чем мантия, но причин считать его состоящим именно из железа нет никаких. Ведь переуплотненный оливин мог быть столь же тяжелым, как и металл...
Так появились две исключающие друг друга гипотезы о составе ядра. Одна - развитая на основе идей Э. Вихерта о железо-никелевом сплаве с небольшими добавками легких элементов в качестве материала ядра Земли. И вторая - предложенная В.Н. Лодочниковым и развитая В. Рамзеем, гласящая о том, что состав ядра не отличается от состава мантии, но вещество в нем находится в особо плотном металлизированном состоянии.
Чтобы решить, в чью сторону должна склониться чаша весов, ученые многих стран ставили в лабораториях опыты и считали, считали, сравнивая результаты своих расчетов с тем, что показывали сейсмические исследования и лабораторные эксперименты.
В шестидесятых годах специалисты окончательно пришли к выводу: гипотеза металлизации силикатов, при давлениях и температурах, господствующих в ядре, не подтверждается! Более того, проделанные исследования убедительно доказывали, что в центре нашей планеты должно содержаться не меньше восьмидесяти процентов всего запаса железа... Значит, все-таки ядро Земли - железное? Железное, да не совсем. Чистый металл или чистый металлический сплав, сжатые в центре планеты, были бы слишком тяжелы для Земли. Следовательно, нужно предположить, что вещество внешнего ядра состоит из соединений железа с более легкими элементами - с кислородом, алюминием, кремнием или серой, которые больше всего распространены в земной коре. Но с какими из них конкретно? Это неизвестно.
И вот русский ученый Олег Георгиевич Сорохтин предпринял новое исследование. Попробуем проследить в упрощенном виде ход его рассуждений. Основываясь на последних достижениях геологической науки, советский ученый делает вывод, что в первый период образования Земля была скорее всего более или менее однородной. Все ее вещество примерно одинаково распределялось по всему объему.
Однако со временем более тяжелые элементы, например железо, стали опускаться, так сказать, «тонуть» в мантии, уходя все глубже к центру планеты. Если это так, то, сравнивая молодые и старые горные породы, можно в молодых ожидать меньшее содержание тяжелых элементов, того же железа, широко распространенного в веществе Земли.
Изучение древних лав подтвердило высказанное предположение. Однако чисто железным ядро Земли быть не может. Для этого оно слишком легкое.
Что же явилось спутником железа на его пути к центру? Ученый перепробовал множество элементов. Но одни плохо растворялись в расплаве, другие оказывались несовместимы. И тогда у Сорохтина возникла мысль: не был ли спутником железа самый распространенный элемент - кислород?
Правда, расчеты показывали, что соединение железа с кислородом - окись железа - вроде бы легковата для ядра. Но ведь в условиях сжатия и нагрева в недрах окись железа тоже должна претерпеть фазовые изменения. В условиях, существующих вблизи центра Земли, лишь два атома железа способны удержать один атом кислорода. Значит, плотность полученной окиси станет больше...
И снова расчеты, расчеты. Но зато каково удовлетворение, когда полученный результат показал, что плотность и масса земного ядра, построенного из окиси железа, претерпевшей фазовые изменения, дает точно ту величину, которую требует современная модель ядра!
Вот она - современная и, пожалуй, самая правдоподобная за всю историю ее поисков модель нашей планеты. «Внешнее ядро Земли состоит из окиси одновалентной фазы железа Fe2О, а внутреннее ядро - из металлического железа или сплава железа с никелем, - пишет в своей книге Олег Георгиевич Сорохтин. - Переходный слой F между внутренним и внешним ядром можно считать состоящим из сернистого железа - троиллита FeS».
В создании современной гипотезы о выделении ядра из первичного вещества Земли принимают участие многие выдающиеся геологи и геофизики, океанологи и сейсмологи - представители буквально всех отраслей науки, изучающей планету. Процессы тектонического развития Земли, по мнению ученых, будут продолжаться в недрах еще довольно долго, по крайней мере впереди у нашей планеты есть еще пара миллиардов лет. Лишь после этого необозримого срока Земля остынет и превратится в мертвое космическое тело. Но что к этому времени будет?..
Сколько лет насчитывает человечество? Миллион, два, ну, два с половиной. И за этот срок люди не только поднялись с четверенек, приручили огонь и поняли, как извлекать энергию из атома, они послали человека в космос, автоматы на другие планеты Солнечной системы и освоили ближний космос для технических нужд.
Исследование, а затем и использование глубоких недр собственной планеты - программа, которая уже стучится в дверь научного прогресса.
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.
Земля вместе с другими телами Солнечной системы сформировалась из холодного газопылевого облака путем аккреции составивших ее частиц. После возникновения планеты начался совершенно новый этап ее развития, который в науке принято называть догеологическим.
Название периода связано с тем, что самые ранние свидетельства былых процессов – магматические или вулканические породы – не древнее 4 млрд лет. Только их сегодня могут изучить ученые.
Догеологический этап развития Земли таит в себе еще немало загадок. Он охватывает период в 0,9 млрд лет и характеризуется широким проявлением на планете вулканизма с выделением газов и паров воды. Именно в это время начался процесс расслоения Земли на основные оболочки – ядро, мантию, кору и атмосферу. Предполагается, что данный процесс был спровоцирован интенсивной метеоритной бомбардировкой нашей планеты и плавлением отдельных ее частей.
Одним из ключевых событий в истории Земли было формирование ее внутреннего ядра. Вероятно, это произошло в догеологический этап развития планеты, когда все вещество разделилось на две основные геосферы – ядро и мантию.
К сожалению, достоверной теории об образовании земного ядра, которая подтверждалась бы серьезными научными сведениями и доказательствами, пока не существует. Как все-таки образовалось ядро Земли? На этот вопрос ученые предлагают две основные гипотезы.
Согласно первой версии, вещество непосредственно после возникновения Земли было однородным.
Оно целиком состояло из микрочастиц, которые можно сегодня наблюдать в метеоритах. Но по прошествии определенного промежутка времени эта первично-однородная масса разделилась на тяжелое ядро, куда стекло все железо, и более легкую силикатную мантию. Иными словами, капли расплавленного железа и сопутствовавшие ему тяжелые химические соединения оседали к центру нашей планеты и образовывали там ядро, которое и в наши дни остается в значительной степени расплавленным. По мере того как тяжелые элементы стремились к центру Земли, легкие шлаки наоборот всплывали наверх – к внешним слоям планеты. Сегодня эти легкие элементы составляют верхнюю мантию и земную кору.
Почему произошла такая дифференциация вещества? Считается, что сразу после завершения процесса своего формирования Земля стала интенсивно разогреваться, прежде всего за счет энергии, выделявшейся в процессе гравитационной аккумуляции частиц, а также благодаря энергии радиоактивного распада отдельных химических элементов.
Дополнительному разогреву планеты и образованию железоникелевого сплава, который в силу своего значительного удельного веса постепенно опускался к центру Земли, способствовала предполагаемая метеоритная бомбардировка.
Правда, эта гипотеза сталкивается с некоторыми трудностями. Например, не совсем понятно, каким же образом железоникелевый сплав даже в жидком состоянии смог опуститься на более чем тысячу километров и достичь района ядра планеты.
В соответствии со второй гипотезой ядро Земли сформировалось из железных метеоритов, которые сталкивались с поверхностью планеты, и позже оно обросло силикатной оболочкой из каменных метеоритов и сформировало мантию.
В этой гипотезе есть серьезный недостаток. При таком раскладе в космическом пространстве железные и каменные метеориты должны существовать раздельно. Современные же исследования показывают, что железные метеориты могли возникнуть лишь в недрах планеты, распавшейся под значительным давлением, то есть уже после образования нашей Солнечной системы и всех планет.
Первая версия выглядит логичнее, поскольку предусматривает динамичную границу между ядром Земли и мантией. Это означает, что процесс разделения вещества между ними мог продолжаться на планете еще очень долгое время, оказывая тем самым большое влияние на дальнейшую эволюцию Земли.
Таким образом, если брать за основу первую гипотезу формирования ядра планеты, то процесс дифференциации вещества растянулся примерно на 1,6 млрд лет. За счет гравитационной дифференциации и радиоактивного распада обеспечивалось разделение вещества.
Тяжелые элементы опускались только до глубины, ниже которой вещество было такое вязкое, что железо погружаться уже не могло. В результате этого процесса образовался очень плотный и тяжелый кольцевой слой расплавленного железа и его окиси. Он располагался над более легким веществом первозданной сердцевины нашей планеты. Далее произошло выдавливание легкого силикатного вещества из центра Земли. Причем оно было вытеснено на экваторе, что, возможно, положило начало асимметрии планеты.
Предполагается, что при формировании железного ядра Земли произошла значительная убыль объема планеты, вследствие чего ее поверхность к настоящему времени уменьшилась. «Всплывшие» к поверхности легкие элементы и их соединения сформировали тонкую первичную кору, которая состояла, как и у всех планет земной группы, из вулканических базальтов, перекрытых сверху толщей отложений.
Однако найти живые геологические свидетельства былых процессов, связанных с формированием земного ядра и мантии, не удается. Как уже отмечалось, древнейшие каменные породы на планете Земля имеют возраст около 4 млрд лет. Скорее всего, в начале эволюции планеты под действием высоких температур и давлений первичные базальты метаморфизировались, переплавились и преобразовались в известные нам гранитно-гнейсовые породы.
Что же представляет собой ядро нашей планеты, сформировавшееся, вероятно, на самых ранних этапах развития Земли? Оно состоит из внешней и внутренней оболочек. Согласно научным предположениям, на глубине 2900-5100 км находится внешнее ядро, которое по своим физическим свойствам приближается к жидкости.
Внешнее ядро представляет собой потоки расплавленного железа и никеля, хорошо проводящие электричество. Именно с этим ядром ученые связывают происхождение земного магнитного поля. Оставшийся до центра Земли промежуток в 1270 км занимает внутреннее ядро, на 80 % состоящее из железа и на 20 % – из диоксида кремния.
Внутреннее ядро отличается твердостью и высокой температурой. Если внешнее непосредственно связано с мантией, то внутреннее ядро Земли существует само по себе. Твердость его, несмотря на высокие температуры, обеспечивается гигантским давлением в центре планеты, которое может достигать 3 млн атмосфер.
Многие химические элементы в результате переходят в металлическое состояние. Поэтому даже высказывалось предположение, что внутреннее ядро Земли состоит из металлического водорода.
Плотное внутреннее ядро оказывает серьезное влияние на жизнь нашей планеты. В нем сосредоточено планетарное гравитационное поле, которое удерживает от разлета легкие газовые оболочки, гидросферу и геосферные слои Земли.
Вероятно, такое поле было характерно для ядра с момента формирования планеты, каким бы оно ни было тогда по своему химическому составу и строению. Оно способствовало стягиванию формировавшихся частиц к центру.
Все же происхождение ядра и изучение внутреннего строения Земли – самая актуальная проблема для ученых, вплотную занимающихся исследованием геологической истории нашей планеты. До окончательного решения этого вопроса еще очень далеко. Чтобы избежать различных противоречий, в современной науке принята гипотеза о том, что процесс образования ядра начал происходить одновременно с формированием Земли.
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.
