Почему у Земли жидкое ядро?

Original author: Ethan Siegel
  • Translation
Уронив ключи в поток расплавленной лавы, попрощайся с ними, потому что, ну, чувак, они – всё.
— Джек Хэнди

Взглянув на нашу родную планету, можно заметить, что 70% её поверхности покрыто водой.



Мы все знаем, отчего это так: потому что океаны Земли всплывают над камнями и грязью, из которых состоит суша. Концепция плавучести, при которой менее плотные объекты всплывают над более плотными, погружающимися ниже, объясняет гораздо больше, чем просто океаны.



Тот же принцип, объясняющий, почему лёд плавает в воде, шар с гелием поднимается в атмосфере, а камни тонут в озере, объясняет, почему слои планеты Земля устроены именно так.



Наименее плотная часть Земли, атмосфера, плавает над водными океанами, которые плавают над земной корой, которая находится над более плотной мантией, которая не тонет в самую плотную часть Земли: в ядро.



В идеале самым стабильным состоянием Земли было бы такое, которое идеально распределялось бы на слои, на манер луковицы, и самые плотные элементы были в центре, а по мере продвижения наружу каждый последующий слой состоял бы из менее плотных элементов. И каждое землетрясение, на самом-то деле, двигает планету по направлению к этому состоянию.

И это объясняет строение не только Земли, но и всех планет, если вспомнить, откуда эти элементы взялись.



Когда Вселенная была молодой – возрастом всего в несколько минут – в ней существовали только водород и гелий. Все более тяжёлые элементы создавались в звёздах, и только когда эти звёзды погибли, тяжёлые элементы вышли во Вселенную, позволяя формироваться новым поколениям звёзд.



Но на этот раз смесь всех этих элементов – не только водорода с гелием, но и углерода, азота, кислорода, кремния, магния, серы, железа и других – формирует не только звезду, но и протопланетный диск вокруг этой звезды.

Давление изнутри наружу в формирующейся звезде выталкивает более лёгкие элементы, а гравитация приводит к тому, что неравномерности в диске коллапсируют и формируют планеты.



В случае Солнечной системы четыре внутренних мира являются самыми плотными из всех планет системы. Меркурий состоит из самых плотных элементов, которые не смогли удержать большое количество водорода и гелия.

Другие планеты, более массивные и более удалённые от Солнца (а следовательно, получающие меньше его излучения), смогли удержать больше этих ультралёгких элементов – так сформировались газовые гиганты.

У всех миров, как и на Земле, в среднем самые плотные элементы сосредоточены в ядре, а лёгкие формируют всё менее плотные слои вокруг него.



Неудивительно, что железо, самый стабильный элемент, и самый тяжёлый элемент, создаваемый в больших количествах на границе сверхновых, и есть самый распространённый элемент земного ядра. Но возможно, удивительным будет то, что между твёрдым ядром и твёрдой мантией находится жидкий слой толщиной более 2000 км: внешнее ядро Земли.



У Земли есть толстый жидкий слой, содержащий 30% массы планеты! А узнали мы о его существовании довольно остроумным методом — благодаря сейсмическим волнам, происходящим от землетрясений!



В землетрясениях рождаются сейсмические волны двух типов: основная компрессионная, известная, как Р-волна, проходящая продольным путём



и вторая сдвиговая волна, известная, как S-волна, похожая на волны на поверхности моря.



Сейсмические станции по всему миру способны улавливать Р- и S-волны, но S-волны не проходят через жидкость, а Р-волны не только проходят через жидкость, но и преломляются!



В результате можно понять, что у Земли есть жидкое внешнее ядро, вне которого находится твёрдая мантия, а внутри – твёрдое внутреннее ядро! Вот поэтому в ядре Земли содержатся самые тяжёлые и плотные элементы, и так мы знаем, что внешнее ядро – это жидкий слой.

Но почему внешнее ядро жидкое? Как и все элементы, состояние железа, твёрдое, жидкое, газообразное, или другое, зависит от давления и температуры железа.



Железо – элемент более сложный, чем многие привычные вам. Конечно, у него могут быть разные кристаллические твёрдые фазы, как указано на графике, но нас не интересуют обычные давления. Мы спускаемся к ядру земли, где давления в миллион раз превышают давление на уровне моря. А как выглядит фазовая диаграмма для таких высоких давлений?

Прелесть науки в том, что даже если у вас сразу нет ответа на вопрос, есть вероятность, что кто-то уже делал нужное исследование, в котором можно найти ответ! В этом случае, Аренс, Коллинз и Чен в 2001 году нашли ответ на наш вопрос.



И хотя на диаграмме показаны гигантские давления до 120 ГПа, важно помнить, что давление атмосферы составляет всего лишь 0.0001 ГПа, в то время как во внутреннем ядре давления достигают 330-360 ГПа. Верхняя сплошная линия показывает границу между плавящимся железом (вверху) и твёрдым (внизу). Вы обратили внимание, как сплошная линия в самом конце совершает крутой поворот вверх?

Для того, чтобы железо плавилось при давлении 330 ГПа, требуется огромная температура, сравнимая с той, что преобладает на поверхности Солнца. Эти же температуры при меньших давлениях легко будут поддерживать железо в жидком состоянии, а при более высоких – в твёрдом. Что это означает с точки зрения ядра Земли?



Это означает, что с охлаждением Земли падает её внутренняя температура, а давление остаётся неизменным. То есть, при формировании Земли, скорее всего, жидкой было всё ядро, и по мере охлаждения внутреннее ядро растёт! И в процессе этого, поскольку у твёрдого железа плотность выше, чем у жидкого, Земля потихоньку сжимается, что приводит к землетрясениям!



Так что, ядро Земли жидкое, поскольку оно достаточно горячее, чтобы расплавить железо, но только в регионах с достаточно низким давлением. По мере старения и охлаждения Земли всё большая часть ядра становится твёрдой, и поэтому Земля немного сжимается!

Если мы захотим заглянуть далеко в будущее, мы можем ожидать появления таких же свойств, какие наблюдаются у Меркурия.



Меркурий благодаря малому размеру уже значительно охладился и сжался, и обладает разломами длиной в сотни километров, появившимися из-за необходимости сжатия благодаря охлаждению.

Так почему у Земли жидкое ядро? Потому, что она ещё не охладилась. И каждое землетрясение – это небольшое приближение Земли к конечному, остывшему и насквозь твёрдому состоянию. Но не волнуйтесь, задолго до этого момента взорвётся Солнце, и все, кого вы знаете, будут уже очень давно мертвы.
AdBlock has stolen the banner, but banners are not teeth — they will be back

More
Ads

Comments 32

    +3
    История Земли. Роберт Хайзен.
    Книга на эту тему, интересное начинается с гадейского эона — с самого раннего периода. Прочитал пока половину — хорошая.
      +2
      Ещё можно вспомнить Сорохтин, «Развитие Земли». Хороший баланс научной строгости и популярности изложения. Правда, я так понимаю, уже несколько устарела (написана в конце 90-х, например изложенная там теория возникновения Луны отличается от современной общепринятой).
      0
      > И каждое землетрясение – это небольшое приближение Земли к конечному, остывшему и насквозь твёрдому состоянию.

      Большинство землетрясений происходит в районе Японии и Камчатки из-за «континентального дрифта». К остыванию это если и имеет отношение, то весьма косвенное.
        0
        Охлаждение --> Конвекция в мантии --> Дрифт континентов --> Землетрясения
          0
          Не назвал бы 7 проц. большинством.
          http://zeml.info/statistika/
          0
          А сколько в ядре урана(-238)? Ведь его плотность существенно больше, чем у железа…
            0
            Скорее всего нисколько, ведь имеет значение не плотность элемента а плотность его соединений, а уран — очень химически активный, «предпочитает» соединятся с кислородом и т.о. всплывает наверх в мантию, а из мантии — в кору.
              +1
              Ну даже у оксида урана плотность 11 г/см3.
              Но тут больше играет растворимость одних веществ в других.
              0
              А сколько там золота! Ведь это один из самых тяжелых стабильных металлов.
              +6
              которые плавают над земной корой, которая находится над более плотной мантией, которая не тонет в самую плотную часть Земли: в кору.

              Исправьте перевод, кора != ядро = core ;)
                +3
                Спасибо за оптимистичную концовку, улыбнулся.
                • UFO just landed and posted this here
                    0
                    можно чуть подробнее? какая связь между деформацией и разогреванием?
                    • UFO just landed and posted this here
                        0
                        возьми баскетбольный мяч и периодически сжимай его руками. через какое время воздух внутри него разогреется до температуры плавления железа?
                        • UFO just landed and posted this here
                            +1
                            По той же причине спутниках Юпитера, Сатурна и Нептуна есть жидкая вода и вулканическая активность.

                            У всех этих спутников период вращения в итоге стал равен периоду обращения, так что приливные силы уже никакой работы не производят и, соответственно, ничего не разогревают.
                            • UFO just landed and posted this here
                            0
                            Если мяч хорошо теплоизолировать — то разогреется рано или поздно. А если туда еще добавить урану, который нагревается от радиоактивного распада — то нагреется значительно быстрее.
                        +1
                        Упоминавшийся мною выше Сорохтин подробно освещал вопрос.
                        Вкратце по памяти — имеется три основных механизма генерации тепла: 1) радиоактивный распад, 2) приливные взаимодействия, 3) банальная гравитационная дифференциация вещества (лёгкое всплывает, тяжёлое оседает, потенциальная энергия переводится в тепло). На разных этапах как относительный, так и абсолютный вклад этих механизмов сильно изменялся. Сейчас бОльшая часть (~90%) вырабатывается третьим механизмом.
                        0
                        «По мере старения и охлаждения Земли всё большая часть ядра становится твёрдой, и поэтому Земля немного сжимается!»

                        Странно, тогда почему растёт площадь земной коры в рифтовых долинах срединных океанических хребтов? Это факт, поэтому я пока считаю, что Земля немного расширяется. Расширяется за счёт роста объёма её мантии, которая выступает на поверхность в разломах в этих долинах, изливается из вулканических кратеров. В некоторых местах кора уходит под кору, но, баланс, по-моему, в пользу роста площади.
                        Почему может расти объём мантии? Например, по той же неизвестной причине, которая приводит к увеличению объёма Вселенной. Только темпы увеличения объёма разные.
                          –3
                          Написанная картина идеально соответствует модели мёртвой вселенной, в которой нет механизма самовоспроизводства материи.
                          Но реальная вселенная живая, работает процессом собственного бытия.Продуктом этой работы является равный пропорциональный прирост количества квантов электростатического поля и количества квантов магнитного поля, составляющих объём пространства материи физического вакуума, и количества Атомных Единиц Массы вещества. Относительная величина этого прироста есть Объёмная Постоянная Хаббла и имеет величину 6,591*10^-18 в секунду.
                          В грамме любого вещества работа процесса бытия рождает, приблизительно, 4 миллиона новых нейтронов в секунду. С соответствующими последующими трансмутациями нейтронов и атомов элементов вещества.
                          Те нейтроны, которые не захватываются ядрами атомов, в течение 14 минут и 40 секунд разделяются на протон, электрон и фотон, с общей энергией кинетического движения протона и электрона и энергии фотона 782000 электрон-вольт. Те нейтроны, которые поглощаются ядрами некоторых атомов, трансмутируют эти атомы в более тяжёлые изотопы исходных элементов. А те нейтроны, которые делятся на нейтрон, протон и фотон в тесной близости от ядер некоторых атомы, позволяют ядрам этих атомов поглотить протон или электрон и трансмутировать в атомы элементов с большим или меньшим количеством протонов в ядрах их атомов.
                          Плотность элементов периодически уменьшается и увеличивается по мере прироста количества протонов в ядрах атомов элементов.
                          Таким образом, в недрах планеты постоянно выделяется тепло. Атомы элементов вещества трансмутируют, объём этих атомов изменяется и трансмутировавшие атомы соответственно всплывают, если объём атомов увеличился, или тонут, если объём атомов уменьшается.
                          Значит, полного расслоения вещества планеты по разным слоям плотности никогда не может произойти из-за постоянно текущего квантовомеханического механизма трансмутации атомов элементов.
                          На протяжении периода времени 3,3325 миллиардов лет удваивается объём пространства материи физического вакуума и количества Атомных Единиц Массы.
                          Теперь про Солнце — ближайшую к нам звезду.
                          Количество энергии, выделяющейся в веществе Солнца в результате деления рождающихся нейтронов на протон, электрон и фотон полностью достаточно для обеспечения наблюдаемой астрономами светимости Солнца.
                          Подробности в статьях, которые свободно доступны в интернете:
                          1. А.К. Макеев. Всеобщая теория относительности // Труды Конгресса-2016. Фундаментальные проблемы естествознания и техники. Серия: Проблемы исследования Вселенной. – Санкт-Петербург, 2016, Т. 37, № 4. С. 177-268. ISSN 2304-0300.
                          2. А.К. Макеев. Самовоспроизводство материи // Materials of the international scientific-practical conference: «Prospects for the Development of Modern Science» – Jerusalem, Israel: Regional Academy of Management, 2016. – 535 p. P. 213-220. UDC 001.18 BBC 72 P 93 ISBN 978-601-267-398-2
                          3. Макеев А.К. Энергетика планет и звёзд как проявление равного пропорционального космологического прироста количества материи // SciTecLibrary.ru Дата публикации 04 января 2015 года

                          На сайте Проза.ру опубликованы научно-популярные статьи:
                          4. Некрофилы космологи веруют в смерть вселенной
                          5. Вакуум Эйнштейна противоречит реальности
                          6. Каков физический механизм гравитации
                          7. Объём в литрах килограмм-моля элементов
                          8. Строение Солнца и планет
                          9. Куда и как открыта система Вселенной
                          И т.д.
                            –1
                            Т.е. за 3,3 миллиарда лет наблюдаемая вселенная должна увеличится вдвое, так?
                              –1
                              Именно так. Удвоение совокупного объёма пространства и совокупной массы вещества за период времени 3,3325 миллиардов лет.
                                0
                                Тогда расстояние между объектами должно увеличиваться еще быстрее, чтобы избежать коллапса в нереально большую черную дыру. Это согласуется с видимым красным смещением?
                                  0
                                  По некоторым подсчётам — у ЧД массой со вселенную радиус равен размеру вселенной
                                  Это жжж неспроста!
                            +1
                            С такой концовкой статьи вам бы детские книжки писать :)
                              0
                              «Земля немного сжимается....» кто-нибудь это считал, какая скорость? современные системы гео позиционирования мне кажется способны ловить мм (доли мм) и должны подтвердить или опровергнуть расчеты, если они конечно есть.

                              Кстати в Японии проводили эксперимент на синхротроне, воссоздающим условия (по составу, температуре и давлению) земного ядра и получили интересные результаты. Земное внутреннее ядро состоит из отдельных, размером около 10км, железистых кристаллов, вытянутых с севера на юг, что кстати по одной из теорий объясняет сейсмическую аномалию, согласно которой землетрясения с севера на юг идут быстрее, чем поперек экватора.

                              Кстати выглядела экспериментальная установка примерно так:)

                              image

                                –1
                                Хорошая статья, можно только добавить некоторую информацию из первоисточников.

                                Большинство тяжелых металлов опустилось к центру земного шара 850.000.000 лет тому назад, и на земле впервые началась действительная стабилизация коры.
                                А сама солнечная система образовалась из массы Солнца, когда мимо проходила гигантская система Ангона, система странник, которая вытянула из Солнца огромную линзу солнечного вещества (4.500.000.000 лет назад), большая часть которой стала вращаться вокруг нашего Солнца.

                                http://www.urantia.org/ru/kniga-urantii/dokument-57-proishozhdenie-urantii#U57_5_1
                                  +1
                                  Но не волнуйтесь, задолго до этого момента взорвётся Солнце, и все, кого вы знаете, будут уже очень давно мертвы.

                                  Позитивное окончание статьи.
                                    0
                                    А теперь читаем про Кольскую скважину )
                                      –1
                                      А что могут сказать знающие о теории Александра Никонова о водородном ядре?

                                      Only users with full accounts can post comments. Log in, please.