Как люди нашли ядро земли

Люди заполнили Землю. Мы завоевывали земли, летали по воздуху, ныряли в глубины океана. Мы даже побывали на Луне. Но мы никогда не были в ядре планеты. Мы даже и близко к нему не подобрались. Центральная точка Земли находится в 6000 километрах внизу, и даже самая дальняя часть ядра находится в 3000 километрах под нашими ногами. Самая глубокая дыра, которую мы сделали на поверхности — это Кольская сверхглубокая скважина в России, да и то она уходит вглубь земли на жалкие 12,3 километра.

Все известные события на Земле происходят близко к поверхности. Лава, которая извергается из вулканов, сначала плавится на глубине нескольких сотен километров. Даже бриллианты, которым необходимо чрезвычайное тепло и давление для образования, рождаются в породах на глубине не более 500 километров.

Все, что ниже, окутано тайной. Кажется недостижимым. И все же мы знаем довольно много интересного о нашем ядре. У нас даже есть некоторое представление о том, как оно сформировалось миллиарды лет назад — и все без единого физического образца. Как же нам удалось узнать так много о ядре Земли?

Для начала нужно хорошо подумать о массе Земли, говорит Саймон Редферн из Кембриджского университета в Великобритании. Мы можем оценить массу Земли, наблюдая за эффектом гравитации планеты, который она оказывает на объекты на поверхности. Выяснилось, что масса Земли составляет 5,9 секстиллиона тонн: это 59 с двадцатью нулями.

Но на поверхности нет признаков такой массы.

«Плотность материала на поверхности Земли намного ниже, чем средняя плотность всей Земли, что говорит нам о том, что есть что-то более плотное, — говорит Редферн. — Это первое».

По существу, большая часть земной массы должна быть расположена по направлению к центру планеты. Следующим шагом будет выяснить, из каких тяжелых материалов состоит ядро. И оно состоит почти полностью из железа. 80% ядра — это железо, однако точную цифру еще придется выяснить.

Главным доказательством этого является огромное количество железа во Вселенной вокруг нас. Это один из десяти самых распространенных элементов в нашей галактике, который также часто встречается в метеоритах. При всем этом на поверхности Земли намного меньше железа, чем можно было бы ожидать. Согласно теории, когда Земли образовалась 4,5 миллиарда лет назад, много железа утекло вниз к ядру.

Там сосредоточена большая часть массы, а значит, и железо должно там быть. Железо также относительно плотный элемент при нормальных условиях, а под сильным давлением в ядре Земли оно будет еще плотнее. Железное ядро могло бы объяснить всю недостающую массу.

Но погодите. Как железо вообще там оказалось? Железо должно было каким-то образом притянуться — в буквальном смысле — к центру Земли. Но сейчас этого не происходит.

Большая часть остальной Земли состоит из горных пород — силикатов — и расплавленное железо с трудом через них проходит. Подобно тому, как вода на жирной поверхности образует капли, железо собирается в небольших резервуарах, отказываясь растекаться и разливаться.

Возможное решение было обнаружено в 2013 году Венди Мао из Стэнфордского университета и ее коллегами. Они задались вопросом, что происходит, когда железо и силикат подвергаются сильному давлению глубоко в земле.

Плотно сжимая оба вещества при помощи алмазов, ученым удалось протолкнуть расплавленное железо через силикат. «Это давление существенно изменяет свойства взаимодействия железа с силикатами, — говорит Мао. — При высоком давлении образуется «сеть плавления».

Это может говорить о том, что железо постепенно проскальзывало через породы Земли в течение миллионов лет, пока не достигло ядра.

В этот момент вы можете спросить: откуда мы, собственно, знаем размер ядра? Почему ученые считают, что оно начинается в 3000 километрах? Ответ один: сейсмология.

Когда происходит землетрясение, оно посылает ударные волны по всей планете. Сейсмологи записывают эти колебания. Будто бы мы бьем по одной стороне планеты гигантским молотом и прислушиваемся к шуму на другой стороне.

«В 1960-х годах произошло землетрясение в Чили, которое дало нам огромное количество данных, — говорит Редферн. — Все сейсмические станции по всей Земле записывали толчки этого землетрясения».

В зависимости от маршрута этих колебаний, они проходят через разные участки Земли, и это влияет на то, какой «звук» они издают на другом конце.

В начале истории сейсмологии стало очевидно, что некоторые колебания пропали без вести. Эти «S-волны» ожидали увидеть на другом конце Земли после происхождения на одном, но не увидели. Причина этому простая. S-волны реверберируют через твердый материал и не могут проходить через жидкость.

Должно быть, они столкнулись с чем-то расплавленным в центре Земли. Составив карту путей S-волн, ученые пришли к выводу, что на глубине примерно 3000 километров породы становятся жидкими. Это также говорит о том, что все ядро расплавленное. Но у сейсмологов был и другой сюрприз в этой истории.

В 1930-х годах датский сейсмолог Инге Леман обнаружила, что другой тип волн, P-волны, неожиданно прошли через ядро и были обнаружены на другом конце планеты. Сразу последовало предположение, что ядро разделено на два слоя. «Внутреннее» ядро, которое начинается в 5000 километрах внизу, были твердым. Расплавлено только «внешнее» ядро.

Идея Леман была подтверждена в 1970 году, когда более чувствительные сейсмографы показали, что P-волны действительно проходят через ядро и, в некоторых случаях, отражаются от него под некоторыми углами. Неудивительно, что в конце концов они оказываются на другой стороне планеты.

Ударные волны через Землю отправляют не только землетрясения. На самом деле, сейсмологи многим обязаны развитию ядерного оружия.

Ядерный взрыв тоже создает волны на земле, поэтому государства обращаются за помощью к сейсмологам во время испытания ядерного оружия. Во время холодной войны это было чрезвычайно важно, поэтому сейсмологи вроде Леман получили большую поддержку.

Конкурирующие страны узнавали о ядерном потенциале друг друга и параллельно с этим мы узнавали все больше и больше о ядре Земли. Сейсмология до сих пор используется для обнаружения ядерных взрывов сегодня.

Теперь мы можем нарисовать примерную картину строения Земли. Есть расплавленное внешнее ядро, которое начинается примерно на полпути к центру планеты, а внутри него расположено твердое внутреннее ядро с диаметром примерно 1220 километров.

Вопросов от этого не становится меньше, особенно на тему внутреннего ядра. К примеру, насколько оно горячее? Выяснить это оказалось не так-то просто, и ученые долгое время ломали голову, говорит Лидунка Вокадло из Университетского колледжа Лондона в Великобритании. Мы не можем засунуть туда термометр, поэтому единственный возможный вариант — это создать нужное давление в лабораторных условиях.

При обычных условиях железо плавится при температуре 1538 градусов

В 2013 году группа французских ученых произвели лучшую оценку на сегодняшний день. Они подвергли чистое железо давлению в половину того, что имеется в ядре, и отталкивались уже от этого. Температура плавления чистого железа в ядре составляет примерно 6230 градусов. Присутствие других материалов может немного снизить точку плавления, до 6000 градусов. Но это все равно горячее, чем на поверхности Солнца.

Будучи своего рода поджаренной картошкой в мундире, ядро Земли остается горячим, благодаря теплу, оставшемуся от образования планеты. Оно также извлекает тепло из трения, возникающего по мере движения плотных материалов, а также распада радиоактивных элементов. Остывает оно примерно на 100 градусов по Цельсию каждый миллиард лет.

Знать эту температуру полезно, поскольку она влияет на скорость прохождения колебаний через ядро. И это удобно, потому что в этих вибрациях есть что-то странное. P-волны проходят неожиданно медленно через внутреннее ядро — медленнее, чем если бы оно состояло из чистого железа.

«Скорости волн, которые сейсмологи измерили в землетрясениях, значительно ниже, чем показывает эксперимент или компьютерный расчет, — говорит Вокадло. — Никто пока не знает, почему так».

Очевидно, к железу примешивается другой материал. Возможно, никель. Но ученые посчитали, как сейсмические волны должны проходить через железо-никелевый сплав, и не смогли подогнать расчеты под наблюдения.

Вокадло и ее коллеги в настоящее время рассматривают возможность присутствия в ядре других элементов, например, серы и кремния. Пока никто не смог придумать теорию состава внутреннего ядра, которая удовлетворила бы всех. Проблема Золушки: туфелька никому не подходит. Вокадло пытается экспериментировать с материалами внутреннего ядра на компьютере. Она надеется найти комбинацию материалов, температур и давления, которые будут замедлять сейсмические волны на правильную величину.

Она говорит, что секрет может скрываться в том факте, что внутреннее ядро находится почти в точке плавления. В результате этого точные свойства материала могут отличаться от тех, что принадлежали бы совершенно твердому веществу. Также это могло бы объяснить, почему сейсмические волны проходят медленнее, чем ожидалось.

«Если этот эффект реален, мы могли бы примирить результаты минеральной физики с результатами сейсмологии, — говорит Вокадло. — Люди пока не могут этого сделать».

Существует еще много загадок, связаных с ядром Земли, которые еще предстоит решить. Но не имея возможности погрузиться на эти невообразимые глубины, ученые совершают подвиг, выясняя, что находится в тысячах километров под нами. Скрытые процессы недр Земли чрезвычайно важно изучать. У Земли есть мощное магнитное поле, которое генерируется благодаря частично расплавленному ядру. Постоянное движение расплавленного ядра порождает электрический ток внутри планеты, и он, в свою очередь, генерирует магнитное поле, которое уходит далеко в космос.

Это магнитное поле защищает нас от вредного солнечного излучения. Не будь ядро Земли таким, каким оно является, не было бы магнитного поля, а мы бы серьезно от этого страдали. Вряд ли кто-нибудь из нас сможет увидеть ядро своими глазами, но хорошо просто знать, что оно там есть.

Открытие ядра Земли является одним из важнейших исторических событий в науке. Изучение ядра позволило сделать много открытий и изменить наше представление о структуре нашей планеты.

Исследование ядра Земли началось еще в 19 веке, когда ученые начали исследования внутреннего строения Земли с помощью сейсмических волн. Это привело к открытию нескольких слоев Земли, таких как кора, мантия и ядро.

Однако, настоящий прорыв в изучении ядра произошел в 20 веке, когда ученые начали использовать более точные методы исследования. Были проведены эксперименты по измерению плотности, температуры и давления в ядре.

Одной из важнейших открытий было то, что ядро Земли состоит в основном из железа и никеля, а также имеет высокую температуру и давление, поэтому это неоднородное вещество с переменной вязкостью и консистенцией.

Сегодняшние исследования ядра Земли продолжаются, и ученые продолжают открывать новые факты о нашей планете. Эти открытия важны для понимания не только Земли, но и планет вообще в Солнечной системе.

История изучения ядра Земли

Первые гипотезы

Еще в древности люди задумывались о том, что находится внутри Земли. Древнегреческие ученые считали, что Земля плоская, а находившийся под ней огромный камень не позволяет ей упасть в пропасть.

В XVII веке британский ученый Исаак Ньютон высказал гипотезу, что Земля имеет твердое ядро, окруженное жидкостью.

Открытие ядра Земли

Первооткрывателем ядра Земли стал норвежский ученый Валис Нильсен в 1914 году. Он пришел к выводу о существовании ядра, изучая данные сейсмических волн.

Следующим этапом стало бурение скважин. В 1970 году была произведена самая глубокая скважина, которая достигла глубины 12,2 км. Благодаря этому удалось изучить состав Земли и ее внутреннюю структуру.

Что мы знаем о ядре Земли?

• Ядро Земли состоит преимущественно из железа и никеля;
• Жидкое внешнее ядро является источником магнитного поля;
• Стоит гипотеза о том, что внутреннее ядро состоит из твердой решетки железа.

Дальнейшие исследования помогут нам узнать еще больше о загадочном ядре Земли.

Первые предположения и исследования

Древние люди уже давно задумывались о том, что находится под поверхностью Земли. В древности греки предполагали, что сердце земли горячая железная шара. В средневековье некоторые ученые думали, что ядро Земли заполнено водой или серой.

Первые научные исследования были начаты в XVII веке. Роберт Бойл провел эксперименты, который показали, что Земля не может быть полностью заполнена водой, как предполагали ранее. В XIX веке ученые начали исследовать магнитное поле Земли, чтобы определить, что находится в ее ядре. В 1906 году американский геофизик Томас Келлогг предположил, что ядро Земли состоит из железа и никеля.

• Греки предполагали, что ядро Земли – горячая железная шара.
• Роберт Бойл провел эксперименты, который показали, что Земля не может быть полностью заполнена водой.
• Томас Келлогг в 1906 году предположил, что ядро Земли состоит из железа и никеля.

Научное подтверждение существования ядра

Вопрос о наличии ядра Земли возник еще в древности и был предметом многих философских дискуссий. Однако, научное подтверждение его существования было получено только в начале XX века благодаря геофизическим исследованиям.

Одним из ключевых экспериментов был сейсмический тест, проведенный Дейвидом Ламбом в 1906 году. Он отправил в США несколько сейсмических волн от землетрясения на Новой Зеландии и заметил, что они проходят через Землю с разной скоростью. Ламб сделал вывод, что земная кора не является однородным материалом, а состоит из нескольких слоев.

Однако, это не объясняло пониженной скорости сейсмических волн на глубинах более 2900 км. Решающим экспериментом стало проникновение радиоволны через Землю, подтвердившее существование металлического ядра. В 1936 году Ингвар Хельштрём совместно с соотечественником электроинженером Халлвардом Мангольдом провел такой эксперимент и получил доказательство существования ядра Земли.

• Радиоволновой метод эксперимента сочетает в себе использование технологий из разных научных областей: электротехники, физики и геологии.
• Существует множество других методов, которые подтверждают существование земного ядра, такие как гравитационные измерения, изучение вращения Земли и другие.

Сегодня, благодаря научному прогрессу, мы имеем обширные знания о ядре Земли. Знание этого феномена позволяет нам лучше понимать происхождение планеты, геологические процессы и прогнозировать землетрясения.

Строение ядра Земли и его свойства

Ядро Земли – это сферический участок внутри Земли, находящийся под мантией. Его радиус составляет около 3500 км. Состав ядра Земли известен благодаря результатам геологических и геофизических исследований.

Анализ данных позволяет сделать вывод о том, что в состав ядра Земли входят преимущественно железо (около 85%) и никель (около 10%). В дополнение к этому могут присутствовать другие элементы, такие как серная, кислородная, кремнеземная.

Ядро Земли имеет свойства магнитного поля. Магнитное поле Земли возникает благодаря кружению жидкого вещества в ядре Земли. В силу этого Земля обладает способностью отводить опасные частицы солнечного ветра в сторону, что защищает живые организмы на планете.

Также, ядро Земли генерирует тепловой поток, который приводит к тектоническим процессам на Земле. Это связано с конвекциями жидкого железа, находящегося в непосредственной близости к границе ядра и мантии.

• Железо – основной элемент состава ядра Земли
• Магнитное поле Земли – свойство ядра
• Генерация теплового потока – важная функция ядра

Перспективы изучения ядра Земли

Открытие ядра Земли было одной из величайших научных достижений человечества, но до сих пор мы знаем о нем не так много. Изучение ядра Земли имеет огромный научный потенциал и может помочь в решении многих проблем.

• Климатические изменения: Разгадывание тайн ядра Земли позволит нам лучше понимать, как оно взаимодействует с атмосферой и климатом. Это может дать ответы на вопросы, связанные с изменением климата.
• Геологические процессы: Изучение ядра Земли поможет нам лучше понять происхождение планеты и эволюцию геологических процессов. Это может дать ответы на вопросы, связанные с сейсмической активностью, вулканизмом и тектоническими движениями.
• Управление ресурсами: Изучение ядра Земли может помочь нам лучше понять, где находятся полезные ископаемые и как они распределены в глубине планеты. Это может дать ответы на вопросы, связанные с нефтью, газом и другими ресурсами.

Поиск решений на эти проблемы является крайне важным для нашего будущего и изучение ядра Земли играет важную роль в достижении этой цели. Каждое новое открытие и исследование предоставляет нам более подробную информацию о давно известном, но до сих пор малоизученном внутреннем мире нашей планеты.

Существование твердого ядра внутри нашей планеты было обнаружено, благодаря отражению от него сейсмических волн. Чувствительные приборы сейсмографов зафиксировали волны, оттолкнувшиеся от границ внутренней твердой поверхности земного ядра. Впервые об этом стало известно в 1936 году, от Инги Леманн, исследовательницы из Дании, а впоследствии граница была названа ее именем. Вскоре после обнаружения твердой внутренней структуры планеты, появилась гипотеза о высоком содержании в ядре железа, что было научно доказано в 1971 году.

Как изучают ядро Земли?

Практически любой шарообразный космический объект может иметь внутри ядро, иногда с простой, а чаще всего — с многослойное структурой. Внутри громадных небесных тел молекулы различных металлов могут значительно изменять наиболее свойственные им признаки, разрастаясь в кристаллы гигантских размеров. Одновременно они могут превращаться в жидкие формы, активно генерирующие электрическую энергию. Для астрофизической науки подобные метаморфозы внутреннего и внешнего ядер планеты представляются аномальными явлениями. Однако, без всех этих превращений внутри Земли, жизнь на ней могла и не возникнуть.

Изучать внутреннее устройство Земли, располагая современными техническими возможностями, представляется непростой задачей. Удалось измерить расстояние от его верхней оболочки до поверхности планеты, оно составляет 2,9 тысячи километров. Геологическая разведка пока не может бурить скважины до подобных глубин. Кроме того, температура раскаленного ядра проникает в нижние слои породы. Зонд, опущенный в Кольскую скважину, на глубине 12-ти километров показал значение, несовместимое с жизнью человека, которое равно 220-ти градусам выше нуля. Пока технологически сложно изготавливать чувствительную аппаратуру, которая может не только точно работать при таких температурах, но и возвращаться из скважин в первоначальной сохранности.

Обнадеживающие перспективы по устройству сверхглубоких скважин наталкиваются на необходимость преодоления литосферы, за которой лежит раскаленная мантия. Она состоит из металлов, расплавленных до пластичного состояния. Совсем недавно рассматривался научный проект, который предлагал небольшому зонду, размером с футбольный мяч, добраться до середины Земли. Если бы удалось изобрести материал, выдерживающий на протяжении какого-то времени температуру вулканической массы, расплавленной до показателей в +2-3 тысячи градусов, то такой аппарат мог бы всего за несколько дней попасть в ядро, вместе с потоком пластичного металла. Однако технологии производства супер материалов пока не достигли таких возможностей, и проект остался на бумаге.

Совершенствование методов изучения земного ядра по-прежнему остается в ведении сейсмологов. Любые сильные колебания поверхностного слоя Земли, такие как землетрясения, вулканическая деятельность или испытания мощных бомб, сначала расходятся по верхней оболочке планеты, а затем достигают глубоких недр. Подобно преломлению волн света, при их прохождении через стекло, колебания преодолевают твердую оболочку ядра. По характерным показателям силы и направления сейсмических волн, ученые в настоящее время могут рассчитывать величину и плотность ядра с достаточной точностью.

Существуют и побочные геологические признаки состояния земного ядра. Так, по состоянию магнитного поля планеты можно проследить динамику вращения ее плазменной сердцевины. Такая возможность случайно представилась, когда в работе телескопа Хаббл, находящегося на околоземной орбите, возникли перебои. При этом астрофизики смогли обнаружить изменения в направлении расплавленных потоков, оказывающих влияние на положение магнитных полюсов планеты.

Строение ядра Земли

Желание знать о собственном космическом доме как можно больше информации заставляет ученых находить методы изучения невидимого ядра Земли. На сегодняшний момент известно, что внутренняя масса планеты занимает около 15 % от всего объема. При этом, его масса определена в количестве 30 % от земной, что говорит о большой плотности вещества, из которого состоит ядро. Диаметр внутреннего тела составляет 7 тысяч километров, превосходя не только спутник, но даже соседнюю планету Марс. Ядро не однородно по своему составу, в нем имеется внутренняя часть, вращение которой происходит в обратном направлении, по отношению к его внешней оболочке.

Современные представления о структуре ядра позволяют видеть его, как взаимное динамичное вращение внутренней и внешней частей, которые двигаются в противоположных направлениях вокруг земной оси. Одно из них происходит с востока на запад, а другое, соответственно, навстречу. Температуру внутри планетарного ядра ученые оценивают близкой к 6-ти тысячам градусов. Высокая энергия, поддерживающая большую раскаленность ядра, примерно такую же, как у светила, обеспечивается не только ядерными реакциями, но и большой силой гравитационного сжатия. Известно, что оно может превышать давление в атмосферных слоях в 3,5 миллиона раз. В свою очередь, сила сжатия в ядре служит ускорителем для большей продуктивности ядерных реакций.

Внешнее ядро

Прямо под мантией находится внешний слой планетарного ядра, занимающего пространство на глубинах от 2,3 до 2,9 километров. Оно состоит из такого же расплавленного металла, как и более глубокие субстанции. Высокая температура и недостаточная плотность для образования металла позволяют ему оставаться в виде огромных жидких кристаллов. В этой внешней структуре происходит закручивание энергетических потоков, действующих под воздействием вращения планеты вокруг своей оси.

Оказалось, что Земле очень повезло с существованием у нее жидкой верхней оболочки ядра, так как она отвечает за состояние магнитного поля. Оно служит самым важным условием поддержания жизни всех биологических организмов на планете, потому что представляет собой своеобразный щит, способный задерживать солнечный ветер и другие космические частицы с опасными зарядами. Оказалось, что главной причиной выживания организмов стала работа магнитного поля, порожденного динамикой частиц железа и никеля внутри планеты. Периодический выход вулканических пород происходит в результате перегрева восходящих потоков расплавленной магмы, находящихся во внешней оболочке ядра.

Внутреннее ядро

Самой плотной частью ядра является его внутренняя часть, которая представляет собой сильно сжатую сердцевину, с диаметром 1220 километров. Огромная плотность густого металла превышает концентрацию молекул железа в 2 раза. Вещество раскалено здесь до 5-6 тысяч градусов, что сопоставимо с температурой на поверхности Солнца. Несмотря на высокие температуры, превышающие точки плавления многих металлов, вещество все-таки твердеет из-за огромного давления среды. В результате образуются достаточно устойчивые и сложные по форме кристаллы вещества. Моделирование строения внутренней полости планеты позволило японским исследователям утверждать, что густой лес из многочисленных кристаллов в ядре имеет строгое направление верхушек с южной стороны на север.

Самое «внутреннее» ядро

Гравитационные взаимодействия между планетами, Солнцем и спутниками вызывают различные колебания в направлении кристаллов ядра. Некоторые из них могут быть направлены с востока на запад, составляя еще одно внутреннее ядро. Такие выводы были сделаны с помощью геологических наблюдений за сейсмическими сигналами, которые иногда показывали отклонения от обычных данных. Также на выводы повлияла особенность строения планеты, имеющей эллиптическое расширение в области экватора.

Как формировалось ядро Земли?

Солнечным сердцем наделены все планеты системы, от карликовых до крупных газовых гигантов. Процентное соотношение ядра к внешней оболочке меняется в зависимости от возраста и величины небесного тела. Их возникновение начинается в среде туч из газа, которые сопровождают звезды. Газовые сгустки поначалу скапливаются вокруг ледяных или каменных глыб, притягивая все больше космической пыли. По мере нарастания объема нового космического объекта, увеличивается его гравитация, под воздействием которой к центральной части начинают собираться наиболее тяжелые вещества, выталкивая газы на поверхность. Таким образом, никель, железо и другие металлы оказываются внутри, а кислород — в наружной атмосфере. Глобальное перемещение химических веществ в рамках гравитации вызывает образование энергии, раскаляющей ядро до состояния плазмы и придающей небесному телу все более сферический облик. Многослойный шар, рожденный солнечной энергией, путем динамики веществ и гравитации, в итоге превращается в защищенную и теплую планету.

До центра ядра Земли 6000 километров, до внешней части ядра — 3000 км. Людям пока удалось просверлить дырку глубиной 12,5 километров. Этого, конечно, недостаточно для того, чтобы судить о глубинах нашей планеты. Причем почти наверняка можно утверждать, что никогда мы до центра Земли не доберемся.

Почти все, что мы знаем об устройстве Земли, нам сообщают науки сейсмология и физика минералов. Например, где-то случилось землетрясение или проводятся ядерные испытания. Многочисленные станции фиксируют движение сейсмических волн, выполняют соответствующие математические вычисления. Эти данные сообщают, в том числе, о физических свойствах ядра.

Другой источник информации — мантийные вещества, то есть минералы, поднимаемые на земную поверхность вместе с магмой. В частности, такими пришельцами являются алмазы.