Ядро Земли
Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Ядро́ Земли́ — центральная часть планеты Земля, геосфера, находящаяся под мантией Земли) и, предположительно, состоящая из железо-никелевого сплава с примесью других сидерофильных элементов. Глубина залегания — 2900 км. Разделяется на твердое внутреннее ядро радиусом около 1300 км и жидкое внешнее ядро диаметром около 2200 км, между которыми иногда выделяется переходная зона. Масса ядра — 1,932 1024 кг.
Известно о ядре очень мало — вся информация получена косвенными геофизическими или геохимическими методами, и образцы вещества ядра не доступны, и вряд ли будут получены в обозримом будущем. Однако фантасты уже несколько раз в подробностях описали путешествия к ядру Земли и несметные богатства там таящиеся. Надежда на сокровища ядра имеет под собой некоторые основания, так как согласно современным геохимическим моделям в ядре относительно велико содержание благородных металлов и других ценных элементов.
Содержание |
[править] История изучения
Вероятно 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 значительно больше, чем плотность характерная для пород выходящих на земную поверхность.
Существование было доказано в 1897 немецким сейсмологом Э. Вихертом, а глубина залегания (2900 км) определена в 1910 американским геофизиком Б. Гутенбергом.
Основоположник геохимии В. М. Гольдшмидт в 1922 году предположил, что ядро образовалось путём гравитационной дифференциации первичной Земли в период её роста или позже.
Альтернативную гипотезу, что железное ядро возникло ещё в протопланетном облаке, развивали немецкий учёный А. Эйкен (1944), американский учёный Э. Орован и советский учёный А.П. Виноградов (60-70-е гг.).
В 1941 г. Кун и Ритман, основываясь на гипотезе идентичности состава Солнца и Земли и на расчетах фазового перехода в водороде, предположили, что земное ядро состоит из металлического водорода. Эта гипотеза не прошла экспериментальную проверку. Эксперименты по ударному сжатию показали, что плотность металлического водорода примерно на порядок меньше, чем плотность ядра. Однако позже эта гипотеза была адаптирована для объяснения строения планет гигантов — Юпитера, Сатурна и тп. Сейчас предполагается, что их магнитное поле возникает именно в металлическом водородном ядре.
Кроме того В. Н. Лодочников и У. Рамзей предположили, что нижняя мантия и ядро имеют одинаковый химический состав — на границе ядро-мантия при 1.36 Мбар мантийные силикаты переходят в жидкую металлическую фазу (металлизованное силикатное ядро).
[править] Состав ядра
Состав ядра непосредственно не известен, и может быть предположительно оценён из нескольких источников. Во-первых, видимо, наиболее близкими веществу ядра образцами являются железные метеориты, которые, представляют собой фрагменты ядер астероидов и протопланет. Однако железные метеориты не могут быть полностью эквивалентны веществу земного ядра, так как они образовались в гораздо меньших телах, а значит при других физико-химических параметрах.
С другой стороны из данных гравиметрии известна плотность ядра, и это накладывает на его состав дополнительные ограничения. Так как плотность ядра примерно на 10 % меньше, чем плотность сплавов железо-никель, то предполагается, что ядро Земли содержит больше легких элементов, чем железные метеориты.
Наконец состав ядра можно оценить исходя из геохимических соображений. Если мы каким либо образом рассчитаем первичный состав Земли и вычислим какая доля элементов находится в других геосферах, то тем самым могут быть построены оценки состава ядра. Большую помощь в таких вычислениях оказывают высокотемпературные и высокобарические эксперименты по распределению элементов между расплавленным железом и силикатными фазами.
| Источник | Si, wt.% | Fe, wt.% | Ni, wt.% | S, wt.% | O, wt% | Mn, ppm | Cr, ppm | Co,ppm | P, ppm |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Allegre et al., 1995 | 7.35 | 79.39 | 4.87 | 2.30 | 4.10 | 5820 | 7790 | 2530 | 3690 |
| Mc Donough, 2003 | 6.0 | 85.5 | 5.20 | 1.90 | 0 | 300 | 9000 | 2500 | 2000 |
[править] Образование ядра
[править] Время формирования ядра
Образование ядра является одним из ключевых моментов истории Земли. Для определения возраста ядра были использованы следующие соображения:
- в веществе, из которого образовалась Земля, был изотоп 182Hf, который с периодом полураспада 9 миллионов лет превращается в изотоп 182W. Гафний является литофильным элементом, то есть при наличии выбора предпочтительно концентрируется в силикатной фазе, а вольфрам — сидерофильный элемент, и предпочитает концентрироваться в металлической фазе.
- Из анализа не фракционированных хондритов известно первичное соотношение изотопов гафния и вольфрама.
- Если ядро образовалось через время большее, чем время полураспада 182Hf, то он бы успел почти полностью превратиться в 182W, и во время отделения ядра этот изотоп сконцентрировался бы в ядре, а силикатная часть Земли была бы им значительно обеднена.
- Если ядро образовалось быстрее, чем распался 182Hf, то распад гафния происходил бы в силикатной части Земли и 182W остался в ней.
Основываясь на этой модели можно рассчитать время разделения металлической и силикатной части Земли. Они показали, что ядро сформировалось за время меньше 30 миллионов лет, с момента образования Земли.
Аналогичные расчеты можно сделать для металлических метеоритов, которые являются фрагментами ядер мелких планетарных тел. Оказалось, что в них формирования ядра происходило значительно быстрее, за время порядка нескольких миллионов лет.
[править] Теория Сорохтина и Ушакова
Описанная модель не является единственной. Так по модели Сорохтина и Ушакова, изложенной в замечательной книге «Развитие Земли» процесс формирования земного ядра растянулся приблизительно на 1,6 млрд лет (от 4 до 2,6 млрд лет назад). По мнению авторов образование ядра происходило в два этапа. Сначала планета была холодной, и в её глубинах не происходило никаких движений. Затем она прогрелось радиоактивным распадом достаточно для того, чтобы начало плавиться металлическое железо. Оно стало стекаться к центру земли, при этом за счет гравитационной дифференциации выделялось большое количество тепла, и процесс отделения ядра только ускорялся. Этот процесс шел только до некоторой глубины, ниже которой вещество было такое вязкое, что железо погружаться уже не могло. В результате образовался плотный (тяжелый) кольцевой слой расплавленного железа и его окиси. Он располагался над более легким веществом первозданной «сердцевины» Земли.
Затем произошло выдавливание силикатного вещества из центра Земли, причем оно было выдавлено на экваторе и тем самым дало начало асимметрии планеты.
[править] Механизм формирования ядра
Об механизме образования ядра известно очень мало. Согласно различным оценкам формирование ядра происходило при давлениях и температурах близких, тем какие сейчас в верхней и средней мантии, а не в планетозималях и астероидах. Это не значит, что акреция земли происходила из не дифференцированного вещества. Просто при акреции происходила его новая гомогенизация.
| Атмосфера | |||||||||||||
| Биосфера | |||||||||||||
| Гидросфера | |||||||||||||
| Кора |
|
|
|||||||||||
| Граница Мохоровичича | |||||||||||||
| Мантия |
|
||||||||||||
| Граница ядро-мантия | |||||||||||||
| Ядро |
|
||||||||||||
[править] Литература
- Петрографический словарь, В. Рыка, А.Малишевская, М:"Недра", 1989
- Allegre, C.J., Poirier, J.P., Humler, E. and Hofmann, A.W. (1995). The Chemical-Composition of the Earth. Earth and Planetary Science Letters 134(3-4): 515—526. doi: 10.1016/0012-821X(95)00123-T.
- Treatise on Geochemistry, 2003, Volume 2 The Mantle and Core:
- Partition Coefficients at High Pressure and Temperature K. Righter and M. J. Drake
- Experimental Constraints on Core Composition J. Li
- Compositional Model for the Earth’s Core W. F. Mc Donough.
- Geochemical Evidence for Excess Iron in the Mantle Beneath Hawaii Munir Humayun, Liping Qin, Marc D. Norman
