Что является самым горячим в структуре планеты земля
Почему Земля внутри горячая и совершенно не остывает
Ядро Земли — самая загадочная часть нашей планеты. Информации о нем практически нет. Все данные приблизительны, так как получены косвенными геофизическими или геохимическими методами. Доподлинно известно одно — оно горячее и не остывает на протяжении уже более 4,5 млрд лет.
Высокая температура внутри планеты обусловлена первородными характеристиками ядра и его постоянным подогревом. Температура держится на отметке около 5000–6000 °C из-за распада радиоактивных элементов во внешней жидкой части ядра. Благодаря гравитации повышается давление ближе к центру планеты. Но вклад ее в разогрев внутренностей Земли мал, поскольку температура жидкостей и твердынь с изменением давления практически не меняется.
Когда земля формировалась, она в целом имела высокую температуру и была от основания до поверхности жидкой. Все «тяжелые» элементы утопали в ней, постепенно доплывая до центральных областей. Ученые провели несколько опытов с элементами, находящимися в ядре, и выяснили, что уран-238 погружался и продвигася к ядру планеты почти с такой же скоростью, с которой кусок базальта тонет в воде. В результате все тяжелые элементы постепенно осели, железное ядро приобрело свою плотность, которая равна 12,5 г/см3. Для сравнения плотность железа — 7,874 г/см3.
После оседания началась стадия распада радиоактивных элементов урана-238 и тория-232. Именно эти реакции поддерживают жар в железном ядре планеты уже миллиарды лет, компенсируя выход на поверхность первичного тепла.
«Двойное дно»
Известно, что ядро Земли сформировано из двух частей — внешней и внутренней. Внутренняя часть твердая, состоит из застывшего сплава железа и никеля, а также нескольких легких элементов. Она залегает в самом центре сферы на удалении 5100 км от поверхности и имеет радиус 1220 км.
Внешнее ядро располагается в 2900 км от поверхности Земли и имеет толщину примерно 2200 км. Этот слой состоит из железа, никеля и тяжелых веществ, которые подвергаются постоянному распаду.
Считается, что внутренняя твердая сфера постоянно увеличивается, потому что внешнее кипящее ядро при соприкосновении с более холодным внутренним затвердевает. Есть гипотезы о том, что вся планета постепенно остывает, на 100°C за 1 млн лет. Но это не предполагает гибель Земли, по крайней мере в ближайшие несколько миллиардов лет, но когда-нибудь сердцевина все же остынет.
Теория распада подтверждена
Гипотеза о том, что Земля внутри горячая из-за радиоактивного распада урана-238 и тория-232 рассматривается учеными как достоверная и доказанная. К этим выводам еще в 2005 году пришли специалисты американо-японской коллаборации KamLAND. Им удалось обнаружить антинейтрино, испускаемые при распаде атомных ядер и поднимающиеся из глубин планеты.
Исходя из числа антинейтрино, выходящих на поверхность, ученые сделали вывод, что мощность распада атомных ядер составляет 16 тераватт. Это восполняет около половины рассеянного Землей тепла. Конечно, любое космическое тело остывает, и это научно доказано. Но Земля еще полна внутреннего жара, поэтому нам и нашим предкам в 1000-м поколении переживать по этому поводу совершенно не зачем.
Почему ядро Земли горячее
Относительно недавно британскими учёными была разработана и пояснена схема процессов, в соответствии с которыми ядро планеты Земля остаётся горячим. Ранее считалось, что оно постепенно остывает. Но в настоящее время выяснено, что, наоборот, в некоторых местах оно нагревается. Ответ на вопрос, почему ядро Земли горячее, будет дан в статье.
Описание
Вещество, находящееся в центральной части нашей планеты, представляет собой субстанцию, окружённую большим количеством загадок. Всё это связано с тем, что ни одному учёному не довелось подержать в руках его образец. Даже с учётом развития технологий добыть его невозможно, т. к. глубина залегания составляет 2900 км от поверхности Земли, а учёные смогли добраться вглубь только на 12 км 290 м. Так что современные знания о ядре несовершенны и противоречивы.
Температура ядра Земли
История и современность
Учёные всегда считали, что ядро Земли возникло 4,5 миллиардов лет тому назад. Сначала оно считалось раскалённым, а потом случилось его медленное остывание, что продолжается до настоящего момента времени. При этом выделяемое тепло способно подниматься через мантию до коры вследствие процесса конвекции. Именно эти потоки обеспечивают «подпитку» ядерной части планеты и формированию магнитного поля. Однако эти исследования так и не позволили найти ответ на вопрос, почему ядро Земли горячее.
В соответствии с более современной моделью в ядерной части может происходить обратный процесс, который влечёт за собой не только остывание, но и нагревание/плавление. Такой вывод был сделан с учётом явления конвекции, а также анализа базовых сейсмических данных. В результате сложилась уникальная картина: на границе ядра и мантии могут протекать различные процессы, которые зависят от вышележащего слоя мантии. Они отчасти и определяют ситуацию у поверхности планеты.
Таким образом, мы рассмотрели, почему ядро Земли горячее и не остывает, и какие процессы на нем происходят.
Почему ядро Земли горячее?
Земля уже существует 4 миллиарда 600 миллионов лет. Долгое время, и все же, по какой-то причине, её поверхность не остыла и до сих пор удивляет активностью.
Внутренности многих планет остаются горячими из-за ядерных реакций, а точнее радиогенных процессов. В случае Земли это в основном распады изотопов урана, тория и калия.
Как быстро камень может остыть? Даже если он достаточно процветающий, скажем, размером с планету?
Миллионов, не говоря уже о миллиардах лет, должно быть более чем достаточно, чтобы полностью охладить и укрепить его. Это вызвано нашей интуицией, поддерживаемой вторым непобедимым законом термодинамики. Мы все знаем, что каждое тело отдает тепло своему окружению, и каждый костер должен когда-нибудь погаснуть.
Тем не менее, несмотря на здравый смысл, «вечное тепло», похоже, царит глубоко под поверхностью земной коры. Итак, давайте посмотрим на саму суть нашей планеты.
Никель-железный шар диаметром 7 тыс. километров, объединяющий почти 1/3 массы всего земного шара, остается постоянно освещенным до температуры свыше 5,5 тыс. С. Через 4,6 миллиарда лет внутренняя часть нашей планеты все еще генерирует густые тераватты энергии и горит немного меньше, чем поверхность Солнца. И пусть не будет никаких сомнений, что тепло от мантии и ядра протекает максимально, даже в процессе конвекции.
Расплавленное вещество под нашими ногами неутомимо поднимается, отдавая часть температуры, затем сгущается и снова начинает падать к центру.
Планеты не имеют достаточной массы (или в нашем случае достаточного количества топлива), чтобы обеспечить необходимые условия для поддержания синтеза. Однако у нас есть примеси тяжелых радиоактивных изотопов, которые легко подвергаются самопроизвольному распаду, что сопровождается выделением определенных порций энергии.
Любознательные читатели могут задаться вопросом, откуда, черт возьми, мы знаем о ядерных реакциях, происходящих совершенно за пределами нашего поля зрения. Действительно, это довольно необычно, потому что большая часть современных геологических моделей была создана с использованием нейтринных детекторов, а точнее электронных антинейтрино. Чаще всего мы связываем эти крошечные проникающие частицы с космическими источниками (например, солнечными нейтрино), но их излучение сопровождает многие физические явления, особенно отдельные ядерные распады.
Следует отметить еще два факта.
Прежде всего, наши теории о тепловом балансе Земли не являются полными и все еще оставляют место для обсуждения. Радиоактивность — мощная сила, но, вероятно, не ответственная за всю произведенную энергию. Во-вторых, распады изотопов происходят в мантии нашей планеты, но не в ядре. По мнению физиков и геологов, уран, торий и калий практически отсутствуют в самом ядре Земли, поэтому все радиогенное тепло должно подниматься немного выше.
Так каков правильный ответ на заглавный вопрос?
Кажется, что ядро фактически горит исходным теплом, которое является реликтом после рождения планеты. Тем не менее, оно не остыло, потому что оно остается завернутым в толстый слой расплавленных пород, постоянно нагреваемых ядерными распадами. Поэтому мантию можно рассматривать здесь даже не как обычное одеяло, а как электрическое одеяло с собственным источником нагрева.
Означает ли все это, что Земля никогда не замерзнет?
Конечно нет, но процесс охлаждения её интерьера невероятно медленный. Учитывая скорость тепловыделения и все остальное, ядру понадобится от 55 до 90 миллиардов лет, чтобы полностью затвердеть. Потому что высокая температура и конвекционные движения миллиардов тонн расплавленного железа являются условием существования магнитосферы Земли.
Кто разогревает земное ядро?
Британские ученые составили новую модель процессов, происходящих в земном ядре. Она несколько расходится с традиционной, согласно которой ядро постепенно остывает. Исследователи выяснили, что оно кое-где, наоборот, нагревается, поскольку его взаимодействие с корой и мантией более активно. Как это может сказываться на обитателях поверхности Земли?
Надобно заметить, что находящееся в центре нашей планеты субстанция, называемая ядром — вещь весьма загадочная. А все потому, что, как вы понимаете, до сих пор не один ученый не держал в руках даже самый крошечный образец ядерного вещества. При современных технологиях добыть его не представляется возможным, ведь ядро залегает на глубине 2900 км от поверхности, а максимальная глубина, на которую ученым удалось пробурить кору нашей планеты — 12 км. 290 метров (такова глубина нефтяная скважина Maersk Oil BD-04A, находящийся в нефтяном бассейне Аль-Шахин на территории Катара).
Поэтому до сих пор наши знания о том, что находится в самом сердце Земли, весьма приблизительны. Предполагается, что ядро состоит из железоникелевого сплава с примесью других элементов, родственных железу. Средний радиус сферы ядра составляет примерно 3,5 тыс. км (что примерно в два раза больше Луны), а его масса — около 1,932×10 24 кг. При этом ядро разделяется на твердое внутреннее, радиусом около 1300 км, и жидкое внешнее, чей радиус примерно 2200 км, между которыми, как считают некоторые ученые, существует переходная зона.
Традиционно считается, что на такой глубине условия поистине адские: температура в центре ядра достигает 5000º С, плотность вещества там около 12,5 т/м³, а давление доходит до 361 ГПа. Из этого следует, что вообще-то от ядра хрупким живым существам необходимо держаться подальше. В то же время интерес к этой субстанции нашей достаточно велик. И вовсе не из-за того, что, согласно данным геохимиков, в центральной сфере планеты сосредоточено до 90% всех благородных металлов. Дело в том, что именно ядро способствует активному движению вещества в следующем слое Земли, мантии (так называемая мантийная конвекция, подробнее о ней читайте в статье «Вулканы — уровень тревоги растет»), которое «аукается» на поверхности такими неприятными для нас явлениями, как землетрясения, извержения вулканов.
Кроме того, считается, что ядро порождает магнитное поле Земли, значение которого для жизни нашей планеты (и жизни на ней) трудно переоценить. «Природа магнитосферы Земли остается загадкой. Мы не можем отправиться к центру Земли и получить образцы оттуда. Нам остается полагаться лишь на косвенные измерения, проводимые у поверхности, и на теоретические модели, способные раскрыть происходящее в ядре» — говорит один из ученых, занимающихся исследованием процессов, происходящих в ядре и около него, геофизик Йон Маунд из Лидского университета (Великобритания).
Недавно именно группа Маунда, проанализировав некоторые данные последних лет, представила очень интересную модель современного состояния ядра. Традиционно считалось, что, возникнув примерно 4,5 миллиарда лет назад земное ядро сначала было раскаленным, а потом начало медленно остывать (этот процесс продолжается и по сей день). Тепло, которое выделяется при этом «замерзании» ядра, поднимается через мантию вплоть до коры в ходе конвекции — логично предположить, что более теплое, и, соответственно, менее плотное вещество мантии поднимается к поверхности, а более холодное и тяжелоеопускается к ядру. Именно эти потоки в сочетании с вращением самой планеты, считается, и подпитывает работу «внутреннего динамо» Земли, создающего ее магнитное поле.
Однако Маунд и его коллеги пришли к выводу, что не все так просто. Согласно их модели, в ядре может идти и обратный процесс, приводящий не только к его остыванию, но и к нагреванию и даже подплавлению этой субстанции. В своей работе они учли как характеристики процесса конвекции, так и последние сейсмические данные. В результате сложилась весьма интересная картина — согласно модели Маунда, течение тепла на границе ядра и мантии может принимать очень разный характер, зависящий от структуры вышележащего мантийного слоя. В некоторых областях Земли, где этот слой и так перегрет, это приводит к тому, что тепловая энергия словно бы «отражается» от мантии и направляется обратно к ядру, в итоге подплавляя его.
В частности, в таком сейсмически активном регионе, как Тихоокеанское вулканическое огненное кольцо (начинается от полуострова Камчатка, далее идет через Курильские, Японские, Филиппинские острова, к Новой Гвинее, Соломоновым острова, Новой Зеландиии, северо-западу Антарктиды, островам Огненной Земли, и возвращаясь через Анды, Кордильеры и Алеутские островов вновь на Камчатку.), где океаническая кора погружается в мантию, толстый слой твердых литосферных плит отнимает от мантии тепло и остужает ее. В результате остывшая мантия начинает вытягивать тепло из самого ядра. Поэтому та часть, что находится под вышеописанным регионом в настоящее время продолжает остывать.
А вот под обширными регионами Африки и центрального Тихого океана наблюдается совсем другая картина. Там температура мантии значительно выше, поскольку лежащая над ней земная кора не отнимает, а наоборот, отдает ей тепло. В результате мантия, работая как гигантский теплоизолятор, вызывает отражение идущего от ядра инфракрасного излучения (поскольку, согласно Второму началу термодинамики, тепло может идти лишь от более нагретого к менее нагретому телу, но никогда наоборот), что вызывает разогрев и последующее подплавление центрального слоя Земли.
Итак, получается, что взаимодействие ядра и мантии куда более сложные, чем те, которые описывает традиционная модель. А ведь изменение температуры ядра и его плотности обязательно должно сказываться на состоянии магнитного поля. Возможно, некоторые до сих пор необъяснимые возмущения, происходящие в магнитосфере нашей планеты (так называемые геомагнитные бури) как раз связаны с неравномерностью остывания ядра? Возможно также, что ядерно-мантийные взаимодействия могут более активно влиять на глобальные процессы, вроде климатических изменений, происходящие на поверхности нашей планеты.
Впрочем, сам Маунд и его коллеги говорят о том, что их модель взаимодействия ядра, мантии и литосферы пока что является лишь теоретическим допущением. Они считают, что данные, полученные в ходе проекта «Комплексная программа океанического бурения», который должен начаться в следующем году (подробнее о нем читайте в статье «Путешествие к центру Земли — реальность») смогут подтвердить или опровергнуть ее. Поэтому ученые с нетерпением ждут начала буровых работ. И параллельно проводят коррекционные расчеты…
Читайте также в рубрике «Наука и техника «
Добавьте «Правду.Ру» в свои источники в Яндекс.Новости или News.Google, либо Яндекс.Дзен
Быстрые новости в Telegram-канале Правды.Ру. Не забудьте подписаться, чтоб быть в курсе событий.
Внутреннее строение Земли. Мир удивительных тайн в одной статье
Внутреннее строение Земли
Планета Земля состоит из трех основных слоев: земной коры, мантии и ядра. Можно сравнить земной шар с яйцом. Тогда яичная скорлупа будет представлять собой земную кору, яичный белок — мантию, а желток — ядро.
Земная кора
Земная кора — это каменная оболочка, которая покрывает всю поверхность нашей планеты. Под океанами ее толщина не превышает 15-ти километров, а на материках — 75-ти. Если вернуться к аналогии с яйцом, то земная кора по отношению ко всей планете тоньше, чем яичная скорлупа. На долю этого слоя Земли приходится всего 5% объема и менее 1% массы всей планеты.
В составе земной коры ученые обнаружили оксиды кремния, щелочных металлов, алюминия и железа. Кора под океанами состоит из осадочного и базальтового слоев, она тяжелее континентальной (материковой). В то время как оболочка, покрывающая континентальную часть планеты, имеет более сложное строение.
Выделяют три слоя континентальной земной коры:
осадочный (10-15 км в основном осадочных пород);
гранитный (5-15 км метаморфических пород, по свойствам схожих с гранитом);
базальтовый (10-35 км магматических пород).
Мантия
Под мантией, словно под покрывалом, располагается земное ядро. Оно находится в 2900 км от поверхности планеты. Ядро имеет форму шара радиусом около 3500 км. Поскольку людям еще не удалось добраться до ядра Земли, о его составе ученые строят догадки. Предположительно, ядро состоит из железа с примесью других элементов. Это самая плотная и тяжелая часть планеты. На нее приходится всего 15% объема Земли и аж 35% массы.
Считается, что ядро состоит из двух слоев — твердого внутреннего ядра (радиусом около 1300 км) и жидкого внешнего (около 2200 км). Внутреннее ядро словно бы плавает во внешнем жидком слое. Из-за этого плавного движения вокруг Земли образуется ее магнитное поле (именно оно защищает планету от опасных космических излучений, и на него реагирует стрелка компаса). Ядро — самая горячая часть нашей планеты. Долгое время считалось, что температура его достигает, предположительно, 4000-5000°C. Однако в 2013 году ученые провели лабораторный эксперимент, в ходе которого определили температуру плавления железа, которое, вероятно, входит в состав внутреннего земного ядра. Так выяснилось, что температура между внутренним твердым и внешним жидким ядром равна температуре поверхности Солнца, то есть около 6000 °C.
Строение нашей планеты — одна из множества неразгаданных человечеством тайн. Большая часть информации о нем получена косвенными методами, еще ни одному ученому не удалось добыть образцы земного ядра. Изучение строения и состава Земли по-прежнему сопряжено с непреодолимыми трудностями, но исследователи не сдаются и ищут новые способы добыть достоверные сведения о планете Земля.
Методические рекомендации
При изучении темы «Внутреннее строение Земли» у учащихся могут возникать трудности с запоминанием названий и очередности слоев земного шара. Латинские наименования будет намного легче запомнить, если дети создадут собственную модель Земли. Можно предложить ученикам выполнить модель земного шара из пластилина или рассказать о его устройстве на примере фруктов (кожура — земная кора, мякоть — мантия, косточка — ядро) и предметов, имеющих схожую структуру. Поможет в проведении урока учебник География. 5-6 классы О.А.Климановой, где вы найдете красочные иллюстрации и подробные сведения по теме.