Внутреннее ядро Земли: Тайна состава начинает раскрываться
Богатое железом ядро в центре нашей планеты играет ключевую роль в эволюции Земли. Оно не только генерирует магнитное поле, защищающее атмосферу и океаны от солнечной радиации, но и влияет на тектонику плит, непрерывно изменяющую континенты.
Несмотря на его важность, многие фундаментальные свойства ядра остаются загадкой. Мы не знаем точной температуры ядра, его химического состава и времени, когда началось его затвердевание. К счастью, недавнее исследование, проведенное мной и моими коллегами, приближает нас к ответам на эти вопросы.
Считается, что температура внутреннего ядра Земли составляет примерно 5 000 Кельвинов (4 727°C). Когда-то оно было жидким, но со временем остыло и превратилось в твердое тело, постепенно расширяясь. При остывании ядро передает тепло мантии, создавая конвекционные потоки, которые приводят в движение тектонические плиты.
Этот же процесс охлаждения генерирует магнитное поле Земли. Большая часть его энергии сегодня обусловлена затвердеванием жидкой части ядра и ростом твердого внутреннего ядра.
Однако из-за невозможности прямого доступа к ядру мы вынуждены оценивать его свойства, чтобы понять, как оно охлаждается.
Ключом к разгадке является температура плавления ядра. Граница между твердым внутренним ядром и жидким внешним ядром определена методами сейсмологии (изучения землетрясений). Температура на этой границе должна совпадать с температурой плавления, поскольку здесь происходит замерзание. Если точно определить температуру плавления, мы сможем узнать больше о температуре ядра и его составе.
Химическая загадка
Традиционно для изучения состава ядра используют два подхода: анализ метеоритов и сейсмологию. Метеориты, считающиеся обломками разрушенных планет или их ядер, дают приблизительное представление о возможных компонентах ядра Земли.
Однако это лишь общая картина. Метеориты указывают, что ядро должно состоять из железа и никеля, с небольшой долей кремния или серы, но точные пропорции остаются неясными.
Сейсмология более конкретна. Звуковые волны от землетрясений меняют скорость в зависимости от материала, через который проходят. Сравнивая время их прохождения через планету с экспериментальными данными, можно определить состав земных недр.
Оказалось, что для объяснения скорости волн ядро должно быть на 10% менее плотным, чем чистое железо, а жидкий внешний слой плотнее твердого внутреннего. Это противоречие указывает на наличие дополнительных элементов.
Новое открытие
В нашем исследовании мы изучили процесс начального затвердевания ядра, используя минералогическую физику, и нашли новый способ определить его химический состав. Этот подход оказался точнее сейсмологии и анализа метеоритов.
Эксперименты с жидкими металлами показали, что некоторые сплавы требуют экстремального переохлаждения для начала кристаллизации. Например, чистое железо требует переохлаждения на ~1000°C, что невозможно, так как всё ядро бы замерзло. Добавление кремния и серы лишь усугубляет проблему.
Мы исследовали влияние углерода. При содержании 2,4% углерода в ядре требуется переохлаждение на 420°C для начала затвердевания. Это впервые показало, что формирование внутреннего ядра возможно. При 3,8% углерода переохлаждение сокращается до 266°C, что более реалистично.
Хотя сейсмология сужает возможные комбинации элементов, многие из них не объясняют наличие твердого ядра. Наше исследование предполагает, что, кроме углерода, ядро содержит кислород и, возможно, кремний.
Перспективы
Это открытие не только проясняет состав ядра, но и помогает понять, как началось его затвердевание и как оно повлияло на эволюцию Земли. Дальнейшие исследования помогут уточнить параметры магнитного поля и тектонических процессов, а также предсказать будущее нашей планеты.
Уже сейчас мы видим, что ядро — это не статичный объект, а динамичная система, чьи свойства продолжают формировать облик Земли. Возможно, в ближайшие годы новые технологии позволят глубже изучить его, открывая путь к еще более захватывающим открытиям.
Предоставлено The Conversation.
В нашем Telegram‑канале, и группе ВК вы найдёте новости о непознанном, НЛО, мистике, научных открытиях, неизвестных исторических фактах. Подписывайтесь, чтобы ничего не пропустить.
