Složení vnitřního jádra země. Z čeho se skládá naše planeta: struktura Země v řezu

Naše planeta Země má vrstvenou strukturu a skládá se ze tří hlavních částí: zemské kůry, pláště a jádra. Co je střed země? Jádro. Hloubka jádra je 2900 km a průměr je přibližně 3,5 tisíc km. Uvnitř - monstrózní tlak 3 miliony atmosfér a neuvěřitelně vysoká teplota - 5000 ° C. Aby vědci zjistili, co je ve středu Země, trvalo několik století. Ani moderní technika nedokázala proniknout hlouběji než dvanáct tisíc kilometrů. Nejhlubší vrt, který se nachází na poloostrově Kola, má hloubku 12 262 metrů. Daleko od středu Země.

Historie objevu zemského jádra

Jedním z prvních, kdo hádal o přítomnosti jádra ve středu planety, byl na konci 18. století anglický fyzik a chemik Henry Cavendish. Pomocí fyzikálních experimentů vypočítal hmotnost Země a na základě její velikosti určil průměrnou hustotu hmoty naší planety - 5,5 g / cm3. Hustota známých hornin a minerálů v zemské kůře se ukázala být přibližně dvakrát menší. Z toho vyplynul logický předpoklad, že ve středu Země je oblast hustší hmoty - jádro.

V roce 1897 německý seismolog E. Wiechert, zkoumající průchod seismologických vln vnitřními částmi Země, dokázal potvrdit domněnku o přítomnosti jádra. A v roce 1910 americký geofyzik B. Gutenberg určil hloubku jeho umístění. Následně se také zrodily hypotézy o procesu vzniku jádra. Předpokládá se, že vznikla v důsledku usazování těžších prvků do středu a zpočátku byla látka planety homogenní (plynná).

Z čeho je jádro vyrobeno?

Je poměrně obtížné studovat látku, jejíž vzorek nelze získat, abychom mohli studovat její fyzikální a chemické parametry. Vědci musí pouze předpokládat přítomnost určitých vlastností, stejně jako strukturu a složení jádra nepřímými znaky. Zvláště užitečné při studiu vnitřní stavby Země bylo studium šíření seismických vln. Seismografy, umístěné na mnoha místech na povrchu planety, zaznamenávají rychlost a typy procházejících seismických vln vznikajících z otřesů zemské kůry. Všechny tyto údaje umožňují posoudit vnitřní strukturu Země včetně jádra.

K dnešnímu dni vědci naznačují, že centrální část planety je heterogenní. Co je ve středu země? Část přiléhající k plášti je kapalné jádro, sestávající z roztavené hmoty. Podle všeho obsahuje směs železa a niklu. Tato myšlenka vedla vědce ke studiu železných meteoritů, což jsou kousky jader asteroidů. Na druhé straně získané slitiny železa a niklu mají vyšší hustotu, než je očekávaná hustota jádra. Proto se mnoho vědců kloní k předpokladu, že ve středu Země, v jádru, jsou také lehčí chemické prvky.

Geofyzici také vysvětlují existenci magnetického pole přítomností kapalného jádra a rotací planety kolem vlastní osy. Je známo, že elektromagnetické pole kolem vodiče vzniká při protékání proudu. Roztavená vrstva přiléhající k plášti slouží jako takový obří proud nesoucí vodič.

Vnitřní část jádra je i přes teplotu několika tisíc stupňů pevná látka. To je způsobeno skutečností, že tlak ve středu planety je tak vysoký, že horké kovy ztuhnou. Někteří vědci naznačují, že pevné jádro se skládá z vodíku, který se vlivem neuvěřitelného tlaku a obrovské teploty stává jako kov. Co je tedy střed Země, ani geofyzikové stále s jistotou nevědí. Ale pokud se na problém podíváme z matematického hlediska, můžeme říci, že střed Země se nachází přibližně 6378 km. z povrchu planety.

Po vhození klíčů do proudu roztavené lávy se s nimi rozlučte, protože, kámo, jsou všechno.
- Jack Handy

Při pohledu na naši domovskou planetu můžete vidět, že 70 % jejího povrchu je pokryto vodou.

Všichni víme, proč tomu tak je: protože pozemské oceány se tyčí nad skalami a bahnem, které tvoří zemi. Koncept vztlaku, při kterém se objekty s menší hustotou vznášejí nad objekty s nižší hustotou, které se ponoří níže, vysvětluje mnohem více než jen oceány.

Stejný princip, který vysvětluje, proč se ve vodě vznáší led, v atmosféře stoupá heliový balón a kameny klesají v jezeře, vysvětluje, proč jsou vrstvy planety Země uspořádány tak, jak jsou.

Nejméně hustá část Země, atmosféra, se vznáší nad vodními oceány, které se vznášejí nad zemskou kůrou, která sedí nad hustším pláštěm, který se nepropadá do nejhustší části Země: do jádra.

V ideálním případě by nejstabilnější stav Země byl takový, který by v ideálním případě byl vrstvený jako cibule, s nejhustšími prvky ve středu, a jak se pohybujete směrem ven, každá následující vrstva by sestávala z méně hustých prvků. A každé zemětřesení vlastně posune planetu k tomuto stavu.

A to vysvětluje strukturu nejen Země, ale všech planet, pokud si pamatujete, odkud tyto prvky pocházejí.

Když byl vesmír mladý - jen několik minut starý - existoval pouze vodík a helium. Ve hvězdách se vytvářelo stále více těžkých prvků, a teprve když tyto hvězdy zemřely, odešly těžké prvky do vesmíru a umožnily vznik nových generací hvězd.

Ale tentokrát směs všech těchto prvků – nejen vodíku a hélia, ale také uhlíku, dusíku, kyslíku, křemíku, hořčíku, síry, železa a dalších – tvoří nejen hvězdu, ale i protoplanetární disk kolem této hvězdy.

Tlak zevnitř ven ve formující se hvězdě vytlačuje lehčí prvky ven a gravitace způsobuje kolaps nepravidelností v disku a vytváření planet.

Když Sluneční Soustavačtyři vnitřní světy jsou nejhustší ze všech planet v systému. Rtuť se skládá z nejhustších prvků, které nedokázaly pojmout velké množství vodíku a hélia.

Jiné planety, hmotnější a vzdálenější od Slunce (a tudíž přijímající méně jeho záření), byly schopny pojmout více těchto ultralehkých prvků – tak vznikli plynní obři.

Ve všech světech, stejně jako na Zemi, jsou v průměru nejhustší prvky soustředěny v jádru, zatímco plíce kolem něj postupně tvoří méně husté vrstvy.

Není divu, že železo, nejstabilnější prvek a nejtěžší prvek vytvořený ve velkém množství na okraji supernovy, je nejhojnějším prvkem. zemské jádro. Ale možná překvapivě mezi pevným jádrem a pevným pláštěm leží tekutá vrstva o tloušťce více než 2000 km: vnější jádro Země.

Země má silnou tekutou vrstvu obsahující 30 % hmotnosti planety! A o jeho existenci jsme se dozvěděli poměrně důmyslnou metodou – díky seismickým vlnám pocházejícím ze zemětřesení!

Seismické vlny dvou typů se rodí při zemětřesení: hlavní kompresní, známá jako P-vlna, procházející podél podélné dráhy

A druhá střižná vlna, známá jako S-vlna, podobná vlnám na hladině moře.

Seismické stanice po celém světě jsou schopny zachytit P- a S-vlny, ale S-vlny neprocházejí kapalinou a P-vlny nejen že procházejí kapalinou, ale také se lámou!

V důsledku toho lze pochopit, že Země má tekuté vnější jádro, mimo něj je pevný plášť a uvnitř - pevné vnitřní jádro! To je důvod, proč zemské jádro obsahuje nejtěžší a nejhustší prvky, a tak víme, že vnější jádro je tekutá vrstva.

Ale proč je vnější jádro tekuté? Stejně jako všechny prvky závisí skupenství železa, ať už pevné, kapalné, plynné nebo jiné, na tlaku a teplotě železa.

Železo je složitější prvek než mnohé, které znáte. Samozřejmě může mít různé krystalické pevné látky, jak ukazuje graf, ale obyčejné tlaky nás nezajímají. Sestupujeme do zemského jádra, kde je milionkrát vyšší tlak než na hladině moře. A jak vypadá fázový diagram pro tak vysoké tlaky?

Krása vědy spočívá v tom, že i když nemáte okamžitě odpověď na otázku, je pravděpodobné, že někdo již provedl správný výzkum, ve kterém našel odpověď! V tomto případě Ahrens, Collins a Chen v roce 2001 našli odpověď na naši otázku.

A přestože diagram ukazuje gigantické tlaky až 120 GPa, je důležité si uvědomit, že tlak atmosféry je pouze 0,0001 GPa, zatímco ve vnitřním jádru dosahují tlaky 330-360 GPa. Horní plná čára ukazuje hranici mezi roztaveným železem (nahoře) a pevným železem (dole). Všimli jste si, jak plná čára na samém konci prudce zatáčí nahoru?

Aby se železo roztavilo při tlaku 330 GPa, je potřeba obrovská teplota, srovnatelná s tou, která panuje na povrchu Slunce. Stejné teploty při nižších tlacích snadno udrží železo v kapalném stavu a při vyšších tlacích v pevném stavu. Co to znamená z hlediska zemského jádra?

To znamená, že jak se Země ochlazuje, její vnitřní teplota klesá, zatímco tlak zůstává nezměněn. To znamená, že při formování Země bylo s největší pravděpodobností celé jádro tekuté a jak se ochlazuje, vnitřní jádro roste! A protože pevné železo má vyšší hustotu než tekuté železo, Země se při tom pomalu zmenšuje, což vede k zemětřesení!

Takže zemské jádro je kapalné, protože je dostatečně horké na roztavení železa, ale pouze v oblastech, kde je tlak dostatečně nízký. Jak Země stárne a ochlazuje, stále více jádra se stává pevným, a tak se Země trochu zmenšuje!

Pokud se chceme podívat daleko do budoucnosti, můžeme očekávat stejné vlastnosti, jaké jsou pozorovány u Merkuru.

Merkur se díky své malé velikosti již ochladil a výrazně stáhl a má trhliny dlouhé stovky kilometrů kvůli nutnosti smrštění kvůli ochlazení.

Proč má tedy Země tekuté jádro? Protože ještě nevychladla. A každé zemětřesení je malou aproximací Země do konečného, ochlazeného a pevného skupenství skrz naskrz. Ale nebojte se, Slunce vybuchne dlouho předtím a všichni, které znáte, budou mrtví na velmi dlouhou dobu.

Země spolu s dalšími tělesy sluneční soustavy vznikla z chladného oblaku plynu a prachu akrecí částic, které ji tvořily. Po objevení se planety začala zcela nová etapa jejího vývoje, která se ve vědě obvykle nazývá pregeologická.
Název tohoto období je dán tím, že nejstarší doklady o minulých procesech – vyvřelé nebo vulkanické horniny – nejsou starší než 4 miliardy let. Studovat je dnes mohou pouze vědci.
Předgeologická etapa vývoje Země je stále opředena mnoha záhadami. Pokrývá období 0,9 miliardy let a vyznačuje se širokým projevem vulkanismu na planetě s uvolňováním plynů a vodní páry. Právě v této době začal proces rozvrstvení Země do hlavních obalů – jádra, pláště, kůry a atmosféry. Předpokládá se, že tento proces byl vyvolán intenzivním meteoritovým bombardováním naší planety a táním jejích jednotlivých částí.
Jednou z klíčových událostí v historii Země bylo vytvoření jejího vnitřního jádra. Stalo se tak pravděpodobně v pregeologické fázi vývoje planety, kdy byla veškerá hmota rozdělena do dvou hlavních geosfér – jádra a pláště.
Spolehlivá teorie o vzniku zemského jádra, která by byla potvrzena vážnými vědeckými informacemi a důkazy, bohužel zatím neexistuje. Jak vzniklo jádro Země? Na tuto otázku vědci nabízejí dvě hlavní hypotézy.
Podle první verze byla látka ihned po vzniku Země homogenní.
Skládal se výhradně z mikročástic, které lze dnes pozorovat v meteoritech. Ale po určité době byla tato původně homogenní hmota rozdělena na těžké jádro, kde se všechno železo skelnělo, a lehčí silikátový plášť. Jinými slovy, kapky roztaveného železa a těžké chemické sloučeniny se usadil ve středu naší planety a vytvořil tam jádro, které zůstává z velké části roztavené dodnes. Jak těžké prvky aspirovaly do středu Země, lehké strusky naopak plavaly nahoru - do vnějších vrstev planety. Dnes tyto světelné prvky tvoří svrchní plášť a zemskou kůru.
Proč došlo k takové diferenciaci hmoty? Předpokládá se, že bezprostředně po dokončení procesu jeho formování se Země začala intenzivně zahřívat, především v důsledku energie uvolněné v procesu gravitační akumulace částic, jakož i v důsledku energie radioaktivního rozpadu jednotlivé chemické prvky.
Dodatečné zahřátí planety a vytvoření slitiny železa a niklu, která díky své značné specifické hmotnosti postupně klesala do středu Země, bylo usnadněno údajným ostřelováním meteority.
Tato hypotéza však naráží na určité potíže. Není například zcela jasné, jak se slitina železa a niklu, byť v kapalném stavu, mohla potopit na více než tisíc kilometrů a dostat se do oblasti jádra planety.
Podle druhé hypotézy bylo jádro Země vytvořeno ze železných meteoritů, které se srazily s povrchem planety, a později bylo porostlé silikátovým obalem kamenných meteoritů a vytvořilo plášť.

V této hypotéze je vážná chyba. V tomto uspořádání vesmírželezné a kamenné meteority musí existovat odděleně. Moderní studie ukazují, že železné meteority mohly vzniknout pouze v útrobách planety, která se rozpadla pod značným tlakem, tedy po zformování naší sluneční soustavy a všech planet.
První verze vypadá logičtěji, protože poskytuje dynamickou hranici mezi zemským jádrem a pláštěm. To znamená, že proces oddělování hmoty mezi nimi by mohl na planetě pokračovat velmi dlouho, a tím mít velký vliv na další vývoj Země.
Vezmeme-li tedy za základ první hypotézu vzniku jádra planety, pak se proces diferenciace hmoty protáhl asi na 1,6 miliardy let. Vlivem gravitační diferenciace a radioaktivního rozpadu byla zajištěna separace hmoty.
Těžké prvky klesly pouze do hloubky, pod kterou byla látka tak viskózní, že železo již nemohlo klesnout. V důsledku tohoto procesu vznikla velmi hustá a těžká prstencová vrstva roztaveného železa a jeho oxidu. Nacházelo se nad lehčí látkou prvotního jádra naší planety. Dále byla ze středu Země vytlačena lehká silikátová látka. Navíc byla vytlačena na rovníku, což možná znamenalo začátek asymetrie planety.
Předpokládá se, že při formování železného jádra Země došlo k výraznému zmenšení objemu planety, v důsledku čehož se její povrch dosud zmenšil. Lehké prvky a jejich sloučeniny, které se „vynořily“ na povrch, vytvořily tenkou primární kůru, která se jako všechny planety skládala z pozemská skupina, z vulkanických bazaltů překrytých shora vrstvou sedimentů.
Není však možné nalézt živé geologické důkazy o minulých procesech spojených se vznikem zemského jádra a pláště. Jak již bylo uvedeno, nejstarší horniny na planetě Zemi jsou staré asi 4 miliardy let. S největší pravděpodobností došlo na počátku vývoje planety vlivem vysokých teplot a tlaků k metamorfaci, roztavení a přeměně primárních bazaltů na nám známé žulo-rulové horniny.
Jaké je jádro naší planety, které vzniklo pravděpodobně v nejranějších fázích vývoje Země? Skládá se z vnějšího a vnitřního pláště. Podle vědeckých předpokladů se v hloubce 2900-5100 km nachází vnější jádro, které svým fyzikální vlastnosti přiblíží kapalinu.
Vnější jádro je proud roztaveného železa a niklu, dobrý vodič elektřiny. Právě s tímto jádrem vědci spojují původ zemského magnetického pole. Mezeru 1270 km zbývající do středu Země zabírá vnitřní jádro, které je z 80 % tvořeno železem a 20 % oxidem křemičitým.
Vnitřní jádro je tvrdé a má vysokou teplotu. Pokud je vnější přímo spojena s pláštěm, pak vnitřní jádro Země existuje samo o sobě. Jeho tvrdost i přes vysoké teploty zajišťuje gigantický tlak ve středu planety, který může dosahovat 3 milionů atmosfér.
Mnoho chemických prvků v důsledku toho přechází do kovového stavu. Proto se dokonce objevila domněnka, že vnitřní jádro Země se skládá z kovového vodíku.
Husté vnitřní jádro má vážný dopad na život naší planety. Soustředí se v ní planetární gravitační pole, které udržuje lehké plynové obaly, hydrosféru a geosférické vrstvy Země před rozptylem.
Pravděpodobně je takové pole charakteristické pro jádro již od vzniku planety, ať už byla z hlediska chemického složení a struktury jakákoli. Přispíval ke kontrakci vzniklých částic do středu.
Přesto je původ jádra a studium vnitřní stavby Země tím nejnaléhavějším problémem pro vědce, kteří se úzce zabývají studiem geologické historie naší planety. Konečné řešení této otázky je ještě velmi daleko. Aby se předešlo různým rozporům, moderní věda přijímá se hypotéza, že proces formování jádra začal probíhat současně se vznikem Země.

Představ o struktuře zemského jádra bylo nespočet. Dmitrij Ivanovič Sokolov, ruský geolog a akademik, řekl, že látky uvnitř Země jsou distribuovány jako struska a kov v tavicí peci.

Toto obrazné srovnání bylo více než jednou potvrzeno. Vědci pečlivě studovali železné meteority pocházející z vesmíru a považovali je za fragmenty jádra rozpadlé planety. To znamená, že jádro Země by se mělo skládat také z těžkého železa, které je v roztaveném stavu.

V roce 1922 norský geochemik Viktor Moritz Goldschmidt předložil myšlenku obecné stratifikace hmoty Země i v době, kdy byla celá planeta v kapalném stavu. Odvodil to analogicky s metalurgickým procesem studovaným v ocelárnách. „Ve stádiu tekuté taveniny,“ řekl, „byla hmota Země rozdělena na tři nemísitelné kapaliny – silikátovou, sulfidovou a kovovou. Při dalším ochlazování tyto kapaliny vytvořily hlavní obaly Země – kůru, plášť a železné jádro!

Nicméně, blíže k naší době, myšlenka „horkého“ původu naší planety byla stále podřadnější než „studené“ stvoření. A v roce 1939 navrhl Lodochnikov jiný obraz formování nitra Země. V této době již byla známá myšlenka fázových přechodů hmoty. Lodochnikov navrhl, že fázové změny hmoty narůstají s rostoucí hloubkou, v důsledku čehož se hmota rozděluje na skořápky. V tomto případě jádro nemusí být vůbec železné. Může sestávat z překonsolidovaných silikátových hornin v „kovovém“ stavu. Tuto myšlenku uchopil a rozvinul v roce 1948 finský vědec V. Ramsey. Ukázalo se, že ačkoliv jádro Země má jiný fyzikální stav než plášť, nejsou důvody jej považovat za složené ze železa. Přece jen přehuštěný olivín by mohl být těžký jako kov...

Objevily se tak dvě vzájemně se vylučující hypotézy o složení jádra. Jedna - vyvinuta na základě představ E. Wiecherta o slitině železa a niklu s malými příměsemi lehkých prvků jako materiálu pro zemské jádro. A druhý - navrhl V.N. Lodochnikov a vyvinutý V. Ramseyem, který říká, že složení jádra se neliší od složení pláště, ale látka v něm je ve zvláště hustém metalizovaném stavu.

Aby se vědci z mnoha zemí rozhodli, jakým směrem by se měla váha naklonit, uspořádali experimenty v laboratořích a počítali, počítali a porovnávali výsledky svých výpočtů s tím, co ukázaly seismické studie a laboratorní experimenty.

V šedesátých letech dospěli odborníci konečně k závěru: hypotéza pokovování silikátů při tlacích a teplotách panujících v jádře se nepotvrdila! Provedené studie navíc přesvědčivě prokázaly, že nejméně osmdesát procent celkových zásob železa by mělo být obsaženo ve středu naší planety... Takže jádro Země je koneckonců železo? Železo, ale opravdu ne. Čistý kov nebo slitina čistého kovu slisovaná ve středu planety by byla pro Zemi příliš těžká. Proto je třeba vycházet z toho, že látku vnějšího jádra tvoří sloučeniny železa s lehčími prvky – s kyslíkem, hliníkem, křemíkem nebo sírou, které se v zemské kůře vyskytují nejčastěji. Ale které konkrétně? To není známo.

A tak se ruský vědec Oleg Georgievič Sorokhtin ujal nové studie. Zkusme ve zjednodušené formě sledovat průběh jeho úvah. Na základě nejnovějších úspěchů geologické vědy dochází sovětský vědec k závěru, že v prvním období formování byla Země s největší pravděpodobností víceméně homogenní. Veškerá jeho látka byla přibližně rovnoměrně distribuována v celém objemu.

Postupem času se však těžší prvky, jako je železo, začaly takříkajíc „propadat“ v plášti a šly stále hlouběji do středu planety. Je-li tomu tak, pak lze při srovnání mladých a starých hornin očekávat v mladších horninách nižší obsah těžkých prvků, tedy stejného železa, které je rozšířeno v látce Země.

Studium starověkých láv potvrdilo výše uvedený předpoklad. Jádro Země však nemůže být čistě železné. Na to je moc světlý.

Jaký byl satelit železa na cestě do centra? Vědec vyzkoušel mnoho prvků. Ale některé byly špatně rozpustné v tavenině, zatímco jiné byly nekompatibilní. A pak Sorokhtin dostal nápad: nebyl nejběžnější prvek, kyslík, společníkem železa?

Pravda, výpočty ukázaly, že kombinace železa s kyslíkem – oxidem železa – se zdá být pro jádro lehká. Ale konec konců, za podmínek komprese a zahřívání v hlubinách musí oxid železa také projít fázovými změnami. Za podmínek, které existují blízko středu Země, mohou pouze dva atomy železa pojmout jeden atom kyslíku. To znamená, že hustota výsledného oxidu se zvýší ...

A zase výpočty, výpočty. Ale na druhou stranu, jaké je to zadostiučinění, když získaný výsledek ukázal, že hustota a hmotnost zemského jádra postaveného z oxidu železa, které prošlo fázovými změnami, dává přesně takovou hodnotu moderní model jádra!

Tady to je - moderní a možná nejvěrohodnější model naší planety v celé historii jejích pátrání. „Vnější jádro Země se skládá z oxidu jednomocné fáze železa Fe2O a vnitřní jádro je vyrobeno z kovového železa nebo slitiny železa a niklu,“ píše ve své knize Oleg Georgievich Sorokhtin. - Přechodovou vrstvu F mezi vnitřním a vnějším jádrem lze považovat za sestávající ze sulfidu železa - troillitu FeS.

Na vytváření moderní hypotézy o oddělení jádra od primární substance Země se podílí řada vynikajících geologů a geofyziků, oceánologů a seismologů, představitelů doslova všech vědních oborů studujících planetu. Procesy tektonického vývoje Země budou podle vědců v hlubinách pokračovat ještě poměrně dlouho, alespoň má naše planeta pár miliard let před sebou. Teprve po tomto bezmezném období Země vychladne a promění se v mrtvé vesmírné těleso. Ale co se do té doby stane?

Jak staré je lidstvo? Milion, dva, no, dva a půl. A v tomto období lidé nejenže vstali ze všech čtyř, ochočili oheň a pochopili, jak získávat energii z atomu, posílali člověka do vesmíru, stroje na jiné planety sluneční soustavy a ovládli blízký vesmír pro technické potřeby.

Průzkum a následně využití hlubokých útrob jejich vlastní planety – program, který již klepe na dveře vědeckého pokroku.