Почему не остывает ядро земли. Кто разогревает земное ядро

В какие незапамятные времена это происходило? Все эти вопросы давно уже волновали человечество. А многим ученым хотелось поскорее узнать, что там, в глубине? Но оказалось, что изучить все это не так уж и легко. Ведь и сегодня, имея все современные приспособления для проведения всевозможных исследований, человечеству под силу пробурить скважины в недра всего лишь на каких-то пятнадцать километров - не более. А для полноценных и всесторонних опытов нужная глубина должна быть на порядок больше. Поэтому научным работникам и приходится вычислять, как образовалось ядро Земли, при помощи разнообразных высокоточных приборов.

Изучение Земли

Еще с древних времен люди изучали горные породы, обнаженные естественным путем. Обрывы и склоны гор, крутые берега рек и морей... Здесь воочию можно наблюдать существовавшие, наверное, миллионы лет назад. А в некоторых подходящих местах пробуриваются скважины. Одна из таких - на Ее глубина - пятнадцать тысяч метров. Шахты, которые люди прорывают для также помогают изучать внутреннее Ядро, конечно же, они «достать» не могут. Но зато из этих шахт и скважин ученые могут извлекать образцы породы, узнавая таким способом об их изменении и происхождении, строении и составах. Минус этих методов в том, что они способны исследовать только сушу и только верхнюю часть коры Земли.

Воссоздание условий в ядре Земли

А вот бесконтактно проникать все глубже и глубже ученым помогают геофизика и сейсмология - науки о землетрясениях и геологическом составе планеты. При помощи изучения сейсмических волн и их распространения выясняется, из чего состоит и мантия, и ядро (определяется аналогично, например, с составом упавших метеоритов). Подобные знания базируются на полученных данных - косвенных - о физических свойствах веществ. Также сегодня изучению способствуют и современные данные, получаемые с искусственных спутников, находящихся на орбите.

Строение планеты

Ученым удалось понять, обобщив полученные данные, что строение Земли является сложным. Она состоит как минимум из трех неравнозначных частей. В центре находится небольшое ядро, которое окружает огромная мантия. Мантия занимает примерно пять шестых всего объема Земного шара. А сверху все покрывает довольно тонкая наружная кора Земли.

Строение ядра

Ядро - это центральная, серединная часть. Она делится на несколько слоев: внутренний и внешний. По мнению большинства современных ученых, внутреннее ядро является твердым, а внешнее - жидкостным (пребывает в расплавленном состоянии). А еще ядро очень тяжелое: оно весит больше трети массы всей планеты при объеме чуть более 15-ти. В ядре температура довольно высока, она составляет от 2000 до 6000 градусов по Цельсию. По предположениям науки, центр Земли состоит из железа и никеля в основном. Радиус этого тяжелого сегмента - 3470 километров. А площадь его поверхности составляет около 150 миллионов квадратных километров, что примерно равно площади всех материков на поверхности Земли.

Как образовалось ядро Земли

Информации о ядре нашей планеты очень мало, и она может быть получена только косвенным путем (отсутствуют образцы пород ядра). Поэтому и теории могут быть высказаны лишь гипотетически о том, как образовалось ядро Земли. История Земли насчитывает миллиарды лет. Большинство ученых придерживается теории, что вначале планета формировалась как довольно однородная. Процесс выделения ядра начался позднее. А состав его - никель и железо. Как образовалось ядро Земли? Расплав этих металлов постепенно опускался к центру планеты, формируя ядро. Это происходило за счет большего удельного веса расплава.

Альтернативные теории

Существуют и противники данной теории, приводящие свою, вполне резонную аргументацию. Во-первых, эти ученые ставят под сомнение факт прохождения сплава железа и никеля в центр ядра (а это более 100 километров). Во-вторых, если предположить выделение никеля и железа из силикатов, подобных метеоритным, то должна была произойти и соответствующая реакция восстановления. Она, в свою очередь, должна была сопровождаться выделением огромного количества кислорода, образуя атмосферное давление в несколько сот тысяч атмосфер. А свидетельства о существовании в прошлом Земли такой атмосферы отсутствуют. Потому и были выдвинуты теории об изначальном образовании ядра при формировании всей планеты.

В 2015 оксфордские ученые и вовсе предложили теорию, согласно которой ядро планеты Земля состоит из урана и имеет радиоактивность. Это косвенно доказывает и столь продолжительное существование магнитного поля у Земли, и тот факт, что в нынешние времена наша планета излучает намного больше тепла, чем предполагалось предыдущими научными гипотезами.

В ХХ веке путем многочисленных исследований человечество раскрыло тайну земных недр, строение земли в разрезе стало известно каждому школьнику. Для тех, кто еще не знает, из чего состоит земля, каковы ее основные слои, их состав, как называется самая тонкая часть планеты, мы перечислим ряд значимых фактов.

Вконтакте

Форма и размеры планеты Земля

Вопреки всеобщему заблуждению наша планета не круглая . Ее форма называется геоид и представляет собой слегка сплюснутый шар. Места, у которых земной шар сдавлен, называются полюсами. Через полюса проходит ось земного вращения, наша планета совершает один оборот вокруг нее за 24 часа — земные сутки.

Посередине планету опоясывает – воображаемая окружность, разделяющая геоид на Северное и Южное полушария.

Кроме экватора, существуют меридианы — окружности , перпендикулярные экватору и проходящие через оба полюса. Один из них, проходящий через Гринвичскую обсерваторию, называют нулевым – он служит точкой отсчета географической долготы и часовых поясов.

К основным характеристикам земного шара можно отнести:

• диаметр (км.): экваториальный – 12 756, полярный (у полюсов) – 12 713;
• длина (км.) экватора – 40 057, меридиана – 40 008.

Итак, наша планета представляет собой своеобразный эллипс — геоид, вращающийся вокруг своей оси проходящей через два полюса – Северный и Южный.

Центральная часть геоида опоясана экватором – окружностью разделяющей нашу планету на два полушария. Для того, чтобы определить, каков радиус земли, используют половинные значения его диаметра у полюсов и экватора.

А теперь о том из чего состоит земля, какими оболочками она покрыта и каково строение земли в разрезе .

Земные оболочки

Основные оболочки земли выделяют в зависимости от их содержимого. Так как наша планета имеет форму шара, ее оболочки, удерживаемые силой тяжести, называются сферами. Если посмотреть на строение земли в разрезе, то можно увидеть три сферы:

По порядку (начиная от поверхности планеты) они располагаются следующим образом:

1. Литосфера – твердая оболочка планеты, включающая минеральные слои земли.
2. Гидросфера – содержит водные ресурсы — реки, озера, моря и океаны.
3. Атмосфера – представляет собой воздушную оболочку, окружающую планету.

Кроме того, выделяют и биосферу включающую в себя все живые организмы, которые заселяют другие оболочки.

Важно! Многие ученые население планеты относят к отдельной обширной оболочке под названием антропосфера.

Земные оболочки – литосфера, гидросфера и атмосфера – выделены по принципу объединения однородной составляющей. В литосфере – это твердые породы, почва, внутреннее содержимое планеты, в гидросфере – вся ее , в атмосфере – весь воздух и другие газы.

Атмосфера

Атмосфера – газовая оболочка, в ее состав входят : , азот, углекислый, газ, пыль.

1. Тропосфера – верхний слой земли, содержащий большую часть земного воздуха и простирающийся от поверхности на высоту от 8-10 (у полюсов) до 16-18 км (у экватора). В тропосфере образуются облака и различные воздушные массы.
2. Стратосфера — слой, в котором содержание воздуха значительно ниже, чем в тропосфере. Его толщина в среднем составляет 39-40 км. Начинается этот слой с верхней границы тропосферы и заканчивается на высоте около 50 км.
3. Мезосфера – слой атмосферы, простирающийся с 50-60 по 80-90 км над земной поверхностью. Характеризуется устойчивым понижением температуры.
4. Термосфера – расположена в 200-300 км от поверхности планеты, отличается от мезосферы ростом температуры по мере увеличения высоты.
5. Экзосфера – начинается с верхней границы, лежащей ниже термосферы, и постепенно переходит в открытый космос, для нее характерно низкое содержание воздуха, высокая солнечная радиация.

Внимание! В стратосфере на высоте порядка 20-25 км находится тонкий слой озона, предохраняющий все живое на планете от губительных для него ультрафиолетовых лучей. Без него все живое бы очень скоро погибло.

Атмосфера – земная оболочка, без которой жизнь на планете была бы невозможна.

Она содержит в себе необходимый для дыхания живых организмов воздух, определяет подходящие погодные условия, защищает планету от негативного влияния солнечной радиации.

Атмосфера состоит из воздуха, в свою очередь воздух приблизительно на 70% состоит из азота, 21% — кислород, 0,4% углекислый газ и остальные редкие газы.

Кроме этого, в атмосфере есть важный озоновый слой, примерно на высоте 50 км.

Гидросфера

Гидросфера — все жидкости на планете.

Данная оболочка по месторасположению водных ресурсов и степени их солености включает:

• мировой океан – огромное пространство занятое соленой водой и включающее в себя четыре и 63 моря;
• поверхностные воды континентов – пресноводные, а также изредка солоноватые водоемы. Подразделяются по степени текучести на водоемы с течением – реки на и водоемы со стоячей водой — озера, пруды, болота;
• подземные воды – находящиеся под земной поверхностью пресные воды. Глубина их залегания колеблется от 1-2 до 100-200 и более метров.

Важно! Огромное количество пресной воды на настоящее время находится в виде льда – на сегодняшний день в зонах вечной мерзлоты в виде ледников, огромных айсбергов, постоянного не тающего снега, содержится около 34 млн. км3 запасов пресной воды.

Гидросфера – это, прежде всего , источник пресной питьевой воды, один из основных климатообразующих факторов. Водные ресурсы используются в качестве путей сообщения и объектов туризма и рекреации (отдыха).

Литосфера

Литосфера — это твердые (минеральные) слои земли. Толщина данной оболочки составляет от 100 (под морями) до 200 км (под континентами). Литосфера включает в себя земную кору и верхнюю часть мантии.

То, что расположено ниже литосферы, является непосредственно внутренним строением нашей планеты.

Плиты литосферы преимущественно состоят из базальта, песка и глины, камня, а также грунтового слоя.

Схема строения земли вместе с литосферой представлена следующими слоями:

• земная кора — верхний, состоящий из осадочных, базальтовых, метаморфических пород и плодородной почвы. В зависимости от места нахождения, различают континентальную и океаническую кору;
• мантия – находится под земной корой. Весит около 67% от общей массы планеты. Мощность данного слоя составляет около 3000 км. Верхний слой мантии вязкий, залегает на глубине 50-80 км (под океанами) и 200-300 км (под материками). Нижние слои более твердые и плотные. В состав мантии входят тяжелые железистые и никелевые материалы. Процессами, происходящими в мантии, обусловлены многие явления на поверхности планеты (сейсмические процессы, извержение вулканов, формирование месторождений);
• Центральную часть земли занимает ядро, состоящее из внутренней твердой и наружной жидкой части. Толщина внешней части составляет около 2200 км, внутренней – 1300 км. Расстояние от поверхности до ядра земли составляет около 3000-6000 км. Температура в центре планеты составляет около 5000 Сº. По мнению многих ученых, ядро земли по составу представляет собой тяжелый железно-никелевой расплав с примесью других, сходных по свойствам с железом, элементов.

Важно! Среди узкого круга ученых, помимо классической модели с полурасплавленным тяжелым ядром, существует и теория о том, что в центре планеты располагается внутреннее светило, окруженное со всех сторон внушительным слоем воды. Данная теория, кроме небольшого круга приверженцев в научной среде, нашла широкое распространение в фантастической литературе. Примером может послужить роман В.А. Обручева «Плутония», повествующий об экспедиции русских ученых к полости внутри планеты с собственным небольшим светилом и миром вымерших на поверхности животных и растений.

Такая общепринятая схема строения земли, включающая земную кору, мантию и ядро, с каждым годом все более и более совершенствуется и уточняется.

Многие параметры модели с совершенствованием методов исследований и появлением нового оборудования будут обновлены еще не раз.

Так, например, для того, чтобы узнать точно, сколько километров до внешней части ядра, понадобятся еще годы научных изысканий.

На данный момент наиболее глубокая шахта в земной коре, прорытая человеком составляет около 8 километров, поэтому изучение мантии, а тем более ядра планеты, возможно лишь в теоретическом разрезе.

Послойное строение Земли

Изучаем из каких слоев состоит Земля внутри

Вывод

Рассмотрев строение земли в разрезе, мы убедились в том, насколько интересна и сложна наша планета. Изучение ее строения в будущем поможет человечеству разобраться в загадках природных явлений, позволит более точно прогнозировать разрушительные стихийные бедствия, открывать новые, пока не разработанные месторождения полезных ископаемых.

Мощностью около 2200 км, между которыми иногда выделяется переходная зона. Масса ядра - 1,932 10 24 кг.

Известно о ядре очень мало - вся информация получена косвенными геофизическими или геохимическими методами, и образы 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.

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.

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.

Теория Сорохтина и Ушакова

Описанная модель не является единственной. Так по модели Сорохтина и Ушакова, изложенной в 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 планеты 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.

Земное ядро включает в себя два слоя с пограничной зоной между ними: внешняя жидкая оболочка ядра достигает толщины в 2266 километров, под ней расположено массивное плотное ядро, диаметр которого по подсчетам достигает 1300 км. Переходная зона имеет неоднородную толщину и постепенно затвердевает, переходя во внутреннее ядро. На поверхности верхнего слоя температура находится в районе 5960 градусов по Цельсию, хотя эти данные считаются приблизительными.

Примерный состав внешнего ядра и методы его определения

О составе даже внешнего слоя земного ядра до сих пор известно очень мало, так как ни представляется возможным добыть образцы для изучения. Основные элементы, из которых может состоять внешнее ядро нашей планеты, - железо и никель. К такой гипотезе ученые пришли в результате анализа состава метеоритов, поскольку скитальцы из космоса представляют собой обломки ядер астероидов и других планет.

Тем не менее метеориты нельзя считать абсолютно точно совпадающими по химическому составу, так как исходные космические тела были намного меньше Земли по размеру. После долгих исследований ученые пришли к выводу, что жидкая часть ядерного вещества сильно разбавлена другими элементами, в том числе серой. Это объясняет ее более низкую плотность, чем у железоникелевых сплавов.

Что происходит на внешней части ядра планеты?

Внешняя поверхность ядра на границе с мантией неоднородна. Ученые предполагают, что она имеет разную толщину, образуя своеобразный внутренний рельеф. Это объясняется постоянным смешиванием разнородных глубинных веществ. Они различны по химическому составу, а также имеют разную плотность, поэтому толщина границы между ядром и мантией может варьироваться от 150 до 350 км.

Фантасты прежних лет в своих произведениях описывали путешествие к центру Земли через глубокие пещеры и подземные переходы. Возможно ли это на самом деле? Увы, давление на поверхности ядра превышает 113 миллионов атмосфер. Это значит, что любая пещера наглухо «захлопнулась» бы еще на этапе приближения к мантии. Это объясняет, почему на нашей планете нет пещер глубже хотя бы 1 км.

Как изучают внешний слой ядра?

О том, как выглядит и из чего состоит ядро, ученые могут судить, отслеживая сейсмоактивность. Так, к примеру, было выяснено, что внешний и внутренний слой вращаются в разных направлениях под действием магнитного поля. Ядро Земли таит еще десятки неразгаданных тайн и ждет новых фундаментальных открытий.

Почему земное ядро не остывает и остается разогретым до температуры приблизительно 6000°C на протяжении уже 4,5 млрд лет? Вопрос крайне сложный, на который к тому же наука не может дать на 100% точный вразумительный ответ. Однако на это есть объективные причины.

Излишняя таинственность

Излишняя, так сказать, таинственность земного ядра связана с двумя факторами. Во-первых, никто достоверно не знает как, когда и при каких обстоятельствах оно сформировалось, - происходило это во время формирования протоземли либо уже на ранних стадиях существования сформированной планеты - все это большая загадка. Во-вторых, образцы из земного ядра достать абсолютно невозможно - наверняка никто не знает из чего оно состоит. Более того, все данные, которые нам известны о ядре собраны по косвенным методам и моделям.

Почему ядро Земли остается горячим?

Чтобы попытаться понять почему земное ядро не остывает на протяжении столь длительного времени нужно для начала разобраться за счет чего оно нагрелось изначально. Недра нашей как и любой другой планеты неоднородны, они представляют собой относительно четко разграниченные слои разной плотности. Но так было не всегда: тяжелые элементы медленно опускались вниз, формируя внутренне и внешнее ядро, легкие - вытеснялись на верх, образуя мантию и земную кору. Этот процесс протекает предельно медленно и сопровождается выделением тепла. Однако основной причиной нагрева было не это. Вся масса Земли с огромной силой давит на ее центр, продуцируя феноменальное давление в приблизительно 360 ГПа (3,7 млн атмосфер) в результате чего начал происходить распад радиоактивных долгоживущих элементов, содержащихся в железно-кремниево-никелевом ядре, что и сопровождалось колоссальными выбросами тепла.

Дополнительным источником нагрева служит кинетическая энергия, генерируемая в результате трения между различными слоями (каждый слой вращается независимо от другого): внутреннего ядра с внешним и внешнего с мантией.

Недра планеты (пропорции не соблюдены). Трение между собой трех внутренних слоев служит дополнительным источником нагрева.

Исходя из выше изложенного, можно сделать вывод, что Земля и в частности ее недра являются самодостаточной машиной, которая сама себя отапливает. Но вечно так естественно продолжаться не может: запасы радиоактивных элементов внутри ядра медленно исчезают и больше не чему будет поддерживать температуру.

Оно остывает!

Вообще-то процесс остывания уже начался очень давно, но протекает он крайне медленно - по доле градуса в столетие. По приблизительным подсчетам до полного остывания ядра и прекращения в нем химических и др. реакций пройдет не меньше 1 миллиарда лет.

Короткий ответ: Земля и в частности земное ядро - это самодостаточная машина, которая сама себя отапливает. Вся масса планеты давит на ее центр, продуцируя феноменальное давление и запуская тем самым процесс распада радиоактивных элементов, в результате чего и выделяется тепло.