Что происходит в ядре Земли?

Ядро нашей планеты — одна из самых больших загадок современной геологии. Ученые до сих пор не могут получить прямых данных о его составе, поэтому информацию приходится добывать косвенными методами — путем изучения сейсмограмм и близких по составу метеоритов. Тем не менее полученные сведения уже очень ценны: на огромной глубине привычные вещества приобретают невероятные свойства — становятся жидкими, генерируют электрический ток или кристаллизуются. А самое главное — именно ядро защищает жизнь на планете. 

Как изучают глубины?

Когда мы говорим о ядре планеты, в первую очередь возникает вопрос о способах изучения, ведь оно находится примерно в 2,9 тыс. км под землей. Еще не изобрели методов, которые позволили бы непосредственно изучить глубинное строение, — опуститься так глубоко не удалось даже методом бурения. В Кольской скважине глубиной 12 км температура достигает 220° C, а чем ниже — тем горячее. Никакие аппаратура и электроника не способны выдержать такую жару. 

Но как же ученые получили сведения, которыми мы сегодня располагаем? С помощью сейсмографии! Исследователи используют редкие сейсмические волны от землетрясений или ядерных испытаний, которые проникают во внутреннее ядро или отражаются от него. Проходя через недра планеты, колебания преломляются. Изучая эти колебания, ученые могут установить параметры и даже состав ядра. 

В начале 1930-х гг. датский сейсмолог Инге Леманн выяснила, что ядро Земли не полностью жидкое, как считалось ранее. Изучая волны давления, она поняла, что у Земли есть твердое внутреннее ядро, пропускающее S-волны, в отличие от внешнего жидкого. 

Исследованиям внутреннего строения Земли на удивление способствовали испытания термоядерных бомб, которые почти одновременно проводились в 1969–1974 гг. на подземных полигонах Советским Союзом на Новой Земле и США на острове Амчитка. Военный сейсмограф LASA в штате Монтана зафиксировал резонанс от взрывов, колебания которых достигли внутреннего ядра Земли и отразились назад. Ученые использовали эти данные для оценки скорости и направления вращения ядра нашей планеты. 

В 1990-х гг. специалисты проанализировали материалы ядерных испытаний и выяснили, что ядро вращается быстрее планеты. Долгое время эти результаты считали основополагающими, пока сотрудники Университета Южной Калифорнии не представили новое исследование. Специалисты под руководством Джона Видале пересмотрели результаты и поняли, что ситуация с вращением намного сложнее: ядро действительно опережает вращение самой планеты, но иногда отстает от него. «Наши последние наблюдения показывают, что внутреннее ядро вращалось немного медленнее с 1969 по 1971 г., а затем двигалось в другом направлении с 1971 по 1974 г.», — утверждает исследователь. 

Выяснилось, что помимо скорости внутреннее ядро может менять направление вращения. При этом разные слои ядра вращаются в разные стороны: внешнее жидкое ядро вращается вокруг своей оси с востока на запад, а внутреннее — с запада на восток.

Структура ядра

На сегодня можно выделить следующие физические характеристики ядра: радиус сферы составляет 3,5 тыс. км и делится на твердое внутреннее ядро и жидкое внешнее. Ядро составляет всего 15% объема, а  масса — 30% всей Земли (1,932⋅10²⁴ кг).

Представить состав ядра можно методами изучения близких по составу материалов, например железных метеоритов, представляющих собой фрагменты ядер астероидов. 

Ученым удалось определить, что примерно на 85% ядро состоит из железа, на 10% — из никеля. Состав остальных 5% установить пока не представляется возможным, но исследователи предполагают, что это может быть углерод или кислород.

Внутренне ядро — самый центр Земли диаметром 1,3 тыс. км, размером с Плутон. Это очень плотный и горячий шар, состоящий в основном из железа плотностью 12,8–13 г/см^3. Температура внутреннего ядра достигает 6000° и значительно превышает точку кипения, но из-за высокого атмосферного давления ядро не плавится и остается твердым. 

В 2015 г. группа геологов под руководством профессора Сяодуна Суна из Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне пришла к неожиданному открытию: стало известно, что внутреннее твердое ядро двойное — в нем находится еще одно, в два раза меньше. Исследователи полагают, что состав третьего ядра не железно-никелевый, а какой-то другой. А его кристаллы повернуты не с севера на юг, вдоль магнитного поля Земли, а с запада на восток. 

Что касается внешнего ядра, оно располагается на глубине 2,3 тыс. км под уровнем моря и имеет толщину 2,2 тыс. км. Внешнее ядро состоит из железа и никеля, как и внутреннее, но в жидком состоянии — давления гравитации недостаточно для затвердевания раскаленного металла. Жидкость находится в постоянном движении и образует магнитное поле, которое защищает планету от космического излучения. 

Магнитное поле Земли

Течение жидкого металла во внешнем ядре порождает хаотические электрические токи, образующие магнитное поле.

Оно появилось одновременно с зарождением нашей планеты и наравне с атмосферой помогло защитить первобытных одноклеточных существ от губительного космического излучения, заряженных частиц открытого космоса и солнечного ветра. 

Однако оно не всегда «работало» регулярно, 565 млн лет его напряженность резко понижалась до 10% от современного уровня. Удивительно, но всего за несколько десятков миллионов лет напряженность магнитного поля восстановилась, как раз незадолго до зарождения жизни на планете. Поэтому можно сказать, что нашим существованием мы обязаны в том числе внешнему ядру Земли. 

Фото на странице: JohanSwan / Фотобанк 123RF

Фото на главной странице: Изображение сгенерировано нейросестью Rudalle.ru (Этот материал распространяется по Публичной лицензии с указанием авторства и с сохранением условий, правообладатель ПАО СберБанк©, 2023 г., все права защищены)