Ядро Земли

Ядро Земли представляет собой раскаленный шар, расположенный внутри нашей планеты, в самом ее центре. У людей, разумеется, нет прямого доступа к этой области, ведь температура и плотность в ней достигают экстремальных значений.

Тем не менее благодаря развитию геологии, геофизики и сейсмологии ученым удалось относительно подробно изучить состав, структуру и другие характеристики ядра. В этой статье мы поговорим о том, что представляет собой ядро Земли, как оно функционирует и какое влияние оказывает на климат и другие условия жизни на нашей планете. Также мы попробуем заглянуть в будущее и узнать, что ждет ядро Земли через миллиарды лет.

Ядро Земли: что это?

Ядро Земли — это ее внутренний слой, который находится под мантией, наиболее массивной и объемной оболочкой. Существуют разные мнения о том, когда оно сформировалось, но, скорее всего, это произошло немного позже образования самой планеты. Под высоким давлением металлы и другие тяжелые элементы достигли температуры плавления. В таком состоянии под воздействием силы гравитации они переместились в центральную внутреннюю область планеты. По мере остывания Земли сформировались как ее внутреннее ядро, имеющее твердую структуру, так и жидкое внешнее ядро.

История изучения ядра Земли

Первым, кто выдвинул предположение о том, что у Земли есть внутренний слой, был английский ученый Генри Кавендиш. В 1797 году ему удалось измерить массу и плотность планеты с помощью крутильных весов. Этот прибор представлял собой стационарную установку с 2 шарами весом по 730 граммов, над которыми были подвешены гораздо более тяжелые 160-килограммовые шары. По анализу периода колебаний Кавендиш рассчитал гравитационное взаимодействие между шарами. Зная размер Земли, он определил и плотность планеты (разница с современным значением 5 518 кг/м³ составила менее 1%). Согласно результатам, вещество на поверхности должно было быть значительно плотнее, чем оно есть в действительности, поэтому Кавендиш выдвинул гипотезу о наличии внутреннего слоя повышенной плотности.

В 1897 году немецкий физик Эмиль Вихерт изучал сейсмические волны во время землетрясений. Установив неравномерность их распределения, он разработал трехслойную модель Земли, в центре которой располагается железное ядро. В 1910 году геофизик Бено Гутенберг определил глубину залегания ядра, а в 1936 году датский ученый Инге Леманн установила, что оно состоит из внутренней твердой и внешней жидкой части.

Структура и состав ядра Земли

Как уже было упомянуто, у нашей планеты есть внутреннее и внешнее ядра, в которых вещество находится в разных агрегатных состояниях. Рассмотрим их основные характеристики.

• Внутреннее ядро. Представляет собой шар диаметром около 2 400 километров, который начинается на глубине около 5 200 километров и охватывает центр планеты. Его твердая структура объясняется тем, что колоссальное давление препятствует плавлению металлов. Иными словами, внутреннее ядро является плазмой, которая ведет себя как твердое тело.
• Внешнее ядро. Начинается на глубине около 3 000 километров под поверхностью и имеет толщину 2 200 километров. Состоит из жидких расплавленных элементов, так как давления в этой области не хватает для перехода вещества в состояние твердой плазмы.

Состав ядра Земли определен по косвенным признакам, включающим плотность, характер движения сейсмических волн и моделей формирования планеты из космических облаков пыли и газа. По современным оценкам, внутреннее ядро имеет следующий состав:

• железо — 87%;
• никель — 10%;
• неустановленные легкие элементы — 3%.

Внешнее ядро также по большей части представлено железом, однако доля содержания никеля в нем в 2 раза меньше, чем во внутренней части. Его замещают такие элементы, как сера, кремний, фосфор, кислород, углерод и водород. Считается, что некоторые из них могут содержаться и в твердой части (входят в 3% неизвестных элементов), однако этот вопрос до сих пор остается открытым.

Физические свойства земного ядра

Общий диаметр ядра составляет около 6 600 километров, больше половины диаметра всей планеты. Ядро Земли превышает по размеру Луну, крупнейшие спутники Юпитера и Сатурна, планету Меркурий и совсем незначительно уступает Марсу. Приблизительно треть массы нашей планеты приходится на ее ядро — 1,93 * 10²⁴ килограммов. Таким образом, оно в 3 раза тяжелее, чем Марс.

Температура в ядре увеличивается по мере удаления от поверхности. На границе с мантией средняя температура составляет 4 000 °C, а между внешним и внутренним ядром — 5 600 °C. По разным оценкам, в самом центре Земля разогрета до 6 000, такую же температуру фиксируют на поверхности Солнца. Аналогичная ситуация наблюдается и с давлением, которое по мере увеличения глубины возрастает со 136 до 361 гигапаскаля. Если бы мы жили на твердой поверхности ядра, ускорение свободного падения было бы в 2,3 раза меньше нынешнего — 4,3 м/с².

Магнитное поле Земли: как ядро влияет на его формирование

Наша планета окружена магнитным полем — мощными силовыми линиями, которые расходятся в космос и защищают Землю от радиации. Магнитосфера нейтрализует исходящие от Солнца заряженные частицы (солнечный ветер) на высоте около 60 000 километров. Так она поддерживает сохранность озонового слоя, который, в свою очередь, не пропускает большую часть опасного ультрафиолетового излучения. Проявление магнитного поля мы можем увидеть на обычном компасе, так как его стрелка выравнивается между полюсами по направлению силовых линий. По этим же линиям направляются электроны от Солнца и, достигая полюсов, образуют яркие полярные сияния.

Теперь разберемся, какую роль в формировании магнитного поля играет ядро Земли. В его расплавленной внешней части происходит явление тепловой конвекции, то есть потокового перемещения тепловой энергии. Остывающие элементы опускаются в нижнюю часть, а нагревающиеся поднимаются ближе к мантии. В результате постоянного переноса высвобождается гравитационная энергия, формирующая магнитное поле.

Однако одной лишь конвекции недостаточно для формирования столь мощного магнитного поля. Нижняя часть внешнего ядра вращается быстрее верхней, из-за чего конвекционные потоки двигаются по спиральной траектории и генерируют электрический ток. Так как расплавленные металлы являются отличной электропроводящей средой, они начинают работать как огромная динамо-машина и дополнительно усиливают магнитное поле Земли.

Процессы в ядре Земли и их значение для жизни

Ядро планеты имеет важнейшее значение ядра для сохранения вокруг Земли озонового слоя. До того, как он сформировался, живые организмы могли существовать исключительно в воде, так как на поверхности они не были бы защищены от солнечных ожогов. Радиационный щит, возникший вокруг Земли, стал одной из главных причин биологического разнообразия, сформировавшегося на нашей планете: растительные, а затем и животные организмы получили великолепные условия для развития на суше.

Как ядро влияет на продолжительность суток на Земле

Как уже было упомянуто, жидкое железо во внешнем ядре постоянно циркулирует и воздействует на мантию. Из-за этих колебаний скорость вращения Земли меняется. В течение года продолжительность суток на нашей планете попеременно увеличивается и уменьшается на 1 миллисекунду. На более длительных временных дистанциях, например, в несколько десятков лет, продолжительность дня меняется более существенно — на 4 миллисекунды. Недавние исследования ученых из Университета Южной Калифорнии показали, что в последние годы вращение Земли замедляется.

Будущее ядра Земли: что нас ждет?

Согласно научному консенсусу, ядро Земли постепенно остывает. Затвердевающие элементы перемещаются к центру, увеличивая размеры внутреннего ядра примерно на 1 миллиметр в год. В далеком будущем это могло бы привести к заметному ослаблению магнитного поля и разрушению озонового слоя. Однако, по расчетам ученых, на полное затвердевание ядра уйдет порядка 90 млрд лет. К тому моменту наша планета уже давно будет поглощена Солнцем, да и сама звезда прекратит свое существование в нынешнем виде. Таким образом, потерю магнитного поля из-за остывания ядра можно смело исключить из списка потенциальных глобальных катастроф.

Путешествия к ядру Земли в книгах и фильмах

В 1864 году вышел научно-фантастический роман Жюля Верна «Путешествие к центру Земли». В нем выдвигается идея, что через вулканические кратеры можно достичь самых глубоких недр нашей планеты. Группа ученых спускается в потухший исландский вулкан Снайфедль и исследует подземный мир, где до сих пор живут динозавры, существуют моря и леса, а также постоянно наблюдаются удивительные природные феномены. По роману снято 8 художественных фильмов и 2 телесериала. Одна из последних экранизаций 2008 года выпущена в 3D-формате и сопровождается спецэффектами, которые погружают зрителей в атмосферу произведения Жюля Верна (брызги воды, потоки ветра, световые вспышки, туман и различные запахи).

Среди отечественных фантастов тоже были авторы, коснувшиеся темы путешествий в земные глубины. В середине ХХ века широкую известность получил роман Григория Адамова «Победители недр», написанный в 1937 году. Герои романа отправляются в путешествие на «подземоходе», чтобы построить в глубинах Земли мощную электростанцию, использующую тепло земных недр. Интересно, что этот роман заслужил положительную оценку известного ученого академика В. А. Обручева, который, в свою очередь, тоже был еще и писателем фантастом, автором знаменитой «Земли Санникова».

Конечно, добраться до центра Земли с помощью вулканических кратеров невозможно. Даже потухшие вулканы, на дне которых нет магматических озер, достигают глубины не более 600–700 метров, то есть находятся в верхней части земной коры. Пока что у людей нет даже теоретической возможности заглянуть в ядро, так как никакое современное оборудование не выдержит столь колоссального давления и температуры.

***

Ядро Земли начали пристально изучать лишь в начале XX века, однако даже за это время людям удалось понять его структуру и основные характеристики, а также оценить роль в современном облике планеты. Появление новых многофункциональных научных приборов и построение все более точных компьютерных моделей позволяет надеяться, что уже в ближайшем будущем ядро Земли будет полностью изучено, и мы узнаем гораздо больше об истории формирования и нынешней внутренней структуре нашей планеты.

Вопрос-ответ

Какая температура ядра Земли?

Температура в верхней части ядра составляет 4 000 °C и постепенно поднимается до 6 000 °C.

Где температура выше, в земном ядре или на Солнце?

В центре земного ядра приблизительно такая же температура, как на поверхности Солнца. Однако в более глубоких частях Солнца температура последовательно возрастает сначала до 2, а затем и до 15 млн градусов Цельсия.

Почему ядро Земли не остывает?

Ядро Земли остывает, но очень медленно. Каждый миллиард лет его температура падает примерно на 100 °C.

Когда остынет ядро Земли?

За все оставшееся время существования нашей планеты ядро Земли не остынет.

Сколько километров составляет диаметр ядра?

Средний диаметр ядра Земли равен 6 600 километрам.

На какой глубине находится ядро Земли?

Внешнее ядро Земли начинается на глубине 3 000 километров, а внутреннее — 5 200 километров.

Какова плотность ядра Земли?

Плотность ядра Земли составляет от 10 до 13 т/м³.

Можно ли докопаться до ядра Земли?

Современные технологии не позволяют нам докопать даже до мантии, не говоря уже о ядре Земли. Расположенная в ЮАР шахта Мпоненг является самой глубокой на нашей планете, но даже она достигает уровня менее 4 километров под поверхностью. То есть не выходит за пределы земной коры.

Изображение на обложке: Freepik