Der Erdkern ist flüssig oder fest. Warum kühlt der Erdkern nicht ab? Wie der Erdkern entstand

Warum hat sich der Erdkern nicht abgekühlt und blieb 4,5 Milliarden Jahre lang auf eine Temperatur von etwa 6000 °C erhitzt? Die Frage ist äußerst komplex, auf die die Wissenschaft zudem keine hundertprozentig genaue und verständliche Antwort geben kann. Dafür gibt es jedoch objektive Gründe.

Übermäßige Geheimhaltung

Das sozusagen übermäßige Mysterium des Erdkerns hängt mit zwei Faktoren zusammen. Erstens weiß niemand genau, wie, wann und unter welchen Umständen es entstanden ist – dies geschah während der Entstehung der Protoerde oder bereits damals frühe Stufen Die Existenz eines geformten Planeten ist ein großes Rätsel. Zweitens ist es absolut unmöglich, Proben aus dem Erdkern zu gewinnen – niemand weiß genau, woraus er besteht. Darüber hinaus werden alle uns bekannten Daten über den Kernel mithilfe indirekter Methoden und Modelle gesammelt.

Warum bleibt der Erdkern heiß?

Um zu verstehen, warum der Erdkern so lange nicht abkühlt, muss man zunächst verstehen, was zu seiner anfänglichen Erwärmung geführt hat. Das Innere unseres Planeten ist wie das jedes anderen Planeten heterogen; es handelt sich um relativ klar abgegrenzte Schichten unterschiedlicher Dichte. Dies war jedoch nicht immer der Fall: Schwere Elemente sanken langsam nach unten und bildeten den inneren und äußeren Kern, während leichte Elemente nach oben gedrückt wurden und den Mantel und die Erdkruste bildeten. Dieser Vorgang verläuft äußerst langsam und geht mit der Freisetzung von Wärme einher. Dies war jedoch nicht der Hauptgrund für die Erwärmung. Die gesamte Masse der Erde enorme Kraft drückt auf sein Zentrum und erzeugt einen phänomenalen Druck von etwa 360 GPa (3,7 Millionen Atmosphären), wodurch die im Eisen-Silizium-Nickel-Kern enthaltenen langlebigen radioaktiven Elemente zu zerfallen begannen, was mit kolossalen Emissionen von einherging Hitze.

Eine zusätzliche Wärmequelle ist die kinetische Energie, die durch Reibung zwischen verschiedenen Schichten entsteht (jede Schicht dreht sich unabhängig von der anderen): dem inneren Kern mit dem äußeren und dem äußeren mit dem Mantel.

Das Innere des Planeten (die Proportionen werden nicht beachtet). Die Reibung zwischen den drei inneren Schichten dient dazu zusätzliche Quelle Heizung

Basierend auf dem oben Gesagten können wir den Schluss ziehen, dass die Erde und insbesondere ihr Inneres eine autarke Maschine sind, die sich selbst erwärmt. Aber das kann natürlich nicht ewig so bleiben: Die Reserven an radioaktiven Elementen im Inneren des Kerns schwinden langsam und es wird nichts mehr geben, um die Temperatur aufrechtzuerhalten.

Es wird kalt!

Tatsächlich hat der Abkühlungsprozess schon vor sehr langer Zeit begonnen, aber er verläuft äußerst langsam – mit einem Bruchteil eines Grads pro Jahrhundert. Nach groben Schätzungen wird es mindestens 1 Milliarde Jahre dauern, bis der Kern vollständig abgekühlt ist und chemische und andere Reaktionen darin aufhören.

Kurze Antwort: Die Erde und insbesondere der Erdkern ist eine autarke Maschine, die sich selbst erwärmt. Die gesamte Masse des Planeten drückt auf sein Zentrum, erzeugt einen phänomenalen Druck und löst dadurch den Zerfallsprozess radioaktiver Elemente aus, wodurch Wärme freigesetzt wird.

Menschen füllten die Erde. Wir eroberten Länder, flogen durch die Luft, tauchten in die Tiefen des Ozeans. Wir haben sogar den Mond besucht. Aber wir waren noch nie im Kern des Planeten. Wir kamen ihm nicht einmal nahe. Der Mittelpunkt der Erde liegt 6.000 Kilometer unter uns, und selbst der äußerste Teil des Erdkerns liegt 3.000 Kilometer unter unseren Füßen. Das tiefste Loch, das wir an der Oberfläche gemacht haben, ist , und selbst dann reicht es nur mickrige 12,3 Kilometer tief in die Erde.

Alle bekannten Ereignisse auf der Erde ereignen sich nahe der Oberfläche. Lava, die aus Vulkanen ausbricht, schmilzt zunächst in mehreren hundert Kilometern Tiefe. Sogar Diamanten, deren Entstehung extreme Hitze und Druck erfordert, entstehen in Gesteinen, die nicht tiefer als 500 Kilometer sind.

Alles darunter ist in Geheimnisse gehüllt. Scheint unerreichbar. Und doch wissen wir einiges Interessantes über unseren Kern. Wir haben sogar eine Vorstellung davon, wie es vor Milliarden von Jahren entstanden ist – und das alles ohne ein einziges physisches Exemplar. Wie haben wir es geschafft, so viel über den Erdkern zu erfahren?

Der erste Schritt besteht darin, sorgfältig über die Masse der Erde nachzudenken, sagt Simon Redfern von der Universität Cambridge im Vereinigten Königreich. Wir können die Masse der Erde abschätzen, indem wir die Wirkung beobachten, die die Schwerkraft des Planeten auf Objekte auf der Oberfläche hat. Es stellte sich heraus, dass die Masse der Erde 5,9 Sextillionen Tonnen beträgt: das sind 59 gefolgt von zwanzig Nullen.

An der Oberfläche gibt es jedoch keine Anzeichen einer solchen Masse.

„Die Materialdichte auf der Erdoberfläche ist viel geringer als die durchschnittliche Dichte der gesamten Erde, was uns sagt, dass es da draußen etwas Dichteres gibt“, sagt Redfern. "Das ist das erste."

Im Wesentlichen Großer Teil Die Masse der Erde sollte sich in der Mitte des Planeten befinden. Im nächsten Schritt gilt es herauszufinden, aus welchen schweren Materialien der Kern besteht. Und es besteht fast ausschließlich aus Eisen. Allerdings besteht der Kern zu 80 % aus Eisen genaue Zahl muss es noch herausfinden.

Der Hauptbeweis dafür ist die riesige Menge an Eisen im Universum um uns herum. Es ist eines der zehn am häufigsten vorkommenden Elemente in unserer Galaxie und kommt auch häufig in Meteoriten vor. Trotz alledem gibt es viel weniger Eisen auf der Erdoberfläche, als man erwarten würde. Der Theorie zufolge floss bei der Entstehung der Erde vor 4,5 Milliarden Jahren viel Eisen bis in den Kern.

Dort ist die meiste Masse konzentriert, was bedeutet, dass dort Eisen vorhanden sein sollte. Auch Eisen ist unter normalen Bedingungen ein relativ dichtes Element und wird unter extremem Druck im Erdkern noch dichter. Ein Eisenkern könnte für die fehlende Masse verantwortlich sein.

Aber warte. Wie kam das Eisen überhaupt dorthin? Das Eisen musste irgendwie angezogen werden – dazu buchstäblich- zum Mittelpunkt der Erde. Aber jetzt passiert das nicht.

Der Großteil der restlichen Erde besteht aus Gesteinen – Silikaten – und geschmolzenes Eisen hat Schwierigkeiten, durch sie hindurchzukommen. So wie Wasser auf einer fettigen Oberfläche Tröpfchen bildet, sammelt sich Eisen in kleinen Reservoirs und weigert sich, sich auszubreiten und zu verschütten.

Eine mögliche Lösung wurde 2013 von Wendy Mao von der Stanford University und ihren Kollegen entdeckt. Sie fragten sich, was passiert, wenn Eisen und Silikat tief in der Erde einem starken Druck ausgesetzt sind.

Durch das enge Zusammendrücken beider Substanzen mithilfe von Diamanten gelang es den Wissenschaftlern, geschmolzenes Eisen durch das Silikat zu pressen. „Dieser Druck verändert die Wechselwirkungseigenschaften von Eisen mit Silikaten erheblich“, sagt Mao. - Bei hohem Druck entsteht ein „schmelzendes Netzwerk“.


Dies könnte darauf hindeuten, dass das Eisen über Millionen von Jahren nach und nach durch das Erdgestein gerutscht ist, bis es den Kern erreicht hat.

An dieser Stelle fragen Sie sich vielleicht: Woher wissen wir eigentlich, wie groß der Kernel ist? Warum glauben Wissenschaftler, dass es 3000 Kilometer entfernt beginnt? Es gibt nur eine Antwort: Seismologie.

Wenn ein Erdbeben auftritt, sendet es Schockwellen über den ganzen Planeten. Seismologen zeichnen diese Schwingungen auf. Es ist, als würden wir mit einem riesigen Hammer auf eine Seite des Planeten schlagen und dem Lärm auf der anderen Seite lauschen.

„In den 1960er Jahren gab es in Chile ein Erdbeben, das uns eine riesige Datenmenge lieferte“, sagt Redfern. „Jede seismische Station rund um die Erde hat die Erschütterungen dieses Erdbebens aufgezeichnet.“

Je nachdem, welchen Weg diese Schwingungen nehmen, passieren sie verschiedene Teile der Erde, und das beeinflusst, welchen „Klang“ sie am anderen Ende erzeugen.

Schon früh in der Geschichte der Seismologie stellte sich heraus, dass einige Schwingungen fehlten. Es wurde erwartet, dass diese „S-Wellen“ am anderen Ende der Erde zu sehen wären, nachdem sie an einem Ende entstanden waren, aber sie wurden nicht gesehen. Der Grund dafür ist einfach. S-Wellen hallen durch festes Material wider und können sich nicht durch Flüssigkeit ausbreiten.

Sie müssen im Zentrum der Erde auf etwas Geschmolzenes gestoßen sein. Durch die Kartierung der Pfade der S-Wellen kamen Wissenschaftler zu dem Schluss, dass Gesteine ​​in einer Tiefe von etwa 3.000 Kilometern flüssig werden. Dies deutet auch darauf hin, dass der gesamte Kern geschmolzen ist. Aber Seismologen hatten in dieser Geschichte noch eine weitere Überraschung.


In den 1930er Jahren entdeckte die dänische Seismologin Inge Lehman, dass eine andere Art von Welle, P-Wellen, unerwartet den Kern passierte und auf der anderen Seite des Planeten entdeckt wurde. Es folgte sofort die Annahme, dass der Kern in zwei Schichten geteilt sei. Der „innere“ Kern, der 5.000 Kilometer tiefer beginnt, war solide. Nur der „äußere“ Kern wird geschmolzen.

Lehmans Idee wurde 1970 bestätigt, als empfindlichere Seismographen zeigten, dass P-Wellen tatsächlich durch den Kern wanderten und in einigen Fällen in bestimmten Winkeln von ihm reflektiert wurden. Es ist keine Überraschung, dass sie auf der anderen Seite des Planeten landen.

Es sind nicht nur Erdbeben, die Schockwellen durch die Erde schicken. Tatsächlich haben Seismologen der Entwicklung viel zu verdanken Atomwaffen.

Eine Atomexplosion erzeugt auch Wellen am Boden, weshalb sich Staaten bei Atomwaffentests an Seismologen wenden, um Hilfe zu erhalten. Zur Zeit kalter Krieg Dies war äußerst wichtig, weshalb Seismologen wie Lehman große Unterstützung erhielten.

Die konkurrierenden Länder lernten gegenseitig die nuklearen Fähigkeiten kennen, und gleichzeitig erfuhren wir immer mehr über den Erdkern. Auch heute noch wird die Seismologie zur Erkennung nuklearer Explosionen eingesetzt.


Jetzt können wir uns ein grobes Bild vom Aufbau der Erde machen. Es gibt einen geschmolzenen äußeren Kern, der etwa in der Mitte des Planeten beginnt, und darin befindet sich ein fester innerer Kern mit einem Durchmesser von etwa 1.220 Kilometern.

Das macht die Fragen nicht weniger, insbesondere zum Thema des inneren Kerns. Wie heiß ist es zum Beispiel? Das herauszufinden war nicht so einfach, und Wissenschaftler rätseln schon seit langem, sagt Lidunka Vokadlo vom University College London im Vereinigten Königreich. Da können wir kein Thermometer reinstecken, also das Einzige mögliche Variante- Dies dient dazu, unter Laborbedingungen den erforderlichen Druck zu erzeugen.


Bei normale Bedingungen Eisen schmilzt bei einer Temperatur von 1538 Grad

Im Jahr 2013 erstellte eine Gruppe französischer Wissenschaftler die bisher beste Schätzung. Sie setzten reines Eisen einem halb so großen Druck aus wie im Kern und gingen von dort aus weiter. Der Schmelzpunkt von reinem Eisen im Kern liegt bei etwa 6230 Grad. Das Vorhandensein anderer Materialien kann den Schmelzpunkt leicht senken, bis zu 6000 Grad. Aber es ist immer noch heißer als die Oberfläche der Sonne.

Wie eine Art Ofenkartoffel bleibt der Erdkern dank der Hitze, die bei der Entstehung des Planeten übrig geblieben ist, heiß. Es entzieht außerdem der Reibung, die bei der Bewegung dichter Materialien entsteht, sowie dem Zerfall radioaktiver Elemente Wärme. Alle Milliarde Jahre kühlt es sich um etwa 100 Grad Celsius ab.

Die Kenntnis dieser Temperatur ist nützlich, da sie die Geschwindigkeit beeinflusst, mit der sich Vibrationen durch den Kern ausbreiten. Und das ist praktisch, denn diese Schwingungen haben etwas Seltsames. P-Wellen breiten sich überraschend langsam durch den inneren Kern aus – langsamer, als wenn er aus reinem Eisen bestünde.

„Die Wellengeschwindigkeiten, die Seismologen bei Erdbeben gemessen haben, sind viel geringer als das, was Experimente oder Computerberechnungen zeigen“, sagt Vokadlo. „Niemand weiß bisher, warum das so ist.“

Offenbar ist dem Eisen noch ein anderes Material beigemischt. Möglicherweise Nickel. Wissenschaftler berechneten jedoch, wie seismische Wellen eine Eisen-Nickel-Legierung durchdringen sollten, konnten die Berechnungen jedoch nicht mit den Beobachtungen in Einklang bringen.

Vokadlo und ihre Kollegen prüfen nun die Möglichkeit, dass im Kern weitere Elemente wie Schwefel und Silizium vorhanden sein könnten. Bisher ist es niemandem gelungen, eine Theorie über die Zusammensetzung des inneren Kerns aufzustellen, die alle zufriedenstellen würde. Aschenputtel-Problem: Der Schuh passt niemandem. Vokadlo versucht, am Computer mit inneren Kernmaterialien zu experimentieren. Sie hofft, eine Kombination aus Materialien, Temperaturen und Drücken zu finden, die seismische Wellen im richtigen Maße verlangsamt.


Sie sagt, das Geheimnis könnte in der Tatsache liegen, dass der innere Kern fast am Schmelzpunkt sei. Dadurch können die genauen Eigenschaften des Materials von denen einer vollständig festen Substanz abweichen. Es könnte auch erklären, warum sich seismische Wellen langsamer ausbreiten als erwartet.

„Wenn dieser Effekt real ist, könnten wir die Ergebnisse der Mineralphysik mit den Ergebnissen der Seismologie in Einklang bringen“, sagt Vokadlo. „Das können die Leute noch nicht.“

Es gibt immer noch viele Rätsel rund um den Erdkern, die noch gelöst werden müssen. Da Wissenschaftler jedoch nicht in der Lage sind, in diese unvorstellbaren Tiefen vorzudringen, gelingt ihnen das Kunststück, herauszufinden, was Tausende von Kilometern unter uns liegt. Es ist äußerst wichtig, die verborgenen Prozesse im Erdinneren zu untersuchen. Die Erde verfügt über ein starkes Magnetfeld, das durch ihren teilweise geschmolzenen Kern erzeugt wird. Durch die ständige Bewegung des geschmolzenen Kerns entsteht im Inneren des Planeten ein elektrischer Strom, der wiederum ein Magnetfeld erzeugt, das weit in den Weltraum reicht.

Dieses Magnetfeld schützt uns vor schädlicher Sonnenstrahlung. Wenn der Erdkern nicht so wäre, wie er ist, gäbe es ihn nicht Magnetfeld, und wir würden ernsthaft darunter leiden. Es ist unwahrscheinlich, dass irgendjemand von uns den Kern mit eigenen Augen sehen kann, aber es ist gut zu wissen, dass er da ist.

Wenn Sie Ihre Schlüssel in einen Strom geschmolzener Lava fallen lassen, verabschieden Sie sich von ihnen, denn sie sind alles.
- Jack Handy

Wenn Sie unseren Heimatplaneten betrachten, werden Sie feststellen, dass 70 % seiner Oberfläche mit Wasser bedeckt sind.

Wir alle wissen, warum das so ist: weil die Ozeane der Erde über den Felsen und dem Schmutz schwimmen, aus denen das Land besteht. Das Konzept des Auftriebs, bei dem weniger dichte Objekte über dichteren Objekten schweben, die darunter sinken, erklärt viel mehr als nur die Ozeane.

Das gleiche Prinzip, das erklärt, warum Eis im Wasser schwimmt, ein Heliumballon in der Atmosphäre aufsteigt und Steine ​​in einem See versinken, erklärt, warum die Schichten des Planeten Erde so angeordnet sind, wie sie sind.

Der am wenigsten dichte Teil der Erde, die Atmosphäre, schwebt über Ozeanen aus Wasser, die über der Erdkruste schweben, die sich über dem dichteren Mantel befindet, der nicht in den dichtesten Teil der Erde einsinkt: die Kruste.

Im Idealfall wäre der stabilste Zustand der Erde einer, der wie eine Zwiebel ideal in Schichten verteilt wäre, mit den dichtesten Elementen in der Mitte, und wenn man sich nach außen bewegt, würde jede nachfolgende Schicht aus weniger dichten Elementen bestehen. Und jedes Erdbeben bewegt den Planeten tatsächlich in diesen Zustand.

Und das erklärt die Struktur nicht nur der Erde, sondern auch aller Planeten, wenn man sich daran erinnert, woher diese Elemente stammen.


Als das Universum jung war – nur wenige Minuten alt – existierten nur Wasserstoff und Helium. In Sternen entstanden immer schwerere Elemente, und erst als diese Sterne starben, entwichen die schwereren Elemente ins Universum und ermöglichten die Bildung neuer Generationen von Sternen.


Doch dieses Mal bildet eine Mischung all dieser Elemente – nicht nur Wasserstoff und Helium, sondern auch Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Silizium, Magnesium, Schwefel, Eisen und andere – nicht nur einen Stern, sondern auch eine protoplanetare Scheibe um diesen Stern.

Der Druck von innen nach außen in einem entstehenden Stern drückt leichtere Elemente nach außen, und die Schwerkraft führt dazu, dass Unregelmäßigkeiten in der Scheibe kollabieren und Planeten entstehen.


Im Fall von Sonnensystem Die vier inneren Welten sind die dichtesten aller Planeten im System. Merkur besteht aus den dichtesten Elementen, die es nicht halten könnte große Menge Wasserstoff und Helium.

Andere Planeten, die massereicher und weiter von der Sonne entfernt waren (und daher weniger Strahlung abbekommen), konnten mehr dieser ultraleichten Elemente zurückhalten – so entstanden Gasriesen.

Auf allen Welten, wie auch auf der Erde, konzentrieren sich im Durchschnitt die dichtesten Elemente im Kern und die leichten bilden um ihn herum immer weniger dichte Schichten.


Es ist nicht überraschend, dass Eisen, das stabilste Element und das schwerste Element, das am Rande von Supernovae in großen Mengen entsteht, das am häufigsten vorkommende Element im Erdkern ist. Doch überraschenderweise liegt zwischen dem festen Kern und dem festen Mantel eine mehr als 2.000 km dicke Flüssigkeitsschicht: der äußere Kern der Erde.


Die Erde hat eine dicke Flüssigkeitsschicht, die 30 % der Masse des Planeten ausmacht! Und wir erfuhren von seiner Existenz mit einer ziemlich genialen Methode – dank seismischer Wellen, die von Erdbeben ausgehen!


Bei Erdbeben entstehen zwei Arten seismischer Wellen: die Hauptkompressionswelle, bekannt als P-Welle, die sich entlang einer Längsbahn ausbreitet

und eine zweite Scherwelle, bekannt als S-Welle, ähnlich den Wellen auf der Meeresoberfläche.

Seismische Stationen auf der ganzen Welt sind in der Lage, P- und S-Wellen zu empfangen, aber S-Wellen breiten sich nicht durch Flüssigkeiten aus, und P-Wellen breiten sich nicht nur durch Flüssigkeiten aus, sondern werden gebrochen!

Als Ergebnis können wir verstehen, dass die Erde einen flüssigen äußeren Kern hat, außerhalb dessen sich ein fester Mantel und im Inneren ein fester innerer Kern befindet! Aus diesem Grund enthält der Erdkern die schwersten und dichtesten Elemente, und daher wissen wir, dass der äußere Kern eine flüssige Schicht ist.

Aber warum ist der äußere Kern flüssig? Wie bei allen Elementen hängt der Zustand von Eisen, ob fest, flüssig, gasförmig oder anders, vom Druck und der Temperatur des Eisens ab.

Eisen ist ein komplexeres Element als viele, die Sie gewohnt sind. Natürlich kann es verschiedene kristalline Festphasen haben, wie in der Grafik angegeben, aber wir sind nicht an gewöhnlichen Drücken interessiert. Wir steigen in den Erdkern hinab, wo der Druck millionenfach höher ist als der Meeresspiegel. Wie sieht das Phasendiagramm für solch hohe Drücke aus?

Das Schöne an der Wissenschaft ist, dass selbst wenn Sie nicht sofort die Antwort auf eine Frage haben, die Wahrscheinlichkeit groß ist, dass jemand bereits die Recherche durchgeführt hat, die zur Antwort führen könnte! In diesem Fall fanden Ahrens, Collins und Chen im Jahr 2001 die Antwort auf unsere Frage.

Und obwohl das Diagramm gigantische Drücke von bis zu 120 GPa zeigt, ist es wichtig zu bedenken, dass der atmosphärische Druck nur 0,0001 GPa beträgt, während im inneren Kern Drücke 330-360 GPa erreichen. Die obere durchgezogene Linie zeigt die Grenze zwischen schmelzendem Eisen (oben) und festem Eisen (unten). Ist Ihnen aufgefallen, dass die durchgezogene Linie ganz am Ende eine scharfe Aufwärtskurve macht?

Damit Eisen bei einem Druck von 330 GPa schmilzt, ist eine enorme Temperatur erforderlich, vergleichbar mit der auf der Sonnenoberfläche herrschenden. Die gleichen Temperaturen bei niedrigeren Drücken halten Eisen leicht im flüssigen Zustand und bei höheren Drücken im festen Zustand. Was bedeutet das im Hinblick auf den Erdkern?


Das heißt, wenn die Erde abkühlt, sinkt ihre Innentemperatur, der Druck bleibt jedoch unverändert. Das heißt, während der Entstehung der Erde war höchstwahrscheinlich der gesamte Kern flüssig, und wenn er abkühlt, wächst der innere Kern! Und da festes Eisen eine höhere Dichte als flüssiges Eisen hat, zieht sich die Erde langsam zusammen, was zu Erdbeben führt!


Der Erdkern ist also flüssig, weil er heiß genug ist, um Eisen zu schmelzen, allerdings nur in Regionen mit ausreichend niedrigem Druck. Wenn die Erde altert und abkühlt, werden immer mehr Teile des Kerns fest, und so schrumpft die Erde ein wenig!

Wenn wir weit in die Zukunft blicken wollen, können wir damit rechnen, dass dieselben Eigenschaften auftreten wie bei Merkur.


Aufgrund seiner geringen Größe ist Quecksilber bereits stark abgekühlt und kontrahiert und weist Brüche von mehreren Hundert Kilometern Länge auf, die aufgrund der Notwendigkeit einer Kompression aufgrund der Abkühlung entstanden sind.

Warum hat die Erde also einen flüssigen Kern? Weil es noch nicht abgekühlt ist. Und jedes Erdbeben ist eine kleine Annäherung der Erde an ihren endgültigen, abgekühlten und völlig festen Zustand. Aber keine Sorge, lange bevor die Sonne explodiert, werden alle Menschen, die Sie kennen, für sehr lange Zeit tot sein.

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Mithilfe einer subtilen Kombination aus Teilchenbeschleunigern, Röntgenstrahlen, hochintensiven Lasern, Diamanten und Eisenatomen konnten Wissenschaftler die Temperatur im inneren Kern unseres Planeten berechnen.

Nach neuen Berechnungen liegt sie bei 6000 Grad Celsius und damit tausend Grad höher als bisher angenommen.

Daher hat der Kern des Planeten Erde eine höhere Temperatur als die Oberfläche der Sonne.

Neue Daten können zu einem Umdenken über zuvor als unveränderlich geltende Fakten in Wissensgebieten wie Geophysik, Seismologie, Geodynamik und anderen Planeten-orientierten Disziplinen führen.

Von der Oberfläche aus gesehen besteht die Erde aus einer Kruste, einem festen oberen Mantel, einem größtenteils festen Mantel, einem äußeren Kern aus geschmolzenem Eisen und Nickel und einem inneren Kern aus festem Eisen und Nickel. Der äußere Kern ist aufgrund der hohen Temperaturen flüssig, der höhere Druck im inneren Kern verhindert jedoch das Schmelzen des Gesteins.

Die Entfernung von der Oberfläche zum Erdmittelpunkt beträgt 6371 km. Die Dicke der Kruste beträgt 35 km, der Mantel 2855 km; Vor dem Hintergrund dieser Entfernungen wirkt der 12 km tiefe Kola-Superdeep-Brunnen wie eine Kleinigkeit. Im Wesentlichen wissen wir nichts Genaues darüber, was unter der Erdkruste passiert. Alle unsere Daten basieren auf den seismischen Wellen von Erdbeben, die von verschiedenen Erdschichten reflektiert werden, und auf den erbärmlichen Krümeln, die wie vulkanisches Magma aus der Tiefe an die Oberfläche fallen.

Natürlich würden Wissenschaftler mit großer Freude einen Brunnen bis ins Mark bohren, aber beim aktuellen Stand der technologischen Entwicklung ist diese Aufgabe nicht möglich. Bereits bei zwölf Kilometern musste die Bohrung des Kola-Brunnens gestoppt werden, da die Temperatur in dieser Tiefe 180 Grad betrug.

In einer Entfernung von fünfzehn Kilometern wird die Temperatur voraussichtlich 300 Grad betragen, und auf dieser Höhe werden moderne Bohrinseln nicht arbeiten können. Und noch mehr: Derzeit gibt es keine Technologien, die das Bohren im Erdmantel im Temperaturbereich von 500 bis 4000 Grad ermöglichen würden. Wir sollten die praktische Seite der Sache nicht vergessen: Es gibt kein Öl außerhalb der Erdkruste, daher gibt es möglicherweise niemanden, der bereit ist, in die Entwicklung solcher Technologien zu investieren.

Um die Temperatur im inneren Kern zu berechnen, haben französische Forscher ihr Bestes getan, um die ultrahohen Temperaturen und Drücke des Kerns im Labor nachzubilden. Die Simulation des Drucks ist die schwierigste Aufgabe: In dieser Tiefe erreicht er einen Wert von 330 Gigapascal, das ist drei Millionen Mal höher als der Atmosphärendruck.

Um das Problem zu lösen, wurde eine Diamant-Ambosszelle verwendet. Es besteht aus zwei konischen Diamanten, die auf beiden Seiten auf einer Fläche von weniger als einem Millimeter Durchmesser auf das Material einwirken; Somit wurde ein Druck von 200 Gigapascal auf die Eisenprobe ausgeübt. Anschließend wurde das Eisen mit einem Laser erhitzt und einer Röntgenbeugungsanalyse unterzogen, um den Übergang von fest zu flüssig unter diesen Bedingungen zu beobachten. Abschließend korrigierten die Wissenschaftler die Ergebnisse für einen Druck von 330 Gigapascal und ermittelten eine Beschichtungstemperatur des inneren Kerns von 5957 plus/minus 500 Grad. Im Inneren des Kerns selbst ist es offenbar sogar noch höher.

Warum ist es so wichtig, die Temperatur des Planetenkerns zu überdenken?

Das Erdmagnetfeld wird genau vom Erdkern erzeugt und beeinflusst viele Ereignisse auf der Oberfläche des Planeten – zum Beispiel das Festhalten der Atmosphäre. Zu wissen, dass die Kerntemperatur tausend Grad höher ist als bisher angenommen, bietet noch keine praktischen Anwendungen, kann aber in Zukunft nützlich sein. Der neue Temperaturwert wird in neuen seismologischen und geophysikalischen Modellen verwendet, die in Zukunft durchaus zu ernsthaften wissenschaftlichen Entdeckungen führen können. Im Großen und Ganzen ist ein vollständigeres und genaueres Bild der Welt um uns herum für Wissenschaftler an sich schon wertvoll.

Um zu berechnen, welche Werte der Druck im Erdinneren erreicht, der durch das Gewicht der Gesteine, aus denen die verschiedenen Schalen bestehen, verursacht wird, muss man die Dichte der Gesteine ​​in allen Tiefen und auch die Größe der Schwerkraft überhaupt kennen Tiefen bis zur Mitte.

Wie wir gesehen haben, nimmt die Dichte der Gesteine ​​mit der Tiefe zu, wenn auch ungleichmäßig. Von 2,5 an der Oberfläche erreicht er 3,4 in einer Tiefe von etwa 100 km und bis zu 6,0 auf Level 2900 km unter der Oberfläche. Hier, an der Grenze des Kerns, ist ein Sprung im Dichtewert zu beobachten: Er erreicht sofort einen Wert von etwa 9,5 und wächst dann wieder gleichmäßig an, bis er in der Mitte des Kerns 12,5 erreicht (nach M. S. Molodensky, 1955). ) (siehe Abb. 8).

Reis. 8. Dichteänderung im Inneren der Erde.


Zur Schwerkraft lässt sich Folgendes sagen. Schwerkraft ist die Kraft, mit der die Erde alle Körper anzieht. Unter dem Einfluss dieser Kraft fallen Körper, die sich in einem freien Zustand (z. B. in der Luft) befinden, auf die Erde, das heißt, sie bewegen sich in Richtung des Erdmittelpunkts, wobei sie allmählich beschleunigen, also eine „Beschleunigung“ erhalten. Die Größe der „Erdbeschleunigung“ kann berechnet werden. Auf der Erdoberfläche beträgt die Erdbeschleunigung etwa 9,8 m/s 2; in den Tiefen der Erde steigt er zunächst leicht an, erreicht nahe der Erdkernoberfläche ein Maximum, fällt dann schnell ab und erreicht im Erdmittelpunkt den Nullpunkt (Abb. 9). Das ist verständlich: Ein Punkt in der Mitte des Globus wird von allen ihn umgebenden Teilen mit der gleichen Kraft entlang aller Radien angezogen, und am Ende ist die Resultierende gleich Null.



Reis. 9. Änderung der Erdbeschleunigung.


Mit diesen Informationen können wir das Gewicht einer Felssäule mit einem Querschnitt von 1 Quadratmeter berechnen. Zentimeter und Länge, gleich dem Radius Erde oder irgendein Teil davon. Dies ist der Druck, der durch das Gewicht der darüber liegenden Steine ​​auf die Elementarplattform (1) ausgeübt wird Quadrat. cm)in den Tiefen der Erde. Berechnungen führen zu folgenden Zahlen: „unten“ Erdkruste, also an der Basis der Sialic-Membran (in einer Tiefe von 50 km) - etwa 13.000 Atmosphären, also etwa 13 Tonnen pro Quadratzentimeter; an der Kerngrenze – etwa 1,4 Millionen Atmosphären; im Zentrum der Erde - etwa 3 Millionen Atmosphären (Abb. 10). Drei Millionen Atmosphären sind ungefähr dreitausend Tonnen pro Quadratzentimeter. Das ist eine riesige Menge. Bisher ist es keinem Labor gelungen, solche Drücke zu erreichen.



Reis. 10. Druckänderungen im Erdinneren.


Kommen wir zur Temperatur. Messungen in Bohrlöchern sowie in Bergwerken ergaben, dass die Temperatur mit der Tiefe zunimmt und alle 100 Meter um etwa 3° ansteigt. Überall auf allen Kontinenten herrscht ein ähnlicher Temperaturanstieg, jedoch nur in den äußeren Teilen der Erde, nahe ihrer Oberfläche. Mit der Tiefe nimmt die Größe des „geothermischen Gradienten“ (geothermischer Gradient ist die Temperaturänderung in Grad pro Zentimeter) ab. Berechnungen auf Basis der Wärmeleitfähigkeit von Gesteinen zeigen, dass der für die äußeren Erdteile bekannte geothermische Gradient nicht länger als in den ersten 20 Jahren anhält km; Unten verlangsamt sich der Temperaturanstieg merklich. An der Basis der Sialic-Membran ist es unwahrscheinlich, dass die Temperatur über 900 °C liegt; in einer Tiefe von 100 km - etwa 1500°; Darüber hinaus verlangsamt sich sein Wachstum noch mehr. Was die zentralen Teile der Erde betrifft, insbesondere den Erdkern, ist es sehr schwierig, verlässliche Aussagen darüber zu machen. Experten, die sich mit diesem Thema befasst haben, gehen davon aus, dass sich das Erdinnere auf nicht mehr als 2.000 bis 3.000 Grad erwärmt (Abb. 11).



Reis. 11. Temperaturänderungen im Erdinneren.


Es könnte interessant sein, sich zum Vergleich daran zu erinnern, dass die Temperatur im Zentrum der Sonne auf 1 Million Grad geschätzt wird, auf der Sonnenoberfläche etwa 6000°. Ein brennendes Haar die Glühbirne auf 3000° erhitzt.

Zur Frage der Wärmequellen und des thermischen Regimes der Erde liegen interessante Daten vor. Früher glaubte man, dass die Erde die von der Sonne „erbte“ „ursprüngliche“ Wärme speichert und diese nach und nach verliert, abkühlt und an Volumen schrumpft. Die Entdeckung radioaktiver Elemente veränderte bisherige Vorstellungen. Es stellte sich heraus, dass die Gesteine, aus denen die Erdkruste besteht, radioaktive Elemente enthalten, die spontan und kontinuierlich Wärme abgeben. Die Menge dieser Wärme wird auf ungefähr 6 ppm einer kleinen Kalorie pro 1 geschätzt Kubikzentimeter Gestein pro Jahr, und um den gesamten Wärmeverbrauch der Erdoberfläche in den Weltraum zu decken, ist es notwendig, dass derselbe elementare Gesteinswürfel nur drei Zehnmillionstel einer kleinen Kalorie pro Jahr freisetzt. Mit anderen Worten: Es gibt keinen Grund zu der Annahme, dass sich der Globus abkühlt. Im Gegenteil, es kann sich erwärmen. Auf dieser Grundlage in letzten Jahren Für die Entwicklung der Erdkruste und den Ursprung der Bewegungen, denen sie ausgesetzt ist, wurden neue Hypothesen aufgestellt.

Angesichts der Verfügbarkeit hohe Temperatur In den Eingeweiden der Erde haben wir das Recht, die folgende Frage zu stellen: In welchem ​​physischen Zustand („Aggregatzustand“) befinden sich die inneren Teile der Erde? Fest oder flüssig oder vielleicht gasförmig?

Letzte Version, also die Vorstellung eines gasförmigen Materiezustands im Inneren der Erde, kann sofort verworfen werden. Um die Mineralien, aus denen die Erde besteht, in Gas umzuwandeln, ist nach den oben dargestellten Daten eine viel höhere Temperatur erforderlich als zulässig.

Aber die Steine ​​könnten am Ende in einen flüssigen Zustand übergehen. Es ist beispielsweise bekannt, dass „saure“ Gesteine ​​bei 1000°, „basische“ Gesteine ​​bei 1000–1200° und „ultrabasische“ Gesteine ​​bei 1300–1400° schmelzen. Das bedeutet bereits in einer Tiefe von 100–130 km die Steine ​​müssten schmelzen. Es herrscht jedoch ein sehr hoher Druck, und Druck erhöht den Schmelzpunkt. Wessen Einfluss wird größer sein: hohe Temperatur oder hoher Druck?

Hier müssen wir wieder auf die Hilfe seismischer Beobachtungen zurückgreifen. Longitudinal- und Transversalwellen passieren ungehindert alle Erdhüllen, eingeschlossen zwischen der Erdoberfläche und der Grenze des Erdkerns; Daher verhält sich die Substanz hier überall wie ein Feststoff. Diese Schlussfolgerung steht im Einklang mit der Schlussfolgerung von Astronomen und Geophysikern, die gezeigt haben, dass die Härte der Erde als Ganzes nahe an der Härte von Stahl liegt. Nach Berechnungen von V.F. Bonchkovsky wird die Härte der Erde auf 12 10 11 Dyn pro Quadratzentimeter geschätzt, was dem Vierfachen der Härte von Granit entspricht.

Die Gesamtheit der modernen Daten legt daher nahe, dass alle Hüllen der Erde (mit Ausnahme ihres Kerns!) als in einem festen Zustand befindlich betrachtet werden sollten. Flüssigen Zustand Materie kann nur für völlig unbedeutende Bereiche in der Dicke der Erdkruste zugelassen werden, mit denen Vulkane direkt verbunden sind.



 

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