Ядро землі рідке чи тверде. Чому земне ядро ​​не остигає? Як утворилося ядро ​​Землі

Чому земне ядро ​​не остигає і залишається розігрітим до температури приблизно 6000 ° C протягом 4,5 млрд років? Питання вкрай складне, на яке до того ж наука не може дати на 100% точну зрозумілу відповідь. Проте для цього є об'єктивні причини.

Зайва таємничість

Зайва, так би мовити, таємничість земного ядра пов'язана із двома факторами. По-перше, ніхто достовірно не знає як, коли і за яких обставин воно сформувалося, - відбувалося це під час формування протоземлі або вже на ранніх стадіяхІснування сформованої планети - все це велика загадка. По-друге, зразки із земного ядра дістати абсолютно неможливо - напевно, ніхто не знає з чого воно складається. Більш того, всі дані, які нам відомі про ядро ​​зібрані за непрямими методами та моделями.

Чому ядро ​​Землі залишається гарячим?

Щоб спробувати зрозуміти чому земне ядро ​​не остигає протягом такого тривалого часу, потрібно для початку розібратися за рахунок чого воно нагрілося спочатку. Надра нашої як і будь-якої іншої планети неоднорідні, вони є відносно чітко розмежовані шари різної щільності. Але так було не завжди: важкі елементи повільно опускалися вниз, формуючи внутрішнє та зовнішнє ядро, легені – витіснялися на верх, утворюючи мантію та земну кору. Цей процес протікає гранично повільно та супроводжується виділенням тепла. Проте основною причиною нагріву було це. Вся маса Землі з величезною силоютисне на її центр, продукуючи феноменальний тиск приблизно 360 ГПа (3,7 млн ​​атмосфер) в результаті чого почався розпад радіоактивних довгоживучих елементів, що містяться в залізно-кремнієво-нікелевому ядрі, що і супроводжувалося колосальними викидами тепла.

Додатковим джерелом нагрівання служить кінетична енергія, що генерується в результаті тертя між різними шарами (кожен шар обертається незалежно від іншого): внутрішнього ядра із зовнішнім та зовнішнього з мантією.

Надра планети (пропорції не дотримані). Тертя між собою трьох внутрішніх верств служить додатковим джереломнагріву.

Виходячи з вище викладеного, можна дійти невтішного висновку, що Земля і зокрема її надра є самодостатньою машиною, яка сама себе опалює. Але завжди так природно продовжуватися не може: запаси радіоактивних елементів усередині ядра повільно зникають і більше не буде чому підтримувати температуру.

Воно остигає!

Взагалі процес охолодження вже почався дуже давно, але протікає він вкрай повільно - по частці градуса в століття. За приблизними підрахунками до охолодження ядра і припинення у ньому хімічних та інших. реакцій пройде щонайменше 1 мільярда років.

Коротка відповідь:Земля і, зокрема, земне ядро ​​- це самодостатня машина, яка сама себе опалює. Вся маса планети тисне на її центр, продукуючи феноменальний тиск і тим самим запускаючи процес розпаду радіоактивних елементів, в результаті чого і виділяється тепло.

Люди наповнили Землю. Ми завойовували землі, літали повітрям, пірнали в глибини океану. Ми навіть побували на Місяці. Але ми ніколи не були у ядрі планети. Ми навіть близько до нього не підібралися. Центральна точка Землі знаходиться за 6000 кілометрів унизу, і навіть найдальша частина ядра знаходиться за 3000 кілометрів під нашими ногами. Найглибша діра, яку ми зробили на поверхні - це, та й то вона йде вглиб землі на жалюгідні 12,3 кілометри.

Усі відомі події Землі відбуваються близько до поверхні. Лава, яка вивергається з вулканів, спочатку плавиться на глибині кількох сотень кілометрів. Навіть діаманти, яким потрібне надзвичайне тепло та тиск для освіти, народжуються в породах на глибині не більше 500 кілометрів.

Все, що нижче, оповите таємницею. Здається недосяжним. І все ж таки ми знаємо досить багато цікавого про наше ядро. У нас навіть є певне уявлення про те, як воно сформувалося мільярди років тому – і все без жодного фізичного зразка. Як нам вдалося дізнатися так багато про ядро ​​Землі?

Для початку потрібно добре подумати про масу Землі, каже Саймон Редферн із Кембриджського університету у Великій Британії. Ми можемо оцінити масу Землі, спостерігаючи за ефектом гравітації планети, який вона чинить на об'єкти на поверхні. З'ясувалося, що маса Землі становить 5,9 секстильйону тонн: це 59 із двадцятьма нулями.

Але на поверхні немає ознаки такої маси.

«Щільність матеріалу на поверхні Землі набагато нижча, ніж середня щільність усієї Землі, що говорить нам про те, що є щось щільніше, – каже Редферн. - Це перше".

По суті, більша частиназемної маси має бути розташована у напрямку до центру планети. Наступним кроком з'ясуватиме, з яких важких матеріалів складається ядро. І воно складається майже повністю із заліза. 80% ядра – це залізо, проте точну цифруще доведеться з'ясувати.

Головним доказом цього є величезна кількість заліза у Всесвіті навколо нас. Це один із десяти найпоширеніших елементів у нашій галактиці, який також часто зустрічається у метеоритах. При цьому на поверхні Землі набагато менше заліза, ніж можна було б очікувати. Згідно з теорією, коли Землі утворилася 4,5 мільярда років тому, багато заліза витекло вниз до ядра.

Там зосереджена більшість маси, отже, і залізо має бути. Залізо також відносно щільний елемент за нормальних умов, а під сильним тиском в ядрі Землі воно буде ще щільніше. Залізне ядро ​​могло б пояснити всю масу, що бракує.

Але зачекайте. Як залізо там взагалі виявилося? Залізо мало якимось чином притягнутися - в буквальному значенні- До центру Землі. Але зараз цього немає.

Більшість решти Землі складається з гірських порід - силікатів - і розплавлене залізо важко через них проходить. Подібно до того, як вода на жирній поверхні утворює краплі, залізо збирається в невеликих резервуарах, відмовляючись розтікатися і розливатися.

Можливе рішення було виявлено у 2013 році Венді Мао зі Стенфордського університету та її колегами. Вони запитали, що відбувається, коли залізо і силікат піддаються сильному тиску глибоко у землі.

Щільно стискаючи обидві речовини за допомогою алмазів, вченим вдалося проштовхнути розплавлене залізо через силікат. «Цей тиск суттєво змінює властивості взаємодії заліза із силікатами, - каже Мао. - При високому тиску утворюється "мережа плавлення".


Це може говорити про те, що залізо поступово прослизало через породи Землі протягом мільйонів років, поки не досягло ядра.

У цей момент ви можете запитати: звідки ми знаємо розмір ядра? Чому вчені вважають, що воно починається за 3000 кілометрів? Відповідь одна: сейсмологія.

Коли відбувається землетрус, він посилає ударні хвилі по всій планеті. Сейсмологи записують ці коливання. Начебто б'ємо по одному боці планети гігантським молотом і прислухаємося до шуму з іншого боку.

«У 1960-х роках стався землетрус у Чилі, який дав нам величезну кількість даних, – каже Редферн. – Усі сейсмічні станції по всій Землі записували поштовхи цього землетрусу».

Залежно від маршруту цих коливань, вони проходять через різні ділянки Землі, і це впливає на те, який звук вони видають на іншому кінці.

На початку історії сейсмології стало очевидним, що деякі коливання зникли безвісти. Ці S-хвилі очікували побачити на іншому кінці Землі після походження на одному, але не побачили. Причина цього проста. S-хвилі реверберують через твердий матеріал та не можуть проходити через рідину.

Мабуть вони зіткнулися з чимось розплавленим у центрі Землі. Склавши карту шляхів S-хвиль, вчені дійшли висновку, що на глибині приблизно 3000 кілометрів породи стають рідкими. Це також свідчить, що все ядро ​​розплавлене. Але сейсмологи мали й інший сюрприз у цій історії.


У 1930-х роках датський сейсмолог Інге Леман виявила, що інший тип хвиль, P-хвилі, несподівано пройшли через ядро ​​і знайшли на іншому кінці планети. Відразу було припущення, що ядро ​​розділене на два шари. «Внутрішнє» ядро, яке починається за 5000 кілометрів унизу, було твердим. Розплавлено лише «зовнішнє» ядро.

Ідея Леман була підтверджена в 1970 році, коли чутливіші сейсмографи показали, що P-хвилі дійсно проходять через ядро ​​і, в деяких випадках, відбиваються від нього під деякими кутами. Не дивно, що зрештою вони опиняються з іншого боку планети.

Ударні хвилі через Землю відправляють не лише землетруси. Насправді сейсмологи багатьом зобов'язані розвитку ядерної зброї.

Ядерний вибух також створює хвилі на землі, тож держави звертаються за допомогою до сейсмологів під час випробування ядерної зброї. Під час холодної війнице було надзвичайно важливо, тому сейсмологи, як Леман, отримали велику підтримку.

Конкуруючі країни дізнавалися про ядерний потенціал один одного і паралельно з цим ми дізнавалися все більше і більше про ядро ​​Землі. Сейсмологія досі використовується для виявлення ядерних вибухів.


Тепер ми можемо намалювати зразкову картину будови Землі. Є розплавлене зовнішнє ядро, яке починається приблизно півдорозі до центру планети, а всередині нього розташоване тверде внутрішнє ядро ​​з діаметром приблизно 1220 кілометрів.

Запитань від цього не меншає, особливо на тему внутрішнього ядра. Наприклад, наскільки воно гаряче? З'ясувати це виявилося не так просто, і вчені довгий час ламали голову, каже Лідунка Вокадло з Університетського коледжу Лондона у Великій Британії. Ми не можемо засунути туди термометр, тож єдиний можливий варіант- це створити потрібний тиск у лабораторних умовах.


При звичайних умовахзалізо плавиться за температури 1538 градусів

У 2013 році група французьких учених зробила найкращу оцінку на сьогоднішній день. Вони піддали чисте залізо тиску половину того, що є в ядрі, і відштовхувалися вже від цього. плавлення чистого заліза у ядрі становить приблизно 6230 градусів. Присутність інших матеріалів може трохи знизити точку плавлення до 6000 градусів. Але це однаково гаряче, ніж поверхні Сонця.

Будучи свого роду підсмаженою картоплею в мундирі, ядро ​​Землі залишається гарячим завдяки теплу, що залишилося від утворення планети. Воно також отримує тепло з тертя, що виникає в міру руху щільних матеріалів, а також розпаду радіоактивних елементів. Охолоджує воно приблизно на 100 градусів за Цельсієм кожен мільярд років.

Знати цю температуру корисно, оскільки вона впливає швидкість проходження коливань через ядро. І це зручно, тому що у цих вібраціях є щось дивне. P-хвилі проходять зненацька повільно через внутрішнє ядро ​​- повільніше, ніж якби воно складалося з чистого заліза.

«Швидкості хвиль, які сейсмологи виміряли у землетрусах, значно нижчі, ніж показує експеримент чи комп'ютерний розрахунок, – каже Вокадло. - Ніхто поки що не знає, чому так».

Очевидно, до заліза домішується інший матеріал. Можливо нікель. Але вчені вважали, як сейсмічні хвилі повинні проходити через залізо-нікелевий сплав, і не змогли підігнати розрахунки під спостереження.

Вокадло та її колеги в даний час розглядають можливість присутності в ядрі інших елементів, наприклад, сірки та кремнію. Поки що ніхто не зміг придумати теорію складу внутрішнього ядра, яка б задовольнила всіх. Проблема Попелюшки: черевичок нікому не підходить. Вокадло намагається експериментувати із матеріалами внутрішнього ядра на комп'ютері. Вона сподівається знайти комбінацію матеріалів, температур та тиску, які уповільнюватимуть сейсмічні хвилі на правильну величину.


Вона каже, що секрет може ховатися у тому факті, що внутрішнє ядро ​​знаходиться майже у точці плавлення. Внаслідок цього точні властивості матеріалу можуть відрізнятися від тих, що належали б абсолютно твердій речовині. Також це могло б пояснити, чому сейсмічні хвилі проходять повільніше, ніж очікувалося.

«Якщо цей ефект є реальним, ми могли б примирити результати мінеральної фізики з результатами сейсмології, - каже Вокадло. - Люди поки що не можуть цього зробити».

Існує ще багато загадок, пов'язаних з ядром Землі, які ще доведеться вирішити. Але не маючи змоги поринути в ці неймовірні глибини, вчені здійснюють подвиг, з'ясовуючи, що знаходиться в тисячах кілометрів під нами. Приховані процеси надр Землі дуже важливо вивчати. Земля має потужне магнітне поле, яке генерується завдяки частково розплавленому ядру. Постійний рух розплавленого ядра породжує електричний струм усередині планети, і він, у свою чергу, генерує магнітне поле, що йде далеко в космос.

Це магнітне поле захищає нас від шкідливих сонячних променів. Якби не було ядро ​​Землі таким, яким воно є, не було б магнітного поля, А ми б серйозно від цього страждали. Навряд чи хтось із нас зможе побачити ядро ​​на власні очі, але добре просто знати, що воно там є.

Впустивши ключі в потік розплавленої лави, попрощайся з ними, бо, ну, чувак, вони все.
- Джек Хенді

Поглянувши на нашу рідну планету, можна побачити, що 70% її поверхні вкрито водою.

Ми всі знаємо, чому це так: тому що океани Землі спливають над камінням та брудом, з яких складається суша. Концепція плавучості, при якій менш щільні об'єкти спливають над щільнішими, що занурюються нижче, пояснює набагато більше, ніж просто океани.

Той же принцип, який пояснює, чому лід плаває у воді, куля з гелієм піднімається в атмосфері, а каміння тоне в озері, пояснює, чому шари планети Земля влаштовані саме так.

Найменш щільна частина Землі, атмосфера, плаває над водними океанами, які плавають над земною корою, яка знаходиться над щільнішою мантією, яка не тоне в саму щільну частину Землі: в кору.

В ідеалі найстабільнішим станом Землі було б таке, яке ідеально розподілялося б на шари, на зразок цибулини, і найщільніші елементи були в центрі, а в міру просування назовні кожен наступний шар складався б із менш щільних елементів. І кожен землетрус, насправді, рухає планету до цього стану.

І це пояснює будову не лише Землі, а й усіх планет, якщо згадати, звідки ці елементи взялися.


Коли Всесвіт був молодий – віком лише кілька хвилин – у ньому існували лише водень і гелій. Все більш важкі елементи створювалися у зірках, і лише коли ці зірки загинули, важкі елементи вийшли у Всесвіт, дозволяючи формуватися новим поколінням зірок.


Але цього разу суміш усіх цих елементів – не лише водню з гелієм, а й вуглецю, азоту, кисню, кремнію, магнію, сірки, заліза та інших – формує не лише зірку, а й протопланетний диск навколо цієї зірки.

Тиск зсередини назовні в зірці, що формується, виштовхує більш легкі елементи, а гравітація призводить до того, що нерівномірності в диску колапсують і формують планети.


В разі Сонячна системачотири внутрішніх світу є найщільнішими зі всіх планет системи. Меркурій складається із найщільніших елементів, які не змогли втримати велика кількістьводню та гелію.

Інші планети, більш масивні і віддалені від Сонця (а отже, одержують менше його випромінювання), змогли втримати більше цих ультралегких елементів – так сформувалися газові гіганти.

У всіх світів, як і на Землі, в середньому найщільніші елементи зосереджені в ядрі, а легені формують менш щільні шари навколо нього.


Не дивно, що залізо, найстабільніший елемент, і найважчий елемент, створюваний у великих кількостях на межі наднових, є найпоширенішим елементом земного ядра. Але можливо, дивним буде те, що між твердим ядром та твердою мантією знаходиться рідкий шар завтовшки понад 2000 км: зовнішнє ядро ​​Землі.


Земля має товстий рідкий шар, що містить 30% маси планети! А дізналися ми про його існування досить дотепним методом – завдяки сейсмічним хвилям, що походять від землетрусів!


У землетрусах народжуються сейсмічні хвилі двох типів: основна компресійна, відома, як Р-хвиля, що проходить поздовжнім шляхом

і друга зсувна хвиля, відома як S-хвиля, схожа на хвилі на поверхні моря.

Сейсмічні станції по всьому світу здатні вловлювати Р- та S-хвилі, але S-хвилі не проходять через рідину, а Р-хвилі не тільки проходять через рідину, але й заломлюються!

У результаті можна зрозуміти, що Земля має рідке зовнішнє ядро, поза яким знаходиться тверда мантія, а всередині – тверде внутрішнє ядро! Саме тому в ядрі Землі містяться найважчі і щільніші елементи, і ми знаємо, що зовнішнє ядро ​​– це рідкий шар.

Але чому зовнішнє рідке ядро? Як і всі елементи, стан заліза, тверде, рідке, газоподібне або інше залежить від тиску і температури заліза.

Залізо – елемент складніший, ніж багато звичних вам. Звичайно, у нього можуть бути різні кристалічні тверді фази, як зазначено на графіку, але нас не цікавлять звичайний тиск. Ми спускаємося до ядра землі, де тиск у мільйон разів перевищує тиск на рівні моря. А як виглядає фазова діаграма таких високих тисків?

Принадність науки в тому, що навіть якщо у вас одразу немає відповіді на питання, є ймовірність, що хтось уже робив потрібне дослідження, в якому можна знайти відповідь! У цьому випадку, Аренс, Коллінз та Чен у 2001 році знайшли відповідь на наше запитання.

І хоча на діаграмі показані гігантські тиски до 120 ГПа, важливо пам'ятати, що тиск атмосфери становить лише 0.0001 ГПа, тоді як у внутрішньому ядрі тиску досягають 330-360 ГПа. Верхня суцільна лінія показує межу між залізом, що плавиться (вгорі) і твердим (внизу). Ви звернули увагу, як суцільна лінія в самому кінці робить крутий поворот нагору?

Для того, щоб залізо плавилося при тиску 330 ГПа, потрібна величезна температура, порівнянна з тим, що переважає поверхні Сонця. Ці температури при менших тисках легко будуть підтримувати залізо в рідкому стані, а при більш високих - у твердому. Що це означає з погляду ядра Землі?


Це означає, що з охолодженням Землі знижується її внутрішня температура, а тиск залишається незмінним. Тобто при формуванні Землі, швидше за все, рідкою було все ядро, і в міру охолодження внутрішнє ядро ​​росте! І в процесі цього, оскільки у твердого заліза щільність вища, ніж у рідкого, Земля потихеньку стискається, що призводить до землетрусів!


Так що ядро ​​Землі рідке, оскільки воно досить гаряче, щоб розплавити залізо, але тільки в регіонах із досить низьким тиском. У міру старіння та охолодження Землі все більша частина ядра стає твердою, і тому Земля трохи стискається!

Якщо ми захочемо зазирнути далеко в майбутнє, ми можемо очікувати появи таких властивостей, які спостерігаються у Меркурія.


Меркурій завдяки малому розміру вже значно охолоне і стиснувся, і має розломи довжиною в сотні кілометрів, що з'явилися через необхідність стиснення завдяки охолодженню.

То чому у Землі рідке ядро? Тому що вона ще не охолоне. І кожен землетрус – це невелике наближення Землі до кінцевого, охолоного і наскрізь твердого стану. Але не хвилюйтеся, задовго до цього моменту вибухне Сонце, і всі, кого ви знаєте, будуть вже давно мертві.

20321 0

Використовуючи тонке поєднання прискорювачів частинок, рентгенівських променів, високоінтенсивних лазерів, алмазів та атомів заліза, вчені зуміли обчислити температуру внутрішнього ядра нашої планети.

Згідно з новими підрахунками, вона становить 6000 градусів за Цельсієм, що на тисячу градусів вище, ніж вважалося раніше.

Отже, ядро ​​планети Земля має вищу температуру, ніж поверхню Сонця.

Нові дані можуть спричинити переосмислення вважалися незаперечними фактів у таких галузях знання, як геофізика, сейсмологія, геодинаміка та інших орієнтованих вивчення планети дисциплінах.

Якщо дивитися з поверхні вглиб, Земля складається з кори, твердої верхньої мантії, далі переважно твердої мантії, зовнішнього ядра з розплавленого заліза і нікелю і внутрішнього ядра з твердого заліза і нікелю. Зовнішнє ядро ​​знаходиться в рідкому стані через високі температури, але більш високий тиск у внутрішньому ядрі перешкоджає розплавленню породи.

Відстань від поверхні до центру Землі становить 6371 км. Товщина кори дорівнює 35 км, мантії 2855 км; на тлі таких відстаней Кольська надглибока свердловина глибиною 12 км виглядає дрібницею. Фактично, про те, що відбувається під корою, достовірно нам нічого не відомо. Всі наші дані засновані на сейсмічних хвилях землетрусів, що відбиваються від різних шарів Землі, і жалюгідних малюків, що потрапляють на поверхню з глибини, як вулканічна магма.

Звичайно, вчені з великим задоволенням пробурили б свердловину до самого ядра, але з нинішнім рівнем розвитку технологій здійснення цього завдання неможливо. Вже на дванадцяти кілометрах буріння Кольської свердловини довелося припинити, оскільки температура такої глибини становить 180 градусів.

На п'ятнадцяти кілометрах температура прогнозується на рівні 300 градусів, і при ній сучасні бурові установки працювати не зможуть. І тим більше зараз і близько немає технологій, які б дали можливість вести буріння в мантії, в діапазоні температур 500-4000 градусів. Не варто забувати і про практичний бік справи: за межами кори немає нафти, тож інвестувати у спробу створення подібних технологій охочих може й не знайтись.

Щоб визначити температуру у внутрішньому ядрі, французькі дослідники зробили все можливе для відтворення надвисоких температур і тиску ядра в лабораторних умовах. Імітація тиску є найскладнішим завданням: на такій глибині він досягає значення 330 гігапаскалів, що в три мільйони разів перевищує атмосферний тиск.

Щоб вирішити її, використовувався осередок з алмазними ковадлами. Вона є двома алмазами конічної форми, які впливають на матеріал з двох сторін на площі діаметром менше міліметра; таким чином, на зразок заліза чинився тиск у 200 гігапаскалів. Потім залізо нагрівалося за допомогою лазера, піддавалася дифракційного аналізу рентгенівськими променями для спостереження переходу від твердого до рідкого стану таких кондиціях. Нарешті, вчені поправки внесли в отримані результати для тиску в 330 гігапаскалів, отримавши температуру покриття внутрішнього ядра 5957 плюс-мінус 500 градусів. Усередині самого ядра вона, мабуть, ще вище.

Чому ж переосмислення температури ядра планети має значення?

Магнітне поле Землі генерується саме ядром і впливає на безліч подій, що відбуваються на поверхні планети, наприклад, утримує атмосферу на місці. Знання, що температура ядра на тисячу градусів вище, ніж вважалося раніше, поки не дає жодних практичних областей застосування, але може стати в нагоді в майбутньому. Нове значення температури буде використовуватися в нових сейсмологічних та геофізичних моделях, які в майбутньому можуть призвести до серйозних наукових відкриттів. За великим рахунком, повніша і точніша картина навколишнього світу цінна для вчених як така.

Щоб розрахувати, яких значень досягає тиск усередині Землі, викликаний вагою гірських порід, що складають різні оболонки, потрібно знати щільність порід на всіх глибинах і величину сили тяжіння на всіх глибинах аж до центру.

Як ми бачили, щільність порід із глибиною зростає, хоч і нерівномірно. Від 2,5 на поверхні вона сягає 3,4 на глибині близько 100 кмі до 6,0 на рівні 2900 кмнижче поверхні. Тут, на межі ядра, у величині густини спостерігається стрибок: вона відразу досягає значення 9,5 (приблизно), а далі знову росте рівномірно, доходячи в центрі ядра до 12,5 (за М. С. Молоденського, 1955) (див. рис.

Мал. 8. Зміна щільності усередині Землі.


Щодо сили тяжіння, то про неї можна сказати наступне. Сила тяжіння – сила, з якою Земля притягує до себе всі тіла. Під впливом цієї сили тіла, що у вільному стані (наприклад, у повітрі), падають Землю, т. е. рухаються у напрямку центру Землі, поступово прискорюючись, т. е. отримуючи «прискорення». Величину "прискорення сили тяжіння" можна вирахувати. На поверхні Землі прискорення сили тяжіння дорівнює приблизно 9,8 м/сек 2; у глибині Землі воно спочатку трохи зростає, досягаючи максимуму поблизу поверхні ядра, а потім швидко падає, доходячи до центру Землі до нуля (рис. 9). Це зрозуміло: точка, що знаходиться в центрі земної кулі, притягується всіма оточуючими її частинами, з однаковою силою по всіх радіусах, а в результаті рівнодіюча дорівнюватиме нулю.



Мал. 9. Зміна прискорення сили тяжіння усередині Землі.


Маючи вказані відомості, ми можемо обчислити вагу стовпчика порід з поперечним перерізом, рівним 1 кв. сантиметру, і довжиною, рівної радіусуЗемлі або його частини. Це і буде тиск, що чиниться вагою вищих порід на елементарний майданчик. кв. см) у глибині Землі. Розрахунки призводять до таких цифр: у «підошви» земної кори, Т. е. біля основи сіалічної оболонки (на глибині 50 км) - близько 13 тис. атмосфер, тобто близько 13 тонн на квадратний сантиметр; на межі ядра – близько 1,4 мільйона атмосфер; у центрі Землі – близько 3 млн. атмосфер (рис. 10). Три мільйони атмосфер – це приблизно три тисячі тонн на квадратний сантиметр. Це – величезна величина. У жодній лабораторії досягти таких тисків поки що не вдалося.



Мал. 10. Зміни тиску усередині Землі.


Перейдемо до температури. За даними вимірів у свердловинах, а також у шахтах, з'ясовано, що з глибиною температура зростає, піднімаючись приблизно на 3° протягом кожних 100 метрів. Подібний темп зростання температури зберігається всюди, усім материках, але у зовнішніх частинах Землі, біля самої її поверхні. З глибиною величина «геотермічного градієнта» (геотермічний градієнт – зміна температури у градусах за кожен сантиметр) падає. Обчислення, засновані на обліку теплопровідності гірських порід, показують, що геотермічний градієнт, відомий для зовнішніх частин земної кулі, зберігається не далі, ніж протягом перших 20 км; нижче зростання температури помітно сповільнюється. У підошви сіалічної оболонки навряд чи температура буде вищою за 900°; на глибині 100 км -близько 1500 °; далі зростання її ще більше сповільнюється. Щодо центральних частин Землі, зокрема ядра, то з достовірністю про них надати щось дуже важко. Фахівці, які вивчали це питання, вважають, що надра Землі нагріті не вище, ніж на 2–3 тисячі градусів (рис. 11).



Мал. 11. Зміна температури усередині Землі.


Можливо, цікаво для порівняння нагадати, що в центрі Сонця температура оцінюється в 1 мільйон градусів, на поверхні Сонця – близько 6000 °. Волосок палаючої електричної лампочкирозжарений до 3000 °.

Цікаві дані є з питання про джерела тепла та тепловий режим земної кулі. Колись вважалося, що Земля зберігає в собі «первіддане» тепло, залишене їй «у спадок» Сонцем, і поступово втрачає його, остигаючи і скорочуючи обсягом. Відкриття радіоактивних елементів змінило колишні уявлення. Виявилося, що породи, що складають земну кору, містять радіоактивні елементи, які спонтанно і безперервно виділяють тепло. Кількість цього тепла оцінюється приблизно в 6 мільйонних часток малої калорії на 1 кубічний сантиметрпороди на рік, а для того, щоб покрити всю витрату тепла, що випромінюється земною поверхнею у світовий простір, потрібно, щоб такий самий елементарний кубик породи виділяв лише три десятимільйонні частини малої калорії на рік. Іншими словами, немає жодних підстав вважати, що земна куля остигає. Швидше, навпаки, може розігріватися. На цій підставі Останніми рокамизапропоновано нові гіпотези розвитку земної кори та походження рухів, що випробовуються нею.

Враховуючи наявність високої температуриу надрах Землі, ми маємо право порушити таке питання: у якому ж фізичному («агрегатному») стані перебувають внутрішні частини Землі? У твердому чи рідкому, чи, можливо, газоподібному?

остання версія, Т. е. уявлення про газоподібний стан речовини всередині Землі, може бути відразу відхилена. Щоб перетворити на газ мінерали, що складають Землю, потрібна набагато вища температура, ніж допустима, судячи з викладених вище даних.

Але в рідкому стані породи можуть опинитися. Відомо, наприклад, що "кислі" породи плавляться при 1000 °, "основні" - при 1000-1200 °, "ультраосновні" - при 1300-1400 °. Це означає, що на глибині 100–130 кмпороди мали б розплавитися. Але там дуже високий тиск, а тиск підвищує температуру плавлення. Чий же вплив виявиться більшим: високої температури або високого тиску?

Тут потрібно знову звернутися за допомогою сейсмічних спостережень. Поздовжні та поперечні хвилі вільно проходять через усі оболонки Землі, укладені між поверхнею Землі та межею ядра; отже, всюди тут речовина поводиться, як тверда. З таким висновком узгоджується висновок астрономів та геофізиків, які показали, що твердість Землі загалом близька до твердості сталі. За обчисленнями В. Ф. Бончковського, твердість Землі оцінюється в 12 · 10 11 дин на квадратний сантиметр, що вчетверо більше твердості граніту.

Таким чином, сукупність сучасних даних говорить про те, що всі оболонки Землі (крім її ядра!) повинні вважатися такими, що знаходяться в твердому стані. Рідкий станматерії можна допустити лише зовсім незначних ділянок у товщі земної кори, із якими безпосередньо пов'язані вулкани.



 

Можливо, буде корисно почитати: