Из чего на самом деле состоит ядро Земли

Как сформировалось ядро Земли

Ядро Земли сформировалось в первые десятки миллионов лет существования нашей планеты, около 4,5 млрд лет назад. По мнению ученых, процесс начался с того, что молодая Земля столкнулась с другой планетой размером с Марс. Это столкновение не только привело к образованию Луны, но и повторно расплавило всю Землю, превратив ее в гигантский океан магмы.

В этом раскаленном хаосе и произошла ключевая трансформация, которую называют «железной катастрофой». Более тяжелые элементы, в первую очередь железо и никель, под действием силы тяжести начали «тонуть» — капля за каплей они просачивались через силикатную магму к центру планеты.

Этот процесс был стремительным по геологическим меркам и занял, вероятно, всего несколько миллионов лет. В результате сформировалось плотное металлическое ядро, а более легкие силикатные породы «всплыли», образовав мантию и кору. 

Как остывание ядра влияет на геологические процессы

Ядро продолжает остывать и сегодня, и этот процесс — главный источник энергии для геологической активности Земли. Тепло от кристаллизации железного сплава в твердом внутреннем ядре передается в жидкое внешнее ядро, вызывая в нем мощные конвекционные потоки. Именно это движение проводящей жидкости и генерирует магнитное поле Земли.

Почему же остывание ядра так важно?

Во-первых, оно поддерживает тектонику плит. Тепловой поток от ядра разогревает основание мантии, создавая медленные, но колоссальные по масштабу течения. Эти потоки расталкивают литосферные плиты, заставляют их сталкиваться и рождают новую кору в зонах срединно-океанических хребтов. Без этого «двигателя» континенты бы застыли, вулканическая активность почти прекратилась, а углеродный цикл, регулирующий климат, был бы нарушен.

Во-вторых, магнитное поле, которое это остывание питает, служит невидимым щитом. Оно отклоняет потоки солнечного ветра и космической радиации, защищая атмосферу от эрозии, а живые организмы — от вредоносного излучения.

Интересно, что внутреннее ядро растет примерно на 1 мм в год по мере его кристаллизации, и это постепенное увеличение также влияет на динамику всей системы.

Как ученые изучают ядро Земли

Поскольку напрямую пробурить до ядра (глубина почти 3000 км) невозможно, ученые традиционно используют два метода: изучение метеоритов и сейсмологию.

Анализируя метеориты, которые считаются фрагментами несостоявшихся или разрушенных планет, можно получить примерное представление о составе земного ядра. Они указывают на преобладание железа и никеля, с возможными примесями кремния или серы. Но точность такого метода ограничена.

Поэтому главным инструментом ученых является сейсмология. Каждое землетрясение посылает через всю планету звуковые волны разных типов. Регистрируя время их прихода к сейсмометрам по всему миру, ученые создают точную модель недр. Так удалось обнаружить границу между мантией и ядром, а также само твердое внутреннее ядро внутри жидкого внешнего.

Здесь на первый план выходит температура плавления. Точное ее знание — ключ к разгадке состава. Мы знаем из сейсмологии, где проходит граница затвердевания. Значит, на этой глубине температура материала в точности равна его температуре плавления.

Если в лабораторных экспериментах удается воспроизвести давление и температуру ядра и выяснить, при каких условиях плавится тот или иной сплав, можно сравнить данные. Совпадение укажет на вероятный состав ядра. Проблема в том, что чистое железо плавится при слишком высокой температуре, а плотность ядра не соответствует чистой железо-никелевой смеси. Значит, там есть более легкие элементы-примеси, которые «разжижают» сплав и меняют температуру его плавления. Определить их — и есть главная задача.

Что входит в состав ядра Земли

Ученые долго перебирали возможные примеси (кремний, сера, кислород), но сталкивались с противоречиями. Метеоритные данные указывали на одни элементы, сейсмические — на другие. Прорыв произошел, когда исследователи добавили в модель новый физический критерий: процесс зарождения кристаллизации. [1]

Они задались вопросом: как вообще начал расти самый первый кристалл твердого внутреннего ядра? Для этого жидкий сплав должен был переохладиться — остыть ниже температуры плавления, оставаясь жидким. Моделирование показало, что для чистого железа или сплавов с кремнием и серой требуется чудовищное переохлаждение в сотни градусов, что физически маловероятно и привело бы к катастрофически быстрому замерзанию всего ядра, чего не случилось.

Тогда ученые проверили влияние углерода. Оказалось, что его присутствие в количестве около 3–4% массы резко снижает необходимое переохлаждение до реалистичных +250...400 °C. Впервые появилось физическое обоснование того, что процесс кристаллизации ядра мог плавно начаться и продолжаться миллиарды лет. Таким образом, углерод стал главным кандидатом.

Но сейсмология говорит, что одного углерода недостаточно для объяснения всей разницы в плотности. Поэтому, опираясь на комбинацию всех методов — сейсмологических данных, экспериментов при высоком давлении и новой модели образования ядра, — ученые пришли к наиболее вероятному варианту: ядро представляет собой сплав железа и никеля с примесями углерода, некоторого количества кислорода и, возможно, кремния.

Это открытие позволяет не только описать состав, но и понять тепловую эволюцию нашей планеты от раскаленного прошлого к геологически активному настоящему.

По материалам theconversation.com.