Что находится в центре Земли?
Помню, как в детстве зачитывался фантастикой о путешествии к центру Земли. Сейчас мне смешно вспоминать, как я усердно рыл яму во дворе у бабушки. Однако ничего, кроме пары жестянок, мне не удалось найти, не говоря уже о том, чтобы достигнуть центра Земли 🙂
Что находится в самом центре Земли
Человечество всегда интересовал этот вопрос, однако точного ответа попросту не существует. Ученые выдвигают лишь теории, предположения и гипотезы. В наши дни общепринята теория, согласно которой центр планеты представлен плотным металлическим ядром в окружении расплавленной магмы. Современная наука выделяет две составляющих ядра: внешняя жидкая, и твердая внутренняя.
Все, что известно о центре нашей планеты, является данными, полученными в результате вычислений и наличию косвенных доказательств. Несмотря на обилие технических приспособлений, ученые никоим образом не могут проникнуть в центр планеты, по крайней мере, достаточно глубоко. Таким образом, приходится изучать этот вопрос, основываясь на других методах, одним из которых является метод изучения извергаемых вулканических пород. Он указывает на то, что в центре планеты достаточно высокая температура, что раскаляет выбрасываемые породы и газы. Существует и другой метод — сейсмический. При землетрясении колебания распространяются по всем направлениям, образуя сейсмические волны. Основываясь на принципах прохождение волн через твердые образования, изменении их направлений, ученым удается понять, что находится внутри Земли.
Основываясь на вышеперечисленных методах, ученым удалось выделить следующие слои планеты:
- кора;
- мантия;
- ядро.
Объединив все полученные данные, современная наука утверждает, что центральная часть представлена геосферой, возможно, из сплава никеля и железа, с незначительными примесями других элементов. Глубина залегания — до 3000 километров, а средний радиус оболочки может доходить до 3500 километров.
Другая цивилизация
Даже некоторые современные ученые на полном серьезе предполагают наличие полостей внутри нашей планеты. Мало того, не остановившись на этом, высказываются предположения о наличии «внутреннего Солнца», растений, животного мира и даже цивилизации. Согласно этой теории, на полюсах планеты имеются входы в этот подземный мир.
Откуда мы знаем, что находится в ядре Земли?
Люди заполнили Землю. Мы завоевывали земли, летали по воздуху, ныряли в глубины океана. Мы даже побывали на Луне. Но мы никогда не были в ядре планеты. Мы даже и близко к нему не подобрались. Центральная точка Земли находится в 6000 километрах внизу, и даже самая дальняя часть ядра находится в 3000 километрах под нашими ногами. Самая глубокая дыра, которую мы сделали на поверхности — это Кольская сверхглубокая скважина в России, да и то она уходит вглубь земли на жалкие 12,3 километра.
Все известные события на Земле происходят близко к поверхности. Лава, которая извергается из вулканов, сначала плавится на глубине нескольких сотен километров. Даже бриллианты, которым необходимо чрезвычайное тепло и давление для образования, рождаются в породах на глубине не более 500 километров.
Все, что ниже, окутано тайной. Кажется недостижимым. И все же мы знаем довольно много интересного о нашем ядре. У нас даже есть некоторое представление о том, как оно сформировалось миллиарды лет назад — и все без единого физического образца. Как же нам удалось узнать так много о ядре Земли?
Для начала нужно хорошо подумать о массе Земли, говорит Саймон Редферн из Кембриджского университета в Великобритании. Мы можем оценить массу Земли, наблюдая за эффектом гравитации планеты, который она оказывает на объекты на поверхности. Выяснилось, что масса Земли составляет 5,9 секстиллиона тонн: это 59 с двадцатью нулями.
Но на поверхности нет признаков такой массы.
«Плотность материала на поверхности Земли намного ниже, чем средняя плотность всей Земли, что говорит нам о том, что есть что-то более плотное, — говорит Редферн. — Это первое».
По существу, большая часть земной массы должна быть расположена по направлению к центру планеты. Следующим шагом будет выяснить, из каких тяжелых материалов состоит ядро. И оно состоит почти полностью из железа. 80% ядра — это железо, однако точную цифру еще придется выяснить.
Главным доказательством этого является огромное количество железа во Вселенной вокруг нас. Это один из десяти самых распространенных элементов в нашей галактике, который также часто встречается в метеоритах. При всем этом на поверхности Земли намного меньше железа, чем можно было бы ожидать. Согласно теории, когда Земли образовалась 4,5 миллиарда лет назад, много железа утекло вниз к ядру.
Там сосредоточена большая часть массы, а значит, и железо должно там быть. Железо также относительно плотный элемент при нормальных условиях, а под сильным давлением в ядре Земли оно будет еще плотнее. Железное ядро могло бы объяснить всю недостающую массу.
Но погодите. Как железо вообще там оказалось? Железо должно было каким-то образом притянуться — в буквальном смысле — к центру Земли. Но сейчас этого не происходит.
Большая часть остальной Земли состоит из горных пород — силикатов — и расплавленное железо с трудом через них проходит. Подобно тому, как вода на жирной поверхности образует капли, железо собирается в небольших резервуарах, отказываясь растекаться и разливаться.
Возможное решение было обнаружено в 2013 году Венди Мао из Стэнфордского университета и ее коллегами. Они задались вопросом, что происходит, когда железо и силикат подвергаются сильному давлению глубоко в земле.
Плотно сжимая оба вещества при помощи алмазов, ученым удалось протолкнуть расплавленное железо через силикат. «Это давление существенно изменяет свойства взаимодействия железа с силикатами, — говорит Мао. — При высоком давлении образуется «сеть плавления».
В этот момент вы можете спросить: откуда мы, собственно, знаем размер ядра? Почему ученые считают, что оно начинается в 3000 километрах? Ответ один: сейсмология.
Когда происходит землетрясение, оно посылает ударные волны по всей планете. Сейсмологи записывают эти колебания. Будто бы мы бьем по одной стороне планеты гигантским молотом и прислушиваемся к шуму на другой стороне.
«В 1960-х годах произошло землетрясение в Чили, которое дало нам огромное количество данных, — говорит Редферн. — Все сейсмические станции по всей Земле записывали толчки этого землетрясения».
В зависимости от маршрута этих колебаний, они проходят через разные участки Земли, и это влияет на то, какой «звук» они издают на другом конце.
В начале истории сейсмологии стало очевидно, что некоторые колебания пропали без вести. Эти «S-волны» ожидали увидеть на другом конце Земли после происхождения на одном, но не увидели. Причина этому простая. S-волны реверберируют через твердый материал и не могут проходить через жидкость.
Должно быть, они столкнулись с чем-то расплавленным в центре Земли. Составив карту путей S-волн, ученые пришли к выводу, что на глубине примерно 3000 километров породы становятся жидкими. Это также говорит о том, что все ядро расплавленное. Но у сейсмологов был и другой сюрприз в этой истории.
Идея Леман была подтверждена в 1970 году, когда более чувствительные сейсмографы показали, что P-волны действительно проходят через ядро и, в некоторых случаях, отражаются от него под некоторыми углами. Неудивительно, что в конце концов они оказываются на другой стороне планеты.
Ударные волны через Землю отправляют не только землетрясения. На самом деле, сейсмологи многим обязаны развитию ядерного оружия.
Ядерный взрыв тоже создает волны на земле, поэтому государства обращаются за помощью к сейсмологам во время испытания ядерного оружия. Во время холодной войны это было чрезвычайно важно, поэтому сейсмологи вроде Леман получили большую поддержку.
Конкурирующие страны узнавали о ядерном потенциале друг друга и параллельно с этим мы узнавали все больше и больше о ядре Земли. Сейсмология до сих пор используется для обнаружения ядерных взрывов сегодня.
Вопросов от этого не становится меньше, особенно на тему внутреннего ядра. К примеру, насколько оно горячее? Выяснить это оказалось не так-то просто, и ученые долгое время ломали голову, говорит Лидунка Вокадло из Университетского колледжа Лондона в Великобритании. Мы не можем засунуть туда термометр, поэтому единственный возможный вариант — это создать нужное давление в лабораторных условиях.
В 2013 году группа французских ученых произвели лучшую оценку на сегодняшний день. Они подвергли чистое железо давлению в половину того, что имеется в ядре, и отталкивались уже от этого. Температура плавления чистого железа в ядре составляет примерно 6230 градусов. Присутствие других материалов может немного снизить точку плавления, до 6000 градусов. Но это все равно горячее, чем на поверхности Солнца.
Будучи своего рода поджаренной картошкой в мундире, ядро Земли остается горячим, благодаря теплу, оставшемуся от образования планеты. Оно также извлекает тепло из трения, возникающего по мере движения плотных материалов, а также распада радиоактивных элементов. Остывает оно примерно на 100 градусов по Цельсию каждый миллиард лет.
Знать эту температуру полезно, поскольку она влияет на скорость прохождения колебаний через ядро. И это удобно, потому что в этих вибрациях есть что-то странное. P-волны проходят неожиданно медленно через внутреннее ядро — медленнее, чем если бы оно состояло из чистого железа.
«Скорости волн, которые сейсмологи измерили в землетрясениях, значительно ниже, чем показывает эксперимент или компьютерный расчет, — говорит Вокадло. — Никто пока не знает, почему так».
Очевидно, к железу примешивается другой материал. Возможно, никель. Но ученые посчитали, как сейсмические волны должны проходить через железо-никелевый сплав, и не смогли подогнать расчеты под наблюдения.
Вокадло и ее коллеги в настоящее время рассматривают возможность присутствия в ядре других элементов, например, серы и кремния. Пока никто не смог придумать теорию состава внутреннего ядра, которая удовлетворила бы всех. Проблема Золушки: туфелька никому не подходит. Вокадло пытается экспериментировать с материалами внутреннего ядра на компьютере. Она надеется найти комбинацию материалов, температур и давления, которые будут замедлять сейсмические волны на правильную величину.
«Если этот эффект реален, мы могли бы примирить результаты минеральной физики с результатами сейсмологии, — говорит Вокадло. — Люди пока не могут этого сделать».
Существует еще много загадок, связаных с ядром Земли, которые еще предстоит решить. Но не имея возможности погрузиться на эти невообразимые глубины, ученые совершают подвиг, выясняя, что находится в тысячах километров под нами. Скрытые процессы недр Земли чрезвычайно важно изучать. У Земли есть мощное магнитное поле, которое генерируется благодаря частично расплавленному ядру. Постоянное движение расплавленного ядра порождает электрический ток внутри планеты, и он, в свою очередь, генерирует магнитное поле, которое уходит далеко в космос.
Это магнитное поле защищает нас от вредного солнечного излучения. Не будь ядро Земли таким, каким оно является, не было бы магнитного поля, а мы бы серьезно от этого страдали. Вряд ли кто-нибудь из нас сможет увидеть ядро своими глазами, но хорошо просто знать, что оно там есть.
Секретная аномалия: Новые данные о ядре Земли не на шутку встревожили учёных
В июне 2022 года учёные из Университета Южной Калифорнии (USC) после нескольких замеров установили, что скорость вращения Земли и её внутреннего ядра не только различаются, но у внутреннего ядра она то возрастает, то замедляется. После замедления, случившегося в 90-х, будто бы ознаменовав начало нового тысячелетия, ядро начало стремительно разгоняться. Новость обеспокоила научную общественность. Здесь нужно сделать пояснения, зачем вообще изучать это ядро.
На первый взгляд, земные недра — что-то не менее далёкое от человечества, чем Луна. Есть ядро, мантия, земная кора — об этом рассказывали в школе. Исследованием недр занимаются специальные учёные, ну и пусть себе занимаются. Тем не менее от ядра напрямую зависит жизнь на Земле, и совсем не случайно лучшие умы бьются над разгадкой его тайны, если угодно — кода. Добраться до центра Земли в самом прямом смысле этого слова пытаются с XIX века, начав рыть Бингем-Каньон в США и докопались до глубины в 1,2 километра. Ещё одно самое глубокое рукотворное место, куда может спуститься человек, — золотодобывающая шахта Тау-Тона в Южной Африке. Её глубина составляет 3,9 километра. Однако, по словам экспертов, все эти глубины — не более чем царапинки на яичной скорлупе и до «желтка» ещё никто не добрался.
Крики из недр Земли: Зачем учёные экстренно запечатали Кольскую сверхглубокую скважину
Тайна ядра Земли
В середине XX века сразу в двух сверхдержавах — США и СССР — стартовали программы по экстремальному освоению недр. Своеобразная антикосмическая программа. В эти проекты вкладывались колоссальные средства, миллиарды, и в конце концов СССР оставил Америку далеко позади. В начале 60-х СССР запустил первую в мире комплексную научно-техническую программу по изучению недр Земли. Тогда и родился проект Кольской сверхглубокой, к которому привлекли 16 научно-исследовательских институтов.
Буровая установка Уралмаш-15000. Фото © ТАСС / Семён Майстерман
Нашли точку на Балтийском щите, через которую кратчайшим путём можно докопаться до ядра. Но что-то пошло не так — за 19 лет углубились на 12 километров, угробили кучу техники, привлекли внимание сектантов, считавших, что советские люди докопались до логова дьявола (в скважине действительно происходило нечто странное). В итоге попали в Книгу рекордов Гиннесса, проект закрыли, а рабочим ещё много лет выплачивали зарплату по специальной программе. На сегодняшний день это самая глубокая скважина в мире, она запаяна и является памятником человеческим амбициям.
Ни до каких особых тайн не докопались, кроме того, что на глубине в 5 километров залегает лунный грунт и что температура стремительно растёт пропорционально погружению. Параллельно исследования недр велись другим способом — нехирургическим и принёсшим больше результата. Да и если докопаться до ядра, что пока невозможно в принципе, нет такого материала, который можно было опустить в самое пекло и зафиксировать данные.
Отзывы об исследовании ядра
Какую роль выполняет ядро Земли, имеющее, кстати, собственные ядра (там структура позамысловатее, чем у матрёшки)? Оно продуцирует 90% всего электромагнитного поля. Именно электромагнитное поле защищает Землю от солнечного ветра и космической радиации. Стоит ему ослабеть, как будет уничтожена вся атмосфера, а человечество вымрет. Именно поэтому на Марсе невозможно жить: электромагнитное поле Красной планеты слишком слабое, чтобы защитить жизнь. Теперь становится ясно, зачем учёным изучать ядро Земли. С определённой цикличностью меняются все его характеристики — размер ядра, плотность, температура и скорость. Вероятно, что все они влияют на интенсивность магнитного поля, а значит, в ближайшей перспективе — на самочувствие людей, а в отдалённой — на жизнь в принципе.
Различия в скорости вращения нашей планеты и механизмах движения ядра Земли зафиксировали ещё во время ядерных испытаний в 1969–1974 годы прошлого века. Тогда США и СССР вовсю тестировали ядерное оружие. Американские сейсмологи фиксировали все данные, в том числе — резонанс от взрывов, уходящий в недра Земли. Во время одного из ядерных испытаний на Новой Земле (там работал СССР, США — на острове Амчитка), земное ядро неожиданно «отбило пас» — волна от взрыва вернулась назад. Военный сейсмограф LASA, установленный в штате Монтана, зафиксировал резонанс, и с этого момента учёные получили возможность в режиме реального времени получать информацию о скорости вращения ядра.
Выяснилось, что с 1969 по 1971 год ядро вращалось медленнее, чем поверхность Земли, а в 1971–1974 годах — быстрее поверхности. В 90-х, как уже было сказано, ядро снова замедлилось, а в 2000-х ускорилось и продолжает разгоняться. Учёным пока не ясно, чем вызваны такие колебания, но, по одной из версий, причина может быть либо эволюционного характера, либо техногенного (нужно быть наивным, чтобы поверить в то, что испытание ядерного оружия проходит без последствий). Причина также может носить смешанный характер, тем более что человек со всеми его технологиями — часть эволюции.
Очень странные дела: Недавно обнаруженная под Китаем гигантская воронка всерьёз встревожила учёных
Сколько времени осталось до катастрофы
В июне 2022 года калифорнийские учёные выяснили, что длина суток на Земле меняется плюс-минус 0,2 секунды каждые шесть лет именно из-за ускорения скорости вращения ядра. Сейчас они пытаются выяснить, какие ещё последствия может нести за собой ускорение ядра и замедлится ли оно когда-нибудь. Для этого проводят дополнительные сейсмические замеры.
Электромагнитное поле Земли. Фото © Shutterstock
В этой истории есть подводные камни. В конце 90-х доцент из Университета Лидса Фил Ливермор удивился, когда трио спутников Swarm зафиксировало признаки стремительно движущейся реки расплавленного металла во внешнем ядре Земли. Находится она под Сибирью, а движется в сторону Европы. И этот поток тоже ускоряется и к тому же расширяется — с 2000 года его ширина увеличилась до 420 километров. В год он продвигается на 45 километров, и это быстрее, чем типичная скорость ядра Земли, и в тысячи раз быстрее скорости движения тектонических плит. Ответить на вопрос, почему поток ускоряется, учёные также не могут. Вместе с этим скорость дрейфа Северного магнитного полюса за последние 20 лет увеличилась почти в четыре раза и составила 55 километров в год. Одновременно сильно ослабевает планетарное магнитное поле, о котором уже говорилось.
Интересно, что некоторые необратимые изменения почти синхронно произошли на Марсе, Солнце, Луне, Юпитере. Учёные считают, что, даже не выяснив до конца механику вращения ядра Земли, можно сделать выводы о глубинной связи между происходящими процессами. Некоторые обращают внимание на то, что каждые 12 000 лет Земля попадает в зону действия повышенного космического излучения, которое влияет на ядро планеты, дестабилизируя его. Так, 12 800 лет назад случилась одна из крупнейших катастроф, погубившая множество древних видов животных и растений, уничтожившая большую часть человечества (под корень была испепелена культура кловис, доминировавшая в Северной Америке) и сильно изменившая ландшафт. Интересно, что корни легенды об Атлантиде и библейском потопе, по мнению некоторых исследователей, идут именно оттуда.
А сейчас нужно сделать глубокий вдох и выдохнуть. Да, уже сейчас мы можем наблюдать за стремительным изменением климата, катастрофическими цунами и торнадо, возникновением новых болезней, и возможно, что это всё — только предвестие грядущей катастрофы. В 2021 году произошла череда катаклизмов: лесные пожары в Якутии, землетрясение на Гаити, наводнения в Сочи, Крыму и Европе, извержение вулкана Кумбре-Вьеха на Канарах, таяние ледников Гренландии, засуха в Колорадо.
Ясно также, что ядро напрямую связано не только с земными процессами, но и с космическими. И если магнитное поле Земли перестанет защищать людей от космической радиации, Земля станет подобна Марсу.
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.
Земля в разрезе
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.
Иллюстрация неравномерности вращения внутреннего ядра Земли
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⋅10 24 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.