Сибмама - о семье, беременности и детях

Инна

Ребенок спросил, что находится внутри Земли и как люди об этом узнали. Моих познаний хватило на то, чтобы сказать, что внутри Земли есть ядро и что оно горячее и жидкое (и то я не уверена). Попросила дать мне время найти инфо об исследованиях. Поиск веду, но пока практически все ссылки указывают на фильм "Земное ядро".
Может у кого-то есть более развернутая информация?

_________________

burya

1) ядро земли, согласно наиболее широко принятой точке зрения - твердое и железное.
2) вокруг ядра существует жидкая, вернее даже - вязкая сфера, где и находятся очаги подпитки вулканов и проч.
3) знать этого никто не знает, но предполагают. На основе рассчетов и наблюдений.

больше ничего из соображений общей эрудиции выдавить не могу. :lol:

_________________
макарулька Поля (6.05.93), карамулька Софа (15.06.02)

"Наверное, я - мыслящий омлет" (с)

pooha

Когда меня это сильно интересовало, муж ( который по образованию геолог) сказал, что науке это не известно.

_________________
"Естественное желание хороших людей -добывать знание" Л. да Винчи

Инна

Спасибо, дамы, за ответы, я в общем тоже не сильно много нашла. Все предположения о составе земного ядра - лишь гипотезы, на самом деле точно никто не знает, что там внутри.

_________________

Rita

Олег Кусков: Радиус Земли – 6370 километров.Александр Гордон. 6370. В то время как самая глубокая скважина, человеком сделанная?..Арнольд Кадик. Самая глубокая скважина – на Кольском полуострове, это почти что 12 километров.А. Г. 12 километров, то есть разница космическая. К слову о космосе – мы уже привычно выходим на орбиту, готовим полет на Марс, а это расстояния несопоставимые. Но я так понимаю, глубже, чем на 12 километров в ближайшее время нам не предстоит пробраться. Тогда встает вопрос: кроме умозрительных заключений о том, из чего может состоять Земля, какие есть методы исследования?А. К. Мы можем сказать так, что есть методы теоретического моделирования, и Олегу Львовичу об этом лучше рассказать.

Есть методы, которые связаны с непосредственным изучением глубинного вещества. Это вещество, в основном в верхней мантии, – оно выносится к поверхности земли магмами и продуктами плавления земли. Наиболее распространенной магмой является базальтовая жидкость. И это не только на Земле, но и на других планетах. Это кроме плавления, которое охватывало Землю на протяжение всей ее эволюции. И когда эти жидкости отделяются от субстрата, потому что нет полного плавления Земли, а есть частичное плавление, то они могут, и это мы видим по наблюдению, какую-то часть этого твердого субстрата выносить на поверхность земли. Это так называемые "ксенолиты", ксенолиты верхней мантии. И вот мы, изучая эти ксенолиты, их минералогический состав, химический состав, можем судить о составе верхней мантии, о содержании газов, о балансе кислорода, и решать многие другие вопросы. И в этой области сейчас наука сделала большие шаги вперед.

Но опять получается так, что по глубине это более значительные глубины, чем прямая скважина. Плавление базальтовое – это где-то глубины 100 километров. И информацию мы получаем с этих глубин. Но есть еще более глубинные магмы, коматиитовые жидкости, они поступают, по-видимому, из глубин 300 километров. И это предел. Все, что дальше...А. Г. До ядра все равно дойти нельзя...А. К. Да, все, что глубже – это требует других совсем методов. Это требует методов интерпретации физических свойств, сейсмических свойств Земли. И здесь очень много сделано, вот Олег Львович, мой давнишний друг, он как раз в этой области много сделал. А дальше уже исследования идут путем сравнения.

Надо сказать, что мы прекрасно знаем, что Земля дифференцирована, то есть планета испытала сильнейшую химическую дифференциацию. У нас есть металлическое ядро, у нас есть силикатная часть, так называемая мантия, верхняя и нижняя. У нас есть кора, исходным веществом для нее служили продукты плавления мантии и подъем расплавов к поверхности Земли. И есть газовые составляющие, которые формируют оболочку. И вода формирует оболочку, атмосферу, гидросферу, океан. И здесь, конечно, есть много проблем в том, как шла эта дифференциация, каким способом, скажем, отделилось ядро...А. Г. Давайте прежде, чем перейти к этим проблемам, которые является, в общем, смыслом нашей сегодняшней беседы, все-таки ответим на вопрос, откуда мы знаем, что у нас есть ядро, да еще и твердое? Если вы сами сказали, что максимальная глубина, с которой к нам приходит вещество – это 300 километров?О. К. В астрономии существует такая старая шутка, что нет ничего проще устройства звезды.

В геологии, в науках о Земле нет такой шутки, потому что земля, вроде бы, под ногами, но действительно, сказать, что там внутри – очень сложно. Такая литературная реминисценция, Жуль Верн "Путешествие к центру Земли". Он предложил прямой путь – пробурить скважину. Сейчас известно, что эта скважина – 12 километров. Это слабый укол для Земли.

Если говорить о том, как пришло в голову людям, что внутри. Вообще говоря, мы на поверхности Земли видим силикаты. Это вулканические лавы, это базальтовые излияния, но что ниже, надо было догадываться. И первая догадка была сделана всего лишь сто лет тому назад, в 1896 году. Ученый по фамилии Вихерт, основываясь на веществе метеоритов, каменных и железных метеоритов, предположил, что внутри должно находиться нечто тяжелое, более тяжелое, нежели силикаты.

И вот что вообще крайне любопытно, наука же, она как-то отстраивает свои концепции и то, что раньше было совершенно непонятно, потом становится очевидным. И вот по поводу метеоритов: лет где-то 200-250 тому назад французская Академия наук запретила публиковать какие-либо сообщения о падении каких-то каменных тел с неба, потому что был дан ответ, что не существует тверди небесной. А раз нет тверди небесной, значит, нет, так сказать, того материала, который мог бы падать.

Прошло сто лет, и возникла эта гипотеза, что в центре должно быть ядро, предположительно, железное. И вот потом, как сказал Арнольд Арнольдович, возникли уже новые методы. Но то была гипотеза, то было первое предположение, так сказать, некое наитие.А. К. Олег Львович, а на основании чего первые предположения появились?О. К. Да, первое предположение появилось уже в 20-м веке. На основании самого прямого сейсмологического метода.А. К. Все-таки сейсмологические методы. Просто так догадаться ведь сложно, без прямых данных.О. К. Английский ученый Олдгем или Олдхем, находящийся в Индии, на основании записи землетрясений, зарегистрировал существование ядра. Я еще пару слов тогда скажу, это очень важно, можно даже этот разрез дать или следующий рисунок. Земля состоит, твердая земля состоит, я подчеркиваю – твердая земля, из трех главных оболочек: кора, мантия и ядро. В этом разрезе видно, что серовато-зеленый цвет – он, наверное, должен олицетворять ядро. Но в ядре есть еще внутреннее ядро, которое тоже было на основании данных сейсмологии предсказано. Земля – 6400, если округлять, ядро занимает более чем половину земного шара. Радиус ядра 3500 километров и радиус внутреннего ядра еще 1000 с чем-то километров, 1200 километров.А. Г. То есть пропорции на этой схеме указаны неверно.

01:04:53 – Она не в масштабе, конечно.

Итак, есть очень большое ядро, оно жидкое. Люди, когда говорят "есть ядро", вообще подразумевают все ядро. Вот в нем желтая часть, это жидкое внешнее ядро. А вот то, что белым – это внутреннее твердое ядро. И вот очень любопытно здесь протянуть цепочку от состава ядра к составу внешних оболочек. Потому что состав атмосферы, образование гидросферы как-то связаны с образованием самого ядра, что тоже представляет загадку.

Но вот, может быть, Арнольд Арнольдович скажет сейчас о взаимосвязи этих геосфер и внешних оболочек.А. К. Я хочу сказать, что, конечно, когда появились возможности для сейсмического исследования и определения геофизических свойств Земли, собственно, тогда и родилось полное представление об оболочках Земли. Ядро, мантия.А. Г. Все это из-за неравномерности прохождения волн?А. К. Да, прохождения волн.О. К. Они по-разному отражаются от границ.А. К. И уже с этого момента возникла необходимость понимания того, что произошло, почему планета так разделилась. Сейчас нам, конечно, совершенно очевидно, что это очень сложный процесс и о нем можно много говорить, потому что есть разделы науки, которые специально этим занимаются.

Но в общем можно сказать, что когда формировалась Земля, то во время ее образования и позднее были очень подвижные фазы. Собственно говоря, эта дифференциация, химическая дифференциация, в основном связана с тем, что были подвижные фазы. На первоначальных этапах формирования Земли металл, в расплавленном состоянии, имел возможность собираться в ядро. Хотя там есть свои проблемы, не очень понятны иногда механизмы отделения металлической фазы от силикатной, тут еще дискуссия идет, между прочим. Это первая подвижная фаза.

Вторая подвижная фаза, характерная и для Земли, и для других планет, – это то, что Земля плавилась. Как я говорил, базальт и магма – это 100 километров, коматииты – это 300 километров. Это главные жидкости, которые поступают на поверхность Земли. И базальт – самая главная, конечно, жидкость. И вот подъем этих жидкостей, их отделение приводило к химической дифференциации. То, что мы называем корой (это то, по чему мы ходим с вами), ее формирование в основном обусловлено, конечно, тем, что когда-то плавилась мантия и этот материал поднимался. Сама кора тоже была подвержена многим процессам: воздействию океана, атмосферы, – это тоже сложные процессы. А потом оболочка гидросферы.

Третья фаза подвижная – это газ, вернее, поскольку он находился под высоком давлением, то, что мы называем флюидом. Потому что под высоким давлением летучие составляющие Земли уплотняются. В общем, похоже, так получается очень плотная среда. Вот эти три среды, они все время двигались и разделялись.А. Г. Простите, пожалуйста, я сразу задам вопрос на понимание. А какая энергия обеспечивала на ранних стадиях этот разогрев, плавление металлов, плавление базальтов?А. К. Об этом можем поговорить. Само движение, конечно, связано с тем, что весь процесс проходит в гравитационном поле. И это первый фактор. Но есть и другие факторы, например, динамические процессы в Земле. Ведь долго считалось, что Земля твердая, и довольно долгое время так считали, хотя много лет таких представлений нет. Но во всяком случае изначально были представления, что все твердо стоит. На самом деле мы знаем теперь, что твердое вещество конвектирует, движется, что есть такие диапиры, которые могут возникать в мантии.

И самое главное, сейчас особенно много обсуждается то, что связано как раз с ядром. Есть так называемые "горячие струи", то есть где-то на границе мантии ядра возникает нарушение механической устойчивости и возникают такие струи, двигающиеся в глубину материала, которые достигают поверхности Земли. И вот то, что мы фиксируем в виде горячих точек на Земле, изолированный вулканизм, на дне океана, скажем, – это сейчас мыслится как движение вещества от границы ядра к поверхности Земли. И, кроме гравитационных сил появились еще механические силы, движения вещества, крупномасштабные движения вещества. И они, конечно, тоже оказывали и оказывают влияние на химическую дифференциацию, они что-то выносят, что-то приносят. И сейчас этот механизм в центре внимания находится.О. К. Наверное, надо добавить о магматическом океане.А. К. Да, конечно. Я говорил о плавлении, которое проявлялось на Земле в течении длительных геологических времен, это базальтовый магматизм. Но есть представление о том, что на ранних этапах формирования Земли в силу высвобождения гравитационной энергии при формировании ядра, в силу того, что Земля подвергалась воздействию падающих метеоритных тел, происходил разогрев, подъем температуры и была стадия существенного плавления Земли. Полного или частичного – это тоже предмет дискуссии. Но, во всяком случае, жидкость появлялась.О. К. Может быть, я на секундочку прерву. Это вообще очень сложный процесс, ведь не было никакой Земли, не было, вообще говоря, ни Венеры, ни Меркурия – ничего ж не было. Было то, что называется допланетное или протопланетное облако. В нем были две составляющие: пыль и газ. Газ диссипировал. Газ – это водород. Солнце на 99 процентов состоит из водорода. Облако тоже состояло из водорода. А то, по чему мы ходим, – железо, кремний, кальций, алюминий – это, вообще говоря, ничтожная часть от водорода, который находился в этом облаке.

Хорошо, как вот эта пылевая компонента собралась? Она собиралась постепенно из мельчайших частиц, менее, чем миллиметровых размеров, гораздо более мелких. Она стала аккумулироваться и образовывать тела значительно более крупных размеров. Это очень плохо понятные процессы. Этим занимается такая наука как "космогония".А. Г. Понятно, когда они начались?О. К. Да, 4 с половиной миллиарда лет тому назад. Наша Земля, метеориты и Солнце – 4.5 – 4.6 миллиарда лет. В это же время сформировалась Луна. То есть мы говорим с такой точностью, которая нам доступна, четыре с половиной миллиарда лет.

Потом образовались очень крупные тела, которые приводили к магматическому океану; это уже тела тысячекилометрового размера, то есть, тела лунного размера. Образовался некий крупный зародыш, который как, не знаю, как аллигатор, вычерпывал всю эту мелочь, которая была в рое допланетных тел.

Те метеориты, которые мы сейчас видим, которые падают и в настоящее время, это некое, так сказать, охвостье, которое осталось в поле астероидов и забрасывается на Землю и на другие планеты.

И вот сталкиваются два больших тела. Представим себе, что Земля первоначально была, скажем, размером с Марс (Марс по радиусу вдвое меньше Земли). И на прото-Землю размером с Марс выпадает тело, скажем, размером Луны. Происходит совершенно колоссальный взрыв, мы даже мысленно не можем представить, что это такое. Когда говорят об астероидной опасности, подразумевается, что тело размером, скажем, в поперечнике 10 километров, может снести вообще все живое. А здесь тело размером с Луну, прото-Луна падает на прото-Землю. Происходит колоссальный разогрев. И здесь начинается образование магматического океана. Это какая-то, так сказать, каша из металла, из силикатов. Вы спросили об энергии, вот эта колоссальная энергия...А. К. Она реализовалась таким способом.О. К. И, конечно, Земля прогрелась очень сильно. Происходило, вероятно, катастрофическое формирование ядра. То есть эта тяжелая железная фракция, она просто проваливалось к центру. Но ядро, ведь оно радиусом 3 с половиной тысячи километров и треть Земли по массе. Это колоссальное количество железа, железа с примесями, с кислородом, с серой, с углеродом, с водородом и так далее.

Очень важно здесь отметить одну такую особенность, что ядро не чисто железное. Метеориты тоже не бывают чисто железоникелевыми. Плотность железных фаз, померенная в лаборатории, несколько больше, нежели плотность ядра, рассчитанная через методы сейсмологии. Плотность в центре Земли – это около 13 грамм на кубический сантиметр. Плотность железа, измеренная в лаборатории, она превышает плотность центра Земли.А. Г. Несмотря на то, что там давление колоссальное.О. К. Это колоссальное давление, это давление трех с половиной миллионов атмосфер. И поэтому ядро нужно чем-то разбавить, каким-то легким легирующим компонентом. Это, еще раз повторяю, водород, кислород, сера, кремний, углерод – не обязательно, что они там есть, я говорю о гипотезах.А. К. Это то, что может понизить плотность.О. К. То, что может понизить плотность и понизить температуру плавления железа. И именно с этими легирующими компонентами связаны флюиды, которые как-то тянутся от ядра и несут все эти летучие фракции, которые образуют и состав ранней атмосферы, и состав гидросферы. Не так ли?А. К. Да. Конечно, ранние этапы формирования Земли – это вообще-то область гипотез. Просто потому что Земля в своем веществе очень мало сохранила информации о самых ранних этапах. То есть они скрыты поздними процессами. Что, скажем, происходило 3,5 миллиарда лет назад мы знаем, все-таки что-то осталось, а более ранние этапы, они науке мало известны, потому что не сохранила природа данных.

Но, действительно, летучие компоненты земли важны для понимания гидросферы, и атмосферы, и ранней атмосферы. На ранних этапах состав этих летучих компонентов, как мы предполагаем, был тесно связан с формированием ядра. В чем дело? По-видимому, был этап – хотя это гипотеза – был этап, когда металл находился в равновесии с силикатом, еще ядра не было. Но в присутствие металла возникает пониженная химическая активность кислорода, как бы дефицит. И при таком состоянии глубинного вещества состав газа должен быть абсолютно иным, чем тот, который мы сейчас видим. Это должен был быть водород, метан, – как мы говорим, восстановленные газы. Вот они должны были присутствовать в земле.

Но доказать это довольно трудно. Хотя мы пытаемся это сделать. Но как мы пытаемся сделать? Какие методы используем для того, чтобы понять эти процессы?

Первый путь совершенно очевиден, он связан с ксенолитами, с теми глубинами, откуда магма выносит части атмосферы.О. К. Надо рассказать, наверное, что такое ксенолиты.А. К. Ксенолиты – это часть глубинной породы, которую магма при своем подъеме как бы вырвала из окружающей среды и вынесла на поверхность земли. Мы эти части просто видим, в базальтовой жидкости они сохранились, мы можем их собирать. Мы можем взять эти ксенолиты, изучить химические равновесия и рассчитать, скажем, химический потенциал кислорода. Это наука и делает. Таким образом мы можем реконструировать, какой газ там был: вода, СО2 или же метан.

Кроме того, эти глубинные минералы почти что все содержат включения глубинных газов. Опять-таки – это глубина 100 километров. Мы можем этим воспользоваться. Такими методами пользуется наука.

И вот когда мы это сделали, то увидели, что в древних породах литосферы, вынесенных кимберлитовыми магмами (это такой несущий сплав, ксенолит, который содержит алмазы), мы видим довольно низкий потенциал кислорода. Довольно низкий. Причем возраст этих ксенолитов где-то 3,5 миллиарда лет.

Но все-таки не настолько низкий, чтобы это вещество находилось в равновесии с металлом. А потом по этим же измерениям мы знаем, что потенциал кислорода, по-видимому, повышался, и в архее повышался. И вот современная мантия имеет высокий потенциал кислорода. И метан в верхних слоях мантии не устойчив. Мы не видим таких признаков. Устойчива вода, углекислота, карбонаты.О. К. А можно какую-то аналогию провести между составом атмосферы Венеры и составом атмосферы Земли?А. Г. Я тоже хотел об этом спросить.А. К. Тут надо сказать так. Существует гипотеза эволюции состава газа Земли со временем, которая утверждает, что на ранних этапах был восстановленный состав газов мантии. По-видимому, на каких-то ранних этапах атмосфера тоже содержала восстановленный летучий метан. По отношению к Земле мы можем это как-то более-менее обосновывать. Но если говорить в принципе, если сравнивать одну планету с другой по изотопии, то Эрик Михайлович Галимов, который у вас делал доклад о происхождении жизни, приходит к выводу, что на Марсе тоже была восстановленная атмосфера. Но вы спрашиваете о другом: почему вода на Земле и СО2 на Венере.А. Г. Один и тот же ли был сценарий развития событий?О. К. Влияло ли расстояние от Солнца? Или какие-то другие процессы? Еще тут важно магнитное поле. У Венеры нет магнитного поля, у Земли есть магнитное поле.А. К. Вы знаете, это очень дискуссионный вопрос. Я могу свою точку зрения высказать на этот счет. Эту концепцию, эти представления, вернее, ибо до концепции еще далеко, я могу выразить следующим образом.

Вполне возможно, что при формировании протопланетного облака происходит так, что то вещество, из которого образовывалась Земля, в целом имело иную летучесть кислорода, чем вещество Венеры. Если мы возьмем систему, которая определяет образование главных газов, – это вода, метан, водород, и эта система будет в равновесии со свободным углеродом (а мы предполагаем, что на ранних этапах свободный углерод был), то там есть одна важная специфическая особенность термодинамики этих равновесий. Там получается так, что состав газа в этом случае будет очень сильно меняться как раз от потенциала кислорода, как мы уже говорили, от химической активности кислорода. Очень сильно. Он будет меняться от газов или флюидов, богатых СО2 до газов, богатых метаном, потом водородом.

Так вот могло получиться так, что Земля при своем формировании имела отличный потенциал кислорода, и вследствие сжатия этой газовой смеси (поскольку идет аккреция, давление) где-то оказалось, что потенциал кислорода соответствует устойчивости воды. А на Венере это может быть СО2. И можно начать поиски в этом направлении. Но, в общем, это все-таки пока не очень понятно.А. Г. Это может объяснить газовый состав атмосферы Венеры. А как это объясняет тот факт, что у Венеры, судя по тому, что у нее нет магнитного поля, нет, скорее всего, и жидкой мантии, и твердого ядра? Если правильна гипотеза о происхождении нашего магнитного поля.О. К. Это, конечно, один из фундаментальных вопросов. Может быть, даже, что магнитное поле земли как-то связано с происхождением жизни.

Дело в том, что мало иметь ядро. Вообще говоря, все небесные тела имеют ядра. Даже астероиды. Астероиды, самые крупные из них типа Весты, Цереры, меньше Луны, существенно меньше Луны. И, тем не менее, все равно они имеют внутреннее железное ядро. Когда я говорю "железное", нужно всегда добавлять, что это, во-первых, железоникелевое ядро, потому что все метеориты содержат в своем составе никель. Ну, и, кроме того, обязательно должна быть какая-то легкая примесь элемента типа кислорода или серы. Или похожего на них. Меркурий имеет очень много железа. Средняя плотность Меркурия выше, существенно выше, чем плотность Земли. Луна имеет очень маленькое ядро. Но имеет. Если Земля, я повторю, имеет радиус ядра 3,5 тысячи километров, то радиус лунного ядра на порядок меньше, то есть 300-400 километров. Но все равно ядро есть. Но Меркурий не имеет магнитного поля, Марс не имеет магнитного поля, или точнее говорить – имеет очень-очень слабое магнитное поле.А. Г. Луна не имеет магнитного поля.О. К. Не имеет – что, вообще говоря, интересно. Спутник Юпитера Ганимед, который в течение нескольких лет изучался миссией Галилео, при очень маленькой средней плотности имеет огромное жидкое ядро и обладает огромным собственным магнитным моментом. И вообще никому в голову не приходило еще несколько лет назад, что у Ганимеда есть ядро – железное ядро, железоникелевое ядро. И его стали сравнивать с Землей. Земля имеет не просто ядро. Вот оно, внешнее ядро. И потом внутреннее ядро. И внешнее ядро жидкое – это доказано методом сейсмологии и лабораторными экспериментами тоже. Почему оно жидкое? Потому что в жидкости модуль сдвига равен нулю. В сейсмологии изучаются как продольные волны, так и поперечные. Так вот, внешнее ядро не пропускает поперечные волны. Значит эта среда жидкая. Так же, как жидкая вода тоже не пропускает поперечные волны.

Но чтобы образовалось магнитное поле (хотя это, так сказать, не наша проблема), должно существовать еще внутреннее ядро. И вот эти стрелочки олицетворяют собой крупномасштабное движение во внешнем ядре. То, что называется конвекцией.

Внешнее ядро образовалось, вероятно, очень быстро на ранней стадии аккреции Земли. И сейчас новейшие изотопные данные по изотопии таких элементов, как гафний и вольфрам, говорят, что это было катастрофическое событие, которое потребовало (по геологическим меркам) ничтожного времени – 50 миллионов лет на фоне 4,5 миллиардов лет. Тогда образовалось ядро как таковое. Может быть, оно сразу уже было жидким. Потому что температура плавления железа с примесями меньше, чем температура плавления силикатов.

А вот внутреннего ядра, может быть, и не было с самого начала. Земля немножечко охлаждалась, поскольку всегда идет вынос энергии. Хотя Земля – это термостат, но поскольку существует конвекция (это очень эффективный способ теплопередачи, отвода тепла), то жидкое ядро стало охлаждаться и какая-то часть его стала кристаллизоваться. И за значительно более длительный период времени стало образовываться твердое ядро. Сейчас оно имеет размеры весьма приличные – это тысяча с небольшим километров. Это твердое ядро тоже не чисто железоникелевое. Там 2-3 процента каких-то дополнительных элемента, вот опять же типа серы.

И твердое ядро кристаллизуется и увеличивается в размерах, а жидкое ядро немножко уменьшается в размерах. Но на границе между этим овалом, где написано "внешнее ядро" и мантией существует слой. Это так называемый слой "Д два штриха", с которым связана масса всяких интереснейших идей. Этот слой здесь изображен такой достаточно тонкой пунктирной линией, но на самом деле его мощность – это несколько сотен километров, 200, может быть, 300 километров. И он хорошо отбивается сейсмологическими методами, как граница. Потому что плотность мантийного материала – 5,5 граммов на сантиметр кубический, а плотность на границе ядра и мантии, плотность ядра – 10, больше примерно в два раза. Поэтому сейсмология отлично ловит эту границу. И вот на этой границе (там изображен гипотетический начальный плюм) отделяется вещество, которое, возможно, является поставщиком разного рода магматических жидкостей. Правда, вообще очень плохо понятно как? Ведь мощность мантии – 2890 километров. Представляете, этот плюм должен пройти такое гигантское расстояние. Как? Арнольд Арнольдович, к вам вопрос.А. К. Конечно, представление о существовании плюмов частично базируется и на геофизических данных, на изменении физических свойств, и по сейсмике прослеживается эта струя до существенных глубин. Иногда и до границы с ядром, но иногда нет. Это чисто динамический процесс, он моделируется теоретически. В общем, возможность подъема горячей струи существует. И потом это выражается в виде вулканической активности, потому что вещество плюма плавится, и многие горячие точки на дне океана связаны с такими плюмами, по-видимому. Ну, есть и специфика составов магм в этом случае, больше летучих компонентов в них оказываются. Но надо сказать, что, в общем, эта проблема имеет много загадок, конечно, включая и динамику.

Но вот что еще прямо связанное с ядром я хотел бы обсудить. Как нам быть? Я как раз сейчас хочу это сказать, как нам быть? Дело в том, что есть одна проблема, которая нам не позволяет до конца понять, как формировалось ядро. Это действительно треть Земли по массе. В чем заключается проблема? Есть элементы называемые "сидерафильными элементами", которые любят металл. Если вы приведете металл в контакт с силикатом, то они предпочтут идти в металл. Это элементы группы железа: кобальт, никель, само железо. Такими же свойствами обладают платиноиды: платина, палладий, иридий, осьмий. Но вот, оказывается, что содержание этих элементов в породах, доступных нам, это в верхних оболочках, таково, что этих элементов слишком много для того, чтобы эти породы были в равновесии с металлом.О. К. Это вопрос, почему они не ушли в ядро?А. К. Еще Рингвуд, знаменитый биохимик, где-то в 65-ом году сформулировал эту проблему избытка сидерафильных элементов. И мы до сих пор не можем выйти из этой ситуации. Конечно, для того чтобы понять, как действует температура на коэффициент распределения сидерафильных элементов между металлом и силикатом, как действует летучесть кислорода, как действует давление, было сделано много экспериментов. Была идея, что в верхней оболочке земли давление все-таки не очень высокое, а там, где давление миллионы атмосфер, может быть, эти коэффициенты распределения изменились. Много сделано экспериментов.О. К. При очень высоких давлениях были сделаны такие эксперименты?А. К. При самых высоких не было, ну, сотни килобар. И вроде бы иногда можно видеть, что сидерафильность теряется несколько. Но все-таки такого фактора, который бы привел металл в равновесие, не найдено до сих пор. И тогда встает проблема: как возникает ядро? Мгновенно ли отделилось, раньше ли отделилось, чем силикат?А. Г. Практически возникает противоречие.А. К. Да, противоречие. И, кроме того, кроме гипотезы о формировании ядра за короткое время, многие начинают говорить о том, что ядро формировалось более постепенно и даже испытало какое-то изменение внутренней динамики приблизительно около двух с половиной миллиардов лет тому назад. И изменение этой внутренней динамики привело к тому, что возникли дополнительные факторы химической дифференциации, поступления вещества в верхние слои. Вот как все-таки здесь нам быть, как разобраться с этим? С сидерафильными элементами и с тем, может быть, ядро развивалось более постепенно.О. К. Когда я начал заниматься этой проблемой (это было уже довольно давно, где-то 30 с лишним лет тому назад), этот вопрос стоял так же остро, как и сейчас.

Вообще говоря, тут, может быть, мы сделали некую методологическую ошибку. Надо было упомянуть имя Отто Юльевича Шмидта, главного редактора Энциклопедии, полярного исследователя, основателя Института физики Земли. Дело в том, что этой проблемой много людей занималось: занимались философы – Кант, занимались физики – Лаплас. Существует знаменитая гипотеза Канта-Лапласа о происхождении Солнечной системы и Земли. Но это было очень далеко.

Шмидт 50 лет тому назад, вообще говоря, сделал резкое продвижение в понимании происхождения планет. Я уже коротко сказал о предположениях о том, что Земля сформировалась как однородное тело, гомогенная аккумуляция, или гомогенная аккреция. То есть и частицы железа, и частицы силиката, хаотически сталкиваясь друг с другом в этом допланетном облаке, сформировали шар, однородный по составу. Потом, как и было сказано, за время порядка нескольких первых миллиардов лет, железо просто в силу законов Архимеда и в силу разогрева стекало вниз. Но это не нравилось многим геофизикам. И тогда была предложена другая гипотеза, тоже очень красивая, она стала называться гипотезой неоднородной аккреции, гетерогенной аккреции.

Суть ее понять очень легко – сначала образовалось ядро. Железо пластично, и эти маленькие железные частички, сталкиваясь друг с другом, образовали огромное ядро, и на него уже стала налипать силикатная мантия. И это вообще было простое объяснение. Тогда не нужно было, чтобы частицы железа в готовой земле с поверхности прошли 3 тысячи километров и осели бы в центр. Это вообще до сих пор непонятно. Это толком не поддается ни моделированию, ни эксперименту, ни теории.А. К. Это проблема, конечно.А. Г. А как тогда возникло жидкое ядро?О. К. И все-таки от гетерогенной аккреции отказались. И снова пришли к выводу о том, о чем я уже упомянул, что все-таки тела росли однородным образом. То есть однородным в том смысле, что железо и силикаты были перемешаны хаотически... Вот метеориты – это же разные тела, да? Есть хондриты, есть железные метеориты.А. Г. Железных меньше.О. К. Меньше, да. Есть ахондриты. То есть существует довольно большое количество метеоритов, каждый из них – это индивидуальное тело, оно неповторимо. И те люди, которые занимаются космохимией, теоретики, они знают, что каждый метеорит – это целый мир. Есть брекчи, есть вообще очень сложные метеориты, которые невозможно объяснить с точки зрения баланса кислорода.

Но все они в каком-то динамическом образовании: 4 с половиной миллиарда лет назад все-таки образовали Землю, но прото-Землю. И на эту прото-Землю выпадали остатки больших тел из роя, они пробивали эту землю, пробивали очень сильно, разогревали ее, и ядро стекало.

Арнольд Арнольдович, в нашем же институте вы участвуете в экспериментах как раз по проницаемости железных частиц. Может быть, об этом надо рассказать? Это один из механизмов формирования ядра, не только на первой стадии – пробивания, но и на последующей стадии.А. К. Формирование ядра действительно ставит проблемы, которые мы не можем понять. Первое – это противоречие с избыточными сидерафильными элементами, и в экспериментах, хотя и сделанных при высоких давлениях, мы не нашли решения. Это первая проблема. Вторая проблема. Если была гомогенная аккреция, были частицы металла между силикатными компонентами, между кристаллами, то вопрос, как они потом сумели сесть?О. К. Как они сумели через эту толщу пройти?А. К. Вы знаете, конечно, проблему пытаются решать, но все-таки полной ясности нет. Конечно, это будет не частица металла, а будет огромный шар, и по закону Архимеда (есть расчеты, модели такие очень ранние) такой шар, в конце концов, может провалиться. Но это должны быть очень большие тела. И трудно представить, как они образовались. Скорее всего, какой-то был металл неизвестного размера, скажем, километровые шары. Вы знаете, мы до сих пор не имеем решения. Но эксперименты по проницаемости кристаллической массы жидким металлом, которые были сделаны...О. К. В центрифуге, да?А. К. Да. Они показывают, что металл не садится. В нашем институте мы вместе с доктором Лебедевым делали эксперимент с использованием центрифуг. Дело в том, что мы таким способом пытались ускорить процесс. Есть процессы, где скорость будет очень медленная, и, чтобы увидеть этот процесс, вам, может быть, надо ждать 5 лет. А с центрифугой, с применением теории подобия, мы можем этот процесс ускорить. Мы изучали проницаемость для случая частично расплавленной мантии. Жидкость должна способствовать, по нашим представлениям, проницаемости силикатной каркаса, должна способствовать осаждению этих частиц.О. К. Вот это железо не смешивается с силикатной жидкостью?А. К. Да, не смешивается.А. Г. А жидкость тоже находится в движении?А. К. Конечно, и это еще более усложняет...О. К. Жидкость в жидкости получается, да?А. К. Да. Понимаете, металл, он антагонист к силикатам, он совершенно не смачивается, он как ртуть. И, хотя есть каналы, это не дает возможности ему проникнуть через эту матрицу.

И делались эксперименты при высоких давлениях без центрифуг, тоже пытались мерить, как металл смачивает при движении кристаллы. Но тоже приходится делать вывод, что когда частично расплавленный материал мантии... Почему мы рассматриваем частично расплавленный материал? Потому что полного плавления, по всем нашим химическим данным не могло быть, ну, 10 процентов, 5 процентов, а при такой степени плавления металл не садится. И это до сих пор тоже остается вопросом.

Но ясно совершенно, что все-таки должен быть расплав, должна появиться смазка для металла для того, чтобы он туда проник. Какая гипотеза обсуждается? Обсуждается гипотеза такая. Мы начали говорить об океане. Это тоже гипотеза, в значительной степени все признают такое раннее плавление, когда мантия была частично расплавлена на глубину, скажем, 300 километров, может, больше даже. Ищут выход из такого положения. Когда было много расплава, не 10 процентов, а больше, металл тогда может сесть...О. К. А в нижней мантии?А. К. Я просто говорю, в чем противоречие. Он мог накопиться на дне.А. Г. То есть это должен был быть тогда пояс такой...А. К. Да. Но он может накопиться на дне и создать слой, неустойчивый с механической точки зрения.О. К. И тогда происходит переворот.А. К. Да, переворот. Для Луны такая же обсуждается проблема, там такая же задача...О. К. Но там мало железа, там проще, в общем.А. К. Может быть, надо искать ответ на этот вопрос в крупномасштабной механической неустойчивости. Слой-то образовался, а потом был неустойчив.О. К. Вы знаете, ведь все эти проблемы поднимаются очень давно. И вот, может быть, сейчас стоит сказать, что в 1948 году советский ученый Лодочников, известный геолог, и Рамзей, это уже иностранный ученый, понимая трудности образования железного ядра, предложили принципиально другую идею: нет железного ядра в земле, нет железных ядер и в других планетах.

Они предложили идею так называемой металлизации силикатов. То есть при высоком давлении силикаты (а уже было известно, что все силикатные вещества могут претерпевать фазовые переходы под очень высоким давлением) преобразуются в очень плотный субстрат, который проводит электрический ток. Внешняя электронная оболочка сближается, и могут индуцироваться электрические токи, в том числе образуя магнитное поле.

Это была красивая идея, она объясняла состав всех планет – Меркурия, Марса, Венеры, Луны – по одному и тому же типу. Но только в Луне маленькие давления, там нет магнитного поля, там не произошла металлизация. Это была неплохая идея, но потом прямой эксперимент доказал, что невозможно при таком давлении достигнуть нужной плотности, как в центре земли. На это только железо способно, и не просто железо в обычной модификации альфа-железо, а там должна быть специальная, специфическая кристаллохимическая структура, так называемая эпсилон-железо. То есть эта гипотеза рухнула.

Вот видите, люди все время стараются избавиться от проблемы того, как протащить эту огромную массу железа внутрь. Как ее решать? Современная изотопия утверждает, что это было катастрофическое событие, и ядро возникло в момент рождения Земли.А. К. Это то, что мы знаем.

Я хочу одну проблему обсудить, тоже связанную с ядром, очень важную для понимания концентрации кислорода в виде соединения с водородом, это вода с углеродом СО2 в верхних оболочках Земли, это где-то глубины 100 или 300, может быть, километров.

Несомненно, очень много было процессов, которые приводили к этой концентрации. Но поскольку мы сейчас обсуждаем ядро, я как раз хотел бы коснуться вопроса в этом аспекте. Это кажется странным, ядро – это восстановленное соединение (кислород, правда, может там растворяться в виде нескольких процентов при высоких давлениях). Наверху мы имеем воду и угольную кислоту. И, тем не менее, многие из нас ставят вопрос о том, что когда шло преобразование восстановленной мантии, исчезал метан и водород и формировался водород и углекислота, что это могло быть связано с комплексом процессов.

Например, предполагается, что на последних стадиях аккреции Земли углистые хондриты выпадали на поверхность, они содержат воду, СО2, углерод. И эта оболочка дала нам, собственно говоря, эти окисленные летучие компоненты. Есть и другие гипотезы, очень важные тоже и имеющие обоснование. Кроме диссипации водорода, может быть, играла какую-то роль диссипация кислорода. Сейчас экспериментаторы померили скорость диффузии водорода в кристаллах, и она действительно оказалась достаточно высокой, чтобы в короткие времена при подъеме глубинного вещества (в виде конвективного течения или струй каких-то) этот водород терялся и диссипировал. И тогда мы будем иметь накопление кислорода. Есть и другие реакции есть реакции перераспределения трехвалентного железа, это тоже может приводить к высвобождению кислорода, это недавнее открытие, для очень высоких давлений, но это отдельный вопрос.

Но вынуждены тоже рассматривать и участие ядра. И выдвигается гипотеза, о которой я хотел спросить, о том, что, может быть, на ранних этапах...

Max_Evil
23.11.2004 13:09, 26 месяцев назад
Не будучи в состоянии заглянуть на сколько-нибудь вглубь планеты (при радиусе Земли более 6000 км самая глубокая Кольская скважина – 12км), наука пользуется опосредованными сведениями о внутреннем строении Земли. О глубинном строении судят по продольным и поперечным сейсмическим волнам, которые, распространяясь внутри Земли, испытывают преломление, отражение и затухание, что свидетельствует о расслоенности Земли. Таким образом, выделяют три главные области: земная кора; мантия (верхняя до глубины 900 км, нижняя до глубины 2900 км); ядро Земли (внешнее до глубины 5120 км, внутреннее до глубины 6371 км).

Ядро Земли. Средний радиус Земли ~ 6371 км. Ядро Земли занимает ее центральную область с радиусом 3480 км; объем ядра составляет 16%, а масса около 32% полной массы. Граница, разделяющая две наиболее мощные геосферы Земли (мантию и ядро), располагается на глубине около 2900 км. На границе раздела между ядром и мантией происходит скачкообразное изменение физических свойств: плотности, скорости продольных волн и др. Полярный радиус ядра меньше экваториального примерно на 10 км, что приводит к различиям в глубине залегания границы ядро-мантия. Сейсмологические наблюдения обнаруживают вблизи этой границы (так называемая граница DІ) некоторый гетерогенный слой протяженностью порядка 100-200 км, с которым связывают подъем разуплотненного мантийного вещества (диапиры), проявляющегося в виде "горячих точек" на поверхности Земли (Гавайи, Исландия). Одна из наиболее интересных особенностей ядра заключается в его строении и агрегатном состоянии. В самом ядре выделяют две зоны: внешнее жидкое ядро на глубинах 2890-5150 км и внутреннее твердое ядро на глубинах 5150-6371 км. Вторая особенность, вытекающая из первой, состоит в том, что в ядре формируется собственное магнитное поле Земли, с которым связаны многие современные достижения геологии и геофизики (палеомагнитные исследования позволили обнаружить крупномасштабные движения континентов в прошлые геологические эпохи и разрастание дна океанов). Открытие земного ядра сыграло исключительную роль в науках о Земле и привело к интенсивному развитию сейсмологии и экспериментальных методов изучения земного вещества при сверхвысоких температурах и давлениях. Как отмечает, например, Г.И.Кузьменко, автор статьи «Глубинные процессы Земли», в последнее время акценты в изучении глубинных процессов Земли смещаются с коры и мантии на земное ядро, причем "на важнейшую роль ядер в энергетике космических тел обращают внимание и астрофизики".

Из статьи Г.И.Кузьменко: "Именно там (в ядре) рождается не меньше тепла, чем в радиоактивных материалах коры. Именно там - для классической теории - больше всего неясных явлений. Следует поэтому внимательней отнестись к предположениям о существенном уточнении температур внутри ядра и возможности там некоторого плазменного состояния".

Открытие ядра. Уже в 1896 г. Е.Вихертом на основе данных по каменным и железным метеоритам было высказано предположение, что Земля состоит из внешней оболочки (мантии), окружающей более плотное металлическое ядро. В 1906 г. Р.Олдхэм привел первое сейсмологическое доказательство существования центрального ядра и дал грубую оценку его радиуса ~ 1600 км. Позднее крупнейшие геофизики ХХ в. Б.Гутенберг и Х.Джеффрис подтвердили наличие центрального ядра и довольно точно оценили его размеры. По современным геофизическим данным радиус ядра Земли оценивается равным 3480-3485 км.

Было установлено, что на границе между мантией и ядром происходит скачкообразное увеличение плотности (с 5.55 до 9.9 г/см3), сопровождающееся резким уменьшением скорости распространения продольных волн (с 13.7 км/с в подошве мантии до 8 км/с в кровле ядра), и показано, что эта поверхность раздела не пропускает поперечные волны. По этой причине внешнее ядро считается жидким, поскольку модуль сдвига жидких сред равен нулю.

Существование магнитного поля Земли также указывает на жидкое агрегатное состояние внешнего ядра. В 1936 г. датский геофизик И.Леманн, интерпретируя сейсмологические данные, пришла к выводу о зональном строении ядра и, тем самым, к открытию небольшого внутреннего ядра. Эти исследования приводят к выводу, что внутреннее ядро радиусом около 1220 км и, занимающее менее 1% объема и 2% массы Земли, является твердым. Оказалось также, что скорость распространения продольных волн на 3-4% больше вдоль полярной оси, нежели в экваториальном плане (сейсмическая анизотропия). Вероятное объяснение анизотропии внутреннего ядра может быть связано с пластической деформацией железа (основной компоненты ядра), обнаруженной в экспериментах при давлениях свыше 2 Мбар.

Вопрос о формировании ядра. Механизм и время формирования земного ядра - один из наиболее трудных и наименее проработанных вопросов в сценариях эволюции Земли. Образование ядра можно отнести к событиям катастрофического типа. Энергия, выделяющаяся в ударных процессах в период аккреции планет, была, вероятно, достаточна для частичного проплавления планеты. Поскольку температура плавления железа и его сплавов ниже, чем силикатов, расплавленный металл мог отделяться от окружающего материала и опускаться к центру планеты, формируя ядро. При этом выделялась гравитационная энергия, дополнительно нагревающая планету на сотни градусов и вследствие этого препятствующая вхождению сильно летучих элементов в состав металла.

В литературе рассматривались различные сценарии такого процесса. По одной из схем жидкие фракции железа или его сплавов, опускаясь в частично расплавленном силикатном материале (магматический океан) и сливаясь, формировали слой расплава, образующегося в тех участках планеты (как правило, в верхней мантии), в которых достигалась температура плавления металла. Вследствие гравитационной неустойчивости жидкого металлического слоя, последний либо целиком проваливался к центру планеты, либо распадался на несколько достаточно крупных капель, которые опускались к центру и образовали протоядро. Другой сценарий предполагает возникновение термических неоднородностей не только в верхней, но и в нижней мантии за счет ударов наиболее массивных крупных тел в период аккреции и приводит к гипотезе частичного проплавления нижней мантии, дифференциация которой сопровождалась выделением ядра на ранней стадии эволюции Земли.

Интерпретация данных по изотопии системы Hf-W позволяет предположить, что формирование ядра происходило очень быстро - за период 50-70 млн. лет после начала аккреции. Последующее охлаждение планеты приводило к кристаллизации железа во внешнем ядре и росту внутреннего твердого ядра за время порядка 2 млрд лет.

Мантия. Выше были описаны проблемы стоящие перед наукой связанные с происхождением, составом, эволюцией ядра. Относительно других геосфер у науки не меньше вопросов. Главным направлением исследований А. А. Кадика является изучение планетарной дегазации, связанной с плавлением коры и мантии. Он является одним из создателей теории взаимодействия летучих компонентов с магматическими расплавами.

Вопрос о флюидах (газах) мантии Земли, их влияние на взаимодействие геосфер, вулканизм и дегазация Земли. Флюидная (газовая) фаза Земли, представленная летучими компонентами O2, Н2О, СО2, Н2, СН4, N2, соединениями S, Cl, F, благородными газами, является наиболее подвижной составляющей планетарного вещества наряду с расплавами (магмами) и металлической фазой. Ее перераспределение в геологическом времени в теле Земли под воздействием гравитационных и тектонических сил, плавления и формирования металлического ядра привели к образованию атмосферы, гидросферы. Компоненты глубинных флюидов играли решающую роль в создании условий для возникновения жизни на границе твердой Земли с возникающей атмосферой и гидросферой Флюиды способны растворять многие химические элементы Земли. Они ответственны за извлечение и перенос петрогенных элементов, метасоматическое преобразование коры и мантии. Установлено существенное влияние флюидов, прежде всего воды, на механические свойства пород, которое может играть определяющую роль в перемещении блоков литосферы, геодинамике глубинного вещества мантии и горообразовании.

Флюидная динамика в недрах планеты имеет сложную природу. Это: 1) миграция газов в межкристаллическом пространстве твердой Земли и их перемещение в теле планеты при конвекции; 2) растворение в расплавах мантии и перенос вместе с магмами к поверхности Земли; 3) растворение в металлической фазе при формировании ядра Земли с последующим высвобождением на границе ядро – мантия; 4) циклы летучих компонентов, связанные с погружением литосферных плит в мантию; 5) наиболее глобальное перемещение летучих компонентов связано с формированием горячих струй, осуществляющих вынос глубинного вещества к поверхности Земли, на границе мантии с ядром.

Таким образом, состав флюидов и их распределение в пространстве и времени находятся в сложной зависимости от химического состава глубинных слоев Земли и особенностей геодинамических сред. Многие стороны этих зависимостей остаются непознанными. Выяснение их природы является актуальным для выяснения вклада газовой и флюидной фазы в формирование и взаимодействие геоcфер Земли, ее литосферных и астеносферных слоев. Как свидетельствуют эксперименты, флюиды могут оказывать существенное влияние на геофизические свойства вещества Земли. Выяснение этого влияния необходимо при интрепретации природы геофизического строения литосферных и астеносферных слоев верхней мантии.

Направления исследований. Эволюция состава флюидов мантии в геологическом времени. Геохимические и геофизические теории предполагают эволюцию состава флюидов мантии в геологическом времени, определяемую изменением баланса кислорода в недрах планеты при ее дифференциации. Эти изменения связывают с повышением летучести кислорода в верхних слоях мантии, с уменьшением доли СН4, Н2, СО и значительным увеличением доли Н2О, СО2 в литосферных и астеносферных слоях современной верхней мантии. Одной из предполагаемых причин этого явления может быть изменение геодинамики планетарного вещества, начало тектоники плит и активного формирования астеносферных диапиров. В целом многие стороны эволюции остаются неясными и спорными.

Перераспределение кислорода в недрах планеты. Химическая дифференциация Земли тесным образом связана с перераспределением кислорода в недрах планеты. Этот процесс находит свое прямое отражение в стратификации окислительно- восстановительного состояния глубинного вещества (летучести кислорода). Он является определяющим в формировании “восстановленных” и “окисленных” флюидов в истории Земли, в изменении состава вулканических газов в геологическом времени, в обогащенности литосферных и астеносферных слоев Н2О и СО2. С изменением баланса кислорода в недрах планеты связаны и другие геохимические процессы (фракционирование сидерофильных элементов, плавление, изменение растворяющей способности флюидов в отношении химических элементов мантии и их концентрирование в виде рудных месторождений). Познание механизмов, которые определяют потенциал кислорода в недрах планеты, является одной из новых областей фундаментальных исследований в геологии.

Плавление мантии и дегазация Земли. Металлическая фаза, продукты плавления (магмы), флюиды (газы) планетарного вещества играют исключительную роль в химической дифференциации Земли, формировании оболочек ввиду их исключительной подвижности в гравитационном поле Земли, при этом движение (подъем) магм и газовых компонентов тесно связаны друг с другом. Это прежде всего определяется тем летучие компоненты Земли обладают способностью к высокой растворимости в магмах при высоких давлениях. В такой растворенной форме они выносятся к поверхности Земли и высвобождаются в виде вулканических газов во время извержений. В понимании этих явлений ключевую роль сыграли эксперименты при высоких давлениях, которые соответствуют давлениям в мантии Земли.

Летучие и геодинамика планетарного вещества. Связь поведения летучих компонентов Земли (флюидов) с геодинамикой глубинного вещества: конвективными течениями в мантии, формированием горячих мантийных струй, погружением литосферных слоев в мантию.

Декомпрессионное плавление мантии как неизбежное следствие течения планетарного и летучие Земли. Декомпрессионное плавление мантии при восходящем течении ее вещества, роль летучих компонентов в его возникновении и реализации. Один из главных компонентов флюидов –вода является тем компонентом мантии, который приводит к существенному понижению температур плавления пород. Отсюда вытекает исключительная роль воды в плавлении Земли, в ее дегазации при вулканической активности на поверхности планеты.

Магнитное поле Земли. По сей день загадкой для ученых остается происхождение магнитного поля, хотя существует много гипотез для объяснения этого феномена. Земля действует как гигантский магнит с силовым полем вокруг. Сведения о распределении магнитного поля Земли на ее поверхности и околоземном пространстве дают наземные, морские и аэромагнитные съемки, а также измерения, производимые на низколетящих искусственных спутниках Земли. Проблема происхождения магнитного поля Земли до настоящего времени не может считаться окончательно решенной, хотя почти общепризнанной является гипотеза магнитного гидродинамо. Тепловая конвекция, то есть перемешивание вещества во внешнем ядре, способствует образованию кольцевых электрических токов. Скорость перемещения вещества в верхней части жидкого ядра будет несколько меньше, а нижних слоев - больше относительно мантии в первом случае и твердого ядра - во втором. Подобные медленные течения вызывают формирование кольцеобразных (тороидальных) замкнутых по форме электрических полей, не выходящих за пределы ядра. Благодаря взаимодействию тороидальных электрических полей с конвективными течениями во внешнем ядре возникает суммарное магнитное поле дипольного характера, ось которого примерно совпадает с осью вращения Земли. Для "запуска" подобного процесса необходимо начальное, хотя бы очень слабое, магнитное поле, которое может генерироваться гиромагнитным эффектом, когда вращающееся тело намагничивается в направлении оси его вращения.

Из статьи Н.В.Короновского «Магнитное поле геологического прошлого Земли»:

Не вдаваясь в довольно сложные характеристики видов намагниченности горных пород и факторов, ее определяющих, подчеркнем ведущую для палеомагнитологии (науки, изучающей геомагнитное поле прошлых геологических эпох – прим. редактора) роль естественной остаточной намагниченности. Этот вид намагниченности, будучи однажды приобретенным породой, при благоприятных условиях сохраняется длительное время.

[…] Проводя замеры следов геомагнитного поля геологического прошлого в массовом порядке в горных породах различного возраста и на разных континентах, а также при бурении глубоководных скважин в океанах, мы получаем возможность выявить эволюцию геомагнитного поля Земли, как бы восстановить его историю.

[…] Иверсии магнитного поля - это смена знака осесимметричного диполя. В 1906 году Б. Брюн, измеряя магнитные свойства неогеновых, сравнительно молодых лав в центральной Франции, обнаружил, что их намагниченность противоположна по направлению современному геомагнитному полю, то есть Северный и Южный магнитные полюса как бы поменялись местами. Наличие обратно намагниченных горных пород является следствием не каких-то необычных условий в момент ее образования, а результатом инверсии магнитного поля Земли в данный момент. Обращение полярности геомагнитного поля - важнейшее открытие в палеомагнитологии, позволившее создать новую науку магнитостратиграфию, изучающую расчленение отложений горных пород на основе их прямой или обращенной намагниченности. И главное здесь заключается в доказательстве синхронности этих обращений знака в пределах всего земного шара. В таком случае в руках геологов оказывается весьма действенный метод корреляции отложений и событий. Обращение знака геомагнитного поля, как уже говорилось, не могло быть объяснено в рамках теории однодискового динамо. В 60-х годах 20 века известный японский геофизик Т. Рикитаки предположил, что каждую конвективную ячейку или вихрь в жидком внешнем ядре можно считать как бы одним диском динамо. Модель простейшего двухдискового динамо показала, что ток от диска 1 перетекает в диск 2, генерируя магнитное поле - ток от которого, в свою очередь, усиливает магнитное поле около диска 1. Токовая, а следовательно, и магнитная переменная колеблются сначала около некоторого стационарного состояния, а затем, увеличивая амплитуду, внезапно начинают испытывать колебания уже вокруг другого стационарного состояния (по Т. Рикитаки, 1968). Таким образом, моделируется возможность инверсий магнитного поля. В реальном магнитном поле Земли время, в течение которого происходит изменение знака полярности, может быть как коротким, вплоть до тысячи лет, так и составлять миллионы лет.

Температура Земли на больших глубинах. Определение температуры в оболочках Земли основывается на различных, часто косвенных данных. Наиболее достоверные температурные данные относятся к самой верхней части земной коры, вскрываемой шахтами и буровыми скважинами. Нарастание температуры в градусах Цельсия на единицу глубины называют геотермическим градиентом, а глубину в метрах, на протяжении которой температура увеличивается на 10 С - геотермической ступенью. Геотермический градиент и соответственно геотермическая ступень изменяются от места к месту в зависимости от геологических условий, эндогенной активности в различных районах, а также неоднородной теплопроводности горных пород. Наиболее часто встречаемые колебания градиента в пределах 20-50o, а геотермической ступени -15-45 м. Средний геотермический градиент издавна принимался в 30oС на 1 км. По данным В.Н.Жаркова, геотермический градиент близ поверхности Земли оценивается в 20o С на 1 км. Если исходить из этих двух значений геотермического градиента и его неизменности в глубь Земли, то на глубине 100 км должна была бы быть температура 3000 или 2000o С. Однако это расходится с фактическими данными. Именно на этих глубинах периодически зарождаются магматические очаги, из которых изливается на поверхность лава, имеющая максимальную температуру 1200-1250o. Учитывая этот своеобразный "термометр", ряд авторов (В. А. Любимов, В. А. Магницкий) считают, что на глубине 100 км температура не может превышать 1300-1500oС. При более высоких температурах породы мантии были бы полностью расплавлены, что противоречит свободному прохождению поперечных сейсмических волн. Таким образом, средний геотермический градиент прослеживается лишь до некоторой относительно небольшой глубины от поверхности (20-30 км), а дальше он должен уменьшаться. Но даже и в этом случае в одном и том же месте изменение температуры с глубиной неравномерно. Вопрос о распределении температур в нижней мантии и ядре Земли еще не решен, и поэтому высказываются различные представления. Предполагают, что температура с глубиной увеличивается при значительном уменьшении геотермического градиента и увеличении геотермической ступени (предположительная температура в ядре Земли находится в пределах 4000-5000o С).

Тепловой режим Земли определяется излучением Солнца и теплом, выделяемым внутриземными источниками. Самое большое количество энергии Земля получает от Солнца, но значительная часть ее отражается обратно в мировое пространство. Количество получаемого и отраженного Землей солнечного тепла неодинаково для различных широт. Среднегодовая температура отдельных пунктов в каждом полушарии уменьшается от экватора к полюсам. Ниже поверхности Земли влияние солнечного тепла резко снижается, в результате чего на небольшой глубине располагается пояс постоянной температуры, равной среднегодовой температуре данной местности. Глубина расположения пояса постоянных температур в различных районах колеблется от первых метров до 20-30 м.

Ниже пояса постоянных температур важное значение приобретает внутренняя тепловая энергия Земли. Давно установлено, что в шахтах, рудниках, буровых скважинах происходит постоянное увеличение температуры с глубиной, связанное с тепловым потоком из внутренних частей Земли. Тепловой поток измеряется в калориях на квадратный сантиметр за секунду - мккал/см2.с. По многочисленным данным, средняя величина теплового потока принимается равной 1,4-1,5 мккал/ см2.с. Однако исследования, проведенные как на континентах, так и в океанах, показали значительную изменчивость теплового потока в различных структурных зонах. Разнообразие величин теплового потока, по мнению ученых, связано с неоднородными тектономагматическими процессами в различных зонах Земли.

Каковы же источники тепла внутри Земли? В соответствии с современными представлениями Земля сформировалась в результате аккреции газово-пылевых частиц протопланетного облака в виде холодного тела. Следовательно, внутри Земли должны иметься источники тепла, создающие современный тепловой поток и высокую температуру в недрах Земли. Одним из источников внутренней тепловой энергии является радиогенное тепло, связанное с распадом радиоактивных долгоживущих элементов 238U, 235U, 232Th, 40K, 87Rb. Периоды полураспада этих изотопов соизмеримы с возрастом Земли, поэтому до сих пор они остаются важным источником тепловой энергии. В начальные этапы развития Земли могли быть поставщиками тепла и короткоживущие радиоактивные изотопы, такие, как 26Al, 38C1 и др. Вторым источником тепловой энергии предполагается гравитационная дифференциация вещества, зарождающаяся после некоторого разогрева на уровне ядра и, возможно, в слое верхней мантии. Но значительная часть тепла, связанная с гравитационной дифференциацией, по-видимому, рассеивалась в пространстве, особенно в начале формирования планеты. Дополнительным источником внутреннего тепла может быть приливное трение, возникающее при замедлении вращения Земли из-за приливного взаимодействия с Луной и в меньшей степени с Солнцем. Тем не менее, перечисленными причинами может объясняться возникновение только части тепла, которое выделяется на границе мантия-ядро, и вопрос об источниках тепла внутри Земли на сегодняшний день остается открытым и одним из самых интересных.

Химический состав Земли. Для суждения о химическом составе Земли привлекаются данные о метеоритах, представляющих собой наиболее вероятные образцы протопланетного материала, из которого сформировались планеты земной группы и астероиды (впрочем, это лишь предположение, что мантия и кора содержат вещество, состав которого в среднем близок к составу метеоритов). К настоящему времени хорошо изучено много выпавших на Землю в разные времена и в разных местах метеоритов. По составу выделяют три типа метеоритов: 1) железные, состоящие главным образом из никелистого железа (90-91% Fe), с небольшой примесью фосфора и кобальта; 2) железокаменные (сидеролиты), состоящие из железа и силикатных минералов; 3) каменные, или аэролиты, состоящие главным образом из железисто-магнезиальных силикатов и включений никелистого железа.

Наибольшее распространение имеют каменные метеориты- около 92,7% всех находок, железокаменные 1,3% и железные 5,6%. На основании анализа состава различных метеоритов, а также полученных экспериментальных геохимических и геофизических данных, рядом исследователей дается современная оценка валового элементарного состава Земли, согласно которой, повышенное распространение относится к четырем важнейшим элементам - О, Fe, Si, Mg, составляющим свыше 91%. В группу менее распространенных элементов входят Ni, S, Ca, A1. Остальные элементы периодической системы Менделеева в глобальных масштабах по общему распространению имеют второстепенное значение. Если сравнить приведенные данные с составом земной коры, то отчетливо видно существенное различие, заключающееся в резком уменьшении О, A1, Si и значительном увеличении Fe, Mg и появлении в заметных количествах S и Ni.

Химический состав ядра. В середине XX в. проблема химического состава ядра Земли оказалась в центре дискуссии таких дисциплин как космогония, геохимия и геофизика.

В 1941 г. Кун и Ритман, основываясь на гипотезе идентичности состава Солнца и Земли и на расчетах фазового перехода в водороде, предположили, что земное ядре состоит из металлического водорода. Однако в последующих экспериментах по ударному сжатию было показано, что плотность металлического водорода примерно на порядок меньше, нежели плотность ядра. Впоследствии, гипотеза водородного ядра претерпела определенную трансформацию и сейчас находит свое отражение в моделях гидридного ядра, согласно которым распад гидридов служит поставщиком летучих и энергии, идущей на разогрев Земли.

Кардинальные противоречия возникли между двумя классами гипотез: железо-никелевого (с примесями других легких элементов) ядра и не железного ядра, состоящего из металлизованных силикатов или оксидов, т.е. из вещества горных пород, перешедших в металлическое состояние под действием сверхвысокого давления.

В.Н.Лодочников и У.Рамзей предположили, что нижняя мантия и ядро имеют одинаковый химический состав - на границе ядро- мантия при 1.36 Мбар мантийные силикаты переходят в жидкую металлическую фазу (металлизованное силикатное ядро). С космогонической точки зрения основное преимущество этой гипотезы состояло в том, что она не встречает трудностей при объяснении происхождения плотных ядер Земли и Венеры: ядро образуется, когда давление в центре растущей планеты достигает критического значения. Кроме того, эта гипотеза устраняла бы различие между Землей и Луной в содержании железа.

В последующем более строгая проверка гипотез о химическом составе ядра осуществлялась посредством сопоставления лабораторных измерений плотности и упругости различных веществ при высоких температурах и давлениях с геофизическими данными по изменению этих параметров в недрах Земли. Эксперименты по статическому и ударному сжатию железа и его сплавов с никелем (основной компоненты железных метеоритов) и другими элементами, а также породообразующих минералов (оливина, пироксена и др.) позволили сделать более определенные выводы о составе ядра.

Сейчас хорошо известно, что практически все известные в природе минералы претерпевают полиморфные превращения при высоких давлениях и температурах. На глубинах переходной зоны (400-650 км) и нижней мантии (650-2900 км) оливин преобразуется в минерал со структурой шпинели, пироксен и гранат - в минералы со структурой ильменита и перовскита. Кварц имеет серию фазовых превращений с образованием плотной рутиловой структуры - стишовита при давлениях порядка 100 кбар и 1000оС, обнаруженного в ударных кратерах и некоторых метеоритах. Стишовит не является конечным звеном в цепи полиморфных превращений; теоретическими и экспериментальными методами предполагается существование еще более плотных модификаций SiO2. Но даже в плотных пост- стишовитовых структурах не достигается плотность, характерная для зоны внешнего ядра. Кроме того, нельзя забывать, что для подтверждения гипотезы о металлизованном силикатном ядре любой минерал, образующийся в финале фазовых преобразований, помимо плотности, сопоставимой с плотностью ядра, должен иметь соответствующую скорость звука и обладать металлической проводимостью. Реальных доказательств этого не обнаружено.

_________________

Инна

Спасибо, Рита! Вот что я буду читать сыну на ночь.

_________________