Непрямі дані вказують на те, що ядро Землі складається із сплавів заліза, які перебувають у твердому стані в центральній і в рідкому стані в решті частини ядра. Саме турбулентні течії рідини і генерують магнітне поле Землі.
За іронією долі, одне з найбільш дивовижних і прекрасних видовищ на небосхилі планети – полярне сяйво – дає на ключ до розуміння природи недоступного і загадкового земного ядра. Основна причина виникнення полярних сяйв – взаємодія магнітного поля, що генерується в ядрі, і так званого «сонячного вітру» – потоку електрично заряджених частинок, який прямує від Сонця. Багато чого повинно повідомити ядро і про утворення Землі, і про її геологічну історію. Дійсно, є вказівки на те, що ядро досі впливає на розподіл температури у мантії і, таким чином, може побічно керувати великомасштабними геологічними процесами на поверхні Землі. Ясно також, що склад ядра є важливим чинником при побудові будь-якої моделі валового хімічного складу Землі.
Параметри ядра Землі
Сучасна будова ядра Землі найкраще визначається за сейсмологічними даними, тобто відомостями, які отримують при вивченні поширення пружних хвиль, що виникають в результаті землетрусів. Згідно з цими даними, ядро простягається від глибин близько 2900 км до центру Землі на глибині 6370 км. Сейсмологічні дані вказують також на те, що внутрішнє ядро з радіусом близько 1200 км тверде, а зовнішнє ядро перебуває у рідкому стані.
Відомо, що фізичні умови на цих глибинах екстремальні. Тиск коливається від 1,3 до 3,5 млн. атмосфер, що в 1,3–3,5 млн. разів вище атмосферного тиску на поверхні Землі. Температура ядра оцінюється у 4–5 тис. градусів Цельсія.
Ядро Землі і магнітне поле
Найбільш прямі відомості про стан ядра в минулі епохи дає вивчення стародавнього магнітного поля Землі. Так, наприклад, намагніченість найдавніших гірських порід дозволяє припустити, що будь-який процес, що генерує в ядрі магнітне поле, повинен був діяти вже 3,5 млрд. років тому. Учені, що працюють у цій галузі, все ще далекі від повного розуміння природи геомагнітного поля: неясно, яким чином воно генерується, коли і як вперше виникло і як змінювалося в подальшому. Проте зараз ми, мабуть, починаємо розуміти, яким шляхом могло утворитися і еволюціонувати земне ядро і які процеси впливали на геологічний розвиток Землі.
Геомагнітне поле часто зображують як поле диполя. Іншими словами, воно схоже на поле, яке створювалося б поміщеним у центрі Землі магнітом, силові лінії поля якого виходять з південного магнітного полюса і закінчуються на північному. Насправді цей опис дуже схематичний, оскільки геомагнітне поле подібне до поля диполя лише поблизу поверхні Землі, де вивчати його найпростіше.
У оточуючій Землю магнітосфері силові лінії магнітного поля сильно викривлені під впливом сонячного вітру. Вони наближені до Землі на освітленій Сонцем стороні планети і сильно відтягнуті в навколоземний простір на нічній стороні. У всіх моделях джерела геомагнітного поля силові лінії в ядрі викривлені схожим чином. Проте варто нагадати, що до 90 % спостережуваного на поверхні Землі поля є дипольним. Інша частина поля складається з більш складних візерунків силових ліній, які можна представити у вигляді поля декількох диполів, що відрізняються від диполя, що створює основну частину сучасного поля.
Було з'ясовано, що походження геомагнітного поля пов'язане з магнітогідродинамічними процесами в рідкому зовнішньому ядрі Землі. Суть полягає в тому, що ці процеси збуджують конвективні течії в електропровідній рідині, внаслідок чого ядро починає діяти як динамо, підтримуючи і регенеруючи магнітне поле. Зокрема, коли силові лінії магнітного поля, спрямовані до центру Землі (полоїдальна компонента), входять у зовнішнє ядро, вони витягуються в напрямку обертання планети. Обертання твердого внутрішнього ядра, ймовірно, призводить до закручування силових ліній магнітного поля навколо осі обертання Землі, створюючи тороїдальну компоненту поля.
Крім того, вважають, що силові лінії магнітного поля викривляються також дрібномасштабними вихровими рухами, що виникають унаслідок обертання ядра разом з іншою частиною земної кулі. Ці вихрові рухи подібні за своєю структурою з виникаючими в атмосфері ураганами. Хоча викривлення магнітних силових ліній відіграють основну роль в сучасних теоріях магнітного динамо, ні справжнє походження, ні детальна їх картина не відомі. Однак слід підкреслити, що за відсутності процесу динамо магнітне поле повинно було б обов'язково припинити своє існування за період 10 тис. років. Таким чином, поле повинно безперервно підтримуватися або регенеруватися за рахунок руху рідини.
Для того щоб краще зрозуміти природу магнітного поля в ядрі, необхідно знати картину конвективних течій в рідині. Складність полягає в тому, що магнітне поле може значно змінювати течії, які генерують саме це поле. Тому повністю вирішити проблему визначення характеру руху рідини під зовнішнім ядром нікому не вдалося.
Однак логічно почати з постановки питання про те, який вид мали б течії при відсутності магнітного поля. Можливі відповіді на це питання, цілком лежить в рамках гідродинаміки. Основний вплив на картину течій в рідкому зовнішньому ядрі здійснює існування твердого внутрішнього ядра і обертання Землі. В умовах, які, як вважають, відповідають умовам в ядрі Землі, картина течій має вигляд гвинтових валів. Можна припустити, що, якщо ця картина течій не надто сильно зміниться за наявності магнітного поля, «вали» будуть безпосередньо пов'язані з викривленнями магнітних силових ліній, необхідними для дії динамо.
Залишкову намагніченість гірських порід різного віку вивчали різні дослідники. Вони встановили, що геомагнітне поле приблизно такої ж інтенсивності, як і сучасне, існувало не менше 2,5 млрд. років тому і, ймовірно, навіть 3,5 млрд. років тому (остання цифра отримана на підставі аналізу всього лише декількох зразків). Хоча для значного періоду життя Землі (вік нашої планети становить 4,6 млрд. років) дані відсутні, ймовірно, геодинамо почало діяти на самому початку геологічної історії.
Той факт, що існування внутрішнього ядра відіграє важливу роль в процесі генерації магнітного поля, приводить до висновку, що ця тверда ділянка поблизу центру Землі існувала протягом не менше останніх 3,5 млрд. років. Навіть якщо це внутрішнє ядро могло збільшуватися або скорочуватися, немає підстав вважати, що загальна структура течій в зовнішньому ядрі зазнала суттєвих змін впродовж датованого геологічного часу. Іншими словами, магнітні дані наводять на думку, що основна структура рідкого зовнішнього ядра, яке оточує тверде внутрішнє ядро, існує протягом останніх трьох чвертей історії Землі.
Зміна полюсів
Значні успіхи в розумінні природи геомагнітного динамо і картини конвективних течій в ядрі досягнуті за останні кілька років. Проте певні аспекти проблеми все ще не піддаються вирішенню.
Хорошим прикладом є зміна (інверсія) геомагнітного поля, що відбувалася протягом геологічної історії сотні, якщо не тисячі, разів. У період зміни північний магнітний полюс переміщається з точки, розташованої поблизу північного географічного полюса, в точку поблизу південного полюса (і навпаки). Виникнення змін, характерних не тільки для магнітного поля Землі, а й для магнітного поля Сонця, мабуть, пов'язане з хаотичною природою магнітогідродинамічних процесів. З практичної точки зору часті зміни геомагнітного поля дали нам дуже корисний годинник для датування геологічних подій і кореляції пластів гірських порід. Дійсно, саме зміни геомагнітного поля, увіковічені в породах океанічного дна, надали один з основних доказів справедливості теорії тектоніки плит.
Завдяки високоякісним даними вдалося детально простежити за тим, що відбувається в період зміни геомагнітного поля. Ймовірно, магнітний полюс описує на поверхні Землі спіральну траєкторію. Однак, безсумнівним залишається той факт, що час повної зміни поля становить кілька тисяч років.
Вчені вважають, що природа зміни полюсів набагато складніша, ніж просте згасання і відродження поля, оскільки вона відбувається за час, набагато більш короткий, ніж це необхідно для регенерації поля. Чи не викликаються зміни геомагнітного поля турбулентністю або дрібномасштабними змінами картини течій в зовнішньому ядрі? Досі ніхто не зміг дати відповіді на це питання. Цілком можливо, що зміни поля можуть викликатися внутрішніми процесами без впливу зовнішнього механізму.
Зараз починають визнавати важливе значення одного наслідку зміни геомагнітного поля. Встановлено, що складні живі організми синтезують магнітні компоненти. Тому зміни геомагнітного поля можуть істотно впливати на їх поведінку. Отже, зміна геомагнітного поля відіграє роль в біологічній еволюції.
Будова ядра Землі
Загальна структура Землі накладає грубі обмеження на температуру земних глибин. Очевидно, що геотерма (середня температура як функція глибини) проходить нижче точки плавлення внутрішнього ядра і мантії, оскільки вони перебувають у твердому стані. За тією ж самою ознакою геотерма проходить вище точки плавлення зовнішнього ядра.
Зазвичай цей аргумент поширюють далі, припускаючи, що внутрішнє ядро – це затверділа частина зовнішнього ядра. Це припущення виглядає правдоподібним і не суперечить жодним з наявних зараз даних. Проте досі нікому не вдалося показати, що внутрішнє і зовнішнє ядро перебувають в хімічній рівновазі. Насправді внутрішнє ядро зовсім не обов'язково перебуває в стані хімічної рівноваги із зовнішнім ядром, а зовнішнє ядро в свою чергу з мантією (останнє припущення часто використовується). Іншими словами, склад внутрішнього ядра може не бути безпосередньо пов'язаний зі складом зовнішнього ядра.
Якщо внутрішнє ядро Землі утворилося (або формується дотепер) шляхом кристалізації з рідкого зовнішнього ядра, межа між ними повинна лежати в інтервалі температур плавлення і кристалізації речовини ядра при тиску 3,25 млн. атм. Внутрішнє ядро може складатися, наприклад, з чистого заліза, яке викристалізувалося з рідкого сплаву зовнішнього ядра. Подібні обмеження температури на границі між внутрішнім і зовнішнім ядром справедливі і в тому випадку, якщо зовнішнє ядро розігрівається і росте за рахунок плавлення твердого внутрішнього ядра. У будь-якому випадку слід припускати існування частково розплавленої зони між внутрішнім ядром і зовнішнім, оскільки лише найпростіші хімічні системи плавляться при строго певній температурі.
Вважають, що ядро складається зі складного сплаву, який, повинен плавитися в деякому інтервалі температур. Результати останніх сейсмологічних досліджень підтверджують існування «кашоподібної» зони знижених швидкостей і високого поглинання сейсмічних хвиль у верхніх декількох сотнях кілометрів внутрішнього ядра. Хоча їх висновки ненадійні, зважаючи на великі труднощі, пов'язані з виявленням таких тонких особливостей фізичних властивостей речовини поблизу центру Землі, все ж видається, що аномальна зона, присутність якої можна було б очікувати у випадку змішування рідкої фази і кристалів, може існувати насправді. Це також підтверджує те, що температура на зовнішній межі внутрішнього ядра точно відповідає точці його плавлення. Таким чином, якби ми знали склад ядра, експериментальні визначення температури плавлення цієї речовини при тисках, що відповідають умовам в ядрі, дали б можливість безпосередньо визначити температуру поблизу центру Землі.
Зазвичай вважають, що ядро Землі складається головним чином із заліза. Це припущення, безсумнівно, узгоджується з сейсмологічними даними. Однак є й інші міркування, які можна надати на підтримку такого висновку. Перше виходить з того, що для генерації магнітного поля в процесі дії геодинамо необхідне існування саме металевого (тобто електропровідного) ядра. Друге полягає в тому, що ніякий інший елемент, що володіє властивостями, які відповідають зафіксованим властивостям ядра, недостатньо широко поширений в космосі, щоб підходити для цієї ролі.
Отже, Земля різко розділяється на дві частини – багату залізом (ядро Землі) і силікатну (мантія і кора). Таким чином, поділ Землі нагадує поділ метеоритів на два основні класи (залізні і кам'яні). Насправді ядро не може складатися лише із заліза або залізо-нікелевого сплаву, з якого зазвичай складаються залізні метеорити. Порівняння густини сплавів заліза при високих тисках з густиною ядра Землі приводить до висновку, що в ядрі повинні бути наявні невеликі кількості менш густих порівняно з залізом елементів, таких, як сірка, кисень або кремній
Формування земного ядра
Вся сукупність наявних даних дозволяє припустити, що формування Землі відбулося після того, як металеві і силікатні частинки сконденсувалися з сонячної туманності. За сучасними уявленнями, в побудові окремих земних блоків приймали участь, ймовірно, не тільки частинки, а й невеликі планетні тіла, можливо вже частково диференційовані на ділянки, які складалися з заліза (ядро) і силікатів (мантія). Один з аргументів на підтримку цієї точки зору пов'язаний з тим, що залізні метеорити, як вважають, вже існували 4,6 млрд. років тому. Вони виявляють мікроструктуру, характерну для процесу повільного охолодження, який міг відбуватися тільки всередині планетних тіл з розмірами порядку сотень кілометрів і більше. Таким чином, цілком реально, що протопланетні тіла істотних розмірів вже були в той час, коли формувалася Земля.
Утворення ядра неминуче повинне було початися задовго до того, як Земля повністю сформувалася, і, таким чином, диференціація надр планети і велика частина процесу акумуляції відбувалися в один і той же час. Уявляється це так: акумуляція Землі відбувається після того, як конденсація повністю закінчилася, проте ядро існує вже на ранньому етапі росту планети. При цьому допускається, що ядро, ймовірно, почало формуватися при відносно низьких тисках.
При початку диференціації заліза і силікатів можна очікувати швидкого розігріву планети внаслідок вивільнення гравітаційної енергії. Ймовірно, цього розігріву достатньо для того, щоб викликати плавлення речовини, яка в свою чергу має призвести до ще більш ефективної диференціації надр планети. При цьому утворення ядра буде виглядати як процес, який самостійно підтримується, і самостійно прискорюється. Очевидно, ядро зіграло роль спускового механізму геологічних процесів, які відбуваються досі, тобто через 4,6 млрд. років.
Читайте також:
