Что содержит ядро ​​Земли?

(Газета Dan Tri) — Твёрдое ядро ​​Земли состоит не только из железа, но и содержит углерод, кислород и кремний. Это открытие открывает путь к разгадке многовековых загадок о том, как формируется ядро ​​и как поддерживается его магнитное поле, защищающее жизнь.

Ядро Земли не может состоять только из железа; похоже, оно также содержит углерод. Новые исследования показали, что оно также содержит кислород и кремний (фото: Getty Images).

Богатое железом ядро ​​в центре Земли играет решающую роль в эволюции планеты. Оно не только питает магнитное поле — щит, защищающий атмосферу и океаны от солнечной радиации, — но и приводит в движение тектонику плит, постоянно изменяя форму континентов.

Несмотря на свою важность, многие фундаментальные свойства ядра Земли остаются загадкой: насколько оно на самом деле горячее, из чего оно состоит и когда начинает замерзать? Недавнее открытие приблизило ученых к ответам на все три вопроса.

Предполагается, что температура внутреннего ядра составляет около 5000 Кельвинов (4727 °C). Первоначально находясь в жидком состоянии, ядро ​​постепенно охлаждается со временем, кристаллизуясь в твердую фазу и расширяясь наружу. Выделение тепла приводит к возникновению потоков тектонических плит.

Охлаждение также является источником магнитного поля Земли. Большая часть современной магнитной энергии поддерживается за счет замерзания жидкого внешнего ядра, которое питает твердое ядро ​​в его центре.

Однако, поскольку прямой доступ невозможен, ученые вынуждены полагаться на приблизительные оценки, чтобы понять механизмы охлаждения и свойства ядра. Для уточнения этого вопроса наиболее важным фактором является определение его точки плавления.

Благодаря сейсмологии — науке, изучающей сейсмические волны, — мы точно знаем, где проходит граница между твердым и жидким ядрами. Температура на этой границе также является точкой плавления, отправной точкой для замерзания.

Следовательно, если бы температуру плавления можно было точно определить, человечество получило бы более полное представление об истинной температуре ядра и его внутреннем химическом составе.

Загадочная химия

Существует два основных подхода к пониманию состава земного ядра: изучение метеоритов и анализ сейсмических данных.

Метеориты считаются «остатками» еще не сформировавшихся планет или фрагментами ядер уже разрушенных планет. Их химический состав предполагает, что ядро ​​Земли состоит преимущественно из железа и никеля, возможно, с добавлением нескольких процентов кремния или серы. Однако эти данные носят лишь предварительный характер и недостаточно подробны для окончательного подтверждения каких-либо выводов.

Между тем, сейсмология дает гораздо более конкретное представление. Сейсмические волны от землетрясений, распространяясь по Земле, меняют свою скорость в зависимости от типа материала, через который они проходят. Сравнивая время, необходимое волнам для достижения станций мониторинга, с экспериментальными результатами скорости распространения в минералах и металлах, ученые могут строить модели внутренней структуры планеты.

Результаты показывают, что ядро ​​Земли примерно на 10% легче чистого железа. Примечательно, что внешнее ядро, находящееся в жидком состоянии, плотнее внутреннего ядра — парадокс, который можно объяснить только наличием некоторых посторонних элементов.

Однако даже после сужения круга возможных составов проблема остается нерешенной. Различные сценарии приводят к температурам плавления, различающимся на сотни градусов Цельсия, что делает точное определение свойств ядра сложной задачей.

Новое ограничение

В новом исследовании ученые использовали минералогию, чтобы понять, как начало замерзать ядро ​​Земли — это более специфический подход, чем метеорология и сейсмология.

Моделирование показывает, что при кристаллизации атомов жидкого металла в твердые вещества каждому сплаву требуется разный уровень «переохлаждения», то есть понижения температуры ниже точки плавления. Чем сильнее этот процесс, тем легче жидкость замерзает.

Например, вода в морозильной камере может оставаться очень холодной при -5°C в течение нескольких часов, прежде чем замерзнет, ​​в то время как капля воды в облаке превращается в град всего за несколько минут при -30°C.

Расчеты показывают, что максимальная температура переохлаждения ядра составляет приблизительно 420 °C ниже его точки плавления. Если эта температура будет превышена, внутреннее ядро ​​окажется необычно большим по сравнению с данными сейсмических исследований. Между тем, для кристаллизации чистого железа требуется 1000 °C, что невозможно, поскольку к этому времени все ядро ​​уже затвердеет.

Добавление кремния или серы не поможет; возможно, потребуется дополнительное сверхнизкое охлаждение активной зоны.

Только с учетом содержания углерода картина обретает смысл. Если углерод составляет 2,4% массы ядра, то для замораживания внутреннего ядра требуется приблизительно 420 °C; при содержании углерода в 3,8% эта температура снижается до 266 °C. Это гораздо более правдоподобная цифра. Это первое свидетельство того, что углерод играет решающую роль в процессе кристаллизации ядра.

Однако ядро ​​никак не могло состоять исключительно из железа и углерода, поскольку сейсмические данные указывают на наличие как минимум еще одного элемента. Исследования предполагают возможность того, что ядро ​​также содержит кислород или даже кремний.

Источник: https://dantri.com.vn/khoa-hoc/loi-trai-dat-chua-dung-nhung-gi-20250923025913011.htm