Что содержит ядро Земли?

Lõi Trái Đất chứa đựng những gì? - 1 — Ядро Земли, возможно, состоит не только из железа, но, по-видимому, содержит и углерод. Новые исследования показали, что оно также содержит кислород и кремний (фото: Getty Images).

Богатое железом ядро в центре Земли играет ключевую роль в эволюции планеты. Оно не только питает магнитное поле – щит, защищающий атмосферу и океаны от солнечной радиации, – но и управляет тектоникой плит, постоянно меняя облик континентов.

Несмотря на свою важность, многие фундаментальные свойства ядра остаются загадкой: насколько оно горячее, из чего состоит и когда оно начало замерзать? Недавнее открытие приближает учёных к ответу на все три вопроса.

Температура внутреннего ядра оценивается примерно в 5000 К (4727 °C). Изначально жидкое, ядро со временем остывает, кристаллизуя свою твёрдую внутреннюю часть и расширяясь наружу. Это выделение тепла создаёт тектонические течения плит.

Охлаждение также является источником магнитного поля Земли. Значительная часть магнитной энергии сегодня поддерживается за счёт замерзания жидкого внешнего ядра, которое питает твёрдое центральное ядро.

Однако, не имея прямого доступа к данным, учёные вынуждены полагаться на оценки, чтобы понять механизм охлаждения и свойства ядра. Для прояснения этого вопроса важнейшим фактором является определение его температуры плавления.

Благодаря сейсмологии – науке о сейсмических волнах – мы точно знаем, где проходит граница между твёрдым и жидким ядрами. Температура на этой границе также является точкой плавления, при которой начинается замерзание.

Таким образом, если температуру плавления можно будет определить точно, люди будут лучше понимать истинную температуру ядра и химический состав внутри него.

Таинственная химия

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

Метеориты считаются «остатками» ещё не сформировавшихся планет или фрагментами ядер разрушенных планет. Их химический состав позволяет предположить, что ядро Земли состоит в основном из железа и никеля, возможно, с примесью нескольких процентов кремния или серы. Однако эти данные предварительные и недостаточно подробны, чтобы считать их окончательными.

Сейсмология, с другой стороны, предлагает гораздо более детальную картину. Сейсмические волны от землетрясений распространяются в Земле с разной скоростью в зависимости от материала, через который они проходят. Сравнивая время прибытия волн на измерительные станции с экспериментальными результатами по скорости распространения волн в минералах и металлах, учёные могут строить модели недр планеты.

Результаты показали, что ядро Земли примерно на 10% легче чистого железа. В частности, жидкое внешнее ядро плотнее твёрдого внутреннего — парадокс, который можно объяснить только присутствием некоторых второстепенных элементов.

Но даже сужение диапазона возможных составов не позволяет решить загадку. Различные сценарии дают температуры плавления, различающиеся на сотни градусов Цельсия, что затрудняет точное определение свойств ядра.

Новое ограничение

В новом исследовании ученые использовали физику минералов, чтобы понять, как ядро Земли начало замерзать, — это более конкретный подход, чем метеорология и сейсмология.

Моделирование показывает, что при кристаллизации атомов жидкого металла в твёрдое тело каждому сплаву требуется разный уровень «переохлаждения», то есть понижения температуры ниже точки плавления. Чем интенсивнее процесс, тем выше вероятность замерзания жидкости.

Например, вода в морозильнике может оставаться переохлажденной до -5°C в течение нескольких часов, прежде чем замерзнет, в то время как капли воды в облаках могут превратиться в град всего за несколько минут при температуре -30°C.

Расчёты показывают, что максимальное переохлаждение ядра составляет примерно 420 °C ниже точки плавления. Если бы это значение было превышено, внутреннее ядро было бы необычайно большим по сравнению с сейсмическими данными. Между тем, для кристаллизации чистого железа потребовалась бы температура 1000 °C, что невозможно, поскольку всё ядро затвердело бы.

Добавление кремния или серы также не помогает и может даже привести к дальнейшему переохлаждению ядра.

Картина обретает смысл только с учётом углерода. Если углерод составляет 2,4% массы ядра, то для застывания внутреннего ядра потребуется около 420 °C; при содержании углерода 3,8% температура снижается до 266 °C. Гораздо более правдоподобная цифра. Это первое доказательство того, что углерод играет важную роль в кристаллизации ядра.

Однако ядро не может состоять только из железа и углерода, поскольку сейсмические данные требуют наличия как минимум ещё одного элемента. Исследования предполагают, что ядро также может содержать кислород и даже кремний.

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