Що містить ядро Землі?

Lõi Trái Đất chứa đựng những gì? - 1 — Ядро Землі, можливо, складається не лише із заліза, але, схоже, воно також містить вуглець. Нове дослідження показало, що воно також містить кисень і кремній (фото: Getty Images).

Багате на залізо ядро в центрі Землі відіграє ключову роль в еволюції планети. Воно не лише живить магнітне поле – щит, що захищає атмосферу та океани від сонячної радіації, – але й керує тектонікою плит, постійно змінюючи форму континентів.

Незважаючи на свою важливість, багато фундаментальних властивостей ядра залишаються загадкою: наскільки воно гаряче, з чого воно складається і коли почало замерзати? Нещодавнє відкриття наближає вчених до відповіді на всі три питання.

Температура внутрішнього ядра оцінюється приблизно в 5000 Кельвінів (4727°C). Спочатку рідке ядро з часом охолоджується, кристалізуючи свою тверду середину та розширюючись назовні. Це вивільнення тепла створює тектонічні потоки плит.

Охолодження також є джерелом магнітного поля Землі. Значна частина магнітної енергії сьогодні підтримується замерзанням рідкого зовнішнього ядра, яке живить тверде центральне ядро.

Однак, не маючи прямого доступу, вчені змушені покладатися на оцінки, щоб зрозуміти механізм охолодження та властивості ядра. Щоб уточнити це, найважливішим фактором є визначення його температури плавлення.

Завдяки сейсмології – вивченню хвиль землетрусів – ми точно знаємо, де пролягає межа між твердим і рідким ядрами. Температура на цій межі також є точкою плавлення, точкою, в якій починається замерзання.

Тому, якщо температуру плавлення можна буде точно визначити, люди матимуть краще розуміння справжньої температури ядра та хімічного складу всередині нього.

Таємнича хімія

Існує два основних підходи до розуміння складу ядра Землі: вивчення метеоритів та аналіз сейсмічних даних.

Метеорити вважаються «залишками» планет, які ще не сформувалися, або фрагментами ядер зруйнованих планет. Їхній хімічний склад свідчить про те, що ядро Землі складається переважно із заліза та нікелю, можливо, з домішками кількох відсотків кремнію або сірки. Однак ці дані є лише попередніми та недостатньо детальними, щоб бути остаточними.

Сейсмологія, з іншого боку, пропонує набагато детальніше уявлення. Сейсмічні хвилі від землетрусів поширюються крізь Землю з різною швидкістю залежно від матеріалу, через який вони проходять. Порівнюючи час прибуття хвиль на вимірювальні станції з експериментальними результатами швидкості поширення в мінералах і металах, вчені можуть створювати моделі внутрішньої будови планети.

Результати показали, що ядро Землі приблизно на 10% легше за чисте залізо. Зокрема, рідке зовнішнє ядро щільніше за тверде внутрішнє ядро — парадокс, який можна пояснити лише наявністю деяких другорядних елементів.

Але навіть зі звуженням діапазону можливих складів, головоломка залишається невирішеною. Різні сценарії призводять до температур плавлення, які відрізняються на сотні градусів Цельсія, що ускладнює визначення точних властивостей ядра.

Нове обмеження

У новому дослідженні вчені використали фізику мінералів, щоб зрозуміти, як ядро Землі почало замерзати — більш специфічний підхід, ніж метеорологія та сейсмологія.

Моделювання показує, що в міру того, як атоми в рідкому металі кристалізуються у тверде тіло, кожен сплав потребує різного рівня «переохолодження», або зниження температури нижче точки плавлення. Чим інтенсивніший процес, тим більша ймовірність того, що рідина замерзне.

Наприклад, воду в морозильній камері можна переохолодити до -5°C протягом кількох годин перед замерзанням, тоді як краплі води в хмарах можуть перетворитися на град лише за кілька хвилин при -30°C.

Розрахунки показують, що максимальне переохолодження ядра становить приблизно 420°C нижче точки плавлення. Якби ця температура була перевищена, внутрішнє ядро було б надзвичайно великим порівняно із сейсмічними даними. Тим часом, для кристалізації чистого заліза знадобилося б 1000°C, що неможливо, оскільки все ядро затверділо б.

Додавання кремнію або сірки також не допомагає, і навіть може ще більше переохолодити ядро.

Тільки якщо врахувати вуглець, картина стає зрозумілою. Якщо 2,4% маси ядра становить вуглець, то для замерзання внутрішнього ядра знадобиться близько 420°C; з 3,8% вуглецю ця цифра падає до 266°C. Набагато правдоподібніша цифра. Це перший доказ того, що вуглець відіграє значну роль у кристалізації ядра.

Однак ядро не може складатися лише із заліза та вуглецю, оскільки сейсмічні дані вимагають принаймні ще одного елемента. Дослідження показують, що ядро також може містити кисень і навіть кремній.

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