Jak powstało jądro Ziemi: struktura naszej planety. Tworzenie jądra Ziemi Jądro Ziemi jest najcieplejsze i najgęstsze

Kiedy wrzucisz klucze do strumienia roztopionej lawy, pożegnaj się z nimi, bo cóż, koleś, są wszystkim.
- Jacka Handy'ego

Patrząc na naszą rodzimą planetę, zauważysz, że 70% jej powierzchni pokrywa woda.

Wszyscy wiemy, dlaczego tak się dzieje: ponieważ oceany Ziemi unoszą się nad skałami i ziemią, z których składa się ląd. Koncepcja wyporu, w której mniej gęste obiekty unoszą się nad gęstszymi, które toną poniżej, wyjaśnia znacznie więcej niż tylko oceany.

Ta sama zasada, która wyjaśnia, dlaczego lód unosi się w wodzie, balon wypełniony helem unosi się w atmosferze, a skały toną w jeziorze, wyjaśnia, dlaczego warstwy planety Ziemia są ułożone w taki, a nie inny sposób.

Najmniej gęsta część Ziemi, atmosfera, unosi się nad oceanami wody, które unoszą się nad skorupą ziemską, która znajduje się nad gęstszym płaszczem, który nie zagłębia się w najgęstszą część Ziemi: skorupę.

Idealnie, najbardziej stabilny stan Ziemi to taki, który byłby idealnie rozłożony na warstwy, jak cebula, z najgęstszymi pierwiastkami w środku, a w miarę przesuwania się na zewnątrz każda kolejna warstwa składałaby się z mniej gęstych pierwiastków. I tak naprawdę każde trzęsienie ziemi przesuwa planetę w stronę tego stanu.

I to wyjaśnia strukturę nie tylko Ziemi, ale także wszystkich planet, jeśli pamiętasz, skąd pochodzą te pierwiastki.

Kiedy Wszechświat był młody – miał zaledwie kilka minut – istniały tylko wodór i hel. W gwiazdach powstawały coraz cięższe pierwiastki i dopiero gdy gwiazdy te umarły, cięższe pierwiastki uciekały do ​​Wszechświata, umożliwiając powstawanie nowych pokoleń gwiazd.

Ale tym razem mieszanina wszystkich tych pierwiastków – nie tylko wodoru i helu, ale także węgla, azotu, tlenu, krzemu, magnezu, siarki, żelaza i innych – tworzy nie tylko gwiazdę, ale także dysk protoplanetarny wokół tej gwiazdy.

Ciśnienie od wewnątrz na zewnątrz tworzącej się gwiazdy wypycha lżejsze pierwiastki na zewnątrz, a grawitacja powoduje, że nieregularności dysku zapadają się i tworzą planety.

W przypadku Układu Słonecznego cztery wewnętrzne światy są najgęstsze ze wszystkich planet w układzie. Rtęć składa się z najgęstszych pierwiastków, które nie mogły pomieścić dużych ilości wodoru i helu.

Inne planety, bardziej masywne i położone dalej od Słońca (a zatem otrzymujące mniej jego promieniowania), były w stanie zatrzymać więcej tych ultralekkich pierwiastków – w ten sposób powstały gazowe olbrzymy.

Na wszystkich światach, podobnie jak na Ziemi, najgęstsze pierwiastki skupiają się w jądrze, a lekkie tworzą wokół niego coraz mniej gęste warstwy.

Nic dziwnego, że żelazo, najbardziej stabilny pierwiastek i najcięższy pierwiastek powstający w dużych ilościach na krawędzi supernowych, jest pierwiastkiem najobficiej występującym w jądrze Ziemi. Ale, co może być zaskakujące, pomiędzy stałym jądrem a stałym płaszczem znajduje się warstwa cieczy o grubości ponad 2000 km: zewnętrzne jądro Ziemi.

Ziemia posiada grubą warstwę cieczy zawierającą 30% masy planety! A o jego istnieniu dowiedzieliśmy się dość pomysłową metodą – dzięki falom sejsmicznym powstałym podczas trzęsień ziemi!

Podczas trzęsień ziemi powstają fale sejsmiczne dwóch rodzajów: główna fala kompresji, znana jako fala P, która przemieszcza się wzdłuż ścieżki

oraz druga fala poprzeczna, znana jako fala S, podobna do fal na powierzchni morza.

Stacje sejsmiczne na całym świecie są w stanie wychwycić fale P i S, ale fale S nie przemieszczają się przez ciecz, a fale P nie tylko przemieszczają się przez ciecz, ale są załamywane!

W rezultacie możemy zrozumieć, że Ziemia ma płynne jądro zewnętrzne, na zewnątrz którego znajduje się stały płaszcz, a wewnątrz znajduje się stałe jądro wewnętrzne! Dlatego jądro Ziemi zawiera najcięższe i najgęstsze pierwiastki i stąd wiemy, że zewnętrzne jądro jest warstwą cieczy.

Ale dlaczego zewnętrzny rdzeń jest płynny? Podobnie jak wszystkie pierwiastki, stan żelaza, czy to stały, ciekły, gazowy czy inny, zależy od ciśnienia i temperatury żelaza.

Żelazo jest pierwiastkiem bardziej złożonym niż wiele, do których jesteś przyzwyczajony. Oczywiście może mieć różne krystaliczne fazy stałe, jak pokazano na wykresie, ale nie interesują nas zwykłe ciśnienia. Schodzimy do jądra Ziemi, gdzie ciśnienie jest milion razy większe niż poziom morza. Jak wygląda diagram fazowy dla tak wysokich ciśnień?

Piękno nauki polega na tym, że nawet jeśli nie znasz od razu odpowiedzi na pytanie, istnieje prawdopodobieństwo, że ktoś przeprowadził już odpowiednie badania, które mogą ujawnić odpowiedź! W tym przypadku Ahrens, Collins i Chen w 2001 roku znaleźli odpowiedź na nasze pytanie.

I choć na wykresie widać gigantyczne ciśnienia sięgające 120 GPa, warto pamiętać, że ciśnienie atmosferyczne wynosi zaledwie 0,0001 GPa, podczas gdy w wewnętrznym rdzeniu ciśnienia sięgają 330-360 GPa. Górna linia ciągła pokazuje granicę pomiędzy topiącym się żelazem (na górze) i stałym żelazem (na dole). Czy zauważyłeś, jak linia ciągła na samym końcu ostro zakręca w górę?

Aby żelazo stopiło się pod ciśnieniem 330 GPa, wymagana jest ogromna temperatura, porównywalna z tą, jaka panuje na powierzchni Słońca. Te same temperatury przy niższych ciśnieniach z łatwością utrzymają żelazo w stanie ciekłym, a przy wyższych ciśnieniach - w stanie stałym. Co to oznacza w odniesieniu do jądra Ziemi?

Oznacza to, że w miarę ochładzania się Ziemi jej temperatura wewnętrzna spada, ale ciśnienie pozostaje niezmienione. Oznacza to, że podczas formowania się Ziemi najprawdopodobniej cały rdzeń był płynny, a gdy się ochładza, rdzeń wewnętrzny rośnie! W tym procesie, ponieważ stałe żelazo ma większą gęstość niż ciekłe żelazo, Ziemia powoli się kurczy, co prowadzi do trzęsień ziemi!

Zatem jądro Ziemi jest płynne, ponieważ jest wystarczająco gorące, aby stopić żelazo, ale tylko w obszarach o wystarczająco niskim ciśnieniu. W miarę jak Ziemia się starzeje i ochładza, coraz więcej jądra staje się stałe, w związku z czym Ziemia trochę się kurczy!

Jeśli chcemy spojrzeć daleko w przyszłość, możemy spodziewać się, że pojawią się takie same właściwości, jak te zaobserwowane w Merkurym.

Rtęć, ze względu na swoje małe rozmiary, już znacznie ostygła i skurczyła się, a także ma pęknięcia o długości setek kilometrów, które pojawiły się w wyniku konieczności sprężania w wyniku chłodzenia.

Dlaczego więc Ziemia ma płynne jądro? Bo jeszcze nie ostygło. A każde trzęsienie ziemi to małe podejście Ziemi do jej ostatecznego, schłodzonego i całkowicie stałego stanu. Ale nie martw się, na długo przed tym momentem Słońce eksploduje i wszyscy, których znasz, będą martwi przez bardzo długi czas.

Ziemia, podobnie jak inne ciała Układu Słonecznego, powstała z chmury zimnego gazu i pyłu w wyniku akrecji cząstek składowych. Po pojawieniu się planety rozpoczął się zupełnie nowy etap jej rozwoju, który w nauce nazywa się zwykle przedgeologicznym.
Nazwa tego okresu wynika z faktu, że najwcześniejsze dowody przeszłych procesów - skały magmowe lub wulkaniczne - nie są starsze niż 4 miliardy lat. Dziś mogą je badać tylko naukowcy.
Przedgeologiczny etap rozwoju Ziemi wciąż kryje wiele tajemnic. Obejmuje okres 0,9 miliarda lat i charakteryzuje się powszechnym wulkanizmem na planecie z uwolnieniem gazów i pary wodnej. W tym czasie rozpoczął się proces podziału Ziemi na jej główne powłoki - jądro, płaszcz, skorupę i atmosferę. Zakłada się, że proces ten został wywołany intensywnym bombardowaniem naszej planety meteorytami i stopieniem jej poszczególnych części.
Jednym z kluczowych wydarzeń w historii Ziemi było powstanie jej wewnętrznego jądra. Prawdopodobnie miało to miejsce na przedgeologicznym etapie rozwoju planety, kiedy cała materia została podzielona na dwie główne geosfery – jądro i płaszcz.
Niestety, nie istnieje jeszcze wiarygodna teoria dotycząca powstania jądra Ziemi, która zostałaby potwierdzona poważnymi informacjami i dowodami naukowymi. Jak powstało jądro Ziemi? Aby odpowiedzieć na to pytanie, naukowcy przedstawiają dwie główne hipotezy.
Według pierwszej wersji materia zaraz po powstaniu Ziemi była jednorodna.
Składał się w całości z mikrocząstek, które można dziś zaobserwować w meteorytach. Jednak po pewnym czasie ta pierwotna jednorodna masa podzieliła się na ciężki rdzeń, do którego wpłynęło całe żelazo, oraz lżejszy płaszcz krzemianowy. Innymi słowy, krople roztopionego żelaza i towarzyszących mu ciężkich związków chemicznych osiadły w centrum naszej planety i utworzyły tam jądro, które do dziś pozostaje w dużej mierze stopione. Gdy ciężkie pierwiastki zmierzały do ​​środka Ziemi, przeciwnie, lekkie żużle unosiły się w górę – do zewnętrznych warstw planety. Dziś te lekkie pierwiastki tworzą górny płaszcz i skorupę.
Dlaczego nastąpiło takie zróżnicowanie materii? Uważa się, że bezpośrednio po zakończeniu procesu jej powstawania Ziemia zaczęła się intensywnie nagrzewać, przede wszystkim na skutek energii uwalnianej podczas grawitacyjnej akumulacji cząstek, a także na skutek energii rozpadu radioaktywnego poszczególnych substancji chemicznych. elementy.
Dodatkowe nagrzanie planety i powstanie stopu żelaza i niklu, który ze względu na znaczny ciężar właściwy stopniowo opadł do środka Ziemi, ułatwiło rzekome bombardowanie meteorytami.
Hipoteza ta napotyka jednak pewne trudności. Na przykład nie jest do końca jasne, w jaki sposób stop żelaza i niklu, nawet w stanie ciekłym, był w stanie zejść na odległość ponad tysiąca kilometrów i dotrzeć w rejon jądra planety.
Zgodnie z drugą hipotezą, jądro Ziemi powstało z meteorytów żelaznych, które zderzyły się z powierzchnią planety, a później porosło krzemianową skorupą meteorytów kamiennych i utworzyło płaszcz.

Hipoteza ta ma poważny błąd. W tej sytuacji meteoryty żelazne i kamienne powinny istnieć osobno w przestrzeni kosmicznej. Współczesne badania pokazują, że meteoryty żelazne mogły powstać jedynie w głębinach planety, która uległa rozpadowi pod znacznym ciśnieniem, to znaczy po uformowaniu się naszego Układu Słonecznego i wszystkich planet.
Pierwsza wersja wydaje się bardziej logiczna, gdyż przewiduje dynamiczną granicę pomiędzy jądrem Ziemi a płaszczem. Oznacza to, że proces podziału materii pomiędzy nimi mógłby trwać na planecie bardzo długo, wywierając tym samym ogromny wpływ na dalszą ewolucję Ziemi.
Jeśli więc za podstawę przyjmiemy pierwszą hipotezę o powstaniu jądra planety, proces różnicowania się materii trwał około 1,6 miliarda lat. Dzięki zróżnicowaniu grawitacyjnemu i rozpadowi radioaktywnemu zapewnione zostało oddzielenie materii.
Ciężkie pierwiastki opadały tylko na głębokość, poniżej której substancja była tak lepka, że ​​żelazo nie mogło już tonąć. W wyniku tego procesu powstała bardzo gęsta i ciężka pierścieniowa warstwa roztopionego żelaza i jego tlenku. Znajdował się nad lżejszą materią pierwotnego jądra naszej planety. Następnie ze środka Ziemi wyciśnięto lekką substancję krzemianową. Co więcej, został przesunięty na równiku, co mogło oznaczać początek asymetrii planety.
Zakłada się, że podczas formowania się żelaznego jądra Ziemi nastąpiło znaczne zmniejszenie objętości planety, w wyniku czego obecnie zmniejszyła się jej powierzchnia. Lekkie pierwiastki i ich związki, które „wypłynęły” na powierzchnię, utworzyły cienką pierwotną skorupę, która podobnie jak wszystkie planety ziemskie składała się z bazaltów wulkanicznych, pokrytych grubą warstwą osadu.
Nie jest jednak możliwe znalezienie żywych dowodów geologicznych na przeszłe procesy związane z powstawaniem jądra i płaszcza Ziemi. Jak już wspomniano, najstarsze skały na Ziemi mają około 4 miliardów lat. Najprawdopodobniej na początku ewolucji planety, pod wpływem wysokich temperatur i ciśnień, pierwotne bazalty przekształciły się, stopiły i przekształciły w znane nam skały granitowo-gnejsowe.
Jaki jest rdzeń naszej planety, który prawdopodobnie powstał na najwcześniejszych etapach rozwoju Ziemi? Składa się z powłoki zewnętrznej i wewnętrznej. Według założeń naukowych na głębokości 2900-5100 km znajduje się jądro zewnętrzne, które swoimi właściwościami fizycznymi jest zbliżone do cieczy.
Zewnętrzny rdzeń to strumień stopionego żelaza i niklu, który dobrze przewodzi prąd elektryczny. To właśnie z tym jądrem naukowcy kojarzą pochodzenie ziemskiego pola magnetycznego. Pozostałą odległość 1270 km od centrum Ziemi zajmuje jądro wewnętrzne, które składa się w 80% z żelaza i 20% z dwutlenku krzemu.
Jądro wewnętrzne jest twarde i gorące. Jeśli część zewnętrzna jest bezpośrednio połączona z płaszczem, wówczas wewnętrzne jądro Ziemi istnieje samodzielnie. Jego twardość, pomimo wysokich temperatur, zapewnia gigantyczne ciśnienie w centrum planety, które może sięgać 3 milionów atmosfer.
W rezultacie wiele pierwiastków chemicznych przechodzi w stan metaliczny. Dlatego zasugerowano nawet, że wewnętrzne jądro Ziemi składa się z metalicznego wodoru.
Gęsty rdzeń wewnętrzny ma poważny wpływ na życie naszej planety. Koncentruje się w nim planetarne pole grawitacyjne, które zapobiega rozproszeniu lekkich powłok gazowych, hydrosfery i geosfery Ziemi.
Prawdopodobnie takie pole było charakterystyczne dla jądra od chwili powstania planety, niezależnie od jej składu chemicznego i struktury. Przyczyniło się to do kurczenia się powstałych cząstek w kierunku środka.
Niemniej jednak pochodzenie jądra i badanie wewnętrznej struktury Ziemi jest najpilniejszym problemem dla naukowców ściśle zaangażowanych w badanie historii geologicznej naszej planety. Do ostatecznego rozwiązania tej kwestii jeszcze daleka droga. Aby uniknąć różnych sprzeczności, współczesna nauka przyjęła hipotezę, że proces powstawania jądra zaczął zachodzić jednocześnie z powstawaniem Ziemi.

Dlaczego jądro Ziemi nie ostygło i pozostawało nagrzane do temperatury około 6000°C przez 4,5 miliarda lat? Pytanie jest niezwykle złożone, na które nauka nie jest w stanie udzielić w 100% dokładnej i zrozumiałej odpowiedzi. Istnieją jednak ku temu obiektywne powody.

Nadmierna tajemnica

Nadmierna, że ​​tak powiem, tajemniczość jądra Ziemi wiąże się z dwoma czynnikami. Po pierwsze, nikt nie wie na pewno, jak, kiedy i w jakich okolicznościach powstał - stało się to podczas formowania się proto-Ziemi lub już we wczesnych stadiach istnienia uformowanej planety - wszystko to jest wielką tajemnicą. Po drugie, pobranie próbek z jądra ziemi jest absolutnie niemożliwe - nikt nie wie na pewno, z czego się składa. Co więcej, wszystkie dane, które wiemy o jądrze, zbierane są za pomocą metod i modeli pośrednich.

Dlaczego jądro Ziemi pozostaje gorące?

Aby spróbować zrozumieć, dlaczego jądro Ziemi nie ochładza się przez tak długi czas, należy najpierw zrozumieć, co spowodowało jego początkowe nagrzanie. Wnętrze naszej planety, jak każdej innej planety, jest niejednorodne; reprezentują one stosunkowo wyraźnie odgraniczone warstwy o różnej gęstości. Ale nie zawsze tak było: ciężkie pierwiastki powoli opadały, tworząc wewnętrzne i zewnętrzne jądro, podczas gdy lekkie pierwiastki były wypychane na górę, tworząc płaszcz i skorupę ziemską. Proces ten przebiega niezwykle wolno i towarzyszy mu wydzielanie ciepła. Nie był to jednak główny powód ogrzewania. Cała masa Ziemi naciska z ogromną siłą na jej środek, wytwarzając fenomenalne ciśnienie około 360 GPa (3,7 mln atmosfer), w wyniku czego rozpad długożyciowych pierwiastków promieniotwórczych zawartych w rdzeniu żelazowo-krzemowo-niklowym zaczęło się pojawiać, czemu towarzyszyła kolosalna emisja ciepła.

Dodatkowym źródłem ciepła jest energia kinetyczna powstająca w wyniku tarcia pomiędzy różnymi warstwami (każda warstwa obraca się niezależnie od drugiej): rdzeniem wewnętrznym z zewnętrznym i zewnętrznym z płaszczem.

Wnętrze planety (proporcje nie są zachowane). Tarcie pomiędzy trzema wewnętrznymi warstwami służy jako dodatkowe źródło ciepła.

Na podstawie powyższego możemy stwierdzić, że Ziemia, a w szczególności jej wnętrzności, są samowystarczalną maszyną, która sama się nagrzewa. Ale to oczywiście nie może trwać wiecznie: zapasy pierwiastków radioaktywnych wewnątrz jądra powoli się wyczerpują i nie będzie już czym utrzymać temperatury.

Robi się zimno!

Tak naprawdę proces chłodzenia rozpoczął się już bardzo dawno temu, ale postępuje niezwykle wolno – ułamek stopnia na stulecie. Według przybliżonych szacunków minie co najmniej 1 miliard lat, zanim rdzeń całkowicie ostygnie i ustaną zachodzące w nim reakcje chemiczne i inne.

Krótka odpowiedź: Ziemia, a w szczególności jądro Ziemi, jest samowystarczalną maszyną, która sama się nagrzewa. Cała masa planety naciska na jej środek, wytwarzając fenomenalne ciśnienie i tym samym uruchamiając proces rozpadu pierwiastków radioaktywnych, w wyniku czego wydziela się ciepło.

Ludzie wypełnili Ziemię. Podbijaliśmy lądy, lataliśmy w powietrzu, nurkowaliśmy w głębinach oceanu. Odwiedziliśmy nawet Księżyc. Ale nigdy nie byliśmy w jądrze planety. Nawet się do niego nie zbliżyliśmy. Centralny punkt Ziemi znajduje się 6000 kilometrów poniżej, a nawet najdalsza część jądra znajduje się 3000 kilometrów pod naszymi stopami. Najgłębsza dziura, jaką zrobiliśmy na powierzchni, to , a nawet wtedy sięga ona w głąb ziemi na marne 12,3 km.

Wszystkie znane wydarzenia na Ziemi mają miejsce blisko powierzchni. Lawa wydobywająca się z wulkanów topi się najpierw na głębokości kilkuset kilometrów. Nawet diamenty, których formowanie wymaga ekstremalnej temperatury i ciśnienia, rodzą się w skałach o głębokości nie większej niż 500 kilometrów.

Wszystko poniżej jest owiane tajemnicą. Wydaje się nieosiągalne. A jednak wiemy całkiem sporo interesujących rzeczy o naszym jądrze. Mamy nawet pewne pojęcie o tym, jak powstał miliardy lat temu – a wszystko to bez ani jednego fizycznego okazu. Jak udało nam się dowiedzieć tak wiele o jądrze Ziemi?

Pierwszym krokiem jest dokładne przemyślenie masy Ziemi, mówi Simon Redfern z Uniwersytetu Cambridge w Wielkiej Brytanii. Masę Ziemi możemy oszacować obserwując wpływ grawitacji planety na obiekty na jej powierzchni. Okazało się, że masa Ziemi wynosi 5,9 sekstylionów ton: czyli 59 z dwudziestoma zerami.

Ale na powierzchni nie ma śladu takiej masy.

„Gęstość materiału na powierzchni Ziemi jest znacznie niższa niż średnia gęstość całej Ziemi, co mówi nam, że istnieje coś gęstszego” – mówi Redfern. "To jest pierwszy."

Zasadniczo większość masy Ziemi powinna być zlokalizowana w kierunku centrum planety. Następnym krokiem jest sprawdzenie, z jakich ciężkich materiałów wykonany jest rdzeń. I składa się prawie wyłącznie z żelaza. 80% rdzenia to żelazo, ale dokładna liczba pozostaje do ustalenia.

Głównym dowodem na to jest ogromna ilość żelaza w otaczającym nas Wszechświecie. Jest to jeden z dziesięciu najpowszechniejszych pierwiastków w naszej galaktyce i powszechnie występuje także w meteorytach. Dzięki temu na powierzchni Ziemi jest znacznie mniej żelaza, niż można by się spodziewać. Według teorii, kiedy Ziemia powstawała 4,5 miliarda lat temu, do jądra spłynęło dużo żelaza.

Tam koncentruje się większość masy, co oznacza, że ​​powinno tam znajdować się żelazo. Żelazo jest także stosunkowo gęstym pierwiastkiem w normalnych warunkach, a pod ekstremalnym ciśnieniem w jądrze Ziemi będzie jeszcze gęstsze. Żelazny rdzeń może odpowiadać za całą brakującą masę.

Ale poczekaj. Jak żelazo w ogóle się tam znalazło? Żelazo trzeba było w jakiś sposób przyciągnąć – dosłownie – do środka Ziemi. Ale teraz tak się nie dzieje.

Większa część pozostałej części Ziemi składa się ze skał – krzemianów – i stopione żelazo ma trudności z przedostawaniem się przez nie. Tak jak woda tworzy kropelki na tłustej powierzchni, tak żelazo gromadzi się w małych zbiornikach, nie mogąc się rozprzestrzeniać i rozlewać.

Możliwe rozwiązanie odkryła w 2013 roku Wendy Mao z Uniwersytetu Stanforda i jej współpracownicy. Zastanawiali się, co się stanie, gdy żelazo i krzemiany zostaną poddane intensywnemu ciśnieniu w głębi ziemi.

Mocno ściskając obie substancje za pomocą diamentów, naukowcom udało się przecisnąć stopione żelazo przez krzemian. „To ciśnienie znacząco zmienia właściwości interakcji żelaza z krzemianami” – mówi Mao. - Pod wysokim ciśnieniem tworzy się „sieć topnienia”.

Może to sugerować, że żelazo stopniowo przenikało przez skały Ziemi przez miliony lat, aż dotarło do jądra.

W tym momencie możesz zapytać: skąd właściwie znamy rozmiar jądra? Dlaczego naukowcy uważają, że zaczyna się 3000 kilometrów dalej? Odpowiedź jest tylko jedna: sejsmologia.

Kiedy dochodzi do trzęsienia ziemi, wysyła ono fale uderzeniowe na całą planetę. Sejsmolodzy rejestrują te wibracje. To tak, jakbyśmy uderzali w jedną stronę planety gigantycznym młotem i słuchali hałasu po drugiej stronie.

„W latach 60. XX wieku w Chile miało miejsce trzęsienie ziemi, które dostarczyło nam ogromnej ilości danych” – mówi Redfern. „Każda stacja sejsmiczna na Ziemi zarejestrowała wstrząsy tego trzęsienia ziemi”.

W zależności od drogi, jaką pokonują te wibracje, przechodzą one przez różne części Ziemi, co wpływa na to, jaki „dźwięk” wydają na drugim końcu.

Na początku historii sejsmologii stało się jasne, że brakuje pewnych oscylacji. Oczekiwano, że te „fale S” będą widoczne na drugim końcu Ziemi, po tym jak powstały na jednym końcu, ale ich nie zaobserwowano. Powód tego jest prosty. Fale S rozbrzmiewają w materiale stałym i nie mogą przemieszczać się przez ciecz.

Musieli napotkać coś stopionego w centrum Ziemi. Mapując ścieżki fal S, naukowcy doszli do wniosku, że na głębokości około 3000 kilometrów skały stają się płynne. Sugeruje to również, że cały rdzeń jest stopiony. Ale sejsmolodzy mieli w tej historii jeszcze jedną niespodziankę.

W latach trzydziestych duńska sejsmolog Inge Lehman odkryła, że ​​inny rodzaj fali, fale P, nieoczekiwanie przeszedł przez jądro i został wykryty po drugiej stronie planety. Od razu przyjęto założenie, że rdzeń podzielono na dwie warstwy. „Wewnętrzny” rdzeń, który zaczyna się 5000 kilometrów poniżej, był solidny. Topi się tylko „zewnętrzny” rdzeń.

Pomysł Lehmana został potwierdzony w 1970 r., kiedy bardziej czułe sejsmografy wykazały, że fale P rzeczywiście przemieszczają się przez jądro i w niektórych przypadkach odbijają się od niego pod pewnymi kątami. Nic dziwnego, że trafiają na drugi koniec planety.

Nie tylko trzęsienia ziemi wysyłają fale uderzeniowe przez Ziemię. W rzeczywistości sejsmolodzy wiele zawdzięczają rozwojowi broni nuklearnej.

Wybuch nuklearny powoduje również powstanie fal na ziemi, dlatego państwa zwracają się o pomoc do sejsmologów podczas testowania broni nuklearnej. Było to niezwykle ważne podczas zimnej wojny, dlatego sejsmolodzy tacy jak Lehman otrzymali duże wsparcie.

Konkurujące ze sobą kraje dowiadywały się o swoich możliwościach nuklearnych, a jednocześnie my dowiadywaliśmy się coraz więcej o jądrze Ziemi. Sejsmologia jest nadal wykorzystywana do wykrywania eksplozji nuklearnych.

Teraz możemy narysować przybliżony obraz budowy Ziemi. Mniej więcej w połowie drogi do centrum planety zaczyna się stopione jądro zewnętrzne, a wewnątrz niego znajduje się stałe jądro wewnętrzne o średnicy około 1220 kilometrów.

Nie zmniejszy to liczby pytań, szczególnie na temat rdzenia wewnętrznego. Na przykład, jak gorąco jest? Ustalenie tego nie było takie proste, a naukowcy od dawna drapali się po głowie, mówi Lidunka Vokadlo z University College London w Wielkiej Brytanii. Nie możemy tam umieścić termometru, więc jedyną opcją jest wytworzenie wymaganego ciśnienia w warunkach laboratoryjnych.

W normalnych warunkach żelazo topi się w temperaturze 1538 stopni

W 2013 r. grupa francuskich naukowców sporządziła najlepsze jak dotąd szacunki. Poddali czyste żelazo działaniu ciśnienia o połowę mniejszego niż w rdzeniu i od tego zaczęli. Temperatura topnienia czystego żelaza w rdzeniu wynosi około 6230 stopni. Obecność innych materiałów może nieznacznie obniżyć temperaturę topnienia, aż do 6000 stopni. Ale wciąż jest goręcej niż na powierzchni Słońca.

Podobnie jak ziemniak w płaszczu, jądro Ziemi pozostaje gorące dzięki ciepłu pozostałemu po powstaniu planety. Pozyskuje również ciepło z tarcia występującego podczas ruchu gęstych materiałów, a także z rozpadu pierwiastków radioaktywnych. Co miliard lat ochładza się o około 100 stopni Celsjusza.

Znajomość tej temperatury jest przydatna, ponieważ wpływa na prędkość, z jaką wibracje przemieszczają się przez rdzeń. I to jest wygodne, bo jest coś dziwnego w tych wibracjach. Fale P przemieszczają się zaskakująco wolno przez rdzeń wewnętrzny – wolniej niż gdyby był wykonany z czystego żelaza.

„Prędkości fal mierzone przez sejsmologów podczas trzęsień ziemi są znacznie niższe niż wykazały eksperymenty lub obliczenia komputerowe” – mówi Vokadlo. „Nikt jeszcze nie wie, dlaczego tak się dzieje”.

Najwyraźniej do żelaza dodano inny materiał. Ewentualnie nikiel. Naukowcy obliczyli jednak, w jaki sposób fale sejsmiczne powinny przechodzić przez stop żelaza z niklem, i nie byli w stanie dopasować tych obliczeń do obserwacji.

Vokadlo i jej współpracownicy rozważają obecnie możliwość obecności w rdzeniu innych pierwiastków, takich jak siarka i krzem. Jak dotąd nikomu nie udało się wymyślić teorii składu jądra wewnętrznego, która zadowoliłaby wszystkich. Problem Kopciuszka: but nie pasuje na nikogo. Vokadlo próbuje eksperymentować z materiałami rdzenia wewnętrznego na komputerze. Ma nadzieję znaleźć kombinację materiałów, temperatur i ciśnień, która spowolni fale sejsmiczne w odpowiednim stopniu.

Mówi, że tajemnica może leżeć w tym, że wewnętrzne jądro jest prawie w temperaturze topnienia. W rezultacie dokładne właściwości materiału mogą różnić się od właściwości substancji całkowicie stałej. Może to również wyjaśniać, dlaczego fale sejsmiczne przemieszczają się wolniej, niż oczekiwano.

„Jeśli ten efekt jest prawdziwy, moglibyśmy pogodzić wyniki fizyki minerałów z wynikami sejsmologii” – mówi Vokadlo. „Ludzie jeszcze tego nie potrafią”.

Wciąż istnieje wiele tajemnic związanych z jądrem Ziemi, które nie zostały jeszcze rozwiązane. Naukowcy nie mogąc jednak zanurzyć się na tak niewyobrażalne głębokości, dokonują wyczynu polegającego na odkryciu, co leży tysiące kilometrów pod nami. Badanie ukrytych procesów zachodzących we wnętrzu Ziemi jest niezwykle ważne. Ziemia ma potężne pole magnetyczne generowane przez jej częściowo stopione jądro. Stały ruch stopionego jądra wytwarza prąd elektryczny wewnątrz planety, a to z kolei generuje pole magnetyczne rozciągające się daleko w przestrzeń kosmiczną.

To pole magnetyczne chroni nas przed szkodliwym promieniowaniem słonecznym. Gdyby jądro Ziemi nie było takie, jakie jest, nie byłoby pola magnetycznego i poważnie byśmy z tego powodu cierpieli. Jest mało prawdopodobne, że ktokolwiek z nas będzie w stanie zobaczyć rdzeń na własne oczy, ale dobrze jest po prostu wiedzieć, że tam jest.

Jądro Ziemi składa się z dwóch warstw, pomiędzy którymi znajduje się strefa graniczna: zewnętrzna powłoka ciekła jądra osiąga grubość 2266 km, pod nią znajduje się masywne, gęste jądro, którego średnicę szacuje się na 1300 km. Strefa przejściowa ma niejednolitą grubość i stopniowo twardnieje, zamieniając się w rdzeń wewnętrzny. Na powierzchni górnej warstwy temperatura wynosi około 5960 stopni Celsjusza, choć dane te są uważane za przybliżone.

Przybliżony skład rdzenia zewnętrznego i metody jego wyznaczania

Wciąż niewiele wiadomo na temat składu nawet zewnętrznej warstwy jądra Ziemi, gdyż nie ma możliwości pozyskania próbek do badań. Głównymi pierwiastkami, które mogą tworzyć zewnętrzne jądro naszej planety, są żelazo i nikiel. Naukowcy doszli do tej hipotezy w wyniku analizy składu meteorytów, ponieważ wędrowcami z kosmosu są fragmenty jąder asteroid i innych planet.

Niemniej jednak meteorytów nie można uznać za absolutnie identyczne pod względem składu chemicznego, ponieważ oryginalne ciała kosmiczne były znacznie mniejsze niż Ziemia. Po wielu badaniach naukowcy doszli do wniosku, że ciekła część substancji jądrowej jest silnie rozcieńczona innymi pierwiastkami, w tym siarką. Wyjaśnia to jego niższą gęstość w porównaniu ze stopami żelaza i niklu.

Co dzieje się w zewnętrznym jądrze planety?

Zewnętrzna powierzchnia rdzenia na granicy z płaszczem jest niejednorodna. Naukowcy sugerują, że ma on różną grubość, tworząc rodzaj wewnętrznego reliefu. Wyjaśnia to ciągłe mieszanie heterogenicznych głębokich substancji. Różnią się składem chemicznym, a także mają różną gęstość, dlatego grubość granicy między jądrem a płaszczem może wahać się od 150 do 350 km.

Pisarze science fiction poprzednich lat w swoich utworach opisywali podróż do wnętrza Ziemi poprzez głębokie jaskinie i podziemne przejścia. Czy to naprawdę możliwe? Niestety, ciśnienie na powierzchni rdzenia przekracza 113 milionów atmosfer. Oznacza to, że każda jaskinia „zatrzasnęłaby się” szczelnie już na etapie zbliżania się do płaszcza. To wyjaśnia, dlaczego na naszej planecie nie ma jaskiń głębszych niż co najmniej 1 km.

Jak bada się zewnętrzną warstwę jądra?

Naukowcy mogą ocenić, jak wygląda rdzeń i z czego się składa, monitorując aktywność sejsmiczną. Na przykład stwierdzono, że warstwa zewnętrzna i wewnętrzna obracają się w różnych kierunkach pod wpływem pola magnetycznego. Jądro Ziemi kryje w sobie dziesiątki innych nierozwiązanych tajemnic i czeka na nowe, fundamentalne odkrycia.