Ядро Землі – центральна частина земної кулі

Ядро — найгарячіша й найщільніша частина Землі. Його діаметр становить майже 3500 км. Про існування ядра Землі стало відомо наприкінці XIX століття, а на початку XX століття була визначена глибина залягання ядра — 2900 км.

Ідей про будову ядра Землі було висловлено безліч. У 1922 році норвезький геохімік Віктор Моріц Гольдшмідт висунув ідею загального розшарування речовини Землі ще в ту пору, коли вся планета перебувала в рідкому стані. Він це вивів по аналогії з металургійним процесом, вивченим на сталеливарних заводах. «У стадії рідкого розплаву, - говорив він, - речовина Землі розділилося на три змішуються рідини - силікатну, сульфідну і металеву. При подальшому охолодженні ці рідини утворили головні оболонки Землі - кору, мантію і залізне ядро!».[11]

Однак ближче до нашого часу ідея «гарячого» походження нашої планети все більше поступалася «холодного» творінню. І в 1939 році було запропоновано іншу картину формування надр Землі. До цього часу вже була відома ідея фазових переходів речовини. Човнярів припустив, що фазові зміни речовини зі збільшенням глибини посилюються, в результаті чого речовина поділяється на оболонки. При цьому ядро ​​зовсім не обов'язково має бути залізним. Воно може складатися з переущільнених силікатних порід, що знаходяться в «металевому» стані. Ця ідея була підхоплена і розвинена в 1948 році фінським вченим В. Рамзея. Виходило, що хоч ядро ​​Землі і має інший фізичний стан, ніж мантія, але причин вважати те, що він складається саме із заліза немає ніяких. Адже переущільненої олівін міг бути настільки ж важким, як і метал. Так з'явилися дві, що виключають один одного гіпотези про склад ядра. Одна - розвинена на основі ідей Е. Віхерта про залізо-нікелевому сплаві з невеликими добавками легких елементів в якості матеріалу ядра Землі. І друга - запропонована В.М. Лодочніковим і розвинена В. Рамзеєм, яка говорить про те, що склад ядра не відрізняється від складу мантії, але речовина в ньому перебуває в особливо щільному металізованому стані.

Щоб вирішити, на чию сторону повинна схилитися чаша ваг, вчені багатьох країн ставили в лабораторіях досліди і вважали, порівнюючи результати своїх розрахунків з тим, що показували сейсмічні дослідження і лабораторні експеременти.

У шістдесятих роках фахівці остаточно прийшли до висновку: гіпотеза металізації силікатів, при тисках і температурах, що панують в ядрі, не підтверджуються! Більш того, пророблені дослідження переконливо доводили, що в центрі нашої планети повинно міститися не менше вісімдесяти відсотків усього запасу заліза. Чистий метал або чистий металевий сплав, стиснуті в центрі планети, були б дуже важкі для Землі. Отже, слід припустити, що речовина зовнішнього ядра складається з сполук заліза з більш легкими елементами - з киснем, алюмінієм, кремнієм або сіркою, які найбільше поширені в земній корі.

І от російський вчений Олег Георгійович Сорохтін зробив нове дослідження. Грунтуючись на останніх досягненнях геологічної науки, радянський вчений робить висновок, що в перший період утворення Земля була швидше за все більш-менш однорідною. Вся її речовина приблизно однаково розподілялося по всьому об'єму. Проте з часом більш важкі елементи, наприклад залізо, стали опускатися, так би мовити, «тонути» у мантії, йдучи все глибше до центру планети. Якщо це так, то, порівнюючи молоді і старі гірські породи, можна в молодих очікувати менший вміст важких елементів, того ж заліза, широко розповсюдженого в речовині Землі.

Вивчення древніх лав підтвердило висловлене припущення. Проте чисто залізним ядро ​​Землі бути не може. Для цього воно занадто легке.
Вчений перепробував безліч елементів. Але одні погано розчинялися в розплаві, інші виявлялися несумісні. І тоді у Сорохтіна виникла думка: чи не

був супутником заліза найпоширеніший елемент – кисень. Щоправда, розрахунки показували, що з'єднання заліза з киснем - окис заліза - начебто залегка для ядра. Але ж в умовах стиснення і нагрівання в надрах окис заліза теж має зазнати фазові зміни. В умовах, що існують поблизу центру Землі, лише два атоми заліза здатні утримати один атом кисню. Значить, щільність отриманої окису стане більше. Ось вона - сучасна і, мабуть, найправдоподібніша за всю історію її пошуків модель нашої планети. «Зовнішнє ядро Землі складається з окису одновалентної фази заліза Fe ₂ О, а внутрішнє ядро - з металевого заліза або сплаву заліза з нікелем, - пише у своїй книзі Олег Георгійович Сорохтін. - Перехідний шар F між внутрішнім і зовнішнім ядром можна вважати складається з сірчистого заліза - троілліта FeS».[12]

У створенні сучасної гіпотези про виділення ядра з первинної речовини Землі беруть участь багато видатних геологи і геофізики, океанологи і сейсмологи - представники буквально всіх галузей науки, що вивчає планету.

Учені вважають, що ядро обертається трохи швидше, ніж уся наша планета, і це є однією з причин виникнення в Землі магнітного поля.

Про механізм утворення ядра відомо дуже мало. Згідно з різними оцінками формування відбувалося при тиску та температурі близькій до тієї, що зараз панує у верхній і середній мантії, а не в планетозималях і астероїдах. Це значить що під час акреції Землі відбувалася її нова гомогенізація.

Учені визначають зовнішню (в'язку) і внутрішню (тверду) частини ядра. Внутрішня його частина діаметром майже 1300 км дуже тверда й розжарена до температури 5000 °С, зовнішня — завтовшки майже 2200 км — перебуває в розрідженому стані при температурі 4000 °С. На ядро припадає майже 17 % речовини нашої планети. Зовнішня частина ядра перебуває в розплавлено-рідкому стані, а внутрішня – в твердому. Припускають також, що ядро складається з речовини, схожої на метали (із заліза з домішками кремнію або із заліза і нікелю, є й інші припущення). [13] Радіус ядра 3500км. Ймовірно, ядро складається з залізо-нікелевого сплаву з домішкою інших сидерофільних елементів. Розрахункова температура в центрі Земного ядра сягає 6230 ± 500 K (5957 °C ± 500 °C), густина — близько 12,5 т/м³, тиск — до 361 ГПа. Маса земного ядра — 1,932×10²⁴ кг.

Глибина залягання (2900 км) визначена 1910 року американським геофізиком Б. Ґутенберґом. Ядро складається з зовнішнього, напевно рідкого (до глиб. 4980 км), перехідного шару речовини, яка твердіє (до глиб. 5120 км) і твердого внутрішнього ядра (суб'ядра), діаметром близько 1300 км. Потужність зовнішнього рідкого шару ядра близько 2200 км. Вік внутрішнього твердого ядра оцінюється в 2-4 млрд років.[14]

Ядро займає 16% об’єму Землі. Маса ядра складає 34% від маси Землі. Температура в ядрі 4000°С, тиск 3,5 млн. атм. Незалежно від хімічного складу, всі речовини при такому тиску переходять у металічну фазу, руйнуються електронні оболонки, утворюється “електронний газ”. Речовина стає дуже щільною і насиченою вільними електронами. Рух цих електронів зумовлює магнітне поле Землі.

Склад ядра може бути оцінений з декількох джерел. Найближчими до речовини ядра вважають зразки залізних метеоритів, які є фрагментами ядер астероїдів і протопланет. Однак залізні метеорити не еквівалентні речовині земного ядра, оскільки вони утворилися в набагато менших тілах, тобто, за інших фізико-хімічних умов. З даних гравіметрії відома густина ядра, що обмежує додатково компонентний склад. Оскільки густина ядра приблизно на 10% менша, ніж густина сплавів залізо-нікель, то, відповідно, ядро Землі містить більше легких елементів, ніж залізні метеорити. Виходячи з геохімічних міркувань, розраховуючи первинний склад Землі і обчислюючи частку елементів, що складають інші геосфери, можна побудувати приблизну оцінку складу ядра. Допомогу в таких обчисленнях надають високотемпературні і високобаричні експерименти з розподілу елементів між розплавленим залізом і силікатними фазами.

Вважають, що ядро утворилось з мантії. Таким чином, мантія є первинною речовиною з якої виникли земна кора і ядро.

Порівнюючи середню густину Землі (5513 кг/м³) з середньою густиною верхніх частин земної кори (2670 кг/м³), можна зробити висновок, що матеріали з великою густиною наявні в надрах Землі, зокрема в ядрі. Ще один доказ високої густини ядра дає сейсмологія. Сейсмічні вимірювання показують, що ядро ділиться на дві частини — тверде внутрішнє ядро з радіусом - 1220 км і рідке зовнішнє ядро з радіусом - 3400 км. Густини знаходяться в межах від 9900–12200 кг/м³ у зовнішньому ядрі і 12600–13000 кг/м³ у внутрішньому. Зовнішнє ядро відділяється від внутрішнього розривом Леманн-Булле.

Таким чином, ядро Землі є центральною частиною планети Земля, геосфера, що знаходиться під мантією Землі і, імовірно, що складається з залізо-нікелевого сплаву з домішкою інших сідерофільних елементів.