Как удалось определить, из чего состоит Земля?

Строение Земли: как ученые заглянули внутрь планеты

Ты наверняка знаешь, что наша планета состоит из нескольких слоев: сверху находится земная кора, ниже лежит мантия, а в центре располагается ядро, которое делится на внешнее и внутреннее. Но каким образом ученые это выяснили? Ведь ни мантию, ни тем более ядро Земли никто никогда не видел. Может быть, геологи исследовали недра, просверлив в Земле гигантский шурф? Увы, самая глубокая скважина, когда-либо пробуренная людьми, – Кольская сверхглубокая – уходит вниз лишь на двенадцать с небольшим километров. Если представить нашу Землю в виде яблока, то этой скважиной мы бы даже не проткнули его кожуру!

ДВА СИГНАЛА ОТ ДВУХ ПОРОД

В 1909 году хорватский сейсмолог Андрия Мохоровичич с помощью разработанных им приборов-сейсмографов зарегистрировал небольшое землетрясение, произошедшее и 39 км 01 3aipe6a, где эти приборы были установлены. Казалось бы, сейсмографы должны были просто зафиксировать каждый толчок произошедшего землетрясения. Однако на приборах почему-то были видны записи не одного, а как будто двух землетрясений, имевших разную силу и произошедших в разное время. Присмотревшись внимательнее к показаниям прибора, Мохоровичич понял, что часть колебаний Земли достигла сейсмографов напрямую, а часть отразилась от пород, лежащих ниже и отличающихся от верхних своими свойствами. Границу между этими породами впоследствии назвали поверхностью Мохоровичича. А дальнейшие наблюдения с помощью сейсмических приборов, установленных в разных местах, показали, что она пролегает на глубине от 500 метров (в некоторых местах под океанами) до 70 километров (под крупнейшими горными массивами на континентах).

СЛЕДИ ЗА ВОЛНОЙ!

Прошло немного времени, и ученые установили сейсмографы по всему земному шару. Теперь, когда происходило землетрясение, приборы по всей планете регистрировали идущие от него колебания. Причем регистрировали они два типа сейсмических волн: продольные – это фактически звуковые колебания, передающиеся в горных породах, и поперечные, характеризующиеся смещением грунта из стороны в сторону. Вскоре немецкий ученый Бено Гутенберг заметил, что если землетрясение случается на противоположной от установленного сейсмографа стороне Земли, то продольные волны доходят до прибора обычным образом, а вот поперечные как будто огибают некое препятствие в центре Земли. Поскольку ученые уже знали, что поперечные волны, в отличие от продольных, не распространяются в жидкости, был сделан вывод, что где-то в центре Земли имеется жидкий слой. Проанализировав записи поперечных волн, ученые выяснили, что верхняя граница этого слоя находится на глубине около 2900 км относительно земной поверхности. Так была открыта еще одна невидимая подземная граница – поверхность Гутенберга.

А затем оказалось, что средняя скорость продольных волн, идущих через центр Земли или очень близко к нему, немного больше, чем у таких же волн, проходящих сбоку от центра. Очевидно, что в центре Земли скорость волн возрастает, и значит, здесь снова происходит изменение физических свойств ядра, а именно, оно из жидкого превращается в твердое! Так ученые установили, что на глубине более 5100 км находится твердое земное ядро.

ГОСТИ ИЗ ПОДЗЕМЕЛЬЯ

Итак, геологи и создали знакомую нам схему строения Земли. То, что выше поверхности Мохоровичича, назвали земной корой, слой между ней и границей Гутенберга – мантией, центральную часть – ядром, а место изменения скорости продольных волн в ядре определили как границу жидкого внешнего и твердого внутреннего ядра. Но из каких же веществ состоят эти слои?

Казалось бы, узнать состав мантии довольно просто, ведь на поверхности Земли много горных пород, которые сформировались в мантии. (Правда, тут нужно отличить породу, зародившуюся в мантии, от породы, образовавшейся в более высоком слое, но это можно сделать, зная, при каком давлении формируется тот или иной вид горных пород). Но проблема в том, что, перемещаясь из глубин Земли к поверхности, породы частично оплавляются. И если по химическому составу они действительно, скорее всего, очень близки к породам мантии, то по структуре – вряд ли.

К счастью, в мантийных породах иногда встречаются фрагменты, которые не подвергались плавлению. Например в базальтах можно найти включения, поднятые с глубины 80 км. А алмазы в кимберлитах (другом виде частично оплавленных пород мантии) образовались, как считают геологи, на глубинах 100-200 км, то есть алмаз – самый глубокий фрагмент Земли, доступный изучению.

Словом, геологический состав мантии установлен довольно точно. Однако остается неизвестным, как различные мантийные породы (а их на сегодняшний день известен уже не один десяток) соотносятся между собой, каковы закономерности их залегания. То, что мы знаем сейчас о мантии, можно сравнить с тем, что может узнать о горах человек, который их никогда не видел, но внимательно изучил гальку, принесенную с гор рекой.

А что же с составом ядра? Никакие его части на поверхности Земли не появлялись. Однако анализируя скорость распространения сейсмических волн в ядре, ученые довольно точно смогли определить его плотность. Оказалось, что на границе с мантией плотность ядра в 10, а в центре – в 14 раз больше плотности воды. Для сравнения: плотность горных пород на поверхности Земли превышает плотность воды в три-четыре раза. Логично предположить, что ядро состоит из металла, причем достаточно тяжелого – магний или алюминий не подойдут. А вот железо годится на эту роль, у него и плотность подходящая, и оно – самый распространенный металл во Вселенной. Поэтому ученые и сделали вывод что ядро Земли, скорее всего, состоит из железа.

Откуда мы знаем, что находится в ядре Земли?

Люди заполнили Землю. Мы завоевывали земли, летали по воздуху, ныряли в глубины океана. Мы даже побывали на Луне. Но мы никогда не были в ядре планеты. Мы даже и близко к нему не подобрались. Центральная точка Земли находится в 6000 километрах внизу, и даже самая дальняя часть ядра находится в 3000 километрах под нашими ногами. Самая глубокая дыра, которую мы сделали на поверхности — это Кольская сверхглубокая скважина в России, да и то она уходит вглубь земли на жалкие 12,3 километра.

Все известные события на Земле происходят близко к поверхности. Лава, которая извергается из вулканов, сначала плавится на глубине нескольких сотен километров. Даже бриллианты, которым необходимо чрезвычайное тепло и давление для образования, рождаются в породах на глубине не более 500 километров.

Все, что ниже, окутано тайной. Кажется недостижимым. И все же мы знаем довольно много интересного о нашем ядре. У нас даже есть некоторое представление о том, как оно сформировалось миллиарды лет назад — и все без единого физического образца. Как же нам удалось узнать так много о ядре Земли?

Для начала нужно хорошо подумать о массе Земли, говорит Саймон Редферн из Кембриджского университета в Великобритании. Мы можем оценить массу Земли, наблюдая за эффектом гравитации планеты, который она оказывает на объекты на поверхности. Выяснилось, что масса Земли составляет 5,9 секстиллиона тонн: это 59 с двадцатью нулями.

Но на поверхности нет признаков такой массы.

«Плотность материала на поверхности Земли намного ниже, чем средняя плотность всей Земли, что говорит нам о том, что есть что-то более плотное, — говорит Редферн. — Это первое».

По существу, большая часть земной массы должна быть расположена по направлению к центру планеты. Следующим шагом будет выяснить, из каких тяжелых материалов состоит ядро. И оно состоит почти полностью из железа. 80% ядра — это железо, однако точную цифру еще придется выяснить.

Главным доказательством этого является огромное количество железа во Вселенной вокруг нас. Это один из десяти самых распространенных элементов в нашей галактике, который также часто встречается в метеоритах. При всем этом на поверхности Земли намного меньше железа, чем можно было бы ожидать. Согласно теории, когда Земли образовалась 4,5 миллиарда лет назад, много железа утекло вниз к ядру.

Там сосредоточена большая часть массы, а значит, и железо должно там быть. Железо также относительно плотный элемент при нормальных условиях, а под сильным давлением в ядре Земли оно будет еще плотнее. Железное ядро могло бы объяснить всю недостающую массу.

Но погодите. Как железо вообще там оказалось? Железо должно было каким-то образом притянуться — в буквальном смысле — к центру Земли. Но сейчас этого не происходит.

Большая часть остальной Земли состоит из горных пород — силикатов — и расплавленное железо с трудом через них проходит. Подобно тому, как вода на жирной поверхности образует капли, железо собирается в небольших резервуарах, отказываясь растекаться и разливаться.

Возможное решение было обнаружено в 2013 году Венди Мао из Стэнфордского университета и ее коллегами. Они задались вопросом, что происходит, когда железо и силикат подвергаются сильному давлению глубоко в земле.

Плотно сжимая оба вещества при помощи алмазов, ученым удалось протолкнуть расплавленное железо через силикат. «Это давление существенно изменяет свойства взаимодействия железа с силикатами, — говорит Мао. — При высоком давлении образуется «сеть плавления».

В этот момент вы можете спросить: откуда мы, собственно, знаем размер ядра? Почему ученые считают, что оно начинается в 3000 километрах? Ответ один: сейсмология.

Когда происходит землетрясение, оно посылает ударные волны по всей планете. Сейсмологи записывают эти колебания. Будто бы мы бьем по одной стороне планеты гигантским молотом и прислушиваемся к шуму на другой стороне.

«В 1960-х годах произошло землетрясение в Чили, которое дало нам огромное количество данных, — говорит Редферн. — Все сейсмические станции по всей Земле записывали толчки этого землетрясения».

В зависимости от маршрута этих колебаний, они проходят через разные участки Земли, и это влияет на то, какой «звук» они издают на другом конце.

В начале истории сейсмологии стало очевидно, что некоторые колебания пропали без вести. Эти «S-волны» ожидали увидеть на другом конце Земли после происхождения на одном, но не увидели. Причина этому простая. S-волны реверберируют через твердый материал и не могут проходить через жидкость.

Должно быть, они столкнулись с чем-то расплавленным в центре Земли. Составив карту путей S-волн, ученые пришли к выводу, что на глубине примерно 3000 километров породы становятся жидкими. Это также говорит о том, что все ядро расплавленное. Но у сейсмологов был и другой сюрприз в этой истории.

Идея Леман была подтверждена в 1970 году, когда более чувствительные сейсмографы показали, что P-волны действительно проходят через ядро и, в некоторых случаях, отражаются от него под некоторыми углами. Неудивительно, что в конце концов они оказываются на другой стороне планеты.

Ударные волны через Землю отправляют не только землетрясения. На самом деле, сейсмологи многим обязаны развитию ядерного оружия.

Ядерный взрыв тоже создает волны на земле, поэтому государства обращаются за помощью к сейсмологам во время испытания ядерного оружия. Во время холодной войны это было чрезвычайно важно, поэтому сейсмологи вроде Леман получили большую поддержку.

Конкурирующие страны узнавали о ядерном потенциале друг друга и параллельно с этим мы узнавали все больше и больше о ядре Земли. Сейсмология до сих пор используется для обнаружения ядерных взрывов сегодня.

Вопросов от этого не становится меньше, особенно на тему внутреннего ядра. К примеру, насколько оно горячее? Выяснить это оказалось не так-то просто, и ученые долгое время ломали голову, говорит Лидунка Вокадло из Университетского колледжа Лондона в Великобритании. Мы не можем засунуть туда термометр, поэтому единственный возможный вариант — это создать нужное давление в лабораторных условиях.

В 2013 году группа французских ученых произвели лучшую оценку на сегодняшний день. Они подвергли чистое железо давлению в половину того, что имеется в ядре, и отталкивались уже от этого. Температура плавления чистого железа в ядре составляет примерно 6230 градусов. Присутствие других материалов может немного снизить точку плавления, до 6000 градусов. Но это все равно горячее, чем на поверхности Солнца.

Будучи своего рода поджаренной картошкой в мундире, ядро Земли остается горячим, благодаря теплу, оставшемуся от образования планеты. Оно также извлекает тепло из трения, возникающего по мере движения плотных материалов, а также распада радиоактивных элементов. Остывает оно примерно на 100 градусов по Цельсию каждый миллиард лет.

Знать эту температуру полезно, поскольку она влияет на скорость прохождения колебаний через ядро. И это удобно, потому что в этих вибрациях есть что-то странное. P-волны проходят неожиданно медленно через внутреннее ядро — медленнее, чем если бы оно состояло из чистого железа.

«Скорости волн, которые сейсмологи измерили в землетрясениях, значительно ниже, чем показывает эксперимент или компьютерный расчет, — говорит Вокадло. — Никто пока не знает, почему так».

Очевидно, к железу примешивается другой материал. Возможно, никель. Но ученые посчитали, как сейсмические волны должны проходить через железо-никелевый сплав, и не смогли подогнать расчеты под наблюдения.

Вокадло и ее коллеги в настоящее время рассматривают возможность присутствия в ядре других элементов, например, серы и кремния. Пока никто не смог придумать теорию состава внутреннего ядра, которая удовлетворила бы всех. Проблема Золушки: туфелька никому не подходит. Вокадло пытается экспериментировать с материалами внутреннего ядра на компьютере. Она надеется найти комбинацию материалов, температур и давления, которые будут замедлять сейсмические волны на правильную величину.

«Если этот эффект реален, мы могли бы примирить результаты минеральной физики с результатами сейсмологии, — говорит Вокадло. — Люди пока не могут этого сделать».

Существует еще много загадок, связаных с ядром Земли, которые еще предстоит решить. Но не имея возможности погрузиться на эти невообразимые глубины, ученые совершают подвиг, выясняя, что находится в тысячах километров под нами. Скрытые процессы недр Земли чрезвычайно важно изучать. У Земли есть мощное магнитное поле, которое генерируется благодаря частично расплавленному ядру. Постоянное движение расплавленного ядра порождает электрический ток внутри планеты, и он, в свою очередь, генерирует магнитное поле, которое уходит далеко в космос.

Это магнитное поле защищает нас от вредного солнечного излучения. Не будь ядро Земли таким, каким оно является, не было бы магнитного поля, а мы бы серьезно от этого страдали. Вряд ли кто-нибудь из нас сможет увидеть ядро своими глазами, но хорошо просто знать, что оно там есть.

Из чего состоит Земля?

Из чего состоит Земля?

Внутреннее строение Земли. Изучите структуру планеты: кора, ядро, мантия, из каких химических элементов состоит Земля, история исследования, геология.

Земля – это нечто большее, чем нам удается разглядеть с нашей позиции. Если бы была возможность разрезать ее пополам, то вы бы сильно удивились. Мы бросаемся на поиски новых миров, но еще многого не знаем о нашем.

Но сейсмология сумела открыть строение Земли и показать слои. Каждый наделен своими свойствами, характеристикой и составом. И все это влияет на земные процессы. Из чего же состоит Земля?

Современная теория

Внутреннее пространство планеты дифференцировано. То есть, структура (как и у остальных планет) представлена слоями. Снимите один и попадете на следующий. Причем каждый будет обладать своей температурой и химическим составом.

Наше понимание слоев планеты базируется на результатах сейсмологического мониторинга. Он вмещает исследование звуковых волн, созданных землетрясением, а также анализ того, как прохождение сквозь различные слои замедляет их темп. Перемены в сейсмической скорости приводят к рефракции.

Модель плоской Земли с континентами, расположенными в форме диска, а также Антарктидой в виде ледяной стены

Модель плоской Земли с континентами, расположенными в форме диска, а также Антарктидой в виде ледяной стены

Их используют вместе с трансформациями в гравитационных и магнитных полях и экспериментах с кристаллическими твердыми веществами, имитирующих давление и температурный показатель в глубине планеты.

Исследования

Еще в древние времена человечество пыталось разобраться в составе Земли. Первые попытки даже не относились к науке. Это были скорее легенды и мифы, связанные с божественным вмешательством. Однако среди населения распространилось несколько теорий.

Вы могли слышать о плоской Земле. Это мнение бытовало в месопотамской культуре. Планета изображалась как плоский диск, бороздящий океан. Майя также считали ее плоской, но на углах располагалось четыре ягуара, которые удерживали небо. Персы видели космическую гору, а у китайцев это был четырехсторонний куб.

В 6 веке до н. э. греки склонялись к округлой форме, а в 3 веке до н. э. идея о сферической Земле обретала почву под ногами и первую доказательную базу. В этот же момент ученые начинают соприкасаться с геологическими исследованиями, а философы рассматривать минералы и металлы.

Модель Земли Эдмунда Галлея, представленная концентрическими сферами

Но настоящий сдвиг произошел лишь в 16-17-х вв. Эдмунд Галлей в 1692 году предложил теорию «Пустота Земли». Он считал, что внутри есть полость, то есть, определенное ядро, чья толщина занимает 800 км.

Между этими сферами располагается воздушный зазор. Чтобы не возникло эффекта трения, внутренняя сфера должна удерживаться гравитацией на месте. Модель отображала две концентрические оболочки вокруг ядра. По диаметру соответствовали Меркурию, Венере и Марсу.

Галлей основывался на плотности Луны и Земли, выдвинутых Исааком Ньютоном в 1687 году. Дальше ученые решили рассмотреть достоверность Библии. Исследователям было важно вычислить реальный возраст планеты и обнаружить доказательства потопа. Здесь и начали рассматривать ископаемые и вырабатывать систему для классификации датирования слоев.

Рост важности горной промышленности в 17-18-х вв. (особенно для поиска драгоценных металлов) привел к трансформации геологии

Рост важности горной промышленности в 17-18-х вв. (особенно для поиска драгоценных металлов) привел к трансформации геологии

В 1774 году Абрахам Вернер представил в своих трудах детальную систему идентификации определенных минералов, основываясь на их внешних характеристиках.

В 1741 году в Национальном музее естественной истории Франции появилась первая должность по геологии. Через 10 лет термин «геология» вошел в обиход.

В 1770-х гг. на первое место в исследованиях выходят химические анализы. Одной из важных задач было исследование мест на наличие жидкого наводнения в прошлом (потоп). В 1780-х гг. были и те, кто верил, что слои создались не из-за воды, а за счет огня. Последователей называли плутонистами. Они верили, что планета сформировалась из-за затвердевания расплавленных масс. И все это происходило крайне медленно. Отсюда вытекало, что планета намного старше, чем говорилось в Библии.

Корабль Бигль на Галапагосских островах

Корабль Бигль на Галапагосских островах

В 19 веке на геологию сильно повлияла промышленная революция, а также концепция стратиграфической колонны – скальные образования расположены в порядке их появления во времени. Ученые стали осознавать, что возраст ископаемых можно вычислить геологически (чем глубже найдены, тем старше).

Исследователи получили возможность отправляться в плавания, чтобы расширять кругозор и сравнивать находки в разных местах. Среди таких счастливчиков оказался Чарльз Дарвин, завербованный капитаном корабля Бигль.

Найденные им гигантские окаменелости сделали из него геолога, а его теории о причинах исчезновения привели к важнейшей работе «О происхождении видов», написанной в 1859 году.

Тектонические плиты Земли

Тектонические плиты Земли

Ученые увеличивали свои знания и создавали геологические карты Земли. Они уже исчисляли земной возраст в миллионных понятиях, а не тысячных. Но развитие технологий помогло сдвинуть остатки догматических представлений.

В 20-м веке появилось радиометрическое датирование. Тогда думали, что планетарный возраст достигает 2 миллиардов лет. В 1912 году Альфред Вегенер выдвинул теорию континентального дрейфа. То есть, когда-то все континенты были одним целым. Позже это подтвердили геологическим анализом образцов.

Единый континент Пангея во время пермского периода (300-20000 миллионов лет назад)

Единый континент Пангея во время пермского периода (300-20000 миллионов лет назад)

Теория плитной тектоники возникла из исследования океанического дна. Геофизические данные демонстрируют боковое движение континентов, а океаническая кора моложе континентальной.

В 20-м веке активно развивалась сейсмология, исследование землетрясений и прохождение волн сквозь Землю. Именно это помогло разобраться в составе и добраться до ядра.

Земля, отображенная с лунной позиции кораблем Аполлон-11

Земля, отображенная с лунной позиции кораблем Аполлон-11

В 1926 году Гарольд Джеффис заявил, что земное ядро жидкое, а в 1937 году Инге Леманн расширил эту теорию, дополнив, что внутри жидкого ядра есть сплошное твердое.

Земные слои

Землю можно разделить механически или химически. Первый способ изучает жидкие состояния. Здесь появляется литосфера, астеносфера и мезосфера, внешнее и внутренне ядро. Но большую популярность обрел химический метод, обнаруживший кору, мантию и ядро.

Внутреннее ядро твердое, а внешнее жидкое. Нижняя мантия пребывает под сильным давлением, поэтому обладает более низкой вязкостью, чем верхняя. Все отличия вызваны процессами, сопровождающими планетарное развитие в течение 4.5 миллиардов лет. Давайте внимательнее изучим внутреннее строение Земли.

Это внешний, охлажденный и застывший слой. Простирается на 570 км и представляет всего 1% планетарного объема.

Земные слои в масштабе

Земные слои в масштабе

Более узкие части – океаническая кора, лежащая в основе океанических бассейнов (5-10 км), а более плотная – континентальная. Верхняя часть мантии и земная кора – литосфера, охватывающая 200 км. Большая часть скал сформировалась 100 миллионов лет назад.

Верхняя мантия

Занимает 84% объема и выступает по большей части твердой, но иногда ведет себя как вязкая жидкость. Начинается с «Поверхности Мохоровичича» – 7-35 км и углубляется на 410 км.

Движение в мантии отражается на перемещении тектонических пластин. Процесс обуславливается теплом из глубины. Именно это приводит к землетрясениям и формированию горных цепей.

Температура поднимается на 500-900°С. Слой на глубине 410-660 км считается переходной зоной.

Нижняя мантия

Температура на глубине в 660-2891 км способна достигать 4000°С. Но давление здесь слишком сильное, поэтому вязкость и плавление ограничены. Об этом слое известно мало, но полагают, что сейсмически однороден.

Внешнее ядро

Это жидкая оболочка с толщиною в 2300 км, а в радиусе охватывает 3400 км. Здесь плотность намного выше – 9900-12200 кг/м 3 . Полагают, что ядро представлено 80% железа, а также никелем и прочими легкими элементами. Нет сильного давления, поэтому оно не затвердевает, хотя по составу напоминает внутреннее ядро. Температура – 4030°С.

В жидком ядре из-за температуры и турбулентности создается динамо, влияющее на магнитное поле.

Внутреннее ядро

Из каких элементов состоит ядро Земли? Представлено железом и никелем, а в радиусе охватывает 1220 км. Плотность – 12600-13000 кг/м 3 , что намекает на присутствие тяжелых элементов (платина, золото, палладий, вольфрам и серебро).

Художественная интерпретация земного ядра

Художественная интерпретация земного ядра

Температура здесь вырастает до 5400°C. Почему же твердые металлы остаются жидкими? Потому что температура плавления крайне высокая, как и давление. Внутренне не сильно связано с твердой мантией, поэтому полагают, что оно вращается быстрее самой планеты.

Также есть мнение, что и внутреннее ядро обладает слоями, разделенными переходной зоной с толщиною в 250-400 км. Самый нижний слой способен в диаметре простираться на 1180 км. Ученые свидетельствуют о динамике, из-за которой ядро расширяется на 1 мм в год.

Как видите, наша планета – удивительное и полное загадок место. В ней все еще таится тепло, накопленное миллиарды лет назад. И это не мертвое тело, а динамический объект, который постоянно меняется.

Что у Земли внутри? Внутреннее строение и состав нашей планеты

Радиус нашей планеты превышает 12 700 км, но самая глубокая скважина, которую человечеству удалось пробурить (Кольская сверхглубокая скважина), имеет глубину всего лишь в 12,2 км, то есть в тысячу раз меньше. Ученые имеют меньше информации о глубинах Земли, чем о дальнем космосе. Однако это не мешает им строить свои теории о ее строении. Из каких же слоев состоит Земля?

Методы исследования структуры Земли

Объем планеты можно посчитать, зная ее радиус. Её массу можно рассчитать на основе величины силы тяжести, орбите Земли и ее взаимодействии с другими небесными телами. Зная объем и массу, можно оценить и плотность земного шара, которая оказывается равной 5515 кг/куб. м. При этом средняя плотность вещества на поверхности планеты значительно ниже (3000 кг/куб. м), поэтому можно предполагать существенное увеличение этого показателя на больших глубинах.

Ученые при анализе структуры Земли опираются и на данные научных экспериментов, в ходе которых моделируются условия в центре планеты (высокое давление и плотность). Так, плотность железо при давлении в миллион атмосфер увеличивается в 1,3 раза за счет более плотного расположения атомов в кристаллической решетке.

Ещё одним источником информации о строении планеты является анализ сейсмических волн во время землетрясений. В 1909 году геофизик Мохоровичич обнаружил, что при неглубоких землетрясениях образуется не один, а несколько акустических сигналов, что позволило предположить существование резкой границы между корой и мантией, известной как поверхность Мохоровичича.

Во время извержений вулканов с глубин Земли на поверхность попадают ценные для исследования образцы материала. Наконец, даже исследования других планет земной группы (Меркурия, Венеры, Марса) помогают лучше понять процессы, проходящие в наших недрах, ведь эти планеты и Земля формировались в результате схожих процессов.

Общее строение Земли

Верхний слой планеты называют земной корой. Ее толщина варьируется от 5 до 35 км, причем под океанами она существенно тоньше. Существуют оценки, согласно которым ее толщина может доходить и до 70 км. Под ней располагается верхняя мантия, которая простирается до глубины 60 км. Нижняя же часть мантии доходит до отметки 2890 км. Отдельно геофизики выделяют слой, именуемый астеносферой (100-200 км).

Под мантией, располагается ядро. Его разделяют на внешнюю жидкую часть (до глубины 5150 км) и внутреннюю твердую.

Земная кора

Считается, что у Венеры и Марса (но не у Меркурия) также есть верхний слой коры, схожий с земным. Однако на Земле выделяют два вида коры: континентальный и океанический. Континентальная кора значительно более древняя, возраст ее пород может достигать миллиардов лет. Она состоит из трех слоев. Верхний образован горными породами, средний – гранитами и так называемыми гнейсами, а внизу располагаются гранулиты и подобные им породы.

Океаническая кора постоянно обновляется. Она образуется в центрах современных океанов в местах, которые называют срединно-океаническими хребтами. Перемещаясь оттуда в разных направлениях, она исчезает в зонах субдукции, растворяясь в мантии. Возраст океанической коры не превышает 140-150 миллионов лет. Также ее толщина значительно ниже и, по некоторым оценкам, составляет 5-10 км. Именно поэтому первая попытка пробурить земную кору была предпринята 1961-1966 г. в Тихом океане (проект «Мохол»).

Интересно, что большую часть земной коры образует незначительное количество элементов. Самыми распространенными из них являются:

  • кислород (49%);
  • кремний (26%);
  • алюминий (7,5%);
  • железо (4,2%);
  • кальций (3,25%);
  • натрий (2,4%);
  • калий (2,35%);
  • магний (2,35%)
  • водород (1%).

На остальные элементы суммарно приходится примерно 1% вещества земной коры.

Мантия

Считается, что в некоторых местах мантия залегает на глубинах всего в 30 км, однако достичь ее до сих пор не удалось. Границу между мантией и корой называют поверхностью Мохоровичича. В ней фиксирует резкий рост скорости сейсмический волн, а также там должен происходить и такой же резкий рост плотности вещества.

Мантию разделяют на верхнюю и нижнюю. Граница между ними проходит на глубинах 410-670 км и носит название слой Голицына. В нем наблюдается структурная перестройка вещества мантии.

Мантия находится в жидком агрегатном состоянии, однако это не значит, что она похожа на воду. Она отличается огромной вязкостью, в квадриллион раз превышающую вязкости песка. На мантию, простирающуюся до глубины 2900 км, приходится примерно 80% объема земного шара. Также она отличается от земной коры химическим составом. Доля алюминия в ней ниже, а магния значительно выше. Основными элементами в ней являются:

  • кислород (44,8 %);
  • кремний (21,5%);
  • магний (22,8%);
  • железо (5,8%);
  • кальций (2,3%);
  • алюминий (2,2%).

В верхней мантии выделяют слой астеносферы, который более пластичен, чем остальная часть мантии. Также в нем ниже скорость распространения сейсмических волн и выше электропроводность. Именно в ней происходит перемещение литосферных плит земной коры, что порою вызывает землетрясения. По разным оценкам, астеносфера может начинаться на глубинах порядка 50 км и доходить до отметки 350 км.

Ядро Земли

Существование ядра было доказано ещё в 1897 г. Честь этого открытия принадлежит Иоганну Вихерту. Состоит ядро из двух слоев – жидкого внешнего и твердого внутреннего, однако в 2015 г. геолог Сяодунь Сун обосновал версию, что во внешнем ядре можно выделить третий слой.

Во внешнем ядре температура изменяется от 4400°С на глубине 2900 км до 6100°С на глубине 5150 км. В нем протекают вихревые электрические токи, что ведет к образованию у Земли магнитного поля, которое возникает из-за эффекта, известного как геодинамо.

Во внутреннем ядре давление может достигать 375 ГПа, поэтому находящееся там вещество просто не может стать жидкостью, несмотря на огромную температуру в 6400°. Эта часть структуры планеты возникла не сразу, а 2 млрд (по некоторым оценкам, только 500 млн) лет назад. Это связано с постепенным остыванием Земли. Со временем внутреннее ядро увеличивается в размерах.

Химический состав ядра сильно отличается от мантии. Порядка 85% его массы приходится на железо, 6% – на кремний, ещё 5% – на никель. Это примерные цифры, так как точный состав определить невероятно сложно. Возможно, что в ядре присутствует значительные доли серы, кислорода, углерода, фосфора и водорода.

Как образовалась столь сложная структура Земли?

Предполагается, что Земля образовалась из множества протопланет, которые из-за силы тяжести постепенно притягивались друг к другу. Сначала она была полностью жидкой. При этом в ней проходили характерные для жидкости процессы – более тяжелые элементы погружались глубже, а более легкие поднимались на поверхность. Так за примерно 10 млн лет образовалось железное ядро Земли. Существует версия, что раньше там находилось значительно больше радиоактивных металлов, но они распались со временем. После окончания активной фазы планетообразования Земля начала медленно остывать, в результате чего верхний слой отвердел, и образовалась земная кора.

Строение Земли — структурка слоев, химический состав, развитие земной коры

Общие сведения о Земном шаре известны с середины IХХ века. Учёные установили, что большую часть планеты занимает вода — 71%, на остальную часть приходится суша. Радиус космического объекта составляет 6 370 км, а плотность — 5,5 г/см2. Смена сезонов года происходит благодаря вращению планеты вокруг огненной звезды — Солнца, а сутки на Земле длятся 24 часа.

В последнее время в научных кругах развернулись грандиозные споры о форме Земли. Некоторые специалисты пришли к выводу, что планета плоская и у мира есть конец, который находится в Антарктиде. Другие продолжают настаивать, что Земля — шар, а «плоская» теория — это повод ввести окружающих в заблуждение. Отдельные исследования показали, что правы ни те и не другие, так как населённый людьми космический объект является геоидом или сплюснутым кругом, продавленным на полюсах.

  • Бюффон;
  • Кант;
  • Лаплас;
  • Джинс.

Жорж-Луи Леклерк Бюффон, француз-натуралист, предположил, что «родителем» Земли является Солнце. Учёный считал, что в результате столкновения звезды с гигантским космическим телом часть раскалённой поверхности оторвалась, и заняла своё место в космическом пространстве. Теория для науки ХVII-XVIII веков достаточно смелая. Солидарен с Бюффоном оказался и английский физик-теоретик Джеймс Холвуд Джинс. Учёный-астроном считал, что от Солнца действительно некий космический объект невообразимых масштабов, пролетая на близком расстоянии от звезды, вырвал часть её материи, из которой и образовались все планеты Солнечной системы. Немецкий философ Иммануил Кант, интересуясь строением и происхождением планеты, предположил, что Земля и другие объекты звёздной системы произошли в результате сжатия холодного пылевого облака. Но в те годы на его учение, изложенное учёным в книге, никто внимания не обратил, так как всех интересовала теория француза Пьера-Симона Лапласа. Астроном и математик был уверен, что Земля или «дом человечества» получилась из раскалённого вращающегося газового облака методом сжатия.

Планета в разрезе

  • антропосферу;
  • континентальную кору;
  • океаническую кору;
  • литосферу;
  • астеносферу;
  • мантию;
  • ядро.
  • базальт;
  • гранит;
  • осадочные породы.

В материковой части планеты присутствуют все указанные составляющие, а на территориях, покрытых Мировым океаном нет гранитной прослойки. Изучая состав оболочки Земли, учёные узнали, что планета в большей степени состоит из таких химических элементов, как железо, кислород, кремний и магний. Астеносферу, название которой в переводе с древнегреческого обозначает «безвольный шар», ещё называют «Верхним слоем мантии» или «Поверхностью Мохоровичича». Она располагается на глубине в 35−60 км от поверхности планеты. В отличие от твёрдой поверхности состав этого слоя пластичен, что позволяет литосферным плитам легко двигаться, периодически меняя ландшафт Земли; там, где они столкнулись, образуются горы, а на месте расхода появляется водоём.

Структура мантии

Мантия по праву считается самой объёмной составляющей планеты, так как в процентном соотношении она занимает 83% Земного шара и 67% от всей массы. Протяжённость этого слоя недр Земли составляет 2855 км. Учёные до сих пор не смогли приблизиться к мантии, так как на планете пока не существует такой технологии, которая бы позволила пробурить скважину необходимой глубины. На сегодняшний день самой глубокой шахтой, когда-либо проделанной в земной коре, является 5-километровый карьер Тау-Тона («Золотой лев»), где добывают золото. Температура добычи драгоценного металла составляет 52 градуса Цельсия. Предположительно в пластах мантии залегают редкие металлы и другие химические элементы, мало встречающиеся на поверхности планеты. Очередное открытие специалистов потрясло научный мир: оказалось, что мантия содержит большее количество жидкости, чем Мировой океан и если бы эти запасы выплеснулись на поверхность планеты, то уровень воды поднялся бы на 800 метров. В отличие от верхнего слоя, нижняя мантия твёрдая и в ней залегают пласты алмазов и перидотов, которые периодически оказываются на поверхности благодаря извержениям вулканов. Недавно японские учёные заявили, что нашли место в океане, где слои наружных пород создают тонкий пласт, который несложно пройти и добраться до мантии. Сейчас специалисты разрабатывают оборудование, которое бы выдержало давление глубинных вод и сверхвысокие температуры, так как температура жидкой верхней мантии составляет 800 градусов Цельсия, а ближе к центру показатель увеличивается до 2000 градусов.

Предположения о ядре

Самым загадочным является ядро Земли, которое тоже состоит из двух типов вещества. Верхняя часть находится в жидком состоянии, а нижняя — твёрдый металл. Между слоями находится пограничная зона, где вещество постепенно из жидкого переходит в твёрдое. Верхнее ядро составляет по протяжённости 2 266 км, а диаметр второго слоя равен 1300 км. В нём температурный показатель лавы достигает отметки в 5 960 градусов Цельсия, но данные являются приблизительными, так как этот геологический участок Земли не исследован.

Кроме светил науки, предположить, что же происходит в центре Земли, пытаются и писатели-фантасты. Некоторые считают, что внутри планеты, населённой людьми, есть жизнь и светит своё внутреннее солнце. Древние цивилизации попали под землю, когда спасались от глобальной катастрофы планетарного масштаба, которая грозила стереть всё живое с лица планеты. Но учёные сомневаются в подобном варианте, так как, если верить подсчётам, давление внутри космического тела составляет 114 миллионов атмосфер, а это не подходящий для жизни показатель.

На уроках географии за 5−6 класс школьники изучают различные схемы устройства Земли. Пластиковые макеты срезов поверхности планеты и схематические рисунки наглядно показывают этапы формирования земной коры, порядок расположения и строение пластов планеты в целом. Предлагают сравнить данные и научиться представлять её развитие. Карта залегания пластов земных пород демонстрирует, какой состав литосферы в районе и где располагаются стыки плит. Учителя часто задают загадки по типу кроссвордов, где нужно угадать, сколько букв содержится в том или ином названии слоя Земли.

Воздушные слои Земли

  • тропосферу;
  • стратосферу;
  • мезосферу;
  • термосферу;
  • экзосферу.

На расстоянии от 8 до 18 км от поверхности планеты располагается тропосфера. Именно эта прослойка содержит большую часть воздушных запасов, необходимых для дыхания земных обитателей. В тропосфере образуются облака, происходит движение самолётов и можно наблюдать различные атмосферные явления. Расстояние от стратосферы до поверхности Земли составляется 50 км, а её толщина — 40 км. Содержание кислорода на этом этапе удаления от планеты ниже. В мезосфере наблюдается значительное понижение температуры. Воздушная прослойка берёт своё начало на высоте в 50 км от поверхности планеты и тянется на 80 км. В термосфере температура окружающей среды увеличивается. Находясь над поверхностью в 200−300 км, воздушный пласт является предпоследним перед безвоздушным пространством. Экзосфера постепенно переходит в космос.

Земной магнит

Кроме внешних и внутренних составляющих, неотъемлемыми частями Земли являются её магнитные полюса. Астрофизики доказали, что благодаря им планета избегает смертельного солнечного ветра, а население не страдает от космического излучения. Мощность Солнца, которым оно награждает космический объект, населённый людьми, составляется 1350 Вт/м2. Магнетизм планеты появился по предварительным подсчётам 4,2 миллиарда лет назад. Геомагнитное поле состоит из трёх частей: главное, мировые аномалии и внешнее. Главный земной «магнит», иногда может называться «основным», состоит из вещества, которое расположено во внешнем наружном ядре. Его процентный показатель составляет 90%.

Новые опыты показали, что поля мировых аномалий состоят из твёрдых составляющих, неравномерно расположенных на различных участках планеты. Аномальными они названы потому, что проявляют себя нерегулярно и их определение относится к подобию «охоты» с компасом и приборами.

Внешнее магнитное поле образуется потоком плазмы в ионосфере. Чем дальше от Земли, тем неравномерней будет внешний магнитный щит, который сжимается под воздействием солнечных ветров, а за планетой магнитосфера превращается в вытянутый хвост. Понятие об этом наиболее распространено в современной астрофизике. Намагниченные части планеты периодически, раз в несколько тысяч лет, меняют местоположением. В наше время процесс этот уже запущен, и учёные подсчитали, пока полюса будут меняться местами, на Земле могут активизироваться процессы, дестабилизация которых способна привести к масштабным катастрофам. Подобное случалось раньше, и история хранит сведения о Всемирном потопе или резком вымирании динозавров. Некоторые специалисты уверены, что несколько раз существование цивилизации уже подвергалось полному уничтожению. Всё начиналось с того, что маленький катаклизм приводил к полному исчезновению различных видов, населявших планету в разные эпохи. Почему планета меняет местами магнитные полюса и зачем этот процесс повторяется с завидной регулярностью до конца неясно. Люди летают в космос, но до сих пор не могут устроить экспедицию к недрам земли и понять, каково её строение в действительности.

Как ученые получают сведения о внутреннем строении Земли?

Есть законы, позволяющие предсказать поведение вещества в различных условиях, есть какие-то начальные условия — данные "с поверхности" (состав коры, размеры/масса земли), данные с сейсмологических станций, данные геологов, фазовые диаграмы веществ, и есть какие-то представления об образовании планеты из кучи пыли и газа — можно оценить, какие элементы в каком количестве и на какой глубине окажутся. Объединяем всё это, получаем какое-то решение, делаем выводы..

Изначально предположение о существовании ядра было очень простым — берём второй закон Ньютона, берём закон тяготения, берём размеры Земли — получаем среднюю плотность, и обнаруживаем, что она существенно больше чем плотность пород земной коры. Отсюда вполне естественно сделать вывод, что где-то в недрах находится область, в которой плотность вещества существенно выше. Далее из сообраений симметрии не штука понять, что "где-то" это в центре. Затем сейсмологи обнаружили, что глубокие недра не пропускают поперечных волн — значит недра жидкие. Далее можно сообразить, что в жидком ядре происходит распределение веществ по плотности — более тяжёлые в среднем тонут. Ну и, наконец, имея примерные представления о распределении плотности и массе не сложно оценить давление, по давлению и плотности — температуру, по давлению и температуре — состояние вещества, ибо фазовых диаграм разных веществ есть в избытке. Разумеется, всё описанное очень поверхностно и требует кучи уточнений, но, надеюсь, как минимум даёт представления о том, что исследовать недра по каким-то косвенным признакам — вобщем-то, хоть и сложная, но реальная задача.

Сложные экспериментальные и теоретические исследования, проводимые в течение последнего десятилетия в Институте физики высоких давлений РАН (Троицк) под руководством доктора физико-математических наук Вадима Бражкина, легли в основу новой гипотезы о строении ядра Земли. Поведение жидких металлов при давлениях в сотни тысяч атмосфер наводит на мысль, что внутреннее ядро Земли находится в состоянии сильно вязкой жидкости, близкой по свойствам к стеклу, а не в твердокристаллической форме, как принято считать до сих пор. Выводы ученых о состоянии вещества при условиях высокого сжатия, в котором пребывает свыше 90% материи во Вселенной, могут пролить свет на многочисленные загадки астрофизики и планетологии.

Среди различных объектов, исследованных физиками, особый интерес представляют металлы, в частности железо, из которого состоит ядро Земли. Для исследований жидкого железа при давлении, сопоставимом с тем, что имеет место в центре Земли, ученые используют специальные алмазные камеры размером в несколько микрон. Микроскопический объем сжатого вещества изучают при помощи лазерных лучей. В ходе экспериментов удалось определить такие малоизученные свойства сжатых жидких металлов, как вязкость и диффузию. До настоящего времени считали, что вязкость жидкостей при сжатии практически не меняется. Работа физиков доказала, что с ростом давления вязкость жидкого железа возрастает в миллиарды раз. Это значит, что, по всей вероятности, внутреннее ядро Земли находится не в кристаллическом, а в аморфном состоянии и похоже на загустевший мед или стекло.

Новая теория хорошо согласуется с поведением сейсмических волн на границе внешнего и внутреннего ядра. Ведь в частотном диапазоне сейсмических волн аморфное вещество проявляет себя так же, как твердое. В. Бражкин предполагает, что температура вещества в центре Земли все еще не опустилась ниже точки плавления и, с учетом новых экспериментальных данных по вязкости жидких металлов, версия загустевшего, а не кристаллического ядра становится более реальной. Высокие значения вязкости внешнего ядра Земли могут объяснить тот факт, что до сих пор не удается наблюдать свободные колебания внутреннего ядра под действием приливных сил Луны.

Для физиков высокого давления факт стабильного существования высоковязких металлов при определенных условиях — большое открытие. Астрофизики и планетологи считают, что оно повлечет за собой пересмотр многих моделей, рассчитывающих эволюцию и движение вещества внутри небесных тел, генерацию их магнитного поля. Ведь смесь водорода и гелия, из которой состоят звезды и планеты-гиганты, при давлении в десятки миллионов атмосфер также представляет собой жидкий ультравязкий металл. От абсолютных значений вязкости земных недр зависят быстрые колебания земной оси. Информация о вязкости недр важна и при исследованиях вынужденных колебаний Земли, приливных сил, вращения нашей планеты вокруг своей оси.

дьявольские возлюбленные дата выхода серий

часодеи ролевая игра

кино онлайн я четвертый 2

Ссылка на основную публикацию
×
×
Adblock
detector