Планета Земля и Луна
Заходите к нам на форум: задавайте вопросы - получайте ответы!
Исследование Солнечной Системы - Земля и Луна
 Планета Земля
Внутреннее строение
Страница: Природный рактор, Земное ядро;
Планета ЗЕМЛЯ
Внутреннее строение Земли

Земное ядро

    В марте 1997 года под конец рабочего дня пятницы инженеру NASA Кену Лабелу (Ken LaBel) позвонили из группы, занимающейся космическим телескопом «Хаббл». Возникла проблема с только что установленным на него оборудованием.
    Когда «Хаббл» пролетал над побережьем Бразилии, в его электронике возникали опасные токи, грозившие необратимыми повреждениями. Как заметили инженеры NASA, на других участках орбиты телескопа проблем не было, они случались только над Южной Америкой. «В течение недели с этой ситуацией столкнулись дважды, и не хотелось, чтобы она повторилась цнова», — говорит Лабел.
    Астронавты только что установили новое оборудование: спектрометр для измерения свойств приходящего света и инфракрасную камеру. Они предназначались для, важного эксперимента NASA, разработанного, чтобы проникнуть под завесу межзвездных облаков газа и пыли и попытаться раскрыть тайны первых дней нашей Вселенной, Оборудование стоило космическому агентству 136 млн. долларов.

ЗЕМНОЕ ЯДРО

    Для группы, которая создавала эти инструменты, на кону стояли несколько лет работы. «Беда была в том, что проблема могла оказаться гибельной для этих устройств; они просто вышли бы из строя», — рассказывает Лабел.
    Разобраться в происходящем было жизненно важно. Но когда ответ нашелся, объяснение того, что случилось, оказалось связанным с удивительными изменениями, происходящими не в космосе, а глубоко внутри земного ядра. В результате группа не только спасла аппаратуру, но и раскрыла новые секреты ядра нашей планеты.

Навигация и защита

    О других планетах Солнечной системы нам известно больше, чем о центре Земли. Из космоса наша планета может казаться безмятежным голубым шариком, и только вулканы и землетрясения напоминают людям о том, что под земной корой протекают турбулентные процессы колоссальной разрушительной силы. И этот скрытый мир сильнейшим образом влияет на нашу жизнь.
    Ядро отвечает за генерацию земного магнитного поля, задающего положение северного и южного магнитных полюсов. Соединяющие их магнитные силовые линии помогают морякам и перелетным птицам пересекать океаны. Но роль магнитного поля далеко не ограничивается навигацией. Оно служит гигантским щитом нашей планеты, отклоняющим заряженные частицы, посылаемые Солнцем. Если бы не этот щит, мы подвергались бы куда более высокому уровню облучения, а наша атмосфера истончалась бы под воздействием солнечного ветра (см. врезку «Чем мы обязаны земному ядру»). Таким образом, сама жизнь на Земле зависит от магнитного поля, порождаемого ядром планеты.

Познание ядра

    Ученых давно волнуют загадки земного ядра, но его изучение сталкивается с одним очевидным и, по-видимому, непреодолимым препятствием; прямые его наблюдения невозможны. Огромная температура и давление не оставляют исследователям ни единого шанса на то, чтобы посмотреть на него вблизи (см. врезку «Сможем ли мы когда-нибудь добраться до земного ядра?»).
    И тем не менее любопытные геофизики по всему миру стали проникать в тайны ядра благодаря новым технологиям и ряду многообещающих экспериментов. Кроме того, Земля предоставляет человечеству для изучения своих «внутренностей» полезный инструмент — землетрясения. «Сейсмология — фактически лучшее средство для изучения недр планет, — рассказывает сейсмолог, профессор Рик Эстер (Rick Aster) из Института горного дела и технологии в Соккоро, штат Нью-Мексико (США). — Это единственный метод, которым мы располагаем для изучения земных глубин в любых подробностях. Если бы не сейсмология, мы мало что могли бы сказать о внутреннем устройстве Земли».

Профессор Рик Эстер со своей группой изучает сейсмические волны для выяснения состава земного ядра.
ЗЕМНОЕ ЯДРО

    Сейсмические волны, порождаемые землетрясениями, бывают двух типов: поверхностные волны, бегущие вокруг планеты по ее коре, и объемные, проходящие прямо через центр Земли и выходящие на противоположную сторону. Именно объемные волны наиболее интересны тем, кто пытается изучать ядро Земли, и они тоже бывают разных видов. Первичные, или P-волны, распространяются быстро, сжимая и растягивая частицы горных пород в направлении своего движения. Медленнее движущиеся вторичные S-волны сдвигают частицы пород перпендикулярно направлению своего распространения.
    Очень важно то, что в отличие от Р-волн S-волны могут проходить только по твердому веществу. Эти два вида волн, подобно свету, с разными скоростями распространяются сквозь вещество разной плотности. И так же, как свет, они могут отражаться от границ между разными материалами. «Самым быстрым волнам требуется всего 22 минуты, чтобы пересечь планету от полюса до полюса прямо через земное ядро, — отмечает Эстер. — Прохождение этих волн сквозь планету позволяет сейсмологам построить нечто наподобие рентгенограммы земных недр».


    Исследование внутреннего строения нашей планеты
    Наш мир похож на луковицу, он состоит из множества слоев, которые образовались в основном на ранней стадии истории Земли, когда недра были достаточно горячими для плавления железа. Гравитация заставила большую часть железа вместе с другими тяжелыми элементами, такими как никель, погрузиться к центру планеты и сформировать ее ядро.

    КОРА
    Кора сложена из минералов низкой плотности, богатых кремнием. Под океанами, разумеется, она значительно тоньше.

    ЛИТОСФЕРА
    Кора и верхняя часть мантии образуют литосферу. Эта хрупкая оболочка состоит из тектонических плит.

    АСТЕНОСФЕРА
    Область верхней мантии, где горные породы плавятся, образуя магму. Тектонические плиты «плавают» на поверхности этого ^горячего пластичного слоя.

    МАНТИЯ
    Мантия — это горячие кремниевые минералы, обогащенные железом и магнием. Медленная конвекция в ней приводит тектонические плиты в движение.

    ВНЕШНЕЕ ЯДРО
    Конвекция в этом слое жидкого железа и никеля порождает земное магнитное поле, без которого жизнь сильно отличалась . бы от известной нам.

    ВНУТРЕННЕЕ ЯДРО
    Давление здесь такое большое, что, несмотря на невероятную температуру, железо и никель находятся в твердом состоянии.
СЛОИ ЗЕМЛИ

    Одно из наиболее загадочных для современной геофизики открытий состоит в том, что скорость объемных волн зависит от их направления. Как это ни странно, но с севера на юг они распространяются быстрее, чем с запада на восток. Если говорить еще точнее, измерения показывают, что скорость сейсмических волн в направлении от полюса к полюсу на 3% выше, чем поперек экватора.
    Это наблюдение показывает, что ядро не просто металлическая сфера. Очевидно, что у него есть различия по направлениям, как в куске дерева. Иными словами, оно анизотропно. Так что ядро Земли и впрямь оказывается весьма странным местом.

Воссоздание ядра

    Профессор Ки Хироси из Токийского технологического института (Япония) считает, что раз путешествие к центру Земли никак невозможно, то единственное и лучшее, что нам остается, — это попробовать выстроить его модель в более удобных для изучения условиях. Условно говоря, создать образ ядра прямо в научном институте. «Нам, конечно, не побывать в ядре Земли, но мы можем воспроизвести соответствующие условия в лаборатории, — говорит Хироси. — Поскольку в этом тоже есть что-то от путешествия к центру Земли, я бы хотел быть первопроходцем и постараться первым туда попасть».
    Создание дубликата ядра было колоссальной проблемой. Хироси пришлось построить машину, которая поддерживала давление в три миллиона раз выше атмосферного при температуре, превосходящей 4700 °С. Он стремился получить железоникелевый образец с таким же химическим составом, как и в ядре, и внимательно изучить его изменения в экстремальных условиях.

    Ядро Земли оказывает огромное влияние на нашу жизнь; без него и самой жизни бы не было.

    Кажется невероятным, что нечто, находящееся почти в 3000 км под ногами, влияет на многие стороны нашей жизни. Без ядра, однако, весьма сомнительно, чтобы мы, — а возможно, и любые живые существа, — вообще появились на Земле. Тепло внутреннего ядра в сочетании с вращением Земли порождает водовороты в океане жидкого металла, образующего внешнее ядро. Подобно динамо-машине оно генерирует мощное магнитное поле, которое защищает нашу планету от бомбардировки заряженными частицами солнечного ветра. Это поле также способствует удержанию атмосферы и помогает в навигации.

    Защитный пузырь магнитосферы, создаваемый земным магнитным полем, мешает непрекращающемуся потоку частиц, несущихся со стороны Солнца, постепенно сдувать и истончать нашу атмосферу. Без этой защиты быстрые заряженные частицы солнечного ветра беспрепятственно вышибали бы в космос частицы атмосферы. В итоге нам досталась бы тонкая газовая оболочка, куда менее пригодная для поддержания жизни.

    Если бы не было магнитного поля, не было бы и компасов. Характер магнитного поля примерно такой, как если бы в центре Земли находился намагниченный стержень, один конец которого смотрит примерно на север, а другой — на юг. Именно на это поле откликается стрелка компаса. Но «магнитный стержень» не выставлен строго по земной оси, а несколько наклонен к ней и смещен от центра.

    Предположительно в среднем каждые 300 тыс. лет северный и южный магнитные полюсы меняются местами, хотя последняя такая переполюсовка случилась примерно 800 тыс. лет назад. Это происходит из-за перемен в хаотических потоках горячего металла во внешнем ядре, и никто не знает, почему и когда случится очередной переворот магнита. Некоторые исследователи ядра, например профессор Дэн Лэтроп из Мэрилендского университета (США), считают, что этот процесс уже начался.

    В результате моделирования на суперкомпьютере, выполненного в Калифорнийском университете (США), обнаружилось, что при смене полярности новые магнитные полюсы могут появиться где угодно, вызывая хаос в навигации. Защита, которую обеспечивает нашей планете магнитное поле, тоже будет ослаблена.
ЧЕМ МЫ ОБЯЗАНЫ ЗЕМНОМУ ЯДРУ

    «Это было весьма непросто. Я бы назвал это сумасшедшей затеей, но она того стоила», — говорит Хироси. Он проводил свой эксперимент на синхротроне SPring-8 в японской префектуре Хиого, где имеется современное рентгеновское оборудование, позволяющее наблюдать любые изменения в кристаллической структуре металла.
    Для получения давления он создал инструмент из самого твердого известного человеку природного материала — алмаза. Образец из железа и никеля помещался между двумя алмазными наковальнями и сжимался до тех пор, пока давление не становилось таким же большим, как и внутри земного ядра. Чтобы добиться такого состояния алмаза, требовалась очень осторожная кропотливая работа. Первое время у японских ученых было немало хлопот и откровенных неудач, когда торцы алмазов попросту разрушались.

Алмазные наковальни с лазерным подогревом используются профессором Ки Хироси для воссоздания условий, как в центре Земли
ЗЕМНОЕ ЯДРО

    Для воссоздания температуры ядра использовался лазер, нагревавший металл. Чтобы получить условия, аналогичные состоянию в ядре Земли, потребовалось больше 10 лет. Рассказывает Хироси: «Повышение температуры оказалось особенно сложным делом. Мы долго готовим образец, но самый интересный момент длится всего несколько минут».
    Рентгеновские изображения, полученные за те недолгие минуты, на которые Хироси удавалось воспроизвести на своей установке условия земного ядра, демонстрировали удивительные изменения в кристаллической структуре металла. К примеру, в одном из экспериментов кристаллы выросли в размерах в 1000 раз. И, что не менее важно, они при этом сохраняли стабильность.
    Это привело Хироси к поразительному выводу о строении ядра: «Существует внутреннее ядро, в котором имеется небольшое ч исло очень-очень больших кристаллов». Он считает, что размеры таких внутренних кристаллов в центре Земли могут достигать 10 км в длину и образовывать во внутреннем ядре планеты «похожую на лес структуру», вытянутую с севера на юг. «Это было просто потрясающе. Мы предприняли множество попыток, и все неудачные. Но наконец мы попробовали новую форму алмазов, и у нас всё получилось», — рассказывает Хироси.
    Такая кристаллическая структура дает объяснение сейсмической аномалии, из-за которой колебания от землетрясений с севера на юг идут быстрее, чем поперек экватора. Обычно волны быстрее распространяются вдоль граней кристаллов, чем поперек них.
    Это лишь начало работы Хироси. Со своими алмазными наковальнями он теперь может создавать практически любые материалы, встречающиеся вблизи центра Земли. Это настоящий прорыв в понимании мира, скрытого в глубинах нашей планеты.

Магнитные тесты

    В 11 тыс. км от Хироси другой ученый, профессор Дэн Лэтроп (Dan Lathrop), работает в своей лаборатории в Мэрилендском университете (США) над созданием модели земного ядра — хоть и не в натуральную величину, но внушительной трехметровой высоты и весом в 22 тонны. Он намерен использовать ее для изучения того, как ядро влияет на земное магнитное поле.

Профессор Дэн Лэтроп построил масштабную модель земного ядра для изучения свойств его магнитного поля.
ЗЕМНОЕ ЯДРО

    Исследователи связывают возникновение магнитного поля с миллионами тонн жидкого металла во внешнем ядре, движущимися над внутренним ядром и создающими динамо-эффект. Но порождаемое ими магнитное поле далеко не простое. «Люди думают, что магнитное поле — это просто север и юг, — говорит Лэтроп. — В действительности все очень запутанно. Имеется общая крупномасштабная структура. Но на нее наложены пятна слабого и сильного поля. И всё это сложным образом движется вокруг планеты, становясь в одних местах слабее, в других сильнее».
    Изменения земного магнитного поля вызваны переменами в потоках жидкого металла вокруг внутреннего ядра, в тысячах километров под поверхностью (см. врезку «Слои Земли»),
    Численную модель этих потоков во внешнем ядре не создать даже на суперкомпьютере. Приходится воспроизводить ее физически, и для этого Лэтроп разрабатывает свой аппарат. Это сфера, заполненная 12 тоннами жидкого натрия, которая вращается со скоростью 140 км/ч и демонстрирует сложные схемы течения жидкого металла и соответствующих изменений порождаемого им магнитного поля. Как сообщает сайт лаборатории, машина уже прошла проверку на воде, системы контроля натрия уже практически готовы. Скоро их заполнят жидким натрием, а позднее ожидается первая закрутка.

ФАКТЫ О ЯДРЕ
    5500°С
    Температура внутр. ядра Земли, она почти так же высока, как на поверхности Солнца.

    360
    ГПа — давление во внутреннем ядре, оно достигает почти 3,5 млн атмосфер.

    15%
    Объема Земли приходится на ядро, но оно дает 30% массы планеты.

    7000 км
    Примерныи диаметр земного ядра: по размеру оно сопоставимо с Марсом.
ФАКТЫ О ЯДРЕ

    «Изменения, которые мы видим в земном магнитном поле, указывают на бурную, турбулентную погоду внутри ядра, — рассказывает Лэтроп. — Когда я говорю об этом, то имею в виду более быстрые изменения, чем те, что обычно испытывает Земля».
    Довольно жутко думать о том, что в тысячах километров под нами, в земном ядре, бушует колоссальное море жидкого металла. Это и есть те процессы, которые поставили под угрозу инфракрасную камеру телескопа «Хаббл» и подняли Лабела из-за рабочего стола в конце одной из пятниц 1997 года.

Загадка внутри

    Команда «Хаббла» обнаружила, что всплески тока появляются в космосе над зоной, известной как Южно-Атлантическая аномалия. Она очень важна и хорошо известна всем, кто занимается космическими исследованиями. Эта область на высоте примерно 500 км простирается от берегов Южной Африки до дальней части Южной Америки. Ее сравнивают с Бермудским треугольником из-за некоторых странных явлений, но в отличие от последнего картина событий здесь не вызывает сомнений.

Южно-Атлантическая аномалия вызывает отказы оборудования на спутниках.
ЗЕМНОЕ ЯДРО

    Несколько спутников, пролетавших через аномалию, вышли из строя. Здесь нарушалась работа компьютеров космических челноков. Самое странное, что астронавты, пролетая через эту зону, сообщали, что видят падающие звезды даже с закрытыми глазами.
    Через две недели после звонка Лабел собрал свою группу в Ядерной лаборатории им. Крокера при Калифорнийском университете в Дэвисе (США). Они привезли тестовое оборудование, чтобы смоделировать условия над Южно-Атлантической аномалией и проследить за ее влиянием на электронику «Хаббла».

Модель переполюсовки магнитного поля Земли, которая может быть вызвана изменениями в ядре планеты.
ЗЕМНОЕ ЯДРО

    Наблюдения установили, что магнитное поле в зоне Южно-Атлантической аномалии значительно слабее, чем в любом другом районе планеты. Это создает угрозу для электроники космических аппаратов, поскольку ослабленное поле позволяет разрушительным излучениям глубже проникать в земную атмосферу. На пути спутников оказывается больше субатомных частиц (протонов).

Работа оборудования, установленного на «Хаббле», оказалась под угрозой из-за Южно-Атлантической аномалии
ЗЕМНОЕ ЯДРО

    Лабел решил выяснить, насколько электроника «Хаббла» чувствительна к этим протонам, и обнаружил, что проблема связана с оптроном телескопа — устройством, которое должно предотвращать сильные или быстрые перепады напряжения между различными частями электронных цепей. «Данные указывали на то, что этот элемент чрезвычайно чувствителен к протонам, возможно, даже в большей степени, чем мы ожидали», — рассказывает Лабел. Разобравшись в причинах сложившейся ситуации, специалисты NASA решили перед входом «Хаббла» в аномалию отключать несколько высоковольтных инструментов.
    Слабое магнитное поле в зоне Южно-Атлантической аномалии дает ученым важную информацию о том, что на самом деле происходит внутри земного ядра. «Это место, где земное магнитное поле особенно ослаблено и становится все слабее на протяжении последних десятилетий», — говорит Лэтроп.
    Эти перемены на поверхности должны вызываться изменениями потоков жидкого металла в ядре, в области, расположенной прямо под аномалией. «Заглянув глубоко внутрь Земли, можно увидеть, что в этой зоне на границе ядра земное магнитное поле уже поменяло свою полярность», — объясняет Лэтроп. Так, в ядре происходит переполюсовка магнитного поля, проявляющаяся в его ослаблении у поверхности.

    Благодаря фантазии голливудских продюсеров и впечатляющей компьютерной графике, путешествия к центру Земли стали легкодоступным делом, что и было показано в фильме «Земное ядро» в 2003 году. В действительности, однако, подобная экскурсия была бы ошеломляюще трудна, чтобы не сказать совершенно невозможна. Достаточно того, что проникновение на любое расстояние вглубь Земли требует в миллиарды раз больше энергии, чем отправка ракеты в космос.
    Впрочем, это обстоятельство не помешало профессору Дэвиду Стивенсону (David Stevenson), планетологу из Калифорнийского технологического института (США), набросать шуточный план отправки в ядро зонда размером с грейпфрут. Такой зонд должен был бы погрузиться в течение недели вглубь земной коры сквозь трещину, образованную ядерными зарядами, с помощью мощного потока расплавленного железа.
    Трудность этого плана состоит в том, что не существует материала, способного выдержать температуру и давление, с которыми пришлось бы столкнуться такому зонду. Невероятным выглядит также сохранение трещины в пластичной мантии достаточно долгое время, не говоря уже об астрономической стоимости такого проекта и ущербе, который нанесут окружающей среде ядерные взрывы.
    Так что, скорее всего, люди гораздо раньше высадятся на поверхность планеты у другой звезды, чем какой-нибудь искусственный аппарат достигнет центра нашего мира.
ЗЕМНОЕ ЯДРО

    Актуален вопрос: не разовьется ли данная локальная переполюсовка в глобальную, при которой северный и южный магнитный полюсы поменяются местами. В прошлом это случалось неоднократно, причем последний раз около 800 тыс. лет назад. Некоторые ученые, как и Лэтроп, полагают, что этот процесс уже начался, но твердо в этом никто не уверен. Другая неопределенность связана с тем, как эта переполюсовка отразится на нас, ведь прошлую никто из людей не застал. Ясно, однако, что если магнитосфера изменится, то и спутники, и электронное оборудование здесь на Земле непременно это ощутят.
    За последние годы мы значительно продвинулись в понимании ядра Земли и его влияния на нашу жизнь. Но нам предстоит еще долгий путь, и чем больше мы узнаем, тем яснее становится необходимость докопаться до сути процессов, протекающих в центре Земли.

Электроника и производство печатных плат, заказывайте!
2005 - , Проект "Исследование Солнечной системы"
Открыт 15.12.2005, E-mail: lobandrey@yandex.ru