на каком расстоянии находится ядро земли
Внутреннее строение Земли. Мир удивительных тайн в одной статье
Внутреннее строение Земли
Планета Земля состоит из трех основных слоев: земной коры, мантии и ядра. Можно сравнить земной шар с яйцом. Тогда яичная скорлупа будет представлять собой земную кору, яичный белок — мантию, а желток — ядро.
Земная кора
Земная кора — это каменная оболочка, которая покрывает всю поверхность нашей планеты. Под океанами ее толщина не превышает 15-ти километров, а на материках — 75-ти. Если вернуться к аналогии с яйцом, то земная кора по отношению ко всей планете тоньше, чем яичная скорлупа. На долю этого слоя Земли приходится всего 5% объема и менее 1% массы всей планеты.
В составе земной коры ученые обнаружили оксиды кремния, щелочных металлов, алюминия и железа. Кора под океанами состоит из осадочного и базальтового слоев, она тяжелее континентальной (материковой). В то время как оболочка, покрывающая континентальную часть планеты, имеет более сложное строение.
Выделяют три слоя континентальной земной коры:
осадочный (10-15 км в основном осадочных пород);
гранитный (5-15 км метаморфических пород, по свойствам схожих с гранитом);
базальтовый (10-35 км магматических пород).
Мантия
Под мантией, словно под покрывалом, располагается земное ядро. Оно находится в 2900 км от поверхности планеты. Ядро имеет форму шара радиусом около 3500 км. Поскольку людям еще не удалось добраться до ядра Земли, о его составе ученые строят догадки. Предположительно, ядро состоит из железа с примесью других элементов. Это самая плотная и тяжелая часть планеты. На нее приходится всего 15% объема Земли и аж 35% массы.
Считается, что ядро состоит из двух слоев — твердого внутреннего ядра (радиусом около 1300 км) и жидкого внешнего (около 2200 км). Внутреннее ядро словно бы плавает во внешнем жидком слое. Из-за этого плавного движения вокруг Земли образуется ее магнитное поле (именно оно защищает планету от опасных космических излучений, и на него реагирует стрелка компаса). Ядро — самая горячая часть нашей планеты. Долгое время считалось, что температура его достигает, предположительно, 4000-5000°C. Однако в 2013 году ученые провели лабораторный эксперимент, в ходе которого определили температуру плавления железа, которое, вероятно, входит в состав внутреннего земного ядра. Так выяснилось, что температура между внутренним твердым и внешним жидким ядром равна температуре поверхности Солнца, то есть около 6000 °C.
Строение нашей планеты — одна из множества неразгаданных человечеством тайн. Большая часть информации о нем получена косвенными методами, еще ни одному ученому не удалось добыть образцы земного ядра. Изучение строения и состава Земли по-прежнему сопряжено с непреодолимыми трудностями, но исследователи не сдаются и ищут новые способы добыть достоверные сведения о планете Земля.
Методические рекомендации
При изучении темы «Внутреннее строение Земли» у учащихся могут возникать трудности с запоминанием названий и очередности слоев земного шара. Латинские наименования будет намного легче запомнить, если дети создадут собственную модель Земли. Можно предложить ученикам выполнить модель земного шара из пластилина или рассказать о его устройстве на примере фруктов (кожура — земная кора, мякоть — мантия, косточка — ядро) и предметов, имеющих схожую структуру. Поможет в проведении урока учебник География. 5-6 классы О.А.Климановой, где вы найдете красочные иллюстрации и подробные сведения по теме.
Ядро Земли
Ядро́ Земли́ — центральная, наиболее глубокая часть планеты Земля, геосфера, находящаяся под мантией Земли и, предположительно, состоящая из железо-никелевого сплава с примесью других сидерофильных элементов. Глубина залегания — 2900 км. Средний радиус сферы — 3,5 тыс. км. Разделяется на твердое внутреннее ядро радиусом около 1300 км и жидкое внешнее ядро радиусом около 2200 км, между которыми иногда выделяется переходная зона. Температура в центре ядра Земли достигает 5000 С, плотность около 12,5 т/м³, давление до 361 ГПа (3,7 млн атм). Масса ядра — 1,932·10 24 кг.
Известно о ядре очень мало — вся информация получена косвенными геофизическими или геохимическими методами. Образцы вещества ядра недоступны.
Содержание
Обычное заблуждение
История изучения
Вероятно, одним из первых предположение о существовании внутри Земли области повышенной плотности высказал Генри Кавендиш, который вычислил массу и среднюю плотность Земли и установил, что она значительно больше, чем плотность, характерная для пород, выходящих на земную поверхность.
Существование было доказано в 1897 году немецким сейсмологом Э. Вихертом, а глубина залегания (2900 км) определена в 1910 году американским геофизиком Б. Гутенбергом.
Основоположник геохимии В. М. Гольдшмидт в 1922 году предположил, что ядро образовалось путём гравитационной дифференциации первичной Земли в период её роста или позже.
Альтернативную гипотезу, что железное ядро возникло ещё в протопланетном облаке, развивали немецкий учёный А. Эйкен (1944), американский учёный Е. Орован и советский учёный А. П. Виноградов (1960-е—70-е годы).
В 1941 году Кун и Ритман, основываясь на гипотезе идентичности состава Солнца и Земли и на расчетах фазового перехода в водороде, предположили, что земное ядро состоит из металлического водорода. Эта гипотеза не прошла экспериментальную проверку. Эксперименты по ударному сжатию показали, что плотность металлического водорода примерно на порядок меньше, чем плотность ядра. Однако позже эта гипотеза была адаптирована для объяснения строения планет-гигантов — Юпитера, Сатурна и других. Сейчас [когда?] предполагается, что магнитное поле таких планет возникает именно в металлическом водородном ядре.
Кроме того В. Н. Лодочников и У. Рамзай предположили, что нижняя мантия и ядро имеют одинаковый химический состав — на границе ядро-мантия при 1.36 Мбар мантийные силикаты переходят в жидкую металлическую фазу (металлизованное силикатное ядро).
Состав ядра
Состав ядра непосредственно неизвестен, и может быть предположительно оценён из нескольких источников. Во-первых, видимо, наиболее близкими веществу ядра образцами являются железные метеориты, которые, представляют собой фрагменты ядер астероидов и протопланет. Однако железные метеориты не могут быть полностью эквивалентны веществу земного ядра, так как они образовались в гораздо меньших телах, а значит при других физико-химических параметрах.
С другой стороны, из данных гравиметрии известна плотность ядра, и это накладывает на его состав дополнительные ограничения. Так как плотность ядра примерно на 10 % меньше, чем плотность сплавов железо-никель, то предполагается, что ядро Земли содержит больше легких элементов, чем железные метеориты.
Наконец, состав ядра можно оценить, исходя из геохимических соображений. Если каким-либо образом рассчитать первичный состав Земли и вычислить, какая доля элементов находится в других геосферах, то тем самым можно построить оценки состава ядра. Большую помощь в таких вычислениях оказывают высокотемпературные и высокобарические эксперименты по распределению элементов между расплавленным железом и силикатными фазами.
О.Г. Сорохтин предложил гипотезу о составе внешнего ядра из так называемого «ядерного вещества», не существующего при нормальных условиях. «Ядерное вещество» представляет собой оксид одновалентного железа Fe2O. При давлении 250-300 ГПа «ядерное вещество» разлагается на железо и кислород, поэтому внутреннее ядро, давление в котором превышает упомянутое значение, состоит из железа с примесью никеля. По мнению Сорохтина, со временем оксиды железа из мантии Земли под действием силы тяжести опускаются в ядро, превращаясь в «ядерное вещество». При этом выделяется кислород, причём по мере уменьшения количества оксидов железа в мантии его выделяется всё больше. Часть этого кислорода поступает в атмосферу. До начала фанерозоя кислорода образовывалось крайне мало, затем увеличение его концентрации в атмосфере вызвало резкий всплеск развития жизни на Земле («кембрийский взрыв»). Но именно ещё большее увеличение парциального давления кислорода в атмосфере Земли через 500-600 миллионов лет (до значения порядка 0,5 МПа) вызовет глобальное потепление и вымирание всех живых организмов, а затем и полное выкипание океана задолго до превращения Солнца в красный гигант.
Какое расстояние до ядра Земли от поверхности?
Наша планета имеет форму шара, но она не идеально круглая, а скорее это сплюснутый эллипсоид. А значит расстояние до ядра Земли от поверхности в разных участках будет разной. Давайте высчитаем средний размер.
Как мы уже и говорили, наша Голубая планета имеет неидеальную форму шара. Но почему? А всё из-за вращения вокруг своей оси, которое и создаёт экваториальную выпуклость. Наш Мир приплюснут и разница диаметров между экваториальным и полярным будет целых 43 000 метров.
Но также на нашей планете есть горы и впадины, самой высокой горой считается Эверест, высота которого достигает 8848 метров. А самая глубокая впадина – это Марианская, глубиной 10 994 метров. Из всего этого следует, что земная кора нашего Мира неидеальная, расстояние до центра везде будет разной.
Чтобы ответить на заданный вопрос, нам надо знать средний радиус Земли, который соответствует 6371,0 км. Также мы знаем радиус ядра – это примерно 3500 км. Делаем нехитрые вычисления, округляем и получаем, что расстояние до ядра Земли от поверхности примерено 2900 км.
Конечно надо понять, что это всё весьма приблизительные цифры, первое, наша Мир имеет неровную поверхность, но также и то, что размыта грань, между ядром и мантией.
Человек ничто перед силами природы, нам кажется, что мы можем и знаем всё. Но это не так, даже живя в нашем прекрасном Мире, он до конца не изучен. Наука, и технический прогресс не может объяснить процессы, которые происходят глубоко в центре, а тем более добраться. Но, то что вчера было невозможно, сегодня это уже реальность.
Расстояние до центра Земли в км: сколько в километрах до ядра
Расстояние до центра Земли в км – неоднозначный параметр, к расчетам которого несколько по-разному подходят ученые развитых стран. О внутреннем строении собственной планеты и об особенностях ее вращения земляне, к сожалению, знают меньше, чем о ближайших космических телах. Сложные вычисления в мировой науке, проводимые регулярно в попытках выяснить, сколько километров до центра Земли, дают расхождения в цифрах.
Кратко о предыстории вопроса
Парадоксальность и настойчивость, с которой о внутреннем строении планеты витают самые невероятные гипотезы, легко объяснима разницей менталитетов, мировоззрений и возможностей проведения научных исследований. Человечество склоняется к разным вариантам.
В России и на территории бывшего Советского Союза используются цифры, полученные еще в 1940 году Феодосием Николаевичем Красовским, выдающимся советским астрономом, геодезистом, членом-корреспондентом Академии Наук СССР.
От расхожей, преподаваемой в школе научной версии, согласно которой у Земли есть кора, ядро и мантия, со всеми необходимыми сведениями для существования. И вплоть до невероятной, предполагающей, что внутри планеты имеются пустоты, в которых обитают странные и непонятные существа или располагается преисподняя.
У поисков ответа в этом очередном вопросе – сколько километров до ядра, есть свои теоретические, практические и даже мистические предпосылки:
Нумерологи и энтузиасты магии цифровых совпадений хотели бы ввести земной радиус в какую-нибудь категорию из разряда – все планеты Солнечной системы, вместе с Плутоном, поместить в 384000 км. Это расстояние до Луны, принятое за условную аксиому.
В поисках подобных закономерностей они закрывают глаза на существование других планет-карликов или на то, что Плутон исключен из разряда планет Солнечной системы.
А уж тем более их не интересуют предположения о существовании еще одной, регулирующей карликовые волнения. При утверждении о том, что Земля помещается в расстояние 384400 ровно 30 раз, они легко забывают о тысячах километров, остающихся после такого расположения.
Галактика
Млечный путь настолько далекий, что цифры не помещаются в голове у простого человека. Это тоже опосредованно влияет на Землю и на то, сколько километров составляет удаленность поверхности до центра. Согласно закону всемирного тяготения, каждое небесное тело во Вселенной влияет на соседние.
При большом желании найти взаимосвязь между настоящей формой Земли и Млечным путем достаточно просто. Это можно обнаружить при проведении вычислений траекторий, орбит или взаимодействий.
Первооткрывателем эллипсоида – модели планеты, более приближенной к реальности формы Земли, чем традиционный глобус, изображающий ее в форме шара, был Ф. Н. Красовский. Как и его выдающийся соавтор, А. А. Изотов, он был геодезистом. При этом Красовский был астрономом, а Изотов состоял во Всесоюзном астрономо-геодезическом обществе при Академии Наук СССР.
Это говорит о том, что еще перед Великой Отечественной люди, обладающие глубокими познаниями, прекрасно понимали невозможность изучения планеты отдельно от космоса, так же как и исследований космического пространства без глубоких познаний о строении, форме, скорости и орбите Земли.
Чтобы узнать, каково расстояние до условного центра шара, достаточно вычислить диаметр и разделить его пополам. Это простой и понятный способ проведения расчетов дистанции до центра Земли, при условии, что планета действительно имеет форму шара.
Но, находясь в перманентном движении, под влиянием крупных и мелких космических объектов, она была вынуждена изменить конфигурацию, а значит, и радиус может составлять в разных местах вариативные цифры.
Поскольку тогда космические исследования не проводились, а только планировались, необходимые сведения для определения истинной формы были проведены другим путем. Но уже первые данные с запущенного три десятилетия спустя искусственного спутника подтвердили правоту Изотова и Красовского.
Масштабы и модели Земли
Средняя цифра удаленности от поверхности до центра Земли весьма условна. Она составляет 6371,032 километра – это значение между экваториальным и полярным радиусами.
Если учесть, что наибольшая дистанция между поверхностью и центром составляет 6378,160 км (на экваторе), а наименьшее значение – 6356,777 км (на полюсе), то диапазон между большим и маленьким показателем будет целых 21383 км.
Нетрудно предположить, что на огромной территории поверхности Земли (510,2 миллиона кв. км) найдутся и другие многочисленны точки, где это расстояние будет варьироваться в разных пределах.
Оно может видоизменяться под влиянием тектонических сдвигов, измерений с вершины горы или океанских впадин, но на экваторе Земли будет наибольшим, а в Антарктиде – неизменно наименьшим. Для примирения разных научных точек зрения было принято определение – геоид.
Это форма Земли, сформировавшейся под влиянием собственной скорости вращения вокруг свой оси и вокруг центра массы Солнечной системы. На ее формирование оказало действие присутствие спутника, к тому же не одного. Особенно значительно повлияли ее два ближайших по космосу соседа, но и все остальные, ближние и дальние, тоже в этом поучаствовали.
Чтобы больше не затрудняться в поисках определений, выбрали новообразованное, на манер геометрических терминов. Гравитационное, магнитное и электрическое поля Земли, действительно, совместно оказали уникальное действие на ее очертания.
В поисках подходящего обозначения выдвигались – трехосный эллипсоид и сфероид. Научные школы были поставлены перед необходимостью выбирать более соответствующий истинному положению вещей.
Парадоксальность такого устройства состоит в том, что гора, расположенная на полюсе, высотой в 10 км находится ближе к центру планеты, чем такая же впадина в районе экватора.
Наглядный пример с горами тоже интересен: Джомолунгма, которая на 2,5 км выше экваториального пика Чимборасо, находится ближе к центру Земли на 2 км, потому что уровень моря на экваторе выше на четыре километра, чем в месте дислокации самой высокой точки Азии.
Ученые
Огромная заслуга в определении формы Земли и значения дистанции, чему же равно расстояние от центра до поверхности земного шара (который на самом деле вовсе не шар), принадлежит Советскому Союзу и его ученым.
Отметим некоторые факты:
По масштабам приводимых астрономо-геодезических измерений у Советского Союза не было конкурентов. К 1970 году, несмотря на колоссальные потери в Великой Отечественной войне, отбросившие благосостояние страны и ее науку на несколько десятилетий назад, всю территорию государства покрывали сети государственной триангуляции.
Результатом проводимых измерений можно назвать не только возможность рассчитать расстояние от поверхности до центра (условный радиус неправильного шара) в любом месте планеты, но и бесспорный приоритет СССР в исследовании космического пространства.
Итоги
Имя Феодосия Красовского присвоено одному из кратеров на лунной поверхности. Инициатором этого стал Международный астрономический союз. Эллипсоид, открытый отечественным гением картографии и геодезии, тоже получил название в честь открытия – эллипсоид Красовского.
Если бы не проведенные исследования, сведения о разных диаметрах и радиусах планеты, возможно, так и остались бы в числе неизвестных науке фактов, и они определялись бы по результатам общих вычислений.
Теперь, зная широту, экваториальный и полярный радиус, можно определить с похвальной точностью удаленность любой точки земной поверхности (неважно, гора это или впадина) от центра голубой планеты. Экваториальный радиус составляет 6378,160 км, а полярный – 6356,777 км.
Внутреннее и внешнее ядро Земли
Внешнее и внутреннее ядро Земли
Внутри каждого космического объекта, который смог приобрести шарообразную форму, находится ядро — причем иногда не простое, а многослойное. На громадной глубине даже самые привычные вещества вроде железа приобретают необычные свойства — разрастаются в гигантские кристаллы, становятся жидкими или начинают генерировать электрический ток. Внешнее и внутреннее ядро Земли прекрасно демонстрирует все эти аномалии — а еще оно стало первым в истории защитником жизни на планете.
Путь к ядру
Изучать ядро достаточно непросто — поверхность Земли и его верхнюю кромку разделяют 2900 километров. Непросто пробуриться на такие глубины — чем ниже опускаться под землю, тем выше растет температура. В Кольской скважине, которая пока остается самой глубокой, на глубине в 12 километров накал достигал 220°C! Уже при таких температурах сложно работать не только электронике, но и самой аппаратуре — ведь ее надо как-то опустить в скважину, а потом вынуть обратно.
Кольская сверхглубокая скважина
Однако в ученых остался метод, позволяющий достаточно точно рассчитать плотность и объем ядра Земли — сейсмография. Колебания, исходящие от поверхностных слоев планеты — вибрации землетрясений или импульсы ядерных взрывов — распространяются не только по поверхности Земли, но и уходят глубоко в недра. Там они преломляются, увеличивая свою скорость прохождения — как преломляются световые волны, проходя через стекло или воду. Именно по тому, как изменяется сейсмическая волна при прохождении через планету, ученые сумели получить точные физические параметры ядра.
Схема движения сейсмических волн в теле Земли
Помогают геологам также различные косвенные признаки. Например, наблюдение за магнитным полем Земли позволяет отслеживать динамику вращения ядра. Ценные подсказки порой дает даже то, что совсем не предназначено для исследования глубин. Был случай, когда сбои в работе орбитального телескопа «Хаббл» позволили выявить изменение направления потоков в жидком внешнем ядре Земли, служащих причиной сдвига магнитных полюсов.
Структура и характеристики ядра
Путь к знаниям долгий и тернистый, но плоды их сладки. На сегодняшний день достоверно известны следующие физические характеристики ядра Земли:
Классические основные сферы Земли
Кроме того, новейшие исследования говорят о том, что внутри внутреннего ядра Земли лежит еще одно — «самое» внутреннее ядро, которое вращается вообще по другой оси. Давайте рассмотрим его и другие составляющие земного ядра подробнее.
Внешнее ядро
Самый первый слой ядра, который непосредственно контактирует с мантией — это внешнее ядро. Его верхняя граница находится на глубине 2,3 тысячи километров под уровнем моря, а нижняя — на глубине 2900 километров. По составу оно ничем не отличается от нижележащих оболочек — давления гравитации попросту недостаточно для того, чтобы раскаленный металл затвердел. Зато его жидкое состояние является главным козырем Земли в сравнении с другими внутренними планетами Солнечной системы.
Как работает геодинамо
Дело в том, что именно жидкая часть ядра ответственна за возникновение магнитного поля Земли. Как наверняка известно читателю, магнитосфера служит щитом планеты против заряженных частиц открытого космоса и солнечного ветра. Они даже более опасны, чем излучение — частицы способны вывести из строя не только живые организмы, но и электронику. Биологи считают, что именно активное магнитное поле стало залогом выживания первобытных одноклеточных существ.
Как именно генерируется магнитное поле? Его порождает вращение жидкого железа и никеля в ядре. Магнитные свойства металлов тут ни при чем — это исключительно динамический эффект. А еще внешнее ядро подогревает мантию — причем в отдельных местах настолько сильно, что восходящие потоки магмы достигают даже поверхности, вызывая извержения вулканов.
Внутреннее ядро
Высокое давление в центре Земли заставляет металл затвердевать при температурах, превышающих точку его кипения. При этом формируются необычные кристаллы, которые отличаются устойчивостью даже в обычных условиях. Считается, что внутреннее ядро представляет собой лес из многокилометровых кристаллов железа и никеля, которые направлены с юга на север. Для того чтобы проверить эту теорию, японские ученые потратили десять лет на создание особой алмазной наковальни — только в ней можно добиться такого давления и температуры, как в центре нашей планеты.
«Внутреннее» внутреннее ядро, или гипотетическая матрешка
Еще во время начальных исследований ядра при помощи сейсмических волн, геологи заметили необычное отклонение колебаний внутри ядра по направлению с востока на запад. Так как из-за своего вращения Земля шире на экваторе, чем на полюсах, сперва на это не обратили внимание. Но последующее изучение выявило, что центральная часть ядра может быть всего лишь очередной оболочкой.
Что представляет собой «внутреннее» внутреннее ядро? Скорее всего, оно состоит из тех же металлических кристаллов — но направленных уже не на север, а на запад. Пока что неясно, что вызывает такое расслоение. Однако ориентация кристаллов указывает на то, что тут не обошлось без гравитационных взаимодействий с Солнцем или Луной.
«Внутреннее» внутреннее ядро в строении Земли
Механизм формирования ядра
Ядром обладают все планеты Солнечной системы, как и полноценные, так и карликовые — от величественного газового гиганта Юпитера до отдаленной и холодной Седны. Параметры ядра разнятся от объекта к объекту — так, у Меркурия ядро занимает 60% массы и 80% объема планеты, когда радиус ядра Луны составляет скромные 350 километров от 1735 километров общего радиуса спутника.
Тем не менее создание ядра любого космического тела, даже звезды, обязано одному интересному гравитационному явлению — дифференциации недр. Когда планеты только начинают формироваться из газовых туч вокруг молодой звезды, их вещество собирается вокруг первичных ядер: больших камней, сгустков льда или пыли. Когда молодая планета набирает достаточную массу, в действие вступает гравитация, втягивающая массивные элементы вроде железа к центру объекта — тем самым более легкие вещества, как вот кремний или кислород, выталкиваются на поверхность.
Земля во время активной аккреции в представлении художника
Во время этих перемещений выделяется громадное количество энергии, из-за которой планета расплавляется, а гравитация придает ей характерную сферическую форму. Тем самым процесс перемещения тяжелых веществ ускоряется. Астероиды, масса которых недостаточна для плавления, так и остались кучками пыли и камней, сбитыми вместе.
А все тяжелые элементы, которые ушли вглубь — в первую очередь железо и никель — сформировали центр планеты. Ядро Земли прошло весь долгий путь от пыли на орбите новорожденного Солнца до многослойного металлического шара — и сегодня оно греет и защищает нашу планету изнутри.
Похожие статьи
Понравилась запись? Расскажи о ней друзьям!