Ядро земли: строение, состав и температура внутри

Физические характеристики Земли

Земля является одной из теллурических планет. Так называют планеты, имеющие твердую поверхность, металлическое ядро и диаметр, сравнимый с 0,1 долей диаметра Солнца. К этой группе относятся также Меркурий, Венера и Марс. Среди них Земля — самая большая и плотная. Ее средний диаметр составляет 12,7 тыс. километров, масса — 5,97×10^24 кг, а плотность — 5,513 кг/м³. В нашей планетарной системе Земля является пятой по величине. Основные физические параметры Земли


Характеристика Величина
Экваториальный радиус 6,38 тыс. км
Полярный радиус 6,36 тыс. км
Окружность по экватору 40 тыс. км
Площадь поверхности 510 млн кв. км
Площадь суши 148,9 млн кв. км
Ускорение свободного падения 9,78 м/ кв. с
Скорость вращения вокруг своей оси 1,67 тыс. км/ч
Наклон оси вращения к плоскости орбиты 66°34′
Альбедо 0,3
Температура на поверхности -89,2…+56,7°C

Земля имеет форму геоида — сплюснутого эллипсоида, поэтому ее диаметры по экватору и по нулевому меридиану имеют разную длину. Из-за этого эффекта самыми удаленными от центра планеты точками на поверхности являются вулкан Чимборасо и гора Уаскаран.

Земля характеризуется наличием хорошо развитых атмосферы, гидросферы и внутренних оболочек. Credit: nastol.com.ua

Внешние сферы земного шара

Планета Земля отличается от любого другого известного ученым космического объекта тем, что обладает еще и внешними сферами, к которым принадлежат:

  • гидросфера;
  • атмосфера;
  • биосфера.

Методы исследования этих сфер значительно отличаются, ведь все они очень разнятся по своему составу и объекту изучения.

Гидросфера

Под гидросферой понимается вся водная оболочка Земли, включая как огромные океаны, занимающие примерно 74% поверхности, так и моря, реки, озера и даже небольшие ручьи и водоемы.

Наибольшая толщина гидросферы составляет около 11 км и наблюдается в районе Марианской впадины. Именно вода считается источником жизни и тем, что отличается наш шар от всех остальных во Вселенной.

Гидросфера занимает примерно 1,4 млрд. км3 объема. Здесь кипит жизнь, и обеспечиваются условия для функционирования атмосферы.

Атмосфера

Газовая оболочка нашей планеты, надежно закрывающая ее недра от космических объектов (метеоритов), космического холода и других явлений, несовместимых с жизнью.

Толщина атмосферы составляет по разным оценкам около 1000 км. Возле поверхности грунта плотность атмосферы составляет плотность 1,225 кг/м3.

На 78% газовая оболочка состоит из азота, на 21% из кислорода, остальное приходится на такие элементы, как аргон, углекислый газ, гелий, метан и прочие.

Биосфера

В независимости от того, как изучают рассматриваемый вопрос ученые, биосфера составляет важнейшую часть структуры Земли – это та оболочка, которая населена живыми существами, включая и самих людей.


Биосфера не просто населена живыми существами, но еще и постоянно изменяется под их воздействием, в особенности, под воздействием человека и его деятельности. Целостное учение об этой сфере разработал великий ученый В. И. Вернадский. Самое это определение ввел австрийский геолог Зюсс.

«Шар Эратосфена» – чему равен диаметр земного шара?

Интересно, что именно эта – неверная точка зрения “застряла” в земной географии так надолго, что когда Христофор Колумб планировал своё плаванье с целью открытия западного пути в Индию, он придерживался именно этих расчетов! И прикидывая расстояние, которое предстоит преодолеть, вполне справедливо рассуждал, что легко преодолеет его даже с использованием тех (на самом деле довольно скудных) средств и технических возможностей, что были доступны на то время.

В итоге же, плаванье Колумба увенчалось успехом только потому, что в том месте, где он ожидал найти Азию, находилась Америка.

Лишь в 1522 г., когда единственный уцелевший корабль из флотилии Фернандо Магеллана вернулся на родину, были окончательно определены истинные размеры Земли – они почти в точности соответствовали тем цифрам, что Эратосфен рассчитал почти 1500 лет назад. Репутация древнегреческого географа, таким образом, была полностью восстановлена.

Более поздние измерения дали для окружности Земли по экватору цифру 40 075,7 км. Величина диаметра Земли в разных направлениях несколько различается, так как Земля — не совсем правильный шар, но средний диаметр земного шара составляет 12 742,44 км, а диаметр планеты по экватору равен 12 756 километров.

Площадь поверхности Земли равна 510 083 000 кв км.

Размеры нашей планеты с запада на восток и с юга на север – 40075 километров по окружности и 12742 км в диаметре. Если сравнить реальные размеры Земли с теми, что вычислил в свое время Эратосфен, поневоле проникаешься уважением к этому человеку

Список источников литературы

Атмосфера.

Земля, как и большинство других планет, окружена газовой оболочкой – атмосферой, которая состоит, в основном, из азота и кислорода. Ни одна другая планета не обладает атмосферой с таким химическим составом, как у Земли. Считается, что он возник в результате длительной химической и биологической эволюции. Атмосфера Земли делится на несколько областей в соответствии с изменением температуры, химического состава, физического состояния и степенью ионизации молекул и атомов воздуха. Плотные, пригодные для дыхания слои земной атмосферы имеют толщину не более 4–5 км. Выше атмосфера очень разрежена: ее плотность уменьшается примерно в три раза на каждые 8 км подъема. При этом температура воздуха сначала в тропосфере уменьшается до 220 К, однако на высоте в несколько десятков километров в стратосфере начинается ее рост до 270 К на высоте около 50 км, где проходит граница со следующим слоем атмосферы – мезосфера (средняя атмосфера). Рост температуры в верхней стратосфере происходит из-за нагревающего действия поглощаемого здесь ультрафиолетового и рентгеновского солнечного излучения, не проникающего в нижние слои атмосферы. В мезосфере температура снова убывает почти до 180 К, после чего выше 180 км в термосфере начинается ее очень сильный рост до значений более 1000 К. На высотах свыше 1000 км термосфера переходит в экзосферу, из которой происходит диссипация атмосферных газов в межпланетное космическое пространство. С повышением температуры связана ионизация атмосферных газов – возникновение электропроводящих слоев, которые в целом принято называть земной ионосферой.

Строение

Недра Земли можно делить на слои по их механическим (в частности реологическим) или химическим свойствам. По механическим свойствам выделяют литосферу, астеносферу, мезосферу, внешнее ядро и внутреннее ядро. По химическим свойствам Землю можно разделить на земную кору, верхнюю мантию, нижнюю мантию, внешнее ядро и внутреннее ядро.

Схематическое изображение внутреннего строения Земли: 1 — континентальная кора; 2 — океаническая кора; 3 — верхняя мантия; 4 — нижняя мантия; 5 — внешнее ядро; 6 — внутреннее ядро; А — поверхность Мохоровичича; B — граница Гутенберга; C — разрыв Леманн-Буллен

Геологические слои Земли находятся на следующих глубинах под поверхностью[нет в источнике]:

Глубина Слой
Километры Мили
0—60 0—37 Литосфера (глубина разнится от 5 до 200 км)
0—35 0—22 Кора (глубина разнится от 5 до 70 км)
35—60 22—37 Верхняя часть мантии
35—2890 22—1790 Мантия
100—200 62—125 Астеносфера
35—660 22—410 Верхняя мезосфера (верхняя мантия)
660—2890 410—1790 Нижняя мезосфера (нижняя мантия)
2890—5150 1790—3160 Внешнее ядро
5150—6371 3160—3954 Внутреннее ядро

Слои Земли были определены косвенно с помощью измерения времени распространения преломлённых и отражённых сейсмических волн, созданных землетрясениями. Ядро не пропускает поперечные волны, а скорость распространения волн отличается в разных слоях. Изменения в скорости сейсмических волн между различными слоями вызывает их преломление благодаря закону Снелла.

Ядро

Основная статья: Ядро Земли

Средняя плотность Земли 5515 кг/м3. Поскольку средняя плотность вещества поверхности составляет всего лишь около 3000 кг/м3, мы должны заключить, что плотные вещества существуют в ядре Земли. Ещё одно доказательство высокой плотности ядра основано на сейсмологических данных. Следует учитывать и уплотнение вещества давлением. Имеются данные лабораторных исследований с выводом об изменения плотности веществ более плотной упаковкой атомов, например, железо уже при 1 млн атмосфер уплотняется примерно на 30%. «…Плотность верхней мантии начиная от значения 3,2 г/см3 на поверхности постепенно возрастает с глубиной вследствие сжатия её вещества… …В нижней мантии существенных перестроек в кристаллическом строении вещества больше не происходит, поскольку все окислы в этой геосфере уже находятся в состоянии предельно плотной упаковки атомов и сжатие мантийного вещества происходит только благодаря сжатию самих атомов.»

Сейсмические измерения показывают, что ядро делится на две части — твёрдое внутреннее ядро радиусом ~1220 км и жидкое внешнее ядро радиусом ~3400 км.

Мантия

Основная статья: Мантия Земли

Мантия Земли простирается до глубины 2890 км, что делает её самым толстым слоем Земли. Давление в нижней мантии составляет около 140 ГПа (1,4·106атм). Мантия состоит из силикатных пород, богатых железом и магнием по отношению к вышележащей коре. Высокие температуры в мантии делают силикатный материал достаточно пластичным, чтобы могла существовать конвекция вещества в мантии, выходящего на поверхность через разломы в тектонических плитах. Плавление и вязкость вещества зависят от давления и химических изменений в мантии. Вязкость мантии разнится от 1021 до 1024Па·с в зависимости от глубины. Для сравнения, вязкость воды составляет около 10−3 Па·с, а песка — 107 Па·с.

Кора

Основная статья: Земная кора

Толщина земной коры разнится от 5 до 70 км в глубину от поверхности. Самые тонкие части океанической коры, которые лежат в основе океанических бассейнов (5—10 км), состоят из плотной (мафической (англ.)) железо-магниевой силикатной породы, такой как базальт.

Ниже коры находится мантия, которая отличается составом и физическими свойствами — она более плотная, содержит в основном тугоплавкие элементы.

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 — 1970-е).

В 1941 году Кун и Ритман, основываясь на гипотезе идентичности состава Солнца и Земли и на расчётах 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. До недавнего времени предполагалось, что магнитное поле таких планет возникает именно в металлическом водородном ядре.


Но в 2016 году учёные из США и Великобритании, создав условия, близкие к ядру при мгновенном сжатии, создающего давление в 1,5 млн атмосфер и высоких температур в несколько тысяч градусов, смогли получить третье промежуточное состояние водорода, при котором он имеет свойства и металла, и газа. В этом состоянии он не пропускает видимый свет, в отличие от ИК-излучения, поэтому его назвали «тёмный водород». Причём тёмный водород, в отличие от металлического, идеально вписывается в модель строения планет-гигантов[значимость факта?], в частности объясняет, почему верхние слои газовых гигантов значительно теплее, чем должны быть, перенося энергию от ядра, а поскольку он также обладает электропроводностью, хотя и хуже, чем металлический водород, то он играет ту же роль, что и внешнее ядро на Земле.

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 (металлизированное силикатное ядро).

В 2015 году стало известно, что в жидкой части ядра есть третий слой. Анализ сейсмических волн позволил группе геологов под руководством профессора Сяодуна Суна (Xiaodong Song) из университета Иллинойса (University of Illinois) сделать вывод, что ядро у Земли не двухслойное, а трёхслойное.

Интересные факты

• В прошлом Земля считалась центром Вселенной. 2000 лет древние астрономы считали, что Земля статична, а другие небесные тела путешествуют по круговым орбитам вокруг нее. К такому мнению они пришли наблюдая очевидное движение Солнца и планет при наблюдении с Земли. В 1543 году Коперник опубликовал свою гелиоцентрическую модель Солнечной системы, в которой Солнце находится в центре нашей Солнечной системы.

• Земля это единственная планета в системе, которую не назвали в честь мифологических богов или богинь (остальные семь планет в Солнечной системе были названы в честь римских богов или богинь). Имеется ввиду пять видимых невооруженным глазом планет: Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн. Все тот же подход с именами древнеримских богов был использован после открытия Урана и Нептуна. Само же слово «Земля» происходит от старого английского слова «ertha» означающее почву.

• Земля является самой плотной планетой в Солнечной системе. Плотность Земли отличается в каждом слое планеты (ядро, например, является более плотным, чем земная кора). Средняя плотность планеты составляет около 5,52 грамма на кубический сантиметр.

• Гравитационное взаимодействие между Землей и Луной вызывает приливы на Земле. Считается, что Луна заблокирована приливными силами Земли, поэтому ее период вращения совпадает с Земным и она обращена к нашей планете всегда одной и той же стороной.

• Вращение Земли постепенно замедляется. Замедление вращения Земли происходит очень медленно, примерно 17 миллисекунд на сто лет. Но, в конечном итоге, это удлиняет день. Тем не менее, этому процессу потребуется около 140 миллионов лет для того, чтобы увеличить сутки с 24 до 25 часов.

• Атмосфера Земли на 78% состоит из азота, 21% кислорода, а также следовых количеств других газов, включая аргон и углекислый газ.

• Значительная часть земного кислорода была образована в процессе фотосинтеза.

• Земля имеет очень мощное магнитное поле. Это поле защищает планету от воздействия солнечного ветра и, как считают ученые, является результатом никель-железного ядра планеты и его быстрого вращения.

• Земля имеет озоновый слой, который защищает ее от вредного солнечного излучения. Эта оболочка представляет собой особый тип кислорода, который поглощает большую часть мощных ультрафиолетовых лучей.

• 70% поверхности Земли покрыто водой, остальную часть представляют континенты и острова, на которых также присутствует множество озер и других источников воды.

• Считается, что первая жизнь на Земле возникла в океане посредством процесса абиогенеза — естественного процесса, при котором жизнь вырастает из неживой материи в виде простого органического соединения.

• Вода Земли первоначально могла находится внутри планеты. Но, с течением времени, вода была доставлена на поверхность в результате вулканической активности планеты.

• Земля имеет относительно небольшое число видимых кратеров по сравнению с другими твердыми телами в Солнечной системе. Это происходит потому, что Земля является геологически активной, на ней происходят такие процессы, как тектоника и эрозия, которые могут менять ее поверхность.

История измерения


Безусловно, своей планетой люди интересовались ещё в древности. Помимо того, что они наблюдали за всем, что происходит вокруг неё, также проводились исследования и изучение Земли.

Ученые

Интересно, что в древние египтяне обратили внимание, что в дни летнего солнцестояния солнечные лучи проникали на дно колодцев в Сиене (старый город Египта). Однако в это же самое время, например, в Александрии такое не наблюдали

Этот факт использовал Эратосфен Киренский для определения угла, под которым Солнце находилось относительно Земли. Таким образом он установил, что данный угол равен 7 градусов 12 минут, или 1/50 часть окружности. На основании полученного результата, учёный сделал вывод, что Сиена находится от Александрии на это значение. Так как географическое расстояние было 5 тысяч стадиев, значит земная окружность составляла 250 тысяч стадиев. Но до сих пор непонятно, какие стадии применял Эратосфен. Потому как греческое значение подразумевает 178 метров, а например, египетское — 172,5 метров. Несмотря на это, его определение близко к современным подсчётам. Что разумеется, очень потрясает.

Форма и радиус Земли

Интересно, что уже в древности были версии о неидеальной форме планеты. Конечно, другие учёные также пытались измерить радиус Земли. К примеру, Жан Рише наблюдал за Марсом из Кайенны. Он заметил уменьшение периода движения секундного маятника в отличие от парижского наблюдения. Собственно, это является подтверждением уменьшения силы тяготения на экваторе. Что, в свою очередь, показывало на то, что земная форма не идеальная окружность. Также многие другие пытались разобраться с тем, как выглядит наша планета. Потому что от этого напрямую зависит радиус и диаметр Земли. Стоит отметить, одно из самых важных градусных измерений. Его провёл В. Я. Струве. В основе работы лежит измерение дуги от Дуная до Финляндии. Причём она проходила по западной стороне России. Как выяснили учёные, длина дуги была более 2800 км. Кроме того, её охват составил свыше 25 градусов, а это 1/14 часть всей планетной окружности.

Василий Яковлевич Струве (1793-1864)

Бесспорно, за всё время люди прилагали массу усилий и попыток определить все характеристики Земли. Сегодня мы знаем больше, чем когда-либо. Более того, мы определили, что радиус Земли в среднем составляет 6371 км. Помимо этого современная наука выяснила диаметр, радиус орбиты, расстояние от Земли до других небесных тел и многое другое. К нашей радости, мы мало-помалу разгадываем вселенские задачи и секреты.

Планета Земля

Карта поверхности

Географическая карта или карта поверхности — это проекция или модельное отображение рельефа планеты в уменьшенном виде с использованием условных знаков. Карты отличаются по масштабу и степени детализации, могут отображать поверхность всей планеты или отдельных участков и имеют разное назначение.

Карта поверхности — изображение модели земной поверхности в уменьшенном виде. Credit: pixabay.com

Существуют справочные, учебные, туристические, технические, навигационные, тематические, физические и др. карты. Все они содержат разные виды искажений, связанных с переносом выгнутой поверхности Земли на плоскость.

Состав центра планеты

Таким образом, по распределению сейсмических волн было установлено что ядро Земли жидкое.

Лабораторные опыты, во время которых в течение более длительного времени проверялись физические условия, существующие на границе мантии и внешнего ядра, то есть на глубине 2900 км, удалось провести пока лишь в отдельных случаях и на короткий период, поэтому геологи надеются на изучение явлений, имеющих место при крупных взрывах.

Теоретически была рассчитана температура ядра Земли которая составила порядка 6000 градусов Цельсия.

Итак, внешнее ядро является жидким, тогда как внутренняя часть – субядро, называемое ядрышком, вероятно, твердое.

Но само железо не имеет соответствующих свойств, поэтому предполагается, что в земном ядре присутствует еще один металл — никель, а некоторые ученые полагают, что там есть еще довольно значительное количество (около 10-20%) металлического кремния. При этом проводится сравнение с металлическими метеоритами, которые, помимо железа, содержат значительное количество никеля.

А поскольку весьма возможно, что железные метеориты являются остатками какой-то небольшой, распавшейся или разбитой в результате столкновения планетки (результат столкновения в Космосе), ученые считают, что центр Земли обладает железно-никелевым составом.  Однако ответ на эти вопросы ученые смогут получить только в будущем, сначала экспериментальным путем в лаборатории. Может быть, удастся сконструировать и такую аппаратуру, которая проникнет в фантастические глубины мантии или даже в само ядро.

В нынешнее время бурение к центру планеты невозможно технически. Самое глубокое бурение было на глубину в 12 262 метра на Кольском полуострове в СССР и закончилось в далеком уже 1991 году.

В настоящее время нет информации про бурение к центру Земли в каких-либо странах.


С этим читают