stringtranslate.com

Внешнее ядро ​​Земли

Структура Земли и атмосферы

Внешнее ядро ​​Земли представляет собой жидкий слой толщиной около 2260 км (1400 миль), состоящий в основном из железа и никеля , который лежит над твердым внутренним ядром Земли и под ее мантией . [1] [2] [3] Внешнее ядро ​​начинается примерно на 2889 км (1795 миль) под поверхностью Земли на границе ядра и мантии и заканчивается на глубине 5150 км (3200 миль) под поверхностью Земли на внутренней границе ядра. [4]

Характеристики

Внешнее ядро ​​Земли жидкое , в отличие от внутреннего ядра , которое твердое. [5] Доказательства жидкого внешнего ядра включают сейсмологию , которая показывает, что сейсмические поперечные волны не передаются через внешнее ядро. [6] Несмотря на то, что внешнее ядро ​​имеет состав, аналогичный твердому внутреннему ядру Земли, оно остается жидким, поскольку давления недостаточно, чтобы поддерживать его в твердом состоянии.

Сейсмические инверсии объемных волн и нормальных мод ограничивают радиус внешнего ядра 3483 км с неопределенностью 5 км, а внутреннего ядра - 1220 ± 10 км. [7] : 94 

По оценкам, температура внешнего ядра составляет около 3 000–4 500 К (2 700–4 200 ° C; 4 900–7 600 ° F) во внешней области и 4 000–8 000 К (3 700–7 700 ° C; 6 700–14 000 ° F) вблизи внутреннее ядро. [8] Моделирование показало, что внешнее ядро ​​из-за своей высокой температуры представляет собой жидкость с низкой вязкостью , которая турбулентно конвектирует . [8] Теория динамо рассматривает вихревые токи в никель-железной жидкости внешнего ядра как основной источник магнитного поля Земли . Средняя напряженность магнитного поля во внешнем ядре Земли оценивается в 2,5 миллитесла , что в 50 раз сильнее, чем магнитное поле на поверхности. [9] [10]

По мере охлаждения ядра Земли жидкость на внутренней границе ядра замерзает, в результате чего твердое внутреннее ядро ​​растет за счет внешнего ядра примерно со скоростью 1 мм в год. Это примерно 80 000 тонн железа в секунду. [11]

Легкие элементы внешнего ядра Земли

Состав

Внешнее ядро ​​Земли не может полностью состоять из железа или железо-никелевого сплава , поскольку их плотность выше, чем геофизические измерения плотности внешнего ядра Земли. [12] [13] [14] [15] Фактически, внешнее ядро ​​Земли имеет плотность примерно на 5–10 процентов ниже, чем плотность железа при температуре и давлении ядра Земли . [15] [16] [17] Поэтому было предложено, чтобы легкие элементы с низкими атомными номерами составляли часть внешнего ядра Земли, как единственный возможный способ снизить ее плотность. [14] [15] [16] Хотя внешнее ядро ​​Земли недоступно для прямого отбора проб, [14] [15] [18] состав легких элементов может быть существенно ограничен с помощью экспериментов под высоким давлением , расчетов, основанных на сейсмических измерениях, моделей аккреции Земли и сравнение углеродистых хондритовых метеоритов с объемной силикатной Землей (BSE) . [12] [14] [15] [16] [18] [19] По последним оценкам, внешнее ядро ​​Земли состоит из железа , а также от 0 до 0,26 процента водорода , 0,2 процента углерода , от 0,8 до 5,3 процента кислорода , от 0 до 4,0 процента. процент кремния , 1,7 процента серы и 5 процентов никеля по весу, а температура границы ядро-мантия и внутренняя граница ядра колеблются от 4137 до 4300 К и от 5400 до 6300 К соответственно. [14]

Ограничения

Аккреция
Иллюстрация художника того, как могла бы выглядеть Земля в начале своего формирования. На этом изображении Земля выглядит расплавленной, с красными промежутками лавы, разделенными неровными и, казалось бы, остывшими пластинами материала.
Иллюстрация художника того, как могла бы выглядеть Земля в начале своего формирования.

Разнообразие легких элементов, присутствующих во внешнем ядре Земли, частично ограничивается земной аккрецией . [16] А именно, содержащиеся в нем легкие элементы должны были быть в изобилии во время формирования Земли, должны быть способны распадаться на жидкое железо при низких давлениях и не должны улетучиваться и улетучиваться во время аккреционного процесса Земли. [14] [16]

CI хондриты

Считается, что хондритические метеориты CI содержат те же элементы, образующие планеты, в тех же пропорциях , что и в ранней Солнечной системе [14] , поэтому различия между метеоритами CI и BSE могут дать представление о составе легких элементов внешнего ядра Земли. [20] [14] Например, истощение кремния в BSE по сравнению с метеоритами CI может указывать на то, что кремний был поглощен ядром Земли; однако широкий диапазон концентраций кремния во внешнем и внутреннем ядре Земли все еще возможен. [14] [21] [22]

Последствия для аккреции Земли и истории формирования ядра

Более жесткие ограничения на концентрацию легких элементов во внешнем ядре Земли обеспечат лучшее понимание истории аккреции Земли и формирования ядра . [14] [19] [23]

Последствия для аккреции Земли

Модели аккреции Земли можно было бы лучше протестировать, если бы у нас были более строгие ограничения на концентрацию легких элементов во внешнем ядре Земли. [14] [23] Например, аккреционные модели, основанные на разделении элементов ядра и мантии, имеют тенденцию поддерживать прото-Земли, построенные из восстановленного, конденсированного и свободного от летучих веществ материала, [14] [19] [23], несмотря на возможность того, что окисленные материал из внешней части Солнечной системы аккрецировался к завершению аккреции Земли . [14] [19] Если бы мы могли лучше ограничивать концентрации водорода , кислорода и кремния во внешнем ядре Земли, модели аккреции Земли, соответствующие этим концентрациям, предположительно, лучше ограничивали бы формирование Земли. [14]

Последствия для формирования ядра Земли

Схема дифференциации Земли. На диаграмме показаны различные слои Земли и то, как плотные материалы движутся к ядру Земли.
Схема дифференциации Земли. Легкие элементы сера, кремний, кислород, углерод и водород могут составлять часть внешнего ядра из-за их обилия и способности при определенных условиях разделяться на жидкое железо.

Истощение сидерофильных элементов в мантии Земли по сравнению с хондритовыми метеоритами объясняется металлосиликатными реакциями во время формирования ядра Земли. [24] Эти реакции зависят от кислорода , кремния и серы , [14] [25] [24] поэтому более строгие ограничения на концентрацию этих элементов во внешнем ядре Земли помогут выяснить условия формирования ядра Земли . [14] [23] [25] [24] [26]

В другом примере возможное присутствие водорода во внешнем ядре Земли предполагает, что аккреция земной воды [14] [27] [28] не ограничивалась заключительными стадиями аккреции Земли [23] и что вода могла быть поглощена металлы, образующие ядро, через водный океан магмы . [14] [29]

Последствия для магнитного поля Земли

Схема геодинамо и магнитного поля Земли, которое могло быть вызвано в ранней истории Земли кристаллизацией оксида магния, диоксида кремния и оксида железа (II). Конвекция внешнего ядра Земли отображается рядом с линиями магнитного поля.
Схема геодинамо и магнитного поля Земли, которое могло быть вызвано в ранней истории Земли кристаллизацией оксида магния , диоксида кремния и оксида железа (II) .

Магнитное поле Земли создается тепловой конвекцией , а также химической конвекцией, исключающей легкие элементы из внутреннего ядра, которые всплывают вверх внутри жидкого внешнего ядра, в то время как более плотные элементы тонут. [17] [30] Эта химическая конвекция высвобождает гравитационную энергию , которая затем используется для питания геодинамо , создающего магнитное поле Земли. [30] Эффективность Карно с большими погрешностями предполагает, что композиционная и тепловая конвекция составляют около 80 процентов и 20 процентов соответственно в мощности геодинамо Земли. [30] Традиционно считалось, что до формирования внутреннего ядра Земли геодинамо Земли в основном приводилось в движение тепловой конвекцией. [30] Однако недавние заявления о том, что теплопроводность железа при температуре и давлении ядра намного выше, чем считалось ранее, подразумевают, что охлаждение ядра происходило в основном за счет проводимости, а не конвекции, что ограничивало способность тепловой конвекции приводить в действие геодинамо. [14] [17] Эта загадка известна как новый «основной парадокс». [14] [17] Альтернативный процесс, который мог бы поддерживать геодинамо Земли, требует, чтобы ядро ​​Земли изначально было достаточно горячим, чтобы растворять кислород , магний , кремний и другие легкие элементы. [17] Когда ядро ​​Земли начало охлаждаться, оно стало перенасыщенным этими легкими элементами, которые затем выпадали в нижнюю мантию, образуя оксиды , что приводило к другому варианту химической конвекции. [14] [17]

Рекомендации

  1. ^ «Интерьер Земли». Наука и инновации . Национальная география. 18 января 2017 года. Архивировано из оригинала 6 мая 2017 года . Проверено 14 ноября 2018 г.
  2. ^ Сью, Кэрил (17 августа 2015 г.). Эверс, Джинни (ред.). "Основной". Национальное географическое общество . Проверено 25 февраля 2022 г.
  3. ^ Чжан, Юджун; Сэкине, Тосимори; Он, Хунлян; Ю, Инь; Лю, Фушенг; Чжан, Минцзянь (15 июля 2014 г.). «Ударное сжатие системы Fe-Ni-Si до 280 ГПа: последствия для состава внешнего ядра Земли». Письма о геофизических исследованиях . 41 (13): 4554–4559. Бибкод : 2014GeoRL..41.4554Z. дои : 10.1002/2014gl060670 . ISSN  0094-8276. S2CID  128528504.
  4. ^ Янг, CJ; Лэй, Т. (1987). «Граница ядра и мантии». Ежегодный обзор наук о Земле и планетах . 15 (1): 25–46. Бибкод : 1987AREPS..15...25Y. doi : 10.1146/annurev.ea.15.050187.000325. ISSN  0084-6597.
  5. ^ Гутенберг, Бено (2016). Физика недр Земли . Академическая пресса. стр. 101–118. ISBN 978-1-4832-8212-1.
  6. ^ Джеффрис, Гарольд (1 июня 1926 г.). «Жесткость центрального ядра Земли». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 1 : 371–383. Бибкод : 1926GeoJ....1..371J. дои : 10.1111/j.1365-246X.1926.tb05385.x . ISSN  1365-246X.
  7. ^ Аренс, Томас Дж., изд. (1995). Глобальная физика Земли: справочник физических констант (3-е изд.). Вашингтон, округ Колумбия: Американский геофизический союз . ISBN 9780875908519.
  8. ^ аб Де Вейс, Жиль А.; Крессе, Георг; Вокадло, Лидунка; Добсон, Дэвид; Альфе, Дарио; Гиллан, Майкл Дж.; Прайс, Джеффри Д. (1998). «Вязкость жидкого железа в физических условиях ядра Земли» (PDF) . Природа . 392 (6678): 805. Бибкод : 1998Natur.392..805D. дои : 10.1038/33905. S2CID  205003051.
  9. ↑ Штатный автор (17 декабря 2010 г.). «Первое измерение магнитного поля внутри ядра Земли». Наука 2.0 . Проверено 14 ноября 2018 г.
  10. ^ Баффет, Брюс А. (2010). «Приливная диссипация и сила внутреннего магнитного поля Земли». Природа . 468 (7326): 952–4. Бибкод : 2010Natur.468..952B. дои : 10.1038/nature09643. PMID  21164483. S2CID  4431270.
  11. ^ Вассель, Лорен; Ирвинг, Джессика; Взносы, Арвен (2011). «Согласование полусферической структуры внутреннего ядра Земли с ее сверхвращением». Природа Геонауки . 4 (4): 264–267. Бибкод : 2011NatGe...4..264Вт. дои : 10.1038/ngeo1083.
  12. ^ аб Берч, Фрэнсис (1952). «Упругость и строение недр Земли». Журнал геофизических исследований . 57 (2): 227–286. Бибкод : 1952JGR....57..227B. дои : 10.1029/JZ057i002p00227.
  13. ^ Берч, Фрэнсис (15 октября 1964). «Плотность и состав мантии и ядра». Журнал геофизических исследований . 69 (20): 4377–4388. Бибкод : 1964JGR....69.4377B. дои : 10.1029/JZ069i020p04377.
  14. ^ abcdefghijklmnopqrstu Хиросе, Кей; Вуд, Бернард; Вочадло, Лидунка (2021). «Легкие элементы в ядре Земли». Обзоры природы Земля и окружающая среда . 2 (9): 645–658. дои : 10.1038/s43017-021-00203-6. ISSN  2662-138X. S2CID  237272150.
  15. ^ abcde Вуд, Бернард Дж.; Уолтер, Майкл Дж.; Уэйд, Джонатан (2006). «Аккреция Земли и разделение ее ядра». Природа . 441 (7095): 825–833. Бибкод : 2006Natur.441..825W. дои : 10.1038/nature04763. ISSN  1476-4687. PMID  16778882. S2CID  8942975.
  16. ^ abcde Poirier, Жан-Поль (1 сентября 1994 г.). «Легкие элементы во внешнем ядре Земли: критический обзор». Физика Земли и недр планет . 85 (3): 319–337. Бибкод : 1994PEPI...85..319P. дои : 10.1016/0031-9201(94)90120-1. ISSN  0031-9201.
  17. ^ abcdef Миттал, Тушар; Кнежек, Николас; Арвесон, Сара М.; Макгуайр, Крис П.; Уильямс, Кертис Д.; Джонс, Тимоти Д.; Ли, Цзе (15 февраля 2020 г.). «Осадки множества легких элементов для питания раннего динамо Земли». Письма о Земле и планетологии . 532 : 116030. Бибкод : 2020E&PSL.53216030M. дои : 10.1016/j.epsl.2019.116030 . ISSN  0012-821X. S2CID  213919815.
  18. ^ Аб Чжан, Юджун; Сэкине, Тошимори; Он, Хунлян; Ю, Инь; Лю, Фушенг; Чжан, Минцзянь (2 марта 2016 г.). «Экспериментальные ограничения легких элементов во внешнем ядре Земли». Научные отчеты . 6 (1): 22473. Бибкод : 2016NatSR...622473Z. дои : 10.1038/srep22473. ISSN  2045-2322. ПМЦ 4773879 . ПМИД  26932596. 
  19. ^ abcd Суэр, Терри-Энн; Зиберт, Жюльен; Ремюза, Лоран; Менги, Николас; Фике, Гийом (01 июля 2017 г.). «Бедное серой земное ядро, полученное на основе экспериментов по разделению металлов и силикатов». Письма о Земле и планетологии . 469 : 84–97. Бибкод : 2017E&PSL.469...84S. дои : 10.1016/j.epsl.2017.04.016. ISSN  0012-821X.
  20. ^ Чжан, Юджун; Сэкине, Тосимори; Он, Хунлян; Ю, Инь; Лю, Фушенг; Чжан, Минцзянь (15 июля 2014 г.). «Ударное сжатие системы Fe-Ni-Si до 280 ГПа: последствия для состава внешнего ядра Земли». Письма о геофизических исследованиях . 41 (13): 4554–4559. Бибкод : 2014GeoRL..41.4554Z. дои : 10.1002/2014gl060670 . ISSN  0094-8276. S2CID  128528504.
  21. ^ Георг, Р. Бастиан; Холлидей, Алекс Н.; Шойбле, Эдвин А.; Рейнольдс, Бен С. (2007). «Кремний в ядре Земли». Природа . 447 (7148): 1102–1106. Бибкод : 2007Natur.447.1102G. дои : 10.1038/nature05927. ISSN  1476-4687. PMID  17597757. S2CID  1892924.
  22. ^ Дауфас, Николя; Пуатрассон, Франк; Буркхардт, Кристоф; Кобаяши, Хироши; Куросава, Косуке (01 октября 2015 г.). «Планетарные и метеоритные вариации Mg/Si и δ30Si, унаследованные от химии солнечной туманности». Письма о Земле и планетологии . 427 : 236–248. arXiv : 1507.02922 . Бибкод : 2015E&PSL.427..236D. дои : 10.1016/j.epsl.2015.07.008. ISSN  0012-821X. S2CID  20744455.
  23. ^ abcde Руби, округ Колумбия; Джейкобсон, ЮАР; Морбиделли, А.; О'Брайен, ДП; Янг, ЭД; де Врис, Дж.; Ниммо, Ф.; Пальме, Х.; Фрост, диджей (01 марта 2015 г.). «Аккреция и дифференциация планет земной группы с последствиями для состава ранних тел Солнечной системы и аккреции воды». Икар . 248 : 89–108. arXiv : 1410.3509 . Бибкод : 2015Icar..248...89R. дои :10.1016/j.icarus.2014.10.015. ISSN  0019-1035. S2CID  37592339.
  24. ^ abc Бадро, Джеймс; Бродхолт, Джон П.; Пит, Элен; Зиберт, Жюльен; Райерсон, Фредерик Дж. (6 октября 2015 г.). «Формирование керна и состав керна с учетом совокупных геохимических и геофизических ограничений». Труды Национальной академии наук . 112 (40): 12310–12314. Бибкод : 2015PNAS..11212310B. дои : 10.1073/pnas.1505672112 . ISSN  0027-8424. ПМК 4603515 . ПМИД  26392555. 
  25. ^ аб Фишер, Ребекка А.; Накадзима, Ёичи; Кэмпбелл, Эндрю Дж.; Фрост, Дэниел Дж .; Харрис, Деннис; Лангенхорст, Фалько; Миядзима, Нобуёси; Поллок, Килиан; Руби, Дэвид К. (15 октября 2015 г.). «Металло-силикатное разделение под высоким давлением Ni, Co, V, Cr, Si и O». Geochimica et Cosmochimica Acta . 167 : 177–194. Бибкод : 2015GeCoA.167..177F. дои : 10.1016/j.gca.2015.06.026 . ISSN  0016-7037.
  26. ^ Уэйд, Дж.; Вуд, Би Джей (30 июля 2005 г.). «Формирование ядра и степень окисления Земли». Письма о Земле и планетологии . 236 (1): 78–95. Бибкод : 2005E&PSL.236...78W. дои : 10.1016/j.epsl.2005.05.017. ISSN  0012-821X.
  27. ^ Сато, Такао; Окузуми, Сатоши; Ида, Сигэру (01 мая 2016 г.). «О доставке воды к наземным эмбрионам путем нарастания ледяной гальки». Астрономия и астрофизика . 589 : А15. arXiv : 1512.02414 . Бибкод : 2016A&A...589A..15S. дои : 10.1051/0004-6361/201527069. ISSN  0004-6361. S2CID  55107839.
  28. ^ Раймонд, Шон Н.; Куинн, Томас; Лунин, Джонатан И. (1 февраля 2007 г.). «Моделирование окончательной сборки планет земного типа с высоким разрешением. 2. Доставка воды и обитаемость планет». Астробиология . 7 (1): 66–84. arXiv : astro-ph/0510285 . Бибкод : 2007AsBio...7...66R. doi : 10.1089/ast.2006.06-0126. ISSN  1531-1074. PMID  17407404. S2CID  10257401.
  29. ^ Тагава, Шо; Сакамото, Наоя; Хиросе, Кей; Ёко, Шунпей; Хернлунд, Джон; Охиши, Ясуо; Юримото, Хисаёси (11 мая 2021 г.). «Экспериментальные доказательства включения водорода в ядро ​​Земли». Природные коммуникации . 12 (1): 2588. Бибкод : 2021NatCo..12.2588T. дои : 10.1038/s41467-021-22035-0. ISSN  2041-1723. ПМЦ 8113257 . ПМИД  33976113. 
  30. ^ abcd Баффет, Брюс А. (16 июня 2000 г.). «Ядро Земли и Геодинамо». Наука . 288 (5473): 2007–2012. Бибкод : 2000Sci...288.2007B. дои : 10.1126/science.288.5473.2007. ПМИД  10856207.

Внешние ссылки

В Викибуке по исторической геологии есть страница на тему: Строение Земли.