stringtranslate.com

Внешнее ядро ​​Земли

Строение 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 в 2889 км (1795 миль) под поверхностью Земли на границе ядра и мантии и заканчивается на 5150 км (3200 миль) под поверхностью Земли на границе внутреннего ядра. [4]

Характеристики

Внешнее ядро ​​Земли является жидким , в отличие от внутреннего ядра , которое является твердым. [5] Доказательства жидкого внешнего ядра включают сейсмологию , которая показывает, что сейсмические сдвиговые 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 удерживать его в твердом состоянии.

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

Оценки температуры внешнего ядра составляют около 3000–4500 К (2700–4200 °C; 4900–7600 °F) в его внешней области и 4000–8000 К (3700–7700 °C; 6700–14000 °F) вблизи внутреннего ядра. [8] Моделирование показало, что внешнее ядро ​​из-за своей высокой температуры представляет собой маловязкую жидкость , 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 магнитного поля на поверхности. [9] [10]

По мере того, как ядро ​​Земли остывает, жидкость на границе внутреннего ядра замерзает, заставляя твердое внутреннее ядро ​​расти за счет внешнего ядра, с расчетной 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 железоникелевого сплава , поскольку их плотности выше, чем геофизические измерения плотности внешнего ядра Земли. [12] [13] [14] [15] Фактически, внешнее ядро ​​Земли примерно на 5–10 процентов плотнее железа при температурах и давлениях ядра Земли . [15] [16] [17] Поэтому было высказано предположение, что легкие элементы с низкими атомными номерами составляют часть внешнего ядра Земли, что является единственным возможным способом снижения его плотности. [14] [15] [16] Хотя внешнее ядро ​​Земли недоступно для прямого отбора проб, [14] [15] [18] состав легких элементов может быть существенно ограничен экспериментами под высоким давлением , расчетами, основанными на сейсмических измерениях, моделях аккреции Земли и сравнениями метеоритов углеродистых хондритов с объемной силикатной Землей (BSE) . [12] [14] [15] [16 ] [18] [19] Согласно последним оценкам, внешнее ядро ​​Земли состоит из железа, а также водорода (0–0,26%) , углерода (0,2%), кислорода (0,8–5,3%) , кремния (0–4%) , серы (1,7% ) и никеля (5%) по весу, а температура границы ядро -мантия и границы внутреннего ядра колеблется от 4137 до 4300 К и от 5400 до 6300 К соответственно. [14]

Ограничения

Аккреция
Иллюстрация художника того, как могла выглядеть Земля на ранних этапах своего формирования. На этом изображении Земля выглядит расплавленной, с красными зазорами лавы, разделенными зазубренными и, по-видимому, остывшими пластинами материала.
Художественная иллюстрация того, как могла выглядеть Земля на раннем этапе своего формирования.

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

CI хондриты

Считается, что хондритовые 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, обеднение кремнием 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 истории аккреции и формирования ядра Земли

Более строгие ограничения на концентрацию легких элементов во внешнем ядре Земли позволят лучше понять историю аккреции и формирования ядра Земли . [14] [19] [23]

Последствия для расширения Земли

Модели аккреции Земли можно было бы лучше проверить, если бы у нас были лучшие ограничения на концентрации легких элементов во внешнем ядре Земли. [14] [23] Например, аккреционные модели, основанные на разделении элементов ядра и мантии, как правило, поддерживают протоземли, построенные из восстановленного, конденсированного и нелетучего материала, [14] [19] [23] несмотря на возможность того, что окисленный материал из внешней части Солнечной системы был аккрецирован к завершению аккреции Земли . [14] [19] Если бы мы могли лучше ограничить концентрации водорода , кислорода и кремния во внешнем ядре Земли, модели аккреции Земли, которые соответствуют этим концентрациям, предположительно, лучше ограничили бы формирование Земли. [14]

Последствия для формирования ядра Земли

Диаграмма дифференциации Земли. Диаграмма показывает 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 распространенности и способности разделяться на жидкое железо при определенных условиях.

Истощение сидерофильных элементов в мантии Земли по сравнению с хондритовыми метеоритами объясняется реакциями металлов и силикатов во время формирования ядра Земли. [24] Эти реакции зависят от кислорода , кремния и серы , [14] [25] [24] поэтому более точные ограничения на концентрации 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 конечными стадиями аккреции Земли [23] и что вода могла быть поглощена металлами, образующими ядро, через водный магматический океан . [14] [29]

Последствия для магнитного поля Земли

Схема геодинамо и магнитного поля Земли, которые могли быть вызваны 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, которые могли быть вызваны на раннем этапе истории Земли кристаллизацией оксида магния , диоксида кремния и оксида железа (II) .

Магнитное поле Земли управляется тепловой конвекцией , а также химической конвекцией, исключением легких элементов из внутреннего ядра, которые всплывают вверх внутри жидкого внешнего ядра, в то время как более плотные элементы опускаются вниз. [17] [30] Эта химическая конвекция высвобождает гравитационную энергию , которая затем доступна для питания геодинамо , которое создает магнитное поле Земли. [30] Эффективности Карно с большими неопределенностями предполагают, что композиционная и тепловая конвекция вносят около 80 процентов и 20 процентов соответственно в мощность геодинамо Земли. [30] Традиционно считалось, что до формирования внутреннего ядра Земли геодинамо Земли в основном приводилось в действие тепловой конвекцией. [30] Однако недавние заявления о том, что теплопроводность железа при температурах и давлениях ядра намного выше, чем считалось ранее, подразумевают, что охлаждение ядра в основном происходило за счет проводимости , а не конвекции, что ограничивало способность тепловой конвекции управлять геодинамо. [14] [17] Эта головоломка известна как новый «парадокс ядра». [14] [17] Альтернативный процесс, который мог бы поддерживать геодинамо Земли, требует, чтобы ядро ​​Земли изначально было достаточно горячим, чтобы растворить кислород , магний , кремний и другие легкие элементы. [17] Когда ядро ​​Земли начало остывать, оно стало бы перенасыщенным этими легкими элементами, которые затем выпали бы в нижнюю мантию, образуя оксиды, что привело бы к другому варианту химической конвекции. [14] [17]

Магнитное поле, создаваемое потоком ядра, необходимо для защиты жизни от межпланетной радиации и предотвращения рассеивания атмосферы в солнечном ветре . Скорость охлаждения за счет проводимости и конвекции неизвестна, [31] но одна из оценок заключается в том, что ядро ​​не замерзнет примерно через 91 миллиард лет, что намного позже ожидаемого расширения Солнца, стерилизации поверхности планеты и последующего сгорания. [32] [ требуется лучший источник ]

Ссылки

  1. ^ "Earth's Interior". Наука и инновации . National Geographic. 18 января 2017 г. Архивировано из оригинала 6 мая 2017 г. Получено 14 ноября 2018 г.
  2. ^ Сью, Кэрил (2015-08-17). Эверс, Джинни (ред.). "Core". National Geographic Society . Получено 2022-02-25 .
  3. ^ Чжан, Юцзюнь; Секинэ, Тосимори; Хэ, Хунлян; Ю, Инь; Лю, Фушэн; Чжан, Минцзянь (2014-07-15). «Ударное сжатие системы Fe-Ni-Si до 280 ГПа: последствия для состава внешнего ядра Земли». Geophysical Research Letters . 41 (13): 4554–4559. Bibcode : 2014GeoRL..41.4554Z. doi : 10.1002/2014gl060670 . ISSN  0094-8276. S2CID  128528504.
  4. ^ Young, CJ; Lay, T (1987). «Граница ядро-мантия». Annual Review of Earth and Planetary Sciences . 15 (1): 25–46. Bibcode : 1987AREPS..15...25Y. doi : 10.1146/annurev.ea.15.050187.000325. ISSN  0084-6597.
  5. ^ Гутенберг, Бено (2016). Физика недр Земли . Academic Press. С. 101–118. ISBN 978-1-4832-8212-1.
  6. ↑ Джеффрис, Гарольд (1 июня 1926 г.). «Жесткость центрального ядра Земли». Monthly Notices of the Royal Astronomical Society . 1 : 371–383. Bibcode : 1926GeoJ....1..371J. doi : 10.1111/j.1365-246X.1926.tb05385.x . ISSN  1365-246X.
  7. ^ Аренс, Томас Дж., ред. (1995). Глобальная физика Земли: справочник физических констант (3-е изд.). Вашингтон, округ Колумбия: Американский геофизический союз . ISBN 9780875908519.
  8. ^ ab De Wijs, Gilles A.; Kresse, Georg; Vočadlo, Lidunka; Dobson, David; Alfè, Dario; Gillan, Michael J.; Price, Geoffrey D. (1998). "Вязкость жидкого железа в физических условиях ядра Земли" (PDF) . Nature . 392 (6678): 805. Bibcode :1998Natur.392..805D. doi :10.1038/33905. S2CID  205003051.
  9. ↑ Сотрудник (17 декабря 2010 г.). «Первое измерение магнитного поля внутри ядра Земли». Science 2.0 . Получено 14 ноября 2018 г. .
  10. ^ Баффет, Брюс А. (2010). «Приливное рассеяние и сила внутреннего магнитного поля Земли». Nature . 468 (7326): 952–4. Bibcode :2010Natur.468..952B. doi :10.1038/nature09643. PMID  21164483. S2CID  4431270.
  11. ^ Уоссел, Лорен; Ирвинг, Джессика; Дьюс, Арвен (2011). «Согласование полусферической структуры внутреннего ядра Земли с ее супервращением». Nature Geoscience . 4 (4): 264–267. Bibcode : 2011NatGe...4..264W. doi : 10.1038/ngeo1083.
  12. ^ ab Birch, Francis (1952). «Упругость и строение недр Земли». Journal of Geophysical Research . 57 (2): 227–286. Bibcode : 1952JGR....57..227B. doi : 10.1029/JZ057i002p00227.
  13. ^ Бирч, Фрэнсис (1964-10-15). «Плотность и состав мантии и ядра». Журнал геофизических исследований . 69 (20): 4377–4388. Bibcode : 1964JGR....69.4377B. doi : 10.1029/JZ069i020p04377.
  14. ^ abcdefghijklmnopqrstu Хиросе, Кей; Вуд, Бернард; Вокадло, Лидунка (2021). «Легкие элементы в ядре Земли». Nature Reviews Earth & Environment . 2 (9): 645–658. doi :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 сегрегация ее ядра». Nature . 441 (7095): 825–833. Bibcode :2006Natur.441..825W. doi :10.1038/nature04763. ISSN  1476-4687. PMID  16778882. S2CID  8942975.
  16. ^ abcde Пуарье, Жан-Поль (1994-09-01). "Легкие элементы во внешнем ядре Земли: критический обзор". Physics of the Earth and Planetary Interiors . 85 (3): 319–337. Bibcode : 1994PEPI...85..319P. doi : 10.1016/0031-9201(94)90120-1. ISSN  0031-9201.
  17. ^ abcdef Миттал, Тушар; Кнезек, Николас; Арвесон, Сара М.; Макгуайр, Крис П.; Уильямс, Кертис Д.; Джонс, Тимоти Д.; Ли, Цзе (2020-02-15). «Осаждение нескольких легких элементов для питания раннего динамо Земли». Earth and Planetary Science Letters . 532 : 116030. Bibcode : 2020E&PSL.53216030M. doi : 10.1016/j.epsl.2019.116030 . ISSN  0012-821X. S2CID  213919815.
  18. ^ ab Zhang, Youjun; Sekine, Toshimori; He, Hongliang; Yu, Yin; Liu, Fusheng; Zhang, Mingjian (2016-03-02). "Экспериментальные ограничения на легкие элементы во внешнем ядре Земли". Scientific Reports . 6 (1): 22473. Bibcode :2016NatSR...622473Z. doi :10.1038/srep22473. ISSN  2045-2322. PMC 4773879 . PMID  26932596. 
  19. ^ abcd Suer, Terry-Ann; Siebert, Julien; Remusat, Laurent; Menguy, Nicolas; Fiquet, Guillaume (2017-07-01). «Небогатое серой земное ядро, выведенное из экспериментов по разделению металлов и силикатов». Earth and Planetary Science Letters . 469 : 84–97. Bibcode : 2017E&PSL.469...84S. doi : 10.1016/j.epsl.2017.04.016. ISSN  0012-821X.
  20. ^ Чжан, Юцзюнь; Секинэ, Тосимори; Хэ, Хунлян; Ю, Инь; Лю, Фушэн; Чжан, Минцзянь (2014-07-15). «Ударное сжатие системы Fe-Ni-Si до 280 ГПа: последствия для состава внешнего ядра Земли». Geophysical Research Letters . 41 (13): 4554–4559. Bibcode : 2014GeoRL..41.4554Z. doi : 10.1002/2014gl060670 . ISSN  0094-8276. S2CID  128528504.
  21. ^ Георг, Р. Бастиан; Холлидей, Алекс Н.; Шойбле, Эдвин А.; Рейнольдс, Бен К. (2007). «Кремний в ядре Земли». Nature . 447 (7148): 1102–1106. Bibcode :2007Natur.447.1102G. doi :10.1038/nature05927. ISSN  1476-4687. PMID  17597757. S2CID  1892924.
  22. ^ Дофас, Николас; Пуатрассон, Франк; Буркхардт, Кристоф; Кобаяши, Хироши; Куросава, Косуке (2015-10-01). «Планетарные и метеоритные вариации Mg/Si и δ30Si, унаследованные от химии солнечных туманностей». Earth and Planetary Science Letters . 427 : 236–248. arXiv : 1507.02922 . Bibcode : 2015E&PSL.427..236D. doi : 10.1016/j.epsl.2015.07.008. ISSN  0012-821X. S2CID  20744455.
  23. ^ abcde Rubie, DC; Jacobson, SA; Morbidelli, A.; O'Brien, DP; Young, ED; de Vries, J.; Nimmo, F.; Palme, H.; Frost, DJ (2015-03-01). «Аккреция и дифференциация планет земной группы с учетом состава рано сформировавшихся тел Солнечной системы и аккреции воды». Icarus . 248 : 89–108. arXiv : 1410.3509 . Bibcode :2015Icar..248...89R. doi :10.1016/j.icarus.2014.10.015. ISSN  0019-1035. S2CID  37592339.
  24. ^ abc Бадро, Джеймс; Бродхолт, Джон П.; Пит, Элен; Сиберт, Жюльен; Райерсон, Фредерик Дж. (2015-10-06). «Формирование и состав керна на основе связанных геохимических и геофизических ограничений». Труды Национальной академии наук . 112 (40): 12310–12314. Bibcode : 2015PNAS..11212310B. doi : 10.1073/pnas.1505672112 . ISSN  0027-8424. PMC 4603515. PMID 26392555  . 
  25. ^ ab Фишер, Ребекка А.; Накадзима, Йоичи; Кэмпбелл, Эндрю Дж.; Фрост, Дэниел Дж .; Харрис, Деннис; Лангенхорст, Фалько; Миядзима, Нобуёси; Поллок, Килиан; Руби, Дэвид К. (15.10.2015). «Высокотемпературное металл-силикатное разделение Ni, Co, V, Cr, Si и O». Geochimica et Cosmochimica Acta . 167 : 177–194. Bibcode : 2015GeCoA.167..177F. doi : 10.1016/j.gca.2015.06.026 . ISSN  0016-7037.
  26. ^ Уэйд, Дж.; Вуд, Б.Дж. (2005-07-30). «Формирование ядра и состояние окисления Земли». Earth and Planetary Science Letters . 236 (1): 78–95. Bibcode : 2005E&PSL.236...78W. doi : 10.1016/j.epsl.2005.05.017. ISSN  0012-821X.
  27. ^ Сато, Такао; Окузуми, Сатоши; Ида, Сигеру (2016-05-01). «О доставке воды наземным эмбрионам путем наращивания ледяной гальки». Астрономия и астрофизика . 589 : A15. arXiv : 1512.02414 . Bibcode : 2016A&A...589A..15S. doi : 10.1051/0004-6361/201527069. ISSN  0004-6361. S2CID  55107839.
  28. ^ Raymond, Sean N.; Quinn, Thomas; Lunine, Jonathan I. (2007-02-01). "Высокоразрешающее моделирование окончательной сборки планет земного типа. 2. Доставка воды и обитаемость планет". Astrobiology . 7 (1): 66–84. arXiv : astro-ph/0510285 . Bibcode :2007AsBio...7...66R. doi :10.1089/ast.2006.06-0126. ISSN  1531-1074. PMID  17407404. S2CID  10257401.
  29. ^ Тагава, Шо; Сакамото, Наоя; Хиросе, Кей; Йоко, Шунпей; Хернлунд, Джон; Охиши, Ясуо; Юримото, Хисаёши (2021-05-11). «Экспериментальные доказательства включения водорода в ядро ​​Земли». Nature Communications . 12 (1): 2588. Bibcode :2021NatCo..12.2588T. doi :10.1038/s41467-021-22035-0. ISSN  2041-1723. PMC 8113257 . PMID  33976113. 
  30. ^ abcd Баффет, Брюс А. (2000-06-16). «Ядро Земли и геодинамо». Science . 288 (5473): 2007–2012. Bibcode :2000Sci...288.2007B. doi :10.1126/science.288.5473.2007. PMID  10856207.
  31. ^ Дэвид К. Ли (19 января 2022 г.). «Исследователи утверждают, что ядро ​​Земли остывает быстрее, чем считалось ранее». NBC News .
  32. ^ "Core". National Geographic . Получено 15 июля 2024 г.

Внешние ссылки

В Wikibook Historical Geology есть страница на тему: Структура Земли.