stringtranslate.com

Earth's outer core

Earth and atmosphere structure

Earth's outer core is a fluid layer about 2,260 km (1,400 mi) thick, composed of mostly iron and nickel that lies above Earth's solid inner core and below its mantle.[1][2][3] The outer core begins approximately 2,889 km (1,795 mi) beneath Earth's surface at the core-mantle boundary and ends 5,150 km (3,200 mi) beneath Earth's surface at the inner core boundary.[4]

Properties

The outer core of Earth is liquid, unlike its inner core, which is solid.[5] Evidence for a fluid outer core includes seismology which shows that seismic shear-waves are not transmitted through the outer core.[6] Although having a composition similar to Earth's solid inner core, the outer core remains liquid as there is not enough pressure to keep it in a solid state.

Seismic inversions of body waves and normal modes constrain the radius of the outer core to be 3483 km with an uncertainty of 5 km, while that of the inner core is 1220±10 km.[7]: 94 

Estimates for the temperature of the outer core are about 3,000–4,500 K (2,700–4,200 °C; 4,900–7,600 °F) in its outer region and 4,000–8,000 K (3,700–7,700 °C; 6,700–14,000 °F) near the inner core.[8] Modeling has shown that the outer core, because of its high temperature, is a low-viscosity fluid that convects turbulently.[8] The dynamo theory sees eddy currents in the nickel-iron fluid of the outer core as the principal source of Earth's magnetic field. The average magnetic field strength in Earth's outer core is estimated to be 2.5 millitesla, 50 times stronger than the magnetic field at the surface.[9][10]

As Earth's core cools, the liquid at the inner core boundary freezes, causing the solid inner core to grow at the expense of the outer core, at an estimated rate of 1 mm per year. This is approximately 80,000 tonnes of iron per second.[11]

Light elements of Earth's outer core

Composition

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
An artist's illustration of what Earth might have looked like early in its formation. In this image, the Earth looks molten, with red gaps of lava separating with jagged and seemingly-cooled plates of material.
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

CI chondritic meteorites are believed to contain the same planet-forming elements in the same proportions as in the early Solar System,[14] so differences between CI meteorites and BSE can provide insights into the light element composition of Earth's outer core.[20][14] For instance, the depletion of silicon in BSE compared to CI meteorites may indicate that silicon was absorbed into Earth's core; however, a wide range of silicon concentrations in Earth's outer and inner core is still possible.[14][21][22]

Implications for Earth's accretion and core formation history

Tighter constraints on the concentrations of light elements in Earth's outer core would provide a better understanding of Earth's accretion and core formation history.[14][19][23]

Consequences for Earth's accretion

Models of Earth's accretion could be better tested if we had better constraints on light element concentrations in Earth's outer core.[14][23] For example, accretionary models based on core-mantle element partitioning tend to support proto-Earths constructed from reduced, condensed, and volatile-free material,[14][19][23] despite the possibility that oxidized material from the outer Solar System was accreted towards the conclusion of Earth's accretion.[14][19] If we could better constrain the concentrations of hydrogen, oxygen, and silicon in Earth's outer core, models of Earth's accretion that match these concentrations would presumably better constrain Earth’s formation.[14]

Consequences for Earth's core formation

Схема дифференциации Земли. На диаграмме показаны различные слои Земли и то, как плотные материалы движутся к ядру Земли.
A diagram of Earth's differentiation. The light elements sulfur, silicon, oxygen, carbon, and hydrogen may constitute part of the outer core due to their abundance and ability to partition into liquid iron under certain conditions.

The depletion of siderophile elements in Earth's mantle compared to chondritic meteorites is attributed to metal-silicate reactions during formation of Earth's core.[24] These reactions are dependent on oxygen, silicon, and sulfur,[14][25][24] so better constraints on concentrations of these elements in Earth's outer core will help elucidate the conditions of formation of Earth's core.[14][23][25][24][26]

In another example, the possible presence of hydrogen in Earth's outer core suggests that the accretion of Earth’s water[14][27][28] was not limited to the final stages of Earth's accretion[23] and that water may have been absorbed into core-forming metals through a hydrous magma ocean.[14][29]

Implications for Earth's magnetic field

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.
A diagram of Earth's geodynamo and magnetic field, which could have been driven in Earth's early history by the crystallization of magnesium oxide, silicon dioxide, and iron(II) oxide.

Earth's magnetic field is driven by thermal convection and also by chemical convection, the exclusion of light elements from the inner core, which float upward within the fluid outer core while denser elements sink.[17][30] This chemical convection releases gravitational energy that is then available to power the geodynamo that produces Earth's magnetic field.[30] Carnot efficiencies with large uncertainties suggest that compositional and thermal convection contribute about 80 percent and 20 percent respectively to the power of Earth's geodynamo.[30] Traditionally it was thought that prior to the formation of Earth's inner core, Earth's geodynamo was mainly driven by thermal convection.[30] However, recent claims that the thermal conductivity of iron at core temperatures and pressures is much higher than previously thought imply that core cooling was largely by conduction not convection, limiting the ability of thermal convection to drive the geodynamo.[14][17] This conundrum is known as the new "core paradox."[14][17] An alternative process that could have sustained Earth's geodynamo requires Earth's core to have initially been hot enough to dissolve oxygen, magnesium, silicon, and other light elements.[17] As the Earth's core began to cool, it would become supersaturated in these light elements that would then precipitate into the lower mantle forming oxides leading to a different variant of chemical convection.[14][17]

The magnetic field generated by core flow is essential to protect life from interplanetary radiation and prevent the atmosphere from dissipating in the solar wind. The rate of cooling by conduction and convection is uncertain,[31] but one estimate is that the core would not be expected to freeze up for approximately 91 billion years, which is well after the Sun is expected to expand, sterilize the surface of the planet, and then burn out.[32][better source needed]

References

  1. ^ "Earth's Interior". Science & Innovation. National Geographic. 18 January 2017. Archived from the original on May 6, 2017. Retrieved 14 November 2018.
  2. ^ Сью, Кэрил (17 августа 2015 г.). Эверс, Джинни (ред.). "Основной". Национальное географическое общество . Проверено 25 февраля 2022 г.
  3. ^ Чжан, Юджун; Сэкине, Тошимори; 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  2662-138Х. 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.). «Земное ядро ​​с низким содержанием серы, 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, Тошимори; 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. ^ Raymond, Sean N.; Quinn, Thomas; Lunine, Jonathan I. (2007-02-01). "High-Resolution Simulations of The Final Assembly of Earth-Like Planets. 2. Water Delivery And Planetary Habitability". 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. ^ Tagawa, Shoh; Sakamoto, Naoya; Hirose, Kei; Yokoo, Shunpei; Hernlund, John; Ohishi, Yasuo; Yurimoto, Hisayoshi (2021-05-11). "Experimental evidence for hydrogen incorporation into Earth's core". Nature Communications. 12 (1): 2588. Bibcode:2021NatCo..12.2588T. doi:10.1038/s41467-021-22035-0. ISSN 2041-1723. PMC 8113257. PMID 33976113.
  30. ^ a b c d Buffett, Bruce A. (2000-06-16). "Earth's Core and the Geodynamo". Science. 288 (5473): 2007–2012. Bibcode:2000Sci...288.2007B. doi:10.1126/science.288.5473.2007. PMID 10856207.
  31. ^ David K. Li (19 January 2022). "Earth's core cooling faster than previously thought, researchers say". NBC News.
  32. ^ "Core". National Geographic. Retrieved 15 July 2024.

External links

The Wikibook Historical Geology has a page on the topic of: Structure of the Earth