Земното ядро не може да е съставено само от желязо – изглежда, че съдържа и въглерод. А нашите изследвания показват, че може да съдържа малко кислород и евентуално силиций.
Твърдото вътрешно ядро на Земята не може да е направено само от желязо. И така, какво друго съдържа? (Снимка: Rost-9D/Getty Images)
Богатото на желязо ядро в центъра на нашата планета е било ключова част от еволюцията на Земята. Ядрото не само захранва магнитното поле, което предпазва нашата атмосфера и океани от слънчева радиация, но и влияе върху тектониката на плочите, която непрекъснато е променяла континентите.
Но въпреки важността му, много от най-фундаменталните свойства на ядрото са неизвестни. Не знаем точно колко горещо е ядрото, от какво е направено или кога е започнало да замръзва. За щастие, едно скорошно откритие на мен и моите колеги ни доближава много до отговора на всичките три мистерии.
Знаем, че температурата на вътрешното ядро на Земята е приблизително около 5000 Келвина (K) (4727°C). Някога то е било течно, но с течение на времето се е охладило и е станало твърдо, разширявайки се навън в процеса. Докато се охлажда, то отделя топлина към покриващата мантия, задвижвайки теченията зад тектониката на плочите.
Същото това охлаждане генерира и магнитното поле на Земята. По-голямата част от енергията на полето днес идва от замръзване на течната част на ядрото и разрастване на твърдото вътрешно ядро в центъра му.
Тъй като обаче нямаме достъп до ядрото, трябва да оценим неговите свойства, за да разберем как се охлажда.
Ключова част от разбирането на ядрото е познаването на температурата му на топене. От сеизмологията (изследването на земетресенията) знаем къде е границата между твърдото вътрешно ядро и течното външно ядро. Температурата на ядрото трябва да е равна на температурата му на топене на това място, защото там то замръзва. Така че, ако знаем каква е точно температурата на топене, можем да научим повече за точната температура на ядрото - и от какво е направено.
Мистериозна химия
Традиционно имаме два начина да разберем от какво е съставено ядрото: метеорити и сеизмология. Чрез изследване на химичния състав на метеоритите – за които се смята, че са части от планети, които никога не са се образували, или части от ядра на разрушени планети, подобни на Земята – можем да добием представа от какво би могло да е съставено нашето ядро.
Проблемът е, че това ни дава само приблизителна представа. Метеоритите ни показват, че ядрото би трябвало да е направено от желязо и никел, и може би от няколко процента силиций или сяра, но е трудно да се каже по-точно.
Сеизмологията, от друга страна, е много по-специфична. Когато звуковите вълни от земетресенията преминават през планетата, те се ускоряват и забавят в зависимост от това през какви материали преминават. Като сравним времето за пътуване на тези вълни, от земетресението до сеизмометъра, с това колко бързо вълните преминават през минерали и метали в експерименти, можем да добием представа от какво е направена вътрешността на Земята.
Оказва се, че тези времена за пътуване изискват ядрото на Земята да е с около 10% по-малко плътно от чистото желязо и течното външно ядро да е по-плътно от твърдото вътрешно ядро. Само известен химичен състав на ядрото може да обясни тези свойства.
Но дори сред малък брой възможни съставки, потенциалните температури на топене варират със стотици градуси - което не ни оставя с нищо по-разбираемо за точните свойства на ядрото.
Ново ограничение
В новото ни изследване използвахме минерална физика, за да проучим как ядрото може да е започнало да замръзва, откривайки нов начин за разбиране на химията на ядрото. И този подход изглежда дори по-специфичен от сеизмологията и метеоритите.
Изследвания, симулиращи как атомите в течните метали се обединяват, за да образуват твърди вещества, установиха, че някои сплави изискват по-интензивно „преохлаждане“ от други. Преохлаждането е, когато течността се охлажда под температурата си на топене. Колкото по-интензивно е преохлаждането, толкова по-често атомите ще се обединяват, за да образуват твърди вещества, което прави течността да замръзва по-бързо. Бутилка вода във фризера ви може да бъде преохладена до -5°C в продължение на часове преди замръзване, докато градушката се образува за минути, когато водните капчици се охладят до -30°C в облаците.
Като изследваме всички възможни температури на топене на ядрото, откриваме, че най-преохладеното ядро е около 420°C под температурата на топене - ако е повече от това, вътрешното ядро би било по-голямо, отколкото сеизмологията установява. Но чистото желязо изисква невъзможни ~1000°C преохлаждане, за да замръзне. Ако се охлади толкова много, цялото ядро би замръзнало, противно на наблюденията на сеизмолозите.
Добавянето на силиций и сяра, за които както метеоритите, така и сеизмологията предполагат, че може да присъстват в ядрото, само влошава този проблем, изисквайки още по-голямо преохлаждане.
Нашето ново изследване изследва ефекта на въглерода в ядрото. Ако 2,4% от масата на ядрото е въглерод, би било необходимо преохлаждане от около 420°C, за да започне замръзването на вътрешното ядро. Това е първият път, когато е доказано, че замръзването на ядрото е възможно. Ако съдържанието на въглерод в ядрото е 3,8%, е необходимо преохлаждане само от 266°C. Това все още е много, но е далеч по-правдоподобно.
Това ново откритие показва, че макар сеизмологията да може да стесни възможния химичен състав на ядрото до няколко различни комбинации от елементи, много от тях не могат да обяснят наличието на твърдо вътрешно ядро в центъра на планетата.
Ядрото не може да бъде съставено само от желязо и въглерод, защото сеизмичните свойства на ядрото изискват поне още един елемент. Нашите изследвания показват, че е по-вероятно то да съдържа малко кислород и евентуално силиций.
Това бележи значителна стъпка към разбирането от какво е съставено ядрото, как е започнало да замръзва и как е оформило нашата планета отвътре навън.
Източник за статията
Тази редактирана статия е препубликувана от The Conversation под лиценз Creative Commons. Прочетете оригиналната статия.
Богатото на желязо ядро в центъра на нашата планета е било ключова част от еволюцията на Земята. Ядрото не само захранва магнитното поле, което предпазва нашата атмосфера и океани от слънчева радиация, но и влияе върху тектониката на плочите, която непрекъснато е променяла континентите.
Но въпреки важността му, много от най-фундаменталните свойства на ядрото са неизвестни. Не знаем точно колко горещо е ядрото, от какво е направено или кога е започнало да замръзва. За щастие, едно скорошно откритие на мен и моите колеги ни доближава много до отговора на всичките три мистерии.
Знаем, че температурата на вътрешното ядро на Земята е приблизително около 5000 Келвина (K) (4727°C). Някога то е било течно, но с течение на времето се е охладило и е станало твърдо, разширявайки се навън в процеса. Докато се охлажда, то отделя топлина към покриващата мантия, задвижвайки теченията зад тектониката на плочите.
Същото това охлаждане генерира и магнитното поле на Земята. По-голямата част от енергията на полето днес идва от замръзване на течната част на ядрото и разрастване на твърдото вътрешно ядро в центъра му.
Тъй като обаче нямаме достъп до ядрото, трябва да оценим неговите свойства, за да разберем как се охлажда.
Ключова част от разбирането на ядрото е познаването на температурата му на топене. От сеизмологията (изследването на земетресенията) знаем къде е границата между твърдото вътрешно ядро и течното външно ядро. Температурата на ядрото трябва да е равна на температурата му на топене на това място, защото там то замръзва. Така че, ако знаем каква е точно температурата на топене, можем да научим повече за точната температура на ядрото - и от какво е направено.
Мистериозна химия
Традиционно имаме два начина да разберем от какво е съставено ядрото: метеорити и сеизмология. Чрез изследване на химичния състав на метеоритите – за които се смята, че са части от планети, които никога не са се образували, или части от ядра на разрушени планети, подобни на Земята – можем да добием представа от какво би могло да е съставено нашето ядро.
Проблемът е, че това ни дава само приблизителна представа. Метеоритите ни показват, че ядрото би трябвало да е направено от желязо и никел, и може би от няколко процента силиций или сяра, но е трудно да се каже по-точно.
Сеизмологията, от друга страна, е много по-специфична. Когато звуковите вълни от земетресенията преминават през планетата, те се ускоряват и забавят в зависимост от това през какви материали преминават. Като сравним времето за пътуване на тези вълни, от земетресението до сеизмометъра, с това колко бързо вълните преминават през минерали и метали в експерименти, можем да добием представа от какво е направена вътрешността на Земята.
Оказва се, че тези времена за пътуване изискват ядрото на Земята да е с около 10% по-малко плътно от чистото желязо и течното външно ядро да е по-плътно от твърдото вътрешно ядро. Само известен химичен състав на ядрото може да обясни тези свойства.
Но дори сред малък брой възможни съставки, потенциалните температури на топене варират със стотици градуси - което не ни оставя с нищо по-разбираемо за точните свойства на ядрото.
Ново ограничение
В новото ни изследване използвахме минерална физика, за да проучим как ядрото може да е започнало да замръзва, откривайки нов начин за разбиране на химията на ядрото. И този подход изглежда дори по-специфичен от сеизмологията и метеоритите.
Изследвания, симулиращи как атомите в течните метали се обединяват, за да образуват твърди вещества, установиха, че някои сплави изискват по-интензивно „преохлаждане“ от други. Преохлаждането е, когато течността се охлажда под температурата си на топене. Колкото по-интензивно е преохлаждането, толкова по-често атомите ще се обединяват, за да образуват твърди вещества, което прави течността да замръзва по-бързо. Бутилка вода във фризера ви може да бъде преохладена до -5°C в продължение на часове преди замръзване, докато градушката се образува за минути, когато водните капчици се охладят до -30°C в облаците.
Като изследваме всички възможни температури на топене на ядрото, откриваме, че най-преохладеното ядро е около 420°C под температурата на топене - ако е повече от това, вътрешното ядро би било по-голямо, отколкото сеизмологията установява. Но чистото желязо изисква невъзможни ~1000°C преохлаждане, за да замръзне. Ако се охлади толкова много, цялото ядро би замръзнало, противно на наблюденията на сеизмолозите.
Добавянето на силиций и сяра, за които както метеоритите, така и сеизмологията предполагат, че може да присъстват в ядрото, само влошава този проблем, изисквайки още по-голямо преохлаждане.
Нашето ново изследване изследва ефекта на въглерода в ядрото. Ако 2,4% от масата на ядрото е въглерод, би било необходимо преохлаждане от около 420°C, за да започне замръзването на вътрешното ядро. Това е първият път, когато е доказано, че замръзването на ядрото е възможно. Ако съдържанието на въглерод в ядрото е 3,8%, е необходимо преохлаждане само от 266°C. Това все още е много, но е далеч по-правдоподобно.
Това ново откритие показва, че макар сеизмологията да може да стесни възможния химичен състав на ядрото до няколко различни комбинации от елементи, много от тях не могат да обяснят наличието на твърдо вътрешно ядро в центъра на планетата.
Ядрото не може да бъде съставено само от желязо и въглерод, защото сеизмичните свойства на ядрото изискват поне още един елемент. Нашите изследвания показват, че е по-вероятно то да съдържа малко кислород и евентуално силиций.
Това бележи значителна стъпка към разбирането от какво е съставено ядрото, как е започнало да замръзва и как е оформило нашата планета отвътре навън.
Тази редактирана статия е препубликувана от The Conversation под лиценз Creative Commons. Прочетете оригиналната статия.
Tags:
Земята и нейните тайни