Тема 17.
Ядро Земли.
Ядро - сфероид со средним радиусом 3486 км, поверхность которого (раздел Гутенберга) расположена на глубине 2891 км, занимает центральную часть Земли. Раздел Гутенберга выражается резким изменением всех параметров (скорости и условий распространения сейсмических волн, плотности, градиентов давления и температуры), откуда следует однозначный вывод о химической природе границы мантии и ядра.
Прямые сведения о составе ядра отсутствуют, поэтому для его определения, помимо уже упоминавшихся условий распространения сейсмических волн, используются косвенные данные из нескольких источников. Достонерно известно, что: 1) ядро является наиболее плотной оболочкой Земли; 2) внешнее ядро (до глубины 3150 км) находится в жидком состоянии, авнутреннее - в твёрдом. Таким образом, проблема определения состава ядра состоит а том, чтобы подобрать подходящее вещество, которое при высоком давлении обладало бы установленной плотностью. а также объяснить, почему внутреннее ядро остается твёрдым, несмотря на его более высокую температуру по сравнению с внешним ядром.
Самая грубая опенка состава ядра может быть получена из хондритовой модели Земли, согласно которой валовый состав гомогенной Земли до её дифференциации на оболочки был близок к составу метеоритов-хондритов. Если из первичного хондрита убрать силикаты, которые впоследствии перешли в кору и мантию и состав которых, заметим, известен гораздо определеннее, чем состав ядра, то последнее должно состоять преимущественно из железа с добавкой некоторых других элементов: тем самым обеспечивается близкое совпадение с плотностью и другими наблюдаемыми параметрами ядра.
Есть ещё один важный источник сведений, характеризующих ядро, - существование магнитного поля Земли, которое генерируется во внешнем ядре по принципу работы динамомашины, приводимой в движение перемещением жидкости (конвекцией).
Наиболее простая модель (см. рисунок 17.1, а) предполагает химически однородное ядро, состоящее из вещества, температура плавления которого возрастает с глубиной вследствие повышения давления быстрее, чем действительная температура. На границе мантии и ядра температура плавления падает в результате перехода от силикатов к железу. При условии, что кривая температуры плавления в ядре круче температурного градиента, жидкое состояние там должно смениться на твёрдое; это и определит границу между внешним и внутренним ядром.
Рис. 17.1. Объяснение существования твердого внутреннего и жидкого внешнего ядра Земли (объяснение в тексте).
Однако такое объяснение входит в противоречие с фактом существования магнитного поля Земли, для генерации которого температурный градиент в ядре должен быть по меньшей мере адиабатическим, в противном случае во внешнем ядре не будет поддерживаться конвекция, необходимая для возбуждения магнитного поля и его короткопериодных вариаций. Адиабата в однородном железном ядре будет круче, чем кривая температуры плавления (рис. 17.1, б) Иными словами, упрощенные оценки температуры в ядре были субадиабатическими (линия В), а линия А отображает минимальный температурный градиент, необходимый для существования конвекции во внешнем ядре. Однако взаимное расположение кривой температуры плавления однородного железного ядра и линии А на рис. 17.1, б ясно показывает, что внутреннее ядро в этом случае должно быть жидким, а внешнее - твёрдым, в полную противоположность тому, что наблюдается в действительности.
Такнм образом, упрощенная модель однородного по химическому составу ядра оказалась несостоятельной и была отброшена. Более вероятная ситуация изображена на рис. 17.1, в. Показанная схема соответствует представлению, что внутреннее и внешнее ядро имеют, по-видимому, несколько различный химический состав и потому разные температуры плавления При этом как внутреннее. так и внешнее ядро должно содержать в качестве основного компонента железо, как следует из хондритовой модели Земли, поскольку для генерации магнитного поля всё ядро должно быть хорошим проводником, а другого достаточно распространёнпого на Земле элемента (вспомним, что ядро включает в себя треть массы нашей планеты), кроме железа, просто не существует.
Как было показано выше (см. рисунок 12.2), плотность внутреннего ядра изменяется в интервале 13,8- 14,3 г/см3. Согласно результатам лабораторных экспериментов, в ходе которых создавались нужные давления (около 350 ГПа), эти значения плотности слишком велики для чистого железа. Единственно возможный дополнительный компонент, достаточно распространённый и имеющий подходящую плотность - это никель, бразующий. очевидно, во внутреннем ядре сплав с железом, как в железных метеоритах. Содержание никеля во внутреннем ядре оставляет, по аналогии с метеоритами, 10 - 20%.
В то время как на внутреннее ядро приходится лишь 2% всей массы Земли, внешнее ядро имеет гораздо большие объём и массу (29%). Его плотность изменяется в интервале 10.0- 11,4 г/см3 (см. рисунок 12.2). Лабораторные эксперименты показывают, что при давлениях около 140 I'Па, характерных для границы мантии и ядра, плотность чистого железа составляет около 11 г/см3.
Значит, для внешнего ядра чистое железо чересчур плотное и, в противоположность внутреннему ядру, оно должно быть разбавлено каким-то более лёгким веществом На сегодняшний день единственным вероятным (достаточно распространённым) разбавителем железа во внешнем ядре представляется сера: её 9 - 12%-ная смесь с железом и небольшой примесью никеля даёт хорошее совпадение с плотностью внешнего ядра.
Кроме того, смесь железа и никеля с серой в указанных пропорциях начинает плавиться уже при 1000°С и оказывается полностью расплавленной при 1400°С, притом что чистое железо при соотвстствующих давлениях имеет более высокую температуру плавления (1535°С). а железо-никелевый сплав, из которого состоит внутреннее ядро, сохраняет твёрдое состояние до 4500°С. Таким образом, присутствие серы во внешнем ядре способно существенно понизить его температуру плавления. Этим удается объяснить наличие более холодного, но жидкого внешнего ядра при более горячем, но твёрдом внутреннем ядре, как показано на рис. 17.1.
Суммируем имеющиеся сведения о ядре Земли.
1. Исходя из данных о плотности ядра, составе метеоритов и результатов лабораторных экспериментов, состав ядра определяется следующим образом: внутреннее твёрдое ядро, составляющее около 2% массы Земли, - железо-никелевый сплав (вероятно, около 20% Ni и 80% Fе); внешнее, находящееся в жидком состоянии ядро, составляющее 29% массы Земли, - смесь железа, серы и никеля (вероятно, 12% S, 86% Fе и 2% Ni).
Магнитное поле Земли накладывает ограничения на гипотезы об условиях в ядре, поскольку короткопериодные вариации поля указывают на динамичность его источника. Для того чтобы объяснить вариации магнитного поля Земли, необходимо допустить интенсивную конвекцию во внешнем ядре.
3. Результаты экспериментов по плавлению, экстраполированные в область давлений, характерных для ядра, показывают, что сплав Fе-Ni находится во внутреннем ядре в тв`рдом состоянии, так как он плавится при температуре около 4500°С, которая не достигается, вероятно, даже в центре Земли. В то же время внешнее ядро находится ь жидком состоянии, так как примесь серы понижает температуру плавления железа до 1000- 1400°С.