Для школьников (по материалам учебной и научной литературы).
Людей всегда ИНТЕРЕСОВАЛИ вопросы: что происходит внутри Земли, чем вызваны извержения вулканов, землетрясения? Каков состав вещества Земли и каково её внутреннее строение?
Стали бурить сверхглубокие скважины на суше и в дне океана, доставать вещество для его изучения. Состав вещества более глубоких слоёв Земли изучали по магме, вышедшей с глубин Земли при извержении вулканов.
Но как узнать состав вещества в НЕДОСТУПНЫХ глубинах Земли (в её центре), как узнать структуру Земли в целом?
Вопросами изучения Земли занимается ГЕОФИЗИКА (наука о Земле).
Изучением вопросов, связанных с землетрясениями, занимается СЕЙСМОЛОГИЯ ( основной раздел геофизики).
В данной статье поговорим о том, как изучают Землю и что сейчас известно о внутреннем строении Земли.
Какие свойства Земли представляются нам очевидными?
1. В центре Земли есть ЯДРО, имеющее очень высокую температуру. Этот вывод очевиден, так как извергаемая вулканами магма имеет температуру порядка от 600 до 1800 градусов Цельсия.
Но возникает вопрос: ЧЕМ МОЖНО ОБЪЯСНИТЬ ОЧЕНЬ ВЫСОКУЮ ТЕМПЕРАТУРУ ЯДРА ЗЕМЛИ?
Можно предположить, что Земля изначально была раскалённой, потом стала остывать. Такое представление о возникновении Земли действительно существовало, но от него отказались, так как в этом случае Земля была бы покрыта шлаком и для жизни была бы непригодна.
Сейчас общепризнанной является теория образования Земли из холодных плотных газо-пылевых облаков https://dzen.ru/a/aPVoQ1_C1XliUU0L.
Высокую температуру ядра Земли можно объяснить тем, что в недрах Земли могла остаться часть тепла, выделившаяся при её формировании, в частности при аккреции (объединении мелких пылинок в сгустки) и при трении (когда более плотное вещество под действием силы гравитации двигалось к центру рождающейся Земли).
Но главным источником нагрева центральной области Земли считается тепло, выделяющееся при распаде радиоактивных элементов (прежде всего калия, урана и тория).
2. Очевидно, что ЯДРО Земли должно быть расплавленным (жидким), на это указывает наличие магнитного поля Земли. Ведь источником магнитного поля являются движущиеся электрические заряды (электрический ток) .
3. ПЛОТНОСТЬ вещества ядра Земли очень большая. Этот факт был известен учёным с 18 века, когда английский физик и химик Кавендиш, используя крутильные весы и закон всемирного тяготения определил среднюю плотность Земли, равную 5,48 г/см³.
Она оказалась много больше плотности горных пород на поверхности Земли, близкой к 3 г/см³. Отсюда следовало, что в глубинах Земли сосредоточены тяжёлые вещества, определяющие высокую плотность ядра.
4. ЯДРО является главной частью Земли, определяющей состояние всей Земли в целом и всех частей Земли- её твёрдой поверхности, воздушной и водной оболочек, так как все процессы определяются количеством теплоты, идущей от ядра к поверхности Земли.
5. Очевидно, что с глубиной (увеличением расстояния от поверхности к центру Земли) температура, плотность и давление растут.
Вещество ядра Земли человек никогда не сможет достать, поэтому прямой метод его исследования исключён. В таких случаях пользуются КОСВЕННЫМИ методами исследования.
Косвенные методы исследования строения Земли
Существуют разные косвенные методы исследования строения Земли, но основным является СЕЙСМИЧЕСКИЙ МЕТОД. Он основан на изучении сейсмических волн, возникающих в ОЧАГЕ землетрясения и распространяющихся во все стороны в объёме Земли.
Вблизи очага землетрясения СЕЙСМИЧЕСКИЕ ВОЛНЫ обладают силой разрушения, но на значительных расстояниях от очага они являются низкочастотными упругими волнами, переносящими энергию упругих колебаний среды.
Сейсмические волны бывают ОБЪЁМНЫМИ и ПОВЕРХНОСТНЫМИ. Поверхностные волны распространяются по поверхности Земли и позволяют изучать вещество, находящееся на сравнительно небольших глубинах. Поверхностные волны рассматривать не будем.
ОБЪЁМНЫЕ сейсмические волны способны пронизывать всю толщу Земли, в том числе и её ядро, поэтому дают возможность понять структуру всей Земли.
Скорость распространения волн зависит от плотности и упругих свойств вещества Земли - с их увеличением скорость сейсмических волн растёт.
ОБЪЁМНЫЕ сейсмические волны бывают двух типов: ПРОДОЛЬНЫЕ (рис. а) и ПОПЕРЕЧНЫЕ (рис. б)
ПРОДОЛЬНЫЕ сейсмические волны (Р) переносят изменения объёма среды в направлении распространения волны - это волны сжатия и растяжения объёма.
В ПОПЕРЕЧНЫХ сейсмических волнах (S) слои среды скользят относительно друг друга, а частицы среды колеблются в направлении ПЕРПЕНДИКУЛЯРНОМ направлению распространения волны (поперёк волны).
В ЖИДКОСТЯХ ПОПЕРЕЧНЫЕ ВОЛНЫ НЕ РАСПРОСТРАНЯЮТСЯ, так как в жидкости нет упругости сдвига. Это свойство поперечных волн оказалось очень важным в вопросе изучения структуры Земли.
Ниже даны уравнения, по которым находятся СКОРОСТИ продольной и поперечной ОБЪЁМНЫХ сейсмических волн в зависимости от плотности и модулей упругости среды:
Здесь K — модуль сжатия, μ — модуль сдвига среды; ρ - плотность среды.
Скорость продольных волн примерно в 2 раза больше скорости поперечных волн.
Далее в процессе рассмотрения структуры Земли будет сказано и о других косвенных методах исследования.
Как с помощью сейсмических волн определяют внутреннюю структуру Земли?
Для этого на Земле расположено много СЕЙСМИЧЕСКИХ СТАНЦИЙ, принимающих волны, доходящие до них от очага землетрясения. Здесь изучают изменение скорости волн в зависимости от свойств среды.
Если бы вещество Земли было однородным (имело одинаковую плотность, упругость во всех точках), то сейсмические волны, приходящие на сейсмическую станцию, имели бы ОДИНАКОВУЮ скорость.
Так как на станцию приходят волны с РАЗНЫМИ скоростями, значит они ПРОХОДИЛИ через участки среды, имеющие разную плотность и разные упругие свойства.
На сейсмическую станцию приходят волны не только идущие непосредственно от очага землетрясения, но и волны, испытавшие отражения, преломления от границ областей с разными физическими свойствами, проходящие разные расстояния.
Сейсмологи через анализ скоростей сейсмических волн находят плотности слоёв, через которые волны проходят; определяют упругие свойства этих слоёв. А по скачкообразным изменениям скорости волн находят границы между слоями, определяя этим толщину слоёв.
Так учёные через анализ сейсмических волн определяют внутреннюю структуру Земли.
Оказалось, что весь объём Земли можно представить состоящим из трёх основных СЛОЁВ: КОРЫ, ЯДРА и МАНТИИ, расположенной между корой и ядром.
(Слово МАНТИЯ означает верхнюю свободную одежду без рукавов, покрывающую лёгкую одежду. В отношении Земли МАНТИЯ рассматривается как покрывало ЯДРА Земли).
В свою очередь исследования ЯДРА и МАНТИИ показали, что они тоже состоят из слоёв, то есть Земля в целом имеет СЛОИСТУЮ структуру.
Был создан МАКЕТ ВНУТРЕННЕГО СТРОЕНИЯ Земли, на котором земной шар представляется в виде системы СЛОЁВ (или оболочек, или геосфер), каждой геосфере присвоено своё буквенное обозначение.
На макете буквой А обозначена земная КОРА (верхняя геосфера Земли) - самая тонкая геосфера.
Буквами В, С и D обозначены три слоя МАНТИИ Земли.
Под мантией находится очень горячее ЯДРО Земли, обозначенное на макете буквами Е, F, G.
Про особенности этих слоёв (про их состав, свойства) будет сказано позднее, а сейчас обратимся к рисунку разреза Земли, выполненному художником в соответствии с результатами сейсмических исследований Земли (без соблюдения масштаба).
Рисунок разреза Земли
На рисунке показаны значения температуры и давления внутри Земли на разных глубинах.
Внизу рисунка изображено ЯДРО Земли и указана его температура в 5000 градусов Цельсия.
Вверху рисунка показана ЗЕМНАЯ КОРА, идущая до глубины примерно 33 км (среднее значение толщины земной коры).
Между корой и ядром находится мантия.
Чтобы лучше прочувствовать, что происходит внутри Земли, представим себя спускающимися в направлении к центру Земли.
Спустившись в глубокую пещеру, обнаружим, что там ТЕМНО, ПРОХЛАДНО и СЫРО.
Если будем спускаться ниже в шахте, то заметим, что постепенно становится ТЕПЛЕЕ.
Ещё глубже - становится ЖАРКО (шахтёры в глубочайших шахтах с трудом выдерживают четырёхчасовую смену).
Мысленно продолжим спуск, находясь в воображаемой изолированной камере.
На расстоянии 10 -15 км от поверхности Земли СЫРОСТИ НЕТ совсем, так как нет свободной воды. Перегретая, сжатая давлением в тысячи атмосфер, вода здесь активно вступает в химические соединения.
Ещё глубже тьма кончается. На глубине в ДЕСЯТКИ КИЛОМЕТРОВ недра Земли СВЕТЯТСЯ всё более ярким светом, сначала тёмно-вишнёвым, затем оранжевым, потом жёлтым.
Кажется, что горные породы вот-вот расплавятся, стоит температуре только немного повыситься.
Но этого не происходит, так как с глубиной температура повышается, но ещё быстрее повышается давление, которое не даёт породе расплавиться (порода остаётся твёрдой).
Ниже идут сотни километров ДОБЕЛА РАСКАЛЁННОГО, СЖАТОГО ДО МИЛЛИОНА АТМОСФЕР сплошного камня - это МАНТИЯ Земли.
Масса мантии составляет примерно 70% от массы Земли.
На первый взгляд вещество МАНТИИ показалось бы нам неподвижным, но присмотревшись внимательно, мы обнаружили бы еле заметное, но ПОСТОЯННОЕ её ДВИЖЕНИЕ со скоростью нескольких сантиметров в год.
Такая малая скорость вещества мантии связана с её огромной вязкостью и инерцией тяжёлых горных пород.
На рисунке красным цветом показано, что в слое горной породы на глубине примерно 200 км, выплавилась МАГМА. Она по щели поднялась до поверхности Земли и произошло извержение вулкана.
Магма. Извержения вулканов
МАГМА представляет собой насыщенный газами РАСПЛАВ ГОРНОЙ ПОРОДЫ, нагретой до точки плавления. Температура магмы зависит от её состава и глубины образования, и лежит в пределах от 600 до 1800 градусов Цельсия.
Зарождается магма в нижних участках земной коры или в мантии на глубинах от 10 до 250 км.
Магма представляет собой силикатный расплав. Состоит она в ОСНОВНОМ из следующих элементов: O, Si, Al, Fe, Mg, Ca, Ti, Na, K.
В состав магмы входят практически все химические элементы таблицы Менделеева. В ней присутствуют также расплавленные металлы, обычно в виде соединений с анионами, и летучие вещества: водород, хлор, фтор и др.
Магма может образовываться и без подвода тепла - за счёт обезвоживания минералов, содержащихся в горной породе.
(Минералы представляют собой химические соединения элементов. В глубинах Земли минералы содержат связанную воду. При нагреве породы минералы разлагаются, вода улетучивается, что резко, на сотни градусов, СНИЖАЕТ ТЕМПЕРАТУРУ ПЛАВЛЕНИЯ силикатных пород).
Из-за того, что плотность магмы меньше плотности окружающих пород, она поднимается, заполняя трещины горной породы.
Магма может затвердеть в трещине в виде жилы, если не найдёт выхода на поверхность. Она может поднять куполом слой земли и там затвердеть.
Если под давлением выделяющихся газов магма прорывается на поверхность Земли, то возникает извержение ВУЛКАНА.
Изверженную магму называют ЛАВОЙ.
Извержения вулканов сопровождаются мощными взрывами. Первыми на поверхность вырываются газы - водяной пар, сероводород, углекислый газ и др. Над вулканом может подниматься дым из частиц горных пород, отрывающихся от лавы под напором газов.
Извержение сопровождается выбросом пепла (частиц горных пород размером менее 2 мм) и вулканических бомб - обломков породы, вылетающих из жерла вулкана в расплавленном состоянии. Эти обломки пород остывают в полёте и падают на землю уже твёрдыми.
Лава может быть жидкой или густой и вязкой, жидкая разливается по склону вулкана, густая лава течёт медленно, ломается на глыбы.
При быстром остывании лавы образуется плотная тяжёлая горная порода БАЗАЛЬТ.
(Базальт очень прочный, огнеупорный материал, нашедший широкое практическое применение. Базальт имеет сложный состав, он состоит из следующих химических компонентов:
- Диоксид кремния (SiO₂) — 45-53% состава, обеспечивает прочность и химическую стойкость материала.
- Оксид алюминия (Al₂O₃) — 12-18%. Повышает тугоплавкость и механическую прочность материала.
- Оксиды железа (FeO и Fe₂O₃) — суммарно 8-15%. Придают характерный темный цвет и увеличивают плотность материала.
- Оксид кальция (CaO) — 6-12%. Делает кристаллическую структуру материала более стабильной.
- Оксид магния (MgO) — 5-10%. Обеспечивает огнеупорные свойства материала.
- Оксиды натрия и калия (Na₂O, K₂O) — 1.5-3% и 0.1-1.5%, соответственно.
- Оксид титана (TiO₂) — 1-2.5%.
- Фосфорный ангидрид (P₂O₅) — 0.2-0.5%.
- Оксид марганца (Mn O) — 0.1-0.2%).
Если магма остывает медленно и кристаллизуется глубоко под землёй при высоком давлении, то образуется магматическая горная порода ГРАНИТ.
Этот процесс длится миллионы лет. В результате образуются крупные кристаллы кварца, полевого шпата и слюды, которые и формируют гранит.
Состав гранита:
Кварц (25–35%) — придаёт твёрдость и устойчивость к механическим воздействиям.
- Полевой шпат (60–65%) — определяет цвет гранита. Калиевый шпат даёт розовые и красные оттенки, натриево-кальциевый — светло-серые.
- Слюда (5–10%) — добавляет блеск и влияет на текстуру. К слюде относятся биотит и мусковит.
Химсостав ГРАНИТА в основном представлен:
- двуокисью кремния (кремнезёмом) — 69–78%;
- оксидом алюминия — до 17%;
- оксидами кальция, калия и натрия — до 11%;
- оксидами железа и магния — до 3%).
Вулканические извержения бывают разной силы. Лава может вытекать и без взрывов.
Извержения могут сопровождаться ВУЛКАНИЧЕСКИМИ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯМИ, связанными с расширением движущейся магмой грунта внутри вулкана, или обрушениями вулканического конуса.
Теперь кратко опишем, что сейчас известно о коре, мантии и ядре Земли.
Кора Земли
На макете кора Земли обозначена буквой А -это верхний самый тонкий слой Земли.
Земная кора устроена очень сложно. На равнинах континентов её толщина составляет примерно 30 км и состоит из трёх слоёв: под слоем осадков (песок, суглинки, галечник, песчаник) залегает слой породы типа гранитов толщиной 12-15 км, под ним находится базальтовый слой.
Под высокими горными хребтами строение коры такое же, но толщина коры достигает 50-60 км.
Эта земная кора называется корой КОНТИНЕНТАЛЬНОГО типа.
Под дном океана кора Земли другая - кора ОКЕАНИЧЕСКОГО типа: под слоем воды залегает тонкий слой осадков, а под ним сразу идёт базальтовый слой толщиной 5 -10 км.
(У берегов Атлантического океана океаническая кора сменяет континентальную незаметно - сходит на нет гранитный слой, утончается и немного видоизменяется базальтовый слой.
У берегов Тихого океана картина другая. Тип строения земной коры здесь особый - переходный, с большими перепадами глубин, пронизанный разломами, почти без гранитного слоя, но с глубокими корнями базальта).
В земной коре присутствует большинство элементов таблицы Менделеева, но в основном кора состоит из: кислорода (46,6%), кремния (27,7%) , алюминия (8%), железа (5%), кальция (3,6%) и примерно по 2% приходится на натрий, калий и магний.
Мантия Земли
Под земной корой находится МАНТИЯ Земли, обозначенная на макете буквами В, С и D.
Сейсмические исследования ПОКАЗАЛИ, что КОРА Земли отделена от МАНТИИ резкой сейсмической ГРАНИЦЕЙ, на которой скорости продольной и поперечной волн и плотность вещества скачкообразно резко возрастают.
Эта граница была открыта в 1909 г. югославским сейсмологом Мохоровичичем, ее называют границей Мохоровичича (или границей М.). Находится граница М. примерно на глубине 33 км.
Граница Мохоровичича позволила дать чёткое определение Земной КОРЕ: Земной КОРОЙ называется слой Земли, расположенный выше границы М.
Мантия состоит из трёх слоёв (верхнего В, промежуточного С и нижнего D), разделённых границами.
ВЕРХНЯЯ часть В мантии по химическому и минералогическому составу близка к горным породам богатым магнием и железом.
Верхний слой мантии имеет наибольшую вязкость, по направлению к ядру вязкость вещества мантии уменьшается.
ПРОМЕЖУТОЧНЫЙ слой С характеризуется сильным возрастанием скоростей сейсмических волн и увеличением электропроводности вещества Земли (видимо здесь вещество переходит в состояние с более плотной "упаковкой" атомов). В слое С происходят фазовые переходы минералов, что увеличивает плотность вещества.
Наибольшей плотностью обладает слой D мантии, у границы с ядром. Здесь формируются "плюмы" (горячие поднимающиеся потоки вещества).
В целом МАНТИЯ НЕОДНОРОДНА, причём она неоднородна не только в вертикальном направлении, но и в горизонтальном по температуре, составу вещества и его фазовому состоянию.
Неоднородности заставляют вещество мантии находиться в постоянном медленном движении.
Мантия очень горячая, её температура меняется от 1000 °C вблизи границы с КОРОЙ до 3700 °C у границы с ЯДРОМ (на уровне 2900 км).
Главным в мантии является процесс ТЕПЛОВОЙ КОНВЕКЦИИ.
(КОНВЕКЦИЯ -это процесс переноса тепла в жидкостях и газах, происходящий за счёт перемещения САМОГО ВЕЩЕСТВА, когда НАГРЕТАЯ часть вещества, ПОДНИМАЕТСЯ вверх, а холодная ОПУСКАЕТСЯ вниз).
В процессе конвекции в мантии горячее вещество, имеющее меньшую плотность, из глубин мантии поднимается в верхнюю её часть, и там охлаждается.
При охлаждении плотность вещества возрастает и оно опускается в глубину мантии - так вещество мантии переносит тепло от ядра к земной коре.
Отсюда понятно, что земная кора для своего развития берёт энергию от мантии.
Неоднородность мантии является основным фактором, определяющим распределение и интенсивность землетрясений на Земле. Она влияет на НАКОПЛЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЙ в горной породе и на ВЫСВОБОЖДЕНИЕ этих напряжений при землетрясениях.
Существуют разные мнения о характере движения вещества в мантии.
Одни учёные считают, что основным видом движения вещества мантии являются его вертикальные перемещения, когда менее плотные сгустки вещества медленно поднимаются вверх, а более плотные медленно двигаются вниз. Эти перемещения длятся десятки миллионов лет.
Другие учёные придерживаются идеи, что вся мантия захвачена медленными ВИХРЯМИ мощных течений.
Там, где поднимающееся из недр течение расползается под корой в стороны, существует РАСТЯЖЕНИЕ коры.
В других местах, где сталкивающиеся медленные валы раскалённого, одновременно и твёрдого и пластичного вещества уходят вглубь, они создают в коре зоны СЖАТИЯ.
На рисунке ниже показано, что на окраинах Тихого океана господствуют почти горизонтальные СИЛЫ СЖАТИЯ, а землетрясения в Срединно-Атлантическом хребте вызываются СИЛАМИ РАСТЯЖЕНИЯ.
ПРИЧИНА землетрясений везде одна - почти мгновенный СДВИГ ГОРНЫХ ПОРОД по обе стороны возникшей трещины (разлома) в земной коре, но СИЛЫ, образующие разломы, различны в разных областях Земли.
Ядро Земли
На макете ядро Земли обозначено буквами Е, F, G.
Состояние ядра Земли у учёных вызывает особый интерес.
Так, анализируя сильнейшие землетрясения, Чилийское 1960г и Аляскинское 1964г, сейсмологи заметили на записи приборов колебания необычайно длинного периода в десятки минут.
Оказалось, что толчок недр был так силён, что вся Земля вздрогнула и заколебалась КАК ЕДИНОЕ ЦЕЛОЕ. Она деформировалась, как колокол, она даже закручивалась полушариями в разные стороны.
Зная упругие свойства Земли, рассчитали ПЕРИОД этих колебаний.
Приняв, что ядро Земли твёрдое, получили период колебаний Земли не совпадающий с наблюдаемым периодом.
Приняв, что ядро Земли жидкое, получили период колебаний Земли совпадающий с наблюдаемым периодом.
Отсюда был сделан вывод, что ядро Земли ЖИДКОЕ.
(Если бы Земля имела твёрдое ядро, то период описанных выше колебаний составлял бы около 32 минут. На самом деле он равен 44 минутам, что соответствует жидкому ядру).
Наблюдался и другой вид собственных колебаний Земли - попеременное поперечное сплющивание и раздувание (показано внизу рисунка). Относительное смещение частиц при таких колебаниях было не более 1 мм.
Что мы сейчас знаем об ядре Земли?
На ядро приходится около 30% массы Земли из-за его большой плотности.
На глубине 2900 км немецким сейсмологом Гутенбергом была открыта граница между мантией и ядром. На этой границе скорость продольных Р волн резко уменьшалась, а поперечные волны исчезали (не проходили ниже).
Отсюда следует вывод: ВНЕШНЯЯ часть ядра Земли является жидкой (имеет свойства жидкости).
На глубине 5150 км была обнаружена новая граница раздела сред - граница между внешним жидким ядром и внутренним твёрдым ядром.
На этой глубине снова появились поперечные волны, а скорость продольных волн увеличилась. Отсюда следует вывод: внутренняя часть ядра является твёрдой.
На опыте существование внутреннего твёрдого ядра Земли обнаружила датский сейсмолог Инге Леманн в 1936 году по признаку отражения продольных сейсмических волн от ядра.
Таким образом, сейсмические исследования показали, что ядро Земли состоит из внутреннего твёрдого и внешнего жидкого. Слой F является переходным, его обычно относят к внешнему ядру.
Чтобы лучше представить и запомнить картину строения Земли с жидким внешним ядром, предлагается сравнить её с варёным яйцом: скорлупа яйца - это земная кора; белок яйца - мантия Земли; желток яйца - это ядро Земли.
Если яйцо сварено не полностью, то внутренняя часть желтка будет твёрдой, а внешняя - жидкой (аналогично ядру Земли).
Предполагается, что внешнее жидкое ядро Земли есть сплав железа и никеля, раскалённого до температуры 5000- 6000 градусов, в котором идут мощные конвекционные течения.
С учётом вращение Земли, получаем в жидком ядре вихревые движения заряженных частиц, создающих магнитное поле Земли.
Что ещё сейчас известно о ядре Земли?
Во ВНУТРЕННЕМ ядре выявлено наличие прослоек с разными состояниями.
Есть предположение, что в некоторых областях состояние внутреннего ядра может меняться от твёрдого до полумягкого и даже жидкого .
Ещё обнаружено, что ось вращения внутреннего ядра наклонена по отношению к оси вращения Земли примерно на 8 градусов, а также, что внутреннее ядро вращается на 0,1 градуса в год быстрее других оболочек.
Как определяли состав и температуру ядра Земли?
Для определения СОСТАВА ядра был применён другой косвенный метод - сравнение состава ядра Земли с составом метеоритов.
Дело в том, что метеориты считаются частью несформировавшейся планеты (или частью разрушенной планеты). По этому признаку состав ядра Земли должен быть близок к составу метеорита, то есть ядро должно состоять из железа и никеля.
Но сейсмические данные показывают, что ядро Земли примерно на 10% менее плотное, чем чистый железо-никелевый сплав. Значит, в составе ядра Земли должны быть ещё лёгкие элементы (ими могут быть сера, кислород, кремний, углерод или другие элементы).
Возможно, что в состав ядра входит углерод, так как исследования с использованием компьютерного моделирования показали, что ключевую роль в кристаллизации внутреннего ядра мог сыграть углерод.
Тогда, если ядро Земли состоит из железа и никеля, то ТЕМПЕРАТУРА ядра приближённо может быть определена по температуре плавления железа при сверхвысоких давлениях.
Для этого в лабораторных условиях создавали сверхвысокие давление и температуру, что сделать очень сложно.
Для проведения эксперимента брали образцы железа, помещали их между двумя алмазами, сжимали до миллионов атмосфер и нагревали с помощью лазеров до очень высокой температуры.
Затем образцы надо "просветить" синхротронным рентгеновским излучением, чтобы узнать их агрегатное состояние (твёрдое, жидкое или частично расплавленное). Сделать это надо было за очень короткое время, так как образцы в экстремальных условиях существуют лишь несколько секунд.
Облучение образца лазером вызывает микровзрыв и создаёт ударные волны, измерение скорости которых позволяет определить давление, а рентгеновская спектроскопия позволяет определить температуру.
Так, в одном из экспериментов учёные сжали железо до давления 2,2 миллиона атмосфер и нагрели до 4500 °C. Экстраполируя эти данные на границу внутреннего и внешнего ядра (где давление достигает 3,3 миллиона атмосфер), они получили температуру ядра равную примерно 6000 °C.
Представление о теории "тектоника плит"
Сначала посмотрим что означает фраза "тектоника плит".
Слово "тектоника" в переводе с греческого означает "строительство"
"Тектоника плит" означает, что ТВЁРДАЯ ПОВЕРХНОСТЬ Земли (земная кора + часть верхней мантии на глубину примерно в 70-100 км) НЕ ЯВЛЯЕТСЯ СПЛОШНОЙ, а СОСТОИТ ИЗ КАМЕННЫХ ПЛИТ разных размеров, сцеплённых между собой.
Эти плиты находятся на лежащем ниже ПЛАСТИЧНОМ слое мантии (перемещаются по нему с очень малой скоростью несколько сантиметров в год).
Благодаря движению плит поверхность Земли постоянно обновляется.
ТЕКТОНИКА ПЛИТ - это ТЕОРИЯ, объясняющая процессы горообразования, землетрясения, образования вулканов ЧЕРЕЗ ДВИЖЕНИЕ крупных плит относительно друг друга
На карте показаны границы плит (их называют литосферными плитами).
Самые крупные плиты: Евразийская, Африканская, Тихоокеанская, Северо-Американская и Южно-Американская.
Обратим внимание на Африканскую плиту. Эта плита огромная, её площадь включает площадь Африки и часть площади Атлантического океана.
Африканская плита граничит с Южноамериканской плитой.
Немецкий учёный Вагенер обратил внимание на схожесть восточной границы Южной Америки и западной границы Африки, у него появилась мысль о былом единстве этих континентов.
Вагенер стал проводить исследования, которые показали, что горные цепи по разные стороны Атлантики совпадали по структуре и возрасту. Одинаковыми были и климатические явления (следы оледенений, болота и т. д.), и окаменелости животных и растений. Это указывало на то, что в прошлом Африканский и Южноамериканский континенты составляли одно целое.
Исходя из результатов исследований, Вагенер в 1912 году предложил теорию дрейфа (перемещения) континентов.
Эта теория не была поддержана учёными, так как не было понятно какие силы перемещают континенты.
Лишь в 1960-е годы при исследовании дна Атлантического океана было обнаружено существование литосферных плит и их возможное раздвигание.
На основании наблюдений за поведением плит и была создана современная теория "тектоники плит".
ДВИЖЕНИЕМ литосферных ПЛИТ УПРАВЛЯЕТ МАНТИЯ ЗЕМЛИ, а именно процесс конвекции, обусловленный неоднородностью вещества мантии (процесс конвекции в мантии описан выше).
Со временем процессы, происходящие внутри Земли, сдвигают плиты, вызывая их столкновение и растрескивание. Плиты могут разрушаться, могут объединяться.
Если плиты сталкиваются, затем расходятся, то высвобождается много энергии - происходит сильное землетрясение.
Теория тектоники плит показывает, что именно границы плит обладают высокой геологической активностью. В местах столкновения плит образуются горы, а в местах расхождения появляются океанические впадины и разломы.
Возможны разные случаи взаимодействия плит, рассмотрим некоторые:
1) При столкновении (сближении) двух континентальных плит, плиты сгибаются, деформируются, образуя горы.
Так, например, при столкновении Индостанской и Евразийской плит образовались Гималаи. Это столкновение продолжается и Гималаи продолжают медленно расти.
2) При столкновении континентальной и океанической плит возникают вулканы, возможны мощные землетрясения. При таком столкновении более тяжёлая океаническая плита погружается под материковую плиту, в мантию, там она переплавляется в магму. Более лёгкая материковая плита поднимается вверх, по трещинам в ней поднимается магма - образуются вулканы.
3) Если плиты отдаляются друг от друга (расходятся), то создаётся разрыв, становящийся огромным расколом, по которому из мантии поднимается магма. Магма заполняет собой трещину между раздвигающимися плитами.
Трещина расширяется со скоростью нескольких сантиметров в год.
Поднявшаяся на поверхность магма застывает на краях плит, здесь образуется горный хребет.
Так образовался, например, Срединно-Атлантический хребет. Это самый длинный хребет, проходящий через середину всего Атлантического океана.
Бывает так, что две плиты не расходятся и не пододвигаются друг под друга, а просто трутся краями. Они сталкиваются на время, а затем расходятся. При этом высвобождается много энергии и возникают сильные землетрясения.
Эти тектонические землетрясения являются наиболее распространённым типом землетрясений.
Изложенный материал показывает, что с развитием науки учёные продолжают уточнять структуру Земли и делать новые открытия.
К.В. Рулёва, к. ф.-м. н., доцент. Подписывайтесь на канал. Ставьте лайки. Спасибо.
Предыдущая запись: Законы Кеплера. Возникновение Вселенной. Состав межзвёздной среды, формирование из неё Солнца и планет Солнечной системы.
Следующая запись:
Ссылки на занятия до электростатики даны в Занятии 1 .
Ссылки на занятия (статьи), начиная с электростатики, даны в конце Занятия 45 .
Ссылки на занятия (статьи), начиная с теплового действия тока, даны в конце Занятия 58.
Ссылки на занятия, начиная с переменного тока, даны в конце Занятия 70
Ссылки на статьи, начиная с оптики, будут даны в конце статьи "Оптика. Скорость света ...