Вътрешното ядро на Земята — строеж, състав, температура и налягане

Вътрешното ядро е самият център на Земята и е най-горещата част на планетата. Според сеизмологичните изследвания то представлява предимно твърда топка с радиус около 1220 км. Смята се, че се състои предимно от сплав от желязо и никел, допълнена с по-леки елементи (например сяра, кислород или силиций). Температурата му е приблизително същата като тази на повърхността на Слънцето — около 5700 К (≈5400 °C). Вътрешното ядро е изключително плътно и компактно, а неговите физични свойства влияят пряко на геодинамиката и магнитното поле на Земята.

Строеж и размери

Вътрешното ядро е централна сфера с радиус около 1220 км — тоест границата му (наречена ICB, inner core boundary) се намира на приблизително 5150 км под повърхността. Външният слой под него е т.нар. външно ядро, което е течно и също се състои главно от желязо и никел. Разликата в състоянието (твърдо вътрешно ядро и течно външно) се дължи на различни комбинации от температура и налягане и на наличието на по-леки елементи във външното ядро.

Състав

Най-вероятно вътрешното ядро е съставено главно от желязо с добавен никел и малък процент по-леки елементи. Съществуват модели и лабораторни експерименти при високо налягане, които подкрепят идеята, че желязото в центъра на Земята има компактна кристална структура (например хексагонална плътно пакетирана — hcp). Характерът и количеството на „леки“ елементи остават предмет на изследване, но тяхното присъствие обяснява плътностните несъответствия между модели и сеизмологични наблюдения.

Температура и налягане

Температурата във вътрешното ядро се оценява на порядъка на ~5700 K (~5400 °C). Налягането е от порядъка на стотици гигапаскали — приблизително 3 500 000 атмосфери, което се равнява на около 350–360 GPa (1 atm ≈ 101 325 Pa). При такива екстремни налягания температурата на топене на желязото се повишава значително, което позволява то да остане в твърдо състояние въпреки високата температура.

Откриване и сеизмологични доказателства

Идеята за твърдо вътрешно ядро е предложена от Инге Леман, която анализира данни от земетресения (включително силно земетресение в Нова Зеландия) и използва сеизмологията за да покаже, че част от сеизмичните вълни се пречупват и отразяват по начин, който е възможен само при наличие на твърда цел в центъра на планетата. Нейните наблюдения, публикувани през 1930-те години, са потвърдени и развивани от последващи изследвания през XX век, като съвременните техники предоставят детайлна информация за формата, структурата и анизотропията на вътрешното ядро.

• П-хвълните (компресионни) преминават през ядрото и дават сведения за неговата плътност и твърдост.
• Наблюдава се анизотропия — скоростите на П-хвълните са различни в полярна и екваториална посока, което предполага подредба на кристалите или структурни различия в ядрото.
• Допълнителни сигнали (рефлексии и пречупвания на вълни като PKiKP, PKP и други) позволяват картографиране на границата между вътрешно и външно ядро и изследване на вътрешната структура.

Динамика, растеж и роля в геодинамото

Вътрешното ядро бавно расте — при охлаждане на Земята част от течния материал на външното ядро кристализира и се присъединява към вътрешното. Оценките за скоростта на растеж и възрастта на вътрешното ядро варират; възрастните оценки обикновено са в диапазона от няколко стотин милиона до около 1–1.5 милиарда години, но точните стойности са все още обект на изследване и дебат.

Кристализацията на вътрешното ядро освобождава латентна топлина и променя състава на останалото външно ядро (известно като „извличане“ на по-леки елементи), което подпомага конвективните движения във външното ядро. Тези движения са ключов фактор за поддържането на геодинамото — процеса, който генерира и поддържа глобалното магнитно поле на Земята.

Има и данни за възможно слабо относително въртене на вътрешното ядро спрямо кората и мантията (понякога наричано „супервъртене“), както и за вътрешни слоеве и неравномерности вътре в ядрото; обаче детайлите са предмет на текущи изследвания.

Независими въпроси и бъдещи изследвания

Някои от отворените въпроси включват точния химичен състав (какви точно „леки“ елементи присъстват и в какви количества), кристалната структура и механизми за анизотропията, както и точните темпове на растеж и възрастта на вътрешното ядро. Напредъкът в експериментите при ултра-високо налягане, числените симулации и разширените сеизмични наблюдения продължават да разкриват нови детайли за тази недостъпна област на Земята.

Кратко обобщение: Вътрешното ядро е твърда, предимно желязно-никелова сфера с радиус ~1220 км, температура около 5700 K и натиск от порядъка на стотици гигапаскали. Открито чрез сеизмология, то играе важна роля за динамиката на вътрешността на Земята и за поддържането на нейното магнитно поле.

Въпроси и отговори

В: Какво представлява вътрешното ядро?

В: Каква е температурата на вътрешното ядро?

В: Какъв е радиусът на вътрешното ядро?

В: От какво се смята, че се състои вътрешното ядро?

В: Кой и как е открил вътрешното ядро?

Въпрос: Кога окончателно е доказано съществуването на вътрешното ядро?

В: Какво е налягането във вътрешното ядро на Земята?

Търсене по буква