Земля вместе с другими телами Солнечной системы сформировалась из холодного газопылевого облака путем аккреции составивших ее частиц. После возникновения планеты начался совершенно новый этап ее развития, который в науке принято называть догеологическим.
Название периода связано с тем, что самые ранние свидетельства былых процессов – магматические или вулканические породы – не древнее 4 млрд лет. Только их сегодня могут изучить ученые.
Догеологический этап развития Земли таит в себе еще немало загадок. Он охватывает период в 0,9 млрд лет и характеризуется широким проявлением на планете вулканизма с выделением газов и паров воды. Именно в это время начался процесс расслоения Земли на основные оболочки – ядро, мантию, кору и атмосферу. Предполагается, что данный процесс был спровоцирован интенсивной метеоритной бомбардировкой нашей планеты и плавлением отдельных ее частей.
Одним из ключевых событий в истории Земли было формирование ее внутреннего ядра. Вероятно, это произошло в догеологический этап развития планеты, когда все вещество разделилось на две основные геосферы – ядро и мантию.
К сожалению, достоверной теории об образовании земного ядра, которая подтверждалась бы серьезными научными сведениями и доказательствами, пока не существует. Как все-таки образовалось ядро Земли? На этот вопрос ученые предлагают две основные гипотезы.
Согласно первой версии, вещество непосредственно после возникновения Земли было однородным.
Оно целиком состояло из микрочастиц, которые можно сегодня наблюдать в метеоритах. Но по прошествии определенного промежутка времени эта первично-однородная масса разделилась на тяжелое ядро, куда стекло все железо, и более легкую силикатную мантию. Иными словами, капли расплавленного железа и сопутствовавшие ему тяжелые химические соединения оседали к центру нашей планеты и образовывали там ядро, которое и в наши дни остается в значительной степени расплавленным. По мере того как тяжелые элементы стремились к центру Земли, легкие шлаки наоборот всплывали наверх – к внешним слоям планеты. Сегодня эти легкие элементы составляют верхнюю мантию и земную кору.
Почему произошла такая дифференциация вещества? Считается, что сразу после завершения процесса своего формирования Земля стала интенсивно разогреваться, прежде всего за счет энергии, выделявшейся в процессе гравитационной аккумуляции частиц, а также благодаря энергии радиоактивного распада отдельных химических элементов.
Дополнительному разогреву планеты и образованию железоникелевого сплава, который в силу своего значительного удельного веса постепенно опускался к центру Земли, способствовала предполагаемая метеоритная бомбардировка.
Правда, эта гипотеза сталкивается с некоторыми трудностями. Например, не совсем понятно, каким же образом железоникелевый сплав даже в жидком состоянии смог опуститься на более чем тысячу километров и достичь района ядра планеты.
В соответствии со второй гипотезой ядро Земли сформировалось из железных метеоритов, которые сталкивались с поверхностью планеты, и позже оно обросло силикатной оболочкой из каменных метеоритов и сформировало мантию.
В этой гипотезе есть серьезный недостаток. При таком раскладе в космическом пространстве железные и каменные метеориты должны существовать раздельно. Современные же исследования показывают, что железные метеориты могли возникнуть лишь в недрах планеты, распавшейся под значительным давлением, то есть уже после образования нашей Солнечной системы и всех планет.
Первая версия выглядит логичнее, поскольку предусматривает динамичную границу между ядром Земли и мантией. Это означает, что процесс разделения вещества между ними мог продолжаться на планете еще очень долгое время, оказывая тем самым большое влияние на дальнейшую эволюцию Земли.
Таким образом, если брать за основу первую гипотезу формирования ядра планеты, то процесс дифференциации вещества растянулся примерно на 1,6 млрд лет. За счет гравитационной дифференциации и радиоактивного распада обеспечивалось разделение вещества.
Тяжелые элементы опускались только до глубины, ниже которой вещество было такое вязкое, что железо погружаться уже не могло. В результате этого процесса образовался очень плотный и тяжелый кольцевой слой расплавленного железа и его окиси. Он располагался над более легким веществом первозданной сердцевины нашей планеты. Далее произошло выдавливание легкого силикатного вещества из центра Земли. Причем оно было вытеснено на экваторе, что, возможно, положило начало асимметрии планеты.
Предполагается, что при формировании железного ядра Земли произошла значительная убыль объема планеты, вследствие чего ее поверхность к настоящему времени уменьшилась. «Всплывшие» к поверхности легкие элементы и их соединения сформировали тонкую первичную кору, которая состояла, как и у всех планет земной группы, из вулканических базальтов, перекрытых сверху толщей отложений.
Однако найти живые геологические свидетельства былых процессов, связанных с формированием земного ядра и мантии, не удается. Как уже отмечалось, древнейшие каменные породы на планете Земля имеют возраст около 4 млрд лет. Скорее всего, в начале эволюции планеты под действием высоких температур и давлений первичные базальты метаморфизировались, переплавились и преобразовались в известные нам гранитно-гнейсовые породы.
Что же представляет собой ядро нашей планеты, сформировавшееся, вероятно, на самых ранних этапах развития Земли? Оно состоит из внешней и внутренней оболочек. Согласно научным предположениям, на глубине 2900-5100 км находится внешнее ядро, которое по своим физическим свойствам приближается к жидкости.
Внешнее ядро представляет собой потоки расплавленного железа и никеля, хорошо проводящие электричество. Именно с этим ядром ученые связывают происхождение земного магнитного поля. Оставшийся до центра Земли промежуток в 1270 км занимает внутреннее ядро, на 80 % состоящее из железа и на 20 % – из диоксида кремния.
Внутреннее ядро отличается твердостью и высокой температурой. Если внешнее непосредственно связано с мантией, то внутреннее ядро Земли существует само по себе. Твердость его, несмотря на высокие температуры, обеспечивается гигантским давлением в центре планеты, которое может достигать 3 млн атмосфер.
Многие химические элементы в результате переходят в металлическое состояние. Поэтому даже высказывалось предположение, что внутреннее ядро Земли состоит из металлического водорода.
Плотное внутреннее ядро оказывает серьезное влияние на жизнь нашей планеты. В нем сосредоточено планетарное гравитационное поле, которое удерживает от разлета легкие газовые оболочки, гидросферу и геосферные слои Земли.
Вероятно, такое поле было характерно для ядра с момента формирования планеты, каким бы оно ни было тогда по своему химическому составу и строению. Оно способствовало стягиванию формировавшихся частиц к центру.
Все же происхождение ядра и изучение внутреннего строения Земли – самая актуальная проблема для ученых, вплотную занимающихся исследованием геологической истории нашей планеты. До окончательного решения этого вопроса еще очень далеко. Чтобы избежать различных противоречий, в современной науке принята гипотеза о том, что процесс образования ядра начал происходить одновременно с формированием Земли.
Наша планета Земля имеет слоистое строение и состоит из трех основных частей: земной коры, мантии и ядра. Что является центром Земли? Ядро. Глубина залегания ядра составляет 2900 км., а диаметр равняется примерно 3,5 тыс. км. Внутри - чудовищное давление в 3 миллиона атмосфер и невероятно большая температура - 5000°С. Для того чтобы узнать, что находится в центре Земли, ученым понадобилось несколько веков. Даже современная техника не смогла проникнуть глубже двенадцати с небольшим тысяч километров. Самая глубокая буровая скважина, находящаяся на Кольском полуострове, имеет глубину 12 262 метра. До центра Земли далековато.
История открытия земного ядра
Одним из первых догадался о наличии ядра в центре планеты английский физик и химик Генри Кавендиш в конце 18 века. С помощью физических экспериментов он вычислил массу Земли и, исходя из ее размеров, определил среднюю плотность вещества нашей планеты - 5,5 г/см3. Плотность известных горных пород и минералов в земной коре оказалась примерно в два раза меньше. Отсюда следовало логичное предположение, что в центре Земли находится область более плотного вещества - ядро.
В 1897 году немецкий сейсмолог Э. Вихерт, изучая прохождение сейсмологических волн через внутренние части Земли, смог подтвердить предположение о наличии ядра. А в 1910 году американский геофизик Б. Гутенберг определил глубину его расположения. Впоследствии родились и гипотезы о процессе образования ядра. Предполагается, что оно образовалось вследствие оседания более тяжелых элементов к центру, а первоначально вещество планеты было однородным (газообразным).
Из чего состоит ядро?
Исследовать вещество, образец которого нельзя получить, чтобы изучить его физические и химические параметры, довольно сложно. Ученым приходится только предполагать о наличии тех или иных свойств, а также о строении и составе ядра по косвенным признакам. Особенно помогло в исследовании внутреннего строения Земли изучение распространения сейсмических волн. Сейсмографы, расположенные во многих точках на поверхности планеты, регистрируют скорость и виды проходящих сейсмических волн, возникающих вследствие сотрясений земной коры. Все эти данные дают возможность судить о внутреннем строении Земли, в том числе и ядра.
На сегодняшний момент ученые предполагают, что центральная часть планеты неоднородна. Что находится в центре Земли? Часть, примыкающая к мантии, - это жидкое ядро, состоящее из расплавленного вещества. По-видимому, там содержится смесь железа и никеля. На эту мысль ученых навело исследование железных метеоритов, которые представляют собой кусочки ядер астероидов. С другой стороны, получаемые железно-никелевые сплавы имеют более высокую плотность, чем предполагаемая плотность ядра. Поэтому многие ученые склонны предполагать, что в центре Земли, ядре, есть и более легкие химические элементы.
Наличием жидкого ядра и вращением планеты вокруг собственной оси геофизики объясняют и существование магнитного поля. Известно, что электромагнитное поле вокруг проводника возникает при движении тока. Вот таким гигантским проводником с током и служит расплавленный слой, примыкающий к мантии.
Внутренняя часть ядра, несмотря на температуру в несколько тысяч градусов, представляет собой твердое вещество. Это связано с тем, что давление в центре планеты настолько высоко, что раскаленные металлы становятся твердыми. Некоторые ученые предполагают, что твердое ядро состоит из водорода, который под действием невероятного давления и огромной температуры становится похожим на металл. Таким образом, что является центром Земли, даже ученым-геофизикам пока доподлинно неизвестно. Но если рассматривать вопрос с математической точки зрения, то можно сказать, что центр Земли находится приблизительно в 6378 км. от поверхности планеты.
В ХХ веке путем многочисленных исследований человечество раскрыло тайну земных недр, строение земли в разрезе стало известно каждому школьнику. Для тех, кто еще не знает, из чего состоит земля, каковы ее основные слои, их состав, как называется самая тонкая часть планеты, мы перечислим ряд значимых фактов.
Вконтакте
Форма и размеры планеты Земля
Вопреки всеобщему заблуждению наша планета не круглая . Ее форма называется геоид и представляет собой слегка сплюснутый шар. Места, у которых земной шар сдавлен, называются полюсами. Через полюса проходит ось земного вращения, наша планета совершает один оборот вокруг нее за 24 часа — земные сутки.
Посередине планету опоясывает – воображаемая окружность, разделяющая геоид на Северное и Южное полушария.
Кроме экватора, существуют меридианы — окружности , перпендикулярные экватору и проходящие через оба полюса. Один из них, проходящий через Гринвичскую обсерваторию, называют нулевым – он служит точкой отсчета географической долготы и часовых поясов.
К основным характеристикам земного шара можно отнести:
- диаметр (км.): экваториальный – 12 756, полярный (у полюсов) – 12 713;
- длина (км.) экватора – 40 057, меридиана – 40 008.
Итак, наша планета представляет собой своеобразный эллипс — геоид, вращающийся вокруг своей оси проходящей через два полюса – Северный и Южный.
Центральная часть геоида опоясана экватором – окружностью разделяющей нашу планету на два полушария. Для того, чтобы определить, каков радиус земли, используют половинные значения его диаметра у полюсов и экватора.
А теперь о том из чего состоит земля, какими оболочками она покрыта и каково строение земли в разрезе .
Земные оболочки
Основные оболочки земли выделяют в зависимости от их содержимого. Так как наша планета имеет форму шара, ее оболочки, удерживаемые силой тяжести, называются сферами. Если посмотреть на строение земли в разрезе, то можно увидеть три сферы:
По порядку (начиная от поверхности планеты) они располагаются следующим образом:
- Литосфера – твердая оболочка планеты, включающая минеральные слои земли.
- Гидросфера – содержит водные ресурсы — реки, озера, моря и океаны.
- Атмосфера – представляет собой воздушную оболочку, окружающую планету.
Кроме того, выделяют и биосферу включающую в себя все живые организмы, которые заселяют другие оболочки.
Важно! Многие ученые население планеты относят к отдельной обширной оболочке под названием антропосфера.
Земные оболочки – литосфера, гидросфера и атмосфера – выделены по принципу объединения однородной составляющей. В литосфере – это твердые породы, почва, внутреннее содержимое планеты, в гидросфере – вся ее , в атмосфере – весь воздух и другие газы.
Атмосфера
Атмосфера – газовая оболочка, в ее состав входят : , азот, углекислый, газ, пыль.
- Тропосфера – верхний слой земли, содержащий большую часть земного воздуха и простирающийся от поверхности на высоту от 8-10 (у полюсов) до 16-18 км (у экватора). В тропосфере образуются облака и различные воздушные массы.
- Стратосфера — слой, в котором содержание воздуха значительно ниже, чем в тропосфере. Его толщина в среднем составляет 39-40 км. Начинается этот слой с верхней границы тропосферы и заканчивается на высоте около 50 км.
- Мезосфера – слой атмосферы, простирающийся с 50-60 по 80-90 км над земной поверхностью. Характеризуется устойчивым понижением температуры.
- Термосфера – расположена в 200-300 км от поверхности планеты, отличается от мезосферы ростом температуры по мере увеличения высоты.
- Экзосфера – начинается с верхней границы, лежащей ниже термосферы, и постепенно переходит в открытый космос, для нее характерно низкое содержание воздуха, высокая солнечная радиация.
Внимание! В стратосфере на высоте порядка 20-25 км находится тонкий слой озона, предохраняющий все живое на планете от губительных для него ультрафиолетовых лучей. Без него все живое бы очень скоро погибло.
Атмосфера – земная оболочка, без которой жизнь на планете была бы невозможна.
Она содержит в себе необходимый для дыхания живых организмов воздух, определяет подходящие погодные условия, защищает планету от негативного влияния солнечной радиации.
Атмосфера состоит из воздуха, в свою очередь воздух приблизительно на 70% состоит из азота, 21% — кислород, 0,4% углекислый газ и остальные редкие газы.
Кроме этого, в атмосфере есть важный озоновый слой, примерно на высоте 50 км.
Гидросфера
Гидросфера — все жидкости на планете.
Данная оболочка по месторасположению водных ресурсов и степени их солености включает:
- мировой океан – огромное пространство занятое соленой водой и включающее в себя четыре и 63 моря;
- поверхностные воды континентов – пресноводные, а также изредка солоноватые водоемы. Подразделяются по степени текучести на водоемы с течением – реки на и водоемы со стоячей водой — озера, пруды, болота;
- подземные воды – находящиеся под земной поверхностью пресные воды. Глубина их залегания колеблется от 1-2 до 100-200 и более метров.
Важно! Огромное количество пресной воды на настоящее время находится в виде льда – на сегодняшний день в зонах вечной мерзлоты в виде ледников, огромных айсбергов, постоянного не тающего снега, содержится около 34 млн. км3 запасов пресной воды.
Гидросфера – это, прежде всего , источник пресной питьевой воды, один из основных климатообразующих факторов. Водные ресурсы используются в качестве путей сообщения и объектов туризма и рекреации (отдыха).
Литосфера
Литосфера — это твердые (минеральные) слои земли.
Толщина данной оболочки составляет от 100 (под морями) до 200 км (под континентами). Литосфера включает в себя земную кору и верхнюю часть мантии.
То, что расположено ниже литосферы, является непосредственно внутренним строением нашей планеты.
Плиты литосферы преимущественно состоят из базальта, песка и глины, камня, а также грунтового слоя.
Схема строения земли вместе с литосферой представлена следующими слоями:
- земная кора — верхний, состоящий из осадочных, базальтовых, метаморфических пород и плодородной почвы. В зависимости от места нахождения, различают континентальную и океаническую кору;
- мантия – находится под земной корой. Весит около 67% от общей массы планеты. Мощность данного слоя составляет около 3000 км. Верхний слой мантии вязкий, залегает на глубине 50-80 км (под океанами) и 200-300 км (под материками). Нижние слои более твердые и плотные. В состав мантии входят тяжелые железистые и никелевые материалы. Процессами, происходящими в мантии, обусловлены многие явления на поверхности планеты (сейсмические процессы, извержение вулканов, формирование месторождений);
- Центральную часть земли занимает ядро, состоящее из внутренней твердой и наружной жидкой части. Толщина внешней части составляет около 2200 км, внутренней – 1300 км. Расстояние от поверхности до ядра земли составляет около 3000-6000 км. Температура в центре планеты составляет около 5000 Сº. По мнению многих ученых, ядро земли по составу представляет собой тяжелый железно-никелевой расплав с примесью других, сходных по свойствам с железом, элементов.
Важно! Среди узкого круга ученых, помимо классической модели с полурасплавленным тяжелым ядром, существует и теория о том, что в центре планеты располагается внутреннее светило, окруженное со всех сторон внушительным слоем воды. Данная теория, кроме небольшого круга приверженцев в научной среде, нашла широкое распространение в фантастической литературе. Примером может послужить роман В.А. Обручева «Плутония», повествующий об экспедиции русских ученых к полости внутри планеты с собственным небольшим светилом и миром вымерших на поверхности животных и растений.
Такая общепринятая схема строения земли,
включающая земную кору, мантию и ядро, с каждым годом все более и более совершенствуется и уточняется.
Многие параметры модели с совершенствованием методов исследований и появлением нового оборудования будут обновлены еще не раз.
Так, например, для того, чтобы узнать точно, сколько километров до внешней части ядра, понадобятся еще годы научных изысканий.
На данный момент наиболее глубокая шахта в земной коре, прорытая человеком составляет около 8 километров, поэтому изучение мантии, а тем более ядра планеты, возможно лишь в теоретическом разрезе.
Послойное строение Земли
Изучаем из каких слоев состоит Земля внутри
Вывод
Рассмотрев строение земли в разрезе, мы убедились в том, насколько интересна и сложна наша планета. Изучение ее строения в будущем поможет человечеству разобраться в загадках природных явлений, позволит более точно прогнозировать разрушительные стихийные бедствия, открывать новые, пока не разработанные месторождения полезных ископаемых.
Почему земное ядро не остывает и остается разогретым до температуры приблизительно 6000°C на протяжении уже 4,5 млрд лет? Вопрос крайне сложный, на который к тому же наука не может дать на 100% точный вразумительный ответ. Однако на это есть объективные причины.
Излишняя таинственность
Излишняя, так сказать, таинственность земного ядра связана с двумя факторами. Во-первых, никто достоверно не знает как, когда и при каких обстоятельствах оно сформировалось, - происходило это во время формирования протоземли либо уже на ранних стадиях существования сформированной планеты - все это большая загадка. Во-вторых, образцы из земного ядра достать абсолютно невозможно - наверняка никто не знает из чего оно состоит. Более того, все данные, которые нам известны о ядре собраны по косвенным методам и моделям.
Почему ядро Земли остается горячим?
Чтобы попытаться понять почему земное ядро не остывает на протяжении столь длительного времени нужно для начала разобраться за счет чего оно нагрелось изначально. Недра нашей как и любой другой планеты неоднородны, они представляют собой относительно четко разграниченные слои разной плотности. Но так было не всегда: тяжелые элементы медленно опускались вниз, формируя внутренне и внешнее ядро, легкие - вытеснялись на верх, образуя мантию и земную кору. Этот процесс протекает предельно медленно и сопровождается выделением тепла. Однако основной причиной нагрева было не это. Вся масса Земли с огромной силой давит на ее центр, продуцируя феноменальное давление в приблизительно 360 ГПа (3,7 млн атмосфер) в результате чего начал происходить распад радиоактивных долгоживущих элементов, содержащихся в железно-кремниево-никелевом ядре, что и сопровождалось колоссальными выбросами тепла.
Дополнительным источником нагрева служит кинетическая энергия, генерируемая в результате трения между различными слоями (каждый слой вращается независимо от другого): внутреннего ядра с внешним и внешнего с мантией.
Недра планеты (пропорции не соблюдены). Трение между собой трех внутренних слоев служит дополнительным источником нагрева.
Исходя из выше изложенного, можно сделать вывод, что Земля и в частности ее недра являются самодостаточной машиной, которая сама себя отапливает. Но вечно так естественно продолжаться не может: запасы радиоактивных элементов внутри ядра медленно исчезают и больше не чему будет поддерживать температуру.
Оно остывает!
Вообще-то процесс остывания уже начался очень давно, но протекает он крайне медленно - по доле градуса в столетие. По приблизительным подсчетам до полного остывания ядра и прекращения в нем химических и др. реакций пройдет не меньше 1 миллиарда лет.
Короткий ответ: Земля и в частности земное ядро - это самодостаточная машина, которая сама себя отапливает. Вся масса планеты давит на ее центр, продуцируя феноменальное давление и запуская тем самым процесс распада радиоактивных элементов, в результате чего и выделяется тепло.