Помощь по Теле2, тарифы, вопросы

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.

Британские ученые составили новую модель процессов, происходящих в земном ядре. Она несколько расходится с традиционной, согласно которой ядро постепенно остывает. Исследователи выяснили, что оно кое-где, наоборот, нагревается, поскольку его взаимодействие с корой и мантией более активно. Как это может сказываться на обитателях поверхности Земли?

Надобно заметить, что находящееся в центре нашей планеты субстанция, называемая ядром — вещь весьма загадочная. А все потому, что, как вы понимаете, до сих пор не один ученый не держал в руках даже самый крошечный образец ядерного вещества. При современных технологиях добыть его не представляется возможным, ведь ядро залегает на глубине 2900 км от поверхности, а максимальная глубина, на которую ученым удалось пробурить кору нашей планеты — 12 км. 290 метров (такова глубина нефтяная скважина Maersk Oil BD-04A, находящийся в нефтяном бассейне Аль-Шахин на территории Катара).

Поэтому до сих пор наши знания о том, что находится в самом сердце Земли, весьма приблизительны. Предполагается, что ядро состоит из железоникелевого сплава с примесью других элементов, родственных железу. Средний радиус сферы ядра составляет примерно 3,5 тыс. км (что примерно в два раза больше Луны), а его масса — около 1,932×10 24 кг. При этом ядро разделяется на твердое внутреннее, радиусом около 1300 км, и жидкое внешнее, чей радиус примерно 2200 км, между которыми, как считают некоторые ученые, существует переходная зона.

Традиционно считается, что на такой глубине условия поистине адские: температура в центре ядра достигает 5000º С, плотность вещества там около 12,5 т/м³, а давление доходит до 361 ГПа. Из этого следует, что вообще-то от ядра хрупким живым существам необходимо держаться подальше. В то же время интерес к этой субстанции нашей достаточно велик. И вовсе не из-за того, что, согласно данным геохимиков, в центральной сфере планеты сосредоточено до 90% всех благородных металлов. Дело в том, что именно ядро способствует активному движению вещества в следующем слое Земли, мантии (так называемая мантийная конвекция, подробнее о ней читайте в статье "Вулканы — уровень тревоги растет "), которое "аукается" на поверхности такими неприятными для нас явлениями, как землетрясения, извержения вулканов.

Кроме того, считается, что ядро порождает магнитное поле Земли, значение которого для жизни нашей планеты (и жизни на ней) трудно переоценить. "Природа магнитосферы Земли остается загадкой. Мы не можем отправиться к центру Земли и получить образцы оттуда. Нам остается полагаться лишь на косвенные измерения, проводимые у поверхности, и на теоретические модели, способные раскрыть происходящее в ядре" — говорит один из ученых, занимающихся исследованием процессов, происходящих в ядре и около него, геофизик Йон Маунд из Лидского университета (Великобритания).

Недавно именно группа Маунда, проанализировав некоторые данные последних лет, представила очень интересную модель современного состояния ядра. Традиционно считалось, что, возникнув примерно 4,5 миллиарда лет назад земное ядро сначала было раскаленным, а потом начало медленно остывать (этот процесс продолжается и по сей день). Тепло, которое выделяется при этом "замерзании" ядра, поднимается через мантию вплоть до коры в ходе конвекции — логично предположить, что более теплое, и, соответственно, менее плотное вещество мантии поднимается к поверхности, а более холодное и тяжелоеопускается к ядру. Именно эти потоки в сочетании с вращением самой планеты, считается, и подпитывает работу "внутреннего динамо" Земли, создающего ее магнитное поле.

Однако Маунд и его коллеги пришли к выводу, что не все так просто. Согласно их модели, в ядре может идти и обратный процесс, приводящий не только к его остыванию, но и к нагреванию и даже подплавлению этой субстанции. В своей работе они учли как характеристики процесса конвекции, так и последние сейсмические данные. В результате сложилась весьма интересная картина — согласно модели Маунда, течение тепла на границе ядра и мантии может принимать очень разный характер, зависящий от структуры вышележащего мантийного слоя. В некоторых областях Земли, где этот слой и так перегрет, это приводит к тому, что тепловая энергия словно бы "отражается" от мантии и направляется обратно к ядру, в итоге подплавляя его.

В частности, в таком сейсмически активном регионе, как Тихоокеанское вулканическое огненное кольцо (начинается от полуострова Камчатка, далее идет через Курильские, Японские, Филиппинские острова, к Новой Гвинее, Соломоновым острова, Новой Зеландиии, северо-западу Антарктиды, островам Огненной Земли, и возвращаясь через Анды, Кордильеры и Алеутские островов вновь на Камчатку.), где океаническая кора погружается в мантию, толстый слой твердых литосферных плит отнимает от мантии тепло и остужает ее. В результате остывшая мантия начинает вытягивать тепло из самого ядра. Поэтому та часть, что находится под вышеописанным регионом в настоящее время продолжает остывать.

А вот под обширными регионами Африки и центрального Тихого океана наблюдается совсем другая картина. Там температура мантии значительно выше, поскольку лежащая над ней земная кора не отнимает, а наоборот, отдает ей тепло. В результате мантия, работая как гигантский теплоизолятор, вызывает отражение идущего от ядра инфракрасного излучения (поскольку, согласно Второму началу термодинамики, тепло может идти лишь от более нагретого к менее нагретому телу, но никогда наоборот), что вызывает разогрев и последующее подплавление центрального слоя Земли.

Итак, получается, что взаимодействие ядра и мантии куда более сложные, чем те, которые описывает традиционная модель. А ведь изменение температуры ядра и его плотности обязательно должно сказываться на состоянии магнитного поля. Возможно, некоторые до сих пор необъяснимые возмущения, происходящие в магнитосфере нашей планеты (так называемые геомагнитные бури) как раз связаны с неравномерностью остывания ядра? Возможно также, что ядерно-мантийные взаимодействия могут более активно влиять на глобальные процессы, вроде климатических изменений, происходящие на поверхности нашей планеты.

У ученых, кажется, появилось новое объяснение тому, почему земное ядро сохраняет твердое состояние, несмотря на то что его температура выше, чем температура поверхности Солнца. Оказывается, это может быть связано с атомной архитектурой кристаллизованного железного «шарика», расположенного в центре нашей планеты.

Исследователи предполагают, что для земного ядра может быть свойственно никогда невиданное доселе атомное состояние, которое позволяет ему выдерживать невероятные температуры и давление, характерные, согласно расчетам, для центра нашей планеты. Если ученые правы в этом вопросе, то это, возможно, поможет решить еще одну загадку, которая не давала покоя многие десятилетия.

Группа исследователей из шведского Королевского технологического института в Стокгольме использовали Triolith – один из самых производительных суперкомпьютеров страны – для симуляции атомного процесса, который бы мог происходить на глубине около 6400 километров под поверхностью земли. Как и в случае с любым другим металлом, атомные структуры железа способны изменяться под воздействием изменения температуры и давления. При комнатной температуре и при обычном давлении железо находится в так называемой фазе объёмно-центрированной кубической структуры (ОЦК) кристаллической решетки. Под высоким же давлением решетка переходит в гексагональную плотноупакованную фазу. Этими терминами описывается расположение атомов внутри кристаллической решетки металла, которые, в свою очередь, отвечают за прочность и другие его свойства, вроде того, останется ли металл в этом случае в твердом состоянии или нет.

Ранее считалось, что твердое, кристаллизованное состояние железа в земном ядре объясняется тем, что оно находится в гексагональной плотноупакованной фазе кристаллической решетки, так как условия для ОЦК здесь слишком нестабильны. Однако новое исследование может указывать на то, что среда в центре нашей планеты на самом деле закаляет и уплотняет состояние ОЦК, а не разрушает.

«В условиях земного ядра ОЦК решетка железа демонстрирует ранее невиданную картину диффузии атомов. ОЦК-фаза проходит под девизом «что меня не убивает, то делает сильнее». Нестабильность способна прервать ОЦК-фазу при низкой температуре, однако высокая температура, наоборот, повышает стабильность этой фазы», — говорит ведущий исследователь Анатолий Белоношко.

В качестве аналогии повышенной активности атомов в железе в центре Земли Белоношко приводит колоду тасующихся карт, где атомы (представленные картами) могут постоянно и очень быстро между собой перемешиваться под воздействием повышенной температуры и давления, но при этом колода остается единым целым. И показатели эти очень впечатляют: в 3,5 миллиона раз выше того давления, что мы испытываем на поверхности, и примерно на 6000 градусов Цельсия выше температура.

Данные, полученные с помощью суперкомпьютера Triolith, также показывают, что до 96 процентов (выше, чем показывали предыдущие расчеты) от массы внутреннего земного ядра, вероятнее всего, приходится именно на железо. Оставшаяся часть приходится на никель и другие легкие элементы.

Еще одна загадка, которая может быть решена благодаря последним исследованиям, заключается в том, почему сейсмические волны двигаются быстрее между полюсами, а не через экватор. Это явление часто называют анизотропией. Исследователи говорят, что особенности поведения ОЦК решетки в железе под воздействием экстремальных условий, свойственных для центра Земли, могут быть достаточны для крупномасштабного эффекта анизотропии, что, в свою очередь, создает для ученых еще одно поле для исследований в будущем.

Важно отметить, что это предположение выведено на базе конкретно взятых компьютерных симуляций внутренних динамических процессов Земли, и на базе других моделей результаты подсчетов могут отличаться. До тех пор, пока мы не придумаем, как опустить на такую глубину соответствующие научные инструменты, мы не сможем со стопроцентной уверенностью говорить о правильности расчетов. А учитывая ту температуру и давление, которые там могут иметь место, получение прямых доказательств активности ядра планеты, возможно, для нас будет и вовсе невозможным.

И все же, несмотря на сложности, важно продолжать подобные исследования, потому что как только мы сможем больше узнать о том, что же на самом деле происходит внутри нашей планеты, у нас будет больше шансов на то, чтобы узнать, что будет дальше.

Я попытаюсь объяснить на примере с тазиком.

Первая ошибка - факты не собираются.

Они очень разнородны и сами кучкуются в системы на разном расстоянии от исторически сложившегося центра познания. Это самое важное. Наука не собирает факты под тазик, она тазик подстраивает под факты. Вы думаете по другому и делаете наоборот, это и есть заблуждение, поскольку выкидываете те факты, которые будут неизбежно противоречить Вашему тазику, то есть просто не видите этих фактов, игнорируете их.

Далее все зависит от стадии познания, находят множество тазиков, те, которые накрывают большинство фактов - принимаются как относительно верные и в дальнейшем используются как относительное знание, которое на практике становится абсолютным знанием, а факты, которые не попадают, внимание на практике объявляются погрешностью, например в 49%, 30% и т.д. до 0% (это отражение прогресса тазиков, что невозможно при том мышлении, которое есть у Вас). И Вы видите только это, потому, что Вас так учат в школе, что эти знания константа, это просто особенность метода обучения, Вас грубо говоря постоянно обманывают, говоря то, что это знание абсолютно, а наука вообще говорит, что это знание относительно, это нормально, поскольку так устроен наш мозг, он иначе не мог бы обучаться, не наука несовершенна, а наш мозг несовершенен. И только в узкой специализации мозг начинает мыслить абстрактными научными понятиями, это и есть специалисты, именно об этом я выше говорил.

Но это практика, а научная теория, о которой мы говорим постепенно находя все новые тазики, находит последний, в который вмещаются ВСЕ факты из данной группы на определенном расстоянии, до этого тазики обзывались гипотезами, а этот мегатазик, обзывается теорией (это старая классификация, сегодня всё гипотезы), и что самое главное, он предсказывает ВСЕ новые факты, которые появляются в определенной группе, в определенном расстоянии.

Вот в стадии мегатазика мы сегодня находимся по большинству направлений познания и то, что Вы приводите - это старые тазики, который больше не нужны, поскольку они неэффективны, то есть отбрасываются не факты, а тазики.

Теперь дальше, как только мы осмыслили одну группу фактов, у нас начала виднеться другая группа фактов, которая кучкуются на более далёком расстоянии, чем центр познания и которые мы просто не могли измерить и увидеть до этого и строили гипотезы о них на основе фактов, лежащих на границах, то есть была масса тазиков без практики, которые в большей или меньшей степени накрывала совокупность косвенных фактов, которые следовали из граничных для наблюдения фактов. Пока не появлялся тазик, который объяснял бы их все, все косвенные факты, которых мы не можем увидеть, но можем увидеть их взаимосвязь как с известными нам до этого фактами, так и между собой. Этот тазик может полностью противоречить предыдущему мегатазику, так как из-за расстояния, законы, по которым кучкуются группы фактов всегда разные, иногда противоположные.

Это например теории Ньютона (мегатазик) и Энштейна (новый косвенный мегатазик), они противоположны и при этом объективны. Постепенно из-за прогресса в зачастую параллельном направлении познания, мы уже начинаем видеть прямые факты, а не косвенные факты, то есть граница наблюдаемого растет и если Вы в курсе, то ВСЕ в ОТО экспериментально сегодня подтверждается, как только появляется инструмент, который может это подтвердить, то есть наблюдаемый, а не косвенный факт.

Этот цикл бесконечный, в этом залог эффективности научного метода познания, если мы не видим факт и не можем его косвенно найти, то мы даже и не смотрим в его сторону и не паримся, поскольку на практике его невозможно использовать. В этом отличие от веры, когда такой факт придумывается. То есть на вопрос есть ли бог, наука говорит не знаю в теории, а на практике говорит - нет, но это относительное знание, как только возникнет факт в известной области познания, то мы полностью все пересмотрим.

Ещё важный аспект - это предсказательный, если появится новый факт в группе фактов, которые были уже входит в хорошо изученную группу фактов на определенном расстоянии, который уже накрыл мегатазик, то теория объявляется неработающей и наука полностью меняется, старый мегатазик выкидывается, но при этом не находится старый выкинутый обычный тазик, который победил мегатазик, поскольку он не соответствует множеству более старых фактов, а делается новый тазик, который может быть ПОХОЖИМ на старые тазики и неспециалисты начинают кричать, что наука сама не знает чего хочет и все научные знания фуфло и учёные всегда врут. Это тоже ошибка из-за того, что мы мыслим аналогиями, мыслим похожестями, так устроены нейронные цепи.

Но мы не знаем эти новые факты внутри известной группы фактов являются частью новой группы фактов и так сказать вершиной айсберга или частью старой группы.

Первый случай - это ОТО, второй случай - это например теория эволюции.

Именно поэтому мы в теории всегда говорим, что мы не знаем ничего, мы не знаем прав ли Ньютон или Дарвин, но на практике мы говорим, что да, они правы и объективны и именно это преподается в школе, что ещё больше запутывает школьника. Поскольку нашли кучу фактов, опровергающих как Ньютона, так и Дарвина, но они оказались из другой группы фактов, в основном на границе между ними. Это называется уточнение теории, например у Дарвина - это синтетическая теория эволюции, теория прерывистого равновесия и современная теория эволюции, в которой есть наследование приобретенных признаков и т.д., то что все предыдущие отрицали и отрицали справедливо, маштабах был просто другой.

Земля уже существует 4 миллиарда 600 миллионов лет. Долгое время, и все же, по какой-то причине, её поверхность не остыла и до сих пор удивляет активностью. Внутренности многих планет остаются горячими из-за ядерных реакций, а точнее радиогенных процессов. В случае Земли это в основном распады изотопов урана, тория и калия.

Как быстро камень может остыть? Даже если он достаточно процветающий, скажем, размером с планету?

Миллионов, не говоря уже о миллиардах лет, должно быть более чем достаточно, чтобы полностью охладить и укрепить его. Это вызвано нашей интуицией, поддерживаемой вторым непобедимым законом термодинамики. Мы все знаем, что каждое тело отдает тепло своему окружению, и каждый костер должен когда-нибудь погаснуть. Тем не менее, несмотря на здравый смысл, «вечное тепло», похоже, царит глубоко под поверхностью земной коры. Итак, давайте посмотрим на саму суть нашей планеты.

Никель-железный шар диаметром 7 тыс. километров, объединяющий почти 1/3 массы всего земного шара, остается постоянно освещенным до температуры свыше 5,5 тыс. С. Через 4,6 миллиарда лет внутренняя часть нашей планеты все еще генерирует густые тераватты энергии и горит немного меньше, чем поверхность Солнца. И пусть не будет никаких сомнений, что тепло от мантии и ядра протекает максимально, даже в процессе конвекции.

Расплавленное вещество под нашими ногами неутомимо поднимается, отдавая часть температуры, затем сгущается и снова начинает падать к центру. Однако это не относится к самому внутреннему ядру. Несмотря на огромные температуры достаточных для плавного плавления любого металла, давление удерживает их в форме твердого вещества.

Казалось бы, обычно такой процесс давно должен был охладить наш мир и привести к его геологической гибели. Возможно ли, что планеты просто так медленно теряют энергию, которая все еще получается в процессе их бурного рождения? Оказывается, что... да. Хотя это было бы невозможно без помощи собственного автономного источника энергии в форме ядерных реакций. Пусть не будет недопонимания (с чем я столкнулся): речь идет не о термоядерных процессах, то есть о слиянии атомных ядер, типичном для звездных внутренностей.

Планеты не имеют достаточной массы (или в нашем случае достаточного количества топлива), чтобы обеспечить необходимые условия для поддержания синтеза. Однако у нас есть примеси тяжелых радиоактивных изотопов, которые легко подвергаются самопроизвольному распаду, что сопровождается выделением определенных порций энергии.

Любознательные читатели могут задаться вопросом, откуда, черт возьми, мы знаем о ядерных реакциях, происходящих совершенно за пределами нашего поля зрения. Действительно, это довольно необычно, потому что большая часть современных геологических моделей была создана с использованием нейтринных детекторов, а точнее электронных антинейтрино. Чаще всего мы связываем эти крошечные проникающие частицы с космическими источниками (например, солнечными нейтрино), но их излучение сопровождает многие физические явления, особенно отдельные ядерные распады.

В 2005 году команда японского детектора KamLand начала ловить те геонейтрино, на основании которых они сделали тщательную оценку явлений, происходящих внутри Земли. Согласно существующей модели, ядерные распады генерируют до 20 тераватт энергии, причем около 40% этого значения приходится на распад урана-238, еще 40% - на распад тория-232 и 20% - на распад калия-40.

Следует отметить еще два факта

Прежде всего, наши теории о тепловом балансе Земли не являются полными и все еще оставляют место для обсуждения. Радиоактивность - мощная сила, но, вероятно, не ответственная за всю произведенную энергию. Во-вторых, распады изотопов происходят в мантии нашей планеты, но не в ядре. По мнению физиков и геологов, уран, торий и калий практически отсутствуют в самом ядре Земли, поэтому все радиогенное тепло должно подниматься немного выше.

Так каков правильный ответ на заглавный вопрос?

Кажется, что ядро фактически горит исходным теплом, которое является реликтом после рождения планеты. Тем не менее, оно не остыло, потому что оно остается завернутым в толстый слой расплавленных пород, постоянно нагреваемых ядерными распадами. Поэтому мантию можно рассматривать здесь даже не как обычное одеяло, а как электрическое одеяло с собственным источником нагрева.

Означает ли все это, что Земля никогда не замерзнет?

Конечно нет, но процесс охлаждения её интерьера невероятно медленный. Учитывая скорость тепловыделения и все остальное, ядру понадобится от 55 до 90 миллиардов лет, чтобы полностью затвердеть. Потому что высокая температура и конвекционные движения миллиардов тонн расплавленного железа являются условием существования магнитосферы Земли.