Ученые выяснили, что температура ядра Земли равна температуре на поверхности Солнца
Исследовательская группа, возглавляемая Агнес Деуоел (Agnes Dewaele) из французской Национальной технологической исследовательской организации CEA, в состав которой вошли ученые из французского Национального центра научных исследований (National Center for Scientific Research, CNRS) и европейской организации European Synchrotron Radiation Facility (ESRF), проведя ряд экспериментов, выяснила, что температура ядра Земли составляет 6000 градусов Цельсия, плюс-минус 500 градусов. Это на 1000 градусов больше, чем было принято считать ранее и это столь горячо, как поверхность, фотосфера, Солнца.
К такому выводу ученые пришли произведя анализ данных, получаемых с помощью сейсмических волн, возникающих в глубинах нашей планеты во время землетрясений и других событий. В форме и амплитуде этих сейсмических волн содержатся данные, косвенно указывающие на размеры, толщину и плотность твердой и жидкой частей ядра Земли. Но эти сейсмические волны не содержат никакой информации об температурах частей ядра и других частей оболочки Земли.
Поэтому, для того, чтобы выяснить температуру ядра Земли, ученым пришлось провести ряд моделирующих экспериментов. Целью этих экспериментов было установление температуры плавления железа, на долю которого приходится основная часть материала ядра, подверженного воздействию некоторых чрезвычайных условий, в частности сверхвысокого давления, значение которого равно нескольким миллионам атмосфер.
Для моделирования условий в центре Земли ученые использовали алмазную наковальню, с помощью которой на образцы материала оказывало воздействие давление в несколько миллионов атмосфер. Для нагрева образцов материала до температур в 4000 — 5000 градусов Цельсия использовалось излучение мощных рентгеновских лазеров ESRF. Такая установка позволила ученым экспериментально определить температуру точки плавления железа, которая оказалась равна 4800 градусам Цельсия при давлении 2.2 миллиона атмосфер. Затем, используя методы экстраполяции, ученые рассчитали точку плавления железа при давлении 3.3. миллиона атмосфер, давлении, которое присутствует на границе твердой и жидкой части ядра Земли.
Полученное учеными значение температуры составило 6000 градусов Цельсия, плюс-минус 500 градусов. Само по себе это открытие никак не повлияет на нашу обычную жизнь, но эти данные заставят ученых пересмотреть некоторые теории о строении Земли, о тепловом балансе нашей планеты и о происходящих в ее недрах процессах. А такие изменения в теориях обязательно найдут свое применение в математических моделях, используемых учеными для прогнозирования землетрясений и других явлений, связанных с деятельностью недр Земли.
Источник
Почему ядро Земли горячее?
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.
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.
Источник
Земное ядро оказалось таким же горячим, как Солнце
Результаты нового исследования говорят о том, что внутреннее ядро Земли имеет гораздо более высокую температуру, чем считалось ранее
Новые измерения выявили цифру 6000 градусов Цельсия, что фактически равно температуре поверхности Солнца.
Твердое ядро – это фактически кристалл, окруженный жидкостью. Температура, при которой формируется этот кристалл, – предмет длительных споров, которые уже давно ведут ученые.
В экспериментах, результаты которых описаны в журнале Science, использовалось рентгеновское излучение, с помощью которого проводилось зондирование крошечных частиц железа, подвергаемое сильнейшему давлению, чтобы можно было проанализировать, как формируются и плавятся кристаллы железа.
Сейсмические волны, которые измеряются после землетрясений по всему миру, могут послужить прекрасным источником информации о толщине и плотности земных слоев, но, увы, они не могут дать никаких сведений о температуре. Эту информацию можно получить с помощью или компьютерных моделирований, или лабораторных методов.
Исследование рентгеном
Измерения, полученные в начале 1990-х годов относительно процесса плавления железа, из которых можно вычислить температуру ядра, как считали ученые, позволили предположить, что температура составляет около 5000 градусов Цельсия.
«Это было только начало работы с измерениями подобного рода, поэтому они лишь сделали предварительную оценку… чтобы составить примерные рамки температуры внутренней части Земли, – говорит Агнес Деваль из Французского исследовательского агентства и один из авторов нового исследования для BBC News. – Разные исследователи провели различные измерения и компьютерные вычисления, и оказалось, что данные не согласуются. В нашей области науки это плохо, когда мы не соглашаемся друг с другом».
Частицы железа подвергались очень сильному давлению, а затем исследовались с помощью рентгена. Фото с сайта esrf.eu
Знать температуру ядра Земли критически важно для многих дисциплин и отраслей науки, которые изучают различные аспекты внутреннего строения нашей планеты и тех ее участков, добраться до которых в ближайшее время (по крайней мере, физически) не представляется возможным. Точная цифра стала бы ключом к пониманию многого – от природы землетрясений до магнитного поля Земли.
«Наши ответы необходимы геофизикам, сейсмологам, исследователям в области геодинамики. Им необходимы данные, которыми они смогли бы заполнить свои компьютерные модели», – заверяет Деваль.
Команда ученых недавно заново пересмотрела измерения 20-летней давности, используя Европейскую установку синхротронного излучения – один из наиболее интенсивных источников рентгеновского излучения в мире.
Чтобы воспроизвести огромное давление, которое существует только на границе ядра Земли, – в миллион раз более интенсивное, чем на глубине океана, – ученые использовали устройство, которое называется «алмазный пресс».
Когда образцы железа подвергли высокому давлению и высоким температурам с помощью лазера, ученые использовали рентгеновские лучи, чтобы выполнить дифракцию, и наблюдали, как изменялись образцы, то есть как изменяется железо, переходя из твердого состояния в жидкое.
Образцы, полученные в результате дифракции, дают больше информации о состояниях железа на разных стадиях плавки. В частности, они предполагают, что температура ядра Земли составляет приблизительно 6000 градусов Цельсия плюс-минус 500 градусов, что примерно равно температуре поверхности Солнца.
Доктор Деваль уверена: «Теперь все согласуется». Но команда продолжает исследование, чтобы уточнить результаты.
Источник
Почему атмосфера Солнца в сотни раз горячее, чем его поверхность — 80-летняя теория ученого наконец подтверждена
Видимая поверхность Солнца или фотосферы имеет температуру около 6000°C . Но в нескольких тысячах километров над ним — небольшое расстояние, если учесть размер Солнца — солнечная атмосфера, также называемая короной, в сотни раз горячее, достигая миллиона градусов Цельсия или выше.
Этот всплеск температуры, несмотря на увеличенное расстояние от основного источника энергии Солнца, наблюдается у большинства звезд и представляет собой фундаментальную загадку, над которой астрофизики размышляли на протяжении десятилетий.
В 1942 году шведский ученый Ханнес Альфвен предложил объяснение. Он предположил, что намагниченные волны плазмы могут переносить огромное количество энергии вдоль магнитного поля Солнца из его внутренней части в корону, минуя фотосферу, прежде чем взорваться теплом в верхних слоях атмосферы Солнца.
Теория была предварительно принята, но ученным все еще требовалось доказательство в виде эмпирических наблюдений, что эти волны существуют. Недавнее исследование , наконец, смогло подтвердить 80-летнюю теорию Альфвена и сделать еще один шаг к использованию этой высокоэнергетической феноменологии на Земле.
Горячие вопросы
Проблема нагрева короны возникла с конца 1930-х годов , когда шведский спектроскопист Бенгт Эдлен и немецкий астрофизик Вальтер Гротриан впервые наблюдали явления в короне Солнца, которые могли присутствовать только в том случае, если ее температура составляла несколько миллионов градусов по Цельсию.
Это означает, что температура в 1000 раз выше , чем в расположенной под ней фотосфере — поверхности Солнца, которую мы можем видеть с Земли. Оценить тепло фотосферы всегда было относительно просто: нужно лишь измерить свет, который доходит до нас от Солнца, и сравнить его со спектральными моделями, предсказывающими температуру источника света.
На протяжении многих десятилетий исследований температура фотосферы неизменно оценивалась примерно в 6000°C. Открытие Эдленом и Гротрианом того, что корона Солнца намного горячее фотосферы — несмотря на то, что она находится дальше от ядра Солнца, его основного источника энергии, — вызвал недоумение в научном сообществе.
Ученые обратились к свойствам Солнца, чтобы объяснить это несоответствие. Солнце почти полностью состоит из плазмы, которая представляет собой сильно ионизированный газ, несущий электрический заряд. Движение этой плазмы в конвективной зоне — верхней части солнечного недра — производит огромные электрические токи и сильные магнитные поля.
Эти поля затем вытягиваются из недр Солнца за счет конвекции и выходят на его видимую поверхность в виде темных солнечных пятен , которые представляют собой скопления магнитных полей, которые могут образовывать различные магнитные структуры в солнечной атмосфере.
Именно здесь на помощь приходит теория Альфвена . Он рассуждал, что внутри намагниченной плазмы Солнца любые объемные движения электрически заряженных частиц будут нарушать магнитное поле, создавая волны, которые могут переносить огромное количество энергии на огромные расстояния — от поверхности Солнца до его верхних слоев атмосферы. Тепло проходит по так называемым трубкам солнечного магнитного потока, прежде чем прорваться в корону, вызывая ее высокую температуру.
Эти магнитные плазменные волны теперь называются волнами Альфвена , и их роль в объяснении нагрева короны привела к тому, что Альфвен был удостоен Нобелевской премии по физике в 1970 году.
Наблюдение за альфвеновскими волнами
Но оставалась проблема наблюдения за этими волнами. На поверхности Солнца и в его атмосфере происходит так много всего — от явлений, во много раз превышающих размеры Земли, до небольших изменений, которые ниже разрешающей способности приборов ученных, — что прямых наблюдательных доказательств существования волн Альфвена в фотосфере до сих пор не было.
Но недавние достижения в приборостроении открыли новое окно, через которое можно изучать физику Солнца. Одним из таких инструментов является интерферометрический двумерный спектрополяриметр (ИДС) для спектроскопии изображений, установленный на солнечном телескопе Данна в американском штате Нью-Мексико. Этот инструмент позволил проводить ученным гораздо более подробные наблюдения и измерения Солнца.
В сочетании с хорошими условиями просмотра, передовым компьютерным моделированием и усилиями международной группы ученых из семи исследовательских институтов с помощью ИДС было впервые подтверждено существование альфвеновских волн в трубках солнечного магнитного потока.
Новый источник энергии
Прямое открытие альфвеновских волн в фотосфере Солнца — важный шаг к использованию их высокого энергетического потенциала здесь, на Земле. Они могут помочь, например, в исследовании ядерного синтеза, который представляет собой процесс, происходящий внутри Солнца, при котором небольшое количество материи преобразуется в огромное количество энергии. На нынешних атомных электростанциях используется деление ядер, которое, по мнению критиков, приводит к возникновению опасных ядерных отходов, — особенно в случае катастроф, подобных той, что произошла в Фукусиме в 2011 году.
Создание чистой энергии путем воспроизведения ядерного синтеза Солнца на Земле остается огромной проблемой, потому что ученным все еще предстоит быстро создать 100 миллионов градусов Цельсия, чтобы синтез мог произойти. Волны Альфвена могут быть одним из способов сделать это. Растущие знания ученых о Солнце показывают, что это, безусловно, возможно — при правильных условиях.
Кроме того, в ближайшее время нас ожидают новые солнечные открытия благодаря новым, новаторским миссиям и приборам. Спутник Европейского космического агентства Solar Orbiter сейчас находится на орбите вокруг Солнца, передавая изображения и проводя измерения неизведанных полярных областей звезды. В наземных условиях открытие новых высокопроизводительных солнечных телескопов также должно улучшить наблюдения за Солнцем с Земли.
Поскольку многие секреты Солнца еще предстоит открыть, включая свойства магнитного поля Солнца, это захватывающее время для исследований Солнца. Обнаружение ученными волн Альфвена — лишь один из вкладов в более широкую область, которая стремится раскрыть оставшиеся загадки Солнца для практического применения на Земле.
Источник