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
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
Краткий очерк о жизни нашего Солнца
Солнце – наш источник тепла, энергии и света. Мы не можем смотреть на него без специальных защитных устройств, и всем нам оно кажется ярким лучистым шаром, но какое оно на самом деле? Долгое время все астрономы считали, что оно идеально. Только Галилео Галилей смог в свой самодельный телескоп увидеть, что даже у Солнца есть пятна, и предположил, что оно имеет очень сложную слоистую структуру.
Солнце считается звездой в «самом расцвете сил». Пусть это и маленький, ничем не примечательный жёлтый карлик, и по сравнению с другими массивными звёздами оно выглядит, как маленькая горошина рядом с баскетбольным мячом, зато оно относительно спокойное и долгоживущее – за всё время существования подобных ему звёзд жизнь не просто может успеть зародиться и сформироваться, но и даже стать разумной. Так, например, самые крупные голубые гиганты сжигают все свои запасы ядерного топлива всего за 10-20 миллионов лет, а это лишь несколько мгновений по сравнению с продолжительностью жизни жёлтых карликов – Солнцу уже примерно 4,5 млрд лет, и оно проживёт ещё столько же перед тем, как сойти с главной последовательности, но у нас времени осталось всё же намного меньше.
История Солнца началась около 4,5-5 млрд лет назад. Взорвалась сверхновая звезда. После этого взрыва немыслимой мощности взрывная волна прокатилась по всему «близлежащему» космическому пространству, и на её пути ей встретилось молекулярное облако. От столкновения с ней оно распалось, образовав кольца газа и пыли, а дальше уже всё дело было во власти гравитации: вещество в облаке начало сжиматься и уплотняться, а в центре этого молекулярного облака, когда набралось достаточное количество вещества для зажжения ядерного пламени, родилось пылающее сердце Солнечной системы – наша звезда. Её владения представляют собой форму пузыря – гелиосферу – это область околосолнечного пространства, в которой плазма солнечного ветра движется относительно Солнца со сверхзвуковой скоростью. Солнечный ветер (поток заряженных солнечных частиц, излучаемых солнцем) защищает нас от галактического излучения и, пожалуй, край гелиосферы, до которого он доносится, можно назвать границей нашего дома — Солнечной системы. Граница находится далеко за орбитой Плутона – по разным оценкам это расстояние составляет от 130 до 230 а.е.
Солнце, которое мы так часто воспеваем в произведениях искусства, на самом деле – гигантская термоядерная «печка», состоящая из водорода (≈73 % от массы и ≈92 % от объёма), гелия (≈25 % от массы и ≈7 % от объёма) и других элементов с меньшей концентрацией: железа, никеля, кислорода, азота, кремния, серы, магния, углерода, неона, кальция и хрома.
Сейчас в солнечном ядре идут термоядерные реакции превращения водорода в гелий. Каждую секунду в ядре нашей звезды около 4 миллионов тонн вещества превращается в лучистую энергию, которой мы все обязаны своими жизнями. Посмотрим же на Солнце изнутри. Чтобы подняться от раскалённого ядра до поверхности, той самой энергии, дающей нам тепло, свет и жизнь, понадобится миллион лет. Добравшись до поверхности, эта энергия достигает Земли примерно за 8,5 минут.
Жёлтая поверхность Солнца, которую мы видим, — это фотосфера. Её температура – почти 6 000 С. Как она выглядит? Кипящий горячий, более лёгкий, газ поднимается на поверхность, а остывший, более тяжелый, – опускается. Каждый видимый пузырь размером с примерно Московскую область!
Помимо этих пузырей мы видим пятна, которые периодически появляются на Солнце. Они холоднее, чем остальная фотосфера. Одно такое пятно может быть размером с Юпитер и даже больше. Пятна могут появляться и исчезать, могут существовать группами или по одиночке. Они отражают магнитную активность нашей звезды, т.е. они показывают, где силовые линии вырываются наружу, и где снова входят обратно. Солнце выбрасывает широкие энергетические петли. Каждые 11 земных лет магнитные полюса меняются, а в середине этого цикла Солнце находится в энергетическом максимуме.
Поскольку Солнце не имеет твёрдой поверхности, то при его вращении вещество его вращается по-разному – так, на экваторе вещество движется быстрее, чем на полюсах, поэтому и само магнитное поле выглядит искажённым – отсюда и возникают солнечные пятна. Выплёскиваемая плазма на высоту около 50 000 км образует собой дуги, повторяя контур магнитных силовых линий. Если выброс более мощный, то вещество, вырывающееся из недр Солнца, уже имеет форму струй – их высота может достигать 100 000 км.
Внешняя атмосфера Солнца – корона , её температура равна двум миллионам градусов. У короны, можно сказать, свой «танец»: колебания на поверхности Солнца отражаются на поверхности наверху. Но почему корона такая горячая? В самом сердце Солнца – в его ядре температура равна 15 млн градусам! На поверхности — всего 6000, а откуда на короне взялись 2 миллиона градусов? Вероятная причина кроется в магнитной энергии.
Солнце пульсирует, подобно гигантскому сердцу, и во время этих пульсаций его форма меняется, поэтому оно не имеет идеальную форму шара.
Реактивные струи раскалённого газа очень мощные под его поверхностью, они создают гигантские вихри и смерчи. Они вращаются на скорости 500 000 км/ч! Эти вихри и передают энергию от ядра, где протекают термоядерные реакции, к его поверхности.
Но Солнце постепенно разогревается и увеличивает свою светимость по мере того, как расходует внутренние запасы своего топлива. Так, примерно через 1 миллиард лет оно будет ярче на 11 %, чем сейчас, что приведёт к существенным климатическим изменениям, которые «преобразят» Землю до неузнаваемости. Температура на поверхности Земли существенно повысится, вода начнёт испаряться, и атмосфера из-за этих паров станет более плотной, что приведёт к развитию парникового эффекта. Живые существа могут спастись только в глубинах морей и океанов. Так что у нас есть 1 млрд лет на то, чтобы найти себе новый дом. Но на 11 % Солнце не остановится, оно будет продолжать «набирать обороты», и уже через 3,5 млрд лет его яркость возрастёт на 40 %! Посмотрите на Венеру – жара в +460 С, парниковый эффект, а на поверхности этой знойной планеты можно спокойно расплавить оловянные ложки или свинцовые пули. Почти так же будет выглядеть Земля к этому времени – раскалённый безжизненный шар, опустошённый зноем и огнём. К этому времени все земные формы жизни будут уничтожены.
По мере того как водородное топливо в солнечном ядре будет выгорать, его внешняя оболочка будет расширяться, а ядро — сжиматься и нагреваться.
Когда Солнце достигнет возраста 12 млрд лет, водород в ядре кончится, а образовавшийся из него гелий, ещё неспособный в этих условиях к термоядерному горению, станет сжиматься и уплотняться из-за прекращения ранее поддерживавшего его «на весу» потока энергии из центра. Горение водорода будет продолжаться лишь в тонком внешнем слое ядра. Солнце станет нестабильным и будет расширяться, сойдёт с главной последовательности, и превратится в красного гиганта. Меркурий и Венера будут поглощены Солнцем и полностью уничтожены в его недрах, а насчёт Земли мнения учёных разделились: кто-то считает, что нашу планету постигнет та же участь – быть «съеденной» Солнцем, а кто-то предполагает, что внешние оболочки звезды лишь коснуться её поверхности. В таком случае оставшаяся атмосфера будет сорвана солнечным ветром, оставив лишь раскалённый шар, некогда бывший домом всем, кого мы знаем.
В таком относительно спокойном состоянии Солнце проживёт ещё около 10 миллионов лет. Когда температура в ядре достигнет свыше 100 млн С, произойдёт гелиевая вспышка, и начнётся другая термоядерная реакция синтеза углерода и кислорода из гелия. Солнце, получившее новый источник энергии, уменьшится в размере, а потом, когда запасы гелия иссякнут, повторится снова бурное расширение внешних оболочек звезды. Страшно представить, что будет твориться с престарелым Солнцем! Размер его будет нестабильным, светимость его будет постоянно меняться – бурные вспышки начнут чередоваться с временным потускнением, а во время этих мощных вспышек его светимость будет превышать современный уровень в 5200 раз! Определённо, к Солнцу лучше и близко не подлетать! Такие «звёздные конвульсии» будут длиться, пока эти пульсации не сбросят внешние оболочки. Всё, что останется от нашего Солнца – красивая планетарная туманность с белым карликом в центре – горячим и плотным объектом размером с Землю – это ядро, некогда бывшее сердцем Солнца. Этот белый карлик будет иметь температуру поверхности 120 000 С и светимость его будет составлять 3500 солнечных, но в течение многих миллионов и миллиардов лет он постепенно будет остывать и угасать, а когда совсем остынет, то погаснет и станет чёрным карликом, бороздящим просторы Вселенной.
Источник