Ядро Землі: що станеться, коли воно охолоне?

Ця стаття була опублікована у 184-му номері журнала The Universe Space Tech. Її авторка — Тетяна Кошлякова, кандидатка геологічних наук, старша наукова співробітниця Інституту геохімії, мінералогії та рудоутворення ім. М.П. Семененка НАН України .

У творах письменників-фантастів часто можна зустріти різноманітні сценарії катастрофічних подій, пов’язаних із масштабними природними процесами: землетрусами, цунамі, виверженнями вулканів, повенями, падіннями астероїдів тощо. Ці явища вражають уяву та викликають страх перед нескореною силою природи. Однак ми не завжди замислюємося над тим, які потужні процеси перманентно відбуваються глибоко в надрах Землі та яким чином вони впливають на наше повсякденне життя.

Планета Земля є унікальним космічним тілом, оскільки має магнітне поле й атмосферу, що забезпечують необхідні умови для існування життя. І якщо ключова роль газової оболонки не викликає сумнівів, то наявність магнітосфери, на перший погляд, не має такого принципового значення. Проте ця думка є оманливою.

Нашу планету оточує магнітне поле, що існує з моменту її формування. Воно виникає завдяки обертанню розжареного зовнішнього ядра. Все, що знаходиться на Землі, перебуває під впливом його невидимих силових ліній. У першому наближенні магнітне (геомагнітне) поле — це диполь, полюси якого розташовані поруч із полюсами планети. Воно є різновидом електромагнітного поля, що створюється рухомими електричними зарядами чи струмами, та формує магнітосферу, яка відхиляє частинки сонячного вітру. Ці частинки накопичуються в радіаційних поясах Ван Аллена — двох тороїдальних областях навколо Землі. Поблизу магнітних поясів ці частинки можуть «залітати» в атмосферу та викликати появу полярних сяйв.

Полярне сяйво (аврора) — оптичне явище у верхніх шарах атмосфери, що спостерігається найчастіше на відстані 20-35° від магнітних полюсів Землі

За сучасними уявленнями, виникнення геомагнітного поля відбулося приблизно 4,2 млрд років тому (для порівняння: вік Землі складає понад 4,55 млрд років) і було зумовлене джерелами, що знаходяться в рідкому зовнішньому ядрі всередині земної кулі (більш ніж на 90%) та навколоземному просторі (магнітосфері й іоносфері). Вчені вважають, що формування електромагнітного поля планети напряму залежить від температури її ядра. У Землі воно розігріте приблизно до 6000°C (як поверхня Сонця).

Як сформувалося земне ядро

Згідно з однією з найпоширеніших теорій, Сонячна система близько 4,5 млрд років тому складалася з хмари газів і холодних пилових частинок. На певному етапі вони почали колапсувати, гравітація об’єднала їх, утворивши величезний диск, що обертався. Його центр перетворився на Сонце, а матерія в його зовнішніх областях — на великі вогняні кулі з газу та розплавленої матерії, що поступово охолоджувались і конденсувалися.

Земля на ранніх стадіях еволюції. Джерело: Nature

Водночас поверхні новостворених планет піддавалися постійному бомбардуванню великими астероїдоподібними тілами, що під час зіткнення виділяли величезну кількість тепла і плавили космічний пил. Згодом, коли Земля вже була сформована, вона являла собою однорідну кулю з розжареної породи. Радіоактивний розпад підтримував високу температуру. Зрештою, приблизно через 500 млн років, планета нагрілася до точки плавлення заліза — 1538°С. Відносно легкоплавкі та леткі матеріали — такі, як силікати, вода, повітря — залишалися в межах зовнішньої частини Землі, утворивши ранню мантію та кору. Крапельки заліза, нікелю й інших важких металів тяжіли до центру, формуючи раннє ядро. Цей процес отримав назву «гравітаційна диференціація».

На початку формування планети її ядро було повністю розплавлене. Відтоді Земля поступово охолоджується, вивільняючи тепло у космос. У процесі застигання утворилося тверде внутрішнє ядро, яке продовжує збільшуватись у розмірах. Проте цей процес відбувається дуже повільно (внутрішнє ядро виростає приблизно на 1 мм за рік), оскільки між розжареним ядром і холодною поверхнею Земля має дуже щільну кам’янисту мантію, що заважає їй занадто швидко охолоджуватися.

Ядро розташоване на глибині 2900 км від земної поверхні. Воно має форму кулі радіусом близько 3500 км і ​​складається з заліза з домішками інших елементів. Це найщільніша та найважча частина Землі (на неї припадає лише 15% її об’єму та 35% маси). Ядро має два шари — твердий внутрішній радіусом майже 1300 км і рідкий зовнішній (приблизно 2200 км). Внутрішнє ядро ​​немовби «плаває» у зовнішньому рідкому шарі.

Ядро Землі складається з двох шарів — твердого внутрішнього та рідкого зовнішнього. Внутрішнє ядро немовби «плаває» у зовнішньому рідкому шарі. Джерело: forplayday/Getty Images

Варто зазначити, що наука знає про ядро Землі набагато менше, ніж про далекі зорі. Адже проникнути на такі глибини навіть за допомогою сучасних методів наразі неможливо. Зразки ядра недоступні, тому всю інформацію про нього отримують непрямими геофізичними та геохімічними методами.

Коли ядро повністю охолоне та стане твердим, це матиме величезний вплив на всю планету. Вчені вважають, що тоді Земля перетвориться на «другий Марс» майже без атмосфери та магнітного поля. Її зовнішній вигляд кардинально зміниться. Не буде більше землетрусів і вулканічних вивержень, припиниться рух тектонічних плит, що визначає рельєф поверхні. Під загрозою опиниться життя, адже геомагнітне поле створює у космосі майже нездоланний бар’єр, який не дає космічному випромінюванню досягати нашої планети (радіаційні пояси Ван Аллена). Його силові лінії відхиляють і захоплюють сонячний вітер, не дозволяючи йому позбавити Землю атмосфери. Без магнітного поля він знищить озоновий шар, що захищає життя від шкідливого ультрафіолетового випромінювання.

Як дізнатися, коли охолоне ядро Землі

Існують дві основні причини, чому земне ядро ​​таке гаряче. Перша — тепло зберігається у ньому з часів утворення Землі. Друга — його розігріває розпад радіоактивних елементів. Учені поки точно не знають, у якому саме співвідношенні перебувають між собою ці джерела тепла.

Детектор геонейтрино — спеціальний пристрій, розміщений на глибині понад 600 м для підрахунку кількості «радіоактивного палива» в ядрі Землі. Джерело: SNOLAB

Один зі способів точніше відповісти на це питання — ловити за допомогою спеціальних детекторів так звані геонейтрино. Це найлегші з відомих субатомних частинок, що вивільняються під час розпаду радіоактивних речовин у глибинах планети. Виявлення нейтрино й антинейтрино — вкрай складне завдання, оскільки вони дуже рідко та слабко реагують із матерією. Масивні нейтринні детектори розміром із невелику офісну будівлю розміщують на великій глибині (понад 600 м). Це пов’язано з необхідністю створити захист від космічних променів, що можуть призвести до помилкових спрацьовувань. У процесі роботи детектор виявляє антинейтрино під час їхніх зіткнень із атомами водню. При кожному зіткненні всередині пристрою спостерігаються два яскравих спалахи. Підрахувавши їхню частоту, вчені можуть визначити кількість атомів урану і торію, які залишилися всередині нашої планети.

Професор геології з Університету Меріленду Вільям Макдоно зазначає, що для точного розуміння радіоактивного випромінювання земного ядра потрібні дані принаймні за три роки від п’яти різних детекторів антинейтрино. У такий спосіб дослідники зможуть обчислити, який запас «радіоактивного палива» ще присутній у ядрі Землі. Сучасні гіпотези припускають, що його може вистачити на кілька десятків мільярдів років.

Що станеться раніше: охолодження ядра Землі чи згасання Сонця?

Термоядерні реакції, завдяки яким світить Сонце, відбуваються в його ядрі за температур понад 10 млн градусів за Цельсієм. У них витрачається водень, що становить більшу частину сонячної речовини. Його запасів вистачить ще на 5-6 млрд років, після чого наше світило згасне.

Магнітне поле Землі діє як щит, що відхиляє сонячний вітер. Джерело: Michael Osadciw/University of Rochester

Як було сказано вище, земне ядро ​​набагато холодніше — близько 6000°C. Теоретично за рахунок просочування тепла крізь мантію його температура повинна падати лише на один градус за 10 млн років або на 100°C за мільярд. Однак сучасні модельні розрахунки показали, що ядро ​​Землі зараз втрачає тепло набагато повільніше, ніж це відбувалося в будь-який інший момент історії нашої планети, і цього тепла вистачить мінімум на мільярд років існування магнітного поля. Таке сповільнення процесу охолодження ядра обумовлене його ​​підігріванням унаслідок розпаду радіоактивних елементів. Учені вважають, що до моменту згасання Сонця воно ​​охолоне лише на кілька сотень градусів. Утім, навіть після цього наше світило (що на той момент стане білим карликом) буде набагато гарячішим, а його охолодження розтягнеться на сотні мільярдів років, тобто воно згасне раніше, але охолоне пізніше за земне ядро.

Марс теж мав магнітне поле?

Досліджуючи поверхню Марса, планетологи помітили характерні особливості, які можуть свідчити про вулканічну активність на цій планеті у далекому минулому. Це наштовхнуло їх на думку про те, що прадавній Марс міг мати розплавлене ядро та, відповідно, магнітне поле й атмосферу, як сучасна Земля. Існує гіпотеза, що навколо Червоної планети колись був свій пояс Ван Аллена, який захищав її від сонячного вітру. Та коли ядро застигло, вона втратила свій «щит». Деякі вчені припускають, що причиною втрати магнітного поля могла стати космічна подія — зіткнення з астероїдом.

Візуалізація катастрофи, що призвела до руйнування марсіанської магнітосфери

Річ у тім, що на цій планеті було виявлено так звану дихтомію кори — скелі у північній півкулі значно тонкіше, ніж у південній. За даними американського орбітального зонда Mars Global Surveyor, замість єдиного магнітного поля на Марсі існує безліч локальних, іноді досить сильних магнітних аномалій. На карті вони виглядають як строката плямиста мозаїка. Особливо потужні аномалії виявлені у південній півкулі, в районі величезної западини Рівнина Еллади діаметром 600 км. Канадський астрофізик Сабін Стенлі з Університету Торонто припускає, що гігантський метеоритний удар на початку еволюції планети (близько 4 млрд років тому) міг зашкодити рідкому ядру та вплинути на магнітне поле. Раніше вважалося, що ядро Марса відносно швидко охололо через те, що він удвічі менший за Землю, але ця теорія була спростована нещодавнім відкриттям рідкого ядра у Меркурія, який має ще менший розмір.

Карта магнітних полів Марса. Джерело: J. E. P. Connerney/J. Espley/P. Lawton

Природа локальних магнітних аномалій на сусідній планеті лишається загадкою, оскільки їхня намагніченість є занадто високою для звичайних порід. За аналогією з Марсом на Землі також виявляються подібні аномалії (наприклад, у Східному Сибіру та Південній Африці). Вони пов’язані зі специфічним різновидом мінералів — стабільним маггемітом, який зустрічається в імпактних структурах . Цей мінерал являє собою магнітний оксид заліза (Fe₂ O₃ ). Як відомо, забарвлені в червоний колір кори вивітрювання поширені лише на двох планетах Сонячної системи — на Землі та на Марсі. Останній називають Червоною планетою саме через те, що він укритий товстим шаром червоно-бурих оксидів і гідроксидів заліза у формі піску та пилу. Однак ці мінерали — магнітні. Цілком імовірно, що утворення марсіанського маггеміту спричинив удар космічного тіла.

Маггеміт — рідкісний магнітний мінерал, зразки якого були виявлені на Марсі. Джерело: Ra’ike/wikipedia.org

Такі аналогії між планетами дають підстави розглядати Марс як модель Землі у далекому майбутньому. Стрімкий розвиток сучасних технологій стимулює появу амбітних цілей у напрямку колонізації інших тіл Сонячної системи. Хоча всі плани щодо створення поселень на Червоній планеті поки існують виключно в теорії, саме дослідження земного ядра може стати ключем до розуміння природи магнітного поля, що є необхідним елементом для забезпечення умов існування живих організмів.

Тільки найцікавіші новини та факти в нашому Telegram-каналі!

Popular:

«Що, якби. ». Які катастрофи чекають на Землю, якщо зміняться основні умови її життя

Кілька тижнів тому студія Marvel представила трейлер нового анімаційного шоу «Що, якби. ». Як прозоро натякає назва, новий серіал покаже альтернативні версії розвитку основних подій і дол і героїв популярного кіновсесвіту. От і ми поставили собі схоже питання. Що, якби фундаментальні умови, котрі визначають наше життя, раптово змінилися б? Увага, спойлер: нам це не обіцяло б нічого хорошого. А тепер докладніше.

Якщо Земля збільшиться вдвічі?

Зустрічаючи старого знайомого на вулиці чи в супермаркеті, ми часто згадуємо, що світ тісний. І стає дедалі тіснішим: за прогнозами ООН, до 2050-го населення нашої планети досягне 9,7 млрд осіб (на 2 млрд більше ніж зараз). Але що сталося б, якби Земля раптово збільшилась вдвічі?

Якщо припустити, що щільність планети залишиться т акою ж , а діаметр подовжиться вдвічі (приблизно до 25 тис. км), то маса виросте у вісім разів. Гравітація з росте у двічі, що вплине на всіх живих істот. Це призведе до того, що в аша вага зросте вдвічі і навіть настільки проста дія, як ходьба, перетвориться на майже нездійсненн е завдання.

Хижі тварини теж зіткнуться з проблемами. Погоні за здобиччю залишаться для них в минулому, адже спроба перейти на біг призводитиме до перелому кінцівок.

З рослинним світом подвоєна Земля вчинить гуманніше. Багато дерев і інших рослин просто впадуть під власною вагою, позбувшись необхідності виживати в новій реальності.

Згодом живі істоти з можуть адаптуватися до нових умов: їм доведеться стати нижч ими та розвинути міцніші кістк и і м’язи. Втім, ще не факт, що наша збільшена планета дасть їм час на це. Якщо в мантії Землі збільшиться кількість радіоактивних елементів, це може спровокувати підвищення температури магми і збільшення вулканічної активності. Велика кількість CO ₂ , що викидатиметься в атмосферу вулканами, спричинить виникнення потужного парникового ефекту.

Словом, добре, що сценарій раптового подвоєння розмірів Землі абсолютно нереалістичний.

Якщо з океанів зникне вся сіль?

Якби таке сталося, ми б отримали дві новини: хорошу і погану. Почнемо з хорошої: у нас з’явилося б дуже багато прісної води для пиття. А погана полягає в тому, що попит на неї суттєво би впав.

П одібний катаклізм загро жував би зникненням майже 230 тис. видів морських мешканців, чиї організми еволюція привчила жити в солоній воді. Морська флора — ще одна жертва. Якби з океанів зникла сіль, це призвело б до загибелі водоростей, а це катастрофічний удар по людству.

Дощові ліси Амазонки прийнято вважати легенями планети. Існує твердження, що вони виробляють близько 20% кисню на Землі. Насправді їхня частка становить близько 6%, а справжні легені планети ховаються в океанських водах. Звідти ми отримуємо, за різними оцінками, від 50 % до 80% кисню. Його виробляють водорості і бактерії, без яких ми б втратили значну частину життєво необхідного елементу. Проте вуглекислого газу, який вони поглинають для виробництва кисню, побільшало б, а це прямий шлях до парникового ефекту.

Також сіль відіграє важливу роль в роботі океанічних течій, а ті, в свою чергу, впливають на клімат планети. Наприклад, зниження солоності може привести до зупинки Атлантичної меридіональної циркуляції — системи течій, частиною якої є Гольфстрім. Лише це здатне спричинити зниження температури в Північній півкулі на 5 °C і руйнування критично важливих елементів кліматичної системи Землі (наприклад, зникнення вже згаданих лісів Амазонки).

Картина світу вже вийшла похмурою, але ще одного штриха в ній бракує. В одному літрі океанської води розчинено близько 35 грамів солі. Начебто небагато, але тепер масштабуйте це до обсягів світового океану. Результат вийде на рівні 45 квадрильйонів тонн, без яких тиск на морське дно ослабне, що може привести до землетрусів і вивержень вулканів. А здавалося б, це лише сіль.

Якщо Земля втратить атмосферу?

Відповідь напрошується сама: ми всі помремо. Та як саме це станеться, і що відбуватиметься з планетою? На ці питання можна дати ширші відповіді.

Якщо говорити про загибель людства, то вона буде вкрай важкою. Барабанні перетинки лопнуть, слина скипить, а у тих, хто в момент зникнення атмосфери затамує дихання, лопнуть легені. Навіть якщо під рукою опиниться киснева маска, дихати все одно не вийде, оскільки для роботи діафрагми (м’язу, що служить для розширення легенів) тиск повітря в легенях і в навколишньому середовищі має бути різним. Скафандр з запасом кисню може продовжити життя, але будь-яка ділянка тіла, до якої дістануться сонячні промені (атмосфери, щоб розсіювати їх, не буде, як ми пам’ятаємо), отримає сильні опіки.

Тварини, рослини і риби теж зникнуть. Можливо, вижити зможуть деякі бактерії, тож повністю мертвою Земля не залишиться.

Обличчя планети зміниться до невпізнання. Земну кулю заполонить тиша , оскільки зникне середовище, необхідне для передачі звуків. Будь-який об’єкт, що знаходиться в повітрі, впаде. Небеса стануть чорними, тому що звичний нам блакитний колір їм забезпечує атмосфера.

Річки, озера, моря та океани скиплять, оскільки кипіння води відбувається не тільки завдяки температурі, але й тиску. Наприклад, на вершині Евересту, де він менше, ніж на поверхні, вода закипає при 68 °C, а не при 100 °C, як ми звикли. Пара, що утворилася в результаті, частково заповнить нестачу атмосферного тиску, але лише до тієї точки, щоб не дати повністю википіти океанам. Коли це станеться, рідина, що залишиться, замерзне.

Якщо зупиниться рух літосферних плит?

Найближча до поверхні оболонка нашої планети, земна кора, складається з окремих ділянок — літосферних плит. Вони знаходяться в постійному русі, завдяки чому на Землі існують високі гори і глибокі океани, а також відбуваються руйнівні землетруси і виверження вулканів.

Без цього наша планета стане зовсім іншою. Під постійним впливом вітряної ерозії величні гори з часом перетворяться на пагорби. Зате океани збільшаться, поступово поглинаючи сушу. Землетруси не припиняться повністю, але таких руйнівних подій, як зараз, вже не буде. Вулкани теж не зникнуть повністю, але більшість з нині існуючих все ж відключиться.

Це звучало б не так страшно, якби не одне «але». Без руху літосферних плит рідке зовнішнє ядро Землі охолоне достатньо, щоб зупинилися процеси, завдяки яким формується магнітне поле нашої планети. А воно не дає Сонцю знищити атмосферу Землі. Без магнітного поля світила це нарешті вдасться, а що буде на планеті без атмосфери, ми вже знаємо.

Крім того, перспектива зупинки руху плит цілком реальна. Вчені вважають, що рано чи пізно це таки станеться. Хоча точні терміни, коли це трапиться, вони поки назвати не можуть. Одні дослідження свідчать, що рух зупиниться через 1,45 млрд років, інші називають більш віддалений термін у 5 млрд років.

Якби Земля зупинилася

«Зупиніть Землю, я зійду!», — вигукуємо ми часом у важкі моменти. Але з цим бажанням краще бути обережніше, тому що зупинка обертання планети навколо своєї осі позбавить людство від багатьох проблем не в найприємніший спосіб.

Якщо зупинка відбудеться одразу, то все, що міцно не закріплено на Землі, полетить у східному напрямку. Приблизно так само, якби ви їхали в автомобілі на величезній швидкості, а потім різко вдарили по гальмах. Будинки, машини, людей, тварин тощо просто розкидає, як іграшки. Зупинка запустить руйнівні цунамі і землетруси, а атмосфера, яка не зупиниться разом з планетою, спустошить ландшафти, якщо на них ще що-небудь залишиться.

Є й інший варіант: якщо Земля зупинятиметься поступово. Це повністю змінить її географію. Океанська вода кинеться до полюсів, поглинувши Європу, Канаду і Росію на півночі і Антарктиду на півдні. Але між двома величезними океанами, зміщеними до полюсів, утвориться мегаконтинент, що буде оперезати всю планету.

Втім, жити там все одно буде складно. Адже звичний цикл зміни дня і ночі перестане існувати. Земна доба триватиме не 24 години, а цілий рік. Половина планети протягом пів року відчуватиме спустошливу спеку, поки інша замерзатиме.

Крім того, зупинка планети ймовірно призведе до відключення магнітного поля, наслідки чого нам уже відомі.

Якщо зникне Місяць?

Але що ми все про Землю та про Землю? Адже зовсім поруч знаходиться інше небесне тіло, яке впливає на наше життя. Місяць. Що якби цей чарівний атрибут нічного неба раптово зник?

Очевидно, що без сонячного світла, яке відбиває наш супутник, ночі стали б істотно темнішими. Це спричинило б людям незручності, а деяким видам хижаків (наприклад, совам і левам), що полюють ночами, але розраховують на бліде світло Місяця, серйозно ускладнило б життя.

Значно більший ефект зникнення Місяця справить на океани. Гравітаційний вплив супутника — одна з причин, з якої на нашій планеті відбуваються припливи і відливи. Без нього ці явища, звичайно, не зникнуть, адже їх також підтримує Сонце, але стануть набагато слабшими.

Це може нашкодити прибережним екосистемам, які залежать від потоків води, мінералів та інших ресурсів, що забезпечуються приливами і відпливами. Постраждати можуть різні морські мешканці на кшталт крабів чи морських зірок. Крім того, припливи-відпливи допомагають підтримувати роботу морських течій, які так само впливають на кліматичні умови. А значить, без Місяця можна очікувати їхніх змін.

Нарешті, в довгостроковій перспективі відсутність супутника здатна привести до зміни нахилу осі нашої планети. А це загрожує кардинальними змінами в закономірностях зміни сезонів і клімату в усьому світі.

Якщо помре Сонце?

Правильним питанням буде не «якщо. », а «коли помре Сонце?». На жаль, чи на щастя, але у Всесвіті ніщо не вічне, навіть зірки. Наше світило — не виняток. Зараз йому близько 4,5 млрд років, але воно поступово старіє і з часом помре. Або, якщо порівнювати його не з живою істотою, а з технікою, у нього закінчиться паливо.

Сонце працює на водні. В ядрі світила відбуваються реакції, в результаті яких він перетворюється на гелій. Кожну секунду на це йде приблизно по 600 млн тонн водню. Приблизно через 5 млрд років в ядрі паливо закінчиться, але у зірки воно ще залишиться в зовнішніх оболонках. Цей водень і піде в хід, проте у події буде своя ціна: Сонце почервоніє, охолоне і збільшиться. Воно стане червоним гігантом. Збільшившись в розмірах, воно поглине Меркурій, Венеру і Землю.

Це станеться приблизно через 7-8 млрд років. Сонце продовжить вмирати, поки не перетвориться на білого карлика — порівняно невеликий (не більше Землі), але дуже щільний об’єкт. Але наш світ цього вже не застане.

Наша планета — складна система, що складається з безлічі елементів. І життя існує тому, що кожен елемент системи знаходиться на своєму місці і працює так, як працює. Тож нехай краще питання «що, якби. » залишаються суто теоретичними і нам ніколи не доведеться дізнатися відповіді на них на власному досвіді.