Viac

5.1: Earth’s Interior - Geosciences


Pochopenie vnútra Zeme

Predtým, ako sa dozviete o doskovej tektonike, musíte vedieť niečo o vrstvách, ktoré sa nachádzajú vo vnútri Zeme. Vedci používajú informácie zo zemetrasení a počítačového modelovania na spoznávanie vnútra Zeme.

Ľudia nikdy nevŕtali okolo zemskej kôry, a napriek tomu vieme veľa o zložení zemského vnútra. Skaly poskytujú určité indície, ale odhaľujú iba informácie o vonkajšej kôre. V zriedkavých prípadoch sa minerál, napríklad diamant, dostane na povrch z hĺbky v kôre alebo v plášti. Vedci sa pri spoznávaní vnútra Zeme pomocou energie zaznamenanej seizmografmi „vidia“ rôzne vrstvy Zeme, rovnako ako lekári môžu na nahliadnutie do našich tiel použiť MRI, CT alebo röntgen.

SEIZMICKÉ VLNY
Jedným z dômyselných spôsobov, ako sa vedci dozvedia o interiéri Zeme, je pohľad na to, ako energia cestuje z bodu zemetrasenia, tzv. seizmické vlny. Seizmické vlny cestujú smerom von do všetkých strán, odkiaľ sa pri zemetrasení zlomí zem. Stanice seizmografu merajú energiu uvoľnenú týmito zemetraseniami, ale existujú dve, ktoré vedcov najviac zaujímajú, pokiaľ ide o pochopenie vnútra Zeme.Primárne vlny (tiež nazývaný P-vlny) sú najrýchlejší, cestujú rýchlosťou asi 6 až 7 kilometrov za sekundu, takže najskôr dorazia k seizmometru. P-vlny sa pohybujú v pohybe typu kompresie / expanzie a pri svojej ceste stláčajú a nestláčajú zemské materiály. P-vlny sa mierne ohýbajú, keď prechádzajú z jednej vrstvy do druhej. Seizmické vlny sa pohybujú rýchlejšie cez hustejší alebo tuhší materiál. Keď sa P vlny stretnú s kvapalným vonkajším jadrom, ktoré je menej tuhé ako plášť, spomalia sa. Vďaka tomu prichádzajú vlny P neskôr a ďalej, ako by sa čakalo. Výsledkom je tieňová zóna vĺn P. Na seizmografoch 104o až 140o od ohniska zemetrasenia nie sú zachytené žiadne P vlny.

Sekundárne vlny (tiež nazývaný S-vlny) sú asi o polovicu rýchlejšie ako vlny P, cestujú rýchlosťou asi 3,5 km za sekundu a ako druhé prichádzajú k seizmografom. S-vlny sa pohybujú smerom hore a dole kolmo na smer pohybu vĺn. To spôsobuje zmenu tvaru zemských materiálov, ktorými sa pohybujú. Iba pevné látky odolávajú zmene tvaru, takže S-vlny sú schopné šíriť sa iba cez pevné látky. Vlny S nemôžu prechádzať kvapalinou. Pomocou sledovania seizmických vĺn vedci zistili, čo tvorí vnútro planéty. P-vlny sa na hranici jadra plášťa spomaľujú, takže vieme, že vonkajšie jadro je menej tuhé ako plášť. Vlny S zmiznú na hranici jadra plášťa, takže vonkajšie jadro je tekuté.

Medzi ďalšie indície týkajúce sa vnútra Zeme patrí skutočnosť, že vieme, že celková hustota Zeme je vyššia ako hustota kôrových hornín, takže jadro musí byť vyrobené z niečoho hustého, napríklad z kovu. Pretože Zem má magnetické pole, musí na planéte byť aj kov. Železo aj nikel sú magnetické. Nakoniec sú meteority pozostatkami materiálu, ktorý vytvoril rannú slnečnú sústavu, a predpokladá sa, že sú podobné materiálom vo vnútri Zeme.


Zloženie a štruktúra Zeme

Jadro, plášť a kôra sú rozdelenia založené na zložení. Kôra tvorí menej ako 1 percento Zeme hmotou, pozostáva z oceánskej kôry a kontinentálna kôra je často viac felsická hornina. Plášť je horúci a predstavuje asi 68 percent hmotnosti Zeme. Nakoniec je jadro väčšinou železný kov. Jadro tvorí asi 31% Zeme.

Litosféra a astenosféra sú rozdelenia založené na mechanických vlastnostiach. The litosféra sa skladá z kôry aj z časti horného plášťa, ktorá sa správa ako krehká tuhá látka. The astenosféra je čiastočne roztavený materiál horného plášťa, ktorý sa správa plasticky a môže tiecť. Táto animácia programu Earthquide zobrazuje vrstvy podľa zloženia a podľa mechanických vlastností.

KORUPA A LITOSFÉRA
Vonkajší povrch Zeme je jej kôra; studený, tenký, krehký vonkajší plášť vyrobený z kameňa. Kôra je veľmi tenká vzhľadom na polomer planéty. Existujú dva veľmi odlišné typy kôry, z ktorých každý má svoje vlastné charakteristické fyzikálne a chemické vlastnosti.Oceánska kôra Skladá sa z magmy, ktorá vybuchne na morskom dne a vytvorí čadičové lávové prúdy alebo sa ochladí hlbšie a vytvorí dotieravé magmatické skalné gabro. Morské dno pokrývajú sedimenty, predovšetkým bahno a mušle malých morských tvorov. Sediment je najhrubší pri brehu, kde odchádza z kontinentov v riekach a vo veterných prúdoch.

Kontinentálna kôra sa skladá z mnohých rôznych druhov vyvretých, metamorfovaných a sedimentárnych hornín. Priemerné zloženie je žula, ktorá je oveľa menej hustá ako kamenné magmatické skaly oceánskej kôry. Pretože je hustá a má relatívne nízku hustotu, kontinentálna kôra stúpa vyššie na plášti ako oceánska, ktorá klesá do plášťa a vytvára povodia. Ak sú tieto nádrže naplnené vodou, vytvárajú oceány planéty.

Litosféra je vonkajšia mechanická vrstva, ktorá sa správa ako krehká tuhá pevná látka. Litosféra má hrúbku asi 100 kilometrov. Definícia litosféry je založená na tom, ako sa správajú zemské materiály, takže zahŕňa kôru a najhornejší plášť, ktoré sú krehké. Pretože je tuhý a krehký, pri pôsobení stresov na litosféru sa láme. Toto zažívame ako zemetrasenie.


MANTLE
Dve najdôležitejšie veci na plášti sú: (1) je vyrobený z pevnej horniny a (2) je horúci. Vedci vedia, že plášť je vyrobený z horniny na základe dôkazov seizmických vĺn, toku tepla a meteoritov. Vlastnosti vyhovujú ultramafickému horninovému peridotitu, ktorý je vyrobený z kremičitanov minerálov bohatých na železo a horčík. Peridotit sa na povrchu Zeme vyskytuje zriedka. Vedci vedia, že plášť je mimoriadne horúci kvôli teplu prúdiacim von z neho a kvôli jeho fyzikálnym vlastnostiam. Teplo v rámci Zeme prúdi dvoma rôznymi spôsobmi: vedením a konvekciou. Vedenie je definované ako prenos tepla, ku ktorému dochádza pri rýchlych kolíziách atómov, ku ktorým môže dôjsť iba vtedy, ak je materiál pevný. Teplo prúdi z teplejších na chladnejšie miesta, kým všetky nedosahujú rovnakú teplotu. Plášť je horúci väčšinou kvôli teplu vedenému z jadra. Konvekcia je proces materiálu, ktorý sa môže pohybovať a pri prúdení môžu vyvíjať konvekčné prúdy.

Konvekcia v plášti je rovnaká ako konvekcia v hrnci s vodou na sporáku. Ako sa ohrieva materiál v blízkosti jadra, konvekčné prúdy v zemskom plášti sa tvoria. Keď jadro ohrieva spodnú vrstvu materiálu plášťa, častice sa pohybujú rýchlejšie, znižujú jeho hustotu a spôsobujú jej nárast. Zvyšujúci sa materiál začína konvekčným prúdom. Keď sa teplý materiál dostane na povrch, šíri sa vodorovne. Materiál sa ochladzuje, pretože už nie je v blízkosti jadra. Nakoniec sa stane dostatočne chladným a hustým, aby klesol späť dole do plášťa. Na spodnej časti plášťa sa materiál pohybuje vodorovne a je ohrievaný jadrom. Dosahuje miesto, kde stúpa teplý materiál plášťa, a konvekčná bunka plášťa je hotová.


Konvekcia v plášti je rovnaká ako konvekcia v hrnci s vodou na sporáku. Dosahuje miesto, kde stúpa teplý materiál plášťa, a konvekčná bunka plášťa je hotová.

JADRO
V strede planéty leží husté kovové jadro. Vedci vedia, že jadro je kovové z niekoľkých dôvodov. Hustota povrchových vrstiev Zeme je oveľa menšia ako celková hustota planéty, ktorá sa počíta z rotácie planéty. Ak sú povrchové vrstvy menej husté ako priemer, potom musí byť interiér hustejší ako priemer. Výpočty naznačujú, že jadro tvorí asi 85 percent kovového železa, pričom nikel tvorí väčšinu zvyšných 15 percent. Kovové meteority sa tiež považujú za reprezentatívne pre jadro. Ak by zemské jadro nebolo kovové, planéta by nemala magnetické pole. Kovy ako železo sú magnetické, ale hornina, ktorá tvorí plášť a kôru, nie je. Vedci vedia, že vonkajšie jadro je tekuté a vnútorné jadro pevné, pretože vlny S sa zastavujú na vnútornom jadre. Silné magnetické pole je spôsobené konvekciou vo vonkajšom jadre kvapaliny. Konvekčné prúdy vo vonkajšom jadre sú spôsobené teplom z ešte teplejšieho vnútorného jadra. Teplo, ktoré udržuje vonkajšie jadro pred stuhnutím, sa vyrába rozpadom rádioaktívnych prvkov vo vnútornom jadre.


Je jadro Earth & # 8217s prepadnuté? Podivné udalosti v interiéri našej planéty a # 8217.

Nový model seizmológov UC Berkeley navrhuje, aby vnútorné jadro Zeme & # 8217s rástlo rýchlejšie na jeho východnej strane (vľavo) ako na jeho západe. Gravitácia vyrovnáva asymetrický rast tlačením kryštálov železa smerom k severnému a južnému pólu (šípky). To vedie k zarovnaniu dlhej osi kryštálov železa pozdĺž osi rotácie planéty (prerušovaná čiara), čo vysvetľuje rôzne doby trvania seizmických vĺn cez vnútorné jadro. (Grafika: Marine Lasbleis)

Z neznámych dôvodov rastie vnútorné jadro zo železa a železa na jednej strane rýchlejšie ako na druhej strane a odvtedy, čo pred viac ako pol miliardou rokov začalo mrznúť z roztaveného železa, tvrdí nová štúdia spoločnosti seizmológovia z Kalifornskej univerzity v Berkeley.

Rýchlejší rast v Indonézii a Banda Sea nenechal jadro bezradné. Gravitácia rovnomerne rozdeľuje nový rast - kryštály železa, ktoré sa tvoria pri ochladzovaní roztaveného železa -, aby sa udržalo sférické vnútorné jadro, ktoré rastie v polomere v priemere o 1 milimeter ročne.

Ale zvýšený rast na jednej strane naznačuje, že niečo vo vonkajšom jadre alebo plášti Zeme pod Indonéziou odvádza teplo z vnútorného jadra rýchlejšie ako na opačnej strane pod Brazíliou. Rýchlejšie ochladenie na jednej strane by urýchlilo kryštalizáciu železa a rast vnútorného jadra na tejto strane.

To má dôsledky pre magnetické pole Zeme # 8217 a jeho históriu, pretože konvekcia vo vonkajšom jadre poháňaná uvoľňovaním tepla z vnútorného jadra je to, čo dnes poháňa dynamo, ktoré generuje magnetické pole, ktoré nás chráni pred nebezpečnými časticami zo slnka.

& # 8220Poskytujeme dosť voľné hranice veku vnútorného jadra - medzi pol miliardou a 1,5 miliardami rokov - čo môže byť užitočné v diskusii o tom, ako bolo magnetické pole generované pred existenciou pevného vnútorného jadra, & # 8221 povedala Barbara Romanowicz, UC Berkeley, profesorka postgraduálnej školy na Katedre vedy o Zemi a planétach a emeritná riaditeľka Berkeleyho seizmologického laboratória (BSL). & # 8220 Vieme, že magnetické pole už existovalo pred 3 miliardami rokov, takže iné procesy museli v tom čase poháňať konvekciu vo vonkajšom jadre. & # 8221

Mladistvý vek vnútorného jadra môže znamenať, že na začiatku histórie Zeme teplo, ktoré varí tekuté jadro, pochádzalo z ľahkých prvkov oddeľujúcich sa od železa, nie od kryštalizácie železa, ktorú vidíme dnes.

"Debata o veku vnútorného jadra trvá už dlho," povedal Daniel Frost, asistent vedca projektu v BSL. „Komplikácia je: Ak vnútorné jadro dokázalo existovať iba 1,5 miliardy rokov, na základe toho, čo vieme o tom, ako stráca teplo a aké je horúce, odkiaľ teda pochádza staršie magnetické pole? Odtiaľ pochádza táto myšlienka rozpustených svetelných prvkov, ktoré potom zamrznú. “

Mraziace železo

Asymetrický rast vnútorného jadra vysvetľuje tri desaťročia staré tajomstvo - že sa kryštalizované železo v jadre zdá byť prednostne zarovnané pozdĺž osi rotácie Zeme, viac na západe ako na východe, zatiaľ čo by sa dalo očakávať, že kryštály, ktoré majú byť náhodne orientované.

Výrez v interiéri Zeme & # 8217s ukazuje, že vnútorné jadro pevného železa (červené) pomaly rastie zmrazením vonkajšieho jadra tekutého železa (oranžové). Seizmické vlny prechádzajú vnútorným jadrom Zeme rýchlejšie medzi severným a južným pólom (modré šípky) ako cez rovník (zelená šípka). Vedci dospeli k záveru, že tento rozdiel v rýchlosti seizmických vĺn so smerom vyplýva z výhodného vyrovnania kryštálov - šesťuholníkovo uzavretých zliatin železa a niklu, ktoré sú samy o sebe anizotropné - rovnobežne s osou rotácie Zeme # 8217. (Grafika: Daniel Frost)

Dôkazom tohto zosúladenia sú merania času trvania seizmických vĺn od zemetrasení cez vnútorné jadro. Seizmické vlny cestujú rýchlejšie v smere osi sever - juh ako pozdĺž rovníka, čo je asymetria, ktorú geológovia pripisujú železným kryštálom - ktoré sú asymetrické - a ich dlhé osi sú prednostne zarovnané pozdĺž osi Zeme # 8217.

Ak je jadrom pevné kryštalické železo, ako sa kryštály železa orientujú prednostne v jednom smere?

V snahe vysvetliť pozorovania Frost a jeho kolegovia Marine Lasbleis z Université de Nantes vo Francúzsku a Brian Chandler a Romanowicz z UC Berkeley vytvorili počítačový model rastu kryštálov vo vnútornom jadre, ktorý obsahuje modely geodynamického rastu a minerálnu fyziku železa pri vysokom tlaku a vysokej teplote.

& # 8220 Najjednoduchší model sa zdal trochu neobvyklý - to, že vnútorné jadro je asymetrické, & # 8221 Frost. & # 8220Západná strana vyzerá inak ako východná strana až do stredu, nielen v hornej časti vnútorného jadra, ako už niektorí naznačili. Jediný spôsob, ako to môžeme vysvetliť, je, že jedna strana rastie rýchlejšie ako druhá. & # 8221

Model popisuje, ako asymetrický rast - asi o 60% vyšší na východe ako na západe - môže prednostne orientovať železné kryštály pozdĺž osi rotácie, s väčším vyrovnaním na západe ako na východe, a vysvetľuje rozdiel v rýchlosti seizmických vĺn cez vnútornú jadro.

& # 8220To, čo v tomto článku navrhujeme, je model naklonenej pevnej konvekcie vo vnútornom jadre, ktorý zosúlaďuje seizmické pozorovania a pravdepodobné geodynamické okrajové podmienky, & # 8221 Romanowicz uviedol.

Frost, Romanowicz a ich kolegovia informujú o svojich zisteniach v tomto týždennom vydaní časopisu Prírodoveda.

Interiér sondy Earth & # 8217s so seizmickými vlnami

Interiér Earth & # 8217s je vrstvený ako cibuľa. Pevné vnútorné jadro zo železa a niklu - dnes v okruhu 1 200 kilometrov, čo je asi tri štvrtiny veľkosti Mesiaca, je obklopené tekutým vonkajším jadrom z roztaveného železa a niklu s hrúbkou asi 2 400 kilometrov. Vonkajšie jadro je obklopené plášťom horúcej horniny hrubej 2 900 kilometrov a pokryté tenkou, chladnou a skalnatou kôrou na povrchu.

Mapa zobrazujúca seizmometre (trojuholníky), na ktorých vedci merali seizmické vlny od zemetrasení (kruhov), aby študovali vnútorné jadro Zeme. Na staniciach zafarbených na azúrovo sa uskutočnili nové merania štúdie, väčšinou išlo o odber vzoriek z vnútorného jadra medzi severným a južným pólom. (Grafika UC Berkeley od Daniela Frosta)

Konvekcia nastáva jednak vo vonkajšom jadre, ktoré pomaly vrie, keď teplo z kryštalizujúceho železa vychádza z vnútorného jadra, jednak v plášti, keď sa horúca hornina pohybuje nahor a prenáša toto teplo zo stredu planéty na povrch. Prudký vriaci pohyb vo vonkajšom jadre kvapalného železa vytvára magnetické pole Zeme # 8217.

Podľa počítačového modelu Frost & # 8217s, ktorý vytvoril pomocou Lasbleisa, keď rastú kryštály železa, gravitácia prerozdeľuje nadmerný rast na východe smerom na západ vo vnútornom jadre. Tento pohyb kryštálov v dosť mäkkej pevnej látke vnútorného jadra - ktorá je pri týchto vysokých tlakoch blízko bodu topenia železa - zarovnáva kryštalickú mriežku pozdĺž osi rotácie Zeme vo väčšej miere na západe ako na východe.

Model správne predpovedá nové pozorovania vedcov & # 8217 o časoch cestovania seizmickými vlnami cez vnútorné jadro: Anizotropia alebo rozdiel v cestovných časoch rovnobežných a kolmých na os rotácie sa zvyšuje s hĺbkou a najsilnejšia anizotropia je posunutá na západ od Os rotácie Zeme & # 8217s asi o 400 kilometrov (250 míľ).

Model rastu vnútorného jadra tiež poskytuje obmedzenia týkajúce sa podielu niklu a železa v strede Zeme, uviedol Frost. Jeho model nereprodukuje presne seizmické pozorovania, pokiaľ nikel netvorí medzi 4% a 8% vnútorného jadra - čo je blízko k podielu kovových meteoritov, ktoré kedysi pravdepodobne tvorili jadrá trpasličích planét v našej slnečnej sústave. Tento model tiež hovorí geológom, aké je viskózne alebo tekuté vnútorné jadro.

& # 8220 Navrhujeme, aby viskozita vnútorného jadra bola pomerne veľká, čo je vstupný parameter, ktorý je dôležitý pre geodynamika študujúcich procesy dynama vo vonkajšom jadre, & # 8221 Romanowicz uviedol.

Frost a Romanowicz boli podporení z grantov Národnej vedeckej nadácie (EAR-1135452, EAR-1829283).


Možnosti prístupu

Získajte plný prístup do denníka na 1 rok

Všetky ceny sú ČISTÉ ceny.
DPH bude pridaná neskôr v pokladni.
Výpočet dane bude dokončený pri platbe.

Získajte časovo obmedzený alebo úplný prístup k článkom v službe ReadCube.

Všetky ceny sú ČISTÉ ceny.


Zem má pulz - cyklus geologickej aktivity 27,5 milióna rokov

-->

Zdá sa, že geologická aktivita na Zemi sleduje 27,5 milióna rokov trvajúci cyklus, ktorý dáva planéte „pulz“, tvrdí nová štúdia zverejnená v časopise Geovedné hranice.

"Mnoho geológov verí, že geologické udalosti sú v priebehu času náhodné." Ale naša štúdia poskytuje štatistické dôkazy o spoločnom cykle, čo naznačuje, že tieto geologické udalosti sú korelované a nie náhodné, “uviedol Michael Rampino, geológ a profesor z Katedry biológie na Newyorskej univerzite, ako aj hlavný autor štúdie.

Za posledných päť desaťročí vedci navrhli cykly významných geologických udalostí - vrátane sopečnej činnosti a hromadného vymierania na pevnine a na mori - v rozmedzí od zhruba 26 do 36 miliónov rokov. Počiatočnú prácu na týchto koreláciách v geologickom zázname však brzdili obmedzenia vo vekovom datovaní geologických udalostí, ktoré vedcom bránili v uskutočňovaní kvantitatívnych výskumov.

Došlo však k významnému zlepšeniu techník rádioizotopového datovania a zmenám v geologickom časovom rozmedzí, čo viedlo k novým údajom o načasovaní minulých udalostí. Rampino a jeho kolegovia pomocou najnovších údajov o datovaní podľa veku zostavili aktualizované záznamy o významných geologických udalostiach za posledných 260 miliónov rokov a vykonali nové analýzy.

Tím analyzoval vek 89 dobre datovaných veľkých geologických udalostí za posledných 260 miliónov rokov. Medzi tieto udalosti patria morské a suchozemské vyhynutia, veľké vulkanické výlevy lávy nazývané erupcie povodňových čadičov, udalosti, keď boli oceány vyčerpané kyslíkom, kolísanie hladiny mora a zmeny alebo reorganizácia tektonických dosiek Zeme.

Zistili, že tieto globálne geologické udalosti sú zvyčajne zoskupené v 10 rôznych časových bodoch za 260 miliónov rokov, zoskupené do vrcholov alebo pulzov vzdialených zhruba 27,5 milióna rokov. Najnovší zhluk geologických udalostí bol približne pred 7 miliónmi rokov, čo naznačuje, že ďalší impulz hlavnej geologickej činnosti bude v budúcnosti viac ako 20 miliónov rokov.

Vedci predpokladajú, že tieto impulzy môžu byť funkciou cyklov aktivity vo vnútri Zeme - geofyzikálnymi procesmi súvisiacimi s dynamikou platňovej tektoniky a podnebia. Podobné cykly však môžu stimulovať aj podobné cykly na obežnej dráhe Zeme vo vesmíre.

„Bez ohľadu na pôvod týchto cyklických epizód, naše zistenia podporujú argumenty týkajúce sa prevažne periodických, koordinovaných a občasných katastrofických geologických záznamov, čo predstavuje odklon od názorov mnohých geológov,“ vysvetlil Rampino.

Okrem Rampina sú autormi štúdie aj Yuhong Zhu z NYU’s Center for Data Science a Ken Caldeira z Carnegie Institution for Science.


Fázové diagramy pre geovedcov

Kniha sumarizuje výsledky experimentálnych štúdií fázových vzťahov v chemických systémoch dôležitých pre Zem, ktoré autor uskutočnil v časovom období viac ako 20 rokov v rokoch 1979 až 2001. Je založený na 1 000 pokusoch s piestom a valcom pri tlakoch vyšších na 4 GPa a takmer 700 experimentov uskutočňovaných na viackoveľovom prístroji pri tlakoch až 24 GPA. Toto je najväčšia publikovaná zbierka vypočítaných fázových diagramov pre chemické systémy relevantné pre Zem. Je to tiež prvýkrát, čo sú fázové vzťahy pri relatívne nízkych tlakoch litosférického plášťa, ktoré sú použiteľné hlavne na experimentálnu termobarometriu metamorfovaných hornín a plášťových xenolitov, hladko integrované s fázovými vzťahmi sublitosférického horného plášťa a najvyššieho spodného plášťa. , primárne použiteľné na inklúzie v meteoritoch s diamantmi a naplnenými nábojmi.

„Tibor Gašparík sa vo svojej kariére venoval určovaniu vysokotlakových a vysokoteplotných fázových vzťahov geologicky dôležitého systému oxidu sodíka, vápnika, horčíka, hliníka a kremíka (NCMAS). Táto kniha je jeho opus magnum a obsahuje viac ako 1700 experimentov. na viac ako 120 obrázkoch.… Zistil som, že fázové diagramy pre geovedcov sú užitočným prvým východiskovým bodom pre hľadanie polí stability PT ... a môžem knihu odporučiť ako referenciu pre geovedcov vyžadujúcich prehľad zostáv stabilnej fázy v horných 700 km Zeme. “ (David Dobson, Geological Magazine, roč. 142 (2), 2005)


Prepadnuté jadro Zeme? Cudnosť vo vnútri našej planéty

Pozdĺžny rast Zeme & # 8217s navrhuje nový počítačový model. Táto ilustrácia jadra je prostredníctvom Johan Swanepoel / Shutterstock.

Earth & # 8217s prepadol jadrový rast

Ďaleko pod našimi nohami je vnútorné jadro Zeme # 8217 z pevného železa, veľmi horúce a veľmi husté. Je obklopený roztaveným železno-niklovým vonkajším jadrom (ktorého tok generuje magnetické pole Zem # 8217) a skalným plášťom, ktorý je väčšinou pevný, ale ktorý sa v priebehu vekov pohybuje pomaly. Ilustrácie ukazujú, že vnútorné jadro Zeme je okrúhle ako lopta. Ale jadro Zeme nemá tendenciu k zaobleniu. Nová štúdia naznačuje, že vnútorné jadro Zeme # 8217 rastie asymetricky, teda rýchlejšie na jednej strane ako na druhej. Bolo to zjavne tak odvtedy, čo jadro našej planéty začalo mrznúť z roztaveného železa pred viac ako pol miliardou rokov. Región vnútorného jadra s najrýchlejším rastom sa nachádza pod indonézskym morom Banda.

Ak vnútorné jadro rastie na jednej strane rýchlejšie, znamená to, že jadro je teraz naklonené? Nie. Neúprosné pôsobenie zemskej gravitácie žmýka, čo by inak bolo prepadnuté zemské jadro, späť do tvaru guľatej gule.

Vedci oznámili svoje zistenia 3. júna 2021 prostredníctvom Kalifornskej univerzity v Berkeley. Prírodoveda zverejnila recenzované výsledky 3. júna. Vo vyhlásení vedcov & # 8217 sa uvádza, že nová práca:

& # 8230 má dôsledky pre magnetické pole Zeme a jeho históriu, pretože konvekcia vo vonkajšom jadre poháňaná uvoľňovaním tepla z vnútorného jadra je to, čo dnes poháňa dynamo, ktoré generuje magnetické pole, ktoré nás chráni pred nebezpečnými časticami zo slnka.

Opäť platí, že jadro Zeme # 8217 nie je skončiť nesúmerný. Gravitácia ju vtiahne späť do tvaru gule.

Napriek tomu niečo spôsobuje jednu stranu vnútorného jadra rásť, pestovať rýchlejšou rýchlosťou. Čo by to mohlo byť? Nech už je to čokoľvek, odstraňuje teplo z tejto strany jadra a ochladzuje ho rýchlejšie ako opačná strana, ktorá sa nachádza pod Brazíliou.

Vývoj vnútorného jadra Zeme & # 8217s

Aby sme pochopili, prečo by jedna strana vnútorného jadra Zeme # 8217s ochladzovala alebo spevňovala & # 8211 rastú & # 8211 rýchlejšie ako druhá strana, výskumníci sa zamerali na históriu jadra Zeme & # 8217s a jeho súvisiace magnetické pole.

Teplo vnútorného jadra Zeme & # 8217s pochádza z rádioaktívneho rozpadu a zvyšky tepla z formácie Zeme & # 8217s pred 4,5 miliardami rokov. Od vzniku Zeme sa planéta celkovo pomaly ochladzuje. Ako to robí, vnútorné jadro Zeme & # 8217s rastie pomaly. Rastie tuhnutím alebo kryštalizáciou kúskov roztaveného vonkajšieho jadra, rýchlosťou asi 1 milimetr za rok.

Uvoľňovanie tepla z vnútorného jadra pomáha generovať magnetické pole našej planéty # 8217. Barbara Romanowicz z UC Berkeley, jedna z autoriek nového článku, uviedla:

Poskytujeme dosť voľné hranice veku vnútorného jadra & # 8211 medzi pol miliardou a 1,5 miliardami rokov & # 8211, ktoré môžu byť nápomocné v diskusii o tom, ako bolo magnetické pole generované pred existenciou pevného vnútorného jadra . Vieme, že magnetické pole existovalo už pred 3 miliardami rokov, takže v tom čase museli byť vo vonkajšom jadre poháňané konvekciou iné procesy.

Podľa vedúceho autora Daniela Frosta v seizmologickom laboratóriu Berkeley (BSL):

Debata o veku vnútorného jadra trvá už dlho. Komplikácia je: Ak bolo vnútorné jadro schopné existovať iba 1,5 miliardy rokov, na základe toho, čo vieme o tom, ako stráca teplo a aké je horúce, odkiaľ sa teda vzalo staršie magnetické pole? Odtiaľ pochádza táto myšlienka rozpustených svetelných prvkov, ktoré potom zamrznú.

Pevné železné vnútorné jadro Zeme & # 8217 (červené) rastie pomaly v dôsledku zamrznutia vonkajšieho tekutého jadra (oranžové). Kryštály zložené zo šesťuholníkovo tesne uzavretých zliatin železa a niklu sú zoradené rovnobežne s osou rotácie Zeme # 8217. Vonkajšie jadro je roztavené. Obrázok prostredníctvom Daniel Frost / UC Berkeley.

Uvažujete o 3 dekáde starej záhady

Vedci sa zamýšľali nad nasledujúcou otázkou: Prečo je vykryštalizované železo v jadre zarovnané pozdĺž osi rotácie Zeme? Kryštály železa by mal byť náhodne zarovnané, ale namiesto toho sledujú os Zeme, a to viac na západe ako na východe.

Vedci si to všimli meraním toho, ako dlho trvá seizmickým vlnám od zemetrasenia, kým sa dostanú cez vnútorné jadro. Kvôli asymetrii západ-východ sa vlny pohybujú rýchlejšie v smere sever-juh a pomalšie v smere východ-západ pozdĺž rovníka.

Nový model vedcov # 8217 súhlasí s pozorovaniami vedcov o týchto časoch cestovania seizmickými vlnami. Rozdiel v cestovných časoch sa tiež zväčšuje s hĺbkou a je vyrovnaný od osi otáčania Zeme a # 8217 s približne o 400 míľ.

Táto ilustrácia ukazuje, ako sú kryštály železa rozložené a pohybujúce sa vo vnútornom jadre Zeme # 8217. Obrázok prostredníctvom Marine Lasbleis / UC Berkeley.

Počítačový model rastu železných kryštálov

Frost a Romanowicz vytvorili spolu s Marine Lasbleisovou z francúzskej Université de Nantes a Brianom Chandlerom z UC Berkeley nový počítačový model. Tento model kombinoval ďalšie modely geodynamického rastu a minerálnu fyziku železa pri vysokom tlaku a vysokej teplote. Frost povedal:

Najjednoduchší model sa zdal trochu neobvyklý, že vnútorné jadro je asymetrické. Západná strana vyzerá inak ako východná strana až do stredu, nielen na vrchu vnútorného jadra, ako už niektorí naznačili. Jediný spôsob, ako to môžeme vysvetliť, je, že jedna strana rastie rýchlejšie ako druhá.

V tomto modeli je asymetrický rast na východe asi o 60% vyšší.

Výsledky tiež naznačujú, že vnútorné jadro je tvorené asi 4 až 8% niklu a zvyšok železa. Je zaujímavé, že je to podobné ako v pomeroch zistených v meteoritoch železa. Vedci si myslia, že tieto meteority boli kedysi súčasťou jadier trpasličích planét.

Trojuholníky na tejto mape zobrazujú polohy seizmometrov používaných na detekciu seizmických vĺn zo zemetrasení (kruhov). Obrázok prostredníctvom Daniel Frost / UC Berkeley. Geofyzik Daniel Frost z UC Berkeley viedol nový výskum o vnútornom jadre Zeme a # 8217. Obrázok prostredníctvom D. A. Frosta.

Záver: Vnútorné jadro Zeme & # 8217 je asymetrické a rastie na jednej strane rýchlejšie ako na druhej. Nový počítačový model od vedcov z UC Berkeley ukazuje, ako rýchlejšie chladenie na jednej strane jadra pomáha vysvetliť prečo.


Research Geosciences: Visualizing the Earth's Interior

Vlny na obrázky Jeroen Tromp vytvára mapu vnútra Zeme, ktorá sa skladá z vrstiev železa a niklu, tekutých tekutín a tektonických dosiek, ktoré sú spolu silné takmer 4 000 míľ. Vedci študujú vnútro Zeme meraním pozemných pohybov na povrchu planéty, vysvetľuje Tromp, profesor geológie a aplikovanej a výpočtovej matematiky.

Fotografie vrstiev Zeme sa vytvárajú technikou nazývanou seizmická tomografia. Zemou prechádzajú rôzne typy seizmických vĺn, ktoré sa pohybujú rôznymi rýchlosťami a výsledkom sú rôzne vlnové vzorce. Tieto seizmické vlny sú generované zemetrasením alebo indukované výbušninami a merajú sa seizmometrmi, stetoskopickými prístrojmi, ktoré sú umiestnené na Zemi na rôznych miestach. Pomocou týchto údajov sa dá odvodiť štruktúra vnútra planéty rovnakým spôsobom, ako keď röntgenové lúče prechádzajúce cez telo v rôznych obrazcoch vytvárajú mapu jej vnútra.

Super podpora Za posledných 10 rokov sa metódy použité na vytvorenie týchto 3-D máp Zeme stali sofistikovanejšími a obsahovali doladené údaje a presnejšie numerické modely. Tromp, kľúčový vývojár nových metód, získal tento rok grant od amerického ministerstva energetiky (DOE), ktoré poskytuje prístup k superpočítačom, ktoré prevádzkujú jeho komplikované modely a simulácie. Projekt DOE sprístupňuje údaje voľne vedcom a verejnosti. "Je to úžasný zdroj pre naše laboratórium." Všetko to zmení, “hovorí Tromp.

Hlboký prieskum Zeme Tromp nedávno dokončil podrobnú mapu Európy, ktorá potvrdila, že africká tektonická platňa sa ponára pod európsku platňu. Pre svoju mapu celého vnútra Zeme zhromažďuje údaje z 250 zemetrasení, ku ktorým došlo za posledných 20 rokov. Tieto mapy sa používajú na identifikáciu zásobníkov ropy a plynu pred vŕtaním a na simuláciu pozemných pohybov počas zemetrasení. Takéto simulácie pomáhajú stavebným inžinierom navrhovať a umiestňovať budovy tak, aby lepšie odolávali zemetraseniam. Ale pre Trompa je to všetko o jeho zvedavosti, ako funguje Zem: „Je to rovnako vzrušujúce ako otázky o vesmíre a planetárnych systémoch. Neustále ma fascinujú a udivujú činnosti, ktoré sa dejú v hlbokom vnútri Zeme. “


Informácie o autorovi

Súčasná adresa: Súčasná adresa: Lunar and Planetary Institute, Universities Space Research Association, Houston, Texas 77058, USA.,

Pridruženia

Oddelenie pozemského magnetizmu, Carnegie Institution of Washington, Washington, DC 20015, USA

Paul K. Byrne, Christian Klimczak a amp Sean C. Solomon

Lunar and Planetary Institute, Universities Space Research Association, Houston, Texas 77058, USA

Katedra geológie, Banícka fakulta a Eurázijský inštitút vied o Zemi, Istanbulská technická univerzita, 34469 Maslak, Istanbul, Turecko

Lamont-Doherty Earth Observatory, Columbia University, Palisades, New York 10964, USA

Centrum pre štúdium Zeme a planéty, Národné múzeum letectva a vesmíru, Smithsonian Institution, Washington, DC 20560, USA

Department of Earth, Environmental, and Planetary Sciences, Case Western Reserve University, Cleveland, Ohio 44106, USA


Pozri si video: Doc: Down to the Earths Core HD - National Geographic (Október 2021).