Почему ядро ​​Земли не стало твердым?

Обычно я понимаю «обозримое будущее» как «при моей жизни», и в этом случае ответ будет « Нет » . Однако, если вы действительно спрашиваете: «Что наука говорит об отверждении ¹ земного ядра?» то мы можем ответить на это.

В ядре планеты у нас на самом деле есть вот такая красивая картина:

«Твердое внутреннее ядро» в значительной степени представляет собой чистое железо с приятной температурой около 5700 К (странно близкой к температуре поверхности Солнца ), что кажется выше, чем температура плавления железа около 1800 К, но соотношение Клаузиуса-Клапейрона показывает, что точки плавления меняются с повышением давления, так что там все в порядке.

Причина, по которой тепло сохраняется в ядре, заключается в том, что единственными процессами, перемещающими тепло, являются конвективный перенос и теплопроводность , причем последний является довольно медленным процессом (кроме того, именно конвективные токи вызывают магнитное поле ). Degeun et al (2013) утверждают,

... динамическая временная шкала тепловой конвекции во внутреннем ядре [является]$\sim$1 Мой или больше.

Который хоть и короче возраста планеты, но все же довольно велик. Но внутреннее ядро ​​также растет со скоростью около 0,5 мм в год (возможен платный доступ) и делает это уже около миллиарда лет. Хотя этот ответ Earth.StackExchange не упоминается , он предполагает, что ядро ​​охладилось всего на 250 К с момента своего образования (скорость 55 К / млрд лет). При такой скорости «... потребуется около 91 миллиарда лет, чтобы остыть до 0 К». Так что нет, не при нашей жизни точно!

Обратите также внимание на то, что мантия частично нагревается в результате радиоактивного распада урана-238, урана-235, тория-232 и калия-40, каждый из которых имеет период полураспада более 700 миллионов лет (примерно до 14 миллиардов лет). для тория). Это защитит нас на какое-то время от полного остывания ядра.

Так что, к счастью для нашей крошечной планеты, ядро ​​будет оставаться теплым еще несколько миллиардов лет (по моей оценке). К несчастью для планеты, Солнце перейдет в фазу красного гиганта и поглотит его до того, как ядро ​​остынет.

^{Я либерален с этим словом. Как я уже говорил в другом месте , ядро ​​​​твердое. ОП подразумевает, что это означает холодный кусок железа, а не поджаренный кусок железа, который у нас есть.}

Почему ядро ​​Земли не стало твердым? Произойдет ли это в обозримом будущем?

TL;DR отвечает:

• Почему ядро ​​Земли не стало твердым?
  Много остаточного тепла от образования Земли остается внутри Земли. При замерзании железа и никеля на твердом внутреннем ядре выделяется тепло, что замедляет процесс замерзания. Земля большая. Луна и Марс намного меньше, и у них все еще есть жидкие внешние ядра.

• Произойдет ли это в обозримом будущем?
  Нет.

Ответ на второй вопрос – нет. Это может произойти через несколько миллиардов лет, а может и вовсе не произойти. Примерно через пять миллиардов лет Солнце превратится в красного гиганта и может расшириться, чтобы поглотить Землю. Если это произойдет, Земля исчезнет.

Основной ответ на первый вопрос состоит в том, что большое количество остаточного тепла от образования Земли все еще остается внутри Земли, и значительная часть этого остаточного тепла сосредоточена в ядре Земли.

Аргумент против замерзания ядра Земли в ближайшее время (например, миллиард лет — это «скоро») состоит в том, что Луна (Williams, 2006) и Марс (Yoder, 2003) все еще имеют жидкие внешние ядра. Луна и Марс намного меньше Земли. Закон квадрата-куба предполагает, что у большого тела, такого как Земля, скорость охлаждения ядра будет даже ниже, чем у гораздо меньших тел. Вопреки этому, Луна и Марс имеют застойные системы конвекции крышки, в то время как Земля имеет активную систему тектоники плит. Однако то, что наша Луна все еще имеет жидкое ядро, должно служить аргументом против замерзания ядра Земли в ближайшее время.

Одним из ключей к ответу на этот вопрос является скорость, с которой тепловая энергия пересекает границу между ядром и мантией. Оценки этого теплового потока сильно различаются: от менее 2 тераватт до более 15 тераватт. Возможными источниками этого теплового потока являются:

• Скрытая теплота замерзания, когда расплавленное железо и никель во внешнем ядре замерзают на внутреннем ядре.
• Вековое охлаждение внутреннего и внешнего ядра Земли.
• Гравитационный нагрев, поскольку более легкие элементы во внешнем ядре отбрасываются от процесса замораживания.
• Радиогенный нагрев от распада радиоактивных элементов в ядре Земли.

Последний пункт весьма спорный. Большинство геохимиков и геофизиков придерживается мнения, что радиоактивные элементы ( ²³⁵ U, ²³⁸ U, ²³² Th, ⁴⁰ K) в ядре Земли ничтожно малы. Уран, торий и калий — сильно литофильные элементы. Более того, они являются несовместимыми элементами. По сравнению с хондритами эти элементы сконцентрированы в земной коре, обеднены в верхней мантии и, вероятно, слабо обеднены в нижней мантии. Этих элементов просто не должно быть в ядре.

Недавние эксперименты по обнаружению геонейтрино (KamLAND 2011) подтверждают эти взгляды, по крайней мере, в отношении ²³⁸ U и ²³² Th. (Нейтрино, создаваемые ²³⁵ U и ⁴⁰ K, имеют слишком низкую энергию, чтобы их можно было обнаружить существующими детекторами.) То, что уран и торий отсутствуют в ядре Земли, согласуется с результатами этих наблюдений за геонейтрино.

Тем не менее, в нескольких недавних работах (например, Lay 2008) приводится довод в пользу очень высокого теплового потока на границе ядра и мантии (CMB). Это создает несколько проблем. Во-первых, это означает, что внутреннее ядро ​​Земли очень молодо, ему миллиард лет или меньше (Labrosse 2001). Другие утверждают, что внутреннему ядру не менее двух миллиардов лет (Стейси, 1999), а возможно, даже больше. Связанная с этим проблема: если внутреннее ядро ​​Земли очень молодо, что приводило в действие геодинамо до формирования внутреннего ядра? Другая проблема заключается в том, что этот высокий тепловой поток означает значительное количество радиогенного нагрева в ядре Земли.

Один из способов обойти эту дилемму состоит в том, что ядро ​​Земли действительно содержит немалое количество радиоактивных элементов, особенно ⁴⁰ К (Ниммо, 2004). Другие утверждают, что даже если калий может проникнуть в ядро, в Земле просто недостаточно калия, чтобы объяснить большой поток тепла из ядра (Ласситер, 2006).

Альтернативой является выделение значительного количества тепла в CMB, в слое D''. Недавнее открытие пост-перовскита может дать механизм. Вполне может быть глубокий магматический океан или частичное расплавление в основании мантии (Labrosse 2007, Stixrude 2009). Поскольку уран, торий и калий являются несовместимыми элементами, этот глубокий океан магмы, естественно, будет содержать концентрированные количества этих элементов.

использованная литература

KamLAND 2011. KamLAND Collaboration (2011), «Модель частичного радиогенного тепла для Земли, выявленная измерениями геонейтрино», Nature Geoscience 4.9: 647-651.

Labrosse 2001. Стефан Лаброс, Жан-Поль Пуарье и Жан-Луи Ле Муэль (2001), «Возраст внутреннего ядра», Earth and Planetary Science Letters 190.3: 111-123.

Labrosse 2007. Стефан Лаброс, Дж. В. Хернлунд и Николя Колтис (2007), «Кристаллизирующийся плотный океан магмы в основании мантии Земли», Nature 450.7171: 866-869.

Ласситер, 2006 г. Дж. К. Ласситер (2006 г.), «Ограничения на сопряженную тепловую эволюцию ядра и мантии Земли, возраст внутреннего ядра и происхождение «ядерного сигнала» ¹⁸⁶ Os/ ¹⁸⁸ Os в лавах, полученных из плюмов, « Письма о Земле и планетологии 250.1: 306-317.

Lay 2008. T. Lay, J. Hernlund и BA Buffett (2008), «Тепловой поток на границе ядра и мантии», Nature Geoscience 1.1: 25-32.

Nimmo 2004. Ф. Ниммо и др. (2004), «Влияние калия на эволюцию ядра и геодинамо», Geophysical Journal International 156.2: 363-376.

Стейси, 1999 г. Фрэнк Д. Стейси и Конрад Х.Б. Стейси (1999 г.), «Гравитационная энергия эволюции ядра: значение для тепловой истории и мощности геодинамо». Физика Земли и недр планет 110.1: 83-93.

Stixrude 2009. Ларс Стиксруд и др. (2009), «Термодинамика силикатных жидкостей в недрах Земли», Earth and Planetary Science Letters 278.3: 226-232.

Williams 2006. JG Williams, et al. (2006), «Лазерная локация Луны: гравитационная физика, недра Луны и геодезия», « Достижения в области космических исследований» , 37.1: 67-71.

Yoder 2003. CF Yoder, et al. (2003), «Размер жидкого ядра Марса по данным обнаружения солнечного прилива», Science 300.5617: 299-303.

Горячее вещество на поверхности Земли быстро остывает, потому что воздух может довольно легко уносить тепло за счет конвекции. Это тепло в конечном итоге излучается обратно в космос.

Внешнее ядро, с другой стороны, касается горячей мантии. Из-за относительно небольшой разницы температур теплопередача в мантию незначительна. Сама мантия действительно медленно остывает, но это происходит в зонах субдукции в океане (которых относительно немного по сравнению со всей площадью поверхности мантии), поскольку каменная кора изолирует мантию.

Кроме того, радиоактивный распад вносит значительный вклад в поддержание расплавленного внешнего ядра.

Так что нет, ядро ​​не будет значительно охлаждаться в обозримом будущем.

1. Земля большая, поэтому остывает долго. Обратите внимание, что Марс, будучи меньше, к этому моменту уже остыл.
2. Тепло от распада радиоизотопов над чем-то с отношением массы к площади земли является значительным.

Внутреннее ядро ​​Земли уже твердое. Однако не потому, что холодно, а из-за высокого давления. Теперь о том, замерзнет ли внешнее ядро ​​Земли, хорошо известно, что радиоактивный распад нагревает внешнее ядро ​​Земли. Давление также предотвращает потерю тепла внешним ядром Земли. Конечно, часть внешнего ядра Земли затвердевает. Более легкие элементы затвердевают на поверхности внешнего ядра, поскольку внешнее ядро ​​отдает тепло мантии. Это вызывает динамические паттерны и является одной из причин, почему у Земли есть магнитное поле. Когда это происходит, расплавленное железо проходит через эти затвердевшие более легкие элементы. Усиление магнитного поля, исходящего из глубины внешнего ядра.

Не забывайте, что объединенные гравитационные силы Луны и Солнца, которые растягивают и охлаждают Землю, также генерируют тепло внутри планеты.

Например, возьмите пластиковую ложку или что-то в этом роде и начните медленно сгибать ее — медленно сгибайте ее вперед и назад, чтобы она не сломалась, и она постепенно начнет становиться мягкой, и по мере того, как она станет мягкой, сгибайте ее все быстрее и быстрее, пока на самом деле он становится достаточно горячим, чтобы вызвать первый настоящий ожог первой степени в месте, которое сгибалось больше всего.

Если бы у нас не было Луны, мы бы закончили как Марс. У Марса нет настоящих спутников, о которых можно было бы говорить, — у него есть два больших астероида. Если бы у Марса была луна, похожая на нашу, она бы поддерживала центр планеты жидким и горячим, который имел бы свое магнитное поле и не позволял атмосфере сдуваться солнечными ветрами....

Марс когда-то имел огромный океан и атмосферу, но затем потерял их… И единственный способ потерять это – потерять свое магнитное поле… И единственный способ потерять это – охладить ядро ​​планеты.

Количества радиоактивности, основанной на материалах нашей планеты Земля, недостаточно, чтобы поддерживать нашу планету такой же теплой и горячей, какой она была под земной корой... Конечно, радиоактивный распад сыграл свою роль в поддержании тепла в центре нашей планеты... Но двумя главными факторами являются высокое давление и плотность в сочетании с главными силами Солнца и Луны. Когда солнце и луна находятся в оппозиции, планета немного вытянута и имеет более овальную форму... когда солнце и луна находятся под углом 90° к планете, которая притягивает планету по-другому... и когда солнце и луна находятся на одной стороне планеты, что притягивает ту сторону той стороны планеты еще дальше к солнцу и луне.

Итак, нашу планету постоянно месят, как тесто для хлеба... и если вы когда-нибудь месили хлеб, вы знаете, что при этом тесто остается теплым.

Кроме того, не забывайте, что все эти рывки и вытягивания создают огромное количество трения… И, как мы все знаем, когда вы потираете руки и создаете трение, они нагреваются. То же самое и с нашей планетой.

Просто выполните поиск в Интернете по запросу «что, если бы у Земли не было Луны», и вы найдете множество научных статей, в которых говорится, что мы были бы такими же, как Марс, или близки к нему в наши дни. Я не говорю, что луна необходима для того, чтобы планета оставалась теплой, но в нашем случае это самый важный фактор, который не дает нашему ядру остыть.