Под земной корой, под нашими ногами, находится невероятно жаркое место с высокой температурой - ядро Земли. По одной из теорий наша Солнечная система около 4,5 миллиардов лет назад состояла из облака холодных пылевых частиц. Это облако газа и пыли было каким-то образом нарушено и начало коллапсировать, поскольку гравитация объединила все вместе, образуя огромный вращающийся диск.
Температура ядра Земли
О температуре на поверхности ядра Земли принято говорить, что предположительно она достигает 6230±500 K (5960±500°C), в плотность центре ядра может составлять около 12,5 т/м³, а давление до 3,7 млн атм (375 ГПа).
Когда в ядре Земли «закончится топливо»?
Центр диска превратился в Солнце, а частицы во внешних кольцах превратились в большие огненные шары из газа и расплавленной жидкости, которые охлаждались и конденсировались, принимая твердую форму.
В то же время поверхность новообразованной планеты подвергалась постоянной бомбардировке крупными телами, врезавшимися в планету, производя огромное тепло внутри нее и плавя обнаруженную там космическую пыль.
Когда Земля была сформирована, она представляла собой однородный шар из раскаленной породы. Из-за радиоактивного распада и остатков тепла от образования планеты этот шар стал еще горячее. В конце концов, примерно через 500 миллионов лет температура Земли достигла точки плавления железа - около 1538°С.
Это позволило расплавленному каменному веществу Земли двигаться еще быстрее. Относительно плавучий материал, такой как силикаты, вода и даже воздух, оставался близко к внешней части планеты и стал ранней мантией и корой. Капельки железа, никеля и других тяжелых металлов тяготели к центру Земли, образуя раннее ядро. Этот процесс назвали планетарной дифференциацией.
В отличие от богатой минералами коры и мантии, ядро, как полагают, почти полностью состоит из металла, а именно железа и никеля. В то время как внутреннее ядро считается твердым шаром с радиусом около 1220 км, с температурой поверхности 5430°С; внешнее ядро, скорее всего, представляет собой слой жидкости толщиной около 2400 км и температурой в диапазоне от 2730°C до 7730°C.
Невероятно горячее
Считается, что ядро раскалено из-за распада радиоактивных элементов, оставшегося тепла от планетарного образования и тепла, выделяемого при затвердевании жидкого внешнего ядра вблизи его границы с внутренним ядром.
Огромная температура центра Земли поддерживается двумя источниками «топлива»: изначальная энергия, оставшаяся от образования планеты, и ядерная энергия, которая существует из-за естественного радиоактивного распада.
Образование Земли произошло в то время, когда Солнечная система была полна энергии. В младенчестве метеориты постоянно бомбардировали формирующуюся планету, вызывая чрезмерную силу трения.
Как долго прослужит ядро Земли?
Хотя начальное тепло в значительной степени рассеялось, другая форма тепла продолжает нагревать мантию и кору Земли.
Естественно, радиоактивные материалы существуют в больших количествах глубоко под землей, причем некоторые из них находятся вокруг земной коры. В процессе естественного распада радиоактивного материала выделяется тепло.
Ученым известно, что поток тепла из недр Земли в космос составляет около 44×1012 Вт (ТВт) . Однако они не знают, какая часть тепла является начальной.
Дело в том, что если на Земле тепло преимущественно первичное, то оно остынет значительно быстрее. Однако, если тепло создается в основном из-за радиоактивного распада, то тепло Земли, вероятно, продлится намного дольше.
Частицы геонейтрино или почему важна температура ядра Земли
Ядро Земли поддерживает стабильную температуру, но, что более важно, магнитное поле Земли остается на месте. Оно создается движением внешнего ядра из расплавленного металла.
Массивные магнитные поля распространяется в космос и удерживают на месте заряженные частицы. Поля создают в космосе непреодолимый барьер, который не позволяет самым быстрым и энергичным электронам достигать Земли – это «радиационные пояса Ван Аллена», и именно они позволяют жизни процветать на поверхности Земли. Без защиты от магнитного поля солнечный ветер лишил бы атмосферу Земли озонового слоя, защищающего жизнь от вредного ультрафиолетового излучения .
Набор заряженных частиц отклоняет и захватывает солнечный ветер, не позволяя ему лишить Землю атмосферы. Без него наша планета была бы бесплодной и безжизненной. Считается, что на Марсе когда-то был пояс Ван Аллена, который защищал его и от смертоносного ветра Солнца. Однако, как только ядро остыло, оно потеряло свой щит.
Чтобы определить, сколько ядерного топлива осталось на Земле, исследователи используют датчики для обнаружения самых крошечных субатомных частиц, известных науке, - геонейтрино. Частицы геонейтрино - это побочные продукты, возникающие в результате ядерных реакций, происходящих в звездах, сверхновых, черных дырах и созданных человеком ядерных реакторах.
В процессе работы детектор может обнаруживать частицы антинейтрино, при их сталкиновении с атомами водорода внутри устройства наблюдаются две яркие вспышки. Подсчитав количество столкновений, ученые могут определить количество атомов урана и тория, которые остались внутри нашей планеты.
К сожалению, детекторы KamLAND в Японии и Borexino в Италии обнаруживают только около 16 событий в год, что делает процесс крайне медленным. Однако с учетом трех новых детекторов, которые, как ожидается, появятся в 2021 году - детектора SNO + в Канаде и детекторов Jinping и JUNO в Китае, исследователи ожидают, что в год будет обнаруживаться более 500 событий.
Детектор Jinping в Китае более чем в четыре раза больше, чем все детекторы на сегодняшний день. Хотя детектор большой, детектор JUNO будет в 20 раз больше, чем все существующие детекторы .
После того, как будут собраны данные об антинейтрино за три года со всех пяти детекторов, планирую разработать точный датчик уровня топлива Земли. Подсчитав, насколько быстро планета остыла с момента своего рождения, можно будет рассчитать «количество оставшегося топлива» внутри Земли, любые сделанные оценки, вероятно, дойдут до сотен миллионов, возможно, миллиардов лет.
Так что нет необходимости строить планы по переезду на новую планету в ближайшее время. Хотя, и забывать о процесах, происходящих в твердой, жидкой и газообразной оболочках Земли не стоит.
