ماذا يوجد داخل نواة الأرض. لماذا تمتلك الأرض نواة سائلة؟ كيفية دراسة الطبقة الخارجية للنواة

يتألف نواة الأرض من طبقتين بينهما منطقة حدودية: القشرة السائلة الخارجية للنواة تصل سماكتها إلى 2266 كيلومتراً، ويوجد تحتها نواة ضخمة كثيفة يقدر قطرها بـ 1300 كيلومتراً. تتميز المنطقة الانتقالية بسمك غير منتظم وتتصلب تدريجيًا، وتتحول إلى اللب الداخلي. وتبلغ درجة الحرارة على سطح الطبقة العليا حوالي 5960 درجة مئوية، على الرغم من أن هذه البيانات تعتبر تقريبية.

التركيب التقريبي للنواة الخارجية وطرق تحديدها

لا يزال يُعرف القليل جدًا عن تكوين الطبقة الخارجية من نواة الأرض، حيث لا يمكن الحصول على عينات للدراسة. العناصر الرئيسية التي قد تشكل اللب الخارجي لكوكبنا هي الحديد والنيكل. توصل العلماء إلى هذه الفرضية نتيجة لتحليل تركيبة النيازك، حيث أن المتجولين من الفضاء هم شظايا من نوى الكويكبات والكواكب الأخرى.

ومع ذلك، لا يمكن اعتبار النيازك متطابقة تمامًا من حيث التركيب الكيميائيلأن الأجسام الكونية الأصلية كانت كثيرة أصغر من الأرضإلى حجم. وبعد الكثير من الأبحاث، توصل العلماء إلى استنتاج مفاده أن الجزء السائل من المادة النووية مخفف بدرجة كبيرة مع عناصر أخرى، بما في ذلك الكبريت. وهذا ما يفسر كثافته الأقل من كثافة سبائك الحديد والنيكل.

ماذا يحدث في النواة الخارجية للكوكب؟

السطح الخارجي للنواة عند الحدود مع الوشاح غير متجانس. يشير العلماء إلى أن سمكها مختلف، مما يشكل نوعًا من الراحة الداخلية. ويفسر ذلك الخلط المستمر للمواد العميقة غير المتجانسة. وهي تختلف في التركيب الكيميائي ولها أيضًا كثافات مختلفة، وبالتالي فإن سمك الحدود بين اللب والوشاح يمكن أن يتراوح من 150 إلى 350 كم.

وصف كتاب الخيال العلمي في السنوات السابقة في أعمالهم رحلة إلى مركز الأرض عبر الكهوف العميقة والممرات تحت الأرض. هل هذا ممكن حقا؟ للأسف، الضغط على سطح القلب يتجاوز 113 مليون ضغط جوي. وهذا يعني أن أي كهف كان سيُغلق بإحكام حتى في مرحلة الاقتراب من الوشاح. وهذا ما يفسر عدم وجود كهوف على كوكبنا أعمق من كيلومتر واحد على الأقل.

كيف ندرس الطبقة الخارجية للنواة؟

يمكن للعلماء الحكم على شكل اللب ومما يتكون من خلال مراقبة النشاط الزلزالي. لذلك، على سبيل المثال، وجد أن الطبقات الخارجية والداخلية تدور في اتجاهات مختلفة تحت التأثير حقل مغناطيسي. يخفي قلب الأرض العشرات من الألغاز التي لم يتم حلها وينتظر اكتشافات أساسية جديدة.

في أي زمن سحيق حدث هذا؟ كل هذه الأسئلة أثارت قلق البشرية لفترة طويلة. وأراد العديد من العلماء أن يكتشفوا بسرعة ما هو الموجود في الأعماق؟ ولكن اتضح أن تعلم كل هذا ليس بالأمر السهل. بعد كل شيء، حتى اليوم، مع وجود جميع الأجهزة الحديثة لإجراء جميع أنواع البحوث، فإن البشرية قادرة على حفر الآبار في أعماق حوالي خمسة عشر كيلومترا فقط - لا أكثر. وبالنسبة للتجارب الكاملة والشاملة، يجب أن يكون العمق المطلوب أكبر من حيث الحجم. ولذلك، يتعين على العلماء حساب كيفية تشكل نواة الأرض باستخدام مجموعة متنوعة من الأدوات عالية الدقة.

استكشاف الأرض

منذ العصور القديمة، درس الناس الصخور المكشوفة بطبيعة الحال. المنحدرات والمنحدرات الجبلية والضفاف شديدة الانحدار للأنهار والبحار... هنا يمكنك أن ترى بأم عينيك ما كان موجودًا على الأرجح منذ ملايين السنين. وفي بعض أماكن مناسبةيتم حفر الآبار. إحداها على عمق خمسة عشر ألف متر. المناجم التي يحفرها الناس للمساعدة أيضًا في دراسة النواة الداخلية، بالطبع، لا يمكنهم "الحصول عليها". لكن من هذه المناجم والآبار، يستطيع العلماء استخراج عينات صخرية، والتعرف بهذه الطريقة على تغيراتها وأصلها وبنيتها وتكوينها. عيب هذه الأساليب هو أنها قادرة على استكشاف الأرض فقط وفقط الجزء العلويقشرة الأرض.

إعادة تهيئة الظروف في قلب الأرض

لكن الجيوفيزياء وعلم الزلازل -علوم الزلازل والتركيب الجيولوجي للكوكب- تساعد العلماء على التعمق أكثر فأكثر دون اتصال. من خلال دراسة الموجات الزلزالية وانتشارها، يتم تحديد ما يتكون منه كل من الوشاح واللب (يتم تحديده بالمثل، على سبيل المثال، مع تكوين النيازك المتساقطة). وتستند هذه المعرفة إلى البيانات التي تم الحصول عليها - بشكل غير مباشر - حول الخواص الفيزيائية للمواد. واليوم أيضًا، تساهم في الدراسة البيانات الحديثة التي تم الحصول عليها من الأقمار الصناعية الاصطناعية الموجودة في المدار.

هيكل الكوكب

وتمكن العلماء، من خلال تلخيص البيانات التي تم الحصول عليها، من فهم أن بنية الأرض معقدة. يتكون من ثلاثة أجزاء غير متساوية على الأقل. يوجد في الوسط نواة صغيرة محاطة بغطاء ضخم. يشغل الوشاح حوالي خمسة أسداس الحجم الإجمالي الكرة الأرضية. وفي الأعلى، كل شيء مغطى بقشرة خارجية رقيقة إلى حد ما من الأرض.

الهيكل الأساسي

النواة هي الجزء المركزي الأوسط. وهي مقسمة إلى عدة طبقات: داخلية وخارجية. وفقًا لمعظم العلماء المعاصرين، فإن اللب الداخلي صلب، واللب الخارجي سائل (في حالة منصهرة). كما أن اللب ثقيل للغاية: فهو يزن أكثر من ثلث كتلة الكوكب بأكمله ويبلغ حجمه ما يزيد قليلاً عن 15. درجة الحرارة الأساسية مرتفعة جدًا، حيث تتراوح من 2000 إلى 6000 درجة مئوية. وفقا للافتراضات العلمية، يتكون مركز الأرض بشكل رئيسي من الحديد والنيكل. ويبلغ نصف قطر هذا الجزء الثقيل 3470 كيلومترًا. وتبلغ مساحة سطحها حوالي 150 مليون كيلومتر مربع، وهي تعادل تقريباً مساحة جميع القارات الموجودة على سطح الأرض.

كيف تشكلت نواة الأرض

هناك القليل جدًا من المعلومات حول قلب كوكبنا، ولا يمكن الحصول عليها إلا بشكل غير مباشر (لا توجد عينات صخرية أساسية). ولذلك، لا يمكن التعبير عن النظريات إلا بشكل افتراضي حول كيفية تشكل نواة الأرض. يعود تاريخ الأرض إلى مليارات السنين. يلتزم معظم العلماء بالنظرية القائلة بأن الكوكب تشكل في البداية ككوكب متجانس إلى حد ما. بدأت عملية عزل النواة لاحقًا. وتركيبته من النيكل والحديد. كيف تشكلت نواة الأرض؟ يغوص ذوبان هذه المعادن تدريجيًا إلى مركز الكوكب، ليُشكل قلب الكوكب. وجاء ذلك على حساب المزيد جاذبية معينةإنصهار.

نظريات بديلة

هناك أيضًا معارضون لهذه النظرية يقدمون حججهم المعقولة تمامًا. أولاً، يشكك هؤلاء العلماء في حقيقة مرور سبيكة من الحديد والنيكل إلى مركز اللب (الذي يزيد طوله عن 100 كيلومتر). ثانيًا، إذا افترضنا إطلاق النيكل والحديد من السيليكات المشابهة للنيازك، فيجب أن يحدث تفاعل اختزال مماثل. وهذا بدوره كان ينبغي أن يكون مصحوبًا بإطلاق كمية هائلة من الأكسجين، مما يشكل ضغطًا جويًا يصل إلى عدة مئات الآلاف من الأجواء. لكن لا يوجد دليل على وجود مثل هذا الغلاف الجوي في الماضي للأرض. ولهذا السبب تم طرح النظريات حول التكوين الأولي للنواة أثناء تكوين الكوكب بأكمله.

وفي عام 2015، اقترح علماء أكسفورد نظرية مفادها أن قلب كوكب الأرض يتكون من اليورانيوم وله نشاط إشعاعي. وهذا يثبت بشكل غير مباشر وجود المجال المغناطيسي للأرض منذ فترة طويلة، وحقيقة أن كوكبنا في العصر الحديث يصدر حرارة أكثر بكثير مما توقعته الفرضيات العلمية السابقة.

الأرض مع الهيئات الأخرى النظام الشمسيتتشكل من سحابة غازية وغبارية باردة من خلال تراكم الجزيئات المكونة لها. وبعد ظهور الكوكب بدأ بشكل كامل عصر جديدتطورها، والذي يسمى في العلم عادة ما قبل الجيولوجية.
يرجع اسم هذه الفترة إلى حقيقة أن أقدم دليل على العمليات الماضية - الصخور النارية أو البركانية - لا يزيد عمره عن 4 مليارات سنة. يمكن للعلماء فقط دراستها اليوم.
لا تزال المرحلة ما قبل الجيولوجية لتطور الأرض محفوفة بالعديد من الألغاز. ويغطي فترة 0.9 مليار سنة ويتميز بانتشار البراكين على نطاق واسع على الكوكب مع إطلاق الغازات وبخار الماء. في هذا الوقت بدأت عملية تقسيم الأرض إلى أصدافها الرئيسية - اللب والوشاح والقشرة والغلاف الجوي. ومن المفترض أن هذه العملية نتجت عن القصف النيزكي المكثف لكوكبنا وذوبان أجزائه الفردية.
كان أحد الأحداث الرئيسية في تاريخ الأرض هو تكوين قلبها الداخلي. ربما حدث هذا خلال مرحلة ما قبل الجيولوجيا من تطور الكوكب، عندما تم تقسيم كل المادة إلى مجالين جغرافيين رئيسيين - اللب والوشاح.
ولسوء الحظ، لا توجد حتى الآن نظرية موثوقة حول تكوين نواة الأرض، والتي يمكن تأكيدها بالمعلومات والأدلة العلمية الجادة. كيف تشكلت نواة الأرض؟ يقدم العلماء فرضيتين رئيسيتين للإجابة على هذا السؤال.
وبحسب النسخة الأولى فإن الأمر بعد ظهور الأرض مباشرة كان متجانسا.
وتتكون بالكامل من الجسيمات الدقيقة التي يمكن ملاحظتها اليوم في النيازك. ولكن بعد فترة زمنية معينة، تم تقسيم هذه الكتلة الأولية المتجانسة إلى نواة ثقيلة، تدفق إليها كل الحديد، وعباءة سيليكات أخف. بمعنى آخر، استقرت قطرات من الحديد المنصهر والمركبات الكيميائية الثقيلة المصاحبة له في مركز كوكبنا وشكلت نواة هناك، والتي ظلت منصهرة إلى حد كبير حتى يومنا هذا. نظرا لأن العناصر الثقيلة تميل إلى مركز الأرض، فإن الخبث الخفيف، على العكس من ذلك، يطفو إلى الأعلى - إلى الطبقات الخارجية للكوكب. اليوم، تشكل هذه العناصر الخفيفة الوشاح العلوي والقشرة.
لماذا حدث هذا التمايز في المادة؟ من المعتقد أنه مباشرة بعد الانتهاء من عملية تكوينها، بدأت الأرض في الاحماء بشكل مكثف، ويرجع ذلك في المقام الأول إلى الطاقة المنبعثة أثناء تراكم الجاذبية للجسيمات، وكذلك بسبب طاقة التحلل الإشعاعي للمواد الكيميائية الفردية عناصر.
تم تسهيل التسخين الإضافي للكوكب وتكوين سبيكة الحديد والنيكل، والتي، بسبب جاذبيتها النوعية الكبيرة، غرقت تدريجيًا إلى مركز الأرض، من خلال القصف النيزكي المزعوم.
إلا أن هذه الفرضية تواجه بعض الصعوبات. على سبيل المثال، ليس من الواضح تمامًا كيف تمكنت سبيكة الحديد والنيكل، حتى في الحالة السائلة، من النزول أكثر من ألف كيلومتر والوصول إلى منطقة قلب الكوكب.
ووفقا للفرضية الثانية، فإن نواة الأرض تكونت من النيازك الحديدية التي اصطدمت بسطح الكوكب، وبعد ذلك نمت بقشرة سيليكاتية من النيازك الحجرية وشكلت الوشاح.

هناك خلل خطير في هذه الفرضية. في هذه الحالة، يجب أن توجد النيازك الحديدية والحجرية بشكل منفصل في الفضاء الخارجي. تظهر الأبحاث الحديثة أن النيازك الحديدية لا يمكن أن تنشأ إلا في أعماق كوكب تفكك تحت ضغط كبير، أي بعد تكوين نظامنا الشمسي وجميع الكواكب.
تبدو النسخة الأولى أكثر منطقية، لأنها توفر حدودًا ديناميكية بين قلب الأرض والوشاح. وهذا يعني أن عملية انقسام المادة بينهما يمكن أن تستمر على الكوكب لفترة طويلة جدًا. لفترة طويلة، وبذلك توفر تأثير كبيرعلى مزيد من تطور الأرض.
وهكذا، إذا أخذنا الفرضية الأولى الخاصة بتكوين نواة الكوكب كأساس، فإن عملية تمايز المادة استمرت حوالي 1.6 مليار سنة. بسبب تمايز الجاذبية والانحلال الإشعاعي، تم ضمان فصل المادة.
تغوص العناصر الثقيلة فقط إلى عمق تكون المادة تحته شديدة اللزوجة بحيث لا يتمكن الحديد من الغطس. ونتيجة لهذه العملية، تم تشكيل طبقة حلقية كثيفة وثقيلة للغاية من الحديد المنصهر وأكسيده. لقد كان يقع فوق المادة الأخف وزنا في النواة البدائية لكوكبنا. بعد ذلك، تم ضغط مادة سيليكات خفيفة من مركز الأرض. علاوة على ذلك، فقد تم إزاحته عند خط الاستواء، وهو ما قد يكون بمثابة بداية عدم تناسق الكوكب.
من المفترض أنه خلال تكوين النواة الحديدية للأرض، حدث انخفاض كبير في حجم الكوكب، ونتيجة لذلك انخفض سطحه الآن. وشكلت العناصر الخفيفة ومركباتها التي "طفت" على السطح قشرة أولية رقيقة، تتكون، مثل كل الكواكب الأرضية، من البازلت البركاني، تعلوها طبقة سميكة من الرواسب.
ومع ذلك، ليس من الممكن العثور على أدلة جيولوجية حية للعمليات الماضية المرتبطة بتكوين قلب الأرض ووشاحها. كما ذكرنا سابقًا، يبلغ عمر أقدم الصخور على كوكب الأرض حوالي 4 مليارات سنة. على الأرجح، في بداية تطور الكوكب، وتحت تأثير درجات الحرارة والضغوط المرتفعة، تحولت البازلت الأولي وذابت وتحولت إلى صخور الجرانيت والنيس المعروفة لدينا.
ما هو جوهر كوكبنا، والذي ربما يكون قد تشكل في المراحل الأولى من تطور الأرض؟ يتكون من قذائف خارجية وداخلية. وفقا للافتراضات العلمية، على عمق 2900-5100 كم هناك نواة خارجية، والتي في الخصائص الفيزيائيةيقترب من السائل.
اللب الخارجي عبارة عن تيار من الحديد المنصهر والنيكل الذي يوصل الكهرباء بشكل جيد. وبهذا اللب يربط العلماء أصل المجال المغناطيسي للأرض. أما الفجوة المتبقية البالغة 1270 كيلومترًا إلى مركز الأرض فيشغلها اللب الداخلي الذي يتكون من 80% حديد و20% ثاني أكسيد السيليكون.
النواة الداخلية صلبة وساخنة. إذا كان الجزء الخارجي متصلا مباشرة بالوشاح، فإن النواة الداخلية للأرض موجودة من تلقاء نفسها. صلابته، على الرغم من درجات حرارة عالية، ويضمن ذلك ضغط هائل في مركز الكوكب، والذي يمكن أن يصل إلى 3 ملايين ضغط جوي.
كثير العناصر الكيميائيةونتيجة لذلك، فإنها تتحول إلى حالة معدنية. ولذلك، فقد اقترح أن النواة الداخلية للأرض تتكون من الهيدروجين المعدني.
النواة الداخلية الكثيفة لها تأثير خطير على حياة كوكبنا. يتركز فيها مجال الجاذبية الكوكبية، مما يمنع قذائف الغاز الخفيفة وطبقات الغلاف المائي والغلاف الأرضي للأرض من التشتت.
من المحتمل أن هذا المجال كان مميزًا للقلب منذ تكوين الكوكب، مهما كان تركيبه الكيميائي وبنيته في ذلك الوقت. ساهم في انقباض الجزيئات المتكونة باتجاه المركز.
بعد أصل النواة والدراسة الهيكل الداخليتعد الأرض المشكلة الأكثر إلحاحًا بالنسبة للعلماء الذين يشاركون عن كثب في دراسة التاريخ الجيولوجي لكوكبنا. وما زال الطريق طويلا قبل التوصل إلى حل نهائي لهذه القضية. لتجنب التناقضات المختلفة، في العلم الحديثتم قبول الفرضية القائلة بأن عملية تكوين النواة بدأت تحدث بالتزامن مع تكوين الأرض.

لماذا لم يبرد باطن الأرض وظل ساخنا إلى درجة حرارة تقارب 6000 درجة مئوية لمدة 4.5 مليار سنة؟ السؤال معقد للغاية، علاوة على ذلك، لا يستطيع العلم تقديم إجابة دقيقة وواضحة بنسبة 100٪. ومع ذلك، هناك أسباب موضوعية لذلك.

السرية المفرطة

يرتبط الغموض المفرط، إذا جاز التعبير، لجوهر الأرض بعاملين. أولاً، لا أحد يعرف على وجه اليقين كيف ومتى وتحت أي ظروف تم تشكيلها - لقد حدث هذا أثناء تكوين الأرض الأولية أو بالفعل في المراحل الأولىإن وجود كوكب متشكل هو لغز كبير. ثانيًا، من المستحيل تمامًا الحصول على عينات من باطن الأرض - فلا أحد يعرف على وجه اليقين مما تتكون منه. علاوة على ذلك، يتم جمع كافة البيانات التي نعرفها عن النواة باستخدام طرق ونماذج غير مباشرة.

لماذا يظل قلب الأرض ساخنا؟

لمحاولة فهم سبب عدم تبريد نواة الأرض لفترة طويلة، عليك أولاً أن تفهم سبب ارتفاع حرارتها في البداية. الجزء الداخلي من كوكبنا، مثله مثل أي كوكب آخر، غير متجانس؛ فهو يمثل طبقات محددة بشكل واضح نسبيًا كثافات مختلفة. لكن لم يكن هذا هو الحال دائمًا: تهبط العناصر الثقيلة ببطء إلى الأسفل، لتشكل اللب الداخلي والخارجي، بينما تُجبر العناصر الخفيفة على الصعود إلى الأعلى، لتشكل الوشاح وقشرة الأرض. تتم هذه العملية ببطء شديد ويصاحبها إطلاق الحرارة. ومع ذلك، لم يكن هذا هو السبب الرئيسي للتدفئة. تضغط كتلة الأرض بأكملها بقوة هائلة على مركزها، مما ينتج عنه ضغط هائل يبلغ حوالي 360 جيجا باسكال (3.7 مليون ضغط جوي)، ونتيجة لذلك يتحلل العناصر المشعة طويلة العمر الموجودة في قلب الحديد والسيليكون والنيكل بدأت تحدث، والتي كانت مصحوبة بانبعاثات هائلة من الحرارة.

مصدر إضافي للتدفئة هو الطاقة الحركية المتولدة نتيجة الاحتكاك بين الطبقات المختلفة (كل طبقة تدور بشكل مستقل عن الأخرى): اللب الداخلي مع اللب الخارجي والخارجي مع الوشاح.

الجزء الداخلي من الكوكب (لا يتم احترام النسب). يعمل الاحتكاك بين الطبقات الداخلية الثلاث كمصدر إضافي للتدفئة.

وبناء على ما سبق يمكن أن نستنتج أن الأرض وأحشائها على وجه الخصوص هي آلة مكتفية ذاتيا تقوم بتسخين نفسها. لكن هذا بطبيعة الحال لا يمكن أن يستمر إلى الأبد: فاحتياطيات العناصر المشعة داخل القلب تختفي ببطء ولن يكون هناك أي شيء للحفاظ على درجة الحرارة.

الجو بارد!

في الواقع، بدأت عملية التبريد منذ وقت طويل جدًا، لكنها تسير ببطء شديد - بجزء من الدرجة لكل قرن. وفقًا للتقديرات التقريبية، سيمر ما لا يقل عن مليار سنة قبل أن يبرد اللب تمامًا وتتوقف التفاعلات الكيميائية والتفاعلات الأخرى فيه.

اجابة قصيرة:الأرض، وخاصة لب الأرض، هي آلة مكتفية ذاتيا تقوم بتسخين نفسها. تضغط كتلة الكوكب بأكملها على مركزها، مما ينتج عنه ضغط هائل وبالتالي يؤدي إلى عملية تحلل العناصر المشعة، ونتيجة لذلك يتم إطلاق الحرارة.