Читать книгу Концепции современного естествознания. Часть 2. Биология и геология - Аркадий Исаакович Липкин - Страница 3

Внутреннее строение Земли, как и других планет солнечной системы, представляет собой последовательность сферических слоев или геосфер (рис. 12.1). Сферическая форма является следствием действия гравитационных сил, которые в достаточно массивных космических телах являются определяющими. Поэтому астероиды могут иметь любую форму, а планеты – только сферическую (при характерных временах порядка сотен миллионов лет граниты, базальты и прочие твердые породы под действием колоссальных сил гравитации во многих отношениях ведут себя как вязкие жидкости).

Формирование различных внутренних геосфер происходит в результате указанной выше гравитационной дифференциации недр планеты, которые оказываются разделенными на три основных слоя: «тяжелый» (ядро), «промежуточный» (мантия) и «легкий» (кора). Средняя плотность земной коры в целом – 2,8 г/см³ (при этом средняя плотность трех основных составляющих ее слоев: осадочного – 2,4–2,5 г/см³, «гранитного» – 2,7 г/см³, «базальтового» – 2,9 г/см³). На границе земной коры и мантии (поверхность Мохоровичича) плотность увеличивается скачком от значений 2,9– 3,0 г/см³ до 3,1–3,5 г/см³. Далее она плавно растет, достигая у границы ядра 5,6 г/см³. В ядре плотность скачком поднимается до 10,0 г/см³, а далее плавно возрастает до 12,5 г/см³ в центре Земли [Люстих].

Ядро

«Уже в 1896 г. Е. Вихертом на основе данных по каменным и железным метеоритам было высказано предположение, что Земля состоит из внешней оболочки (мантии), окружающей более плотное металлическое ядро. В 1906 г. Р. Олдхэм привел первое сейсмологическое доказательство существования центрального ядра и дал грубую оценку его радиуса ~ 1600 км. Позднее крупнейшие геофизики ХХ в. Б. Гутенберг и Х. Джеффрис подтвердили наличие центрального ядра и довольно точно оценили его размеры. По современным геофизическим данным радиус ядра Земли оценивается равным 3480— 3485 км… Было установлено, что на границе между мантией и ядром происходит скачкообразное увеличение плотности (с 5.55 до 9.9 г/см³), сопровождающееся резким уменьшением скорости распространения продольных волн (с 13.7 км/с в подошве мантии до 8 км/с в кровле ядра), и показано, что эта поверхность раздела не пропускает поперечные волны. По этой причине внешнее ядро считается жидким» [Кадик, Кусков].

Согласно большинству физических моделей, подтвержденных данными геофизических исследований, Земля обладает внутренним ядром радиусом около 1221 км, состоящим из нескольких твердых слоев железа с различной степенью ориентации кристаллов, окруженным внешним жидким ядром толщиной 2225 км. Предполагается, что оно состоит, в первую очередь, из сплавов железа, никеля, сульфида железа FeS (4 %) и других металлов и тяжелых химических элементов и соответствует по составу железным метеоритам. Оценки температура в центре Земли порядка 5000 ^oC (они колеблются в диапазоне от 4000 до 6000 ^oC).

Проблема происхождения магнитного поля Земли (Земля действует как гигантский магнит) до настоящего времени не может считаться окончательно решенной, общепринятым является представление, что магнитное поле Земли генерируется вращением насыщенной железом жидкости внешнего ядра. «Почти общепризнанной является гипотеза магнитного гидродинамо. Тепловая конвекция, то есть перемешивание вещества во внешнем ядре, способствует образованию кольцевых электрических токов. Скорость перемещения вещества в верхней части жидкого ядра будет несколько меньше, а нижних слоев – больше относительно мантии в первом случае и твердого ядра – во втором. Подобные медленные течения вызывают формирование кольцеобразных (тороидальных) замкнутых по форме электрических полей, не выходящих за пределы ядра.

Рис. 12.1. Внутреннее строение Земли 3

1. Кора. 2. Часть верхней мантии выше астеносферы, входящей в состав литосферы. 3. Часть верхней мантии ниже астеносферы. 4. Мантия нижняя. 5. Внешнее ядро. 6. Внутреннее ядро. 7. Мантийный плюм

Благодаря взаимодействию тороидальных электрических полей с конвективными течениями во внешнем ядре возникает суммарное магнитное поле дипольного характера, ось которого примерно совпадает с осью вращения Земли… В рамках этой картины можно построить модель инверсий магнитного поля. Токовая, а следовательно, и магнитная переменная колеблются сначала около некоторого стационарного состояния, а затем, увеличивая амплитуду, внезапно начинают испытывать колебания уже вокруг другого стационарного состояния (по Т. Рикитаки, 1968)… В реальном магнитном поле Земли время, в течение которого происходит изменение знака полярности, может быть как коротким, вплоть до тысячи лет, так и составлять миллионы лет» [Кадик, Кусков].