Земное ядро
Земное ядро надёжно выделяется по сейсмическим данным, и прежде всего по чёткой тени на годографах рефрагированных в мантии сейсмических волн, по отражённым от его поверхности продольным и поперечным волнам и по полному затуханию во внешнем ядре поперечных волн. Скорость продольных волн в ядре при этом резко уменьшается примерно в 1,7 раза (рис. 11). Отсюда следует важный вывод, что вещество во внешней оболочке земного ядра (во внешнем ядре или слое Е) — находится в жидком состоянии. С другой стороны, существование обменных волн, испытавших преобразование от продольных к поперечным и опять к продольным в центральных областях Земли и новое скачкообразное повышение скорости продольных волн в этих областях, свидетельствует о существовании у Земли ещё и внутреннего, эффективно жёсткого ядра.
Радиус внутреннего жесткого ядра (слой G) примерно равен 1200-1250 км, мощность переходного слоя между внутренним и внешним ядром (слой F) приблизительно 300-400 км, а радиус внешнего, жидкого ядра (слоя Е) равен 3450-3500 км (соответственно глубины 2870-2920 км). Плотность «ядерного» вещества во внешнем ядре монотонно изменяется от 9,5-10,1 г/см3 на его поверхности до 11,4-12,3 г/см3 на подошве (см. рис. 13). Плотность вещества во внутреннем ядре возрастает примерно на 8-10% и в центре Земли достигает 13-14 г/см3. Масса земного ядра в разных моделях заключается в пределах (1,91–1, 94)×1027 г, что составляет 31-32% всей массы Земли.
Проведённая в конце 80-х годов А. Дзивонским и его коллегами сейсмическая томография земного ядра показала, что его поверхность неровная и на ней существуют заметные отклонения от равновесной фигуры эллипсоида вращения, достигающие ±(6-10) км (рис. 12). Выявленные неровности на поверхности земного ядра, вероятнее всего, отмечают собой корни восходящих и нисходящих конвективных потоков в нижней мантии, как это и предсказывалось нами ранее (1974, 1979), ещё задолго до открытия самих неровностей. Действительно, под нисходящими конвективными потоками, т. е. под более тяжёлыми участками мантии, обязательно должны возникать мантийные выступы или корни нисходящих потоков, вдавленные в вещество ядра, а под восходящими потоками, наоборот, должен наблюдаться подъем поверхности ядра.
Верхний предел вязкости вещества во внешнем жидком слое ядра можно оценить по степени поглощения продольных сейсмических волн, распространяющихся в этой геосфере. Таким путём было найдено, что средняя вязкость вещества в жидкой части ядра значительно ниже Nc меньше 109 П и вряд ли превышает 103 П (Жарков, 1983). На основании изучения переменных составляющих магнитного поля Земли и энергетического баланса геомагнитного динамо Д. Лопер (1975) пришёл к выводу, что вязкость ядра, вероятно, приблизительно равна Nc = 0,4 П, т.е. близка к вязкости воды (10-2 П). Заметим попутно, что столь малая вязкость «ядерного» вещества во внешнем ядре говорит о его явном перегреве или, что то же, о его сравнительно низкой температуре плавления. Низкая вязкость вещества во внешнем ядре, безусловно, является необходимым условием генерации геомагнитного поля.
Внутреннее ядро, в котором содержится приблизительно 1,1×1026 г вещества, или около 1,8% массы Земли, как уже отмечалось, является твёрдым образованием и скорее всего отличается по химическому составу от внешнего ядра.
Тектоническая активность Земли, геохимическая эволюция мантии, её дегазация и генетически связанные с ними процессы формирования океанов, атмосферы и земной коры с присущими ей месторождениями полезных ископаемых, а также возникновение и развитие жизни на Земле, как это теперь все более чётко выясняется, в конце концов приводятся в действие и управляются планетарным процессом выделения земного ядра. Но этот главный планетарный процесс глобальной эволюции Земли, в свою очередь, полностью определяется составом вещества земного ядра. Учитывая исключительную важность вопроса правильного определения химического состава «ядерного» вещества Земли, остановимся на нем несколько подробнее.
Рисунок 11. Скорости распространения продольных νp и поперечных νs, сейсмических волн в Земле
Радиус внутреннего жесткого ядра (слой G) примерно равен 1200-1250 км, мощность переходного слоя между внутренним и внешним ядром (слой F) приблизительно 300-400 км, а радиус внешнего, жидкого ядра (слоя Е) равен 3450-3500 км (соответственно глубины 2870-2920 км). Плотность «ядерного» вещества во внешнем ядре монотонно изменяется от 9,5-10,1 г/см3 на его поверхности до 11,4-12,3 г/см3 на подошве (см. рис. 13). Плотность вещества во внутреннем ядре возрастает примерно на 8-10% и в центре Земли достигает 13-14 г/см3. Масса земного ядра в разных моделях заключается в пределах (1,91–1, 94)×1027 г, что составляет 31-32% всей массы Земли.
Рисунок 13. Распределение плотности в разных моделях Земли:
1 — модель Наймарка-Сорохтина (1977а); 2 — модель Жаркова «Земля-2» (Жарков и др., 1971); 3 — модель Буллена А1 (1966); 4 — модель Буллена А2 (1966); 5 — модель первичной Земли Наймарка — Сорохтина (1977б).
Проведённая в конце 80-х годов А. Дзивонским и его коллегами сейсмическая томография земного ядра показала, что его поверхность неровная и на ней существуют заметные отклонения от равновесной фигуры эллипсоида вращения, достигающие ±(6-10) км (рис. 12). Выявленные неровности на поверхности земного ядра, вероятнее всего, отмечают собой корни восходящих и нисходящих конвективных потоков в нижней мантии, как это и предсказывалось нами ранее (1974, 1979), ещё задолго до открытия самих неровностей. Действительно, под нисходящими конвективными потоками, т. е. под более тяжёлыми участками мантии, обязательно должны возникать мантийные выступы или корни нисходящих потоков, вдавленные в вещество ядра, а под восходящими потоками, наоборот, должен наблюдаться подъем поверхности ядра.
Рисунок 12. Рельеф земного ядра по данным сейсмической томографии Земли
изолинии проведены через 2 км, по Morelli, Dziewonski, 1987
Верхний предел вязкости вещества во внешнем жидком слое ядра можно оценить по степени поглощения продольных сейсмических волн, распространяющихся в этой геосфере. Таким путём было найдено, что средняя вязкость вещества в жидкой части ядра значительно ниже Nc меньше 109 П и вряд ли превышает 103 П (Жарков, 1983). На основании изучения переменных составляющих магнитного поля Земли и энергетического баланса геомагнитного динамо Д. Лопер (1975) пришёл к выводу, что вязкость ядра, вероятно, приблизительно равна Nc = 0,4 П, т.е. близка к вязкости воды (10-2 П). Заметим попутно, что столь малая вязкость «ядерного» вещества во внешнем ядре говорит о его явном перегреве или, что то же, о его сравнительно низкой температуре плавления. Низкая вязкость вещества во внешнем ядре, безусловно, является необходимым условием генерации геомагнитного поля.
Внутреннее ядро, в котором содержится приблизительно 1,1×1026 г вещества, или около 1,8% массы Земли, как уже отмечалось, является твёрдым образованием и скорее всего отличается по химическому составу от внешнего ядра.
Тектоническая активность Земли, геохимическая эволюция мантии, её дегазация и генетически связанные с ними процессы формирования океанов, атмосферы и земной коры с присущими ей месторождениями полезных ископаемых, а также возникновение и развитие жизни на Земле, как это теперь все более чётко выясняется, в конце концов приводятся в действие и управляются планетарным процессом выделения земного ядра. Но этот главный планетарный процесс глобальной эволюции Земли, в свою очередь, полностью определяется составом вещества земного ядра. Учитывая исключительную важность вопроса правильного определения химического состава «ядерного» вещества Земли, остановимся на нем несколько подробнее.