Огненное сердце планеты: насколько горячо ядро Земли и почему это важно для жизни

Когда Земля сформировалась около 4,5 миллиардов лет назад, она была раскалённым шаром из расплавленной породы. Со временем более тяжёлые элементы, такие как железо и никель, опустились в центр планеты, образовав раннее ядро. Сегодня ядро Земли остаётся невероятно горячей и плотной сферой в глубине планеты. Оно состоит из жидкого внешнего ядра, которое начинается примерно на глубине 2900 километров и простирается на 2200 километров, а также твёрдого внутреннего ядра, начинающегося на глубине около 5150 километров и имеющего радиус примерно 1220 километров.

Но насколько же горячо ядро Земли? И как учёные это выяснили, если невозможно опуститься так глубоко? Благодаря комбинации методов исследователи подсчитали, что температура ядра Земли примерно равна температуре поверхности Солнца: она достигает от 5000 до 5500 градусов Цельсия (9000–10 000 градусов по Фаренгейту). Эта температура характерна для границы между внутренним и внешним ядром, которая считается самой горячей частью ядра.

Однако эта температура не была измерена напрямую — она выведена из экспериментов и теорий о составе ядра. Центр Земли состоит в основном из железа (около 85%) в сплаве с никелем и другими более лёгкими элементами; этот материал находится в жидкой форме во внешнем ядре и в твёрдой — во внутреннем. Учёные вывели эти свойства на основе лабораторных измерений железных сплавов при высоких давлениях, анализа состава метеоритов и понимания того, как сейсмические волны изгибаются или исчезают, проходя через недра планеты.

Поскольку внешнее ядро Земли состоит в основном из жидкого железа, температуры в этой области должны превышать температуру плавления железа. На поверхности планеты температура плавления чистого железа составляет 1538°C. Но это число не учитывает «огромное давление» глубоких недр, пояснил Live Science Квентин Уильямс, физик-минералог из Калифорнийского университета в Санта-Круз. Повышение давления поднимает точку плавления железа и большинства других веществ — именно поэтому внутреннее ядро, будучи очень горячим, остаётся твёрдым из-за высокого давления.

Чтобы определить температуру плавления железа при астрономических давлениях, учёные провели ряд экспериментов по моделированию этой среды. Одни исследования сжимали кусочек железа между двумя заточенными алмазами (так называемые алмазные наковальни) для создания высокого давления, одновременно нагревая железо лазером до высоких температур. Другие воздействовали на кусочки железа высокоскоростными снарядами или создающими ударную волну лучами, чтобы имитировать сокрушительное давление. Затем результаты этих экспериментов были экстраполированы на давление на границе внутреннего и внешнего ядра, что и дало оценки в диапазоне от 5000 до 5500°C.

«В некотором смысле всё, что мы знаем о ядре Земли, — это обоснованное предположение», — рассказал Live Science Шичунь Хуан, профессор геологии Университета Сунь Ятсена в Китае. Многие механизмы, например, как именно твёрдое внутреннее ядро кристаллизуется в твёрдое состояние, остаются загадкой.

Всё началось с рождения

Всё это тепло указывает на уникальную историю нашей планеты. Когда Земля формировалась, под действием гравитации собирались разные материалы, включая железо, из которого состоит ядро. Эта «гравитационная потенциальная энергия преобразовалась в тепло», говорит Хуан. Кроме того, учёные полагают, что в какой-то момент во время формирования в нашу протопланету врезался объект размером с Марс, и этот удар передал недрам огромное количество тепла. Некоторые учёные считают, что радиоактивные элементы, такие как калий, уран и торий, также вносят вклад во внутреннее тепло планеты, хотя вопрос об их присутствии в глубоких недрах остаётся дискуссионным.

Горячее ядро также вносит вклад в способность Земли поддерживать жизнь. В отличие от других планет, недра Земли сохранили большую часть своего первоначального тепла. «Мы не очень хорошо умеем остывать», — говорит Уильямс, имея в виду, что Земля сохранила много тепла от своего формирования, в отличие от других каменистых планет Солнечной системы. В результате наша планета обладает такими свойствами, как тектоника плит, которая перемещает участки земной поверхности, поднимая питательные вещества и создавая разнообразные среды для эволюции и процветания жизни. Железное ядро, частично жидкое, также генерирует магнитное поле Земли, которое защищает планету и жизнь на ней от опасного солнечного ветра.

«Если вы заботитесь о жизни, вы должны заботиться о внутренностях Земли», — говорит Хуан. Именно раскалённое добела ядро в центре нашей планеты позволяет всем нам выжить там, где мы находимся сегодня.

Парадокс земных недр заключается в том, что мы знаем о них меньше, чем о поверхности некоторых далёких галактик. Астрономы могут наблюдать свет звёзд, родившихся миллиарды лет назад, но чтобы «увидеть» ядро Земли, нам приходится полагаться лишь на косвенные улики: тени сейсмических волн после землетрясений, поведение магнитного поля и эксперименты с алмазными наковальнями. Однако именно эта неопределённость двигает науку вперёд. Современные исследования, в том числе с использованием суперкомпьютерного моделирования, постепенно приближают нас к пониманию того, как наше ядро остаётся жидким и горячим спустя миллиарды лет.

Новые данные, полученные из анализа редких глубичных минералов (например, ферропериклаза, поднимающегося на поверхность с алмазами), заставляют пересмотреть старые модели. Возможно, температура ядра ещё выше, чем считалось ранее — на тысячу или даже две тысячи градусов. Кроме того, недавние эксперименты показали, что теплопроводность железа при экстремальных давлениях может быть гораздо выше прогнозируемой, а это означает, что ядро остывает быстрее, чем предполагали геологи. Если так, то через несколько миллиардов лет магнитное поле Земли может ослабнуть или исчезнуть вовсе, сделав планету беззащитной перед космической радиацией — подобно тому, как это произошло с Марсом.

К счастью, до этого ещё далеко. Человечество существует лишь мгновение по сравнению с жизнью планеты, но именно в это мгновение мы впервые начали понимать, как работает гигантский ядерный реактор у нас под ногами. И каждый новый эксперимент с алмазной наковальней — это маленький шаг к разгадке того, почему наша планета остаётся живой и гостеприимной, пока её сестры в Солнечной системе превращаются в безжизненные пустыни. Возможно, ответ на вопрос «почему мы здесь?» скрыт не на небесах, а на глубине 6000 километров под нами, где железное сердце Земли пульсирует жидким огнём.