Сейсмические волны показывают жидкое внешнее и твёрдое внутреннее ядро. Объясняем роль давления, температуры и состава.
Два слоя железного ядра
Под мантией начинается жидкое внешнее ядро, а в центре находится твёрдое внутреннее. Оба слоя состоят главным образом из железа с никелем и лёгкими элементами. Разное состояние связано не с резкой сменой вещества, а с соотношением температуры и температуры плавления при огромном давлении.
Сейсмические доказательства
Поперечные S-волны не проходят через жидкое внешнее ядро, создавая характерную теневую зону. Продольные P-волны преломляются и меняют скорость. Слабые фазы, прошедшие через центр, и их отражения позволяют оценивать размер и свойства внутреннего ядра.
Давление повышает температуру плавления
К центру становится горячее, но давление растёт ещё сильнее и стабилизирует кристаллическое железо. На границе внутреннего ядра жидкость медленно кристаллизуется. Освобождение лёгких элементов и скрытой теплоты помогает поддерживать конвекцию внешнего ядра.
Связь с магнитным полем
Движение электропроводящей жидкости во внешнем ядре вместе с вращением Земли создаёт геодинамо. Твёрдое ядро не является постоянным магнитом. Изменения поля отражают сложный поток жидкости, а не быстрое вращение отдельного железного шара.
Что ещё неизвестно
Сейсмические скорости зависят от направления, что указывает на анизотропию кристаллов. Обсуждаются слои и неоднородности внутри самого ядра, скорость его роста и точный состав. Лабораторные эксперименты и расчёты воспроизводят экстремальные давления, но модели сохраняют неопределённость.
Как нашли внутреннее ядро
В 1936 году Инге Леманн объяснила слабые P-волны в области, где простая модель жидкого ядра предсказывала тень, существованием твёрдой центральной части. Позднейшие глобальные сети подтвердили множество фаз. Это пример косвенного, но воспроизводимого наблюдения: бурение достигает лишь коры, а строение центра восстанавливают по волнам землетрясений.
Температура известна модельно
В ядро нельзя поместить термометр. Температуру ограничивают тепловой историей, плавлением сплавов при высоком давлении и сейсмикой. Оценки порядка температуры поверхности Солнца имеют существенный диапазон. Давление известно лучше по массе и уравнениям равновесия, но состав лёгких элементов остаётся источником неопределённости.
Растёт ли ядро равномерно
По мере остывания Земли железо кристаллизуется на границе, однако тепловой поток неодинаков под разными областями мантии. Сейсмическая анизотропия может отражать ориентацию кристаллов, конвекцию или историю роста. Сообщения об “остановке” или “обратном вращении” часто относятся к малой разнице угловой скорости относительно мантии, а не к остановке планеты.
