Очікує на перевірку

Будова Землі

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до навігації Перейти до пошуку
Земля в розрізі від ядра до екзосфери. Ліва картинка не в масштабі.

Земля має в першому грубому наближенні форму сплюснутої кулі (екваторіальний радіус дорівнює 6377 км, полярний — близько 6355,5 км[1], середній — 6371 км[2]) і складається з декількох оболонок. Ці шари можуть бути визначені або їх хімічними або їх реологічними властивостями. В центрі розташоване ядро Землі з радіусом близько 1250 км, яке в основному складається із заліза та нікелю. Далі йде рідка частина ядра Землі (яка складається в основному з заліза) з товщиною близько 2200 км. Потім 2900 км в'язкої мантії, що складається з силікатів і оксидів, а зверху доволі тонка, тверда земна кора. Вона також складається з силікатів та оксидів, але збагачена елементами, які не зустрічаються в мантійних породах. Наукове розуміння внутрішньої будови Землі базується на спостереженнях топографії і батиметрії, спостережень гірських порід у відслоненнях, зразках піднятих на поверхню з великих глибин в результаті вулканічної активності, аналізі сейсмічних хвиль, які проходять крізь Землю, вимірюванні гравітації областей Землі та експериментах з кристалічними твердими тілами при тисках і температурах, характерних для глибоких надр Землі.

Маса

[ред. | ред. код]
Докладніше: Маса Землі

Для оцінки маси Землі та її середньої густини може бути використано силу її гравітаційного притягання. Астрономи також можуть розрахувати масу Землі за її орбітою та впливом на близькі планетарні тіла.

Маса Землі становить 5,97219× 1024 кг[2], її об'єм — близько 1,08321× 1021 м3 [2], звідки середня густина Землі — 5513 кг/м3.

Будова

[ред. | ред. код]

Будову Землі можна класифікувати за двома принципами: за механічними властивостями, такими як реологія, або за хімічними властивостями. Механічно вона може бути розділена на літосферу, астеносферу, мезосферу, зовнішнє ядро та внутрішнє ядро. Хімічно Землю можна розділити на земну кору, верхню мантію, нижню мантію, зовнішнє ядро та внутрішнє ядро.

Геологічні шари Землі знаходяться на наступних глибинах під поверхнею[3]:

Глибина (км) Шар Схематична будова
0-60 Літосфера (локально коливається від 5 до 200 км)
1) континентальна кора;
2) океанічна кора;
3) верхня мантія;
4) нижня мантія;
5) зовнішнє ядро;
6) внутрішнє ядро;
А) поверхня Мохоровичича;
B) розрив Гутенберга[en];
C) розрив Леманн-Буллен
0-35 Кора (локально коливається від 5 до 70 км)
35-2890 Мантія
35-60 Верхня частина мантії
35-660 Верхня мезосфера (верхня мантія)
100-200 Астеносфера
660-2890 Нижня мезосфера (нижня мантія)
2890-5150 Зовнішнє ядро
5150-6360 Внутрішнє ядро

Шари Землі вивчаються непрямими методами, з допомогою вимірювання часу поширення заломлених та відбитих сейсмічних хвиль, створених землетрусами. Ядро не пропускає поперечні хвилі, а швидкість поширення хвиль відрізняється в різних шарах. Зміни у швидкості сейсмічних хвиль між різними шарами викликає їх заломлення у відповідності до закону Снеліуса.

Ядро

[ред. | ред. код]
Вивчення будови Землі за допомогою хвиль, утворених землетрусом. Суцільними лініями позначено P-хвилі (поздовжні), штриховими лініями — S-хвилі (поперечні). Літерою K позначено поздовжні обмінні хвилі.
Докладніше: Ядро Землі

Порівнюючи середню густину Землі (5513 кг/м3[2]) з середньою густиною верхніх частин земної кори (2670 кг/м3[4]), можна зробити висновок, що матеріали з великою густиною наявні в надрах Землі, зокрема в ядрі. Ще один доказ високої густини ядра дає сейсмологія. Сейсмічні вимірювання показують, що ядро ділиться на дві частини — тверде внутрішнє ядро з радіусом ≈ 1220 км і рідке зовнішнє ядро з радіусом ≈ 3400 км[5]. Густини знаходяться в межах від 9900–12200 кг/м3 у зовнішньому ядрі і 12600–13000 кг/м3 у внутрішньому[6].

Зовнішнє ядро відділяється від внутрішнього розривом Леманн-Буллен.

Мантія

[ред. | ред. код]
Товщина земної кори в кілометрах
Докладніше: Мантія Землі

Мантія Землі простягається до глибини 2890 км, що робить її найтовстішим шаром Землі. Тиск у нижній мантії сягає близько 140 ГПа (1,4·106 атм). Мантія складається з силікатних порід, багатих (у порівнянні із земною корою) залізом та магнієм. Високі температури в мантії роблять силікатний матеріал достатньо пластичним, щоб могла існувати конвекція речовини в мантії, що виходить на поверхню через розломи в тектонічних плитах. Плавлення і в'язкість речовини залежать від тиску і хімічних змін в мантії. В'язкість мантії коливається від 1021 до 1024 Па·с в залежності від глибини[7]. Для порівняння, в'язкість води складає близько 10−3 Па·с, а пеку — 107 Па·с.

Межею між ядром Землі та мантією є розрив Гутенберга[en].

Кора

[ред. | ред. код]
Докладніше: Земна кора

Земна кора має товщину від 5 до 70 км. В залежності від складу, будови та деяких інших характеристик виділяють материкову та океанічну земну кору. Материкова кора є товстішою (від 25–45 км на платформах до 60–80 км в областях гороутворення), і поділяється на три шари — осадовий, «гранітний» і «базальтовий» (два останні розділяються поверхнею Конрада). Океанічна кора лежить в основі океанічних басейнів, має товщину 5–10 км і, на відміну від материкової земної кори, не має «гранітного» шару.

Межею між земною корою та мантією є поверхня Мохоровичича.

Внутрішнє ядро було відкрито в 1936 році Інге Леманом і в основному складається з заліза та деякої кількості нікелю. Оскільки цей шар здатний передавати поперечні хвилі (поперечні сейсмічні хвилі), він має бути твердим. Експериментальні дані іноді були несумісні з поточними кристалічними моделями ядра.[8] Інші експериментальні дослідження показують розбіжність під високим тиском: дослідження з алмазним ковадлом (статичні) при тисках ядра дають температури плавлення, які приблизно на 2000 K нижчі, ніж у дослідженнях з ударним лазером (динамічних).[9][10] Лазерні дослідження створюють плазму,[11] і результати припускають, що визначення умов внутрішнього ядра залежатиме від того, чи є внутрішнє ядро твердим тілом, чи плазмою з густиною твердого тіла. Це є областю активних досліджень.

На ранніх етапах формування Землі близько 4,6 мільярда років тому плавлення спричинило опускання густіших речовин до центру в процесі, званому планетарна диференціація (див. також залізна катастрофа), тоді як менш густі матеріали мігрували до кори. Вважається, що ядро в основному складається з заліза (80%), разом з нікелем та одним або кількома легкими елементами, тоді як інші щільні елементи, такі як свинець та уран, або занадто рідкісні, щоб бути значущими, або мають тенденцію зв'язуватися з легшими елементами і таким чином залишаються в корі (див. фельзичні матеріали). Деякі вчені стверджують, що внутрішнє ядро може бути у формі єдиного залізного кристала.[12][13]

В лабораторних умовах зразок сплаву заліза з нікелем був підданий тиску, подібному до тиску в ядрі, затиснувши його в лещатах між 2 алмазними наконечниками (діамантові ковадла), а потім нагрівши приблизно до 4000 K. Зразок спостерігали за допомогою рентгенівських променів, і це сильно підтримало теорію про те, що внутрішнє ядро Землі складається з гігантських кристалів, що простягаються з півночі на південь.[14][15]

Склад Землі має сильну схожість зі складом певних хондритових метеоритів і навіть з деякими елементами в зовнішній частині Сонця.[16][17] Починаючи ще з 1940 року, вчені, включаючи Френсіса Бірча, будували геофізику на припущенні, що Земля подібна до звичайних хондритів, найпоширенішого типу метеоритів, що спостерігаються при падінні на Землю. Це ігнорує менш поширені енстатитові хондрити, які формувалися за надзвичайно обмеженого доступу кисню, що призвело до того, що деякі зазвичай оксифільні елементи існують частково або повністю в сплавній частині, що відповідає ядру Землі.

Теорія динамо припускає, що конвекція в зовнішньому ядрі в поєднанні з ефектом Коріоліса породжує магнітне поле Землі. Тверде внутрішнє ядро занадто гаряче, щоб утримувати постійне магнітне поле (див. температура Кюрі), але, ймовірно, діє для стабілізації магнітного поля, генерованого рідким зовнішнім ядром. За оцінками, середнє магнітне поле в зовнішньому ядрі Землі становить 2,5 мілітесли (25 гаусів), що в 50 разів сильніше за магнітне поле на поверхні.[18]

Глобальні властивості

[ред. | ред. код]
Докладніше: Земля § Фізичні характеристики
Хімічний склад верхньої внутрішньої структури Землі[19]
Хімічний елемент Континентальна кора (%) Верхня мантія (%) Піролітова модель (%) Хондритова модель (1) (%) Хондритова модель (2) (%)
MgO 4,4 36,6 38,1 26,3 38,1
Al2O3 15,8 4,6 4,6 2,7 3,9
SiO2 59,1 45,4 45,1 29,8 43,2
CaO 6,4 3,7 3,1 2,6 3,9
FeO 6,6 8,1 7,9 6,4 9,3
Інші оксиди 7,7 1,4 1,2 N/A 5,5
Fe N/A N/A N/A 25,8 N/A
Ni N/A N/A N/A 1,7 N/A
Si N/A N/A N/A 3,5 N/A

Примітка: У хондритовій моделі (1) легким елементом у ядрі вважається Si. Хондритова модель (2) є моделлю хімічного складу мантії, що відповідає моделі ядра, показаній у хондритовій моделі (1).[19]

див. підпис
Фотографія Землі, зроблена екіпажем Аполлон-17 у 1972 році. Оброблена версія стала широко відомою як The Blue Marble.[20][21]

Вимірювання сили, що створюється гравітацією Землі, можна використовувати для обчислення її маси. Астрономи також можуть обчислити масу Землі, спостерігаючи за рухом орбітальних супутників. Середню густину Землі можна визначити за допомогою гравіметричних експериментів, які історично проводились із використанням маятників. Маса Землі становить приблизно 6×1024 кг.[22] Середня густина Землі становить 5515 г/см3.[23]

Див. також

[ред. | ред. код]

Примітки

[ред. | ред. код]
  1. ↑ Земля — стаття з енциклопедії «Кругосвет»
  2. ↑ а б в г Solar System Exploration: Earth: Facts & Figures. NASA. 13 грудня 2012. Архів оригіналу за 13 листопада 2015. Процитовано 22 січня 2012.(англ.)
  3. ↑ T. H. Jordan (1979). Structural Geology of the Earth's Interior. Proceedings of the National Academy of Sciences. 76 (9): 4192—4200. doi:10.1073/pnas.76.9.4192. PMC 411539. PMID 16592703.(англ.)
  4. ↑ Плотность горных пород [Архівовано 8 січня 2017 у Wayback Machine.](рос.)
  5. ↑ Monnereau, Marc; Calvet, Marie; Margerin, Ludovic; Souriau, Annie (21 травня 2010). Lopsided Growth of Earth's Inner Core. Science. 328 (5981): 1014—1017. doi:10.1126/science.1186212. PMID 20395477.(англ.)
  6. ↑ Hazlett, James S. Monroe; Reed Wicander; Richard (2006). Physical geology : exploring the earth; [the wrath of Hurricane Katrina ; Could you survive a Tsunami?; catastrophic earthquakes; global warming] (вид. 6.). Belmont: Thomson. с. 346. ISBN 9780495011484.
  7. ↑ Uwe Walzer, Roland Hendel, John Baumgardner. Mantle Viscosity and the Thickness of the Convective Downwellings. Архів оригіналу за 8 квітня 2007. Процитовано 29 серпня 2015.(англ.)
  8. ↑ Stixrude, Lars; Cohen, R.E. (15 січня 1995). Constraints on the crystalline structure of the inner core: Mechanical instability of BCC iron at high pressure. Geophysical Research Letters. 22 (2): 125—28. Bibcode:1995GeoRL..22..125S. doi:10.1029/94GL02742. Архів оригіналу за 8 серпня 2022. Процитовано 2 січня 2019.
  9. ↑ Benuzzi-Mounaix, A.; Koenig, M.; Ravasio, A.; Vinci, T. (2006). Laser-driven shock waves for the study of extreme matter states. Plasma Physics and Controlled Fusion. 48 (12B): B347. Bibcode:2006PPCF...48B.347B. doi:10.1088/0741-3335/48/12B/S32. S2CID 121164044.
  10. ↑ Remington, Bruce A.; Drake, R. Paul; Ryutov, Dmitri D. (2006). Experimental astrophysics with high power lasers and Z pinches. Reviews of Modern Physics. 78 (3): 755. Bibcode:2006RvMP...78..755R. doi:10.1103/RevModPhys.78.755. Архів оригіналу за 23 травня 2020. Процитовано 26 червня 2019.
  11. ↑ Benuzzi-Mounaix, A.; Koenig, M.; Husar, G.; Faral, B. (June 2002). Absolute equation of state measurements of iron using laser driven shocks. Physics of Plasmas. 9 (6): 2466. Bibcode:2002PhPl....9.2466B. doi:10.1063/1.1478557.
  12. ↑ Schneider, Michael (1996). Crystal at the Center of the Earth. Projects in Scientific Computing, 1996. Pittsburgh Supercomputing Center. Архів оригіналу за 5 February 2007. Процитовано 8 March 2019.
  13. ↑ Stixrude, L.; Cohen, R.E. (1995). High-Pressure Elasticity of Iron and Anisotropy of Earth's Inner Core. Science. 267 (5206): 1972—75. Bibcode:1995Sci...267.1972S. doi:10.1126/science.267.5206.1972. PMID 17770110. S2CID 39711239.
  14. ↑ BBC News, "What is at the centre of the Earth? [Архівовано 2020-05-23 у Wayback Machine.]. BBC.co.uk (2011-08-31). Retrieved on 2012-01-27.
  15. ↑ Ozawa, H.; al., et (2011). Phase Transition of FeO and Stratification in Earth's Outer Core. Science. 334 (6057): 792—94. Bibcode:2011Sci...334..792O. doi:10.1126/science.1208265. PMID 22076374. S2CID 1785237.
  16. ↑ Herndon, J.M. (1980). The chemical composition of the interior shells of the Earth. Proc. R. Soc. Lond. A372 (1748): 149—54. Bibcode:1980RSPSA.372..149H. doi:10.1098/rspa.1980.0106. JSTOR 2398362. S2CID 97600604.
  17. ↑ Herndon, J.M. (2005). Scientific basis of knowledge on Earth's composition (PDF). Current Science. 88 (7): 1034—37. Архів (PDF) оригіналу за 30 липня 2020. Процитовано 27 січня 2012.
  18. ↑ Buffett, Bruce A. (2010). Tidal dissipation and the strength of the Earth's internal magnetic field. Nature. 468 (7326): 952—94. Bibcode:2010Natur.468..952B. doi:10.1038/nature09643. PMID 21164483. S2CID 4431270.
  19. ↑ а б The Structure of Earth and Its Constituents (PDF). Princeton University Press. с. 4.
  20. ↑ Petsko, Gregory A. (28 квітня 2011). The blue marble. Genome Biology. 12 (4): 112. doi:10.1186/gb-2011-12-4-112. PMC 3218853. PMID 21554751.
  21. ↑ Apollo Imagery – AS17-148-22727. NASA. 1 листопада 2012. Архів оригіналу за 20 квітня 2019. Процитовано 22 жовтня 2020.
  22. ↑ ME = 5·9722×1024 кг ± 6×1020 кг. "2016 Selected Astronomical Constants [Архівовано 2016-02-15 у Wayback Machine.]" in The Astronomical Almanac Online, USNO–UKHO, архів (PDF) оригіналу за 24 грудня 2016, процитовано 18 лютого 2016
  23. ↑ Planetary Fact Sheet. Lunar and Planetary Science. NASA. Архів оригіналу за 24 березня 2016. Процитовано 2 січня 2009.

Література

[ред. | ред. код]
  • Джеффрис Г. Земля, ее происхождение, история и строение, пер. с англ. — М., 1960.(рос.)
  • Магницкий В. А. Внутреннее строение и физика Земли. — М., 1965.(рос.)
  • Ботт М. Внутреннее строение Земли, пер. с англ. — М., 1974.(рос.)
  • Жарков В. Н. Внутреннее строение Земли и планет. — 2 изд. — М., 1983.(рос.)
  • Kruglinski, Susan. «Journey to the Center of the Earth.» Discover(англ.)
  • Lehmann, I. (1936) Inner Earth, Bur. Cent. Seismol. Int. 14, 3-31(англ.)
  • Schneider, David (October 1996) A Spinning Crystal Ball, Scientific American(англ.)
  • Wegener, Alfred (1915) «The Origin of Continents and Oceans»(англ.)
Отримано з https://uk.wikipedia.org/w/index.php?title=Будова_Землі&oldid=43797308