Що в Землі всередині? Внутрішня будова та склад нашої планети

Радіус нашої планети перевищує 12 700 км, але найглибша свердловина, яку людству вдалося пробурити (Кольська надглибока свердловина), має глибину лише в 12,2 км, тобто в тисячу разів менше. Вчені мають менше інформації про глибини Землі, ніж про далекий космос. Однак це не заважає їм будувати свої теорії про її будову. З яких верств складається Земля?

Методи дослідження структури Землі

Обсяг планети можна вважати, знаючи її радіус. Її масу можна розрахувати на основі величини сили тяжіння, орбіті Землі та її взаємодії з іншими небесними тілами. Знаючи об'єм і масу, можна оцінити і щільність земної кулі, яка дорівнює 5515 кг/куб. м. При цьому середня густина речовини на поверхні планети значно нижча (3000 кг/куб. м), тому можна припускати суттєве збільшення цього показника на великих глибинах.

Вчені під час аналізу структури Землі спираються і дані наукових експериментів, під час яких моделюються умови у центрі планети (високий тиск і щільність). Так, щільність залізо при тиску в мільйон атмосфер збільшується в 1,3 рази за рахунок щільнішого розташування атомів у кристалічній решітці.

Ще одним джерелом інформації про будову планети є аналіз сейсмічних хвиль під час землетрусів. В 1909 геофізик Мохоровичич виявив, що при неглибоких землетрусах утворюється не один, а кілька акустичних сигналів, що дозволило припустити існування різкої межі між корою і мантією, відомої як поверхня Мохоровичіча.

Під час вивержень вулканів із глибин Землі на поверхню потрапляють цінні для дослідження зразки матеріалу.Нарешті, навіть дослідження інших планет земної групи (Меркурія, Венери, Марса) допомагають краще зрозуміти процеси, які у наших надрах, адже ці планети і Земля формувалися внаслідок подібних процесів.

Загальна будова Землі

Верхній шар планети називають земною корою. Її товщина варіюється від 5 до 35 км, причому під океанами вона суттєво тонша. Існують оцінки, згідно з якими її товщина може сягати і 70 км. Під нею розташовується верхня мантія, що тягнеться до глибини 60 км. Нижня частина мантії сягає позначки 2890 км. Окремо геофізики виділяють шар, що називається астеносферою (100-200 км).

Під мантією розташовується ядро. Його поділяють на зовнішню рідку частину (до глибини 5150 км) та внутрішню тверду.

Земна кора

Вважається, що Венера і Марс (але не Меркурій) також мають верхній шар кори, схожий на земний. Однак на Землі виділяють два види кори: континентальний та океанічний. Континентальна кора значно давніша, вік її порід може досягати мільярдів років. Вона складається із трьох шарів. Верхній утворений гірськими породами, середній – гранітами і так званими гнейсами, а внизу розташовуються гранулити та подібні до них породи.

Океанічна кора постійно оновлюється. Вона утворюється у центрах сучасних океанів у місцях, які називають серединно-океанічними хребтами. Переміщаючись звідти у різних напрямках, вона зникає у зонах субдукції, розчиняючись у мантії. Вік океанічної кори вбирається у 140-150 мільйонів років. Також її товщина значно нижча і, за деякими оцінками, становить 5-10 км. Саме тому першу спробу пробурити земну кору було здійснено 1961-1966 р. у Тихому океані (проект «Мохол»).

Цікаво, що більшість земної кори утворює незначну кількість елементів.Найпоширенішими є:

• кисень (49%);



• кремній (26%);



• алюміній (7,5%);



• залізо (4,2%);



• кальцій (3,25%);



• натрій (2,4%);



• калій (2,35%);



• магній (2,35%)



• водень (1%).

На решту елементів сумарно припадає приблизно 1% речовини земної кори.

Мантія

Вважається, що в деяких місцях мантія залягає на глибинах лише за 30 км, проте досягти її досі не вдалося. Кордон між мантією та корою називають поверхнею Мохоровичича. У ній фіксує різке зростання швидкості сейсмічних хвиль, а також там має відбуватися і такий самий різке зростання щільності речовини.

Мантію поділяють на верхню та нижню. Кордон між ними проходить на глибинах 410-670 км і зветься шар Голіцина. У ньому спостерігається структурна перебудова речовини мантії.

Мантія знаходиться в рідкому агрегатному стані, проте це не означає, що вона схожа на воду. Вона відрізняється величезною в'язкістю, що в квадрильйон разів перевищує в'язкості піску. На мантію, що тягнеться до глибини 2900 км, припадає приблизно 80% обсягу земної кулі. Також вона відрізняється від земної кори хімічним складом. Частка алюмінію в ній нижча, а магнію значно вища. Основними елементами у ній є:

• кисень (44,8%);



• кремній (21,5%);



• магній (22,8%);



• залізо (5,8%);



• кальцій (2,3%);



• алюміній (2,2%).

У верхній мантії виділяють шар астеносфери, який пластичніший, ніж решта мантії. Також у ньому нижча швидкість поширення сейсмічних хвиль і вище електропровідність. Саме в ній відбувається переміщення літосферних плит земної кори, що часом спричиняє землетруси. За різними оцінками, астеносфера може починатися на глибинах близько 50 км і сягати 350 км.

Ядро Землі

Існування ядра було підтверджено ще 1897 р. Честь цього відкриття належить Йоганну Віхерту. Складається ядро ​​з двох шарів – рідкого зовнішнього та твердого внутрішнього, проте у 2015 р. геолог Сяодунь Сун обгрунтував версію, що у зовнішньому ядрі можна назвати третій шар.

У зовнішньому ядрі температура змінюється від 4400 ° С на глибині 2900 км до 6100 ° С на глибині 5150 км. У ньому протікають вихрові електричні струми, що веде до утворення Землі магнітного поля, яке виникає через ефект, відомий як геодинамо.

У внутрішньому ядрі тиск може досягати 375 ГПа, тому речовина, що знаходиться там, просто не може стати рідиною, незважаючи на величезну температуру в 6400 °. Ця частина структури планети виникла не відразу, а 2 млрд. (за деякими оцінками, лише 500 млн.) років тому. Це з поступовим охолодженням Землі. Згодом внутрішнє ядро ​​збільшується у розмірах.

Хімічний склад ядра дуже відрізняється від мантії. Близько 85% його маси посідає залізо, 6% – на кремній, ще 5% – на нікель. Це зразкові цифри, оскільки точний склад визначити неймовірно складно. Можливо, що в ядрі присутні значні частки сірки, кисню, вуглецю, фосфору та водню.

Як утворилася така складна структура Землі?

Передбачається, що Земля утворилася з безлічі протопланет, які через силу тяжіння поступово притягувалися один до одного. Спочатку вона була повністю рідкою. При цьому в ній проходили характерні для рідини процеси - важчі елементи занурювалися глибше, а легші піднімалися на поверхню. Так приблизно за 10 млн років утворилося залізне ядро ​​Землі. Існує версія, що раніше там було значно більше радіоактивних металів, але вони розпалися з часом. Після закінчення активної фази планетоутворення Земля почала повільно остигати, у результаті верхній шар затвердів, і утворилася земна кора.