Nachdem Sie die Schlüssel in den geschmolzenen Lavastrom geworfen haben, verabschieden Sie sich von ihnen, denn, na ja, Alter, sie sind alles.
- Jack Handy

Wenn Sie unseren Heimatplaneten betrachten, können Sie sehen, dass 70 % seiner Oberfläche mit Wasser bedeckt sind.

Wir alle wissen, warum das so ist: weil die Ozeane der Erde sich über die Felsen und den Schlamm erheben, aus denen das Land besteht. Das Konzept des Auftriebs, bei dem weniger dichte Objekte über dichteren Objekten schweben, die nach unten sinken, erklärt viel mehr als nur Ozeane.

Das gleiche Prinzip, das erklärt, warum Eis im Wasser schwimmt, ein Heliumballon in der Atmosphäre aufsteigt und Felsen in einem See versinken, erklärt, warum die Schichten des Planeten Erde so angeordnet sind, wie sie sind.

Der am wenigsten dichte Teil der Erde, die Atmosphäre, schwimmt über Wasserozeanen, die über der Erdkruste schweben, die über dem dichteren Mantel liegt, der nicht in den dichtesten Teil der Erde einsinkt: die Kruste.

Idealerweise wäre der stabilste Zustand der Erde einer, der wie eine Zwiebel geschichtet wäre, mit den dichtesten Elementen in der Mitte, und wenn Sie sich nach außen bewegen, würde jede nachfolgende Schicht aus weniger dichten Elementen bestehen. Und jedes Erdbeben bewegt den Planeten tatsächlich in Richtung dieses Zustands.

Und das erklärt nicht nur die Struktur der Erde, sondern aller Planeten, wenn Sie sich daran erinnern, woher diese Elemente kamen.

Als das Universum jung war – nur wenige Minuten alt – existierten nur Wasserstoff und Helium. Immer mehr schwere Elemente wurden in den Sternen erzeugt, und erst als diese Sterne starben, gelangten die schweren Elemente ins Universum und ermöglichten die Bildung neuer Generationen von Sternen.

Aber diesmal bildet die Mischung all dieser Elemente – nicht nur Wasserstoff und Helium, sondern auch Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Silizium, Magnesium, Schwefel, Eisen und andere – nicht nur einen Stern, sondern auch eine protoplanetare Scheibe um diesen Stern.

Druck von innen nach außen in einem entstehenden Stern drückt leichtere Elemente nach außen, und die Schwerkraft führt dazu, dass Unregelmäßigkeiten in der Scheibe kollabieren und Planeten bilden.

Im Falle des Sonnensystems sind die vier inneren Welten die dichtesten aller Planeten im System. Quecksilber besteht aus den dichtesten Elementen, die keine großen Mengen an Wasserstoff und Helium aufnehmen können.

Andere Planeten, die massereicher und weiter von der Sonne entfernt waren (und daher weniger Strahlung erhielten), konnten mehr dieser ultraleichten Elemente aufnehmen – so entstanden die Gasriesen.

In allen Welten, wie auch auf der Erde, sind im Durchschnitt die dichtesten Elemente im Kern konzentriert, während die Lungen um ihn herum immer weniger dichte Schichten bilden.

Es überrascht nicht, dass Eisen, das stabilste Element und das schwerste Element, das in großen Mengen am Supernova-Rand entsteht, das am häufigsten vorkommende Element im Erdkern ist. Aber vielleicht überraschenderweise liegt zwischen dem festen Kern und dem festen Mantel eine flüssige Schicht, die mehr als 2.000 km dick ist: der äußere Kern der Erde.

Die Erde hat eine dicke Flüssigkeitsschicht, die 30 % der Masse des Planeten enthält! Und wir haben durch eine ziemlich geniale Methode von seiner Existenz erfahren - dank seismischer Wellen, die von Erdbeben stammen!

Bei Erdbeben entstehen zwei Arten von seismischen Wellen: die Hauptkompressionswelle, die als P-Welle bekannt ist und entlang des Längspfads verläuft

und eine zweite Scherwelle, die als S-Welle bekannt ist und den Wellen auf der Meeresoberfläche ähnelt.

Seismische Stationen auf der ganzen Welt können P- und S-Wellen aufnehmen, aber S-Wellen wandern nicht durch Flüssigkeiten, und P-Wellen wandern nicht nur durch Flüssigkeiten, sie werden auch gebrochen!

Als Ergebnis kann verstanden werden, dass die Erde einen flüssigen äußeren Kern hat, außerhalb dessen sich ein fester Mantel befindet, und innen - ein fester innerer Kern! Deshalb enthält der Erdkern die schwersten und dichtesten Elemente, und deshalb wissen wir, dass der äußere Kern eine flüssige Schicht ist.

Aber warum ist der äußere Kern flüssig? Wie alle Elemente hängt der Zustand von Eisen, ob fest, flüssig, gasförmig oder anders, vom Druck und der Temperatur des Eisens ab.

Eisen ist ein komplexeres Element als viele, die Sie kennen. Natürlich kann es unterschiedliche kristalline Feststoffe haben, wie in der Grafik gezeigt, aber gewöhnliche Drücke interessieren uns nicht. Wir steigen zum Kern der Erde hinab, wo der Druck millionenfach höher ist als auf Meereshöhe. Und wie sieht das Phasendiagramm bei so hohen Drücken aus?

Das Schöne an der Wissenschaft ist, dass, selbst wenn Sie nicht sofort eine Antwort auf eine Frage haben, die Chancen gut stehen, dass jemand bereits die richtige Recherche durchgeführt hat, um die Antwort zu finden! In diesem Fall fanden Ahrens, Collins und Chen im Jahr 2001 die Antwort auf unsere Frage.

Und obwohl das Diagramm gigantische Drücke von bis zu 120 GPa zeigt, ist es wichtig, sich daran zu erinnern, dass der Druck der Atmosphäre nur 0,0001 GPa beträgt, während im inneren Kern die Drücke 330-360 GPa erreichen. Die obere durchgezogene Linie zeigt die Grenze zwischen schmelzendem Eisen (oben) und festem Eisen (unten). Haben Sie bemerkt, wie die durchgezogene Linie ganz am Ende eine scharfe Aufwärtskurve macht?

Damit Eisen bei einem Druck von 330 GPa schmilzt, ist eine enorme Temperatur erforderlich, vergleichbar mit der, die auf der Sonnenoberfläche herrscht. Die gleichen Temperaturen bei niedrigeren Drücken halten Eisen leicht in einem flüssigen Zustand und bei höheren Drücken in einem festen Zustand. Was bedeutet das in Bezug auf den Erdkern?

Das bedeutet, dass beim Abkühlen der Erde ihre Innentemperatur sinkt, während der Druck unverändert bleibt. Das heißt, während der Entstehung der Erde war höchstwahrscheinlich der gesamte Kern flüssig, und wenn er abkühlt, wächst der innere Kern! Da festes Eisen eine höhere Dichte als flüssiges Eisen hat, schrumpft dabei die Erde langsam, was zu Erdbeben führt!

Der Erdkern ist also flüssig, weil er heiß genug ist, um Eisen zu schmelzen, aber nur in Regionen, in denen der Druck niedrig genug ist. Wenn die Erde altert und abkühlt, wird immer mehr vom Kern fest, und so schrumpft die Erde ein wenig!

Wenn wir weit in die Zukunft blicken wollen, können wir die gleichen Eigenschaften erwarten, die beim Merkur beobachtet werden.

Merkur ist aufgrund seiner geringen Größe bereits abgekühlt und stark zusammengezogen und hat Hunderte von Kilometern lange Risse, da er sich aufgrund der Abkühlung zusammenziehen muss.

Warum hat die Erde einen flüssigen Kern? Weil sie noch nicht abgekühlt ist. Und jedes Erdbeben ist eine kleine Annäherung der Erde an den endgültigen, abgekühlten und durch und durch festen Zustand. Aber keine Sorge, die Sonne wird lange vorher explodieren und jeder, den du kennst, wird für eine sehr lange Zeit tot sein.

In welcher unvordenklichen Zeit geschah dies? All diese Fragen beschäftigen die Menschheit seit langem. Und viele Wissenschaftler wollten schnell herausfinden, was da in der Tiefe ist? Aber es stellte sich heraus, dass es nicht so einfach ist, all dies zu studieren. Schließlich ist die Menschheit auch heute noch in der Lage, mit allen modernen Geräten für alle Arten von Forschungen Brunnen in die Eingeweide von nur etwa fünfzehn Kilometern zu bohren - mehr nicht. Und für vollwertige und umfassende Experimente sollte die erforderliche Tiefe eine Größenordnung größer sein. Daher müssen Wissenschaftler mit einer Vielzahl von hochpräzisen Instrumenten berechnen, wie der Erdkern entstanden ist.

Erkundung der Erde

Seit der Antike haben Menschen natürlich freigelegte Felsen untersucht. Klippen und Hänge von Bergen, steile Ufer von Flüssen und Meeren ... Hier können Sie mit eigenen Augen sehen, was wahrscheinlich vor Millionen von Jahren existierte. An geeigneten Stellen werden Brunnen gebohrt. Einer davon - in seiner Tiefe - fünfzehntausend Meter. Die Minen, für die Menschen aufbrechen, helfen auch, den inneren Kern zu studieren, natürlich können sie ihn nicht „bekommen“. Andererseits können Wissenschaftler aus diesen Minen und Brunnen Gesteinsproben entnehmen und so etwas über deren Veränderung und Entstehung, Struktur und Zusammensetzung erfahren. Der Nachteil dieser Methoden ist, dass sie nur das Land und nur den oberen Teil der Erdkruste erforschen können.

Wiederherstellung der Bedingungen im Erdkern

Aber Geophysik und Seismologie, die Wissenschaften von Erdbeben und der geologischen Zusammensetzung des Planeten, helfen Wissenschaftlern, berührungslos immer tiefer vorzudringen. Durch das Studium seismischer Wellen und ihrer Ausbreitung stellt sich heraus, woraus sowohl der Mantel als auch der Kern bestehen (es wird zum Beispiel mit der Zusammensetzung gefallener Meteoriten ähnlich bestimmt). Dieses Wissen basiert auf den gewonnenen Daten - indirekt - über die physikalischen Eigenschaften von Stoffen. Auch heute wird die Studie durch moderne Daten erleichtert, die von künstlichen Satelliten im Orbit stammen.

Die Struktur des Planeten

Den Wissenschaftlern gelang es zu verstehen, dass die Struktur der Erde komplex ist, indem sie die erhaltenen Daten zusammenfassten. Es besteht aus mindestens drei ungleichen Teilen. In der Mitte befindet sich ein kleiner Kern, der von einem riesigen Mantel umgeben ist. Der Mantel nimmt etwa fünf Sechstel des gesamten Volumens der Erde ein. Und von oben ist alles von einer ziemlich dünnen äußeren Erdkruste bedeckt.

Die Struktur des Kerns

Der Kern ist der zentrale, mittlere Teil. Es ist in mehrere Schichten unterteilt: intern und extern. Nach Ansicht der meisten modernen Wissenschaftler ist der innere Kern fest und der äußere flüssig (er befindet sich in einem geschmolzenen Zustand). Und der Kern ist sehr schwer: Er wiegt mehr als ein Drittel der Masse des gesamten Planeten bei einem Volumen von etwas mehr als 15. Im Kern ist die Temperatur ziemlich hoch, sie reicht von 2000 bis 6000 Grad Celsius. Nach wissenschaftlichen Annahmen besteht der Erdmittelpunkt hauptsächlich aus Eisen und Nickel. Der Radius dieses schweren Segments beträgt 3470 Kilometer. Und seine Oberfläche beträgt etwa 150 Millionen Quadratkilometer, was ungefähr der Fläche aller Kontinente auf der Erdoberfläche entspricht.

Wie ist der Erdkern entstanden?

Es gibt nur sehr wenige Informationen über den Kern unseres Planeten, und sie können nur indirekt gewonnen werden (es gibt keine Kerngesteinsproben). Daher können Theorien nur hypothetisch darüber formuliert werden, wie der Erdkern entstanden ist. Die Geschichte der Erde ist Milliarden Jahre alt. Die meisten Wissenschaftler halten an der Theorie fest, dass sich der Planet am Anfang ziemlich homogen gebildet hat. Der Prozess der Isolierung des Kerns begann später. Und seine Zusammensetzung ist Nickel und Eisen. Wie ist der Erdkern entstanden? Die Schmelze dieser Metalle stieg allmählich zum Zentrum des Planeten hinab und bildete den Kern. Dies war auf das höhere spezifische Gewicht der Schmelze zurückzuführen.

Alternative Theorien

Es gibt auch Gegner dieser Theorie, die ihre eigenen, durchaus vernünftigen Argumente vorbringen. Erstens stellen diese Wissenschaftler den Durchgang einer Legierung aus Eisen und Nickel zum Zentrum des Kerns in Frage (und das sind mehr als 100 Kilometer). Zweitens, wenn wir die Freisetzung von Nickel und Eisen aus meteorischen ähnlichen Silikaten annehmen, dann müsste die entsprechende Reduktionsreaktion stattgefunden haben. Dies wiederum musste mit der Freisetzung einer großen Menge Sauerstoff einhergehen, wodurch ein atmosphärischer Druck von mehreren hunderttausend Atmosphären gebildet wurde. Und es gibt keine Beweise für die Existenz einer solchen Atmosphäre in der Vergangenheit der Erde. Daher wurden Theorien über die anfängliche Bildung des Kerns während der Bildung des gesamten Planeten aufgestellt.

2015 schlugen Oxford-Wissenschaftler sogar eine Theorie vor, nach der der Kern des Planeten Erde aus Uran besteht und Radioaktivität aufweist. Dies beweist indirekt sowohl eine so lange Existenz des Magnetfelds in der Nähe der Erde, als auch die Tatsache, dass unser Planet derzeit viel mehr Wärme abstrahlt, als von früheren wissenschaftlichen Hypothesen angenommen wurde.

Menschen erfüllten die Erde. Wir eroberten Länder, flogen durch die Luft, tauchten in die Tiefen des Ozeans ein. Wir waren sogar auf dem Mond. Aber wir waren noch nie im Kern des Planeten. Wir kamen nicht einmal in seine Nähe. Der Mittelpunkt der Erde liegt 6.000 Kilometer unter unseren Füßen, und selbst der äußerste Teil des Kerns liegt 3.000 Kilometer unter unseren Füßen. Das tiefste Loch, das wir an der Oberfläche gemacht haben, ist, und selbst dann geht es miserable 12,3 Kilometer tief in die Erde.

Alle bekannten Ereignisse auf der Erde finden nahe der Oberfläche statt. Lava, die aus Vulkanen ausbricht, schmilzt erst in einer Tiefe von mehreren hundert Kilometern. Sogar Diamanten, deren Bildung extreme Hitze und Druck erfordert, werden in Felsen in einer Tiefe von nicht mehr als 500 Kilometern geboren.

Alles darunter ist geheimnisumwoben. Scheint unerreichbar. Und doch wissen wir eine Menge interessanter Dinge über unseren Kern. Wir haben sogar eine Vorstellung davon, wie es vor Milliarden von Jahren entstanden ist – alles ohne ein einziges physikalisches Muster. Wie haben wir es geschafft, so viel über den Erdkern zu lernen?

Zuerst muss man sich die Masse der Erde genau überlegen, sagt Simon Redfern von der University of Cambridge im Vereinigten Königreich. Wir können die Masse der Erde abschätzen, indem wir die Wirkung der Schwerkraft des Planeten auf Objekte auf der Oberfläche beobachten. Es stellte sich heraus, dass die Masse der Erde 5,9 Sextillionen Tonnen beträgt: Das sind 59 gefolgt von zwanzig Nullen.

Aber es gibt keine Anzeichen einer solchen Masse an der Oberfläche.

„Die Materialdichte auf der Erdoberfläche ist viel geringer als die durchschnittliche Dichte der gesamten Erde, was uns sagt, dass es etwas Dichteres gibt“, sagt Redfern. - Das ist das erste.

Im Wesentlichen sollte sich der größte Teil der Erdmasse in Richtung des Zentrums des Planeten befinden. Der nächste Schritt besteht darin, herauszufinden, aus welchen schweren Materialien der Kern besteht. Und es besteht fast ausschließlich aus Eisen. 80 % des Kerns bestehen aus Eisen, aber die genaue Zahl bleibt abzuwarten.

Der Hauptbeweis dafür ist die riesige Menge an Eisen im uns umgebenden Universum. Es ist eines der zehn häufigsten Elemente in unserer Galaxie und kommt auch häufig in Meteoriten vor. Bei alledem gibt es viel weniger Eisen auf der Erdoberfläche, als man vermuten würde. Der Theorie zufolge floss bei der Entstehung der Erde vor 4,5 Milliarden Jahren viel Eisen in den Kern.

Dort konzentriert sich die meiste Masse, was bedeutet, dass das Eisen dort sein sollte. Eisen ist unter normalen Bedingungen auch ein relativ dichtes Element, und unter starkem Druck im Erdkern wird es sogar noch dichter sein. Ein Eisenkern könnte die gesamte fehlende Masse ausgleichen.

Aber warte. Wie kam das Eisen überhaupt dorthin? Das Eisen musste irgendwie - buchstäblich - zum Mittelpunkt der Erde angezogen werden. Aber jetzt passiert das nicht.

Der Rest der Erde besteht größtenteils aus Gestein – Silikaten – und geschmolzenes Eisen kommt kaum durch sie hindurch. So wie Wasser auf einer fettigen Oberfläche Tropfen bildet, sammelt sich Eisen in kleinen Tanks und weigert sich, sich auszubreiten und zu verschütten.

Eine mögliche Lösung wurde 2013 von Wendy Mao von der Stanford University und ihren Kollegen entdeckt. Sie fragten sich, was passiert, wenn Eisen und Silikat tief in der Erde einem starken Druck ausgesetzt werden.

Indem sie beide Substanzen mit Diamanten fest zusammenpressten, konnten die Wissenschaftler das geschmolzene Eisen durch das Silikat drücken. „Dieser Druck verändert die Wechselwirkungseigenschaften von Eisen mit Silikaten erheblich“, sagt Mao. - Bei hohem Druck bildet sich ein „Schmelznetzwerk“.

Dies könnte darauf hindeuten, dass Eisen über Millionen von Jahren allmählich durch das Erdgestein gerutscht ist, bis es den Kern erreichte.

An dieser Stelle fragen Sie sich vielleicht: Woher kennen wir eigentlich die Größe des Kernels? Warum glauben Wissenschaftler, dass es 3.000 Kilometer entfernt beginnt? Darauf gibt es nur eine Antwort: Seismologie.

Wenn ein Erdbeben auftritt, sendet es Schockwellen über den ganzen Planeten. Seismologen zeichnen diese Schwingungen auf. Als würden wir mit einem riesigen Hammer auf eine Seite des Planeten schlagen und auf der anderen Seite dem Lärm lauschen.

„In den 1960er Jahren gab es in Chile ein Erdbeben, das uns eine riesige Datenmenge lieferte“, sagt Redfern. „Alle seismischen Stationen rund um die Erde haben die Erschütterungen dieses Erdbebens aufgezeichnet.“

Abhängig vom Weg dieser Schwingungen durchqueren sie verschiedene Teile der Erde, was sich darauf auswirkt, welche Art von "Klang" sie am anderen Ende erzeugen.

Schon früh in der Geschichte der Seismologie wurde deutlich, dass einige Schwingungen fehlten. Es wurde erwartet, dass diese "S-Wellen" am anderen Ende der Erde gesehen werden, nachdem sie an einem entstanden sind, aber das war nicht der Fall. Der Grund dafür ist einfach. S-Wellen hallen durch festes Material und können sich nicht durch Flüssigkeiten ausbreiten.

Sie müssen etwas Schmelzendes im Zentrum der Erde getroffen haben. Nachdem sie die Wege von S-Wellen kartiert hatten, kamen die Wissenschaftler zu dem Schluss, dass das Gestein in einer Tiefe von etwa 3.000 Kilometern flüssig wird. Dies deutet auch darauf hin, dass der gesamte Kern geschmolzen ist. Aber Seismologen hatten eine andere Überraschung in dieser Geschichte.

In den 1930er Jahren entdeckte die dänische Seismologin Inge Lehman, dass eine andere Art von Welle, P-Wellen, unerwartet durch den Kern gewandert und auf der anderen Seite des Planeten gefunden worden war. Es folgte sofort die Vermutung, dass der Kern in zwei Schichten geteilt sei. Der „innere“ Kern, der 5.000 Kilometer tiefer beginnt, war fest. Nur der „äußere“ Kern wird geschmolzen.

Lehmans Idee wurde 1970 bestätigt, als empfindlichere Seismographen zeigten, dass P-Wellen tatsächlich den Kern passieren und in einigen Fällen in bestimmten Winkeln von ihm abprallen. Kein Wunder, dass sie auf der anderen Seite des Planeten landen.

Stoßwellen senden mehr als nur Erdbeben über die Erde. Tatsächlich verdanken Seismologen der Entwicklung von Atomwaffen viel.

Eine nukleare Explosion erzeugt auch Wellen am Boden, sodass sich Staaten bei Atomwaffentests an Seismologen wenden, um Hilfe zu erhalten. Während des Kalten Krieges war dies äußerst wichtig, daher erhielten Seismologen wie Lehman viel Unterstützung.

Konkurrierende Länder lernten etwas über die nuklearen Fähigkeiten der anderen, und parallel dazu lernten wir immer mehr über den Erdkern. Die Seismologie wird auch heute noch zur Erkennung von Atomexplosionen eingesetzt.

Jetzt können wir uns ein grobes Bild vom Aufbau der Erde machen. Es gibt einen geschmolzenen äußeren Kern, der etwa auf halber Strecke zum Zentrum des Planeten beginnt, und im Inneren befindet sich ein fester innerer Kern mit einem Durchmesser von etwa 1220 Kilometern.

Daraus ergeben sich nicht weniger Fragen, insbesondere zum Thema des inneren Kerns. Wie heiß ist es zum Beispiel? Es war nicht einfach, das herauszufinden, und Wissenschaftler haben sich lange Zeit den Kopf zerbrochen, sagt Lidunka Vokadlo vom University College London im Vereinigten Königreich. Da können wir kein Thermometer reinstecken, also bleibt nur, den richtigen Druck im Labor zu erzeugen.

Unter normalen Bedingungen schmilzt Eisen bei einer Temperatur von 1538 Grad

2013 erstellte eine Gruppe französischer Wissenschaftler die bisher beste Schätzung. Sie setzten reines Eisen einem Druck von der Hälfte dessen aus, was im Kern ist, und gingen von diesem aus. Der Schmelzpunkt von reinem Eisen im Kern liegt bei etwa 6230 Grad. Das Vorhandensein anderer Materialien kann den Schmelzpunkt leicht auf bis zu 6000 Grad senken. Aber es ist immer noch heißer als auf der Oberfläche der Sonne.

Als eine Art Bratkartoffel in ihrer Schale bleibt der Kern der Erde heiß, dank der Wärme, die bei der Entstehung des Planeten übrig geblieben ist. Es entzieht auch Wärme aus der Reibung, die durch die Bewegung dichter Materialien sowie durch den Zerfall radioaktiver Elemente entsteht. Sie kühlt sich alle Milliarden Jahre um etwa 100 Grad Celsius ab.

Es ist nützlich, diese Temperatur zu kennen, da sie die Geschwindigkeit beeinflusst, mit der Schwingungen durch den Kern wandern. Und das ist praktisch, denn diese Vibrationen haben etwas Seltsames. P-Wellen wandern überraschend langsam durch den inneren Kern – langsamer als wenn er aus reinem Eisen wäre.

„Die Wellengeschwindigkeiten, die Seismologen bei Erdbeben gemessen haben, sind viel geringer als experimentelle oder Computersimulationen vermuten lassen“, sagt Vocadlo. „Warum das so ist, weiß noch niemand.“

Offensichtlich wird Eisen mit einem anderen Material vermischt. Möglicherweise Nickel. Aber die Wissenschaftler berechneten, wie sich die seismischen Wellen durch die Eisen-Nickel-Legierung ausbreiten sollten, und konnten die Berechnungen nicht mit den Beobachtungen in Einklang bringen.

Vocadlo und ihre Kollegen erwägen derzeit das Vorhandensein anderer Elemente im Kern, wie Schwefel und Silizium. Bisher ist es niemandem gelungen, eine Theorie über die Zusammensetzung des inneren Kerns aufzustellen, die alle zufrieden stellen würde. Cinderellas Problem: Der Schuh passt niemandem. Vocadlo versucht am Computer mit den Materialien des inneren Kerns zu experimentieren. Sie hofft, eine Kombination aus Materialien, Temperaturen und Drücken zu finden, die seismische Wellen genau im richtigen Maß verlangsamt.

Sie sagt, das Geheimnis könnte darin liegen, dass der innere Kern fast seinen Schmelzpunkt erreicht hat. Daher können die genauen Eigenschaften des Materials von denen einer vollkommen festen Substanz abweichen. Es könnte auch erklären, warum sich seismische Wellen langsamer ausbreiten als erwartet.

„Wenn dieser Effekt real ist, könnten wir die Ergebnisse der Mineralphysik mit den Ergebnissen der Seismologie in Einklang bringen“, sagt Vocadlo. "Die Leute können es noch nicht."

Es gibt noch viele Rätsel im Zusammenhang mit dem Erdkern, die noch gelöst werden müssen. Aber nicht in der Lage, in diese unvorstellbaren Tiefen zu tauchen, schaffen Wissenschaftler das Kunststück, herauszufinden, was Tausende von Kilometern unter uns liegt. Es ist äußerst wichtig, die verborgenen Prozesse im Erdinneren zu studieren. Die Erde hat ein starkes Magnetfeld, das durch den teilweise geschmolzenen Kern erzeugt wird. Die ständige Bewegung des geschmolzenen Kerns erzeugt im Inneren des Planeten einen elektrischen Strom, der wiederum ein Magnetfeld erzeugt, das weit in den Weltraum reicht.

Dieses Magnetfeld schützt uns vor schädlicher Sonnenstrahlung. Wenn der Erdkern nicht so wäre, wie er ist, gäbe es kein Magnetfeld, und wir würden ernsthaft darunter leiden. Es ist unwahrscheinlich, dass einer von uns den Kern mit eigenen Augen sehen kann, aber es ist gut zu wissen, dass er da ist.

Um zu berechnen, welche Werte der Druck im Erdinneren erreicht, der durch das Gewicht der Felsen verursacht wird, aus denen die verschiedenen Schalen bestehen, müssen Sie die Dichte der Felsen in allen Tiefen und die Größe der Schwerkraft auch in allen Tiefen bis zu kennen das Zentrum.

Wie wir gesehen haben, nimmt die Gesteinsdichte mit der Tiefe zu, wenn auch ungleichmäßig. Von 2,5 an der Oberfläche geht es bis zu 3,4 in einer Tiefe von etwa 100 km und bis zu 6,0 bei 2900 km unter der Oberfläche. Hier ist an der Kerngrenze ein Sprung im Dichtewert zu beobachten: Er erreicht sofort einen Wert von 9,5 (ungefähr) und wächst dann wieder gleichmäßig an und erreicht in der Mitte des Kerns 12,5 (nach M. S. Molodensky, 1955 ) (vgl. Abb. 8).

Reis. 8. Dichteänderung im Erdinneren.

Was die Schwerkraft anbelangt, so kann folgendes darüber gesagt werden. Die Schwerkraft ist die Kraft, mit der die Erde alle Körper an sich zieht. Unter dem Einfluss dieser Kraft fallen Körper im freien Zustand (z. B. in der Luft) auf die Erde, d. h. bewegen sich zum Erdmittelpunkt, wobei sie allmählich beschleunigen, d. h. „Beschleunigung“ erhalten. Die Größe der "Erdbeschleunigung" kann berechnet werden. An der Erdoberfläche beträgt die Erdbeschleunigung etwa 9,8 m/s 2; In den Tiefen der Erde steigt sie zunächst leicht an und erreicht nahe der Oberfläche des Kerns ein Maximum, dann nimmt sie schnell ab und erreicht im Erdmittelpunkt Null (Abb. 9). Das ist verständlich: Ein Punkt, der sich in der Mitte des Globus befindet, wird von allen ihn umgebenden Teilen mit der gleichen Kraft entlang aller Radien angezogen, und infolgedessen ist die Resultierende gleich Null.

Reis. 9. Änderung der Erdbeschleunigung im Inneren der Erde.

Mit diesen Informationen können wir das Gewicht einer Steinsäule mit einem Querschnitt von 1 Quadrat berechnen. Zentimeter und eine Länge gleich dem Radius der Erde oder eines Teils davon. Dies ist der Druck, der durch das Gewicht der aufliegenden Felsen auf die elementare Fläche ausgeübt wird (1 sq. cm) tief in der Erde. Berechnungen führen zu folgenden Zahlen: Am „Fuß“ der Erdkruste, also am Fuß der Sialitschale (in 50 km) - ungefähr 13.000 Atmosphären, d.h. ungefähr 13 Tonnen pro Quadratzentimeter; an der Grenze des Kerns - etwa 1,4 Millionen Atmosphären; im Zentrum der Erde - etwa 3 Millionen Atmosphären (Abb. 10). Drei Millionen Atmosphären sind ungefähr dreitausend Tonnen pro Quadratzentimeter. Das ist eine riesige Menge. Solche Drücke konnte bisher noch kein Labor erreichen.

Reis. 10. Druckänderungen im Inneren der Erde.

Kommen wir zur Temperatur. Nach Messungen in Bohrlöchern sowie in Bergwerken wurde festgestellt, dass die Temperatur mit der Tiefe zunimmt, und zwar um etwa 3 ° pro 100 Meter. Eine ähnliche Geschwindigkeit des Temperaturanstiegs besteht überall auf allen Kontinenten, aber nur in den äußeren Teilen der Erde, nahe ihrer Oberfläche. Mit der Tiefe sinkt die Größe des „geothermischen Gradienten“ (geothermischer Gradient – ​​Temperaturänderung in Grad pro Zentimeter). Berechnungen auf der Grundlage der Wärmeleitfähigkeit von Gesteinen zeigen, dass der für die äußeren Teile der Erde bekannte geothermische Gradient nicht länger als die ersten 20 Jahre anhält km; darunter verlangsamt sich der Temperaturanstieg deutlich. An der Sohle der Sialic-Hülle ist es unwahrscheinlich, dass die Temperatur über 900 ° C liegt; in einer Tiefe von 100 Kilometer - etwa 1500°; Außerdem verlangsamt sich sein Wachstum noch mehr. Was die zentralen Teile der Erde betrifft, insbesondere den Kern, ist es sehr schwierig, mit Sicherheit etwas darüber zu sagen. Experten, die sich mit diesem Thema befasst haben, glauben, dass das Innere der Erde nicht höher als 2-3 Tausend Grad erhitzt wird (Abb. 11).

Reis. 11. Temperaturänderung im Inneren der Erde.

Es kann interessant sein, sich zum Vergleich daran zu erinnern, dass die Temperatur im Zentrum der Sonne auf 1 Million Grad geschätzt wird, auf der Oberfläche der Sonne - etwa 6000 °. Das Haar einer brennenden Glühbirne wird auf bis zu 3000°C erhitzt.

Interessante Daten liegen zur Frage der Wärmequellen und des thermischen Regimes der Erde vor. Es wurde einmal geglaubt, dass die Erde die "ursprüngliche" Wärme, die ihr von der Sonne "geerbt" wurde, behält und sie allmählich verliert, sich abkühlt und an Volumen schrumpft. Die Entdeckung radioaktiver Elemente hat bisherige Vorstellungen verändert. Es stellte sich heraus, dass die Gesteine, aus denen die Erdkruste besteht, radioaktive Elemente enthalten, die spontan und kontinuierlich Wärme abgeben. Die Menge dieser Wärme wird auf ungefähr 6 Millionstel einer kleinen Kalorie pro 1 Kubikzentimeter Gestein pro Jahr geschätzt, und um den gesamten Wärmeverbrauch zu decken, der von der Erdoberfläche in den Weltall abgestrahlt wird, ist es notwendig, dass die gleiche elementare Gesteinswürfel geben nur drei Zehnmillionstel kleiner Kalorien pro Jahr ab. Mit anderen Worten, es gibt keinen Grund zu der Annahme, dass sich der Globus abkühlt. Im Gegenteil, es kann sich erwärmen. Auf dieser Grundlage wurden in den letzten Jahren neue Hypothesen zur Entwicklung der Erdkruste und zum Ursprung der von ihr erfahrenen Bewegungen aufgestellt.

Angesichts der hohen Temperatur im Erdinneren haben wir das Recht, die folgende Frage zu stellen: In welchem ​​physikalischen („Aggregat-“) Zustand befinden sich die inneren Teile der Erde? Fest oder flüssig oder vielleicht gasförmig?

Die neueste Version, also das Konzept des gasförmigen Zustands der Materie im Inneren der Erde, kann sofort verworfen werden. Um die Mineralien, aus denen die Erde besteht, in Gas umzuwandeln, ist eine viel höhere Temperatur als die zulässige erforderlich, wenn man nach den oben angegebenen Daten urteilt.

Aber Felsen können in einem flüssigen Zustand sein. Es ist beispielsweise bekannt, dass „saures“ Gestein bei 1000 °C, „basisches“ Gestein bei 1000–1200 °C und „ultrabasisches“ Gestein bei 1300–1400 °C schmilzt. Das bedeutet, dass bereits in einer Tiefe von 100–130 km Felsen sollten schmelzen. Aber es gibt einen sehr hohen Druck, und der Druck erhöht den Schmelzpunkt. Wessen Einfluss wird größer sein: hohe Temperatur oder hoher Druck?

Hier müssen wir wieder auf die Hilfe seismischer Beobachtungen zurückgreifen. Längs- und Querwellen passieren frei alle Schalen der Erde, die zwischen der Erdoberfläche und der Grenze des Kerns eingeschlossen sind; folglich verhält sich Materie hier überall wie ein Festkörper. Diese Schlussfolgerung stimmt mit der Schlussfolgerung von Astronomen und Geophysikern überein, die gezeigt haben, dass die Härte der Erde als Ganzes der Härte von Stahl nahe kommt. Nach den Berechnungen von V. F. Bonchkovsky wird die Härte der Erde auf 12 10 11 Dyn pro Quadratzentimeter geschätzt, was viermal größer ist als die Härte von Granit.

Somit legt die Gesamtheit der modernen Daten nahe, dass alle Schalen der Erde (außer ihrem Kern!) als in einem festen Zustand betrachtet werden sollten. Der flüssige Aggregatzustand kann nur für ganz unbedeutende Bereiche in der Dicke der Erdkruste angenommen werden, mit denen Vulkane direkt verbunden sind.

Die Erde wurde zusammen mit anderen Körpern des Sonnensystems aus einer kalten Gas- und Staubwolke durch Akkretion der Partikel, aus denen sie bestand, gebildet. Nach dem Erscheinen des Planeten begann eine völlig neue Phase seiner Entwicklung, die in der Wissenschaft üblicherweise als prägeologisch bezeichnet wird.
Der Name des Zeitraums rührt daher, dass die frühesten Zeugnisse vergangener Prozesse – magmatische oder vulkanische Gesteine ​​– nicht älter als 4 Milliarden Jahre sind. Nur Wissenschaftler können sie heute untersuchen.
Das vorgeologische Stadium der Erdentwicklung ist noch voller Rätsel. Es umfasst einen Zeitraum von 0,9 Milliarden Jahren und ist durch eine breite Manifestation des Vulkanismus auf dem Planeten mit der Freisetzung von Gasen und Wasserdampf gekennzeichnet. Zu dieser Zeit begann der Prozess der Schichtung der Erde in die Hauptschalen - Kern, Mantel, Kruste und Atmosphäre. Es wird vermutet, dass dieser Prozess durch einen intensiven Meteoritenbeschuss unseres Planeten und das Aufschmelzen seiner Einzelteile ausgelöst wurde.
Eines der Schlüsselereignisse in der Geschichte der Erde war die Bildung ihres inneren Kerns. Dies geschah wahrscheinlich in der vorgeologischen Phase der Entwicklung des Planeten, als alle Materie in zwei Hauptgeosphären unterteilt wurde - den Kern und den Mantel.
Leider gibt es noch keine verlässliche Theorie über die Entstehung des Erdkerns, die durch seriöse wissenschaftliche Informationen und Beweise bestätigt würde. Wie ist der Kern der Erde entstanden? Zu dieser Frage bieten Wissenschaftler zwei Haupthypothesen an.
Nach der ersten Version war die Substanz unmittelbar nach der Entstehung der Erde homogen.
Es bestand ausschließlich aus Mikropartikeln, die man heute in Meteoriten beobachten kann. Diese zunächst homogene Masse zerfiel aber nach einiger Zeit in einen schweren Kern, in dem alles Eisen verglaste, und einen leichteren Silikatmantel. Mit anderen Worten, Tropfen aus geschmolzenem Eisen und die damit verbundenen schweren chemischen Verbindungen setzten sich im Zentrum unseres Planeten ab und bildeten dort einen Kern, der bis heute weitgehend geschmolzen ist. Als schwere Elemente zum Erdmittelpunkt strebten, schwebten im Gegenteil leichte Schlacken nach oben - zu den äußeren Schichten des Planeten. Heute bilden diese leichten Elemente den oberen Mantel und die Erdkruste.
Warum kam es zu einer solchen Differenzierung der Materie? Es wird angenommen, dass sich die Erde unmittelbar nach Abschluss ihres Entstehungsprozesses intensiv zu erwärmen begann, hauptsächlich aufgrund der Energie, die bei der Ansammlung von Partikeln durch die Schwerkraft freigesetzt wird, sowie aufgrund der Energie des radioaktiven Zerfalls von einzelne chemische Elemente.
Eine zusätzliche Erwärmung des Planeten und die Bildung einer Eisen-Nickel-Legierung, die aufgrund ihres erheblichen spezifischen Gewichts allmählich zum Erdmittelpunkt absinkt, wurde durch den angeblichen Meteoritenbeschuss ermöglicht.
Allerdings stößt diese Hypothese auf einige Schwierigkeiten. So ist zum Beispiel nicht ganz klar, wie eine Eisen-Nickel-Legierung selbst in flüssigem Zustand mehr als tausend Kilometer absinken und die Region des Planetenkerns erreichen konnte.
Nach der zweiten Hypothese wurde der Erdkern aus Eisenmeteoriten gebildet, die mit der Oberfläche des Planeten kollidierten, und später mit einer Silikathülle aus Steinmeteoriten überwuchert und den Mantel bildeten.

Diese Hypothese enthält einen schwerwiegenden Fehler. In dieser Situation sollten im Weltraum Eisen- und Steinmeteoriten getrennt existieren. Moderne Studien zeigen, dass Eisenmeteoriten nur in den Eingeweiden eines Planeten entstanden sein können, der unter erheblichem Druck zerbrach, also nach der Entstehung unseres Sonnensystems und aller Planeten.
Die erste Version sieht logischer aus, da sie eine dynamische Grenze zwischen Erdkern und Erdmantel vorsieht. Dies bedeutet, dass der Prozess der Trennung der Materie zwischen ihnen auf dem Planeten sehr lange andauern und dadurch einen großen Einfluss auf die weitere Entwicklung der Erde ausüben könnte.
Wenn wir also die erste Hypothese von der Bildung des Planetenkerns zugrunde legen, dann erstreckte sich der Prozess der Differenzierung der Materie über etwa 1,6 Milliarden Jahre. Durch Gravitationsdifferenzierung und radioaktiven Zerfall wurde die Materietrennung sichergestellt.
Schwere Elemente sanken nur bis zu einer Tiefe, unterhalb derer die Substanz so zähflüssig war, dass Eisen nicht mehr absinken konnte. Als Ergebnis dieses Prozesses wurde eine sehr dichte und schwere ringförmige Schicht aus geschmolzenem Eisen und seinem Oxid gebildet. Es befand sich über der leichteren Substanz des Urkerns unseres Planeten. Außerdem wurde eine leichte Silikatsubstanz aus dem Erdmittelpunkt herausgepresst. Außerdem wurde es am Äquator herausgedrängt, was vielleicht den Beginn der Asymmetrie des Planeten markierte.
Es wird angenommen, dass während der Bildung des Eisenkerns der Erde eine signifikante Abnahme des Volumens des Planeten eingetreten ist, wodurch seine Oberfläche inzwischen abgenommen hat. Die an die Oberfläche „aufgetauchten“ leichten Elemente und ihre Verbindungen bildeten eine dünne Primärkruste, die wie alle Planeten der terrestrischen Gruppe aus vulkanischen Basalten bestand, die von oben von einer Sedimentschicht überlagert wurden.
Es ist jedoch nicht möglich, lebendige geologische Beweise für vergangene Prozesse zu finden, die mit der Bildung des Erdkerns und des Erdmantels verbunden sind. Wie bereits erwähnt, sind die ältesten Gesteine ​​auf dem Planeten Erde etwa 4 Milliarden Jahre alt. Höchstwahrscheinlich haben sich zu Beginn der Entwicklung des Planeten unter dem Einfluss hoher Temperaturen und Drücke primäre Basalte verwandelt, geschmolzen und in uns bekannte Granit-Gneis-Felsen umgewandelt.
Was ist der Kern unseres Planeten, der wahrscheinlich in den frühesten Stadien der Erdentwicklung entstanden ist? Es besteht aus einer Außen- und einer Innenschale. Nach wissenschaftlichen Annahmen gibt es in einer Tiefe von 2900-5100 km einen äußeren Kern, der sich in seinen physikalischen Eigenschaften einer Flüssigkeit nähert.
Der äußere Kern ist ein Strom aus geschmolzenem Eisen und Nickel, ein guter elektrischer Leiter. Mit diesem Kern verbinden Wissenschaftler den Ursprung des Erdmagnetfeldes. Die 1270 km verbleibende Lücke zum Erdmittelpunkt wird vom inneren Kern eingenommen, der zu 80 % aus Eisen und zu 20 % aus Siliziumdioxid besteht.
Der innere Kern ist hart und hohe Temperatur. Wenn das Äußere direkt mit dem Mantel verbunden ist, dann existiert der innere Erdkern von selbst. Seine Härte wird trotz der hohen Temperaturen durch den gigantischen Druck im Zentrum des Planeten gewährleistet, der 3 Millionen Atmosphären erreichen kann.
Viele chemische Elemente gehen dadurch in einen metallischen Zustand über. Daher wurde sogar vermutet, dass der innere Kern der Erde aus metallischem Wasserstoff besteht.
Der dichte innere Kern hat schwerwiegende Auswirkungen auf das Leben auf unserem Planeten. Darin konzentriert sich das planetarische Gravitationsfeld, das leichte Gashüllen, die Hydrosphäre und geosphärische Schichten der Erde vor Streuung bewahrt.
Wahrscheinlich ist ein solches Feld seit der Entstehung des Planeten charakteristisch für den Kern, wie auch immer er damals in seiner chemischen Zusammensetzung und Struktur war. Es trug zur Kontraktion der gebildeten Partikel zum Zentrum bei.
Dennoch ist die Entstehung des Kerns und die Erforschung der inneren Struktur der Erde das dringendste Problem für Wissenschaftler, die eng mit der Erforschung der geologischen Geschichte unseres Planeten befasst sind. Die endgültige Lösung dieses Problems ist noch sehr weit entfernt. Um verschiedene Widersprüche zu vermeiden, hat die moderne Wissenschaft die Hypothese angenommen, dass der Prozess der Kernbildung gleichzeitig mit der Entstehung der Erde begann.