Външното ядро: Въртящият се котел на Земята

Този планетарен слой е от съществено значение за живота на Земята, тъй като генерира магнитното поле на планетата. По същество разтопеното желязо и никел генерират ефект на динамо – това се нарича "ефект на геодинамо". Без този ефект и магнитното поле, което произвежда, животът на Земята ще бъде изложен на вредна слънчева радиация и вероятно няма да може да се развие.

Вътрешният (но не най-вътрешният) слой на Земята

Помислете за момент за геологията, която виждате около вас – долините, равнините, планините. Всички те са част от земната кора. Но земната кора е само малка част от това, което съставлява нашата планета. Кората е най-тънкият от слоевете на Земята и е по-тънка (пропорционално) от кората на ябълка. Представете си за какви размери говорим, когато говорим за ядрото и мантията!

Ядрото обикновено се разглежда като два различни слоя. Причината е, че тези два слоя (външното ядро и вътрешното ядро) имат различни свойства. Мисленето за ядрото като два отделни слоя позволява на учените да разберат по-добре и да обяснят някои от свойствата и поведението на Земята.

Разликата между външното и вътрешното ядро не е само въпрос на дълбочина. Това е държавен въпрос. Докато външното ядро е въртяща се течност, вътрешното ядро е твърда сфера. Да, дори при температури, които могат да надвишат тези на външното ядро, огромното налягане на тази дълбочина поддържа вътрешното ядро твърдо.

Приказка за две ядра

Над външното ядро лежи мантията. Мантията е предимно твърд слой, който се простира от земната кора до дълбочина от около 1800 мили. За разлика от богатото на желязо външно ядро, мантията е съставена главно от силикатни скали. Следователно мантията е богата на елементи като силиций, магнезий и кислород. Докато мантията може също да съдържа малко желязо и никел, тези елементи са свързани в минерални структури, а не в свободно течащо течно състояние. Мантията, най-дебелият слой на Земята, също е много по-хладна от външното ядро.

Под външното ядро се намира вътрешното ядро – твърда сфера с радиус от около 1220 километра. Температурата във вътрешното ядро е около 5200° по Целзий. Но въпреки тази огромна температура вътрешното ядро е твърдо. Налягането във вътрешното ядро е почти 3,6 милиона атмосфери – това е 3,6 милиона пъти повече от налягането на морското равнище. За сравнение налягането в най-дълбоката точка на Земята (Марианската падина) е „малко“ над 1000 атмосфери.

Това огромно налягане не позволява на вътрешното ядро да остане течно. Но във външното ядро налягането е малко по-ниско, под 3,3 милиона атмосфери, което все още позволява на външното ядро да остане „течно“. Така че, въпреки че двата компонента на ядрото са подобни от химическа гледна точка, те изглеждат доста различни физически. Разбира се, това не е течност като вода или кафе. Това е по-скоро гъста, вискозна, подобна на мед метална стопилка.

Което повдига въпроса: откъде знаем всичко това?

Откъде знаем за външното ядро?

Най-дълбоката дупка, която човечеството някога е копало, е малко над 12 километра. Тогава как да знаем какво се случва толкова дълбоко в Земята?

Голяма част (разбирайте почти всичко) от това, което знаем за дълбоката вътрешност на Земята, идва от сеизмичните вълни. Когато се случи земетресение, то изпраща сеизмични вълни навсякъде. Изследователите разполагат със специални сензори, наречени сеизмографи, които могат да открият тези сеизмични вълни и да анализират как вълните се разпространяват през различни части на нашата планета.

Например сеизмичните вълни се държат по различен начин, когато преминават през твърда и течна материя, и тази разлика ни помага да научим повече за вътрешната структура на Земята. По-специално, един тип, представен от срязващи вълни, не се разпространява през течности – тези сеизмични вълни не се разпространяват през външното ядро. Следователно знаем, че външното ядро трябва да е „течно“ (отново не си мислете, че е като вода).

Сеизмичните вълни и вътрешността на Земята

В допълнение към вълните на срязване има и вълни на натиск, известни също като P-вълни (наречени така от prima – „пръв“, заради това, че се регистрират първи). P-вълните могат да преминават през твърди и течни материали, но с различни скорости. Чрез измерване на времето, необходимо на P-вълните и срязващите вълни да преминат през Земята и да достигнат до сеизмичните станции, разположени в различни точки на повърхността, учените могат да създадат подробни модели на вътрешната структура на Земята. Този метод на изследване е това, което наричаме сеизмология.

Скоростта и поведението на тези вълни предоставят указания за вида на материала, през който преминават, нещо като „ултразвук“ за планетата. Например, когато P-вълните се забавят значително, това е индикатор, че те преминават през по-малко твърд или течен слой. Ето как изследователите са заключили за съществуването на течно външно ядро и твърдо вътрешно ядро на Земята.

И това не е само ядрото, за което можем да научим! Чрез изучаване на сеизмичните вълни учените могат също да получат представа за различните плътности и състави на мантията и кората на Земята, разкривайки много за нейната геология и дори помагайки ни да разберем явления като тектониката на плочите.

Защо външното ядро е важно за вас

Защо вие, стоящи на привидно стабилната повърхност, трябва да се интересувате от тази дълбока и далечна част от нашата планета? Е, без външното ядро и неговите динамични дейности нашата планета нямаше да има защитно магнитно поле. Този магнитен щит ни предпазва от вредното слънчево лъчение. Без него животът, какъвто го познаваме, може да не съществува!

Външното ядро генерира магнитното поле на Земята чрез процес, известен като геодинамо. Представете си това магнитно поле като невидим щит, който обгражда Земята. Една от най-важните му функции е да защитава планетата от вредния слънчев вятър – заредени частици, които постоянно се движат от Слънцето. Без този щит слънчевият вятър постепенно би отстранил земната атмосфера, което би направило невъзможно животът, какъвто го познаваме, да оцелее.

Без магнетизъм няма живот

Магнитното поле на Земята косвено спомага за стабилността на климата. Стабилният климат е жизненоважен за процъфтяването на екосистемите и за адаптирането на формите на живот. Въпреки че самото магнитно поле не е регулатор на климата, неговата защитна роля в запазването на атмосферата гарантира, че механизмите, управляващи климата на Земята, като парниковия ефект, остават непокътнати.

„Силното магнитно поле осигурява щит за атмосферата“, казва Джон Тардуно, геофизик от университета в Рочестър и водещ експерт по магнитното поле на Земята, „Това е важно за запазването на условията за обитаемост на Земята.“

Нашето магнитно поле не само ни защитава – то ни помага да се ориентираме. От векове изследователите са разчитали на компаси по своя път. Много животни, като прелетни птици и морски костенурки, разчитат на магнитното поле на Земята за навигация. Естественият компас, осигурен от нашата планета, е инструмент за тези видове да намерят пътя си на хиляди километри, гарантирайки тяхното оцеляване и здравето на екосистемите.

Без външното ядро (или ако външното ядро бъде значително променено), животът на Земята би бил драматично различен или изобщо нямаше да съществува. Освен това, разбирането на външното ядро също ни помага да се ровим в историята на Земята и да правим прогнози за геоложки събития като земетресения и вулканични дейности. Въпреки че това може да не поддържа директно живота, то със сигурност допринася за способността ни да го защитим.

Факти за външното ядро на Земята

Какво представлява външното ядро на Земята?

• Външното ядро на Земята е слой от разтопен метал, разположен между вътрешното ядро на Земята и мантията. Той играе решаваща роля в магнитното поле на планетата и се състои основно от желязо и никел.

Колко дълбоко е външното ядро на Земята?

• Външното ядро започва на дълбочина от приблизително 2890 километра под повърхността на Земята и се простира до дълбочина от около 5150 километра.

Каква е температурата на външното ядро на Земята?

• Температурата на външното ядро на Земята варира между приблизително 4000 и 6000 градуса по Целзий.

Каква е разликата между външното ядро и вътрешното ядро?

• Основната разлика е в техните състояния: външното ядро е течно, докато вътрешното е твърдо. Вътрешното ядро също така е по-горещо и се простира от дълбочина 5150 километра до центъра на Земята на около 6371 километра.

Как учените знаят от какво е направено външното ядро?

• Учените използват сеизмични вълни от земетресения, за да изследват вътрешността на Земята. Като изследват как тези вълни преминават или се отразяват от различни слоеве, те могат да направят обосновани предположения за състава на външното ядро.

Защо външното ядро на Земята е важно?

• Движението на разтопения метал във външното ядро на Земята генерира магнитното поле на Земята. Това магнитно поле предпазва планетата от вредната слънчева радиация и помага при навигация и ориентация.

Какво би станало, ако външното ядро на Земята спре да се движи?

• Ако външното ядро на Земята спре да се движи, това ще доведе до колапс на магнитното поле на Земята. Това би имало катастрофални последици, включително повишено излагане на слънчева радиация и потенциална загуба на атмосферата с течение на времето.

Влияе ли външното ядро върху въртенето на Земята?

• Да, смята се, че динамиката на флуидите на външното ядро взаимодейства с въртенето на Земята, въпреки че точната връзка все още е област на изследвания.

Как външното ядро влияе на климата на Земята?

• Докато външното ядро не участва пряко в климатичните процеси, неговата роля в поддържането на магнитното поле на Земята косвено влияе върху климата, като защитава атмосферата.

Можем ли някога да достигнем външното ядро на Земята?

• Достигането до външното ядро на Земята ще изисква пробиване на хиляди километри твърда скала и след това навлизане в среда с високо налягане и висока температура от разтопен метал. При сегашната технология това не е осъществимо.

В заключение: честване на ядрото на нашия свят

Нашата Земя е чудо, с мистерии и чудеса, простиращи се далеч под земята, по която стъпваме. Външното ядро, със своята разтопена магия и ролята си в оформянето на характера на нашата планета, е свидетелство за динамичната природа на нашия свят. Танцът на разтопен метал, който се върти дълбоко под вас, защитава, напътства и придава магнетичния чар на нашата планета.