Por que o núcleo da terra. O que há no centro da Terra? Recriando condições no núcleo da Terra
O núcleo da Terra inclui duas camadas com uma zona limite entre elas: a camada líquida externa do núcleo atinge uma espessura de 2.266 quilômetros, abaixo dela há um núcleo maciço e denso, cujo diâmetro é estimado em 1.300 km. A zona de transição tem espessura não uniforme e endurece gradativamente, transformando-se no núcleo interno. Na superfície da camada superior, a temperatura gira em torno de 5.960 graus Celsius, embora esse dado seja considerado aproximado.
Composição aproximada do núcleo externo e métodos para sua determinação
Muito pouco ainda se sabe sobre a composição até mesmo da camada externa do núcleo terrestre, uma vez que não é possível obter amostras para estudo. Os principais elementos que podem constituir o núcleo externo do nosso planeta são o ferro e o níquel. Os cientistas chegaram a essa hipótese como resultado da análise da composição dos meteoritos, uma vez que os errantes do espaço são fragmentos de núcleos de asteróides e outros planetas.
No entanto, os meteoritos não podem ser considerados absolutamente idênticos em composição química, uma vez que os corpos cósmicos originais eram muito menores em tamanho que a Terra. Depois de muita pesquisa, os cientistas chegaram à conclusão de que a parte líquida da substância nuclear é altamente diluída com outros elementos, inclusive o enxofre. Isso explica sua densidade mais baixa que a das ligas de ferro-níquel.
O que acontece no núcleo externo do planeta?
A superfície externa do núcleo na fronteira com o manto é heterogênea. Os cientistas sugerem que ele tenha espessuras diferentes, formando uma espécie de relevo interno. Isto é explicado pela mistura constante de substâncias profundas heterogêneas. Eles diferem na composição química e também possuem densidades diferentes, de modo que a espessura da fronteira entre o núcleo e o manto pode variar de 150 a 350 km.
Escritores de ficção científica de anos anteriores descreveram em suas obras uma viagem ao centro da Terra através de cavernas profundas e passagens subterrâneas. Isso é realmente possível? Infelizmente, a pressão na superfície do núcleo excede 113 milhões de atmosferas. Isso significa que qualquer caverna teria “fechado” com força, mesmo na fase de aproximação do manto. Isso explica por que não existem cavernas em nosso planeta com profundidade superior a pelo menos 1 km.
Como estudamos a camada externa do núcleo?
Os cientistas podem avaliar a aparência do núcleo e em que consiste monitorando a atividade sísmica. Por exemplo, descobriu-se que as camadas externa e interna giram em direções diferentes sob a influência de um campo magnético. O núcleo da Terra esconde dezenas de outros mistérios não resolvidos e aguarda novas descobertas fundamentais.
Em que tempos imemoriais isso aconteceu? Todas essas questões preocupam a humanidade há muito tempo. E muitos cientistas queriam descobrir rapidamente o que havia nas profundezas? Mas descobriu-se que aprender tudo isso não é tão fácil. Afinal, ainda hoje, tendo todos os dispositivos modernos para realizar todos os tipos de pesquisas, a humanidade é capaz de perfurar poços em profundidades de apenas quinze quilômetros - nada mais. E para experimentos completos e abrangentes, a profundidade necessária deve ser uma ordem de grandeza maior. Portanto, os cientistas precisam calcular como o núcleo da Terra foi formado usando uma variedade de instrumentos de alta precisão.
Explorando a Terra
Desde os tempos antigos, as pessoas estudam rochas naturalmente expostas. Falésias e encostas de montanhas, margens íngremes de rios e mares... Aqui você pode ver com seus próprios olhos o que provavelmente existiu há milhões de anos. E em alguns locais adequados estão sendo perfurados poços. Um deles está na profundidade - quinze mil metros. As minas que as pessoas cavam também ajudam a estudar o Núcleo interno, é claro, elas não podem “pegá-lo”. Mas a partir dessas minas e poços, os cientistas podem extrair amostras de rochas, aprendendo assim sobre suas mudanças e origem, estrutura e composição. A desvantagem desses métodos é que eles só são capazes de estudar a terra e apenas a parte superior da crosta terrestre.
Recriando condições no núcleo da Terra
Mas a geofísica e a sismologia - as ciências dos terremotos e da composição geológica do planeta - ajudam os cientistas a penetrar cada vez mais fundo sem contato. Ao estudar as ondas sísmicas e sua propagação, é determinado em que consistem o manto e o núcleo (é determinado de forma semelhante, por exemplo, com a composição dos meteoritos caídos). Tal conhecimento é baseado em dados obtidos – indiretos – sobre as propriedades físicas das substâncias. Também hoje, dados modernos obtidos de satélites artificiais em órbita contribuem para o estudo.
Estrutura do planeta
Os cientistas conseguiram compreender, ao resumir os dados obtidos, que a estrutura da Terra é complexa. Consiste em pelo menos três partes desiguais. No centro existe um pequeno núcleo, que é rodeado por um enorme manto. O manto ocupa aproximadamente cinco sextos de todo o volume da Terra. E no topo tudo é coberto por uma crosta externa bastante fina da Terra.
Estrutura central
O núcleo é a parte central e intermediária. Está dividido em várias camadas: interna e externa. De acordo com a maioria dos cientistas modernos, o núcleo interno é sólido e o núcleo externo é líquido (em estado fundido). E o núcleo também é muito pesado: pesa mais de um terço da massa de todo o planeta, com um volume de pouco mais de 15. A temperatura central é bastante elevada, variando de 2.000 a 6.000 graus Celsius. De acordo com suposições científicas, o centro da Terra consiste principalmente de ferro e níquel. O raio deste segmento pesado é de 3.470 quilômetros. E sua área de superfície é de cerca de 150 milhões de quilômetros quadrados, o que é aproximadamente igual à área de todos os continentes na superfície da Terra.
Como o núcleo da Terra foi formado
Há muito pouca informação sobre o núcleo do nosso planeta e só pode ser obtida indiretamente (não há amostras de rochas do núcleo). Portanto, as teorias só podem ser expressas hipoteticamente sobre como o núcleo da Terra foi formado. A história da Terra remonta a bilhões de anos. A maioria dos cientistas adere à teoria de que a princípio o planeta se formou de forma bastante homogênea. O processo de isolamento do núcleo começou posteriormente. E sua composição é níquel e ferro. Como foi formado o núcleo da Terra? A fusão desses metais afundou gradualmente em direção ao centro do planeta, formando o núcleo. Isto foi devido à maior gravidade específica do fundido.
Teorias alternativas
Há também opositores a esta teoria, que apresentam argumentos próprios e bastante razoáveis. Em primeiro lugar, estes cientistas questionam o facto de uma liga de ferro e níquel ter passado para o centro do núcleo (que tem mais de 100 quilómetros). Em segundo lugar, se assumirmos a libertação de níquel e ferro de silicatos semelhantes aos meteoritos, então deveria ter ocorrido uma reacção de redução correspondente. Isto, por sua vez, deveria ter sido acompanhado pela liberação de uma enorme quantidade de oxigênio, formando uma pressão atmosférica de várias centenas de milhares de atmosferas. Mas não há evidências da existência de tal atmosfera no passado da Terra. É por isso que foram apresentadas teorias sobre a formação inicial do núcleo durante a formação de todo o planeta.
Em 2015, cientistas de Oxford chegaram a propor uma teoria segundo a qual o núcleo do planeta Terra consiste em urânio e possui radioatividade. Isto prova indirectamente a longa existência do campo magnético da Terra e o facto de que nos tempos modernos o nosso planeta emite muito mais calor do que o esperado pelas hipóteses científicas anteriores.
Inúmeras ideias foram expressas sobre a estrutura do núcleo da Terra. Dmitry Ivanovich Sokolov, geólogo e acadêmico russo, disse que as substâncias dentro da Terra são distribuídas como escória e metal em um forno de fundição.
Esta comparação figurativa foi confirmada mais de uma vez. Os cientistas estudaram cuidadosamente os meteoritos de ferro que chegam do espaço, considerando-os fragmentos do núcleo de um planeta desintegrado.
Isso significa que o núcleo da Terra também deveria consistir de ferro pesado em estado fundido.
Em 1922, o geoquímico norueguês Victor Moritz Goldschmidt apresentou a ideia de uma estratificação geral da substância da Terra numa época em que todo o planeta estava em estado líquido. Ele derivou isso por analogia com o processo metalúrgico estudado nas siderúrgicas. “No estágio de derretimento líquido”, disse ele, “a substância da Terra foi dividida em três líquidos imiscíveis - silicato, sulfeto e metálico.
Com maior resfriamento, esses líquidos formaram as principais conchas da Terra - a crosta, o manto e o núcleo de ferro!
Porém, mais perto do nosso tempo, a ideia de uma origem “quente” do nosso planeta era cada vez mais inferior a uma criação “fria”. E em 1939, Lodochnikov propôs uma imagem diferente da formação do interior da Terra. A essa altura, a ideia das transições de fase da matéria já era conhecida. Lodochnikov sugeriu que as mudanças de fase na matéria se intensificam com o aumento da profundidade, como resultado a matéria é dividida em conchas. Neste caso, o núcleo não precisa necessariamente ser de ferro. Pode consistir em rochas de silicato superconsolidadas que estão em estado “metálico”.
Esta ideia foi retomada e desenvolvida em 1948 pelo cientista finlandês V. Ramsey. Descobriu-se que embora o núcleo da Terra tenha um estado físico diferente do manto, não há razão para considerá-lo composto de ferro. Afinal, a olivina superconsolidada pode ser tão pesada quanto o metal...
Foi assim que surgiram duas hipóteses mutuamente exclusivas sobre a composição do núcleo.
Um deles é desenvolvido com base nas ideias de E. Wichert sobre uma liga de ferro-níquel com pequenas adições de elementos leves como material para o núcleo da Terra.
E a segunda - proposta por V.N. Lodochnikov e desenvolvida por V. Ramsey, que afirma que a composição do núcleo não difere da composição do manto, mas a substância nele contida está em um estado metalizado particularmente denso.
Para decidir para que lado a balança deveria inclinar-se, cientistas de muitos países realizaram experiências em laboratórios e contaram e contaram, comparando os resultados dos seus cálculos com o que estudos sísmicos e experiências de laboratório mostraram.
Modelo da Terra. Século XX
Na década de 60, os especialistas finalmente chegaram à conclusão: a hipótese de metalização dos silicatos, nas pressões e temperaturas prevalecentes no núcleo, não se confirma! Além disso, os estudos realizados provaram de forma convincente que o centro do nosso planeta deveria conter pelo menos oitenta por cento da reserva total de ferro... Então, afinal, o núcleo da Terra é ferro? Ferro, mas não exatamente. Metal puro ou liga de metal puro comprimido no centro do planeta seria pesado demais para a Terra. Portanto, deve-se supor que o material do núcleo externo consiste em compostos de ferro com elementos mais leves - oxigênio, alumínio, silício ou enxofre, mais comuns na crosta terrestre.
Mas quais especificamente? Isto é desconhecido.
E assim o cientista soviético Oleg Georgievich Sorokhtin empreendeu um novo estudo. Procuremos seguir de forma simplificada o curso de seu raciocínio, exposto no interessante livro “Evolução Global da Terra”.
Com base nas últimas conquistas da ciência geológica, o cientista soviético conclui que no primeiro período de formação a Terra era provavelmente mais ou menos homogênea. Todas as suas substâncias foram distribuídas aproximadamente igualmente por todo o volume.
Porém, com o passar do tempo, elementos mais pesados, como o ferro, começaram a afundar, por assim dizer, “afundando” no manto, indo cada vez mais fundo em direção ao centro do planeta. Se for assim, então, comparando rochas jovens e velhas, podemos esperar que nas rochas jovens haja um menor teor de elementos pesados, como o ferro, que é difundido na substância da Terra.
O estudo de lavas antigas confirmou esta suposição. No entanto, o núcleo da Terra não pode ser puramente de ferro. É muito leve para isso.
Qual era o companheiro do ferro a caminho do centro?
O cientista tentou muitos elementos. Mas alguns não se dissolveram bem no derretimento, enquanto outros revelaram-se incompatíveis.
E então Sorokhtin pensou: o elemento mais comum – o oxigênio – não era um companheiro do ferro?
É verdade que os cálculos mostraram que o composto de ferro e oxigênio - óxido de ferro - parece leve demais para o núcleo. Mas sob condições de compressão e aquecimento nas profundezas, o óxido de ferro também deve sofrer mudanças de fase.
Nas condições existentes perto do centro da Terra, apenas dois átomos de ferro são capazes de reter um átomo de oxigênio. Isto significa que a densidade do óxido resultante se tornará maior...
E novamente cálculos, cálculos.
Mas que satisfação quando o resultado obtido mostrou que a densidade e a massa do núcleo da Terra, construído a partir de óxido de ferro que sofreu mudanças de fase, dão exatamente o valor exigido pelo modelo moderno do núcleo!
Aqui está ele - um modelo moderno e, talvez, o mais plausível do nosso planeta em toda a história de sua busca. “O núcleo externo da Terra consiste em óxido de ferro Fe 2 O, o núcleo interno é feito de ferro metálico ou uma liga de ferro e níquel”, escreve Oleg Georgievich Sorokhtin em seu livro. “A camada de transição F entre os núcleos interno e externo pode ser considerada como consistindo de sulfeto de ferro – troillita FeS.”
Muitos excelentes geólogos e geofísicos, oceanólogos e sismólogos - representantes de literalmente todos os ramos da ciência que estudam o planeta - estão participando da criação da hipótese moderna sobre a liberação do núcleo da substância primária da Terra. Os processos de desenvolvimento tectônico da Terra, segundo os cientistas, continuarão nas profundezas por muito tempo, pelo menos nosso planeta terá mais alguns bilhões de anos pela frente. Somente após esse período imensurável de tempo a Terra esfriará e se transformará em um corpo cósmico morto. Mas o que acontecerá a essa altura?
Quantos anos tem a humanidade? Um milhão, dois, bem, dois e meio.
E nesse período, as pessoas não apenas se levantaram, domesticaram o fogo e entenderam como extrair energia de um átomo, como enviaram metralhadoras para outros planetas do sistema solar e dominaram o espaço próximo para necessidades técnicas.
A exploração e depois a utilização das entranhas profundas do nosso próprio planeta é um programa que já está a bater à porta do progresso científico. E vocês, alunos de hoje, devem implementá-lo.
A Terra, juntamente com outros corpos do Sistema Solar, foi formada a partir de uma nuvem fria de gás e poeira através do acréscimo de suas partículas constituintes. Após o surgimento do planeta, iniciou-se uma etapa completamente nova de seu desenvolvimento, que na ciência costuma ser chamada de pré-geológica.
O nome do período se deve ao fato de que as evidências mais antigas de processos passados – rochas ígneas ou vulcânicas – não têm mais de 4 bilhões de anos. Somente os cientistas podem estudá-los hoje.
A fase pré-geológica do desenvolvimento da Terra ainda está repleta de muitos mistérios. Abrange um período de 0,9 bilhão de anos e é caracterizado pelo vulcanismo generalizado no planeta com liberação de gases e vapor d'água. Foi nessa época que começou o processo de separação da Terra em suas conchas principais - núcleo, manto, crosta e atmosfera. Supõe-se que este processo foi provocado pelo intenso bombardeio de meteoritos em nosso planeta e pelo derretimento de suas partes individuais.
Um dos principais eventos na história da Terra foi a formação de seu núcleo interno. Isto provavelmente aconteceu durante a fase pré-geológica do desenvolvimento do planeta, quando toda a matéria estava dividida em duas geosferas principais - o núcleo e o manto.
Infelizmente, ainda não existe uma teoria fiável sobre a formação do núcleo da Terra, que seria confirmada por informações e provas científicas sérias. Como se formou o núcleo da Terra? Os cientistas oferecem duas hipóteses principais para responder a esta questão.
Segundo a primeira versão, a matéria imediatamente após o surgimento da Terra era homogênea.
Consistia inteiramente em micropartículas que hoje podem ser observadas em meteoritos. Mas depois de um certo período de tempo, essa massa homogênea primária foi dividida em um núcleo pesado, para o qual fluiu todo o ferro, e um manto de silicato mais leve. Por outras palavras, gotas de ferro fundido e os compostos químicos pesados que os acompanham fixaram-se no centro do nosso planeta e formaram ali um núcleo, que permanece em grande parte fundido até hoje. À medida que os elementos pesados tendiam para o centro da Terra, as escórias leves, ao contrário, flutuavam para cima - para as camadas externas do planeta. Hoje, esses elementos leves constituem o manto superior e a crosta.
Por que ocorreu tal diferenciação da matéria? Acredita-se que imediatamente após a conclusão do processo de sua formação, a Terra começou a aquecer intensamente, principalmente devido à energia liberada durante o acúmulo gravitacional de partículas, bem como devido à energia do decaimento radioativo de substâncias químicas individuais. elementos.
O aquecimento adicional do planeta e a formação de uma liga de ferro-níquel, que, devido à sua significativa gravidade específica, afundou gradativamente até o centro da Terra, foi facilitado pelo suposto bombardeio de meteoritos.
No entanto, esta hipótese enfrenta algumas dificuldades. Por exemplo, não está totalmente claro como uma liga de ferro-níquel, mesmo em estado líquido, foi capaz de descer mais de mil quilômetros e atingir a região do núcleo do planeta.
De acordo com a segunda hipótese, o núcleo da Terra foi formado a partir de meteoritos de ferro que colidiram com a superfície do planeta, e posteriormente foi coberto por uma concha de silicato de meteoritos rochosos e formou o manto.
Há uma falha grave nesta hipótese. Nesta situação, os meteoritos de ferro e pedra deveriam existir separadamente no espaço sideral. A pesquisa moderna mostra que os meteoritos de ferro só poderiam ter surgido nas profundezas de um planeta que se desintegrou sob pressão significativa, ou seja, após a formação do nosso Sistema Solar e de todos os planetas.
A primeira versão parece mais lógica, pois prevê uma fronteira dinâmica entre o núcleo da Terra e o manto. Isso significa que o processo de divisão da matéria entre eles poderia continuar no planeta por muito tempo, exercendo assim uma grande influência na evolução posterior da Terra.
Assim, se tomarmos como base a primeira hipótese da formação do núcleo do planeta, o processo de diferenciação da matéria durou aproximadamente 1,6 bilhão de anos. Devido à diferenciação gravitacional e ao decaimento radioativo, a separação da matéria foi garantida.
Os elementos pesados afundaram apenas até uma profundidade abaixo da qual a substância era tão viscosa que o ferro não conseguia mais afundar. Como resultado deste processo, formou-se uma camada anular muito densa e pesada de ferro fundido e seu óxido. Ele estava localizado acima do material mais leve do núcleo primordial do nosso planeta. Em seguida, uma substância leve de silicato foi espremida do centro da Terra. Além disso, foi deslocado no equador, o que pode ter marcado o início da assimetria do planeta. 
Supõe-se que durante a formação do núcleo de ferro da Terra ocorreu uma diminuição significativa no volume do planeta, como resultado da diminuição de sua superfície. Os elementos leves e seus compostos que “flutuaram” para a superfície formaram uma fina crosta primária, que, como todos os planetas terrestres, consistia em basaltos vulcânicos, sobrepostos por uma espessa camada de sedimentos.
No entanto, não é possível encontrar evidências geológicas vivas de processos passados associados à formação do núcleo e do manto terrestre. Como já foi observado, as rochas mais antigas do planeta Terra têm cerca de 4 bilhões de anos. Muito provavelmente, no início da evolução do planeta, sob a influência de altas temperaturas e pressões, os basaltos primários se metamorfosearam, derreteram e se transformaram nas rochas granito-gnaisse que conhecemos.
Qual é o núcleo do nosso planeta, que provavelmente se formou nos primeiros estágios do desenvolvimento da Terra? Consiste em conchas externas e internas. De acordo com suposições científicas, a uma profundidade de 2.900-5.100 km existe um núcleo externo, que em suas propriedades físicas é próximo do líquido.
O núcleo externo é uma corrente de ferro fundido e níquel que conduz bem a eletricidade. É a este núcleo que os cientistas associam a origem do campo magnético terrestre. A lacuna restante de 1.270 km até o centro da Terra é ocupada pelo núcleo interno, que é composto por 80% de ferro e 20% de dióxido de silício.
O núcleo interno é duro e quente. Se o exterior estiver diretamente conectado ao manto, então o núcleo interno da Terra existe por si só. Sua dureza, apesar das altas temperaturas, é garantida pela gigantesca pressão no centro do planeta, que pode chegar a 3 milhões de atmosferas. 
Como resultado, muitos elementos químicos se transformam em um estado metálico. Portanto, foi até sugerido que o núcleo interno da Terra consistisse em hidrogênio metálico.
O denso núcleo interno tem um sério impacto na vida do nosso planeta. Nele está concentrado o campo gravitacional planetário, que impede a dispersão das conchas de gás leve, das camadas da hidrosfera e da geosfera da Terra.
Provavelmente, tal campo era característico do núcleo desde o momento em que o planeta se formou, qualquer que fosse então a sua composição química e estrutura. Contribuiu para a contração das partículas formadas em direção ao centro.
No entanto, a origem do núcleo e o estudo da estrutura interna da Terra é o problema mais premente para os cientistas que estão intimamente envolvidos no estudo da história geológica do nosso planeta. Ainda há um longo caminho a percorrer antes de se chegar a uma solução definitiva para esta questão. Para evitar diversas contradições, a ciência moderna aceitou a hipótese de que o processo de formação do núcleo começou a ocorrer simultaneamente à formação da Terra.
Profundidade de ocorrência - 2.900 km. O raio médio da esfera é de 3.500 km. É dividido em um núcleo interno sólido com um raio de cerca de 1.300 km e um núcleo externo líquido com uma espessura de cerca de 2.200 km, entre os quais às vezes se distingue uma zona de transição. A temperatura na superfície do núcleo sólido da Terra supostamente atinge 6230±500 (5960±500 °C), no centro do núcleo a densidade pode ser de cerca de 12,5 t/m³, a pressão até 3,7 milhões de atm (375 GPa) . Massa central - 1,932⋅10 24 kg.
Muito pouco se sabe sobre o núcleo – todas as informações foram obtidas por métodos geofísicos ou geoquímicos indiretos. Amostras do material central ainda não estão disponíveis.
História do estudo
A existência foi comprovada em 1897 pelo sismólogo alemão E. Wichert, e a profundidade de ocorrência (2.900 km) foi determinada em 1910 pelo geofísico americano B. Gutenberg. Além disso, V.N. Lodochnikov e U. Ramsay sugeriram que o manto inferior e o núcleo têm a mesma composição química - na fronteira núcleo-manto a 1,36 Mbar, os silicatos do manto se transformam em uma fase de metal líquido (núcleo de silicato metalizado). Composição do kernelExistem apenas dados indiretos sobre a composição do núcleo, obtidos de diversas formas. Aparentemente, dos materiais disponíveis, a composição mais próxima do núcleo terrestre são os meteoritos de ferro, que são fragmentos dos núcleos de asteroides e protoplanetas. No entanto, os meteoritos de ferro não podem dar uma ideia precisa da substância do núcleo terrestre, uma vez que foram formados em corpos muito menores e, portanto, sob diferentes condições físico-químicas. Por outro lado, os estudos sísmicos fornecem o tamanho exato do núcleo, e a partir de dados gravimétricos é conhecida a sua densidade, o que impõe restrições adicionais à sua composição. Como a densidade do núcleo é aproximadamente 5-10% menor que a densidade das ligas de ferro-níquel, presume-se que o núcleo da Terra contenha mais elementos leves do que os meteoritos de ferro. Os prováveis candidatos incluem: enxofre, oxigênio, silício, carbono, fósforo, hidrogênio. Finalmente, a composição do núcleo pode ser estimada com base em considerações geoquímicas e cosmoquímicas. Se de alguma forma calcularmos a composição primária da Terra e qual proporção de elementos são encontrados em outras geosferas, então poderemos construir estimativas da composição do núcleo. Experimentos de alta temperatura e alta pressão sobre a distribuição de elementos entre ferro fundido e fases de silicato fornecem grande ajuda em tais cálculos.
Em abril de 2015, cientistas da Universidade de Oxford propuseram uma teoria segundo a qual o conteúdo de urânio no núcleo da Terra é várias partes por bilhão superior ao que se pensava anteriormente. Tal declaração levou à divulgação de reportagens de grande repercussão na mídia sobre a suposta descoberta de um núcleo de urânio próximo à Terra. Campo magnético da TerraVeja tambémNotas
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