¿De qué está formado el núcleo del planeta? Científicos: el núcleo interno de la Tierra no debería existir

Cuando dejes caer tus llaves en una corriente de lava fundida, dile adiós a ellas porque, bueno, lo son todo.
- Jack práctico

Si observa nuestro planeta de origen, notará que el 70% de su superficie está cubierta de agua.

Todos sabemos por qué es así: porque los océanos de la Tierra flotan sobre las rocas y la tierra que forman la tierra. El concepto de flotabilidad, en el que los objetos menos densos flotan sobre los más densos que se hunden debajo, explica mucho más que sólo los océanos.

El mismo principio que explica por qué el hielo flota en el agua, un globo de helio se eleva en la atmósfera y las rocas se hunden en un lago explica por qué las capas del planeta Tierra están dispuestas como están.

La parte menos densa de la Tierra, la atmósfera, flota sobre océanos de agua, que flotan sobre la corteza terrestre, que se asienta sobre el manto más denso, que no se hunde en la parte más densa de la Tierra: el núcleo.

Idealmente, el estado más estable de la Tierra sería aquel que estaría idealmente distribuido en capas, como una cebolla, con los elementos más densos en el centro, y a medida que se avanza hacia afuera, cada capa posterior estaría compuesta de elementos menos densos. Y cada terremoto, de hecho, mueve al planeta hacia este estado.

Y esto explica la estructura no solo de la Tierra, sino también de todos los planetas, si recuerdas de dónde provienen estos elementos.

Cuando el Universo era joven (sólo tenía unos pocos minutos) sólo existían hidrógeno y helio. Se crearon elementos cada vez más pesados en las estrellas, y sólo cuando estas estrellas murieron, los elementos más pesados escaparon al Universo, permitiendo que se formaran nuevas generaciones de estrellas.

Pero esta vez, una mezcla de todos estos elementos, no sólo hidrógeno y helio, sino también carbono, nitrógeno, oxígeno, silicio, magnesio, azufre, hierro y otros, forma no sólo una estrella, sino también un disco protoplanetario alrededor de esta estrella.

La presión desde adentro hacia afuera en una estrella en formación empuja los elementos más ligeros hacia afuera, y la gravedad hace que las irregularidades en el disco colapsen y formen planetas.

En el caso del Sistema Solar, los cuatro mundos interiores son los más densos de todos los planetas del sistema. Mercurio se compone de los elementos más densos, que no podían contener grandes cantidades de hidrógeno y helio.

Otros planetas, más masivos y más alejados del Sol (y, por tanto, que reciben menos radiación), pudieron retener más de estos elementos ultraligeros: así se formaron los gigantes gaseosos.

En todos los mundos, como en la Tierra, por término medio, los elementos más densos se concentran en el núcleo, y los ligeros forman capas cada vez menos densas a su alrededor.

No es sorprendente que el hierro, el elemento más estable y más pesado creado en grandes cantidades en el borde de las supernovas, sea el elemento más abundante en el núcleo de la Tierra. Pero quizás resulte sorprendente que entre el núcleo sólido y el manto sólido se encuentre una capa líquida de más de 2.000 kilómetros de espesor: el núcleo externo de la Tierra.

¡La Tierra tiene una gruesa capa líquida que contiene el 30% de la masa del planeta! Y supimos de su existencia mediante un método bastante ingenioso: ¡gracias a las ondas sísmicas que se originan en los terremotos!

En los terremotos nacen ondas sísmicas de dos tipos: la onda de compresión principal, conocida como onda P, que viaja siguiendo una trayectoria longitudinal

Y una segunda onda de corte, conocida como onda S, similar a las olas en la superficie del mar.

Las estaciones sísmicas de todo el mundo son capaces de captar ondas P y S, pero las ondas S no viajan a través de líquidos, y las ondas P no sólo viajan a través de líquidos, ¡sino que también se refractan!

Como resultado, podemos entender que la Tierra tiene un núcleo externo líquido, fuera del cual hay un manto sólido, ¡y dentro hay un núcleo interno sólido! Por eso el núcleo de la Tierra contiene los elementos más pesados y densos, y así es como sabemos que el núcleo exterior es una capa líquida.

Pero, ¿por qué el núcleo exterior es líquido? Como todos los elementos, el estado del hierro, ya sea sólido, líquido, gaseoso u otro, depende de la presión y temperatura del hierro.

El hierro es un elemento más complejo de lo que muchos están acostumbrados. Por supuesto, puede tener diferentes fases sólidas cristalinas, como se indica en el gráfico, pero no nos interesan las presiones ordinarias. Estamos descendiendo al núcleo de la Tierra, donde las presiones son un millón de veces mayores que el nivel del mar. ¿Cómo se ve el diagrama de fases para presiones tan altas?

La belleza de la ciencia es que incluso si no tienes la respuesta a una pregunta de inmediato, ¡es probable que alguien ya haya realizado la investigación que podría conducir a la respuesta! En este caso, Ahrens, Collins y Chen en 2001 encontraron la respuesta a nuestra pregunta.

Y aunque el diagrama muestra presiones gigantescas de hasta 120 GPa, es importante recordar que la presión atmosférica es de sólo 0,0001 GPa, mientras que en el núcleo interno las presiones alcanzan los 330-360 GPa. La línea continua superior muestra el límite entre el hierro fundido (arriba) y el hierro sólido (abajo). ¿Notaste cómo la línea continua al final hace un giro brusco hacia arriba?

Para que el hierro se funda a una presión de 330 GPa, se necesita una temperatura enorme, comparable a la que reina en la superficie del Sol. Las mismas temperaturas a presiones más bajas mantendrán fácilmente el hierro en estado líquido y a presiones más altas, en estado sólido. ¿Qué significa esto en términos del núcleo de la Tierra?

Esto significa que a medida que la Tierra se enfría, su temperatura interna desciende, pero la presión permanece sin cambios. Es decir, durante la formación de la Tierra, lo más probable es que todo el núcleo fuera líquido y, a medida que se enfría, ¡el núcleo interno crece! Y en el proceso, dado que el hierro sólido tiene una mayor densidad que el hierro líquido, la Tierra se contrae lentamente, ¡lo que provoca terremotos!

Entonces, el núcleo de la Tierra es líquido porque está lo suficientemente caliente como para derretir el hierro, pero sólo en regiones con presión suficientemente baja. A medida que la Tierra envejece y se enfría, cada vez más núcleo se vuelve sólido, ¡y por eso la Tierra se encoge un poco!

Si queremos mirar hacia el futuro lejano, podemos esperar que aparezcan las mismas propiedades que las observadas en Mercurio.

Mercurio, debido a su pequeño tamaño, ya se ha enfriado y contraído significativamente, y presenta fracturas de cientos de kilómetros de longitud que han aparecido por la necesidad de compresión por enfriamiento.

Entonces, ¿por qué la Tierra tiene un núcleo líquido? Porque aún no se ha enfriado. Y cada terremoto es un pequeño acercamiento de la Tierra a su estado final, enfriado y completamente sólido. Pero no te preocupes, mucho antes de ese momento el Sol explotará y todos tus conocidos estarán muertos por mucho tiempo.

Se han expresado innumerables ideas sobre la estructura del núcleo de la Tierra. Dmitry Ivanovich Sokolov, geólogo y académico ruso, dijo que las sustancias dentro de la Tierra se distribuyen como escoria y metal en un horno de fundición.

Esta comparación figurativa se ha confirmado más de una vez. Los científicos estudiaron cuidadosamente los meteoritos de hierro que llegaban del espacio, considerándolos fragmentos del núcleo de un planeta desintegrado.

Esto significa que el núcleo de la Tierra también debería estar compuesto de hierro pesado en estado fundido.

En 1922, el geoquímico noruego Victor Moritz Goldschmidt propuso la idea de una estratificación general de la sustancia terrestre en un momento en que todo el planeta se encontraba en estado líquido. Derivó esto por analogía con el proceso metalúrgico estudiado en las acerías. “En la etapa de fusión líquida”, dijo, “la sustancia de la Tierra se dividió en tres líquidos inmiscibles: silicato, sulfuro y metálico.

Con un mayor enfriamiento, estos líquidos formaron las principales capas de la Tierra: la corteza, el manto y el núcleo de hierro.

Sin embargo, cada vez más cerca de nuestra época, la idea de un origen “caliente” de nuestro planeta era cada vez más inferior a una creación “fría”. Y en 1939, Lodóchnikov propuso una imagen diferente de la formación del interior de la Tierra. En ese momento, ya se conocía la idea de las transiciones de fase de la materia. Lodochnikov sugirió que los cambios de fase en la materia se intensifican a medida que aumenta la profundidad, como resultado de lo cual la materia se divide en capas. En este caso, el núcleo no tiene por qué ser necesariamente de hierro. Puede consistir en rocas de silicato sobreconsolidadas que se encuentran en un estado "metálico".

Esta idea fue recogida y desarrollada en 1948 por el científico finlandés V. Ramsey. Resultó que, aunque el núcleo de la Tierra tiene un estado físico diferente al del manto, no hay razón para considerarlo compuesto de hierro. Después de todo, el olivino sobreconsolidado podría ser tan pesado como el metal...

Así surgieron dos hipótesis mutuamente excluyentes sobre la composición del núcleo.

Uno de ellos se basa en las ideas de E. Wichert sobre una aleación de hierro y níquel con pequeñas adiciones de elementos ligeros como material para el núcleo de la Tierra.

Y el segundo, propuesto por V.N. Lodochnikov y desarrollado por V. Ramsey, que establece que la composición del núcleo no difiere de la composición del manto, pero la sustancia que contiene se encuentra en un estado metalizado particularmente denso.

Para decidir en qué dirección debía inclinarse la balanza, científicos de muchos países llevaron a cabo experimentos en laboratorios y contaron y contaron, comparando los resultados de sus cálculos con lo que mostraban los estudios sísmicos y los experimentos de laboratorio.

Modelo de la Tierra. Siglo XX

En los años 60, los expertos finalmente llegaron a la conclusión: ¡la hipótesis de la metalización de los silicatos, a las presiones y temperaturas que prevalecen en el núcleo, no está confirmada! Además, los estudios realizados demostraron de manera convincente que el centro de nuestro planeta debería contener al menos el ochenta por ciento de la reserva total de hierro... Entonces, después de todo, ¿el núcleo de la Tierra es hierro? Hierro, pero no del todo. El metal puro o una aleación de metal puro comprimido en el centro del planeta sería demasiado pesado para la Tierra. Por lo tanto, se debe suponer que el material del núcleo externo está formado por compuestos de hierro con elementos más ligeros: oxígeno, aluminio, silicio o azufre, que se encuentran con mayor frecuencia en la corteza terrestre.

¿Pero cuáles específicamente? Esto es desconocido.

Por eso el científico soviético Oleg Georgievich Sorokhtin emprendió un nuevo estudio. Intentemos seguir de forma simplificada el curso de su razonamiento, expuesto en el interesante libro "Evolución global de la Tierra".

Basándose en los últimos avances de la ciencia geológica, el científico soviético concluye que en el primer período de formación la Tierra probablemente era más o menos homogénea. Todas sus sustancias se distribuyeron aproximadamente por igual en todo el volumen.

Sin embargo, con el tiempo, los elementos más pesados, como el hierro, comenzaron a hundirse, por así decirlo, “hundiéndose” en el manto, profundizando cada vez más hacia el centro del planeta. Si esto es así, entonces, comparando rocas jóvenes y viejas, se puede esperar que en las rocas jóvenes haya un menor contenido de elementos pesados, como el hierro, que está muy extendido en la sustancia de la Tierra.

El estudio de lavas antiguas confirmó esta suposición. Sin embargo, el núcleo de la Tierra no puede ser puramente hierro. Es demasiado ligero para eso.

¿Cuál fue el compañero de hierro en su camino hacia el centro?

El científico probó muchos elementos. Pero algunos no se disolvieron bien en la masa fundida, mientras que otros resultaron incompatibles.

Y entonces a Sorokhtin se le ocurrió una idea: ¿no era el elemento más común, el oxígeno, compañero del hierro?

Es cierto que los cálculos han demostrado que el compuesto de hierro y oxígeno, el óxido de hierro, parece demasiado ligero para el núcleo. Pero en condiciones de compresión y calentamiento en las profundidades, el óxido de hierro también debe sufrir cambios de fase.

En las condiciones que existen cerca del centro de la Tierra, sólo dos átomos de hierro pueden contener un átomo de oxígeno. Esto significa que la densidad del óxido resultante será mayor...

Y de nuevo cálculos, cálculos.

Pero ¡qué satisfacción cuando el resultado obtenido mostró que la densidad y la masa del núcleo de la Tierra, construido a partir de óxido de hierro que ha sufrido cambios de fase, da exactamente el valor requerido por el modelo moderno de núcleo!

Aquí está: un modelo moderno y, quizás, el más plausible de nuestro planeta en toda la historia de su búsqueda. "El núcleo exterior de la Tierra está formado por óxido de hierro Fe 2 O, el núcleo interior está hecho de hierro metálico o de una aleación de hierro y níquel", escribe Oleg Georgievich Sorokhtin en su libro. "Se puede considerar que la capa de transición F entre los núcleos interior y exterior está formada por sulfuro de hierro: troillita FeS".

Muchos geólogos y geofísicos destacados, oceanólogos y sismólogos, representantes de literalmente todas las ramas de la ciencia que estudian el planeta, participan en la creación de la hipótesis moderna sobre la liberación del núcleo de la sustancia primaria de la Tierra. Los procesos de desarrollo tectónico de la Tierra, según los científicos, continuarán en las profundidades durante bastante tiempo, al menos a nuestro planeta le quedan un par de miles de millones de años más. Sólo después de este inconmensurable período de tiempo la Tierra se enfriará y se convertirá en un cuerpo cósmico muerto. ¿Pero qué pasará a estas alturas?...

¿Qué edad tiene la humanidad? Un millón, dos, bueno, dos y medio.

Y durante este período, la gente no solo se levantó a cuatro patas, dominó el fuego y entendió cómo extraer energía de un átomo, sino que también enviaron ametralladoras a otros planetas del sistema solar y dominaron el espacio cercano para necesidades técnicas.

La exploración y luego el uso de las entrañas profundas de nuestro propio planeta es un programa que ya está llamando a la puerta del progreso científico. Y ustedes, los escolares de hoy, deben implementarlo.

El núcleo de la Tierra incluye dos capas con una zona límite entre ellas: la capa líquida exterior del núcleo alcanza un espesor de 2266 kilómetros, debajo de ella se encuentra un núcleo masivo y denso, cuyo diámetro se estima que alcanza los 1300 kilómetros. La zona de transición tiene un espesor no uniforme y se endurece gradualmente, convirtiéndose en el núcleo interno. En la superficie de la capa superior la temperatura ronda los 5960 grados centígrados, aunque estos datos se consideran aproximados.

Composición aproximada del núcleo externo y métodos para su determinación.

Todavía se sabe muy poco sobre la composición incluso de la capa exterior del núcleo terrestre, ya que no es posible obtener muestras para estudiar. Los principales elementos que pueden formar el núcleo externo de nuestro planeta son el hierro y el níquel. Los científicos llegaron a esta hipótesis como resultado de analizar la composición de los meteoritos, ya que los vagabundos del espacio son fragmentos de núcleos de asteroides y otros planetas.

Sin embargo, los meteoritos no pueden considerarse absolutamente idénticos en composición química, ya que los cuerpos cósmicos originales eran mucho más pequeños que la Tierra. Después de muchas investigaciones, los científicos llegaron a la conclusión de que la parte líquida de la sustancia nuclear está muy diluida con otros elementos, incluido el azufre. Esto explica su menor densidad que la de las aleaciones de hierro-níquel.

¿Qué sucede en el núcleo exterior del planeta?

La superficie exterior del núcleo en el límite con el manto es heterogénea. Los científicos sugieren que tiene diferentes espesores, formando una especie de relieve interno. Esto se explica por la mezcla constante de sustancias profundas heterogéneas. Se diferencian en su composición química y también tienen diferentes densidades, por lo que el espesor de la frontera entre el núcleo y el manto puede variar de 150 a 350 km.

Los escritores de ciencia ficción de años anteriores en sus obras describieron un viaje al centro de la Tierra a través de cuevas profundas y pasajes subterráneos. ¿Es esto realmente posible? Lamentablemente, la presión sobre la superficie del núcleo supera los 113 millones de atmósferas. Esto significa que cualquier cueva se habría "cerrado de golpe" incluso en la etapa de acercarse al manto. Esto explica por qué no hay cuevas en nuestro planeta a más de 1 km de profundidad.

¿Cómo estudiamos la capa exterior del núcleo?

Los científicos pueden juzgar cómo se ve el núcleo y en qué consiste mediante el seguimiento de la actividad sísmica. Por ejemplo, se descubrió que las capas exterior e interior giran en diferentes direcciones bajo la influencia de un campo magnético. El núcleo de la Tierra esconde decenas de misterios sin resolver y espera nuevos descubrimientos fundamentales.

La Tierra, junto con otros cuerpos del Sistema Solar, se formó a partir de una nube fría de gas y polvo mediante la acumulación de sus partículas constituyentes. Después del surgimiento del planeta, comenzó una etapa completamente nueva de su desarrollo, que en la ciencia se suele llamar pregeológica.
El nombre del período se debe al hecho de que la evidencia más antigua de procesos pasados (rocas ígneas o volcánicas) no tiene más de 4 mil millones de años. Sólo los científicos pueden estudiarlos hoy.
La etapa pregeológica del desarrollo de la Tierra todavía está plagada de muchos misterios. Cubre un período de 900 millones de años y se caracteriza por un vulcanismo generalizado en el planeta con liberación de gases y vapor de agua. Fue en este momento que comenzó el proceso de separación de la Tierra en sus capas principales: el núcleo, el manto, la corteza y la atmósfera. Se supone que este proceso fue provocado por un intenso bombardeo de meteoritos sobre nuestro planeta y el derretimiento de sus partes individuales.
Uno de los acontecimientos clave en la historia de la Tierra fue la formación de su núcleo interno. Esto probablemente sucedió durante la etapa pregeológica del desarrollo del planeta, cuando toda la materia estaba dividida en dos geosferas principales: el núcleo y el manto.
Desafortunadamente, todavía no existe una teoría confiable sobre la formación del núcleo de la Tierra, que pueda ser confirmada por información y evidencia científica seria. ¿Cómo se formó el núcleo de la Tierra? Los científicos ofrecen dos hipótesis principales para responder a esta pregunta.
Según la primera versión, la materia inmediatamente después del surgimiento de la Tierra era homogénea.
Estaba formado íntegramente por micropartículas que hoy se pueden observar en los meteoritos. Pero después de un cierto período de tiempo, esta masa primaria homogénea se dividió en un núcleo pesado, en el que había fluido todo el hierro, y un manto de silicato más ligero. En otras palabras, gotas de hierro fundido y los compuestos químicos pesados que las acompañan se depositaron en el centro de nuestro planeta y formaron allí un núcleo que permanece en gran parte fundido hasta el día de hoy. Mientras los elementos pesados tendían hacia el centro de la Tierra, las escorias ligeras, por el contrario, flotaban hacia arriba, hacia las capas exteriores del planeta. Hoy en día, estos elementos ligeros forman el manto superior y la corteza.
¿Por qué ocurrió tal diferenciación de materia? Se cree que inmediatamente después de completar el proceso de su formación, la Tierra comenzó a calentarse intensamente, principalmente debido a la energía liberada durante la acumulación gravitacional de partículas, así como a la energía de la desintegración radiactiva de sustancias químicas individuales. elementos.
El presunto bombardeo de meteoritos contribuyó al calentamiento adicional del planeta y la formación de una aleación de hierro y níquel que, debido a su importante gravedad específica, se hundió gradualmente hasta el centro de la Tierra.
Sin embargo, esta hipótesis enfrenta algunas dificultades. Por ejemplo, no está del todo claro cómo una aleación de hierro y níquel, incluso en estado líquido, pudo descender más de mil kilómetros y llegar a la región del núcleo del planeta.
Según la segunda hipótesis, el núcleo de la Tierra se formó a partir de meteoritos de hierro que chocaron con la superficie del planeta, y luego se cubrió con una capa de silicato de meteoritos de piedra y formó el manto.

Hay un error grave en esta hipótesis. En esta situación, los meteoritos de hierro y de piedra deberían existir por separado en el espacio exterior. Las investigaciones modernas muestran que los meteoritos de hierro sólo pudieron haber surgido en las profundidades de un planeta que se desintegró bajo una presión significativa, es decir, después de la formación de nuestro Sistema Solar y de todos los planetas.
La primera versión parece más lógica, ya que prevé un límite dinámico entre el núcleo de la Tierra y el manto. Esto significa que el proceso de división de la materia entre ellos podría continuar en el planeta durante mucho tiempo, ejerciendo así una gran influencia en la futura evolución de la Tierra.
Así, si tomamos como base la primera hipótesis de la formación del núcleo del planeta, el proceso de diferenciación de la materia duró aproximadamente 1.600 millones de años. Debido a la diferenciación gravitacional y la desintegración radiactiva, se aseguró la separación de la materia.
Los elementos pesados sólo se hundían hasta una profundidad por debajo de la cual la sustancia era tan viscosa que el hierro ya no podía hundirse. Como resultado de este proceso, se formó una capa anular muy densa y pesada de hierro fundido y su óxido. Estaba ubicado sobre el material más ligero del núcleo primordial de nuestro planeta. A continuación, se extrajo una sustancia ligera de silicato del centro de la Tierra. Además, se desplazó en el ecuador, lo que pudo haber marcado el comienzo de la asimetría del planeta.
Se supone que durante la formación del núcleo de hierro de la Tierra se produjo una disminución significativa en el volumen del planeta, como resultado de lo cual su superficie ahora ha disminuido. Los elementos ligeros y sus compuestos que “flotaron” hacia la superficie formaron una delgada corteza primaria que, como todos los planetas terrestres, estaba formada por basaltos volcánicos, cubiertos por una gruesa capa de sedimento.
Sin embargo, no es posible encontrar evidencia geológica viva de procesos pasados asociados con la formación del núcleo y el manto de la Tierra. Como ya se señaló, las rocas más antiguas del planeta Tierra tienen aproximadamente 4 mil millones de años. Lo más probable es que al comienzo de la evolución del planeta, bajo la influencia de altas temperaturas y presiones, los basaltos primarios se metamorfosearon, se fundieron y se transformaron en las rocas de granito y gneis que conocemos.
¿Cuál es el núcleo de nuestro planeta, que probablemente se formó en las primeras etapas del desarrollo de la Tierra? Se compone de capas exteriores e interiores. Según suposiciones científicas, a una profundidad de 2900-5100 km se encuentra un núcleo externo, que en sus propiedades físicas es cercano al líquido.
El núcleo exterior es una corriente de hierro fundido y níquel que conduce bien la electricidad. Es con este núcleo con el que los científicos asocian el origen del campo magnético terrestre. Los 1.270 kilómetros restantes hasta el centro de la Tierra están ocupados por el núcleo interno, que está compuesto por un 80% de hierro y un 20% de dióxido de silicio.
El núcleo interno es duro y caliente. Si el exterior está directamente conectado con el manto, entonces el núcleo interior de la Tierra existe por sí solo. Su dureza, a pesar de las altas temperaturas, está garantizada por la gigantesca presión en el centro del planeta, que puede alcanzar los 3 millones de atmósferas.
Como resultado, muchos elementos químicos se transforman en un estado metálico. Por lo tanto, incluso se sugirió que el núcleo interno de la Tierra está compuesto de hidrógeno metálico.
El denso núcleo interno tiene un grave impacto en la vida de nuestro planeta. En él se concentra el campo gravitacional planetario, lo que evita que las capas de gas ligero y las capas de hidrosfera y geosfera de la Tierra se dispersen.
Probablemente, tal campo ha sido característico del núcleo desde la formación del planeta, cualquiera que fuera su composición química y estructura en ese momento. Contribuyó a la contracción de las partículas formadas hacia el centro.
Sin embargo, el origen del núcleo y el estudio de la estructura interna de la Tierra es el problema más urgente para los científicos que participan de cerca en el estudio de la historia geológica de nuestro planeta. Todavía queda un largo camino por recorrer antes de que se logre una solución definitiva a esta cuestión. Para evitar diversas contradicciones, la ciencia moderna ha aceptado la hipótesis de que el proceso de formación del núcleo comenzó a ocurrir simultáneamente con la formación de la Tierra.