Brown & Mussett The Inaccessible Earth 06 Chapter (1119259), страница 3
Текст из файла (страница 3)
опять-таки получается величина порядюь нужного для генерации магнитного поля, Хотя мощность, достаточная для приведения геомагыитного дннамо в действие, может быль выведена как из радиоактивности, так и из скрытой теплотьь возникает вопрос: как эта тепловая энергия превращается в механическое перемещение вещества земного ядра, иначе говоря„каков хоэффинивнт ноявэного действия при таком превращенин7 Чтобы во внешнем ядре возниклы движения тепловой конвекдии, должно выделяться столь большое количество тепл~ь чтобы оно не могло отводиться к границе ядра с мантией просто путем теплопроводности при градыенте ниже аднабатнческого.
Мечник и др. подсчитали [154], что для возбуящения конвекции минимально должно вьщеляться около 2,5 10'э Вт тепла. При меньших значениях переход тепловой энергии в магнитную посредством динамо имеет почти нулевой коэффициент полезного действия, так как перемещения материала не происходит. Этот коэффициент достигает необходимого уровня в несколько процентов, когда тепловая мощность повышается до 10'э Вт". в таком случае механическая мощность динамо может перешагнуть порог 10" Вт [205]. Следовательно, только в том случае, если в ядре содержится значительная часп имеющегося на Земле калия (около 0,1 вес.',/„что соответствует 67;4 халия в хондритовой Земле), там можно ожидать выделения такого количества тепла, которого было бы достаточно для работы магнитного динамо.
Учитывая низкий коэффициент полезного действия динамо, питаемого тепловой энергией, надо считать тепловую мощность, выделяемую при меньших концентрациях веК илн при кристаллизации внутреннего ядра, по всей вероятности, недостаточной. 6.2.4. Гравитационная энергия в ядре. Гравитационные силы могут вызвать перемещения в ядре. двумя разными способами, Во-первых, вращающий момент, создаваемый Луной, которая притятпвает экваториальное вздутие Земли (см.
Рис. 3.6), перемешивает жидкое вещество внешнего ядра. Однако энергия, получающаяся от такого прецесснонного вращения, составит лишь около 10'Вт, что недостаточно для генерации магнитного поля (обсуждение этого вопроса и бяблиографические ссылки см. в работах [108„ 137]), Второй гравитационный механизм связан с силами, которые действуют исключительно внутри ядра, и в настотцее время этому механизму отдается предпочтение. Как и ранее изложеыная теория высвобождения скрытой теплоты (разд. 6.2.3), этот механизм имеет в своей основе последовательный, на протяжении всей истории магыитного поля, Рост твердого внутреннего ядра при остыванин ы кристаллизации сравнительно плотного сплава во внешнем ядре.
Утверждается, что затвердевающий и оседающий на поверхность внутреннего ядра материал богаче никелем, чем внешнее ядро в среднем. Это возможно толью в том случае, если за пределамн внутреннего ядра остается слой, обедненный никелем. Поскольку тахой слой имеет меныиую няотнасть, чем остальная часть внутреныего ядра, ои оказывается гравитационно неустойчивым и стремится подняться, что вызывает конвектнвную циркуляцию, Твердый железо-никелевый материал, кристаллизующийся во выешпем ядре, имеет боямиую плотность по сравнению с остающимся веществом и поэтому оседает на внутреннее ядро.
Совокупность этях процессов известна как гравитационная конвенция (посгулирована Габбинсом [91] и Лопером [138]), Детальные оценки вероятной разности плотностей между твердым материалом и плавучим жндким веществом [138] заключены в интервале 500-2500 кг/мэ. Лонер подсчитал, 118 К ЗЕМНОЕ ЯДРО что при росте твердого внутреннего ядра нз полностью жидкого ядра должно было выделиться этим способом 5 10гв Дж. Допуская, что выделение тепла в течение всей истории Земли было равномерным, получаем постоянную мощность 3,6.10" Вт. Но большинство специалистов-теоретиков считают, что в насготцее время внутреннее ядро крысталлнзуется медленнее, чем раньше.
Если даже это так, то энергии, которую дает гравитационная конвекция, должно быть достаточно, чтобы обеспечить существование магнитного поля (для этого требуется 10ь-1О" Вт). Эффекнтвнвсеь (кл.д.) этого н)нн)веса, очевидно, высока, еак как непосредственным его результатом является перенос материала. Образование и рост внутреннего ядра описанным путем приводат также к высвобождению скрытой тепловой энергии (разд. 6.2.3); кроме того, тепло выделяется при прохождениы электрических токов через вещество ядра вследствие его омического сопротивления (см.
приложение 8). Оба способа нагревания способствуют развитию гравитационной конвекпди, увеличивая тепловую составляющую и тем самым поддерживая вмсокий коэффициент полезного действия этого процесса (почти 100;l). Итак, на сегодняшний день имеются два вероятных механызма генерации магнитного пола Земли. Первый из них-распад рвдиоактниного ььК, в результате чего может возникнуть твнловая конвекция, но из-за низкой эффективности этого процесса требуется сравнительно много льК, гго должыо препатствовать остыванию ядра и, значит, существенному росту внутреннего ядра.
С другой стороны, рост выугреннего ядра в процессе медлеыыого остываыия возбуждает гораздо более эффективную гратанаиионную коывшцию, дла развития которой не требуется, чтобы температурный градиент был адиабатическим. Однако, учитывая выделение тепла в результате кристаллязации внутреннего ядра, под действием злектрнческнх токов и т.д„можно думать, что температурный градиент все-таки, вероятно, близок к адиабатическому, даже если конвекция вызывается в первую очередь гравитационными процессами. 6З.
Состоите и зволюнии ядри. 63.1.Плотность и состав. Плотыость внугреянего ядра известна только приблизительно (гл. 3), но в настоящее время для ыее принимают интервал эначеыий 12600-13000 кг/м', и, согласно результатам экспериментов с ударными волнами, в ходе которых создавались нужные давления (около 3,6 Мбар; см. рис. ЗЛ4), зти значения слишком ватты для чистого железа Бдинственно возможный дополнительный компонент, достаточно распространенный и имеющий подходящую плотность;зто никель, образующий, очевидно, сплав с железом, как в железных метеоритах. Содержание никеля во внутреннем ядре неизвестно, так как определения плотностя неточны, но по аналогии с метеоритамя можно предположить, что оно составляет, вероятно, 10-204.
В то время как на внутреннее ядро приходится только 1,77ь всей массы Земли, внеш-. нее ядро имеет гораздо бдлышв размеры и большую массу (30; ), ы его плотность изучена значительно лучше. Поскольку вещество внешнего ядра, по-видимомт, хорошо перемешано теми движениями, которые создают динамо, оио должно быть достаточно однородным. Значения плотыости изменяются примерно от 9900 кг/мь у границы ядра и мантии до 12200 кг/мэ у границы внутреннего и внешнего ядра, где господствуют более высокие давления (рис. 3.14). Данные по ударным волнам для 1,4 Мбар (что соответствует условням у границы ядра и мантии) показывают, что чистое железо имеет при таком давлении плотность около 10600 кг/мэ.
Значит, для внешнего ядра чистое железо чересчур плотное, и в противоположность внутреннему ядру оно должыо быль разбавлена каким-то более легким веществом. (Имеются данные, недвусмысленно указывающие а ЗНМНОН ЯДзчз П9 на то, что ядро разделено на зоны разного химического состава; эти данные обсуждаются в связи с рис. 6.1,в.) Существуют только два вероятных, т.е. достаточно распространенных, разбавителя железа во внешнем ядре-кремний и сера. Кислород и магний (рис.
5.3) для ядра не подходят из-за своих сильных литофильных тенденций (табл. 5.3). На сегодняшний день предпочтение отдается сере, но полезно напомнить некоторые доводы, приводившиеся в 1960-х годах в пользу кремния. Главным из таких доводов было то, что кремней легче серы (атомный вес 81 28, 8 32) и поэтому для достижения нужной плотности его требуется меньше. Исследования по ударному уплотнению, проводившиеся для давлений, соответствующих условиям во внешнем ядре, показали [153, что хорошее совпадение с наблюдаемой плотностью дает сплав 90, Ге и 10;4 Я, тогда кек серы нужно 15/. С учетом того, что хондритовая Земля должна содержать около 8;4 серы и что на внешнее ядро приходится около трети земной массы, мы получаем, что больше половины всей серы должно быть сосредоточено в ядре.
Раньше это считалось аргументом против серы, но теперь полагают, что химические процессы на ранних стадиях развития Земли (разд. 5.3) вполне могли привести к отделению серы и накоплению ее в ядре. Кроме того, оценки требуемого содержания серы во внешнем ядре были в дальнейшем пересмотрены в меньшую сторону (см. виже). Вще одням доводом в пользу модели железо-кремниевого внешнего ядра было изучение энстатитовых метеоритов-хондритов, в металлической фазе которых распюрено небольшое количество кремния. Однако начнная с!970 г.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
