1.3.3 Ббудова ядра

Ядро займає область від центру Землі до глибини 2900 км. Радіус границі, яка поділяє ядро і мантію 3470 км. Об’єм ядра складає 16% від об’єму Землі, маса – 31% від маси Землі. Основна відмінність ядра полягає в тому, що в ньому формується головне геомагнітне поле Землі.

Згідно з теорією Буллена (рис. 1.17), ядро за даними сейсмічних досліджень та експериментальних даних поділяється на три шари:

-Шар Е = 2900-4980 км, зовнішнє ядро;

-Шар F = 4980-5120 км, перехідна зона;

-Шар G = 5120-6370 км, внутрішнє ядро.

Зовнішнє ядро (Е). У зв’язку з тим, що поперечні хвилі не проходять через ядро, вважається, що воно являє собою рідину. Об’єм – 15,16%, маса – 29,8% від об’єму та маси Землі.

Внутрішнє ядро (G). Уява про твердий стан внутрішнього ядра базується на збільшенні швидкості розповсюдження повздовжніх хвиль між підошвою зовнішнього ядра і покрівлею внутрішнього на 11%. Об’єм – 0,7%, маса – 1,2% від об’єму та маси Землі, радіус – 1250 км.

Завершуючи аналіз теорій та гіпотез про ядро, його будову, стан речовини, про тиск та температуру в ньому, один факт залишається незмінним: поперечні хвилі через нього не проходять. Вчені не мають іншого пояснення цього факту, крім того, що речовина ядра веде себе, як рідина – рідина як по відношенню до дій довготривалих періодів, так і до дій короткотривалих (тому що тільки рідина не пропускає через себе поперечні сейсмічні хвилі). Однак таку відповідь (яка підтверджена спеціальними дослідженнями під час останнього Міжнародного геофізичного року) не можна вважати остаточною. По-перше, не виключена можливість того, що з часом будуть знайдені якісь ознаки проходження поперечних хвиль крізь ядро; по-друге, необхідно шукати й інших пояснень: умови в ядрі настільки відрізняються від знайомих нам умов, що протікання механічних процесів в ядрі можуть проходити зовсім інакше, за новими, поки що невідомими нам законами. Найкраще залишити це питання відкритим.

1.3.4 Магнітне поле Землі

В 1950 році було встановлено, що походження головного магнітного поля Землі пов’язане течією речовини у зовнішньому ядрі. Згідно з аналізом геомагнітного поля Землі можна сказати, що 90% сучасного поля може бути представлене полем диполя (рис. 1.20), який розташований в центрі Землі. Вісь диполя складає з віссю колообертання Землі кут в 11,5. Середні значення магнітних елементів змінюються щорічно. Такі довго періодні варіації геомагнітного поля називають віковими варіаціями.

Історію геомагнітного поля в геологічному минулому вивчає палеомагнетизм. Для цього досліджується залишкова намагніченість гірських порід, яка була надбана в процесі їх формування або пізніше під час якогось геологічного процесу.

Палеомагнітний метод досліджень оснований на вивченні залишкової намагніченості гірських порід відомого геологічного віку. Вікові варіації осереднюються за сумою кількох геологічних горизонтів гірських порід в кожному районі дослідження. Вивчення вікових варіацій геомагнітного поля в різних ділянках Землі дозволило встановити ще одну форму його зміни. Виявлено, що аномалії геомагнітного поля плавно переміщуються на захід приблизно в широтному напрямі. Ця властивість геомагнітного поля називається західним дрейфом (рис. 1.21). Швидкість дрейфу досить значна і складає близько 0,18 на рік. Переміщення аномалій магнітного поля завершує повний оберт навколо Землі за 1800 років. Неперіодичні зміни магнітного поля називаються магнітними бурями, які є наслідком спалахів сонячної активності і супроводжуються полярним сяйвом, погіршенням або припиненням короткохвильового радіозв’язку. Вважається, що магнітні бурі обумовлені взаємодією корпускулярного випромінювання Сонця з магнітним полем Землі. На відстані 100-200 тис. км від Землі магнітне поле слабшає і стає співрозмірним з космічним магнітним полем. Ця границя називається магнітопаузою, а простір, який вона обмежує – магнітосферою.

Рисунок 1.20 – Вірогідні типи походження головного дипольного поля (за М. Боттом). а–диполь в центрі Землі; б–однорідне намагнічене ядро; в–однорідна намагнічена Земля; г–система електричних струмів, які течуть із сходу на захід вздовж границі, що розділяє мантію і ядро, при щільності струму пропорційного косинусу широти (тороїдальний тип)

Корпускулярне випромінювання Сонця, сонячний вітер, утворює магнітне поле. Спалахи Сонячної системи посилюють інтенсивність сонячного вітру, при зустрічі якого з магнітосферою виникає ударна хвиля, яка деформує магнітні силові лінії Землі. В результаті магнітосфера набуває асиметричної форми. Ці деформації і обумовлюють виникнення магнітних бурь.

На відміну від добових варіацій і магнітних бурь, вікові варіації та західний дрейф геомагнітного поля, очевидно, обумовлені глибинним джерелом, яке розташоване в надрах Землі. За розрахунками, зовнішні джерела обумовлюють біля 6% повного геомагнітного поля. На долю внутрішніх джерел, природа яких вивчена недостатньо, приходиться близько 94% магнітного поля Землі, що вимірюється.

Інтенсивність внутрішнього джерела можна оцінити кількісно за напругою поля, що ним утворюється. Мірою інтенсивності може слугувати магнітний момент. За розрахунками магнітного моменту, які проводяться з 1829 року, його значення поступово зменшуються із середньою швидкістю близько 3.710²² Од ССSМ/рік, або 0,04% на рік, що через 2000 років може призвести до зникнення геомагнітного поля Землі 20.

Магнітні властивості гірських порід змінюються в значних діапазонах 10. Найбільшим магнітним сприйняттям володіють руди заліза і певні магматичні породи, мінімальне – в осадочних породах. В цілому магнітні властивості порід визначаються вмістом магнітовміщуючих мінералів – сполук Fe, Ti, Ni та Co. На зміні магнітних властивостей порід заснований метод вивчення геологічної будови земної кори – магніторозвідка.

за взірцями Південної Америки

за взірцями Африки

а) рух південного полюсу

за взірцями Північної Америки

за взірцями Європи

б) рух північного полюсу

Рисунок 1.21 – Моделі дрейфу магнітних полюсів за палеомагнітними даними. Цифри млн. років назад

Залишкова та індуктивна намагніченість порід утворюється відносно невеликими зернами феромагнітних мінералів, серед яких найбільш поширений – магнетит. Породи можуть набувати намагніченості внаслідок наступних процесів:

-коли породи, охолоджуючись, проходять через точку Кюрі (600), виникає так звана термозалишкова намагніченість, яка є типовою для вивержених порід;

-при формуванні осадових порід, в деяких з них зерна магнітного мінералу укладаються вздовж направлення ліній магнітного поля Землі;

-при утворенні в породі нових магнітних мінералів при хімічних процесах, пов’язаних з діагенетичними змінами, вивітрюванням або метаморфізмом – може виникнути хімічна намагніченість;

-при находженні порід тривалий час у слабкому магнітному полі при відносно низьких температурах виникає в'язка намагніченість. Якщо залишкова намагніченість може зберігатися без змін протягом тривалого відрізку геологічного часу, то її називають стабільною. Якщо вона зникає або змінює напрямок, її називають нестабільною.

Важливим результатом є палеомагнітні дослідження та визначення напрямку магнітного поля в минулі епохи. В деяких взірцях порід залишкова намагніченість направлена в бік, протилежний направленню сучасного поля. Це – так звана зворотна намагніченість. Вважається, що більшість взірців порід зі зворотною намагніченістю відображає реальні інверсії геомагнітного поля. Відомі інверсії поля в середньому повторюються через 0,4 млн. років, хоча цей інтервал не є суворо регулярним. Крім того, в середині найосновніших періодів зустрічаються короткі періоди зміни полярності. Вивчення палеомагнітного поля Землі дозволяє зробити наступні висновки:

-геомагнітне поле Землі існує близько 600 млн. років;

-положення магнітних полюсів в минулі геологічні епохи не співпадає з сучасним.

Переміщення полюсів у часі і просторі отримало назву міграції магнітних полюсів (рис.1.22). Швидкість цього процесу – до 1 см на рік.

Рисунок 1.22 – Карта переміщення палеомагнітного полюсу в сучасній північній півкулі за Хіббердом

На сьогоднішній день вважається, що основною причиною виникнення магнітного поля Землі є рух речовини в її ядрі, який призводить до виникнення електричних струменів, які індукують магнітне поле.

Завершуючи розгляд геомагнітного поля Землі, важливо підкреслити, що проблема його походження належить до групи складних і до кінця невирішених питань геології. Гіпотези, що існують, (сталого магніту; електричні: термоелектричного ефекту, динамо) не дають пояснення таких особливостей поля, як інверсія полюсів.

Питання для смоперевірки

1. Гіпотези утворення ядра Землі.

2. Будова ядра Землі.

3. В якому стані знаходяться речовина в ядрі Землі?

4. Який склад речовини ядра Землі?

5. Назвіть основні фізичні властивості ядра Землі?

6. Назвіть причини виникнення магнітного поля Землі?

7. Які варіації магнітного поля Землі Ви знаєте?

8. З чим пов’язаний дрейф магнітних полюсів Землі?

9. Які гіпотези існують щодо інверсії магнітних полюсів Землі?