Jądro Ziemi - Polski Serwis Naukowy

Budowa wnętrza Ziemi

Jądro Ziemi (barysfera, nife) – wewnętrzna część Ziemi.

Hipotezy o jego budowie i cechach fizyczno-chemicznych opierają się głównie na badaniu rozchodzenia się fal sejsmicznych podczas trzęsień ziemi.

Zgodnie z powszechnie przyjętymi poglądami jądro Ziemi jest kulą o promieniu 3470 km, masie 1,85·10 kg i gęstości 9,6–18,5 g/cm³. Tworzy je stop niklu (Ni) i żelaza (Fe) (stąd dawniej używane określenie nife), być może z domieszką pierwiastków lekkich – krzemu, siarki i potasu. Uważa się, że występują w nim atomy pierwiastków ciężkich w stężeniu większym niż w płaszczu Ziemi.

Trzęsienie ziemi – gwałtowne rozładowanie naprężeń, nagromadzonych w skorupie ziemskiej w wyniku przejściowego zablokowania ruchu warstw skalnych, poruszających się wzdłuż linii uskok Uwalniająca się przy tym energia w około 20% rozchodzi się w postaci fal sejsmicznych, z których część dociera na powierzchnię Ziemi w postaci niszczących fal powierzchniowych.

Gaus (Gs) – jednostka indukcji magnetycznej w układzie CGS (jednostka przejściowo legalna w Układzie SI, ale niezalecana z uwagi na zbieżność symbolu z gigasekundą). Nazwa pochodzi od nazwiska niemieckiego fizyka Karola Gaussa.

Na podstawie badań sejsmologicznych w obrębie jądra wyróżniono trzy strefy: jądro zewnętrzne (nifesima), jądro wewnętrzne (nife) i położoną między nimi strefę przejściową (tzw. nieciągłość Lehmann).

Jądro zewnętrzne, o grubości ok. 2080 km, od płaszcza Ziemi oddziela nieciągłość Gutenberga. Jest ono płynne o temperaturze ok. 4000–5000 °C. Przy ogromnym ciśnieniu i temperaturze trudno substancję jednoznacznie przydzielić do cieczy czy gazu. Jądro ma dużą przewodność elektryczną. W jądrze płynnym występują na wielką skalę prądy konwekcyjne unoszące silniej ogrzaną materię znajdującą się bliżej środka Ziemi wyżej (dalej od środka). W wyniku oddalania się od środka unosząca się porcja płynu zachowuje swój moment pędu, co odpowiada temu, że ma coraz mniejszą prędkość obrotową. Odwrotnie dzieje się z chłodniejszą substancją opadającą w kierunku środka Ziemi. Efekt zmiany kierunku ruchu unoszącej się i opadającej substancji można tłumaczyć też występowaniem siły Coriolisa. A unosząca się i opadająca substancja tworzy wiry w większości kręcące się w płaszczyźnie obrotu Ziemi i w tę samą stronę.

Uran − gazowy olbrzym, siódma w kolejności od Słońca planeta Układu Słonecznego. Jest także trzecią pod względem wielkości i czwartą pod względem masy planetą naszego systemu. Nazwa planety pochodzi od Uranosa, który był bogiem i uosobieniem nieba w mitologii greckiej (klasyczna greka: Οὐρανός), ojcem Kronosa (Saturna) i dziadkiem Zeusa (Jowisza). Choć jest widoczny gołym okiem, podobnie jak pięć innych planet, starożytni obserwatorzy nie uznali go za planetę ze względu na jego niską jasność i powolny ruch po sferze niebieskiej. Sir William Herschel ogłosił odkrycie planety w dniu 13 marca 1781, po raz pierwszy w historii nowożytnej rozszerzając znane granice Układu Słonecznego. Uran to również pierwsza planeta odkryta przy pomocy teleskopu.

Bilans cieplny - w termodynamice to równanie opisujące sumę procesów cieplnych określonego układu termodynamicznego. W pewnym sensie kompletny zapis bilansu cieplnego jest równoważny sformułowaniu I zasady termodynamiki dla szczególnego przypadku analizowanego układu.

Na skutek wyżej opisanego efektu oraz zmiennej prędkości obrotowej płaszcza ziemskiego, jądro obraca się z inną prędkością niż płaszcz. Obecnie jądro wewnętrzne obraca się szybciej niż płaszcz Ziemi o około 0,3–0,5 stopnia rocznie.

Uważa się, że powstające uporządkowane wiry substancji przewodzącej prąd są przyczyną powstawania i utrzymywania pola magnetycznego Ziemi w zjawisku zwanym geodynamem, którego funkcjonowanie wyjaśnia magnetohydrodynamika zjawiskiem zwanym dynamem magnetohydrodynamicznym.

Jądro wewnętrzne (promień 1250 km), w odróżnieniu od zewnętrznego, wykazuje charakter ciała stałego o dużej sztywności. Odznacza się dużą gęstością, wzrastającą wraz z głębokością (podobnie jak ciśnienie i temperatura).

Nieciągłość Gutenberga (Wiecherta-Gutenberga) - strefa rozdzielająca płaszcz ziemski (sima) i jądro Ziemi (nife) na głębokości ok. 2900 km. Wynika ona z faktu, że stykają się tam stała materia płaszcza z ciekłym jądrem zewnętrznym. Zgodnie z podziałem wnętrza Ziemi według kryterium reologicznego stanowi strefę graniczną pomiędzy geosferami: mezosferą a barysferą (jądrem Ziemi).

Monokryształ – materiał będący w całości jednym kryształem (np. kryształ cukru, soli, półprzewodnika). Monokryształ może zawierać w całej swej objętości niewielką ilość defektów tejże struktury, a jego zewnętrzna forma nie musi odzwierciedlać struktury krystalicznej.

Natężenie pola magnetycznego jest znacznie większe w jądrze Ziemi niż na jego powierzchni. Według pomiarów z 2010, przeciętne natężenie pola magnetycznego w jądrze zewnętrznym wynosi 25 Gausów - 50 razy tyle co na powierzchni Ziemi.

Strefa przejściowa, zwana powierzchnią Lehmann, o stosunkowo niewielkiej grubości (ok. 140 km), według poglądów części uczonych stanowi strefę stopniowego przechodzenia od fazy ciekłej do stałej. Być może w strefie tej jądro wewnętrzne rozrasta się kosztem jądra zewnętrznego.

Powierzchnia nieciągłości Lehmann – powierzchnia nieciągłości w jądrze Ziemi (barysferze) oddzielająca jądro wewnętrzne od zewnętrznego na głębokości około 5100 km.

Efekt Coriolisa – efekt występujący w obracających się układach odniesienia. Dla obserwatora pozostającego w obracającym się układzie odniesienia, objawia się zakrzywieniem toru ciał poruszających się w takim układzie. Zakrzywienie to zdaje się być wywołane jakąś siłą, tak zwaną siłą Coriolisa. Siła Coriolisa jest siłą pozorną, występującą jedynie w nieinercjalnych układach obracających się. Dla zewnętrznego obserwatora siła ta nie istnieje. Dla niego to układ zmienia położenie a poruszające się ciało zachowuje swój stan ruchu zgodnie z I zasadą dynamiki.

Alternatywne hipotezy

Dawniej uważano, że jądro wewnętrzne może tworzyć żelazny monokryształ. Istnieje również koncepcja Georeaktora, zaproponowana przez geochemika J. Marvina Herdona, mówiąca iż wewnętrzne jądro Ziemi może być wciąż działającym reaktorem jądrowym, w którym uran ulega rozszczepieniu w reakcji łańcuchowej. Choć niewątpliwym jest, że uran i inne radioaktywne jądra rozpadają się, dając tym samym pewien wkład do bilansu cieplnego jądra Ziemi, to hipoteza ta budzi jednak wiele kontrowersji i nie jest uznawana przez geofizykę.

Reaktor jądrowy – urządzenie, w którym przeprowadza się z kontrolowaną szybkością reakcje jądrowe; na obecnym etapie rozwoju nauki i techniki (rok 2011) są to przede wszystkim reakcje rozszczepienia jąder atomowych. Reakcje te mają charakter łańcuchowy - produkty reakcji (w tym głównie neutrony) mogą zainicjować kilka następnych. Aby uniknąć lawinowego wzrostu szybkości reakcji, reaktor dzieli się na strefy wypełnione na przemian paliwem, chłodziwem oraz moderatorem, czyli substancją spowalniającą neutrony. Szybkość reakcji kontrolowana jest m.in. przez zmianę wzajemnego położenia lub proporcji tych składników, a także przez wprowadzanie dodatkowych substancji pochłaniających lub spowalniających neutrony, zawartych w tzw. prętach regulacyjnych (służących do normalnej regulacji parametrów reakcji) oraz prętach bezpieczeństwa (stosowanych do awaryjnego wyłączania reaktora). Substancjami używanymi do pochłaniania neutronów termicznych są m.in. bor i kadm, natomiast jako moderatorów używa się m.in. berylu, grafitu, a także wody, pełniącej równocześnie rolę chłodziwa.

Ciecz – stan skupienia materii – pośredni między ciałem stałym a gazem, w którym ciało fizyczne trudno zmienia objętość, a łatwo zmienia kształt. Wskutek tego ciecz przyjmuje kształt naczynia, w którym się znajduje, ale w przeciwieństwie do gazu nie rozszerza się, aby wypełnić je całe. Powierzchnia styku cieczy z gazem lub próżnią nazywa się powierzchnią swobodną cieczy.

Przypisy

Moon and distant quasars facilitate first measurement of magnetic field in Earth’s core. 2010-12-20. [dostęp 2010-12-20].
Herndon, J.M., "Feasibility of a nuclear-fission reactor at the center of the Earth as the energy-source for the geomagnetic-field", Journal of Geomagnetism and Geoelectricity, 45: 423-437, 1993
Schuiling, R.D. "Is there a nuclear reactor at the center of the earth?", Earth Moon and Planets, 99: 33-49, 2006 DOI:10.1007/s11038-006-9108-4