Внутрішнє ядро Землі

Внутрішнє ядро Землі, суб'ядро (англ. sub-core, inner core, lower core; нім. Innererkern m, innerer Kern m, Kern m) — внутрішня частина ядра Землі з радіусом близько 1,22 тис. км. Суб'ядро, ймовірно, тверде, густина речовини всередині суб'ядра досягає 13100 кг/м³, маса — 9,7 × 10²² кг (1,6 % маси Землі, 5 % маси ядра), об'єм 7,6 х 10⁹ км³(0,7 % об'єму Землі)^[1]. Гіпотетично внутрішнє ядро складається із залізо-нікелевого сплаву з домішками силікатів і важких металів.

Існування внутрішнього ядра Землі обґрунтувала у 1936 році данський геофізик Інге Леманн^[2].

Внутрішнє ядро поступово зростає за рахунок кристалізації речовини зовнішнього ядра при остиганні Землі. Кристалізація суб'ядра почалася 1-1,5 млрд років тому.

Існує два основних типа хвиль, що виникають під час землетрусів — P-хвилі (поздовжні) і S-хвилі (поперечні). P-хвилі проходять через тверді тіла, рідини і гази (наприклад, звичайні звукові хвилі є поздовжніми), тоді як S-хвилі можуть розповсюджуватись лише у твердих тілах, оскільки модуль зсуву у рідинах і газах дорівнює нулю^[3].

У 1913 році Бено Гутенберг, аналізуючи розповсюдження сейсмічних хвиль, показав, що ядро Землі, починаючи з глибини 2880 кілометрів, рідке^[4].

У 1930-х роках Інге Леманн, данська геофізикиня, аналізуючи сейсмічні хвилі від землетрусу 1929 року у Новій Зеландії, помітила, що сейсмографічні станції у Іркутську і Свердловську зафіксували значно сильніші поштовхи, ніж це очікувалось би. Для пояснення цього факту вона розробила нову трикомпонентну модель будови Землі, що включала ще одне, тверде, ядро всередині рідкого, і опублікувала її в 1936 році в статті під назвою «P′». Лише у 1970-х роках були отримані додаткові дані, що повністю підтвердили теорію Леманн, а лінія розділення між зовнішнім та внутрішнім ядром на її честь отримала назву межа Леманн^[5].

Хоча сейсмологічні дані явно вказували, що внутрішнє ядро існує, те що воно дійсно тверде вдалося остаточно довести лише у 2018 році, показавши, що S-хвилі дійсно проходять крізь нього^[3].

У лютому 2023 року, група австралійських дослідників опублікувала в Nature Communications результати дослідження, в ході якого було вивчено відлуння, тобто відображення від земного ядра, сейсмічних хвиль, які були породжені землетрусами. Сейсмічні Р-хвилі, що йдуть під кутом 50° до осі обертання Землі, виявилися на 4 % повільнішими, аніж подібні хвилі під іншими кутами. В цілому нині досить слабкі відображення від ядра Землі показали, що у його центрі існує «ядро ядра» діаметром приблизно половину ядра загалом. Йдеться про радіус 650 кілометрів (діаметр — близько 1300 кілометрів). Як було повідомлено, це ядро складається ​​із заліза, а нікелю в ньому, мабуть, досить мало^[6][7].

Ймовірно, деякий час після утворення Землі внутрішнього ядра не існувало, а все ядро було рідким. Проте, внутрішні оболонки Землі поступово охолоджуються. Приблизно 1-1,5 мільярда років тому температура ядра опустилася до точки тверднення заліза, після чого подальше охолодження призводить до зростання суб'ядра. Датування пов'язують з моментом різкого зростання напруженості магнітного поля Землі^[8]. Зараз внутрішнє ядро продовжує рости зі швидкістю близько 1 міліметра на рік^[9].

Внутрішнє ядро має радіус 1220 кілометрів (приблизно збігається з радіусом Плутона). Тиск у ньому змінюється від 328 (на поверхні) до 363 (в центрі) ГПа а густина від 12760 до 13090 кг/м^3[10]. Температура внутрішнього ядра дорівнює температурі тверднення речовини в умовах ядра, яка ще не була підтверджена експериментально, а теоретичні оцінки варіюються від 4000 до 7000 кельвінів^[11].

Внутрішнє ядро складається з сплаву заліза з домішками нікелю (до 5 %)^[12], кремнію, сірки, кисню і інших речовин. Можливо, суб'ядро є одним суцільним кристалом заліза. Розповсюдження сейсмічних хвиль у внутрішньому ядрі має анізотропію, що може бути пояснене таким чином^[13]. Залізо в цих умовах, ймовірно, присутнє у вигляді ε-заліза^[en] — алотропної модифікації заліза, в якій його атоми мають гексагональну щільноупаковану ґратку^[14]. Згідно інших гіпотез, внутрішнє ядро складається з великої кількості кристалів заліза, між якими присутня речовина у розплавленому стані^[3]. Густина внутрішнього ядра приблизно на 5 % менша, ніж якби воно складалося з чистого заліза.

Внутрішнє ядро обертається навколо своєї осі трохи швидше, ніж Земля в цілому — на 0,3-0,5° на рік, тобто воно робить додатковий оберт приблизно за 900 років. Це явище називається суперротацією. Причини цього явища досі не зрозумілі остаточно, але ймовірно, воно пов'язане з роботою геодинамо або ж з припливними силами^[15]. Цей рух пов'язують зі спостережуваним зміщенням магнітного поля Землі на захід. Втім, існують дані про те, що за останні 3000 років були періоди, коли магнітне поле, навпаки, зміщувалося на схід^[16]. Розрахунки показують, що за відсутності постійної підкручувальної сили додаткове обертання повністю зупиниться за час порядку 11000 років^[15]. Існують також дані, що динаміка диференціального обертання внутрішнього ядра Землі має відносно короткі періоди, коли обертання зупиняються квазіперіодично (з періодом приблизно в 70 років) і одна із зупинок ймовірно відбулася в 2010-х роках^[17] Періодичність диференціального обертання внутрішнього ядра в від шести до семи десятиліть збігається з декількома важливими геофізичними спостереженнями, особливо коливаннями тривалості дня та змінами магнітного поля і вказує на наявну резонансну систему в різних шарах Землі.

Магнітне поле Землі у ядрі має напруженість близько 25 гаус і, ймовірно, виникає завдяки взаємодії внутрішнього і зовнішнього ядра. Серед причин руху потоків розплавленого заліза у зовнішньому ядрі називають: хвилі, що виникають внаслідок руху нерівної поверхні внутрішнього ядра^[18], теплота, що виникає при твердненні заліза і спричинене нею конвективне перемішування^[19]. Варто зазначити, що магнітне поле Землі не може бути спричинене намагніченістю суб'ядра, оскільки його температура є значно вищою за точку Кюрі заліза^[20]. Згідно з деякими гіпотезами, зростання магнітного поля, спричинене появою внутрішнього ядра, в свою чергу стало причиною кембрійського вибуху^[21].

• Зовнішнє ядро
• Межа Леманн

• Мала гірнича енциклопедія : у 3 т. / за ред. В. С. Білецького. — Д. : Донбас, 2004. — Т. 1 : А — К. — 640 с. — ISBN 966-7804-14-3.