Состав ядра

Плотность и состав ядра

Плотность внутреннего ядра известна только приблизительно, но в настоящее время для нее принимают интервал значений 12600-13 000 кг/м3, и, согласно результатам экспериментов с ударными волнами, в ходе которых создавались нужные давления (около 3,6 Мбар; , эти значения слишком велики для чистого железа. Единственно возможный дополнительный компонент, достаточно распространенный и имеющий подходящую плотность,-это никель, образующий, очевидно, сплав с железом, как в железных метеоритах. Содержание никеля во внутреннем ядре неизвестно, так как определения плотности неточны, но по аналогии с метеоритами можно предположить, что оно составляет, вероятно, 10-20%.

В то время как на внутреннее ядро приходится только 1,7% всей массы Земли, внешнее ядро имеет гораздо большие размеры и большую массу (30%), и его плотность изучена значительно лучше. Поскольку вещество внешнего ядра, по-видимому, хорошо перемешано теми движениями, которые создают динамо, оно должно быть достаточно однородным. Значения плотности изменяются примерно от 9900 кг/м3 у границы ядра и мантии до 12 200 кг/м3 у границы внутреннего и внешнего ядра, где господствуют более высокие давления. Данные по ударным волнам для 1,4 Мбар (что соответствует условиям у границы ядра и мантии) показывают, что чистое железо имеет при таком давлении плотность около 10600 кг/м3. Значит, для внешнего ядра чистое железо чересчур плотное, и в противоположность внутреннему ядру оно должно быть разбавлено каким-то более легким веществом.

Существуют только два разбавителя железа и сера

Существуют только два вероятных, т.е. достаточно распространенных, разбавителя железа во внешнем ядре-кремний и сера. Кислород и магний  для ядра не подходят из-за своих сильных литофильных тенденций. 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 кремний легче серы (атомный вес Si 28, S 32) и поэтому для достижения нужной плотности его требуется меньше. Исследования по ударному уплотнению, проводившиеся для давлений, соответствующих условиям во внешнем ядре, показали, что хорошее совпадение с наблюдаемой плотностью дает сплав 90% Fe и 10% Si, тогда как серы нужно 15%. С учетом того, что хондритовая Земля должна содержать около 8% 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 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. ниже). Еще одним доводом в пользу модели железо-кремниевого внешнего ядра было изучение энстатитовых метеоритов-хондритов, в металлической фазе которых растворено небольшое количество кремния.

популярным становится представление о внешнем ядре, состоящем из железа и серы

Однако начиная с 1970 г. популярным становится представление о внешнем ядре, состоящем из железа и серы. Электронная конфигурация этих элементов указывает на то, что железо способно растворять в процессе образования ядра всю имеющуюся серу, в результате чего только излишек железа переходит в форму окислов или остается в виде металлической фазы. С другой стороны, кремний, имеющий такую же электроотрицательность, как и железо, образует небольшие ионы, которые объединяются с кислородом в силикатах и проявляют тем самым сильные литофильные свойства. Поскольку окислы железа определенно присутствуют в коре и мантии, существование более литофильных силикатных соединений в ядре означало бы, что на границе ядра и мантии существуют условия значительного химического не равновесия. Это маловероятно, поэтому мнение «против кремния и за серу» во внешнем ядре укрепилось. Более того, если внешнее ядро не содержит значительной доли серы, входящей в состав хондритовой Земли, то это означает, что Земля должна была потерять большое количество серы во время аккреции, а это (как было показано для Венеры сделало бы плотность Земли значительно ниже, чем на самом деле. Наконец, железные метеориты часто содержат значительную долю сульфида железа в виде минерала троилита, так что совокупность данных по метеоритам в целом также свидетельствует в пользу серы. Экспериментальные данные по ударным волнам, полученные Аренсом , показывают, что хорошее совпадение с плотностью внешнего ядра может дать смесь 9-12% серы с железом (вероятно, ближе к верхнему пределу этого диапазона).