Температура ядра земли

Температура и эволюция ядра земли

Чистое железо плавится при 1539°С, а чистый FeS-при 1230°С, любой промежуточный состав между этими двумя экстремумами испытывает частичное плавление, начиная с гораздо более низкой температуры (998°С). Это обусловлено тем, что в системе Fe-FeS присутствует эвтектическая смесь, или эвтектика,

содержащая 75%-ный FeS (что соответствует 27% серы), которая и образует первый расплав. Смесь, целиком отвечающая составу эвтектики, при 998°С оказывается в полностью расплавленном состоянии. Но в смеси любого другого состава количество расплава растет с повышением температуры вплоть до полного плавления при температуре, соответствующей ординате кривой на рис.  Например, смесь, состоящая на 20% из FeS и на 80% из Fe, начинает плавиться при 998°С и оказывается полностью расплавленной примерно при 1420°С. Очевидно, присутствие серы значительно понижает точку плавления чистого железа. Поэтому среди различных вариантов смеси железа и серы во внешнем ядре можно выбрать такую смесь, которая имеет достаточно низкую температуру плавления, что позволяет объяснить разные температуры плавления внутреннего и внешнего ядра, как это показано Наоборот, железо-кремниевые и железо-никелевые смеси не образуют подобной эвтектики с низкой температурой плавления. Таким образом, внутреннее ядро представляет собой кристаллизующийся при высокой температуре сплав, что и объясняет его твердое состояние.

 

 

Условия плавления систем для земного ядра

Чтобы выяснить условия плавления систем Fe-FeS при давлениях, характерных для земного ядра, были проведены эксперименты  со смесями Fe-Ni-S при давлениях до 100 кбар, а установленные при этом тенденции были экстраполированы на еще более высокие давления. Некоторые из полученных результатов показаны на рис.   интервал между температурами плавления чистого железа и эвтектики с глубиной возрастает. Следовательно, во время образования ядра  эвтектический расплав мог пройти через мантию быстрее, чем чистое железо, так как для того, чтобы в мантии эвтектика оставалась жидкой, там не нужен был высокий температурный градиент. Поскольку температура с глубиной, вероятно, повышалась, возможно, из-за гравитационной энергии, высвобождавшейся при опускании расплава, эвтектика могла «промывать» твердое вещество мантии, вынося из него сульфид железа.

С другой стороны, точка плавления чистого железа только немного ниже, чем у большинства силикатов, и если только на ранних стадиях температуры были не слишком велики и не вызвали почти полного плавления всей Земли, опускавшееся расплавленное железо должно было в общем случае застывать. Таким образом, опускание близкого к эвтектике расплава FeS через полупроницаемые твердые мантийные силикаты создавало механизм образования ядра, соответствующий модели однородной аккреции.

Но состоит ли внешнее ядро на самом деле из эвтектической смеси?

Но состоит ли внешнее ядро на самом деле из эвтектической смеси? Уссельман  показал, что с повышением давления количество серы в эвтектической смеси убывает. По его оценке, содержание серы в составе эвтектики у границы ядра и мантии равняется 17,5% и уменьшается к границе внешнего и внутреннего ядра до 15% (от 48 до 41% FeS). Уссельман также пришел к выводу, что несколько процентов никеля во внешнем ядре мало повлияют на полученные оценки температуры. Поэтому такая эвтектика содержит только немногим больше 9-12% серы, как это предполагалось исходя из данных о плотности (12% S эквивалентны 33% FeS). Условия плавления смесей Fe-FeS при давлениях, соответствующих границе ядра и мантии,   где видно повышение температуры плавления и уменьшение содержания серы в эвтектике. Пределы температур в ядре   учитывая крайние члены ряда возможных составов. Принимая, что внешнее ядро имеет состав эвтектики, получаем, что минимальная возможная температура составляет у границы ядра и мантии 1800°С и возрастает по направлению к границе внешнего и внутреннего ядра до 2100°С. Кривая плавления для чистого железа дает максимальные значения возможных температур у кровли и подошвы внешнего ядра, равные 3900 и 4400°С соответственно. При более высоких температурах внутреннее ядро должно было бы расплавиться. (Джейкобе   перечисляет 16 независимо полученных значений температуры плавления железа в условиях давлений у границы ядра и мантии. Полный диапазон этих оценок-от 2340 до 4800°С, со средним значением 3750°С, что очень близко к значению, полученному Уссельманом.)