Строение Земли
. Из чего состоит наша планета и сколько в ее структуре слоев
Общепринятое в науке строение Земли выглядит так: тонкий слой коры на поверхности, потом мантия и шарообразное ядро в центре. Заглянуть вглубь планеты и вычислить ее структуру ученые смогли благодаря множеству исследований, в частности того, как расходятся сейсмоволны. Рассказываем, как выглядит внутренняя структура Земли и что известно о ее составе.
Внутреннее строение Земли
Строение земной коры
Земля состоит из коры, мантии и ядра — это общепринятая модель строения нашей планеты, сложившаяся к началу XX века. У каждого слоя свои физические свойства, химический состав и толщина [1]. В структуре Земли слои следуют друг за другом с одновременным ростом температуры и давления. В центре планеты, как считают ученые, эти показатели достигают максимумов — до 6000 °C и 3,6 млн атмосфер.
- Кора. Это верхний слой наружней твердой оболочки Земли, на которую приходится менее 1% от массы нашей планеты [1]. Кора бывает двух видов: континентальная, с верхним слоем грунта, и океаническая, образующая поверхность морского дна.
- Мантия. Самый большой слой. На нее приходится почти 70% массы планеты и чуть более 80% объема. Мантия делится на верхнюю и нижнюю. Мантия не жидкая, а достаточно твердая, плотная и вязкая структура, за исключением некоторых слоев.
- Ядро. Находится в центре планеты, на него приходится около 30% массы Земли. Оно также неоднородно, ученые выделяют два слоя: внешний и внутренний. Благодаря ядру у нашей планеты есть магнитное поле.
Строение Земли изучает геофизика [2]. Это комплекс дисциплин, включающий исследования на суше, в океане и космосе. Одни из первых открытий внутренней структуры Земли стали возможны благодаря изобретению сейсмографов. Данные о том, как волны от землетрясений проходят сквозь планету, позволили ученым судить о физическом и химическом составе ее недр.
Из чего состоит кора Земли
Литосферные плиты
Земная кора — это верхний слой литосферы, жесткой оболочки Земли. Она состоит преимущественно из твердых пород и делится на три уровня: осадочный, гранитный и базальтовый [4]. Земная кора — самый тонкий слой в структуре Земли. Для нее характерна неоднородность рельефа, его изменчивость.
Толщина коры
Расстояние от поверхности до нижней границы коры со следующим слоем — около 75 км [1]. В высокогорных районах мощность коры самая максимальная, а под дном океана она тоньше всего — местами до 5–6 км [4]. В этом слое присутствует большинство элементов таблицы Менделеева, но только несколько составляют ее основу [5]. Предполагается, что соотношение выглядит так: 46,6% — кислород, 27,72% — кремний, 8,13% — алюминий, 5% — железо, 3,63% — кальций и по чуть больше двух процентов приходится на натрий, калий и магний.
Литосферные плиты
Литосфера — это жесткая внешняя часть Земли, толщина которой доходит до 200 км [6]. Она включает в себя земную кору и верхнюю часть мантии — астеносферу (пластичный слой, подстилающий литосферу) [7]. Литосфера разделена на тектонические или литосферные плиты. Каждая плита включает в себя участки с океаническим и континентальным типом земной коры. Исключение — Тихоокеанский участок. На этой плите, самой обширной, преобладает океаническая кора. Литосферные плиты постоянно движутся по астеносфере, вызывая масштабные возмущения: разломы, извержения вулканов и землетрясения.
Из чего состоит мантия Земли
Мантия Земли
Мантия — это слой под земной корой и над ядром. Она залегает с глубины в 70 км от поверхности и с нижней границей на уровне 2900 км. Мантия очень горячая, ее температура варьируется от 1000 °C вблизи границы с корой до 3700 °C у ядра [4]. Активность в мантии тесно связана с процессом конвекции — переносом тепла из ядра в верхние слои планеты [8].
Верхняя мантия
Залегает под нижней границей земной коры (так называемая граница Мохоровичича) до глубины около 400 км [9]. Она включает нижнюю часть литосферы и верхнюю часть астеносферы.
Нижняя мантия
Начинается с глубины от 400 км и доходит до ядра (граница в 2900 км). Она горячее и плотнее верхнего слоя [1].
Интересный факт: узнать чуть больше о составе мантии и процессах, протекающих в ней, позволяют алмазы, формирующиеся в ее верхнем слое. Из глубин планеты ближе к поверхности, где эти камни находят люди, их переносят магматические горные породы — кимберлиты. В добытых образцах иногда обнаруживают вкрапления других веществ — они и представляют основной интерес для науки. Большинство алмазов образуются на глубине 150–200 км в верхней мантии, но встречаются образцы с минеральными включениями, относящимися к переходной зоне в 410–660 км от поверхности Земли [10], [11].
Например, в 2022 году при исследовании алмаза с глубины 600 км ученые обнаружили в нем включения рингвудита. Это очень редкий минерал, который до этого находили на Земле единственный раз. Анализ показал, что в образце есть вода (не в привычной жидкой форме, а в связанной со структурой минерала). Это позволило предположить, что вода может проникать или изначально присутствовать в недрах Земли глубже, чем считали ученые [12], [13].
Из чего состоит ядро Земли
Ядро Земли — горячий и плотный шар в центре планеты. От поверхности оно расположено на расстоянии примерно 2900 км, его радиус — около 3500 км [14]. Ученым известно, что ядро состоит из двух частей: внешней жидкой оболочки и внутреннего твердого элемента. Температура ядра самая высокая среди всех слоев — до 6000 °C.
Внешнее ядро
Внешнее ядро находится под мантией и, предположительно, представляет собой слой расплавленного железа и никеля. Толщина внешнего ядра — около 2000 км [4]. Внутри этого слоя формируются токи, которые создают магнитное поле Земли.
Внутреннее ядро
Это самый центр Земли. Ученые считают, что оно почти на 90% состоит из сплава никеля и железа, а также примесей серы. Температура во внутреннем ядре самая высокая — от 5000 до 6000 °C. Это значительно выше температуры плавления железа, но внутреннее ядро, как считает наука, не является жидким. Объяснение этому кроется в колоссальном давлении, которое испытывает центр планеты. Оно настолько велико, что даже экстремально высокие температуры не дают веществу перейти в жидкое состояние. [15].
Интересный факт: внутреннее ядро вращается немного иначе, чем остальные части Земли. Современная наука предполагает, что оно движется немного быстрее, совершая дополнительный оборот примерно каждые 1000 лет. Кроме того, ученые считают, что внутреннее ядро Земли медленно увеличивается в размерах [15].
На сколько процентов Земля состоит из воды
Океаны Земли
Вся вода на планете, в жидком, твердом и газообразном состоянии, составляет гидросферу. Она пронизывает все геосферы Земли: от нижней границы коры (подземные воды) до верхних слоев атмосферы [16]. Масса гидросферы, то есть всей известной человеку воды, составляет около 0,025% массы планеты [17].
Всего на Земле около 1 386 000 000 куб. км воды [17]. Основная часть приходится на соленые воды океанов. Пресных вод не более 3,5%. Большая часть этой воды заключена в ледниках [18]. Треть пресной воды — это так называемые грунтовые воды. Еще меньше ее в реках, озерах и ручьях. Очень небольшое количество воды находится в атмосфере, где она существует в виде водяного пара, из которого состоят облака.
Из чего состоит атмосфера
Атмосфера Земли — это смесь газов, которые обволакивают нашу планету снаружи. Она делает жизнь возможной, обеспечивая людей и животных воздухом для дыхания, защищает от ультрафиолетового излучения, удерживает тепло и предотвращает резкие перепады температуры [19]. Строение атмосферы также слоистое, всего принято выделять пять основных структур в ее составе.
- Тропосфера. Простирается от поверхности Земли на высоту около 12 км. В ней удерживается воздух, необходимый растениям для фотосинтеза и для дыхания животным. Здесь же формируются облака и осадки.
- Стратосфера. Начинается на высоте от 12 км и простирается примерно на 50 км над поверхностью Земли. В ней сконцентрирован озоновый слой, который защищает от вредного излучения Солнца. Это самая высокая часть атмосферы, которую могут достичь реактивные самолеты.
- Мезосфера. Расположена на высоте от 50 до 80 км. По мере увеличения высоты мезосфера становится все холоднее: ее средняя температура — минус 85 °C. Большинство метеоров сгорает в этом слое, так как в нем еще достаточно газов, чтобы вызвать трение.
- Термосфера. Простирается до высоты 700 км от поверхности Земли. В этом слое вращается вокруг планеты Международная космическая станция. Температура в термосфере резко возрастает с высотой — до 1500 °C, но находящиеся здесь на орбите объекты, например спутники, не нагреваются, так как воздух сильно разрежен.
- Экзосфера. Самый высокий слой атмосферы Земли, которую еще называют сферой рассеяния.Здесь частицы атмосферы преодолевают земное притяжение и уходят в открытый космос [20].
Несмотря на накопленные знания, вопрос о строении Земли по-прежнему дискуссионный, а предложенная модель строения не является исчерпывающей. Наука не исключает, что структура нашей планеты может быть гораздо сложнее, включая переходные слои и те, о которых, возможно, еще не известно. Например, в 2023 году ученые выдвинули гипотезу, что внутри ядра планеты может находиться еще один шарообразный элемент. Недавние исследования также показали, что в структуре внутреннего ядра присутствует большое количество прослоек с разнообразными составом.
Но напрямую пока никто и никогда не проник в мантию и ядро, а большинство данных о них косвенные. Исключение — земная кора. Многое о ее составе люди узнали, погружаясь в недра. Самая глубокая скважина, которую когда-либо сделал человек, составляет чуть больше 12 км (Кольская сверхглубокая, Мурманск) [21]. Породы, извлеченные из ее глубин, оказались ценными для науки, но в масштабах планеты человек заглянул не так глубоко: Кольская сверхглубокая приблизилась не более чем на 0,2% к центру Земли.