Коли в Карпатах або в Румунії стається відчутний землетрус, у Львові інколи здригається люстра або дзвенить посуд. Сейсмічна хвиля проходить не лише корою під містом, а й глибшими шарами планети. Саме так, за зміною швидкості й напряму хвиль, вимірюють те, що лежить за тисячі кілометрів униз і ніколи не потрапить у свердловину.
Ядро Землі починається приблизно з глибини 2890 км і займає центральну частину планети. Воно дає близько третини маси Землі, тримає речовину в рідкому й твердому стані одночасно і підтримує магнітне поле, без якого атмосфера швидше втрачала б захист від сонячного вітру. Нижче зібрано вимірювані параметри: розміри, температуру, тиск, склад і рух.
1. Структура і розміри ядра Землі
Середній радіус Землі становить 6371 км. Кордон між мантією і ядром, так звана межа ядро–мантія, лежить на глибині близько 2890 км. Від цієї межі вниз іде зовнішнє ядро завтовшки близько 2260 км. Воно рідке: поперечні сейсмічні хвилі крізь нього не проходять.
Внутрішнє ядро — тверда куля радіусом близько 1220 км. Його поверхня лежить на глибині приблизно 5150 км. За об’ємом усе ядро займає близько 15 відсотків планети, за масою — близько 32 відсотків, бо густина металу тут у кілька разів вища, ніж у силікатній мантії.
Зовнішнє ядро масивніше за внутрішнє: на нього припадає близько 31 відсотка маси Землі, на внутрішнє — близько 1,6 відсотка. Внутрішнє ядро повільно росте, коли розплав замерзає на його поверхні зі швидкістю порядку міліметра на рік.
2. Температура на різних глибинах
У земній корі температура зростає з глибиною, зазвичай на 20–30 °C на кілометр, але цей градієнт не тримається до центру. У мантії тепло переноситься конвекцією, тож приріст сповільнюється. На межі ядро–мантія оцінки зводяться приблизно до 3500–4500 K, часто беруть орієнтир близько 4000 K, тобто близько 3700 °C.
На межі внутрішнього ядра температура близька до температури плавлення залізонікелевого сплаву при тиску близько 330 ГПа. Консенсусний інтервал — приблизно 5000–6000 K, типові робочі значення 5400–5700 K. У центрі планети температура лише трохи вища, бо внутрішнє ядро тверде і конвекція в ньому слабка.
Цифри розходяться, бо прямого термометра немає. Температуру відновлюють із кривої плавлення заліза з домішками, з адіабати зовнішнього ядра і з теплового потоку через межу з мантією. Різниця в сотні кельвінів змінює оцінки віку внутрішнього ядра і потужності геодинамо.
3. Тиск всередину ядра
Тиск у надрах — це вага всієї породи й металу над обраною точкою. У моделі PREM на межі ядро–мантія він становить близько 136 ГПа, на межі внутрішнього ядра — близько 329 ГПа, у центрі — близько 364 ГПа.
Одне ключове число варто розкласти. 364 ГПа означає 364 мільярди паскалів. Один атмосферний тиск дорівнює 101 325 Па, отже 1 ГПа це приблизно 9869 атмосфер. 364 × 9869 дає близько 3,59 мільйона атмосфер. Число змінюється, якщо взяти інший профіль густини: інші сейсмічні моделі зсувають центральний тиск на кілька гігапаскалів, не на порядки.
Саме тиск, а не «холод», тримає внутрішнє ядро твердим. Залізо при 5000 °C на поверхні було б рідиною; під сотнями гігапаскалів кристалічна ґратка залишається стійкою. Рідина зовнішнього ядра не твердне, бо там тиск нижчий за потрібний для замерзання сплаву за тієї ж температури.
4. Склад ядра: залізо, нікель і легші елементи
Основна маса ядра — залізо з домішкою нікелю близько 5 відсотків за масою. Це випливає з густини, з космічної поширеності елементів і зі складу залізних метеоритів, які вважають уламками ядер диференційованих тіл.
Чисте залізо було б щільнішим, ніж показує сейсмологія. Зовнішнє ядро легше за чисте залізо приблизно на 6–10 відсотків, внутрішнє — приблизно на 4–5 відсотків. Різницю дають легші елементи: кисень, кремній, сірка, вуглець, водень. Точні частки ще не зафіксовані одним складом: різні лабораторні рівняння стану допускають різні суміші.
На межі внутрішнього ядра густина стрибає сильніше, ніж очікували б лише від переходу рідина–тверде тіло. Легші компоненти частково залишаються в розплаві, тому зовнішнє ядро бідніше на залізо, ніж внутрішнє. Це хімічне розшарування підживлює конвекцію.
5. Рух розплавленого ядра і магнітне поле Землі
Зовнішнє ядро — електропровідна рідина низької в’язкості. Тепло йде від внутрішнього ядра й від охолодження планети, легкі елементи спливають під час кристалізації. Рідина піднімається й опускається. Обертання Землі закручує потоки силою Коріоліса в систему валів.
Рух провідника в магнітному полі породжує електричний струм, струм підсилює поле. Так працює геодинамо. Майже все головне поле Землі народжується саме в зовнішньому ядрі. Внутрішнє ядро в цьому механізмі бере участь як джерело тепла й як тверда межа, що задає умови на дні розплаву.
Поле відхиляє заряджені частинки сонячного вітру й формує магнітосферу. Без цього щита атмосфера й озоновий шар зазнавали б сильнішої ерозії, навігація за компасом і робота частини супутникових систем стали б іншими. Поле не стале: полюси дрейфують, інтенсивність змінюється, трапляються інверсії, зафіксовані в гірських породах.
Важливо. Ядро не «тримає» ґрунт Львова і не впливає на комунальні мережі безпосередньо. Практичний наслідок — глобальне магнітне поле: воно задає фон для компасів, орієнтації міграції тварин і для збурень під час геомагнітних бур, які можуть зачіпати радіозв’язок і електромережі.
6. Як вчені дізналися про ядро
Найглибші свердловини сягають лише кори. Карту ядра зібрали з непрямих вимірювань. Стискальні хвилі проходять крізь рідину, зсувні — ні; зона сейсмічної тіні показала рідке зовнішнє ядро ще на початку XX століття. У 1936 році Інге Леманн пояснила слабкі сигнали в цій зоні відбиттям від щільнішого внутрішнього ядра.
До цього робоча картина була простіша: під мантією бачили суцільний розплав. Після введення внутрішньої межі ті самі записи землетрусів лягли на модель з твердим центром радіусом близько 1200 км. Пізніше власні коливання Землі підтвердили, що внутрішнє ядро пропускає зсувні хвилі, тобто є твердим.
Густину уточнюють гравіметрією і моментом інерції планети. Склад порівнюють із залізними метеоритами і з експериментами в алмазних ковадлах, де залізо стискають до тисків ядра. Разом це дає узгоджену, хоч і неповну, картину без жодного зразка з глибини 5000 км.
Що це означає для мешканців
Для повсякденного життя у Львові ядро проявляється не як «вогонь під ногами», а як стабільне магнітне поле і як середовище, крізь яке проходять далекі сейсмічні хвилі. Компас у смартфоні орієнтується на це поле; під час сильної геомагнітної бурі можливі збої радіозв’язку й навігації, інколи — напруга в мережах.
Розуміння глибин також відсікає хибні побутові уявлення: температура в підвалі чи в шахті не «веде» прямо до кількох тисяч градусів ядра. До центру лишаються тисячі кілометрів мантії, яка відводить тепло повільно.
Що робити далі
Якщо потрібна шкільна або довідкова картина надр, достатньо запам’ятати чотири числа: межа ядра близько 2890 км, внутрішнє ядро з глибини близько 5150 км, тиск у центрі близько 360 ГПа, температура там порядку 5000–6000 K. Це займає кілька хвилин і закриває більшість запитань підручника.
Якщо цікавить захисна роль поля, варто стежити за індексами геомагнітної активності в дні сонячних спалахів: це безкоштовні оперативні зведення служб космічної погоди, корисні для радіоаматорів і операторів мереж.
Якщо перевіряєте новини про «зупинку ядра» чи «переворот полюсів за рік», порівнюйте твердження з базовими параметрами вище. Внутрішнє ядро може змінювати характер обертання відносно мантії на масштабах років і десятиліть, але це не вимикає геодинамо і не скасовує зовнішнє рідке ядро.
