Когда в Карпатах или в Румынии происходит ощутимое землетрясение, во Львове иногда вздрагивает люстра или звенит посуда. Сейсмическая волна проходит не только через кору под городом, но и через более глубокие слои планеты. Именно так — по изменению скорости и направления волн — измеряют то, что лежит на тысячи километров вниз и никогда не попадёт в скважину.
Ядро Земли начинается примерно с глубины 2890 км и занимает центральную часть планеты. На него приходится около трети массы Земли; оно удерживает вещество одновременно в жидком и твёрдом состоянии и поддерживает магнитное поле, без которого атмосфера быстрее утрачивала бы защиту от солнечного ветра. Ниже собраны измеряемые параметры: размеры, температура, давление, состав и движение.
1. Структура и размеры ядра Земли
Средний радиус Земли составляет 6371 км. Граница между мантией и ядром — так называемая граница ядро–мантия — лежит на глубине около 2890 км. От этой границы вниз идёт внешнее ядро толщиной около 2260 км. Оно жидкое: поперечные сейсмические волны сквозь него не проходят.
Внутреннее ядро — твёрдый шар радиусом около 1220 км. Его поверхность лежит на глубине примерно 5150 км. По объёму всё ядро занимает около 15 процентов планеты, по массе — около 32 процентов, потому что плотность металла здесь в несколько раз выше, чем в силикатной мантии.
Внешнее ядро массивнее внутреннего: на него приходится около 31 процента массы Земли, на внутреннее — около 1,6 процента. Внутреннее ядро медленно растёт: расплав замерзает на его поверхности со скоростью порядка миллиметра в год.
2. Температура на разных глубинах
В земной коре температура растёт с глубиной, обычно на 20–30 °C на километр, но этот градиент не сохраняется до центра. В мантии тепло переносится конвекцией, поэтому прирост замедляется. На границе ядро–мантия оценки сводятся примерно к 3500–4500 K; часто берут ориентир около 4000 K, то есть около 3700 °C.
На границе внутреннего ядра температура близка к температуре плавления железоникелевого сплава при давлении около 330 ГПа. Общепринятый интервал — примерно 5000–6000 K, типичные рабочие значения — 5400–5700 K. В центре планеты температура лишь немного выше, потому что внутреннее ядро твёрдое и конвекция в нём слабая.
Цифры расходятся, потому что прямого термометра нет. Температуру восстанавливают по кривой плавления железа с примесями, по адиабате внешнего ядра и по тепловому потоку через границу с мантией. Разница в сотни кельвинов меняет оценки возраста внутреннего ядра и мощности геодинамо.
3. Давление внутри ядра
Давление в недрах — это вес всей породы и металла над выбранной точкой. В модели PREM на границе ядро–мантия оно составляет около 136 ГПа, на границе внутреннего ядра — около 329 ГПа, в центре — около 364 ГПа.
Одно ключевое число стоит разобрать. 364 ГПа — это 364 миллиарда паскалей. Одно атмосферное давление равно 101 325 Па, следовательно 1 ГПа — это примерно 9869 атмосфер. 364 × 9869 даёт около 3,59 миллиона атмосфер. Число меняется, если взять другой профиль плотности: другие сейсмические модели сдвигают центральное давление на несколько гигапаскалей, но не на порядки.
Именно давление, а не «холод», удерживает внутреннее ядро твёрдым. Железо при 5000 °C на поверхности было бы жидкостью; под сотнями гигапаскалей кристаллическая решётка остаётся устойчивой. Жидкость внешнего ядра не затвердевает, потому что там давление ниже необходимого для замерзания сплава при той же температуре.
4. Состав ядра: железо, никель и более лёгкие элементы
Основная масса ядра — железо с примесью никеля около 5 процентов по массе. Это следует из плотности, космической распространённости элементов и состава железных метеоритов, которые считают обломками ядер дифференцированных тел.
Чистое железо было бы плотнее, чем показывает сейсмология. Внешнее ядро легче чистого железа примерно на 6–10 процентов, внутреннее — примерно на 4–5 процентов. Разницу дают более лёгкие элементы: кислород, кремний, сера, углерод, водород. Точные доли ещё не зафиксированы одним составом: разные лабораторные уравнения состояния допускают разные смеси.
На границе внутреннего ядра плотность скачет сильнее, чем ожидалось бы только от перехода «жидкость — твёрдое тело». Более лёгкие компоненты частично остаются в расплаве, поэтому внешнее ядро беднее железом, чем внутреннее. Это химическое расслоение подпитывает конвекцию.
5. Движение расплавленного ядра и магнитное поле Земли
Внешнее ядро — электропроводящая жидкость низкой вязкости. Тепло идёт от внутреннего ядра и от охлаждения планеты, лёгкие элементы всплывают при кристаллизации. Жидкость поднимается и опускается. Вращение Земли закручивает потоки силой Кориолиса в систему валов.
Движение проводника в магнитном поле порождает электрический ток, ток усиливает поле. Так работает геодинамо. Почти всё главное поле Земли рождается именно во внешнем ядре. Внутреннее ядро в этом механизме участвует как источник тепла и как твёрдая граница, задающая условия на дне расплава.
Поле отклоняет заряженные частицы солнечного ветра и формирует магнитосферу. Без этого щита атмосфера и озоновый слой подвергались бы более сильной эрозии, навигация по компасу и работа части спутниковых систем стали бы иными. Поле не постоянно: полюса дрейфуют, интенсивность меняется, случаются инверсии, зафиксированные в горных породах.
Важно. Ядро не «держит» грунт Львова и не влияет на коммунальные сети напрямую. Практическое следствие — глобальное магнитное поле: оно задаёт фон для компасов, ориентации мигрирующих животных и возмущений во время геомагнитных бурь, которые могут затрагивать радиосвязь и электросети.
6. Как учёные узнали о ядре
Самые глубокие скважины достигают лишь коры. Карту ядра собрали по косвенным измерениям. Продольные волны проходят сквозь жидкость, поперечные — нет; зона сейсмической тени показала жидкое внешнее ядро ещё в начале XX века. В 1936 году Инге Леманн объяснила слабые сигналы в этой зоне отражением от более плотного внутреннего ядра.
До этого рабочая картина была проще: под мантией видели сплошной расплав. После введения внутренней границы те же записи землетрясений легли на модель с твёрдым центром радиусом около 1200 км. Позже собственные колебания Земли подтвердили, что внутреннее ядро пропускает поперечные волны, то есть является твёрдым.
Плотность уточняют гравиметрией и моментом инерции планеты. Состав сравнивают с железными метеоритами и с экспериментами в алмазных наковальнях, где железо сжимают до давлений ядра. Вместе это даёт согласованную, хотя и неполную, картину — без единого образца с глубины 5000 км.
Что это означает для жителей
Для повседневной жизни во Львове ядро проявляется не как «огонь под ногами», а как стабильное магнитное поле и как среда, сквозь которую проходят далёкие сейсмические волны. Компас в смартфоне ориентируется на это поле; во время сильной геомагнитной бури возможны сбои радиосвязи и навигации, иногда — перепады напряжения в сетях.
Понимание глубин также отсекает ложные бытовые представления: температура в подвале или в шахте не «ведёт» напрямую к нескольким тысячам градусов ядра. До центра остаются тысячи километров мантии, которая отводит тепло медленно.
Что делать дальше
Если нужна школьная или справочная картина недр, достаточно запомнить четыре числа: граница ядра около 2890 км, внутреннее ядро с глубины около 5150 км, давление в центре около 360 ГПа, температура там порядка 5000–6000 K. Это занимает несколько минут и закрывает большинство вопросов учебника.
Если интересует защитная роль поля, стоит следить за индексами геомагнитной активности в дни солнечных вспышек: это бесплатные оперативные сводки служб космической погоды, полезные для радиолюбителей и операторов сетей.
Если проверяете новости об «остановке ядра» или «перевороте полюсов за год», сравнивайте утверждения с базовыми параметрами выше. Внутреннее ядро может менять характер вращения относительно мантии на масштабах лет и десятилетий, но это не выключает геодинамо и не отменяет внешнее жидкое ядро.
