Ученые объяснили, почему ядро Земли твердое, хотя оно горячее, чем поверхность Солнца

Самый внутренний геологический слой Земли представляет собой твердый металлический шар диаметром около 2400 километров. Мы никогда не брали его на пробу — сложно добраться до мантии, а затем осталось пройти еще два слоя, — но мы знаем кое-что о его составе и физических условиях по тому, как проходят сейсмические волны. 

Среди вещей, которые мы узнали о внутреннем ядре, это то, что на его поверхности температура составляет 5 700–6 200 кельвинов, в зависимости от того, какую оценку вы используете. По совпадению, нижняя цифра совпадает со средней на поверхности Солнца и намного горячее, чем солнечные пятна. Мы также знаем, что, в отличие от внешнего ядра, внутреннее ядро твердое или очень близкое к нему. Это может показаться противоречием, но объяснение на самом деле очень простое.

Поверхность Солнца представляет собой плазму (подобную газу, но сильно ионизированную) не только потому, что это в основном очень горячий водород, но и потому, что она подвергается воздействию космоса. Внутреннее ядро находится под огромным весом внешнего ядра, мантии и коры. Давление всего, что на него давит, составляет около 350 гигапаскалей, или более чем в 3 миллиона раз превышает атмосферное давление на уровне моря.

Этого достаточно, чтобы превратить смесь железа с некоторым количеством никеля и других элементов из жидкой в твердую. Подобно тому, как вода кипит при гораздо более низких температурах на вершине горы, поскольку давление воздуха там ниже, высокое давление может повысить температуру плавления вещества.

Действительно, способ узнать температуру на границе между жидким внешним ядром и твердым внутренним ядром заключается в вычислении давления в этой точке и оценке того, насколько горячими могут быть металлы ядра, оставаясь при этом твердыми. Непосредственно над границей давление немного ниже, и тот же материал превращается в жидкость. 

Очевидно, мы не привыкли иметь дело с таким давлением, поэтому оценки температуры немного экстраполируются из того, что мы знаем. Вот почему существуют различия в оценках температуры, но когда вы имеете дело с цифрами, которые так далеки от нашего опыта, 10-процентное отклонение, вероятно, мало что изменит.

Ядро медленно остывает, так как концентрация радиоактивных элементов, которые его нагревают, падает, поэтому считается, что внутреннее ядро медленно растет, поскольку при более низких температурах части внешнего ядра затвердевают.

Вибрации не сильно отличаются между твердым объектом и чрезвычайно вязкой жидкостью. Действительно, разница настолько мала, что неясно, как наши измерения того, как сейсмические волны от землетрясений проходят через ядро, могут определить, действительно ли ядро твердое или нет. Если это кажется удивительным, учтите, что материаловеды десятилетиями спорили о том, является ли стекло в ваших окнах твердым телом или переохлажденной жидкостью, и мы можем потрогать их. 

Если внутреннее ядро действительно жидкое, его вязкость невероятно высока. По одной оценке, он в миллиард раз выше основного тона. Вы можете понять, что это значит, наблюдая за самым медленным экспериментом в мире, но имейте в виду, что наблюдение за ростом травы выглядит как быстрый спорт.

Если внутреннее ядро представляет собой очень, очень медленно движущуюся жидкость, внутри может происходить конвекция, которая может немного добавить к магнитному полю планеты, но большая его часть исходит от внешнего ядра. Вязкость также может объяснить, почему волнам требуется больше времени, чтобы пройти через ядро от землетрясения вблизи экватора, чем от полюса к полюсу.