Внутри ядра

Внутри ядра Землетрясения

Уронив ключи в поток расплавленной лавы, попрощайся с ними, потому что, ну, чувак, они – всё.
— Джек Хэнди

Взглянув на нашу родную планету, можно заметить, что 70% её поверхности покрыто водой.

Внутри ядра

Мы все знаем, отчего это так: потому что океаны Земли всплывают над камнями и грязью, из которых состоит суша. Концепция плавучести, при которой менее плотные объекты всплывают над более плотными, погружающимися ниже, объясняет гораздо больше, чем просто океаны.

Внутри ядра

Тот же принцип, объясняющий, почему лёд плавает в воде, шар с гелием поднимается в атмосфере, а камни тонут в озере, объясняет, почему слои планеты Земля устроены именно так.

Внутри ядра

Наименее плотная часть Земли, атмосфера, плавает над водными океанами, которые плавают над земной корой, которая находится над более плотной мантией, которая не тонет в самую плотную часть Земли: в ядро.

Внутри ядра

В идеале самым стабильным состоянием Земли было бы такое, которое идеально распределялось бы на слои, на манер луковицы, и самые плотные элементы были в центре, а по мере продвижения наружу каждый последующий слой состоял бы из менее плотных элементов. И каждое землетрясение, на самом-то деле, двигает планету по направлению к этому состоянию.

И это объясняет строение не только Земли, но и всех планет, если вспомнить, откуда эти элементы взялись.

Внутри ядра

Когда Вселенная была молодой – возрастом всего в несколько минут – в ней существовали только водород и гелий. Все более тяжёлые элементы создавались в звёздах, и только когда эти звёзды погибли, тяжёлые элементы вышли во Вселенную, позволяя формироваться новым поколениям звёзд.

Внутри ядра

Но на этот раз смесь всех этих элементов – не только водорода с гелием, но и углерода, азота, кислорода, кремния, магния, серы, железа и других – формирует не только звезду, но и протопланетный диск вокруг этой звезды.

Давление изнутри наружу в формирующейся звезде выталкивает более лёгкие элементы, а гравитация приводит к тому, что неравномерности в диске коллапсируют и формируют планеты.

Внутри ядра

В случае Солнечной системы четыре внутренних мира являются самыми плотными из всех планет системы. Меркурий состоит из самых плотных элементов, которые не смогли удержать большое количество водорода и гелия.

Другие планеты, более массивные и более удалённые от Солнца (а следовательно, получающие меньше его излучения), смогли удержать больше этих ультралёгких элементов – так сформировались газовые гиганты.

У всех миров, как и на Земле, в среднем самые плотные элементы сосредоточены в ядре, а лёгкие формируют всё менее плотные слои вокруг него.

Неудивительно, что железо, самый стабильный элемент, и самый тяжёлый элемент, создаваемый в больших количествах на границе сверхновых, и есть самый распространённый элемент земного ядра. Но возможно, удивительным будет то, что между твёрдым ядром и твёрдой мантией находится жидкий слой толщиной более 2000 км: внешнее ядро Земли.

Внутри ядра

У Земли есть толстый жидкий слой, содержащий 30% массы планеты! А узнали мы о его существовании довольно остроумным методом — благодаря сейсмическим волнам, происходящим от землетрясений!

В землетрясениях рождаются сейсмические волны двух типов: основная компрессионная, известная, как Р-волна, проходящая продольным путём

и вторая сдвиговая волна, известная, как S-волна, похожая на волны на поверхности моря.

Сейсмические станции по всему миру способны улавливать Р- и S-волны, но S-волны не проходят через жидкость, а Р-волны не только проходят через жидкость, но и преломляются!

Внутри ядра

В результате можно понять, что у Земли есть жидкое внешнее ядро, вне которого находится твёрдая мантия, а внутри – твёрдое внутреннее ядро! Вот поэтому в ядре Земли содержатся самые тяжёлые и плотные элементы, и так мы знаем, что внешнее ядро – это жидкий слой.

Но почему внешнее ядро жидкое? Как и все элементы, состояние железа, твёрдое, жидкое, газообразное, или другое, зависит от давления и температуры железа.

Железо – элемент более сложный, чем многие привычные вам. Конечно, у него могут быть разные кристаллические твёрдые фазы, как указано на графике, но нас не интересуют обычные давления. Мы спускаемся к ядру земли, где давления в миллион раз превышают давление на уровне моря. А как выглядит фазовая диаграмма для таких высоких давлений?

Прелесть науки в том, что даже если у вас сразу нет ответа на вопрос, есть вероятность, что кто-то уже делал нужное исследование, в котором можно найти ответ! В этом случае, Аренс, Коллинз и Чен в 2001 году нашли ответ на наш вопрос.

Внутри ядра

И хотя на диаграмме показаны гигантские давления до 120 ГПа, важно помнить, что давление атмосферы составляет всего лишь 0.0001 ГПа, в то время как во внутреннем ядре давления достигают 330-360 ГПа. Верхняя сплошная линия показывает границу между плавящимся железом (вверху) и твёрдым (внизу). Вы обратили внимание, как сплошная линия в самом конце совершает крутой поворот вверх?

Для того, чтобы железо плавилось при давлении 330 ГПа, требуется огромная температура, сравнимая с той, что преобладает на поверхности Солнца. Эти же температуры при меньших давлениях легко будут поддерживать железо в жидком состоянии, а при более высоких – в твёрдом. Что это означает с точки зрения ядра Земли?

Внутри ядра

Это означает, что с охлаждением Земли падает её внутренняя температура, а давление остаётся неизменным. То есть, при формировании Земли, скорее всего, жидкой было всё ядро, и по мере охлаждения внутреннее ядро растёт! И в процессе этого, поскольку у твёрдого железа плотность выше, чем у жидкого, Земля потихоньку сжимается, что приводит к землетрясениям!

Внутри ядра

Так что, ядро Земли жидкое, поскольку оно достаточно горячее, чтобы расплавить железо, но только в регионах с достаточно низким давлением. По мере старения и охлаждения Земли всё большая часть ядра становится твёрдой, и поэтому Земля немного сжимается!

Если мы захотим заглянуть далеко в будущее, мы можем ожидать появления таких же свойств, какие наблюдаются у Меркурия.

Внутри ядра

Меркурий благодаря малому размеру уже значительно охладился и сжался, и обладает разломами длиной в сотни километров, появившимися из-за необходимости сжатия благодаря охлаждению.

Так почему у Земли жидкое ядро? Потому, что она ещё не охладилась. И каждое землетрясение – это небольшое приближение Земли к конечному, остывшему и насквозь твёрдому состоянию. Но не волнуйтесь, задолго до этого момента взорвётся Солнце, и все, кого вы знаете, будут уже очень давно мертвы.

Специалисты до сих пор не могут точно сказать, что происходит в ядре нашей планеты. Все данные, которые есть на сегодня об этом, получены при помощи изучения метеоритов, которые схожи по составу с Землёй, и сейсмограмм. Известно, что ядро Земли защищает жизнь на планете.

Сейчас всё ещё нет способов, которые позволили бы напрямую изучить строение ядра Земли. Проблема в том, что даже в Кольской скважине, глубина которой равняется 12 км, температура уже составляет 220 градусов по Цельсию, а если опускаться ещё ниже, то температура будет выше. На сегодняшний день не существует аппаратуры, которая бы могла выдержать подобную жару.

Продолжение истории после рекламы

Однако всё же учёным удалось узнать немного о ядре Земли. Это получилось благодаря сейсмографии. Для этого эксперты изучили колебания от ядерных испытаний или землетрясений. Так удалось понять состав ядра и его характеристики.

В 1990-х годах стало известно, что ядро опережает вращение Земли и иногда отстаёт от него. Также оказалось, что ядро способно менять ещё и направление вращения. Причём разные слои ядра вращаются в разные стороны: так, внешнее жидкое ядро — с востока на запад, внутреннее — наоборот.

Сегодня учёные знают, что радиус ядра равняется 3,5 тыс. км. Разделяется ядро на жидкое внешнее и твёрдое внутреннее. Кроме того, само ядро составляет 15 % от объёма планеты, а масса ядра — 30 %.

Специалисты определили, что где-то на 85 % ядра занимает железо, 10 % — никель. А насчёт остальных 10 % пока точно неясно, но учёные думают, что это кислород либо углерод.

Температура внутреннего ядра — 6000 градусов. Остаётся твёрдым ядро и не плавится благодаря высокому атмосферному давлению. В 2015 году выяснилось также, что внутри этого ядра есть ещё одно.

Внешнее ядро тоже состоит из никеля и железа. Однако они находятся в жидком виде. За счёт течения жидкого металла в этом ядре создаются хаотические электрические токи. Они образуют магнитное поле.

Порядок внутри клеточного ядра
Сохранить в закладкиСохранить в закладкиБиолог Евгений Шеваль о деконденсированном хроматине, сетчатке глаза человека и трехмерной организации ядраНад материалом работалидоктор биологических наук, старший научный сотрудник НИИ физико-химической биологии имени А. Н. Белозерского МГУ Показать расшифровку Добавить в закладкиВы сможете увидеть эту публикацию в личном кабинете FAQ Каковы перспективы генной терапии и новейших методов редактирования генома?Добавить в закладкиВы сможете увидеть эту публикацию в личном кабинете Журнал Сколько стоит жизнь человекаДобавить в закладкиВы сможете увидеть эту публикацию в личном кабинете WTF Углеводное окно: можно ли съесть торт сразу после тренировки?Добавить в закладкиВы сможете увидеть эту публикацию в личном кабинете FAQ Почему вымерли мамонты?Добавить в закладкиВы сможете увидеть эту публикацию в личном кабинете Книги 5 книг о клинической психологииДобавить в закладкиВы сможете увидеть эту публикацию в личном кабинетеЭволюция вируса гриппаДобавить в закладкиВы сможете увидеть эту публикацию в личном кабинетеДобавить в закладкиВы сможете увидеть эту публикацию в личном кабинете FAQ Добавить в закладкиВы сможете увидеть эту публикацию в личном кабинете Журнал

Китайские ученые сделали сенсационное заявление: вращение твердого ядра Земли замедлилось практически полностью и вообще может смениться на противоположное. Стоит ли доверять их выводам, и что происходит в недрах нашей планеты? Об этом телеканал «МИР 24» спросил доктора физико-математических наук, член-корреспондента РАН, директора института физики Земли им. Шмидта РАН Сергея Тихоцкого.

Новость об остановке ядра вызвала достаточно бурные обсуждения в мировых средствах массовой информации. И уже пошли разговоры о буквально наступающем конце света. Насколько, на ваш взгляд, можно прислушиваться к этому заявлению китайских ученых?

– Тут произошло классическое недопонимание между учеными и обществом. Потому что, с одной стороны, заявлению китайских ученых можно доверять, оно кажется вполне достоверным. Во всяком случае, возможное объяснение этих фактов, которые они наблюдают. Но только они не сказали, что ядро Земли остановилось или начало вращаться в противоположную сторону, это просто интерпретация.

На самом деле ядро Земли вращается вместе со всей нашей планетой в одну и ту же сторону. Но, поскольку внутреннее ядро Земли находится внутри внешнего, то внешняя оболочка, то есть мантия Земли, кора Земли, и внутреннее ядро Земли совершенно не обязаны вращаться в точности с одной и той же скоростью. Они вполне могут вращаться с немножечко разной скоростью, об этом давно известно и написано в учебниках.

И, собственно говоря, в статье китайских коллег как раз и говорится о том, что эта небольшая разница в скоростях между мантией и ядром Земли со временем меняется, испытывает некоторые колебания. И если на периоде с конца 70-х годов и до середины 2000-х ядро чуть-чуть опережало мантию, то есть вращалось в среднем примерно на 0,13 градусов быстрее, то после 2009 года оно стало вращаться практически синхронно с мантией. То есть пришло в некую синхронизацию с ней. А в целом, если мы возьмем внешнюю систему координат, то все вращается в одну сторону, просто чуть-чуть с разной скоростью.

А возможно ли, как это интерпретировали коллеги в мировых СМИ, что произошел «разворот направления вращения твердого ядра»? Мантия в одну сторону, ядро в другую?

– Нет, полный разворот в другую сторону абсолютно исключен. Они не могут вращаться в разные стороны в абсолютной системе координат, связанной с Солнцем. Да, они могут вращаться с чуть-чуть разными скоростями, и это совсем крошечный эффект, который заметен только приборам. Человеку он не может быть заметен.

– Это классический пример вольной интерпретации и неправильно понятых фактов. На самом деле все не так. Более того, хочу сказать, что один из важных выводов статьи китайских коллег в том, что эти процессы, то есть изменения скорости ядра относительно мантии, носят колебательный характер. И ситуация, которую мы имеем сейчас, по данным китайских сейсмологов, примерно такая же, какая была в 60-е – 70-е годы ХХ века. И тогда не происходило ничего особенного. Из их исследований следует, что процесс, который наблюдается, нормален для Земли. Он носит колебательный характер и, по всей видимости, происходит в истории Земли миллионы лет. Но поскольку у нас есть данные только с середины ХХ века, то и видим мы только половинку синусоиды. А о части, которую не видим, у нас данных не было.

Насколько я знаю, выводы китайских ученых основаны на изучении сейсмических волн. Возможно ли иное объяснение, интерпретация тех данных, которые они получили?

– Да, возможна. И они об этом честно пишут в своей статье. Что эти данные могут быть объяснены не в рамках дифференциального вращения ядра и мантии, а в рамках, например, модели, когда внутреннее ядро Земли просто неравномерно растет. А это известный процесс, поскольку в процессе эволюции Земли понемногу радиус внутреннего ядра увеличивается. А также это может быть объяснено каким-то частичным плавлением вещества на поверхности внутреннего и внешнего ядра. Но, по мнению коллег, которое выглядит достаточно убедительно, все-таки именно процессы относительного вращения ядра и мантии дают более согласованную картину, более полное объяснение тем фактам, которые они видят. Но нельзя отрицать того, что могут быть и другие объяснения.

Непосредственно посмотреть мы не можем, вынуждены довольствоваться неполными данными.

А как вы относитесь к той гипотезе строения планеты, о которой высказываются некоторые ученые, что внутреннее твердое ядро неподвижное? А колебания сейсмических волн вызваны просто неровностью его поверхности?

– Неровность поверхности внутреннего ядра, конечно, существует. И на самом деле объяснение, которое предлагается, сводится к тому, что эта неровность поверхности меняется. Ведь что, собственно, обнаружили китайские коллеги в этой статье? То, что что-то меняется в верхней части внутреннего ядра Земли. Но это может быть вращение внутреннего ядра, когда, условно, ядро то одним, то другим боком поворачивается. Но на самом деле это доли градуса в год, то есть буквально первые километры за 10 лет набегают. А может быть это связано с тем, что где-то ядро растет быстрее, где-то медленнее. Безусловно, это возможное альтернативное объяснение. Сказать, как есть на самом деле, на настоящий момент точно невозможно, и об этом честно написано в этой статье.

Несмотря на разницу взглядов на происходящее в недрах нашей планеты, все ученые сходятся во мнении, что продолжать исследования надо. А как? Вы же сами сказали, что самая глубокая скважина 14 км. А все, что дальше, мы не знаем, как устроено. И как вообще дальше изучать?

– Конечно, мы вынуждены находиться в пассивном положении во всем, что касается строения глубоких недр, когда мы говорим о ядре Земли. Потому что, как говорили великие сейсмологи, единственный фонарик, который освещает недра нашей планеты – это землетрясения. Мы вынуждены ждать достаточно сильных землетрясений, которые могут быть зарегистрированы в достаточном удалении, чтобы волны прошли через внутреннее ядро. Поэтому на определенную пассивную позицию мы здесь обречены.

Хотя, конечно, разного рода инновационные подходы, связанные с мюонной томографией, нейтринной томографией Земли развиваются. Но пока это все очень далеко от того, чтобы давать настолько же хорошие результаты, которые дает сейсмология. Она остается основной точкой опоры в плане поступления наблюдательных данных. Хотя, конечно, надо заметить, что все эти данные должны быть согласованы с другими геофизическими полями – полем силы тяжести, магнитным полем. И если у вас что-то оказывается несогласованным, значит в модели где-то ошибка.

Но без дела люди не сидят. Объем сейсмологических данных огромен, они поступают постоянно, у нас сейчас на планете очень развитая сейсмическая сеть. Поэтому очень важна теоретическая работа. Потому что все те выводы, которые мы обсуждаем, в статье в значительной степени сделаны качественно. Кое-какие количественные оценки даны по скорости вращения внутреннего ядра относительно мантии, эти 0,13 градусов в год. А дальше начинаются такие качественные интерпретации, что на что похоже, где похоже на изменение продолжительности дня по периодам. Но количественных оценок там нет, потому что сделать их намного сложнее, чем просто дать качественный анализ. И эта работа, как мне кажется, сейчас в значительной степени послужит точкой роста, стартовой точкой, от которой дальше начнутся теоретические исследования построения модели. И они переведут эти качественные выводы коллег на количественную основу, что-то подтвердят, что-то опровергнут. Сейчас очень хороший шанс для теоретиков.

А как бы вы обозначили, какая задача из тех, что стоят перед учеными, изучающими ядро, первостепенна? Почему именно она?

– Если говорить о тех, кто изучает ядро, то таких ученых не так много во всем мире. Потому что это очень глубоко и непосредственного влияния на нашу жизнь на поверхности планеты не оказывает. Но там есть масса интереснейших эффектов, которые могут говорить о том, как образовывалась планета, как она эволюционирует. И в этом плане очень важным является вопрос о том, присутствует ли в ядре сейсмическая энтропия. То есть одинакова ли скорость распространения сейсмических волн по разным направлениям. От решения этого вопроса во многом зависит решение вопроса о том, как формировалась Земля на ранних стадиях. То есть можно сделать важные научные выводы. И выяснение этой сейсмической энтропии ядра – это очень важное направление, в котором люди уже двигаются. Я думаю, в ближайшее время оно будет развиваться. Все-таки данных сейчас много, и данных хороших.

Ядро атома получается крохотным, его радиус в 10 000–100 000 раз меньше всего атома. Каждое ядро содержит определённое количество протонов (обозначим его Z) и определённое количество нейтронов (обозначим его N), скреплённых вместе в виде шарика, по размеру не сильно превышающего сумму их размеров. Отметим, что протоны и нейтроны вместе часто называют «нуклонами», а Z+N часто называют A – общее количество нуклонов в ядре. Также Z, «атомное число» – количество электронов в атоме.

Типичное мультяшное изображение атома (рис. 1) чрезвычайно преувеличивает размер ядра, но более-менее правильно представляет ядро как небрежно соединённое скопление протонов и нейтронов.

Содержимое ядра

Откуда нам известно, что находится в ядре? Эти крохотные объекты просто охарактеризовать (и это было просто исторически) благодаря трём фактам природы.

1. Протон и нейтрон отличаются по массе всего лишь на тысячную часть, так что если нам не нужна чрезвычайная точность, можно сказать, что у всех нуклонов масса одинакова, и назвать её массой нуклона, mнуклон:

mпротон ≈ mнейтрон ≈ mнуклон

(≈ означает «примерно равно»)

2. Количество энергии, необходимой для удержания вместе протонов и нейтронов в ядре, относительно мало – порядка тысячной доли части энергии массы (E = mc2) протонов и нейтронов, так что масса ядра почти равна сумме масс его нуклонов:

Mядро ≈ (Z+N) × mнуклон

3. Масса электрона равняется 1/1835 массы протона – так что почти вся масса атома содержится в его ядре:

Mатом ≈ Mядро

Тут подразумевается наличие четвёртого важного факта: все атомы определённого изотопа определённого элемента одинаковы, как и все их электроны, протоны и нейтроны.

Поскольку в самом распространённом изотопе водорода содержится один электрон и один протон:

Mводород ≈ mпротон ≈ mнуклон

масса атома Mатом определённого изотопа просто равна Z+N, помноженному на массу атома водорода

Mатом ≈ Mядро ≈ (Z+N) × mнуклон ≈ (Z+N) × Mводород

Поскольку нейтроны электрически нейтральны, электрический заряд Qядро ядра просто равен количеству протонов, помноженному на электрический заряд протона («e»):

Qядро = Z × Qпротон = Z × e

В отличие от предыдущих уравнений, это уравнение выполняется точно.

Z = Qядро / e
A = Z + N ≈ Mатом / Mводород

Используя открытия последних десятилетий XIX века и первых десятилетий XX, физики знали, как измерить в эксперименте оба обозначенных красным значения: заряд ядра в e, и массу любого атома в атомах водорода. Так что эти значения были известны уже в 1910-х. Однако правильно интерпретировать их смогли только в 1932 году, когда Джеймс Чедвик определил, что нейтрон (идею которого предложил Эрнест Резерфорд в 1920-м) является отдельной частицей. Но как только стало понятно, что нейтроны существуют, и что их масса практически равна массе протона, сразу же стало ясно, как интерпретировать числа Z и N — количество протонов и нейтронов. А также сразу родилась новая загадка – почему у протонов и нейтронов почти одинаковая масса.

Честно говоря, физикам того времени с научной точки зрения страшно повезло, что всё это было так легко установить. Закономерности масс и зарядов настолько просты, что даже самые долгие загадки были раскрыты сразу после открытия нейтрона. Если бы хотя бы один из перечисленных мною фактов природы оказался неверным, тогда на то, чтобы понять, что происходит внутри атомов и их ядер, ушло бы гораздо больше времени.

К сожалению, с других точек зрения было бы гораздо лучше, если бы всё оказалось сложнее. Вряд ли можно было подобрать худший момент для этого научного прорыва. Открытие нейтрона и понимание структуры атома совпало с мировым экономическим кризисом, известным, как Великая Депрессия, и с появлением нескольких авторитарных и экспансионистских правительств в Европе и Азии. Быстро началась гонка ведущих научных держав в области понимания и получения энергии и оружия из ядра атома. Реакторы, выдающие ядерную энергию, были получены всего за десять лет, а за тринадцать – ядерное оружие. И сегодня нам приходится жить с последствиями этого.

Откуда нам известно, что ядро атома маленькое?

Одно дело – убедить себя, что определённое ядро определённого изотопа содержит Z протонов и N нейтронов; другое – убедить себя, что ядра атомов крохотные, и что протоны с нейтронами, будучи сжатыми вместе, не размазываются в кашу и не разбалтываются в месиво, а сохраняют свою структуру, как подсказывает нам мультяшное изображение. Как это можно подтвердить?

Я уже упоминал, что атомы практически пусты. Это легко проверить. Представьте себе алюминиевую фольгу; сквозь неё ничего не видно. Поскольку она непрозрачная, вы можете решить, что атомы алюминия:
1. Настолько крупные, что между ними нет просветов,
2. Настолько плотные и твёрдые, что свет сквозь них не проходит.

Насчёт первого пункта вы будете правы; в твёрдом веществе между двумя атомами почти нет свободного пространства. Это можно наблюдать на изображениях атомов, полученных при помощи особых микроскопов; атомы похожи на маленькие сферы (краями которых служат края электронных облаков), и они довольно плотно упакованы. Но со вторым пунктом вы ошибётесь.

Если бы атомы были непроницаемыми, тогда сквозь алюминиевую фольгу ничто не смогло бы пройти – ни фотоны видимого света, ни рентгеновские фотоны, ни электроны, ни протоны, ни атомные ядра. Всё, что вы направили бы в сторону фольги, либо застревало бы в ней, либо отскакивало бы – точно так же, как любой кинутый объект должен отскочить или застрять в гипсокартонной стенке (рис. 3). Но на самом деле электроны высокой энергии легко могут пройти через кусочек алюминиевой фольги, как и рентгеновские фотоны, высокоэнергетические протоны, высокоэнергетические нейтроны, высокоэнергетические ядра, и так далее. Электроны и другие частицы – почти все, если точнее – могут пройти через материал, не потеряв ни энергии, ни импульса в столкновениях с чем-либо, содержащимся внутри атомов. Лишь малая часть их ударится об атомное ядро или электрон, и в этом случае они могут потерять большую часть своей начальной энергии движения. Но большая часть электронов, протонов, нейтронов, рентгеновских лучей и всякого такого просто спокойно пройдут насквозь (рис. 4). Это не похоже на швыряние гальки в стену; это похоже на швыряние гальки в сетчатый забор (рис. 5).

Чем толще фольга – к примеру, если складывать всё больше и больше листов фольги вместе – тем вероятнее частицы, запущенные в неё, столкнуться с чем-либо, потеряют энергию, отскочат, изменят направление движения или даже остановятся. То же было бы верно, если бы вы наслаивали одну за другой проволочные сетки (рис. 6). И, как вы понимаете, из того, насколько далеко средняя галька может проникнуть сквозь слои сетки и насколько велики разрывы в сетке, учёные могут подсчитать на основании пройденной электронами или атомными ядрами дистанции, насколько атом пустой.

Посредством таких экспериментов физики начала XX века установили, что внутри атома ничто – ни атомное ядро, ни электроны – не может быть большим, чем одна тысячная миллионных миллионных долей метра, то есть в 100 000 раз меньше самого атома. То, что такого размера достигает ядро, а электроны по меньшей мере в 1000 раз меньше, мы устанавливаем в других экспериментах – например, в рассеянии высокоэнергетических электронов друг с друга, или с позитронов.

Чтобы быть ещё более точным, следует упомянуть, что некоторые частицы потеряют часть энергии в процессе ионизации, в котором электрические силы, действующие между летящей частицей и электроном, могут вырвать электрон из атома. Это дальнодействующий эффект, и столкновением на самом деле не является. Итоговая потеря энергии значительна для летящих электронов, но не для летящего ядра.

Вы можете задуматься над тем, похоже ли то, как частицы проходят сквозь фольгу, на то, как пуля проходить сквозь бумагу – расталкивая части бумаги в стороны. Возможно, первые несколько частиц просто расталкивают атомы в стороны, оставляя большие отверстия, через которые проходят последующие? Мы знаем, что это не так, поскольку мы можем провести эксперимент, в котором частицы проходят внутрь и наружу контейнера, сделанного из металла или стекла, внутри которого вакуум. Если бы частица, проходя через стенки контейнера, создавала отверстия по размеру превышающие атомы, тогда внутрь устремились бы молекулы воздуха, и вакуум бы исчез. Но в таких экспериментах вакуум остаётся!

Также довольно легко определить, что ядро – это не особенно структурированная кучка, внутри которой нуклоны сохраняют свою структуру. Об этом уже можно догадаться по тому факту, что масса ядра очень близка к сумме масс содержащихся в нём протонов и нейтронов. Это выполняется и для атомов, и для молекул – их массы почти равны сумме масс их содержимого, кроме небольшой коррекции на связывающую энергию – и это отражено в том факте, что молекулы довольно легко разбить на атомы (к примеру, нагрев их так, чтобы они сильнее сталкивались друг с другом), и выбить электроны из атомов (опять-таки, при помощи нагрева). Сходным образом относительно легко разбить ядра на части, и этот процесс будет называться расщеплением, или собрать ядро из более мелких ядер и нуклонов, и этот процесс будет называться синтезом. К примеру, относительно медленно двигающиеся протоны или небольшие ядра, сталкивающиеся с более крупным ядром, могут разбить его на части; нет необходимости, чтобы сталкивающиеся частицы двигались со скоростью света.

Но чтобы понять, что это не является неизбежным, упомяну, что этими свойствами не обладают сами протоны и нейтроны. Масса протона не равняется примерной сумме масс содержащихся в нём объектов; протон нельзя разбить на части; а для того, чтобы протон продемонстрировал что-нибудь интересное, необходимы энергии, сравнимые с энергией массы самого протона. Молекулы, атомы и ядра относительно просты; протоны и нейтроны чрезвычайно сложны.

Больше ста лет назад британский физик Эрнест Резенфорд провел ряд экспериментов, которые легли в основу нашего понимания строения атомов и радиоактивности. Открытие им атомного ядра (и первое искусственное превращение атомных ядер) привело к созданию новой концепции материи, согласно которой электроны, подобно планетам, движутся по орбитам вокруг атомного ядра, расположенного в центре. В 1911 году Резерфорд предположил, что ядро атома имеет положительный заряд, определяющий суммарное число электронов в атомной оболочке. В конечном итоге открытия Резерфорда, Нильса Бора, Ханса Гейгера и Петра Капицы показали, что атомное ядро действительно имеет положительный заряд, а окружающие его электроны (точнее, электронные облака) – отрицательный. Примечательно, что открытия выдающихся физиков были сделаны без непосредственного наблюдения атомов, но сегодня все изменилось – недавно исследователи из Брукхейвенской национальной лаборатории сообщили, что им удалось получить изображение ядра атома в электрическом поле. Впервые в истории.

В январе 2023 года ученные составили детальную карту расположения элементарных частиц внутри атомного ядра.

Первое изображение атома

Атомы настолько малы, что увидеть их невооруженным глазом, даже с помощью самого мощного микроскопа, невозможно. По крайней мере так было до 2009 года, пока физики не сфотографировали атом и окружающие его электроны. На снимках, опубликованных в журнале Physical Review B, показаны подробные изображения электронного облака одиночного атома углерода.

Отметим, что это первый случай, когда ученым удалось непосредственно наблюдать внутреннюю структуру атома. До этого, начиная с 1980-х годов, физики отображали атомную структуру материала с помощью математики и методов визуализации.

Первый снимок атома углерода сделан учеными из Харьковского физико-технического института в Харькове, Украина в 2009 году. Полученные ими изображения электронов одного атома подтверждают принципы квантовой механики. На изображениb можно увидеть углеродную цепочку атомов.

Часть проблемы заключалась в том, что согласно принципам квантовой механики электрон не существует как отдельная точка, которую можно увидеть – он распространяется вокруг ядра в облаке под названием орбиталь. Нежно-голубые сферы и расщепленные облака на изображении показывают два расположения электронов на орбиталях в атоме углерода. Эти структуры подтверждают ранние выводы ученых, так как соответствуют установленным принципам квантовой механики.

Больше по теме: Ученые наблюдали новый вид квантовой запутанности внутри атомных ядер

Метод электронной птихографии

Следующим шагом на пути к наблюдению атомной структуры стало изобретение ученых из Корнельского университета, которым удалось построить мощный детектор и установить мировой рекорд, утроив разрешение современного электронного микроскопа. Работа опубликована в научном журнале Science.

Этот инструмент представляет собой детектор пиксельной матрицы электронного микроскопа (EMPAD) со встроенными алгоритмами 3D-реконструкции, который смог уловить тепловое колебание атомов и получить их новое изображение в трех измерениях. До 2021 года все прошлые попытки представить и изучить отдельные атомы сводились к размытым изображениям.

Перед вами электронная птихографическая реконструкция кристалла ортоскандата празеодима (PrScO3), увеличенная в 100 миллионов раз.

Полученное в результате работы изображение стало возможным благодаря методу под название электронная птихография (ptychography) – сканирующая техника получения изображений объектов, крайне малых размеров, таких как электроны и рентгеновское излучение.

Подробнее о том, как птихография позволит ученым обнаруживать отдельные атомы в трех измерениях и в каких еще областях науки можно применить эту технологию можно прочитать здесь.

Изображение ядра внутри атома

Итак, вот мы и подобрались к последнему по-настоящему поразительному открытию. На этот раз инструментом физиков стал не электронный микроскоп а релятивистский коллайдер тяжелых ионов (RHIC), в основе работы которого лежит принцип квантовой запутанности.

Напомним, что квантовой запутанностью называется связь двух (и более) частиц, свойства которых остаются одинаковыми вне зависимости от того, как далеко эти частицы находятся друг от друга. Альберт Эйнштейн, кстати, называл запутанность «сверхъестественной».

RHIC (The Relativistic Heavy Ion Collider) — релятивистский коллайдер тяжелых ионов, расположенный в Брукхейвенской национальной лаборатории США.

Релятивистский коллайдер тяжелых ионов (RHIC) – ускоритель частиц, предназначенный для изучения столкновений между тяжелыми ионами (золота, медь, уран и др.) на релятивистских скоростях. Как объясняют авторы изображения, принцип работы коллайдера напоминает метод позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ), которая позволяет увидеть что происходит внутри мозга и других органов.

Благодаря новому методу, физики смогли получить представление о внутреннем строении атомов, а также стать свидетелями нового типа квантовой запутанности. Исследование этого эффекта считается одним из самых перспективных в современной физике – в ходе эксперимента ученые наблюдали за фотонами и ионами золота в момент их ускорения вокруг коллайдера RHIC и в результате заглянули внутрь атомных ядер.

Как увидеть атом?

Атомное ядро состоит из нейтронов и протонов, в составе которых находятся кварки и связывающие их глюоны. Благодаря серии квантовых флуктуаций в ходе эксперимента, фотоны вступили в взаимодействие с глюонами, образовав промежуточную частицу («ро»), немедленный распад которой образовал два так называемых «пиона» – π+ и π-. Полученная информация позволяет с детальной точностью отобразить расположение глюонов в ядре атома.

Перед вами интригующее изображение атома, наиболее приближенное к тому, как они на самом деле выглядят. Снимок сделан с помощью ионного коллайдера RHIC, на котором ученые зарегистрировали траектории множества частиц, возникших в результате столкновения тяжелых ионов

Тем не менее увидеть атом и его ядро собственными глазами невозможно. Новое изображение, опубликованное в начале 2023 года, сделано с большой выдержкой, но даже мощнейшие научные инструменты с трудом способны уловить элементарные частицы, так как они невероятно малы.

Но вот что особенно важно – и новое изображение структуры атомных ядер и предыдущие изображения, полученные в 2009 и 2021 годах, соответствуют теоретическим предсказаниям и фундаментальным принципам квантовой механики. К тому же это первое в истории экспериментальное наблюдение квантовой запутанности (и ее новой формы) между разнородными частицами.

Тем не менее субатомный мир остается загадкой для ученых, которые пытаются выяснить как формируется наша реальность. Задача непростая, согласитесь.

Все вокруг, включая нас самих состоит из крошечных, невидимых частиц, постоянно взаимодействующих между собой

Не пропустите: Мир в суперпозиции: три теории параллельных вселенных

К счастью, будущие эксперименты на RHIC (а также других коллайдерах и еще более мощных инструментах), позволят физикам не только детально изучить распределение глюонов внутри атомных ядер, но лучше понять сложно и таинственное устройство Вселенной. Больше о том, могут ли частицы появляться из ничего мы рассказывали в этой статье, рекомендуем к прочтению.

На глубине 2900 километров под нами располагается ядро Земли — это раскаленный шар, которое образовано из железа и никеля. Оно состоит из двух частей: твердого ядра и внешней жидкой оболочки. О существовании ядра ученым стало известно в 1897 году, благодаря трудам физика Эмиля Вихерта. Однако, исследователи до сих пор не видели эту часть нашей планеты в живую и знают о его свойствах только благодаря наблюдениям за сейсмической активностью во время землетрясений и ядерных испытаний. Во второй половине 20 века было выяснено, что твердое ядро вращается, причем делает это независимо от направления вращения самой Земли. Недавно китайские ученые изучили сейсмические данные и выдвинули гипотезу, что в 2009 году ядро планеты остановилось и начало вращаться в другую сторону. Этим можно объяснить многое, что творится на поверхности.

Несмотря на то, что ядро Земли находится на большой глубине, ученые знают много интересного о его свойствах

Вращение внутреннего ядра Земли

Авторами научной работы являются китайские ученые Сяодун Сун (Xiaodong Song) и И Ян (Yi Yang). В рамках исследования они изучили траектории сейсмических волн от землетрясений, которые произошли с 1960 года по нынешнее время. Изменения в траекториях волн показались ученым крайне интересными — глядя на них можно предположить, что в период с 2009 по 2020 год вращение внутреннего ядра Земли остановилось и, не исключено, пошло в обратном направлении. По мнению авторов научной работы, этим можно объяснить то, что магнитное поле планеты меняется, как и длительность суток.

Кажется, теперь ученым стало более понятно, почему 29 июня 2022 года стало самым коротким днем в истории наблюдений. Подробности об этом дне тут.

Ученые изучают ядро Земли, наблюдая за сейсмическими волнами

О том, что внутреннее ядро Земли может вращаться с разной скоростью, ученые впервые узнали в 1990-е годы. Свидетельства этого были найдены во время изучения сейсмических волн, которые в свое время прошли через внутреннее ядро во время землетрясений и ядерных взрывов — в 1960-е годы некоторые страны проводили испытания ядерных бомб. Ученые заметили, что в принимаемых данных имелись заметные временные сдвиги. Одна версия гласила, что искажения происходят из-за аномалий в границах твердого и жидкого ядра. Сторонники второй версии склонялись к тому, что изменения происходят из-за вращения внутреннего ядра.

Как выглядит Земля из космоса. Эти фотографии вы еще не видели

Почему ядро Земли изменило направление

На данный момент ученые считают, что внутреннее ядро Земли вращается из-за воздействия магнитных и гравитационных сил. Эти силы могут влиять на внутреннюю часть планеты по-разному, из-за чего она может замедляться, ускоряться и менять направление — в переходные моменты ядро вовсе останавливается на некоторое время.

Авторы нового исследования предполагают, что внутреннее ядро Земли движется из стороны в сторону, как качели. Один цикл колебания ядро делает за семь десятилетий, то есть оно меняет свое направление раз в 35 лет. Если предположение ученых правильное, последний раз ядро Земли меняло свое направление в 1970-е годы. В нынешнее время внутренняя часть планеты как раз должна была совершить остановку и начать вращение в противоположную сторону.

Ученые считают, что ядро Земли меняет направление своего движения каждые 35 лет

Все это звучит интересно и убедительно, но некоторые ученые стараются относиться к результатам исследования с долей скептицизма. Например, американский сейсмолог Джон Видейл (John Vidale) отметил, что исследование было проведено превосходными учеными, но его собственные наблюдения показали совершенно другие результаты. В 2022 году он поделился результатами научной работы, в которой он изучил движение сейсмических волн, образовавшихся после двух испытаний ядерных бомб в конце 60-х годов прошлого столетия. Его расчеты показали, что внутреннее ядро Земли должно колебаться гораздо быстрее и менять направление каждые 6 лет.

В свое время австралийской геофизик Хрвое Ткалчич (Hrvoje Tkalcic) предположил, что ядро Земли совершило значительные движения только в период с 2001 по 2013 год и с тех пор остается неподвижным. По его мнению, полный цикл движения внутреннего ядра занимает 20-30 лет, а не 70, как говорится в новой научной работе.

С результатами нового исследований некоторые ученые не согласны

В итоге получается, что ученые до сих пор не могут прийти к единому выводу о том, как движется ядро Земли. На данный момент они изучают это явление примерно так же, как врачи изучают человеческое тело при помощи рентгена — без вскрытия получить точные данные очень сложно. Получается, что представление ученых о внутреннем строении Земли и происходящих там процессов очень размыты. Но, благодаря постоянной работе, ученые узнают все больше подробностей.

Скорее всего, скорость и направление вращение ядра влияет на скорость вращения всей Земли. Если это так, то изменение длительности некоторых дней вроде 29 июня 2022 года можно объяснить именно этим явлением. На людей такие изменения точно не влияют, потому что речь идет о долях секунды. Однако, даже такие мизерные изменения могут повлиять на работу техники.

Люди заполнили Землю. Мы завоевывали земли, летали по воздуху, ныряли в глубины океана. Мы даже побывали на Луне. Но мы никогда не были в ядре планеты. Мы даже и близко к нему не подобрались. Центральная точка Земли находится в 6000 километрах внизу, и даже самая дальняя часть ядра находится в 3000 километрах под нашими ногами. Самая глубокая дыра, которую мы сделали на поверхности — это Кольская сверхглубокая скважина в России, да и то она уходит вглубь земли на жалкие 12,3 километра.

Все известные события на Земле происходят близко к поверхности. Лава, которая извергается из вулканов, сначала плавится на глубине нескольких сотен километров. Даже бриллианты, которым необходимо чрезвычайное тепло и давление для образования, рождаются в породах на глубине не более 500 километров.

Все, что ниже, окутано тайной. Кажется недостижимым. И все же мы знаем довольно много интересного о нашем ядре. У нас даже есть некоторое представление о том, как оно сформировалось миллиарды лет назад — и все без единого физического образца. Как же нам удалось узнать так много о ядре Земли?

Для начала нужно хорошо подумать о массе Земли, говорит Саймон Редферн из Кембриджского университета в Великобритании. Мы можем оценить массу Земли, наблюдая за эффектом гравитации планеты, который она оказывает на объекты на поверхности. Выяснилось, что масса Земли составляет 5,9 секстиллиона тонн: это 59 с двадцатью нулями.

Но на поверхности нет признаков такой массы.

«Плотность материала на поверхности Земли намного ниже, чем средняя плотность всей Земли, что говорит нам о том, что есть что-то более плотное, — говорит Редферн. — Это первое».

По существу, большая часть земной массы должна быть расположена по направлению к центру планеты. Следующим шагом будет выяснить, из каких тяжелых материалов состоит ядро. И оно состоит почти полностью из железа. 80% ядра — это железо, однако точную цифру еще придется выяснить.

Главным доказательством этого является огромное количество железа во Вселенной вокруг нас. Это один из десяти самых распространенных элементов в нашей галактике, который также часто встречается в метеоритах. При всем этом на поверхности Земли намного меньше железа, чем можно было бы ожидать. Согласно теории, когда Земли образовалась 4,5 миллиарда лет назад, много железа утекло вниз к ядру.

Там сосредоточена большая часть массы, а значит, и железо должно там быть. Железо также относительно плотный элемент при нормальных условиях, а под сильным давлением в ядре Земли оно будет еще плотнее. Железное ядро могло бы объяснить всю недостающую массу.

Но погодите. Как железо вообще там оказалось? Железо должно было каким-то образом притянуться — в буквальном смысле — к центру Земли. Но сейчас этого не происходит.

Большая часть остальной Земли состоит из горных пород — силикатов — и расплавленное железо с трудом через них проходит. Подобно тому, как вода на жирной поверхности образует капли, железо собирается в небольших резервуарах, отказываясь растекаться и разливаться.

Возможное решение было обнаружено в 2013 году Венди Мао из Стэнфордского университета и ее коллегами. Они задались вопросом, что происходит, когда железо и силикат подвергаются сильному давлению глубоко в земле.

Плотно сжимая оба вещества при помощи алмазов, ученым удалось протолкнуть расплавленное железо через силикат. «Это давление существенно изменяет свойства взаимодействия железа с силикатами, — говорит Мао. — При высоком давлении образуется «сеть плавления».

Это может говорить о том, что железо постепенно проскальзывало через породы Земли в течение миллионов лет, пока не достигло ядра.

В этот момент вы можете спросить: откуда мы, собственно, знаем размер ядра? Почему ученые считают, что оно начинается в 3000 километрах? Ответ один: сейсмология.

Когда происходит землетрясение, оно посылает ударные волны по всей планете. Сейсмологи записывают эти колебания. Будто бы мы бьем по одной стороне планеты гигантским молотом и прислушиваемся к шуму на другой стороне.

«В 1960-х годах произошло землетрясение в Чили, которое дало нам огромное количество данных, — говорит Редферн. — Все сейсмические станции по всей Земле записывали толчки этого землетрясения».

В зависимости от маршрута этих колебаний, они проходят через разные участки Земли, и это влияет на то, какой «звук» они издают на другом конце.

В начале истории сейсмологии стало очевидно, что некоторые колебания пропали без вести. Эти «S-волны» ожидали увидеть на другом конце Земли после происхождения на одном, но не увидели. Причина этому простая. S-волны реверберируют через твердый материал и не могут проходить через жидкость.

Должно быть, они столкнулись с чем-то расплавленным в центре Земли. Составив карту путей S-волн, ученые пришли к выводу, что на глубине примерно 3000 километров породы становятся жидкими. Это также говорит о том, что все ядро расплавленное. Но у сейсмологов был и другой сюрприз в этой истории.

В 1930-х годах датский сейсмолог Инге Леман обнаружила, что другой тип волн, P-волны, неожиданно прошли через ядро и были обнаружены на другом конце планеты. Сразу последовало предположение, что ядро разделено на два слоя. «Внутреннее» ядро, которое начинается в 5000 километрах внизу, были твердым. Расплавлено только «внешнее» ядро.

Идея Леман была подтверждена в 1970 году, когда более чувствительные сейсмографы показали, что P-волны действительно проходят через ядро и, в некоторых случаях, отражаются от него под некоторыми углами. Неудивительно, что в конце концов они оказываются на другой стороне планеты.

Ударные волны через Землю отправляют не только землетрясения. На самом деле, сейсмологи многим обязаны развитию ядерного оружия.

Ядерный взрыв тоже создает волны на земле, поэтому государства обращаются за помощью к сейсмологам во время испытания ядерного оружия. Во время холодной войны это было чрезвычайно важно, поэтому сейсмологи вроде Леман получили большую поддержку.

Конкурирующие страны узнавали о ядерном потенциале друг друга и параллельно с этим мы узнавали все больше и больше о ядре Земли. Сейсмология до сих пор используется для обнаружения ядерных взрывов сегодня.

Теперь мы можем нарисовать примерную картину строения Земли. Есть расплавленное внешнее ядро, которое начинается примерно на полпути к центру планеты, а внутри него расположено твердое внутреннее ядро с диаметром примерно 1220 километров.

Вопросов от этого не становится меньше, особенно на тему внутреннего ядра. К примеру, насколько оно горячее? Выяснить это оказалось не так-то просто, и ученые долгое время ломали голову, говорит Лидунка Вокадло из Университетского колледжа Лондона в Великобритании. Мы не можем засунуть туда термометр, поэтому единственный возможный вариант — это создать нужное давление в лабораторных условиях.

При обычных условиях железо плавится при температуре 1538 градусов

В 2013 году группа французских ученых произвели лучшую оценку на сегодняшний день. Они подвергли чистое железо давлению в половину того, что имеется в ядре, и отталкивались уже от этого. Температура плавления чистого железа в ядре составляет примерно 6230 градусов. Присутствие других материалов может немного снизить точку плавления, до 6000 градусов. Но это все равно горячее, чем на поверхности Солнца.

Будучи своего рода поджаренной картошкой в мундире, ядро Земли остается горячим, благодаря теплу, оставшемуся от образования планеты. Оно также извлекает тепло из трения, возникающего по мере движения плотных материалов, а также распада радиоактивных элементов. Остывает оно примерно на 100 градусов по Цельсию каждый миллиард лет.

Знать эту температуру полезно, поскольку она влияет на скорость прохождения колебаний через ядро. И это удобно, потому что в этих вибрациях есть что-то странное. P-волны проходят неожиданно медленно через внутреннее ядро — медленнее, чем если бы оно состояло из чистого железа.

«Скорости волн, которые сейсмологи измерили в землетрясениях, значительно ниже, чем показывает эксперимент или компьютерный расчет, — говорит Вокадло. — Никто пока не знает, почему так».

Очевидно, к железу примешивается другой материал. Возможно, никель. Но ученые посчитали, как сейсмические волны должны проходить через железо-никелевый сплав, и не смогли подогнать расчеты под наблюдения.

Вокадло и ее коллеги в настоящее время рассматривают возможность присутствия в ядре других элементов, например, серы и кремния. Пока никто не смог придумать теорию состава внутреннего ядра, которая удовлетворила бы всех. Проблема Золушки: туфелька никому не подходит. Вокадло пытается экспериментировать с материалами внутреннего ядра на компьютере. Она надеется найти комбинацию материалов, температур и давления, которые будут замедлять сейсмические волны на правильную величину.

Она говорит, что секрет может скрываться в том факте, что внутреннее ядро находится почти в точке плавления. В результате этого точные свойства материала могут отличаться от тех, что принадлежали бы совершенно твердому веществу. Также это могло бы объяснить, почему сейсмические волны проходят медленнее, чем ожидалось.

«Если этот эффект реален, мы могли бы примирить результаты минеральной физики с результатами сейсмологии, — говорит Вокадло. — Люди пока не могут этого сделать».

Существует еще много загадок, связаных с ядром Земли, которые еще предстоит решить. Но не имея возможности погрузиться на эти невообразимые глубины, ученые совершают подвиг, выясняя, что находится в тысячах километров под нами. Скрытые процессы недр Земли чрезвычайно важно изучать. У Земли есть мощное магнитное поле, которое генерируется благодаря частично расплавленному ядру. Постоянное движение расплавленного ядра порождает электрический ток внутри планеты, и он, в свою очередь, генерирует магнитное поле, которое уходит далеко в космос.

Это магнитное поле защищает нас от вредного солнечного излучения. Не будь ядро Земли таким, каким оно является, не было бы магнитного поля, а мы бы серьезно от этого страдали. Вряд ли кто-нибудь из нас сможет увидеть ядро своими глазами, но хорошо просто знать, что оно там есть.

Землетрясения:  Изучение красоты озера Мавр в Северной Македонии
Оцените статью
Землетрясения