Як ядро ​​Землі залишається гарячим протягом мільярдів років?

Наша Земля за структурою нагадує цибулину – це один шар за іншим.  Починаючи зверху вниз, є кора, яка включає в себе поверхню, по якій ви ходите; потім, далі, мантія, переважно тверда порода; потім ще глибше, зовнішнє ядро, зроблене з рідкого заліза; і, нарешті, внутрішнє ядро, зроблене з міцного заліза, радіус якого становить 70% від розміру Місяця. Чим глибше ви занурюєтеся, тим гарячіше стає – частини ядра гарячі, як поверхня сонця.

Подорож до центру Землі

Як  професор наук про Землю та планети, я вивчаю нутрощі нашого світу.  Так само як лікар може використовувати методику, яка називається  сонографія, щоб зробити зображення структур усередині вашого тіла за допомогою ультразвукових хвиль, вчені використовують подібну техніку для зображення внутрішніх структур Землі. Але замість ультразвуку геофізики використовують сейсмічні хвилі – звукові хвилі, які виникають під час землетрусів.

На поверхні Землі ви, звичайно, бачите бруд, пісок, траву та тротуар. Сейсмічні коливання показують, що знаходиться під цим: скелі великі й малі. Це все частина земної кори, яка може опускатися до 20 миль (30 кілометрів); він плаває поверх шару, який називається мантією. Верхня частина мантії зазвичай рухається разом з корою. Разом вони називаються  літосферою, яка в середньому має товщину близько 60 миль (100 кілометрів), хоча в деяких місцях вона може бути товщиною.

Літосфера розділена на кілька  великих блоків, які називаються плитами. Наприклад, Тихоокеанська плита знаходиться під усім Тихим океаном, а Північноамериканська плита покриває більшу частину Північної Америки. Пластини — це щось на кшталт шматочків пазла, які приблизно з’єднуються один з одним і покривають поверхню Землі. Пластини не статичні; замість цього вони рухаються. Іноді це найменша частка дюймів протягом кількох років. Іншим разом рухів більше, і вони більш раптові. 

Такий рух є причиною землетрусів і вивержень вулканів. Щобільше, рух плит є критично важливим і, ймовірно, суттєвим чинником еволюції життя на Землі, оскільки рухомі плити змінюють середовище та  змушують життя адаптуватися до нових умов.

Тепло горить

Для руху плити потрібна гаряча мантія. І справді, у міру заглиблення в Землю температура зростає. На дні плит, на глибині близько 60 миль (100 кілометрів), температура становить близько 2400 градусів за Фаренгейтом (1300 градусів за Цельсієм). Коли ви досягаєте межі між мантією та зовнішнім ядром, яка знаходиться на 1800 миль (2900 кілометрів), температура становить майже 5000 F (2700 C).

Потім на межі між зовнішнім і внутрішнім ядрами температура подвоюється майже до 10800 F (понад 6000 C). Це та частина, яка така  ж гаряча, як поверхня сонця. При такій температурі практично все – метали, алмази, люди – випаровується в газ. Але оскільки ядро ​​знаходиться під таким високим тиском глибоко всередині планети, залізо, з якого воно складається, залишається рідким або твердим.Ілюстрація, що зображує шари внутрішньої структури Землі.

Зіткнення в космічному просторі

Звідки все це тепло?

Це не від сонця. Хоча воно зігріває нас і всі рослини й тварин на поверхні Землі, сонячне світло не може проникнути крізь милі надр планети. Натомість є два джерела. Одним з них є тепло, яке Земля успадкувала під час свого формування 4,5 мільярда років тому. Земля була створена  з сонячної туманності, гігантська газова хмара, серед нескінченних зіткнень і злиттів шматочків каміння та уламків, які називаються планетезималями. Цей процес тривав десятки мільйонів років.

Під час цих зіткнень виділяється величезна кількість тепла, якого достатньо, щоб розплавити всю Землю. Хоча частина цього тепла була втрачена в космосі, решта його була замкнена всередині Землі, де велика його частина залишається навіть сьогодні.

Інше джерело тепла: розпад радіоактивних ізотопів, поширених всюди на Землі.

Щоб зрозуміти це, спочатку уявіть елемент  як сімейство, членами якого є ізотопи. Кожен атом даного елемента має однакову кількість протонів, але різні двоюрідні ізотопи мають різну кількість нейтронів. Радіоактивні ізотопи не є стабільними. Вони виділяють постійний потік енергії, яка перетворюється на тепло. Калій-40, торій-232, уран-235 і уран-238 є чотирма радіоактивними ізотопами, які зберігають тепло всередині Землі.

Деякі з цих імен можуть здатися вам знайомими. Уран-235, наприклад, використовується як паливо на атомних електростанціях. Землі немає загрози, що ці джерела тепла закінчаться: хоча більша частина  початкового урану-235 і калію-40 зникла, торію-232 та урану-238 достатньо, щоб прослужити ще мільярди років. Разом із гарячим ядром і мантією ці ізотопи, що вивільняють енергію, забезпечують тепло для руху пластин.