1. Вступ
2. Газове ядро ​​Землі і сейсмічні дослідження
3. Температура і тиск газу на зовнішньому кордоні ядра
4. Напруженість речовини земної кори і мантії
5. Диференціація речовини і формування мантії

коротко:

УДК 550.3; 551-1; 551.2; 550.311; 551.2 4; 550.312; 52-425; 550.361

Анотація: В роботі теоретично встановлено, що стійкість внутрішнього твердого залізного ядра в центрі Землі, що обертається, фізично неможлива. Запропоновано газова модель складу внутрішнього і зовнішнього ядер Землі, яка добре узгоджується з результатами проведених раніше сейсмічних досліджень інтерпретувати стосовно гіпотетичної моделі внутрішньої будови Землі з залізним ядром. На прикладі Землі дано пояснення диференціації речовини по його щільності в середовищі стислих газів (закон Архімеда) з яких формувалися планети і їх відносно великі супутники. Цей процес був швидкоплинним в космогонічному масштабі часу і відбувався на ранній стадії формування планет. Ущільнення мантії і замикання внутрішнього обсягу (газового ядра) відбуваються внаслідок окислювальних процесів і дисипації газу з атмосфери планет. Показано, що енергія пружного стиснення газового ядра є головним джерелом у встановленні ТЕПЛОБАЛАНС Землі. Показано, що речовина земної кори і зовнішньої частини мантії відчуває розтяжне напружений стан від тиску в газовому ядрі. Це і призводить до землетрусів і всякого роду розломів, тектонічним переміщень і т. П. Теоретично встановлено, що на глибині ~ 150 км напруженість речовини мантії дорівнює нулю. Це накладає свій відбиток на реологічні властивості речовини в цій зоні (астеносфері). Показано, що окисні процеси відбуваються і в даний час в земній корі і мантії впливають на характер градієнта температур. Ці процеси можуть носити і вибуховий характер при окисленні вуглеводнів, що і є причиною вулканічної діяльності з виділенням переважно води і діоксиду вуглецю.

Автори статті: Л.А. ТИМОФЄЄВА д.т.н., Н.Г. Перепьолкіна.
Публікується на "Знання-сила" на прохання авторів.

Вступ

Домінуюча в науковому світі гіпотеза про внутрішню будову Землі і планет передбачає наявність в ній внутрішнього твердого залізно нікелевого ядра і зовнішнього, що складається з розплавленого заліза. [4] до списку літератури . Поява такої гіпотези викликано необхідністю пояснити узгодженість із середньою щільністю Землі. Результати сейсмічних досліджень Землі завжди інтерпретувалися на користь цієї гіпотези.

Проти ідеї про залізному або залізонікелевого ядрі виступив найбільший російський геохімік академік В.І. Вернадський. Є й інші міркування, що змушують сумніватися в правильності гіпотези про залізному ядрі. Утруднення виникає і при спробі пояснити розшарування Землі і концентрацію заліза в ядрі за допомогою процесу гравітаційної диференціації. Відзначимо, нарешті, що гіпотеза про наявність залізного ядра не дає задовільного пояснення того, яким чином залізо і нікель виявилися не окисленими таким сильним і широко поширеним окислювачем, як кисень (на що звернув увагу В.А. Магницкий). Відзначимо також, що уявлення про фазовий перехід добре пояснює відсутність щільних ядер у Марса, Меркурія, Місяця: маса цих небесних тіл недостатня, щоб тиск усередині досягло необхідної «критичної» точки. Лише Венера, близька за своїми розмірами і масою до Землі, володіє щільним ядром. [1]. Питання про стан та склад ядра, що базується на сейсмологічних досліджень, до цих пір є найбільш складним і дискусійним. [3]. Гравітаційна диференціація не дає чіткого уявлення ні в «гарячій», ні в «холодній» моделях Землі. Відкриття екзопланет ставлять під сумнів, якщо не сказати більше, допрацьовувати багато разів, теорію аккреционного акумуляції. Всі невирішені вище перераховані проблемні питання космогонії і космології, на думку авторів даної статті, є наслідком відсутності достовірної теорії освіти космічних тіл, планет, зокрема. Можна сказати, що якби астрофізики почали відкривати екзопланети не в кінці, а в середині минулого століття, то і аккреционного гіпотеза утворення планет Сонячної системи не знайшла б підтримки в науковому світі.

У даній роботі представлено принципово нове рішення внутрішньої будови планет, яке відповідає на всі основні побічні проблемні питання. Спочатку ми покажемо, що тверде залізне ядро ​​в центрі зовнішнього ядра, що складається з розплавленого заліза, що обертається Землі фізично існувати не може.

Нижче наведені математичні викладки призначені для поглибленого аналізу зроблених в статті висновків. Читач може відразу перейти до дослідження кінцевої формули (11). На малюнку 1 представлена ​​схема внутрішньої будови Землі, відповідна вище згаданої гіпотези.

Обертову систему координат сумісний з центром Землі. Вісь Z направимо на північний полюс (перпендикулярна площині креслення).

Рис.1. Внутрішня будова Землі:
1. Внутрішнє тверде залізне ядро; 2. Зовнішнє ядро ​​з розплавленого заліза; 3. Мантія

Запишемо умови рівноваги сил що діють на тверде ядро. При цьому тяжіння в центрі Землі прийнято рівним нулю.

(1)

де, - сила інерції (другий закон Ньютона);

- відцентрова сила;

- сила тертя (в'язкість розплавленого заліза);

- сумарна сила гідравлічного тиску розплавленого заліза, діюча на внутрішнє ядро.

У цих формулах: m - маса твердого ядра;

ω - кутова швидкість осьового обертання Землі (мантії і ядра);

ρж, ρт - щільності зовнішнього (рідкого) і внутрішнього (твердого) ядер, відповідно;

η - коефіцієнт в'язкості розплавленого заліза;

d - діаметр внутрішнього ядра.

Підставами значення сил в рівняння (1)

(2)

Після перетворень рівняння (2), отримаємо

(3)

Наведемо рівняння (3) до виду

(4)

де, ,

Рівність (4) являє собою лінійне диференціальне рівняння другого порядку. Загальне рішення такого рівняння має вигляд:

(5)

Тут, C1 і C2 - невідомі постійні

Запишемо характеристичне рівняння:

(6)

Знаходимо корені характеристичного рівняння:

(7)

Запишемо граничні умови. У початковий момент, при t = 0, система рівнянь запишеться

(8)

(9)

Звідки отримаємо

(10)

Підставами ці значення в рівняння (7) отримаємо остаточний результат

(11)

Тут x0 - зміщення твердого ядра від обурення, наприклад, при падінні на планету метеорита.

Проаналізуємо отриману формулу (11). Маємо три варіанти вирішення. Розглянемо їх.

Варіант 1.

ρж = ρт Якщо покласти, що щільності рідкого і твердого заліза рівні. В цьому випадку, k = 0. Отже: γ1 = 0, а γ2. При t → ∞ перший член рівняння прагне до нуля, а другий член приймає вид (0 * e (± 0 * ∞)). Це вказує на невизначеність другого доданка. Такий варіант відповідає довільному положенню внутрішнього твердого ядра в розплавленому зовнішньому ядрі.

Варіант 2.

ρжт Так, при температурі кристалізації щільність рідкого і твердого заліза, при атмосферних умовах, становить 6.85г / см і 7.45 г / см³, відповідно. Якщо покласти, що при надвисокому тиску ця тенденція збережеться, тоді будемо мати: k, і γ1> 0, а γ2. У цьому випадку x ≠ 0 і ядро ​​переміститься до внутрішньої поверхні мантії.

Варіант 3.

ρж> ρт Тоді, k> 0, і γ1, і γ2, следованельно x = 0. Це свідчить про стійкість твердого ядра. Але цей варіант, для розглянутого випадку не прийнятний, так як щільність розплавленого заліза завжди менше твердого. Він цікавий тим, що для малих планет, зокрема астероїдів, коли щільність стисненого газу перевищує щільність центрального твердого ядра, ця система могла б бути стійкою. Але в цьому випадку сам вихор розпадається в тривимірному просторі. Утворене в цьому вихорі тверде ядро, або залишиться самостійним утворенням і стане астероїдом, або потрапить в стійкий вихор, і тоді воно увійде в планету супутник і стає маскони, які створюють в них гравітаційні аномалії. Пропонуємо читачеві провести простий експеримент. Для цього необхідно опустити в посудину з обертається рідиною предмет, закріплений на гнучкої нитки. Якщо щільність предмета, перевищує щільність рідини то він буде відкинутий до стінки судини. Якщо щільності предмета і рідини будуть рівними, то він буде обертатися без зміщення на будь-якому радіусі.

Відзначимо також, що система могла б бути стійкою, якби Земля не оберталася навколо власної осі. В цьому випадку ω = k = γ1 = C2 = x = 0. Але таке явище в історії Землі, очевидно, було відсутнє. Ігнорувати факт обертання Землі при вирішенні проблемних питань геології та геофізики, на нашу думку, не можна. На цій підставі робимо висновок про те, що ядра планет і не тверді, і не рідкі і не залізні.

Газове ядро ​​Землі і сейсмічні дослідження

Результати сейсмічних досліджень Землі завжди прив'язувалися і тлумачилися стосовно до залізного ядра. Становить великий інтерес інтерпретація цих результатів стосовно газового ядру. На малюнку 2 приведені, в відносних координатах, результати сейсмічних досліджень Землі і Місяця. Малюнок взятий з книги «Будова Місяця» авторів Галкін І.М. і Шварев В.В. Ми не випадково обрали для прикладу поєднану сейсмограму Землі і Місяця. З сейсмограмою видно, що на кордоні нижньої мантії і ядра, як для Землі, так і для Місяця, швидкість поширення поздовжніх хвиль різко падає. Це свідчить про те, що ядро ​​може бути газовим або рідким. Але Місяць до теперішнього часу є остиглим, до того ж, відносно не великим космічним тілом, тому її ядро, також, не може складатися з розплавленого заліза, а падіння швидкості є. Звідси можна зробити висновок про те, що ядра Землі і Місяця газові.

Рис.2. Глибинна структура Землі (товсті лінії) і Місяця (тонкі) з геофізичних даних.

Згідно домінуючою гіпотезою центральне ядро ​​Землі складається з твердого заліза. Якби це було так, то на кордоні зовнішнього і внутрішнього ядер повинен був бути різкий стрибок збільшення швидкості поширення поздовжніх хвиль. Однак такого різкого стрибка на сейсмограмі ми не спостерігаємо. Це, також, говорить про те, що внутрішнє ядро ​​Землі не тверде. Що стосується поперечних хвиль, то вони не поширюються ні в газах, ні в рідинах. Якби зовнішнє ядро ​​Землі складалося з розплавленого, практично не стискається заліза, то мантія, що представляє собою товстостінну сферичну оболонку, не могла б відчувати тектонічних зрушень. Це ще раз говорить про неспроможність гіпотези про залізному ядрі.

Температура і тиск газу на зовнішньому кордоні ядра

Питання про розподіл температури в нижній мантії і ядрі Землі в науковому світі ще не вирішене. Прийнята температура на кордоні мантії і зовнішнього ядра коливається в широких межах і становить 1500 ... 10000 ° C. Причому, нижній і верхній межі вступають в протиріччя з тим фактом, що речовина нижньої мантії знаходиться в твердому стані. Про це свідчить проходження поперечних сейсмічних хвиль. За результатами сейсмічних досліджень встановлено, що щільність речовини мантії і зовнішнього ядра в місці їх стикування поступово змінюється з 5,2 г / см³ до 10 г / см³. Для розрахунків ми приймаємо на зовнішній поверхні газового ядра нижню межу температурі 1500 К. Тоді тиск газу (кисню) у поверхні зовнішнього ядра має становити:

(12)

Тут: ρ і Т - щільність і температура на зовнішній поверхні ядра, відповідно;
p0, ρ0 і T0 - тиск, щільність і температура атмосфери Землі, відповідно.

Виходячи з постійності передачі тепла від ядра через будь-яку сферичну поверхню в мантії або земній корі, змінний градієнт температури q виразиться наступною формулою і на внутрішній поверхні мантії складе:

Тут: q0 = 20 град / км - градієнт температури у зовнішній поверхні земної кори;
R = 6371 км - зовнішній радіус Землі;
h = 2900 км - товщина мантії і земної кори.

Як бачимо, градієнт температури поблизу внутрішньої поверхні мантії більш ніж в 3 рази повинен перевищувати градієнт біля зовнішньої поверхні Землі. Це ще більше погіршує невідповідність розрахункової температури по приповерхневих градієнту. На нашу думку, окислювальні процеси відбуваються і в даний час в земній корі і мантії впливають на характер градієнта температур. Ці процеси можуть носити і вибуховий характер при окисленні вуглеводнів, що і є причиною вулканічної діяльності з виділенням переважно води і діоксиду вуглецю.

Напруженість речовини земної кори і мантії

Розрахунок товстостінних сферичних оболонок, навантажених внутрішнім тиском, в механіці добре відомий. Вихідна формула для розрахунку стосовно мантії Землі має вигляд. [2].

(13)

Тут: R0 - зовнішній радіус земної кори;
r і r0 (r≥r0) - поточний і внутрішній радіуси мантії, відповідно;
p - тиск газу на зовнішній поверхні ядра;
ρ - усереднена щільність речовини мантії;
n - показник повзучості речовини.

Перший член рівняння (13) відображає напруженість речовини мантії і земної кори від тиску газу p, що діє на її внутрішню поверхню, а другий член враховує гравітаційне стиснення.

На рис.3 наведено епюри меридиального напруги в ідеальній пружною (сталевий) сферичної оболонці (крива 1). Криві 2, 3, і 4 відповідають оболонок, матеріал яких знаходиться в стані сталої повзучості для різних значень показників ступеня n. Крива 5 відображає напружений стан мантії від спільного впливу внутрішнього тиску газу і гравітації.

Слід звернути увагу на те, що зовнішня земна кора і зовнішня частина верхньої мантії відчувають розтяжне напруга. В силу того, що матеріал земної кори має ползучестью, то ці напруги повинні поступово зростати в часі до критичного стану. Це протиборство тиску в ядрі і гравітації призводить до землетрусів і всякого роду розломів, тектонічним переміщень і вулканічним викидів.

Рис.3. Епюри меридиального напруги в товстостінній сферичної оболонці під дією внутрішнього тиску газів і гравітації.
1 - пружна оболонка; 2, 3, 4 - при різній повзучості матеріалу оболонки; 5 - в мантії Землі з урахуванням гравітації.

Ми поки не знаємо точно показник ступеня n, що характеризує пластичні властивості речовини земної кори і мантії. Тому оцінка напруженості носить лише якісний, а не кількісний характер. Проте, можна зробити висновок, що на відносно малій глибині ~ 150 км (за розрахунком), в мантії є зона (сферичний шар) де напруженість речовини σ = 0. На нашу думку, це і є центральна зона астеносфери у верхній мантії Землі. Як видно з епюри 5 астеносфера не має чітко виражених кордонів. Цим і викликана деяка невизначеність в оцінці її товщини. При цьому, розрахункова напруженість зовнішній поверхні земної кори становить ~ 25000 кг / см², що багаторазово перевищує межу текучості речовини земної кори (2000 кг / см²). Виходячи з викладеного, ми робимо висновок про те, що тиск в газовому ядрі Землі є головним ендогенних фактором тектонічних процесів, що відбуваються в мантії і земній корі. Наявність зони з нульовою напруженістю, неминуче накладає свій відбиток на реологічні властивості речовини в зоні астеносфери.

Добре відомо, що при температурі вище точки Кюрі (1043 K) залізо відчуває фазовий перехід 2-го роду, при якому воно переходить з феррімагнітном в парамагнітний стан. Це означає, що ні за яких обставин залізне ядро ​​не може генерувати магнітне поле планети. А воно є. Це один із головних доказів того, що ядро ​​Землі і не тверде, і не рідке, і не залізне. Ігнорувати цей факт в науці, на нашу думку, абсолютно не допустимо. В умовах високої температури гази поводяться інакше. Вони ионизируются і стають провідниками і при певних умовах можуть створювати магнітне поле планет. Цей, надзвичайно важливе питання в геофізики заслуговує окремого дослідження і в даній роботі не розглядається.

Внутрішня будова планет і їх супутників, засноване на базі залізно нікелевого ядра, накладає жорсткі обмеження на їх середню щільність. У дослідників виникають труднощі при обгрунтуванні дефіциту щільності зовнішнього і внутрішнього ядер Землі, розміри яких надійно встановлені. Щільність газових ядер і планет в цілому, може мати широкі межі. Вона, також є змінною величиною в часі. Це пов'язано з поступовим охолодженням ядра і безперервним зменшенням його обсягу внаслідок ущільнення мантії. Звертаємо увагу читача на те, що наведені тут розрахунки прив'язані до сучасного етапу еволюції Землі. Екзопланета PSR J1719-1438b, за спостереженнями британського телескопа Лавелл і телескопа Кек на Гаваях показали, станом на початок 2017 р має рекордну середню щільність 23 г / см³. Цей факт говорить про те, що вона складається з високо мольних газів, Найімовірніше з кисню і діоксиду вуглецю, що володіють високою молярною масою (32 г / моль і 44 г / моль, відповідно). Планета трохи більш масивна, ніж Юпітер, маючи при цьому радіус в 2,5 менше радіуса Юпітера. Характеристики цієї планети є наочним прикладом, що підтверджує те, що всі космічні тіла формуються як газові освіти.

За результатами нещодавно проведених за участю 15 університетів США, Західної Європи і Японії фундаментальних експериментальних досліджень по визначенню величин теплових потоків в надрах Землі, виявилося значне розходження між кількістю енергії, що генерується внаслідок розпаду радіоактивних ізотопів, а також енергії інших (нерадіоактивних) джерел, і сумою кількості енергії, необхідної для підтримки магнітного поля Землі, а також енергії випромінювання через земну поверхню. Відсутні по балансу ~ 100 ТВт / с (1014Вт / с) теплового потоку покликаний забезпечувати інший потужне джерело стабільної енергії. У цьому випадку енергія стиснення газового ядра, за нашими розрахунками, вище, практично не стискається залізного ядра і становить ~ 1.75 * 1038 ерг і цілком може збалансувати її витрата стосовно Землі. Річне тепловиділення всією поверхнею Землі до теперішнього часу оцінюється в 1028 ерг. Поділивши ці числа одне на інше, можна сказати, що до теплової смерті нашої планети пройде ще не один мільярд років.

Зроблені тут висновки зведені в таблицю. Вона відображає узгодженість «+» або неузгодженість «-» з результатами досліджень Землі і Місяця, відповідно.

Таблиця 1

№ п / п Параметри Газове ядро ​​Залізне ядро ​​1 Проходження сейсмічних хвиль в ядрі:
- поздовжніх в зовнішньому ядрі
- поперечних в зовнішньому ядрі
- поздовжніх у внутрішньому ядрі +
+
+ +
+
- 2 Диференціація мантії + - 3 Ступінчастість щільності ядра на кордоні з мантією + - 4 Середня щільність зовнішнього і внутрішнього ядер + - 5 Магнітна провідність + - 6 Енергетичний баланс ядра і планет в цілому + - 7 Задоволення тектонічним переміщень + -

Примітка до таблиці: Як видно з таблиці результати досліджень Землі і Місяця, в тому числі і сейсмічних, найкращим чином задовольняють варіанту їх з газовим ядром.

Диференціація речовини і формування мантії

Згідно з існуючими уявленнями в науковому світі суть диференціації планет полягає в тому, що під впливом гравітації важчі хімічні елементи і з'єднання поступово опускаються до центру планети, а більш легкі при цьому піднімаються ближче до зовнішньої поверхні. Але такий процес не може відбуватися в твердотільної мантії. Для цього необхідно подолати межу міцності (~ 2000 кг / см²) мантійного речовини. Разом з тим, диференціація планет і їх, щодо великих супутників, встановлений факт. Це одна з причин гострої дискусії між прихильниками гіпотез «холодної» і «гарячої» Землі.

В роботі [6] представлено вирішення головного завдання фізики в області космогонії про освіту космічних тіл. У ній показано, що всі космічні тіла, в тому числі і планети земної групи, сформувалися в результаті гравітаційного колапсу вихрових газових утворень. Разом з газом в надра планети залучалися і тверді речовини. Під впливом сили, що виштовхує Архімеда вони спливали (або опускалися) в середовищі стисненого газу утворилася планети і займали стійке положення там, де щільності газу і твердих речовин були рівними. Цим можна пояснити шарувату структуру планет і спільне розташування сідерофільних і халькофільних хімічних елементів мають близьку між собою питому щільність. У космогонічному масштабі часу такий процес диференціації був швидкоплинним і не вимагав розплавлення речовини майбутньої мантії.

На підставі цих досліджень робимо остаточний висновок: Земля не може мати залізного ядра. Таким чином, ми отримали додаткове підтвердження того, що всі планети, в тому числі і планети земної групи, формувалися як газові освіти, а не шляхом «злипання» твердих частинок з подальшою аккрецией газу на ядро. Окислювальні процеси речовин в надрах планет земної групи неминуче приводили до зменшення газової складової і збільшення маси твердих речовин. Це неминуче призводило до ущільнення мантії і замикання газових ядер в центрі планет. Аналогічні процеси відбувалися і в надра щодо великих супутників.

Процес ущільнення мантії, очевидно, не обмежений в часі і триває в даний час.

У даній роботі ми торкнулися лише деяких, найбільш важливих, на наш погляд, питань. В цілому газова модель внутрішньої будови Землі дає ключ до розгадки багатьох проблемних питань в різних областях науки: космогонії, геофізики, геології, тектоніки плит, магнетизму планет і ін. Проаналізувати їх в рамках однієї статті не представляється можливим, та й здійснити це авторам, які не під силу.

На закінчення відзначимо, що газова модель внутрішньої будови Землі, яка з теорії вихрового газового формування космічних тіл докорінно відрізняється від домінуючої в науковому світі гіпотези «послідовної акреції», згідно з якою передбачається, що планети мають ядра складаються з розплавленого і твердого заліза. Газова модель внутрішньої будови планет і щодо великих супутників найкращим чином узгоджується з результатами сейсмічних зондувань Землі. Вона дає можливість вирішити багато проблемних питань в галузі геофізики та геології.

Якщо представлені нами викладки виявляться вірними, то буде потрібно переробка всієї космогонії, космофізичних і геофізичної теорій. Ми добре усвідомлюємо, що така робота буде являти собою трудомісткий процес. Ця робота може бути виконана тільки колективною працею багатьох вчених.

Автори: Тимофєєва Лариса Андріївна
Перепелкин Микола Григорович.

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ:

1. Горшков Г.П., Якушова А.Ф. - Загальна Геологія. 3-е изд. М, 1973 г., 592 с.
2. Гольденблат І. І., Бажанов В. Л., Копнов В. Л. - Тривала міцність в машинобудуванні. М. «Машинобудування». 1977.
3. І.А. Климишин Астрономія наших днів. - 3-е изд., Перераб., І доп. (М .: Гол. Ред. Фіз. Мат. Літ., 1986 - 560 с.).
4. Літас К.Д., Шацький А.Ф. - Сучасні уявлення про склад ядра Землі. Геологія і геофізика. 2016. №1.
5. Терез Е.І., Терез І.Е. - Реакція синтезу - основне джерело внутрішньої енергії Землі. Вісник Російської академії наук. - 2015. - Т. 85, №3.- 240 - 246.
6. Тимофєєва Л.А., Перепьолкін Н.Г. - Теорія освіти космічних тіл: екзопланет, астероїдів і кратних зірок. Сайт "Знання-сила" znaniya-sila.narod.ru/live/formation-of-cosmic-bodies.htm

до початку статті

© на інтернет-публікацію Володимир каланамі,
сайт "Знання-сила"
Підготовка до статті: Володимир каланамі.

Коментарі:
(Залиште свій відгук)