Железо-никель-кремний-кислородное ядро Земли

Рис. 1. Согласно современным представлениям, Земля образовалась при аккреции планетезималей хондритового состава. В результате их столкновения, а также возникающего гравитационного разогрева наша планета прошла стадию магматического океана. Согласно одностадийной модели, из этого океана магмы выделялись капли железа, которые из за своего веса тонули - оказывались на дне океана, где, собираясь в тяжелые диапиры, быстро опускались к центру Земли, формируя ядро. Рисунок заимствован из статьи (1).

Чтобы состыковать наблюдаемые данные о плотности ядра Земли с расчетными данными для чистого железа, необходимо, чтобы кроме ~5% никеля в нем присутствовало от 5 до 15% каких-то еще более легких элементов. Роль основных кандидатов традиционно отводится водороду, углероду, азоту, кислороду, магнию, кремнию и сере. Однако вопрос, в какой пропорции эти элементы входят в ядро, остается остро дискуссионным. Так, например, в статье [1], используя экспериментальные данные о распределении различных элементов между силикатами и железом, был сделан вывод, что наибольшее соответствие одностадийной модели образования ядра (рис. 1) достигается, если в ядре присутствует от 2 до 6% кислорода. При этом отмечается, что такого количества кислорода по-прежнему недостаточно, чтобы объяснить наблюдаемый дефицит массы ядра.

Другим широко распространенным подходом является кос-мохимический подход. Если допустить, что валовый состав Земли соответствует хондритам, то, сравнивая их состав с составом земных пород, слагающих силикатную оболочку, можно рассчитать и состав ядра. Используя этот поход, команде физиков и геологов из Калифорнийского университета в Лос-Анжелесе (University of California Los Angeles) удалось оценить, что в ядре должно присутствовать существенное количество кремния [2].

Рис. 2. Содержание кремния в железном ядре, рассчитанное исходя из различия в изотопном составе между породами Земли и хондритовыми метеоритами, а также температуры формирования ядра. Рисунок заимствован из статьи (2).

В качестве материала для исследования авторы статьи [2] взяли два метеорита — Mount Egerton и Norton County, относящихся к особому типу метеоритов — аубритам, формирование которых связано с плавлением энстатитовых хондри-тов при высокой температуре. Энстатитовые хондриты в свою очередь часто рассматриваются как исходный строительный материал Земли из-за близкого изотопного состава кислорода и отношения металлов к кремнию. Иными словами, аубриты можно рассматривать как аналоги силикатной оболочки Земли. Для сравнения с Землей анализировался также изотопный состав кремния в оливинах из мантийных пород — перидотитов.

В работе [2] были измерены отношения ³⁰Si/²⁸Si в силикатных минералах аубритов и в кремнии внутри металлов, преимущественно минерале камаси-те (Fe, Ni), чтобы подтвердить, что фракционирование изотопов кремния зависит от температуры. Затем, используя новые данные о различии ³⁰Si/²⁸Si в кремнии силикатных минералов и металлов, а также опубликованные и собственные данные об изотопном составе кремния в силикатных минералах хондритов и в земных породах, авторы работы [2] рассчитали, сколько кремния может находиться в ядре Земли. При температуре (3000 К) равновесного разделения железа, слагающего ядро, и силикатной оболочки Земли космохими-ческий подход указывает на то, что в ядре может содержаться от 6 до 25% кремния (рис. 2).

В определении различия в изотопных отношениях кремния между силикатной оболочкой Земли и ее исходным строительным материалом (хондритами) остаются большие неопределенности. Равно как и оценки температуры, при которой происходило выделение железа на стадии формирования ядра, остаются зависимыми от ряда допущений. Однако несомненным является тот факт, что в железном ядре Земли наряду с никелем присутствует сопоставимое количество кремния, а ранее было показано, что и кислорода. Так что, может быть, уже пора привыкать называть ядро не железо-никелевым, а железо-никель-кремний-кислородным.

Алексей Иванов

1. Corgne A., Siebert J., Badro J. Oxygen as a light element: a solution to single-stage core formation. Earth and Planetary Science Letters, 2009, v. 288, p. 108-114.

2. Ziegler K., Young E.D., Schauble E.A., Wasson T.J. Metal-silicate isotope fractionation in enstatite meteorites and constraints on Earth's core formation. Earth and Planetary Science Letters, 2010, doi: 10.1016/j.epsl.2010.04.030

Цифра:

Число занятых в научно технологическом (S&E, science and engineering) секторе США в 2008 г. достигло 5,8 млн человек. Занятые в этом секторе составляют в настоящее время 4,3% от всех занятых в стране, и эта цифра доходит до 7 15% всей рабочей силы в крупных метрополисах с высокой концентрацией S&E работодателей. С 2004 по 2008 г. занятость в разных профессиях росла в США в среднем на 1,3% ежегодно. Однако аналогичный рост в научно технологическом секторе достиг 3,3%, или 2,3% для всех профессий STEM (science, technology, engineering, mathematics). При медианной зарплате в стране в 2008 г. на уровне $32.390 в год она составляла $72.940 для S&E профессий и $69.570 для STEM профессий.