Tại sao lõi trái đất lại nóng như vậy? Và các nhà khoa học đo nhiệt độ của nó như thế nào?

Có ba nguồn nhiệt chính trong lòng đất:

(1) nhiệt từ khi hành tinh hình thành và bồi tụ, chưa bị mất đi;

(2) sự nóng lên do ma sát, gây ra bởi vật liệu lõi dày đặc hơn chìm xuống tâm hành tinh;

và (3) nhiệt từ sự phân rã của các nguyên tố phóng xạ.

Phải mất một thời gian khá dài để nhiệt di chuyển ra khỏi trái đất. Điều này xảy ra thông qua cả sự vận chuyển nhiệt “đối lưu” bên trong lõi bên ngoài chất lỏng và lớp phủ rắn của trái đất và sự vận chuyển nhiệt “dẫn điện” chậm hơn qua các lớp ranh giới không đối lưu, chẳng hạn như các tấm trái đất ở bề mặt. Kết quả là, phần lớn nhiệt nguyên sinh của hành tinh, từ khi trái đất lần đầu tiên bồi tụ và phát triển lõi của nó, đã được giữ lại.

Lượng nhiệt có thể phát sinh thông qua các quá trình bồi tụ đơn giản, đưa các vật thể nhỏ lại với nhau để tạo thành tiền trái đất, là lớn: theo thứ tự 10.000 kelvins (khoảng 18.000 độ Farhenheit). Vấn đề cốt yếu là bao nhiêu năng lượng đó được tích tụ vào trái đất đang phát triển và bao nhiêu được chiếu xạ lại vào không gian. Thật vậy, ý tưởng hiện đang được chấp nhận về cách mặt trăng được hình thành liên quan đến tác động hoặc sự bồi tụ của một vật thể cỡ sao Hỏa với hoặc bởi tiền trái đất. Khi hai vật thể có kích thước này va chạm, một lượng lớn nhiệt được tạo ra, trong đó khá nhiều nhiệt được giữ lại. Tập phim đơn lẻ này có thể đã làm tan chảy phần lớn hàng nghìn km ngoài cùng của hành tinh.

  • Ngoài ra, sự đi xuống của vật chất giàu sắt đặc tạo nên lõi của hành tinh đến trung tâm sẽ tạo ra nhiệt độ 2.000 kelvins (khoảng 3.000 độ F). Độ lớn của nguồn nhiệt chính thứ ba – đốt nóng phóng xạ – là không chắc chắn. Sự phong phú chính xác của các nguyên tố phóng xạ (chủ yếu là kali, uranium và thorium) ít được biết đến trong lòng đất sâu.


Tóm lại, không thiếu nhiệt trong thời kỳ đầu của trái đất, và việc hành tinh không thể nguội đi nhanh chóng dẫn đến nhiệt độ tiếp tục cao của bên trong Trái đất. Trên thực tế, không chỉ các tấm của trái đất hoạt động như một tấm chăn bên trong, mà ngay cả sự vận chuyển nhiệt đối lưu trong lớp phủ rắn cũng cung cấp một cơ chế đặc biệt hiệu quả để mất nhiệt. Hành tinh mất một lượng nhiệt thông qua các quá trình thúc đẩy kiến ​​tạo mảng, đặc biệt là ở các rặng núi giữa đại dương. Để so sánh, các thiên thể nhỏ hơn như Sao Hỏa và Mặt trăng cho thấy rất ít bằng chứng về hoạt động kiến ​​tạo hoặc núi lửa gần đây.

Chúng tôi rút ra ước tính cơ bản về nhiệt độ của lòng đất sâu từ hành vi nóng chảy của sắt ở áp suất cực cao. Chúng ta biết rằng độ sâu cốt lõi của trái đất từ ​​2.886 km đến trung tâm tại 6.371 kilômét (1.794 đến 3.960 dặm), chủ yếu là sắt, với một số chất gây ô nhiễm. Làm sao? Tốc độ của âm thanh qua lõi (được đo từ vận tốc mà sóng địa chấn truyền qua nó) và mật độ của lõi khá giống với tốc độ được thấy trong sắt ở áp suất và nhiệt độ cao, được đo trong phòng thí nghiệm. Sắt là nguyên tố duy nhất phù hợp chặt chẽ với các đặc tính địa chấn của lõi trái đất và cũng có mặt đủ dồi dào trong vũ trụ để tạo nên khoảng 35% khối lượng của hành tinh có trong lõi.

lõi trái đất được chia thành hai khu vực riêng biệt: lớp lõi ngoài lỏng và lõi rắn bên trong, với sự chuyển tiếp giữa hai vùng ở độ sâu 5156 km (3,204 dặm). Do đó, nếu chúng ta có thể đo nhiệt độ nóng chảy của sắt ở áp suất cực đại của ranh giới giữa lõi bên trong và bên ngoài, thì nhiệt độ phòng thí nghiệm này phải gần đúng một cách hợp lý với nhiệt độ thực tại mặt phân cách lỏng-rắn này. Các nhà khoa học trong phòng thí nghiệm vật lý khoáng sản sử dụng tia laser và thiết bị áp suất cao được gọi là tế bào đe kim cương để tái tạo lại áp suất và nhiệt độ địa ngục này càng gần càng tốt.

Những thí nghiệm đó cung cấp một thách thức khó khăn, nhưng ước tính của chúng tôi về nhiệt độ nóng chảy của sắt ở những điều kiện này nằm trong khoảng từ 4.500 đến 7.500 kelvins (khoảng 7.600 đến 13.000 độ F). Vì lõi bên ngoài là chất lỏng và có lẽ là đối lưu (và với sự hiệu chỉnh bổ sung về sự hiện diện của các tạp chất trong lõi bên ngoài), chúng ta có thể ngoại suy phạm vi nhiệt độ này thành nhiệt độ ở đáy của lớp phủ Trái đất (phần trên cùng của lõi bên ngoài) khoảng 3.500 đến 5.500 kelvins (5.800 đến 9.400 độ F) ở đáy của lớp phủ trái đất.


Điểm mấu chốt ở đây chỉ đơn giản là một phần lớn bên trong hành tinh (lõi bên ngoài) được cấu tạo từ hợp kim sắt nóng chảy có phần không tinh khiết. Nhiệt độ nóng chảy của sắt trong điều kiện lòng đất cao, do đó cung cấp bằng chứng sơ bộ cho thấy lòng đất khá nóng.

Gregory Lyzenga là phó giáo sư vật lý tại Đại học Harvey Mudd. Ông đã cung cấp thêm một số chi tiết về ước tính nhiệt độ của lõi trái đất:

Làm thế nào để chúng ta biết nhiệt độ? Câu trả lời là chúng tôi thực sự không –

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *