Ядро Землі

Ядро Землі

Ядро́ Землі́ — центральна внутрішня геосфера Землі, що залягає під мантією.

Історична довідка

Уявлення про металеве ядро Землі сформувалися наприкінці 19 — початку 20 ст. на основі даних про середню густину Землі, яка значно перевищує густину поверхневих гірських порід. Аналіз проходження, відбиття і заломлення сейсмічних хвиль дав змогу встановити існування різких меж усередині Землі, визначити рідкий стан зовнішнього ядра та виявити тверде внутрішнє ядро.

Модель Землі з центральним металевим ядром, оточеним силікатною оболонкою, запропонував фізик Й. Е. Віхерт, чиї роботи відобразили один із етапів формування уявлень про диференційовану будову планети. Геолог Р. Д. Олдгем (1858; Ірландія — 1936; Велика Британія), аналізуючи сейсмічні хвилі від землетрусів, 1906 дійшов висновку про існування центральної області Землі, властивості якої істотно відрізняються від властивостей мантії.

Сейсмолог Б. Гутенберг уточнив положення межі «ядро —мантія» (глибина — близько 2 890 км; її також називають межею Гутенберга). Геофізик і астроном Г. Джеффріс (1891–1989; Велика Британія) у 1920-х на підставі сейсмологічних даних обґрунтував рідкий стан зовнішньої частини ядра. У 1936 геофізик і сейсмолог І. Леманн (1888–1993; Данія) запропонувала модель, що складається з твердого внутрішнього ядра, оточеного рідким зовнішнім, і пояснила особливості поширення сейсмічних хвиль у так званій тіньовій зоні існуванням внутрішньої межі в ядрі. У середині 20 ст. геофізик Ф. Бірч (1893–1967; США) поєднав сейсмологічні дані з результатами досліджень речовини за високих тисків і температур. Це сприяло утвердженню уявлення про ядро як переважно залізне.

Подальший розвиток сейсмології, зокрема вивчення власних коливань Землі, дав змогу деталізувати будову ядра. Важливу роль у цьому відіграли геофізики А. Дзевонський (1936; Польща — 2016; США) та Д. Андерсон (1933–2014; США). Запропонована ними 1981 попередня референтна модель Землі (англ. Preliminary Reference Earth Model) стала однією з базових одномірних моделей внутрішньої будови Землі. У 21 ст. ведуть дослідження з визначення хімічного складу ядра Землі, неоднорідності, анізотропії, динаміки, теплового режиму, процесів кристалізації внутрішнього ядра та взаємодії з мантією.

В Україні вагомий внесок у дослідження глибинної будови Землі, геофізичних полів, сейсмології, геомагнетизму та геодинаміки зробили науковці Інституту геофізики імені С. І. Субботіна НАН України. Особливе місце в історії української геофізики посідає організатор геофізичних досліджень в Україні академік С. Субботін, чиї наукові праці присвячені вивченню глибинної будови Землі, геофізичних полів і тектогенезу, структури земного ядра та зовнішніх оболонок Землі. Субботін — один із фундаторів української школи з дослідження глибинної будови планети, до якої належать, серед інших, геофізик, геолог, академік НАН України В. Старостенко, геофізики, члени-кореспонденти НАН України О. Гінтов, О. Кендзера, М. Орлюк, доктор геологічних наук О. Усенко (нар. 1966; тепер Україна). Дослідження першої чверті 21 ст. показали значний розвиток української школи комплексного геофізичного вивчення земної кори й мантії із застосуванням глибинного сейсмічного зондування, гравіметрії, магнітометрії, геотермії, геоелектрики та сейсмотомографії.

Характеристика

Структура

Ядро Землі — найбільш віддалена від поверхні й недоступна для дослідження частина планети. Натепер жодна свердловина або гірнича виробка не досягає навіть мантії на значній глибині, тому всі відомості про ядро отримують непрямими методами. Ядро є найбільш щільною геосферою Землі. Його густина зростає з глибиною під дією високого тиску.

Радіус — близько 3 480 км. Інші параметри наведено у таблиці 1.

Таблиця. Характеристики ядра Землі

Параметр	Зовнішнє ядро	Внутрішнє ядро
Глибина верхньої межі	≈ 2890 км	≈ 5150 км
Глибина нижньої межі	≈ 5150 км	6371 км
Товщина / радіус	≈ 2260 км	≈ 1220 км
Фізичний стан	рідкий	твердий
Основна речовина	Fe-Ni + легкі елементи	Fe-Ni + легкі елементи
Основна роль	геодинамо, генерація магнітного поля	кристалізація, теплова й хімічна підтримка конвекції

Параметри температури, тиску й складу ядра визначаються модельними та експериментальними методами, тому конкретні числові оцінки можуть відрізнятися залежно від прийнятої моделі.

Зовнішнє ядро — рідкий металевий шар, речовина якого перебуває в постійному русі. Його агрегатний стан визначено сейсмологічно: поперечні вторинні хвилі (S-хвилі, скор. від англ. Secondary waves) не проходять через нього, тоді як поздовжні первинні (P-хвилі, скор. від англ. Primary waves) поширюються, зазнаючи сильного заломлення. Основними джерелами енергії конвекції є охолодження ядра, виділення прихованої теплоти під час кристалізації внутрішнього ядра та хімічна конвекція, пов'язана з перерозподілом легких елементів.

Внутрішнє ядро — тверда центральна частина Землі. Високий тиск підвищує температуру плавлення залізовмісної речовини, завдяки чому за температур, близьких до температури плавлення, центральна частина ядра залишається твердою. Внутрішнє ядро неоднорідне й має анізотропну структуру. Існує припущення існування найвнутрішнішого ядра — структурної області всередині внутрішнього ядра (природа та межі залишаються предметом досліджень).

Хімічний склад

Точний хімічний склад ядра Землі залишається невизначеним через неможливість безпосереднього відбору зразків речовини. Інформацію отримують шляхом зіставлення сейсмічних даних із результатами експериментів за високих тисків і температур та моделями хімічної диференціації Землі. Основним компонентом ядра вважають залізо (Fe); значну роль відіграє нікель (Ni). Передбачають наявність легких елементів — передусім сірки (S), кремнію (Si), кисню (O), вуглецю (C) та водню (H). Під час кристалізації внутрішнього ядра частина легких компонентів переходить у рідке зовнішнє ядро. Це створює хімічну неоднорідність і сприяє конвекції.

Формування та еволюція

Ядро сформувалося в ранній історії Землі внаслідок планетарної диференціації. Під дією гравітації важкі металеві компоненти протопланетної речовини концентрувалися в центрі, тоді як силікатні компоненти формували мантію і кору земну. Первісне ядро, ймовірно, було переважно рідким. Подальше охолодження Землі спричинило кристалізацію внутрішнього ядра. Точний час початку кристалізації внутрішнього ядра не встановлено. Оцінки різних моделей істотно відрізняються. Встановлення його віку є важливим для реконструкції теплової історії Землі та еволюції її магнітного поля.

Геодинамо і геомагнітне поле

Рух електропровідної рідини зовнішнього ядра створює геодинамо (див. Геодинаміка) — механізм генерації глобального геомагнітного поля (див. Геомагнетизм). У геодинамо поєднуються: електропровідність речовини; конвективний рух зовнішнього ядра; обертання Землі; дія сили Коріоліса; тепловий і хімічний потоки.

Геомагнітне поле формує магнітосферу Землі й значною мірою захищає її від заряджених частинок сонячного вітру. Кристалізація внутрішнього ядра забезпечує зовнішнє ядро додатковою енергією у вигляді прихованої теплоти та хімічної конвекції, тому формування внутрішнього ядра є важливим складником довготривалої роботи геодинамо.

Взаємодія ядра і мантії

Межа «ядро — мантія» є складною зоною теплового, механічного й, імовірно, хімічного обміну. Тепловий потік від ядра до мантії впливає на її конвекцію, а процеси в мантії визначають умови охолодження ядра. Взаємодія ядра і мантії також пов'язана зі змінами обертання Землі. Обмін кутовим моментом між ядром і мантією може спричиняти невеликі зміни тривалості доби.

Методи дослідження

Основним методом вивчення ядра Землі є сейсмологічні дослідження. За часом проходження, амплітудою, відбиттям і заломленням P- та S-хвиль визначають межі та фізичні властивості глибинних оболонок. Використовують також:

• аналіз власних коливань Землі;
• гравіметричні вимірювання;
• дослідження геомагнітного поля;
• аналіз змін швидкості обертання Землі;
• експерименти за надвисоких тисків і температур;
• рентгенівську дифракцію речовини;
• квантово-механічні розрахунки;
• молекулярну динаміку;
• геохімічне моделювання;
• числове моделювання геодинамо.

Комплексне застосування цих методів дає змогу поступово звужувати діапазон можливих моделей ядра Землі.

Порівняння з ядрами інших планет

Ядра планет земної групи сформувалися внаслідок подібної гравітаційної диференціації, але їхня подальша еволюція була різною (див. таблицю 2).

Таблиця. Ядра планет і супутників та їхні магнітні поля

Тіло	Особливості ядра	Магнітне поле
Земля	Велике Fe-Ni ядро; рідке зовнішнє і тверде внутрішнє	Потужне глобальне геодинамо
Меркурій	Дуже велике металеве ядро щодо розмірів планети	Існує глобальне поле, значно слабше за земне
Венера	Ймовірно велике металеве ядро	Сильного внутрішнього глобального поля не виявлено
Марс	Металеве ядро, збагачене легкими елементами	Сучасного глобального поля немає
Місяць	Невелике металеве ядро	Сучасного глобального поля немає
Ганімед	Металеве ядро під силікатною та крижаною оболонками	Має власне магнітне поле

Наявність металевого ядра сама по собі не забезпечує існування глобального магнітного поля. Для тривалої роботи геодинамо необхідні відповідний тепловий потік, конвекція електропровідної речовини та сприятливий фізичний стан ядра. Порівняння ядер планет дає змогу досліджувати загальні закономірності планетарної диференціації та пояснювати відмінності в еволюції їхнього розвитку.

Значення ядра для Землі

Ядро є одним із головних елементів планетарної геодинамічної системи і внутрішнім резервуаром теплової енергії Землі; забезпечує генерацію геомагнітного поля; бере участь у довготривалій тепловій еволюції планети; впливає на динаміку мантії через тепловий потік; бере участь у перерозподілі кутового моменту між оболонками Землі; зберігає інформацію про ранню історію формування та диференціації планети. Дослідження ядра має фундаментальне значення для розуміння походження й еволюції Землі, планетарної диференціації, теплового балансу планети, природи геомагнітного поля та взаємодії глибинних оболонок Землі.

Перспективи досліджень

Попри понад століття досліджень, низка фундаментальних питань залишається невирішеною. Завдання досліджень:

• хімічний склад — встановлення точних співвідношень заліза, нікелю та легких елементів;
• вік внутрішнього ядра — визначення часу початку кристалізації та його узгодження з історією геомагнітного поля;
• будова внутрішнього ядра — проведення сейсмологічних досліджень з метою визначення природи його анізотропії, неоднорідності та можливого найвнутрішнішого ядра;
• динаміка зовнішнього ядра — відтворення тривимірної структури конвективних потоків і пояснення довготривалої стабільності геодинамо, а також механізмів геомагнітних інверсій;
• межа «ядро — мантія» — встановлення структури та фізико-хімічних властивостей зони, а також кількісна оцінка теплового і речовинного обміну між ядром та мантією;
• порівняльна планетологія — вивчення ядер Меркурія, Венери, Марса, Місяця та великих супутників планет-гігантів, що дозволить краще зрозуміти умови виникнення й припинення планетарних геодинамо.

Цікаві факти

Найвнутрішніше внутрішнє ядро (англ. Іnnermost іnner сore) — гіпотетична центральна область твердого внутрішнього ядра Землі, в якій сейсмічні властивості, зокрема залежність швидкості поширення сейсмічних хвиль від напряму (сейсмічна анізотропія), відрізняються від властивостей решти внутрішнього ядра. Термін і гіпотезу запропонували професори Гарвардського університету М. Ішії та А. Дзевонський у 2002. Аналізуючи сейсмічні дані, вони зробили припущення існування центральної області радіусом близько 300 км із відмінною анізотропією. Натепер це не така загальновизнана структурна одиниця, як зовнішнє і внутрішнє ядро. Її існування та точні розміри залишаються предметом досліджень.

Того ж року професор Каліфорнійського технологічного інституту (США) Д. Андерсон використав іншу назву — внутрішнє внутрішнє ядро (англ. Inner inner core) і навів оцінку, що ця центральна область становить лише близько 0,01 % об'єму Землі.

2023 дослідники Австралійського національного університету повідомили про нові сейсмологічні свідчення на користь існування цієї центральної області і назвали її п’ятим шаром (англ. Fifth layer) Землі.

Література

1. Oldham R. D. The Constitution of the Interior of the Earth, as Revealed by Earthquakes // Quarterly Journal of the Geological Society. 1906. Vol. 62. P. 456–475.
2. Gutenberg B. Über die Konstitution des Erdinnern, erschlossen aus der Seismologie // Physikalische Zeitschrift. 1913.
3. Lehmann I. P. // Publications of the International Union of Geodesy and Geophysics. 1936.
4. Birch F. The Density and Composition of the Earth's Mantle and Core // Journal of Geophysical Research. 1952. Vol. 57.
5. Старостенко В. І. Стійкі чисельні методи в задачах гравіметрії. Київ : Наукова думка, 1978. 228 с.
6. Dziewonski A. M., Anderson D. L. Preliminary Reference Earth Model // Physics of the Earth and Planetary Interiors. 1981. Vol. 25, No. 4. P. 297–356.
7. Poirier J.-P. Introduction to the Physics of the Earth's Interior. 2nd ed. Cambridge : Cambridge University Press, 2000. 326 p.
8. Мала гірнича енциклопедія : у 3 т. / за ред. В. С. Білецького. Донецьк : Східний видавничий дім, 2013. Т. 3. 644 с.
9. Hirose K., Labrosse S., Hernlund J. Composition and State of the Earth's Core // Annual Review of Earth and Planetary Sciences. 2013. Vol. 41. P. 657–691.
10. Tkalčić H. The Earth's Inner Core: Revealed by Observational Seismology. Cambridge : Cambridge University Press, 2017. 234 p.
11. Усенко О. В. Вплив фазового стану речовини мантії та ядра на перебіг геодинамічних процесів // Геофізичний журнал. 2023. Т. 45, № 4. С. 84–115.
12. Waszek L., Irving J., Phạm T.-S., Tkalčić H. Seismic Insights into Earth's Core // Nature Communications. 2023. Vol. 14.
13. Орлюк М. І., Марченко А., Роменець А. та ін. Development of geomagnetic field induction module maps for the territory of Ukraine // Geodynamics. 2024. Vol. 1(36), No. 1. P. 74–84. URL: https://science.lpnu.ua/jgd/all-volumes-and-issues/1362024/development-geomagnetic-field-induction-module-maps-territory
14. Старостенко В. І., Гінтов О. Б. Результати вивчення земної кори і мантії України у першій чверті XXI ст. за геофізичними даними // Геологічний журнал. 2025. № 1. С. 3–11.
15. Shahar A., Young E. D., Hirose K. at all. The Compositions of Planetary Cores // Annual Review of Earth and Planetary Sciences. 2026. Vol. 54. P. 559–584.

Автор ВУЕ

В. С. Білецький

Покликання на цю статтю: Білецький В. С. Ядро Землі // Велика українська енциклопедія. URL: https://vue.gov.ua/Ядро Землі (дата звернення: 11.10.2026).

Статус гасла: Оприлюднено
Оприлюднено: 01.09.2026