И земное ядро под ногами…
Лично мне обо всем этом напомнили (а я решил напомнить вам) два интереснейших сообщения минувшего года. В одном из них, апрельском, опубликованном в престижном журнале Nature, двое ученых из Оксфорда, Вуд и Волерс, предложили оригинальный ответ на вопрос, откуда у Земли ядро; во втором, ноябрьском, из того же журнала, международная группа ученых под руководством д-ра Биггина, выдвинула весьма радикальную гипотезу касательно того, когда это ядро появилось. Как же после этого не заинтересоваться?!
Совершим поэтому небольшое путешествие к центру Земли. Сначала пройдем т.н. «литосферу» (от слова «литос» - камень), верхний слой планеты толщиной порядка 60 км, разбитый на огромные плиты, на которых лежат океаны и материк. Пройдя литосферу, мы окажемся в верхнем слое т.н. «мантии», по которому движутся эти плиты. Продолжая погружение, мы достигнем глубины 660 км и здесь испытаем почти 6-кратный скачок давления – оно разом перешагнет за миллион атмосфер (!), а температура станет порядка 2000 градусов. Это мы вступили в следующий слой Земли – в т.н. нижнюю мантию. Теперь нам предстоит пройти сквозь этот слой более 2000 км, и на глубине 2890 км (от поверхности Земли) мы достигнем следующего слоя земных недр – т.н. «наружного ядра» (если считать от центра Земли, то мы сейчас «на высоте» 2200 км.
Вот так можно ощутить масштабы нашей планеты). Что интересно – нижняя мантия, через которую мы только что прошли, была вязкой, как смола, а вот этот, более глубокий слой, видно, намного более горяч, потому что вещество здесь в состоянии жидкости, расплава. Откуда ж тепло поступает? Надо думать, снизу, от внутреннего ядра.
Устремимся поэтому туда. Нам придется пройти еще две с лишним тысячи километров и там, на отметке «1360 км от центра Земли», мы войдем, наконец, в загадочное внутреннее ядро нашей планеты, существование которого было открыто лишь в 1936 году, когда сейсмолог Инга Леман обнаружила, что сейсмические волны отражаются от некой границы внутри Земли.
Выдохнем, остановимся и оглядимся. Первое, что нас поразит, - что вещество вокруг нас твердое. Как это? Мы же спустились, температура должна возрасти? И впрямь – на нашем градуснике – 5700 по Кельвину. Жарища, как на поверхности Солнца. Почему же там газы, а тут – металл? Присмотримся – что за металл? Наш химический пробник показывает – соединение никеля с железом (NiFe). Но железо при такой температуре давно должно было бы расплавиться! И тут мы чувствуем – что-то трудно дышать. Смотрим на манометр – ну, конечно, давленьице-то – 2.3 миллиона атмосфер! Теперь понятно. При таком давлении железо нужно нагреть выше 6200 градусов, иначе оно останется твердым. Но что это там сверкает в разных местах этого железно-никелевого кристалла? Пробник говорит: «Это золото. Это платина. Это опять золото». Чистый Клондайк, граждане!Листаем путеводитель: «Геохимики подсчитали, что запасы золота и платины во внутреннем ядре таковы, что достань мы их оттуда и разложи на поверхности Земли, они покрыли бы ее сплошным слоем толщиной в полметра».
«Но не этим драгоценно для нас наше ядро, не этим, - продолжает путеводитель. - Его главная ценность в том, что оно делает возможным самое наше существование на Земле. Оно, во-первых, участвует в создании того магнитного поля, которое окружает нашу планету и защищает жизнь на ней от губительного потока заряженных солнечных частиц; а во-вторых, идущий от него поток тепла, достигая упомянутой выше литосферы, делает возможным движение тектонических плит, которое, как считают сегодня ученые, тоже необходимо для возникновения и существования жизни на планетах».
Стоп. Тут нужно разобраться. Хочется понять, как именно оно участвует в создании земного магнитного поля. Как это поле вообще возникает? Нас учили, что в проводнике, движущемся в магнитном поле, индуцируется электрический ток, то есть организованное движение электронов. Подумаем: проводник налицо – расплавленное железо в наружном ядре. Магнитные поля тоже найдутся: по всей Земле рассеяны разные естественно намагниченные минералы. Стоит железу в наружном ядре начать двигаться в таком поле, как в железе возникнет ток.
Теперь понятно: этот ток, в свою очередь, породит свое магнитное поле, которое будет создавать явление индукции, т.е. поддерживать существование тока, который, в свою очередь, будет поддерживать существование магнитного поля. Такое самоподдерживающееся динамо в наружном ядре действительно способно породить магнитное поле Земли. Но ведь для этого нужно, чтобы в наружном ядре все время происходила конвекция, т.е. движение расплавленного железа. А для этого необходим приток энергии извне. Кто ж ее поставляет? Ясно - только раскаленное внутреннее ядро и может! Поскольку его температура порядка солнечной, в нем, видимо, есть большой запас тепла, и оно, остывая, отдает это тепло наружному ядру (откуда неиспользованная часть теплового потока поступает в окружающую мантию и поднимается до самой литосферы).
Но если вдуматься, можно понять, что во внутреннем ядре должен быть еще один источник тепла. Поскольку оно все время отдает свое тепло наружу, оно непрерывно остывает (примерно на 100 градусов за каждый миллиард лет). А это значит, что те слои жидкого верхнего ядра, которые прилегают к внутреннему, все время затвердевают (тем самым увеличивая объем внутреннего ядра). Когда этот слой железо-никеля из жидкого становится твердым, он отдает некую энергию (ровно ту, которая нужна была бы, чтобы его расплавить). И эта энергия тоже поступает в наружное ядро.
Но это еще не конец. В жидком железе наружного ядра растворены разные легкие элементы – кремний, кислород и окиси разных веществ. Они не могут остаться в затвердевающем приграничном слое, потому что растворимость этих веществ в твердом железе много меньше, чем в жидком; поэтому в процессе непрерывного затвердевания происходит столь же непрерывное выделение легких элементов обратно в жидкое наружное ядро, и это выделение помогает жидкому железу наружного ядра оставаться в состоянии непрерывного движения, конвекции. Вот и выходит, что внутреннее ядро активно участвует в поддержании тех процессов, которые поддерживают непрерывное существование земного магнитного поля.
Ну, как оно участвует в движении континентальных плит по наружному слою мантии, говорить даже не стоит: для того, чтобы это движение происходило, мантия должна быть достаточно эластичной и вязкой, а для этого нужен непрерывный приток тепла. Конечно, часть тепла дает распад радиоактивных элементов (радия и т.п.), которые содержатся в земной коре; но примерно столько же приходит снизу, из наружного ядра, которое, как мы видели, в свою очередь, получает его из ядра внутреннего.
Невольно возникает мучительный вопрос: кто же это так заботливо снабдил нашу Землю таким замечательным внутренним ядром? Ответ очевиден: природа, вестимо. Заглянув в путеводитель, мы могли бы узнать, что ученые связывают появление этого ядра с т.н. «железной катастрофой». Ранняя Земля, которая сложилась путем соударений больших и малых кусков вещества, была, как считают, более или менее однородной, но затем тепло, выделяемое радиоактивными элементами, разогрело ее до расплавления, и тогда железо и никель, в силу своей тяжести, начали «тонуть» в расплаве. Погружаясь, они передавали свою потенциальную энергию окружающим силикатным породам, которые от этих ударов еще более расплавлялись и всплывали вверх. Так что процесс разогревания планеты как бы самоускорялся, пока не привел к образованию внутреннего железо-никелевого ядра, окруженного раскаленной мантией. И произошло это, по мнению ученых, примерно 4 млрд лет назад, т.е. через 500 млн лет после образования Земли.
Но тут я должен передать слово тем ученым, которых упомянул в начале заметки. Должен, потому что они, как говорили в Одессе, имеют что сказать. А говорят они следующее: если внутреннее ядро все эти миллиарды лет испускало наружу такой поток тепла, как сейчас (а на самом деле в былые времена, когда оно было горячее, оно должно было испускать больше), то первичного запаса тепла ему бы не хватило. Есть две возможности: либо у него есть какие-то дополнительные источники тепла, либо оно образовалось много позже.
Ученые из Оксфорда Вуд и Воллерс изучили первую возможность и пришли к выводу, что этим дополнительным источником могли быть какие-то запасы урана и тория, попавшие во внутреннее ядро. А попасть в него, по их мнению, они могли, если ранняя Земля испытала столкновение с куском вещества размером с планету Меркурий и таким же богатым серой, как Меркурий. Такой удар должен был привести к образованию большого количества сернистого железа, в котором хорошо растворяются радиоактивные уран и торий, и потому эти элементы ушли вместе с железом (и никелем) во внутреннее ядро. И вот с тех пор их распад добавляет ядру недостающую часть теплового потока.
Эта гипотеза кажется довольно правдоподобной, поскольку она попутно решает также другую загадку земных недр – необычное для тел Солнечной системы соотношение элементов неодимия и самария (оно объясняется здесь воздействием той же серы на эти элементы). Но вот что странно: соударение с телом размером с Меркурий не могло привести к образованию Луны; для этого, по расчетам, такое тело должно было иметь размеры Марса, - что же, Земля испытала целых два гигантских соударения? Какова вероятность двух таких случайностей подряд?
Второй упомянутый выше ученый, Эндрю Биггин из Ливерпуля, предпочел исследовать вторую возможность. Он исходил из того, что поначалу внутреннее ядро было таким же жидким, как наружное, но все время отдавало тепло и в какой-то момент затвердело. В этом момент оно выделило сразу много тепла и много легких элементов. И то, и другое резко усилило конвекцию в наружном ядре, и создаваемое им магнитное поле (которое раньше появлялось за счет других механизмов и было небольшим) резко увеличилось. Если найти в древних скалах намагниченные участки и определить с их помощью, когда произошел этот скачок, можно узнать, когда у Земли появилось ее нынешнее твердое внутреннее ядро. И проделав такие исследования, Биггин и его коллеги пришли к выводу, что это произошло около 1-1.5 млрд лет назад.
Чему верить? Этот спор пока не завершен, так что нам лучше, пожалуй, остановиться здесь и дать ученым время доспорить, а себе - слово вернуться к этой теме позже. А пока - все по местам, мы возвращаемся на поверхность! Скоро над нами опять появится звездное небо, но теперь мы уже будем знать, какой удивительный железный шар находится под нашими ногами.
Рафаил Нудельман
"Окна", 19.5.2016