Елена Гороховская - Концепции современного естествознания. Часть 2. Биология и геология

В соответствии с современными представлениями Земля сформировалась в результате аккреции (процесса падения различных фрагментов вещества в направлении центра тяжести образующейся планеты, ср. п. 6.3 Части 1) газово-пылевых частиц протопланетного облака (модель «холодного» происхождения Земли, первый вариант которой принадлежит Лапласу). В результате этого постепенно увеличивалась её масса и росла сила тяготения, а следовательно, и скорости частиц и космических тел, падавших на формировавшуюся планету. Кинетическая энергия частиц и тел превращалась в тепло, и Земля всё сильнее разогревалась. Чем крупнее были падавшие тела, тем сильнее они нагревали Землю в эпоху великой бомбардировки (около 4 млрд. лет назад), когда Земля, как и Луна, подвергалась ударам довольно многочисленных и очень крупных (сотни километров в поперечнике) метеоритов. На Луне и сегодня можно увидеть свидетельства метеоритной бомбардировки – многочисленные кратеры и моря (области, заполненные излившейся магмой). На нашей планете активные тектонические процессы и воздействие атмосферы и гидросферы практически стёрли следы этого. Энергия удара этих метеоритов освобождалась не на поверхности, а на глубине, равной примерно двум поперечникам внедрившегося тела, т.е. эта энергия выделялась в слое толщиной порядка 1000 км. Этот механизм образовал первый гравитационный источник нагревания Земли.

Энергия, выделявшаяся в ударных процессах в период аккреции планет, была, вероятно, достаточна для частичного проплавления планеты. Поскольку температура плавления железа и его сплавов ниже, чем силикатов, тяжелый расплавленный металл мог отделяться от окружающего материала и опускаться к центру планеты, формируя ядро. При этом потенциальная гравитационная энергия преобразовывалась в тепловую 2 2 На самом деле этот процесс не столь гладок и перемежается катастрофическими событиями [Геология… с. 46, 49]. . Этот механизм « гравитационной дифференциации недр » образовал второй гравитационный источник нагревания Земли, который сегодня является главным. Суть его состоит в следующем.

В начальной стадии образования Земли «тяжелые» и «легкие» элементы и их соединения были перемешаны. Рассчитывая тепловой баланс Земли за всю ее историю, геофизики пришли к выводу, что наша планета никогда не была полностью расплавленной и на протяжении всей своей истории представляла собой твердое тело. Но при характерных временах в сотни миллионов лет Земля ведет себя как вязкая жидкость (этим объясняется и ее форма: «эллипсоид с чуть выпяченным Северным полюсом и чуть вдавленным Южным – идеально соответствует той, что должна принимать жидкость в состоянии равновесия»). И в этой вязкой жидкости постепенно тяжелые элементы (в первую очередь железо) опускаются к центру Земли, а легкие поднимаются на поверхность. Выделяющаяся при этом гравитационная энергия (типа энергии падающего тяжелого тела) по расчетам геофизиков составляет «чудовищную величину 4•10 30калорий (или 10 30Дж. – А.Л.) (что эквивалентно триллиону суммарных ядерных боезапасов всех стран мира)… В толще этой «жидкости» постоянно происходят чрезвычайно медленные, но немыслимо мощные движения колоссальных масс вещества, с которыми связаны вулканизм, горообразование, горизонтальные перемещения континентов и т. д… Источником энергии для всех этих процессов является в конечном счете… гравитационная дифференциация вещества в недрах планеты. Соответственно, когда этот процесс завершится полностью, наша планета станет геологически неактивной, «мертвой» – подобно Луне. Согласно расчетам геофизиков, к настоящему моменту уже 85 % имеющегося на Земле железа опустилось в ее ядро, а на «оседание» оставшихся 15 % потребуется еще около 1,5 млрд. лет» [Еськов, с. 30— 31]

Еще одним источником внутренней тепловой энергии является радиогенное тепло, связанное с распадом радиоактивных долгоживущих элементов 238U, 235U, 232Th, 40K, 87Rb (по современным оценкам он дает не более 15 % энергии разогрева). Периоды полураспада этих изотопов соизмеримы с возрастом Земли, поэтому до сих пор они остаются важным источником тепловой энергии. В начальные этапы развития Земли могли быть поставщиками тепла и короткоживущие радиоактивные изотопы, такие, как 26Al, 38Cl и др.

Дополнительным источником внутреннего тепла может быть приливное трение, возникающее при замедлении вращения Земли из-за приливного взаимодействия с Луной и в меньшей степени с Солнцем.

Внутреннее строение Земли, как и других планет солнечной системы, представляет собой последовательность сферических слоев или геосфер (рис. 12.1). Сферическая форма является следствием действия гравитационных сил, которые в достаточно массивных космических телах являются определяющими. Поэтому астероиды могут иметь любую форму, а планеты – только сферическую (при характерных временах порядка сотен миллионов лет граниты, базальты и прочие твердые породы под действием колоссальных сил гравитации во многих отношениях ведут себя как вязкие жидкости).

Формирование различных внутренних геосфер происходит в результате указанной выше гравитационной дифференциации недр планеты, которые оказываются разделенными на три основных слоя: «тяжелый» (ядро), «промежуточный» (мантия) и «легкий» (кора). Средняя плотность земной коры в целом – 2,8 г/см 3 (при этом средняя плотность трех основных составляющих ее слоев: осадочного – 2,4–2,5 г/см 3, «гранитного» – 2,7 г/см 3, «базальтового» – 2,9 г/см 3 ). На границе земной коры и мантии (поверхность Мохоровичича) плотность увеличивается скачком от значений 2,9– 3,0 г/см 3до 3,1–3,5 г/см 3. Далее она плавно растет, достигая у границы ядра 5,6 г/см 3. В ядре плотность скачком поднимается до 10,0 г/см 3, а далее плавно возрастает до 12,5 г/см 3в центре Земли [Люстих].

«Уже в 1896 г. Е. Вихертом на основе данных по каменным и железным метеоритам было высказано предположение, что Земля состоит из внешней оболочки (мантии), окружающей более плотное металлическое ядро. В 1906 г. Р. Олдхэм привел первое сейсмологическое доказательство существования центрального ядра и дал грубую оценку его радиуса ~ 1600 км. Позднее крупнейшие геофизики ХХ в. Б. Гутенберг и Х. Джеффрис подтвердили наличие центрального ядра и довольно точно оценили его размеры. По современным геофизическим данным радиус ядра Земли оценивается равным 3480— 3485 км… Было установлено, что на границе между мантией и ядром происходит скачкообразное увеличение плотности (с 5.55 до 9.9 г/см 3), сопровождающееся резким уменьшением скорости распространения продольных волн (с 13.7 км/с в подошве мантии до 8 км/с в кровле ядра), и показано, что эта поверхность раздела не пропускает поперечные волны. По этой причине внешнее ядро считается жидким» [Кадик, Кусков].