Александр Гордон - Диалоги (апрель 2003 г.)

Но чтобы образовалось магнитное поле (хотя это, так сказать, не наша проблема), должно существовать ещё внутреннее ядро. И вот эти стрелочки олицетворяют собой крупномасштабное движение во внешнем ядре. То, что называется конвекцией.

Внешнее ядро образовалось, вероятно, очень быстро на ранней стадии аккреции Земли. И сейчас новейшие изотопные данные по изотопии таких элементов, как гафний и вольфрам, говорят, что это было катастрофическое событие, которое потребовало (по геологическим меркам) ничтожного времени – 50 миллионов лет на фоне 4.5 миллиардов лет. Тогда образовалось ядро как таковое. Может быть, оно сразу уже было жидким. Потому что температура плавления железа с примесями меньше, чем температура плавления силикатов.

А вот внутреннего ядра, может быть, и не было с самого начала. Земля немножечко охлаждалась, поскольку всегда идёт вынос энергии. Хотя Земля – это термостат, но поскольку существует конвекция (это очень эффективный способ теплопередачи, отвода тепла), то жидкое ядро стало охлаждаться и какая-то часть его стала кристаллизоваться. И за значительно более длительный период времени стало образовываться твёрдое ядро. Сейчас оно имеет размеры весьма приличные – это тысяча с небольшим километров. Это твёрдое ядро тоже не чисто железоникелевое. Там 2-3 процента каких-то дополнительных элемента, вот опять же типа серы.

И твёрдое ядро кристаллизуется и увеличивается в размерах, а жидкое ядро немножко уменьшается в размерах. Но на границе между этим овалом, где написано «внешнее ядро» и мантией существует слой. Это так называемый слой «Д два штриха», с которым связана масса всяких интереснейших идей. Этот слой здесь изображён такой достаточно тонкой пунктирной линией, но на самом деле его мощность – это несколько сотен километров, 200, может быть, 300 километров. И он хорошо отбивается сейсмологическими методами, как граница. Потому что плотность мантийного материала – 5.5 граммов на сантиметр кубический, а плотность на границе ядра и мантии, плотность ядра – 10, больше примерно в два раза. Поэтому сейсмология отлично ловит эту границу. И вот на этой границе (там изображён гипотетический начальный плюм) отделяется вещество, которое, возможно, является поставщиком разного рода магматических жидкостей. Правда, вообще очень плохо понятно как? Ведь мощность мантии – 2890 километров. Представляете, этот плюм должен пройти такое гигантское расстояние. Как? Арнольд Арнольдович, к вам вопрос.

А.К.Конечно, представление о существовании плюмов частично базируется и на геофизических данных, на изменении физических свойств, и по сейсмике прослеживается эта струя до существенных глубин. Иногда и до границы с ядром, но иногда нет. Это чисто динамический процесс, он моделируется теоретически. В общем, возможность подъёма горячей струи существует. И потом это выражается в виде вулканической активности, потому что вещество плюма плавится, и многие горячие точки на дне океана связаны с такими плюмами, по-видимому. Ну, есть и специфика составов магм в этом случае, больше летучих компонентов в них оказываются. Но надо сказать, что, в общем, эта проблема имеет много загадок, конечно, включая и динамику.

Но вот что ещё прямо связанное с ядром я хотел бы обсудить. Как нам быть? Я как раз сейчас хочу это сказать, как нам быть? Дело в том, что есть одна проблема, которая нам не позволяет до конца понять, как формировалось ядро. Это действительно треть Земли по массе. В чём заключается проблема? Есть элементы называемые «сидерафильными элементами», которые любят металл. Если вы приведёте металл в контакт с силикатом, то они предпочтут идти в металл. Это элементы группы железа: кобальт, никель, само железо. Такими же свойствами обладают платиноиды: платина, палладий, иридий, осьмий. Но вот, оказывается, что содержание этих элементов в породах, доступных нам, это в верхних оболочках, таково, что этих элементов слишком много для того, чтобы эти породы были в равновесии с металлом.

О.К.Это вопрос, почему они не ушли в ядро?

А.К.Ещё Рингвуд, знаменитый биохимик, где-то в 65-ом году сформулировал эту проблему избытка сидерафильных элементов. И мы до сих пор не можем выйти из этой ситуации. Конечно, для того чтобы понять, как действует температура на коэффициент распределения сидерафильных элементов между металлом и силикатом, как действует летучесть кислорода, как действует давление, было сделано много экспериментов. Была идея, что в верхней оболочке Земли давление всё-таки не очень высокое, а там, где давление миллионы атмосфер, может быть, эти коэффициенты распределения изменились. Много сделано экспериментов.

О.К.При очень высоких давлениях были сделаны такие эксперименты?

А.К.При самых высоких не было, ну, сотни килобар. И вроде бы иногда можно видеть, что сидерафильность теряется несколько. Но всё-таки такого фактора, который бы привёл металл в равновесие, не найдено до сих пор. И тогда встаёт проблема: как возникает ядро? Мгновенно ли отделилось, раньше ли отделилось, чем силикат?

А.Г.Практически возникает противоречие.

А.К.Да, противоречие. И, кроме того, кроме гипотезы о формировании ядра за короткое время, многие начинают говорить о том, что ядро формировалось более постепенно и даже испытало какое-то изменение внутренней динамики приблизительно около двух с половиной миллиардов лет тому назад. И изменение этой внутренней динамики привело к тому, что возникли дополнительные факторы химической дифференциации, поступления вещества в верхние слои. Вот как всё-таки здесь нам быть, как разобраться с этим? С сидерафильными элементами и с тем, может быть, ядро развивалось более постепенно.

О.К.Когда я начал заниматься этой проблемой (это было уже довольно давно, где-то 30 с лишним лет тому назад), этот вопрос стоял так же остро, как и сейчас.

Вообще говоря, тут, может быть, мы сделали некую методологическую ошибку. Надо было упомянуть имя Отто Юльевича Шмидта, главного редактора Энциклопедии, полярного исследователя, основателя Института физики Земли. Дело в том, что этой проблемой много людей занималось: занимались философы – Кант, занимались физики – Лаплас. Существует знаменитая гипотеза Канта-Лапласа о происхождении Солнечной системы и Земли. Но это было очень далеко.

Шмидт 50 лет тому назад, вообще говоря, сделал резкое продвижение в понимании происхождения планет. Я уже коротко сказал о предположениях о том, что Земля сформировалась как однородное тело, гомогенная аккумуляция, или гомогенная аккреция. То есть и частицы железа, и частицы силиката, хаотически сталкиваясь друг с другом в этом допланетном облаке, сформировали шар, однородный по составу. Потом, как и было сказано, за время порядка нескольких первых миллиардов лет, железо просто в силу законов Архимеда и в силу разогрева стекало вниз. Но это не нравилось многим геофизикам. И тогда была предложена другая гипотеза, тоже очень красивая, она стала называться гипотезой неоднородной аккреции, гетерогенной аккреции.