В Глухов - На суше и на море

Долгое время гипотеза железного ядра сомнений не вызывала. Но постепенно накапливались факты, заставившие ученых задуматься.

Для глубоких недр нашей планеты характерно непрерывное перемещение вещества. В течение миллиардов лет тяжелые глыбы опускаются к центру земного шара, более легкие выдавливаются к поверхности. «Однако, — пишет советский астроном Б. Ю. Левин, — вязкость недр столь велика, что даже огромные железные включения (поперечником в десятки и сотни метров) должны „тонуть“ с ничтожно малой скоростью и не могли бы даже за миллиарды лет существования Земли опуститься к центру и образовать ядро».

Вязкость вещества растет с давлением. При увеличении давления от 1 до 12 тысяч атмосфер вязкость ртути, например, повышается на 30 процентов, воды — в два, а метилового спирта — в десять раз. Это при 12 тысячах атмосфер; насколько же возрастает вязкость при давлениях в сотни тысяч и миллионы атмосфер?!

То, что говорилось о медленности перемещения вещества, относится к мантии и в меньшей степени к внешнему ядру; говорить же о разделении вещества по тяжести во внутреннем ядре не имеет смысла, так как там сила тяжести близка к нулю. Это первое, что заставляет сомневаться в существовании ядра, состоящего из металлов. Второе сомнение возникает, когда мы начинаем внимательно присматриваться к границе, разделяющей ядро и мантию.

Эта граница — судя по сейсмическим волнам — очень четкая. Такая граница может быть только в том случае, если разделение вещества по тяжести уже закончилось. Но ведь оно продолжается! Об этом говорят землетрясения, извержения вулканов, горообразование… Если же разделение вещества по тяжести не закончилось, то не может быть четко выраженной границы между ядром и мантией. А раз она есть и везде к тому же проходит на одинаковом расстоянии от поверхности, значит, разделение вещества по тяжести и образование границы, проходящей на глубине 2900 километров, не связаны друг с другом.

Странно и то, что у более крупных планет — у Земли и Венеры — тяжелые ядра есть, а у менее значительных — Марса и Луны — их нет. Получается, что на одних планетах тяжелых металлов почему-то много, а на других мало…

Все эти неувязки привели к тому, что еще перед второй мировой войной мысль о существовании ядра, состоящего из металлов, была подвергнута критике. Но, прежде чем говорить о ней, несколько слов необходимо сказать об изменении свойств веществ под сверхвысоким давлением: иначе новая гипотеза будет непонятна.

В настоящее время в лабораториях получают давления до 500 тысяч атмосфер. Это давления, действующие на вещество в течение длительного времени; давления же, получаемые на какое-то мгновение при ударном сжатии (при взрывах), превышают 3,5 миллиона атмосфер. Так вот, оказалось, что свойства веществ, подвергнутых высокому давлению, сильно изменяются. Стали и сплавы делаются прочнее, металл приобретает свойства жидкости. При давлениях 10–20 тысяч атмосфер мрамор, известняк и даже такие хрупкие породы, как гранит и диабаз, становятся пластичными и приобретают форму того сосуда, в котором они находятся.

Разновидность льда, полученная при давлении 40 тысяч атмосфер, плавится лишь при температуре 109°. Какой парадокс: лед, о котором недаром говорят «холодный как лед», тут настолько горяч, что до него нельзя дотронуться рукой. Горячий, но не тает! В Институте физики высоких давлений Академии наук СССР удалось — при давлении 200 тысяч атмосфер и температуре 1500° — получить новую разновидность кварца, которая на 64 процента плотнее обычного; по твердости полученный кварц почти равен корунду. При помощи высоких давлений из графита теперь получают алмазы.

Под воздействием большого давления неметаллы могут приобретать некоторые свойства металлов: например, высокую теплопроводность и электропроводность. Так, у фосфора под сильным давлением резко возрастают плотность и электропроводность. По теоретическим расчетам, при давлениях порядка 2 миллиона атмосфер водород перейдет в металлическое состояние.

Эти факты говорят о том, что по мере нарастания давления и температуры в недрах Земли в какой-то степени должны меняться и свойства вещества. Это и навело на мысль, что причиной высокой плотности ядра может быть не его металлический состав, а переход в нем вещества в так называемое металлическое состояние.

В 1939 году профессор Ленинградского горного института В. Н. Лодочников выдвинул гипотезу, по-новому объясняющую высокую плотность земного ядра. На глубине 2900 километров, писал он, давление достигает 1,4 миллиона атмосфер. При таком давлении электронные оболочки атомов разрушаются, ядра атомов сближаются, что и ведет к скачкообразному возрастанию плотности вещества. По химическому же составу ядро не отличается существенно от мантии.

В 1948 году, видимо независимо от Лодочникова, английский ученый В. Рамзей разработал гипотезу о переходе вещества в земном ядре в металлическое состояние в результате воздействия колоссального давления. На границе мантии и ядра, считает Рамзей, давление приводит к частичному разрушению электронных оболочек атомов. Отрыв электронов облегчает процессы сжатия и уплотнения вещества, которое получает при этом новые свойства: по твердости оно становится похожим на жидкость, а по электропроводности — на металл. Это свойство придают веществу электроны, «высвободившиеся» при разрушении оболочки атомов. Рамзей полагает, что вещество земного ядра напоминает металлическое состояние оливина — минерала, богатого железом и магнием и широко распространенного в мантии.

Согласно гипотезе Лодочникова — Рамзея Земля вначале не имела ядра, так как в ее недрах давление было относительно невелико. По мере того как масса планеты увеличивалась, возрастало и давление в недрах. Около пяти миллиардов лет назад масса Земли достигала 0,8 современной, давление в недрах поднялось до 1,4 миллиона атмосфер. И тогда произошла небывалая геологическая катастрофа. Наша планета буквально сжалась, уменьшилась в объеме, ее радиус сократился на 100 километров. Это случилось из-за уплотнения вещества, образовавшего ядро в центральной части Земли. За несколько часов плотность ядра увеличилась примерно вдвое, а объем его уменьшился…

Гипотеза Лодочникова — Рамзея устраняет трудности, связанные с разделением вещества по тяжести, объясняет скачок плотности на границе мантии и ядра. Изменение свойств на границе внутреннего ядра — это, видимо, результат следующего фазового перехода. Ядро, не являясь металлическим по химическому составу, обладает теми же свойствами, как и ядро, состоящее из металлов.