Средняя плотность Меркурия выше, сущест
венно выше, чем плотность Земли. Луна имеет очень маленькое ядро. Но имеет
. Если Земля, я повторю, имеет радиус ядра 3.5 тысячи километров, то радиус лу
нного ядра на порядок меньше, то есть 300-400 километров. Но всё равно ядро есть
. Но Меркурий не имеет магнитного поля, Марс не имеет магнитного поля, или
точнее говорить Ц имеет очень-очень слабое магнитное поле.
А.Г. Луна не имеет магнитного поля.
О.К. Не имеет Ц что, вообще говоря, интересно. Спутник Юпитера
Ганимед, который в течение нескольких лет изучался миссией Галилео, при
очень маленькой средней плотности имеет огромное жидкое ядро и обладае
т огромным собственным магнитным моментом. И вообще никому в голову не п
риходило ещё несколько лет назад, что у Ганимеда есть ядро Ц железное яд
ро, железоникелевое ядро. И его стали сравнивать с Землёй. Земля имеет не п
росто ядро. Вот оно, внешнее ядро. И потом внутреннее ядро. И внешнее ядро ж
идкое Ц это доказано методом сейсмологии и лабораторными эксперимент
ами тоже. Почему оно жидкое? Потому что в жидкости модуль сдвига равен нул
ю. В сейсмологии изучаются как продольные волны, так и поперечные. Так вот
, внешнее ядро не пропускает поперечные волны. Значит эта среда жидкая. Та
к же, как жидкая вода тоже не пропускает поперечные волны.
Но чтобы образовалось магнитное поле (хотя это, так сказать, не наша пробл
ема), должно существовать ещё внутреннее ядро. И вот эти стрелочки олицет
воряют собой крупномасштабное движение во внешнем ядре. То, что называет
ся конвекцией.
Внешнее ядро образовалось, вероятно, очень быстро на ранней стадии аккре
ции Земли. И сейчас новейшие изотопные данные по изотопии таких элементо
в, как гафний и вольфрам, говорят, что это было катастрофическое событие, к
оторое потребовало (по геологическим меркам) ничтожного времени Ц 50 мил
лионов лет на фоне 4.5 миллиардов лет. Тогда образовалось ядро как таковое.
Может быть, оно сразу уже было жидким. Потому что температура плавления ж
елеза с примесями меньше, чем температура плавления силикатов.
А вот внутреннего ядра, может быть, и не было с самого начала. Земля немнож
ечко охлаждалась, поскольку всегда идёт вынос энергии. Хотя Земля Ц это
термостат, но поскольку существует конвекция (это очень эффективный спо
соб теплопередачи, отвода тепла), то жидкое ядро стало охлаждаться и кака
я-то часть его стала кристаллизоваться. И за значительно более длительн
ый период времени стало образовываться твёрдое ядро. Сейчас оно имеет ра
змеры весьма приличные Ц это тысяча с небольшим километров. Это твёрдое
ядро тоже не чисто железоникелевое. Там 2-3 процента каких-то дополнитель
ных 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 нап
исано «внешнее ядро» и мантией существует слой. Это так называемый слой
«Д два штриха», с которым связана масса всяких интереснейших идей. Этот с
лой здесь изображён такой достаточно тонкой пунктирной линией, но на сам
ом деле его мощность Ц это несколько сотен километров, 200, может быть, 300 кил
ометров. И он хорошо отбивается сейсмологическими методами, как граница
. Потому что плотность мантийного материала Ц 5.5 граммов на сантиметр куб
ический, а плотность на границе ядра и мантии, плотность ядра Ц 10, больше п
римерно в два раза. Поэтому сейсмология отлично ловит эту границу. И вот н
а этой границе (там изображён гипотетический начальный плюм) отделяется
вещество, которое, возможно, является поставщиком разного рода магматич
еских жидкостей. Правда, вообще очень плохо понятно как? Ведь мощность ма
нтии Ц 2890 километров. Представляете, этот плюм должен пройти такое гиган
тское расстояние. Как? Арнольд Арнольдович, к вам вопрос.
А.К. Конечно, представление о существовании плюмов частично б
азируется 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 моделир
уется теоретически. В общем, возможность подъёма горячей струи существу
ет. И потом это выражается в виде вулканической активности, потому что ве
щество плюма плавится, и многие горячие точки на дне океана связаны с так
ими плюмами, по-видимому. Ну, есть и специфика составов магм в этом случае,
больше летучих компонентов в них оказываются. Но надо сказать, что, в обще
м, 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 к
ак раз сейчас хочу это сказать, как нам быть? Дело в том, что есть одна пробл
ема, которая нам не позволяет до конца понять, как формировалось ядро. Это
действительно треть Земли по массе. В чём заключается проблема? Есть эле
менты называемые «сидерафильными элементами», которые любят металл. Ес
ли вы приведёте металл в контакт с силикатом, то они предпочтут идти в мет
алл. Это элементы группы железа: кобальт, никель, само железо. Такими же св
ойствами обладают платиноиды: платина, палладий, иридий, осьмий. Но вот, ок
азывается, что содержание этих элементов в породах, доступных нам, это в в
ерхних оболочках, таково, что этих элементов слишком много для того, чтоб
ы 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 сформу
лировал эту проблему избытка сидерафильных элементов. И мы до сих пор не
можем выйти из этой ситуации. Конечно, для того чтобы понять, как действуе
т температура на коэффициент распределения сидерафильных элементов ме
жду металлом и силикатом, как действует летучесть кислорода, как действу
ет давление, было сделано много экспериментов. Была идея, что в верхней об
олочке Земли давление всё-таки не очень высокое, а там, где давление милли
оны атмосфер, может быть, эти коэффициенты распределения изменились. Мно
го сделано экспериментов.
О.К. При очень высоких давлениях были сделаны такие экспериме
нты?
А.К. При самых высоких не было, ну, сотни килобар. И вроде бы иног
да можно видеть, что сидерафильность теряется несколько. Но всё-таки так
ого фактора, который бы привёл металл в равновесие, не найдено до сих пор.
И тогда встаёт проблема: как возникает ядро? Мгновенно ли отделилось, ран
ьше ли отделилось, чем силикат?
А.Г. Практически возникает противоречие.
А.К. Да, противоречие. И, кроме того, кроме гипотезы о формирова
нии ядра за короткое время, многие начинают говорить о том, что ядро форми
ровалось более постепенно и даже испытало какое-то изменение внутренне
й динамики приблизительно около двух с половиной миллиардов лет тому на
зад. И изменение этой внутренней динамики привело к тому, что возникли до
полнительные факторы химической дифференциации, поступления вещества
в верхние слои. Вот как всё-таки здесь нам быть, как разобраться с этим? С си
дерафильными элементами и с тем, может быть, ядро развивалось более пост
епенно.
О.К. Когда я начал заниматься этой проблемой (это было уже дово
льно 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 Энцикл
опедии, полярного исследователя, основателя Института физики Земли. Дел
о в том, что этой проблемой много людей занималось: занимались философы
Ц Кант, занимались физики Ц Лаплас. Существует знаменитая гипотеза Кан
та-Лапласа о происхождении Солнечной системы и Земли. Но это было очень д
алеко.
Шмидт 50 лет тому назад, вообще говоря, сделал резкое продвижение в пониман
ии происхождения планет. Я уже коротко сказал о предположениях о том, что
Земля сформировалась как однородное тело, гомогенная аккумуляция, или г
омогенная аккреция. То есть и частицы железа, и частицы силиката, хаотиче
ски сталкиваясь друг с другом в этом допланетном облаке, сформировали ша
р, однородный по составу. Потом, как и было сказано, за время порядка неско
льких первых миллиардов лет, железо просто в силу законов Архимеда и в си
лу разогрева стекало вниз. Но это не нравилось многим геофизикам. И тогда
была предложена другая гипотеза, тоже очень красивая, она стала называть
ся гипотезой неоднородной аккреции, гетерогенной аккреции.
Суть её понять очень легко Ц сначала образовалось ядро. Железо пластичн
о, и эти маленькие железные частички, сталкиваясь друг с другом, образова
ли огромное ядро, и на него уже стала налипать силикатная мантия. И это воо
бще было простое объяснение. Тогда не нужно было, чтобы частицы железа в г
отовой земле с поверхности прошли 3 тысячи километров и осели бы в центр. Э
то вообще до сих пор непонятно. Это толком не поддаётся ни моделированию,
ни эксперименту, ни теории.
А.К. Это проблема, конечно.
А.Г. А как тогда возникло жидкое ядро?
О.К. И всё-таки от гетерогенной аккреции отказались. И снова пр
ишли к выводу о том, о чём я уже упомянул, что всё-таки тела росли однородны
м образом. То есть однородным в том смысле, что железо и силикаты были пере
мешаны хаотически… Вот метеориты Ц это же разные тела, да? Есть хондриты,
есть железные метеориты.
А.Г. Железных меньше.
О.К. Меньше, да. Есть ахондриты. То есть существует довольно бол
ьшое количество метеоритов, каждый из них Ц это индивидуальное тело, он
о неповторимо. И те люди, которые занимаются космохимией, теоретики, они з
нают, что каждый метеорит Ц это целый мир. Есть брекчи, есть вообще очень
сложные метеориты, которые невозможно объяснить с точки зрения баланса
кислорода.
Но все они в каком-то динамическом образовании: 4 с половиной миллиарда ле
т назад всё-таки образовали Землю, но прото-Землю. И на эту прото-Землю вып
адали остатки больших тел из роя, они пробивали эту землю, пробивали очен
ь сильно, разогревали её, и ядро стекало.
Арнольд Арнольдович, в нашем же институте вы участвуете в экспериментах
как раз по проницаемости железных частиц. Может быть, об этом надо расска
зать? Это один из механизмов формирования ядра, не только на первой стади
и Ц пробивания, но и на последующей стадии.
А.К. Формирование ядра действительно ставит проблемы, которы
е мы не можем понять. Первое Ц это противоречие с избыточными сидерафил
ьными элементами, и в экспериментах, хотя и сделанных при высоких давлен
иях, мы не нашли решения. Это первая проблема. Вторая проблема. Если была г
омогенная аккреция, были частицы металла между силикатными компонента
ми, между кристаллами, то вопрос, как они потом сумели сесть?
О.К. Как они сумели через эту толщу пройти?
А.К. Вы знаете, конечно, проблему пытаются решать, но всё-таки п
олной ясности нет. Конечно, это будет не частица металла, а будет огромный
шар, и по закону Архимеда (есть расчёты, модели такие очень ранние) такой ш
ар, в конце концов, может провалиться. Но это должны быть очень большие тел
а. И трудно представить, как они образовались. Скорее всего, какой-то был м
еталл неизвестного размера, скажем, километровые шары. Вы знаете, мы до си
х пор не имеем решения. Но эксперименты по проницаемости кристаллическо
й массы жидким металлом, которые были сделаны…
О.К. В центрифуге, да?
А.К. Да. Они показывают, что металл не садится. В нашем институт
е мы вместе с доктором Лебедевым делали эксперимент с использованием це
нтрифуг. Дело в том, что мы таким способом пытались ускорить процесс. Есть
процессы, где скорость будет очень медленная, и, чтобы увидеть этот проце
сс, вам, может быть, надо ждать 5 лет. А с центрифугой, с применением теории п
одобия, мы можем этот процесс ускорить. Мы изучали проницаемость для слу
чая частично расплавленной мантии. Жидкость должна способствовать, по н
ашим представлениям, проницаемости силикатной каркаса, должна способс
твовать осаждению этих частиц.
О.К. Вот это железо не смешивается с силикатной жидкостью?
А.К. Да, не смешивается.
А.Г. А жидкость тоже находится в движении?
А.К. Конечно, и это ещё более усложняет…
О.К. Жидкость в жидкости получается, да?
А.К. Да. Понимаете, металл, он антагонист к силикатам, он соверш
енно не смачивается, он как ртуть. И, хотя есть каналы, это не даёт возможно
сти ему проникнуть через эту матрицу.
И делались эксперименты при высоких давлениях без центрифуг, тоже пытал
ись мерить, как металл смачивает при движении кристаллы. Но тоже приходи
тся делать вывод, что когда частично расплавленный материал мантии… Поч
ему мы рассматриваем частично расплавленный материал? Потому что полно
го плавления, по всем нашим химическим данным не могло быть, ну, 10 проценто
в, 5 процентов, а при такой степени плавления металл не садится. И это до сих
пор тоже остаётся вопросом.
Но ясно совершенно, что всё-таки должен быть расплав, должна появиться см
азка для металла для того, чтобы он туда проник. Какая гипотеза обсуждает
ся? Обсуждается гипотеза такая. Мы начали говорить об океане. Это тоже гип
отеза, в значительной степени все признают такое раннее плавление, когда
мантия была частично расплавлена на глубину, скажем, 300 километров, может,
больше даже. Ищут выход из такого положения. Когда было много расплава, не
10 процентов, а больше, металл тогда может сесть…
О.К. А в нижней мантии?
А.К. Я просто говорю, в чём противоречие. Он мог накопиться на д
не.
А.Г. То есть это должен был быть тогда пояс такой…
А.К. Да. Но он может накопиться на дне и создать слой, неустойчи
вый с механической точки зрения.
О.К. И тогда происходит переворот.
А.К. Да, переворот. Для Луны такая же обсуждается проблема, там
такая же задача…
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35