Заблуждения из области точных наук

Заблуждения из области точных наук

Ядро Земли — твердое

Активное изучение структуры вещества Земли началось лишь с развитием геофизических методов исследования, в т. ч. и сейсмологического, суть которого заключается в изучении изменения скоростей распространения упругих колебаний или сейсмических волн в различных по структуре средах. Издавна было известно, что звуковая волна гораздо быстрее распространяется по плотным средствам, чем по воздуху, именно поэтому, приложив ухо к земле, можно было гораздо раньше услышать топот скачущей лошади. Этим же свойством обладают и сейсмические волны.

Недоступная для непосредственного анализа толща Земли (напомним, что даже самая глубокая скважина позволяет исследовать лишь тонкий слой коры) стала приоткрывать свои тайны только в XX в. Впервые регистрировать изменения скорости распространения колебаний стали сейсмологи во время землетрясений.

Так, хорватский исследователь Андрей Мохоровичич обнаружил, что на глубине порядка 50 км происходит резкое изменение скорости распространения сейсмических волн. Другие сейсмологи зарегистрировали аналогичные изменения во всех частях света. Полученные данные проанализировали и пришли к выводу, что Земля имеет неоднородную структуру и на глубине 50–55 км проходит граница между двумя ее слоями — корой и мантией (названная затем границей Мохоровичича).

Однако ждать землетрясений, вызываемых разного рода катаклизмами и войнами, чтобы провести исследования глубинных недр, было неудобно, поэтому со временем стали «пропускать» через землю искусственно созданные упругие колебания; предела распространения сейсмических волн практически не было, поэтому стало возможным суждение (правда, косвенное) о детальном строении нашей планеты. Упругая волна, пройдя через слои Земли, поменяв свою скорость распространения, возвращается в место наблюдения и фиксируется высокочувствительным сейсмографом.

С открытием экспериментальной возможности «пропускания» через Землю сейсмических волн появились десятки аналогичных исследований по всему миру. Спустя 5 лет с момента обнаружения «Мохи» американский геофизик Бено Гутенберг обнаружил увеличение скорости распространения сейсмических волн на глубине 2900 км. Новое открытие свидетельствовало о том, что в центре Земли под гигантским давлением находится вещество, плотность которого значительно меньше мантийной.

Более того, поперечные волны (особая разновидность волн, которые характеризуются колебаниями частиц среды, перпендикулярными к направлению распространения самой волны) на этом уровне полностью гасились, что в принципе возможно только при распространении колебаний в жидкости. Новое открытие было невероятным — в толще Земли находится жидкое ядро!

При дальнейшем исследовании оказалось, что и само ядро имеет неоднородную структуру, поскольку часть продольных волн (более быстро распространяющихся и не гасимых жидкостью, для которых характерно колебание частиц среды по направлению распространения волны) при прохождении ядра изменяет направление и увеличивает скорость прохождения.

Только через 15 лет было дано убедительное объяснение этому парадоксальному на первый взгляд факту. Датский сейсмолог Инга Леман предположила, что в жидком ядре находится еще одно — твердое, причем плотность его значительно превышает мантийную. Та часть волн, которая при своем распространении «пересекает» внутреннее твердое ядро, по логике вещей должна увеличивать скорость и отклоняться.

Так схематично можно представить глубинное строение нашей планеты

Дальнейшие геофизические исследования показали, что ядро обладает исключительно высокой электропроводностью, что свидетельствует либо о его металлизированном, либо плазменном состоянии. Каков же химический состав ядра Земли? Большинство ученых со времен Ньютона придерживались мнения, что ядро минимум наполовину должно состоять из железа.

Основой подобного убеждения были расчеты геохимиков, показавшие, что земля на треть состоит из железа, плотность же коры вдвое меньше плотности самой Земли, следовательно, как раз ядро могло восполнить образовавшийся в расчетах дефицит. Кроме того, все небесные тела, найденные учеными, имели преимущественно «железное» строение, а по мере увеличения глубины залегания пород в их структуре увеличивался процент содержания железа.

Приблизительно до 1960-х гг. научные споры не подвергали сомнению предположение Ньютона, лишь состав «примесей» в ядре не был, по мнению исследователей, однозначным. Никель, присутствовавший в веществе метеоритов, составил бы гораздо большую плотность ядра, нежели это высчитали сейсмологи. Вероятнее всего, это более легкий элемент, например сера или кремний, но не было способа доказать это.

В Институте физики высоких давлений АН СССР в 1963 г. был искусственно создан кварц, плотность которого была в 2 раза больше обычного. В структуре кристалла этого минерала атом кремния был окружен не 4, а 6 атомами кислорода. Давление, при котором был получен удивительный минерал, составляло 145 тыс. атм, что равно давлению на значительных глубинах мантийной оболочки. Значит, в недрах Земли под воздействием гигантских давлений и температур из силикатных горных пород (самых распространенных на нашей планете) могли появиться минералы, образованные оксидом кремния в значительно уплотненном варианте.

Итак, появилась идея, что ядро Земли — это скопление металлизированных уплотненных силикатов. Однако подобное строение исключало возможность перемещения мантийного вещества через всю толщу планеты и, следовательно, выхода магмы на поверхность, дрейфа континентов и пр.

Отечественный геофизик Сорохтин высказал совершенно иное предположение: основные элементы ядра Земли — это все-таки железо и кислород! Рассуждения его сводились к следующему. Если взять за основу силикатное строение мантийного вещества, то оно должно быть равномерным и утрамбованным, а не расслоенным. В таком случае все однотипные изверженные горные породы должны иметь одинаковый состав, чего нет в реальности. В более древних породах больше железа и немного меньше магния и кремния. Возникает вопрос: куда же делось недостающее железо? Самым вероятным, по мнению Сорохтина, было опущение железа к центру Земли, к ядру. Экспериментальные поиски «парного» железу элемента привели к нахождению кислорода. Железо в условиях высокого давления и температуры перестраивало свои электронные оболочки таким образом, что становилось одновалентным; для удержания в соединении атома кислорода нужны два атома одновалентного железа, полученный же оксид имеет как раз ту плотность, которая соответствовала плотности ядра по данным сейсмологов.

Теоретические рассуждения подтверждали правомерность существования этого предположения. В недрах Земли происходит образование уплотненных оксидов; на нижней границе мантии эти оксиды, в частности содержащие железо, плавятся, формируя жидкое наружное ядро с экспериментально определенной плотностью.

В ходе перегруппировки электронов на электронных орбиталях и появления оксидов с большей плотностью происходит высвобождение свободного кислорода, который начинает подниматься к поверхности, «встречается» с атомами железа и в составе вновь образовавшихся оксидов спускается до внешнего ядра. В ходе подобных миграций изменяется химическая активность железа, при давлениях и температуре внутреннего ядра оно перестает вступать в реакции с кислородом, выделяясь в чистом виде.

Подобная концепция очень убедительно объясняет наличие в центре Земли жидкого внешнего и твердого внутреннего ядер. Однако в настоящее время наукой не могут быть объективно доказаны или опровергнуты существующие представления о строении глубинных недр планеты.