На суше и на море - 1964

Химический состав мантии плохо известен; возможно, что с глубиной доля тяжелых элементов, прежде всего железа, возрастает. Исходя из этого, в XIX веке высокую плотность ядра стали объяснять тем, что оно состоит из металлов. В то время в науке о происхождении планет Солнечной системы господствовала гипотеза Канта — Лапласа, согласно которой Земля была вначале огненно-жидкой, а потом постепенно остыла. Казалось вполне естественным, что в жидкой Земле тяжелые элементы «стекли» к центру, а более легкие были вытеснены к поверхности. В пользу существования железо-никелевого ядра говорит как будто бы и магнитное поле Земли, связываемое с намагниченностью металлического ядра.

В 1839 году русский минералог Д. Соколов писал: «…Земля наша представляет шарообразное тело, состоящее из твердой скорлупы и огненно-жидкого ядра… в расплавленной внутренности земного шара минералы расположены по относительному весу так, что в самой внутренности его заключаются металлы, а вокруг них камни… в ярусе металлов главную роль играет железо… Внутренность земного шара представляет по этим соображениям как бы горн плавильной печи, в котором нижнюю часть занимают всегда металлы, а верхнюю шлаки».

Когда в науке возобладала гипотеза о происхождении Земли из холодной газо-пылевой туманности с последующим разогревом, то образование ядра стали объяснять разделением вещества по тяжести: сильно нагретое вещество со временем приобрело свойство пластичности, тяжелые глыбы стали опускаться к центру и образовали металлическое ядро; вокруг расположились легкие массы, из которых сложились мантия и земная кора.

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

Не хватит и миллиардов лет…

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.

Горячий лед

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.