На суше и на море - 1964

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.

Планета сжалась

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.

Образование ядра — согласно этой гипотезе — не связано с завершением разделения вещества по тяжести: перемещение вещества продолжается, а ядро существует независимо от этого процесса. Понятной становится и резкая граница между мантией и ядром: фазовый переход происходит сразу же после достижения критического давления. Граница проходит везде на одной и той же глубине потому, что давление поднимается до критического уровня в любой точке на одном и том же расстоянии (2900 километров) от поверхности.

Получает объяснение и разница в строении планет Солнечной системы. Венера имеет тяжелое ядро потому, что масса ее близка к массе Земли, и давление в недрах Венеры достаточно для уплотнения вещества и образования ядра. У Марса же и Луны тяжелых ядер нет, ибо массы этих небесных тел меньше, чем Земли и Венеры, и давление в их недрах недостаточно для фазового перехода.

Гипотеза Лодочникова — Рамзея, удовлетворительно объясняя многое во внутреннем строении Земли, получила широкое распространение, хотя некоторые ученые остаются сторонниками идеи железного ядра.

Исследования продолжаются

Несколько лет назад советский ученый Л. В. Альтшуллер и его сотрудники проводили в лаборатории опыты по ударному сжатию оливина. Они установили, что при давлении 1,4 миллиона атмосфер скачка плотности в оливине не происходит.