Планета Земля. Познакомьтесь с миром, который мы называем домом

Проблема заключается в способе распространения тепла. Для существования конвекции необходима разность температур: в кастрюле с кипящей водой у дна жидкость горячее, чем в верхнем слое. Это может происходить только потому, что вода является плохим проводником тепла. Хорошие проводники тепла быстро выравнивают температуру и останавливают конвекцию. И здесь тоже есть загвоздка: накапливается все больше и больше фактов, которые свидетельствуют о том, что ядро является более хорошим проводником тепла, чем мы изначально думали.

Рис. 3.3. Полярные сияния – самое очевидное и прекрасное доказательство существования магнитного поля Земли.

В 2012 году независимо друг от друга были построены две компьютерные модели, которые показали, что теплопроводность жидкого ядра должна быть в два раза больше той, которую приписывали ему ранее. В 2016 году группа ученых во главе с Кей Хиросе из Токийского технологического института (Япония) измерила теплопроводность железа под давлением, сравнимым с тем, что должно быть в ядре. Данные измерений совпали с результатами двух компьютерных моделей и указали на то, что магнитное поле Земли могло появиться только при первом затвердевании ядра 1,5 миллиарда лет назад.

Но это противоречит данным наблюдений. Мы знаем, что магнитное поле Земли существовало задолго до этого времени, потому что его присутствие зафиксировано в древних вулканических породах: когда расплавленная порода затвердевает, содержащиеся в ней магнитные минералы выравниваются вдоль магнитного поля Земли (см. главу 4). Геологические доказательства неопровержимы: возраст этих доисторических компасов в породах составляет как минимум 3,45 миллиарда лет. Остается значительный пробел во времени, когда ни тепловая, ни композиционная конвекции не могли поддерживать динамо-эффект. Тогда что же его поддерживало?

Третья возможность

Дэвид Стивенсон из Калифорнийского технологического института и некоторые другие исследователи придерживаются иного взгляда на модель магнитного поля Земли. Они считают, что главную роль играет третья форма конвекции, которая не зависит от активности вокруг внутреннего ядра, а определяется событиями, происходящими на внешней границе жидкого ядра. По мере его охлаждения более легкие элементы, растворенные в жидком железе, будут выделяться и поглощаться мантией. Оставшаяся более плотная жидкость будет затем тонуть, запуская конвекцию.

В настоящее время проводится работа по выявлению основного зачинщика этого процесса – основными подозреваемыми являются магний или кремний. Магний почти не растворяется в железе и поэтому легко выпадает в осадок. Для того чтобы он растворился, требуется очень высокая температура. Такая температура предположительно существовала при яростных столкновениях тел и частиц во время образования Земли.

Кремния в природе больше; не исключено, что он преобладает и в глубине планеты. Эксперименты группы Хиросе показали, что диоксид кремния легко кристаллизуется в ядре – для этого не нужны никакие внешние процессы. Хиросе считает, что диоксид кремния является наиболее вероятной движущей силой этой новой формы конвекции.

Некоторые исследователи даже предположили, что конвекция вообще не может быть ответственной за динамо-эффект. Они думают, что расплавленное железо приводится в движение толчками, возникающими при «пошатывании» Земли во время вращения. Но эти идеи можно рассматривать скорее как курьезные отклонения от основного круга гипотез.

Вероятно, для объяснения динамо-эффекта придется привлекать новую форму конвекции, которая работает глубоко внутри Земли. Хотя может ли она до конца разрешить магнитный парадокс, остается неясно. К счастью, нам не придется долго ждать ответа – это очень динамично развивающаяся область науки.

Свободный мягкий жизненный покров

Погрузившись глубоко во внутренние слои планеты, мы упустили слой, о котором, однако, нельзя не упомянуть. Мы видим этот слой каждый день, но воспринимаем его как должное и не ценим в достаточной степени, если не являемся фермерами или садоводами. Но без педосферы – почвенного покрова – большинство растений не смогло бы выжить и пищевая цепь, которая поддерживает большинство животных, включая нас, была бы перерезана уже у самого основания. Короче говоря, если бы на Земле в условиях отсутствия почвы была жизнь, она была бы бледной тенью того, что мы имеем сейчас.