Путешествие по недрам планет

Зигель Феликс Юрьевич

 Первые шаги нашей планеты

Первозданная Земля мало походила на современную. Однако на протяжении всей долгой истории нашей планеты тяжелые химические элементы были и остаются ее основой. Эта черта резко отличает Землю (и другие планеты) от остального космоса. Там безраздельно господствуют водород и гелий. Мы живем в водородно-гелиевом мире с незначительной примесью более тяжелых элементов. Но в эту «примесь» входят все планетные системы и их обитатели, а потому для нас она — отнюдь не второстепенная деталь Вселенной.

Откуда взялся материал,

из которого созидаются планеты и жизнь? Каково происхождение химических элементов? Первичный синтез тяжелых элементов происходил на самых ранних стадиях эволюции Вселенной. Но и сейчас в космосе идут созидательные процессы, вещество усложняется, и похоже на то, что это «усложнение» только начинается.

Синтез тяжелых элементов прежде всего совершается в недрах звезд и Солнца при давлении 10 млн. МПа и сжатии вещества в его недрах до плотности 100 г/см³, которые и нагрели Солнце до температуры 14 млн. градусов — такова обстановка в Центральных областях Солнца. Здесь, в беспорядочной толчее протонов и других частиц, казалось бы, все хаотично. На самом деле в центральных областях Солнца идет односторонний направленный процесс — из протонов в ходе так называемого протон-протонного термоядерного цикла созидаются альфа-частицы — ядра атомов гелия.

Характерно, что превращение водорода в гелий, или, иначе говоря, синтез гелия, сопровождается еще одним крайне важным для нас процессом — превращением солнечного вещества в излучение. Ежесуточно Солнце уменьшается в массе на 4 млн. тонн. Таким количеством вещества можно было бы нагрузить четыре тысячи поездов по пятьдесят вагонов каждый. И все это вещество переходит в свет, в излучение, за счет которого и существуем мы с Вами. Значит, если звезда, по массе и строению похожая на Солнце, первоначально состояла лишь из чистого водорода, через некоторое время ее состав неизбежно «усложнится», так как внутри нее образуются атомы гелия.

На этом созидательный процесс не закончится. Как уже говорилось, в ходе дальнейших ядерных реакций, выражающихся главным образом в захватах атомными ядрами нейтронов, образуются атомы углерода, кислорода, неона и других элементов. Если звезда массивна и в ее центре температура гораздо выше, чем в недрах Солнца, то в звезде могут синтезироваться атомы железа и других аналогичных элементов. Наконец, при вспышках сверхновых звезд, когда температуры и плотности в сжавшейся после взрыва звезде достигнут трудно представимых значений, возможен синтез практически всех химических элементов до самых тяжелых включительно.

По мнению Б. Фаулера и других исследователей, синтез тяжелых элементов мог происходить в допланетном веществе при его облучении потоком частиц высокой энергии, которые испускались формирующимся магнитоактивным Солнцем. В работах Р. Бернаса и других ученых предполагается, что литий, бериллий и бор образовались в наружных слоях Протосолнца на последней стадии его сжатия.

Таким образом, в современном космосе не все разрушается. Наоборот, в недрах бесчисленных звезд идут созидательные процессы, медленно, но неуклонно усложняющие мир. К моменту рождения Земли в космосе, или, точнее, в окрестностях Солнца, было достаточно «строительного материала», из которого сформировалась наша планета. Словом, есть несколько гипотез, объясняющих, откуда взялся «тяжелый» материал Земли. Гораздо труднее представить себе в деталях первые шаги ее эволюции. Придется предложить читателю два варианта формирования первичной Земли, сводящихся, впрочем, к одному результату.

По гипотезе О.Ю. Шмидта, «родившись» в виде небольшого сгустка частиц протопланетного облака, Земля примерно через 100 млн. лет достигла 98 % ее современной массы (остальные 2 % были набраны за следующие 100 млн. лет). Главным источником разогрева первично холодной Земли О.Ю. Шмидт считал радиоактивный распад составляющих ее веществ. Здесь космогоническая гипотеза О.Ю. Шмидта перекликается с давними высказываниями В.И. Вернадского, который писал, что атомная радиоактивная теплота,

а не остаточная теплота остывающей планеты, как это думали еще совсем недавно, есть основной источник той теплоты, которая объясняет все геологические процессы, идущие на Земле.

В каждом грамме земного вещества радиоактивного тепла выделяется очень мало (примерно одна двадцатимиллионная доля калории в год). Но за миллиарды лет его, по мнению О.Ю. Шмидта, накопилось так много, что температура недр Земли могла подняться почти до 3 000 °C. Есть местные очаги расплавленных пород и в земной коре. Из них и извергается огненно-жидкая лава. Дальнейшее развитие гипотезы О.Ю. Шмидта привело, однако, к выводу (работы В.С. Сафронова и др.), что роль радиоактивности в разогреве первичной Земли была незначительной: радиоактивное тепло за время формирования нашей планеты могло разогреть ее центральные области не более чем до 200 °C. Вот почему в настоящее время считается, что основным источником нагревания растущей Земли были удары формировавших ее частиц и тел. Среди этих тел (планетезималей) были очень крупные (до 1000 км в поперечнике). Их удары не только нагревали Землю, но создавали кратеры и интенсивно перемешивали земное вещество. По предварительным расчетам, на глубине 300–500 км температура достигла 1500 °C, а средняя температура Земли была близка к 1000 °C. Разогрев Земли приводил к тому, что более тяжелые вещества опускались вниз, а более легкие поднимались наверх. Из-за большой вязкости твердого вещества над расплавленной областью и под нею двигаться сквозь это вещество могли лишь крупные включения с поперечником в несколько десятков километров. Этот процесс гравитационной дифференциации привел постепенно к расслоению Земли, к образованию ее плотного ядра и менее плотных окружающих ядро оболочек.

Каким же образом гипотеза О.Ю. Шмидта объясняет происхождение атмосферы и гидросферы Земли? В первичном протопланетном облаке (по крайней мере в большей его части) температура была так низка, что водяные пары, углекислота, метан, аммиак и другие летучие вещества «намораживались» на твердых частицах облака. Вместе с ними они вошли и в состав зарождающейся Земли. Когда же под действием ударов и радиоактивного распада Земля разогрелась, затвердевшие газы вернулись в газообразное состояние. Вырвавшись на поверхность Земли, водяные пары сгустились в воды морей и океанов, частично вошли в состав атмосферы Земли. Но в этой первичной атмосфере в основном господствовали сравнительно тяжелые газы — углекислота, метан, аммиак. Земная атмосфера пополняется и сейчас: при вулканических извержениях выбрасываются углекислый газ и водяные пары. В других случаях в разных местах Земли из ее недр выделяются метан и другие горячие газы.

В «горячем» варианте рождения Земли наша планета первоначально была звездоподобным телом, «осколком» взорвавшейся звезды — спутника Солнца. Дальнейший ход событий можно представить себе так. Горячее облако газа, постепенно излучая со своей поверхности тепло, остывало. Примерно за несколько десятков тысяч лет газообразная Протоземля превратилась в горячее огненно-жидкое тело. В этом теле под действием гравитации тяжелые вещества опустились к центру, а легкие, наоборот, всплыли к поверхности. Масса Земли была недостаточно велика, чтобы удержать наиболее легкие газы, а потому уже на самых первых этапах эволюции Земли водород и гелий были ею безвозвратно потеряны. Первичная атмосфера могла состоять лишь из сравнительно тяжелых летучих веществ, например, углекислого газа.

Быстро «расслоившись», Земля продолжала остывать и со временем покрылась твердой корой. Внутри же планета целиком или частично осталась огненно-жидкой, в чем легко убедиться, наблюдая лавовые потоки, истекающие из недр Земли при современных вулканических извержениях. И доныне продолжаются некоторая «утряска» Земли и частичные, перемещения ее поверхностных слоев, — отсюда землетрясения и другие тектонические явления. Дальнейшая термическая история Земли выражалась в постепенном охлаждении всей планеты — от поверхности и до центра.