Александр Громов - Удивительная Солнечная система

Гравитационная дифференциация – что это за зверь? По сути это вульгарное «тяжелое – тонет, легкое – всплывает», известное каждому на примере хотя бы воды и льда. Средняя плотность Земли составляет 5,515 г/см 3, тогда как средняя плотность земной коры – всего лишь около 2,5 г/см 3. Плотность вещества мантии несколько выше, порядка 3,5 г/см 3, но все равно далеко не достигает средней плотности Земли. Отсюда сразу следует высокая плотность земного ядра – не менее 8 г/см 3. Невозможно предположить, чтобы такая разница в плотностях внутренних и наружных слоев планеты существовала изначально. Следовательно, тяжелые породы опускались на глубину, а легкие – всплывали. Процесс этот продолжается и поныне.

Здесь придется сделать отступление. Как известно, во время Первой мировой войны немцы бомбили Лондон с цепеллинов. Последние, будучи наполнены водородом, сравнительно легко уничтожались даже такими примитивными средствами ПВО, какие существовали в то время. Но однажды случился удивительный казус: цепеллин, пробитый во многих местах и теряющий высоту, упорно не желал гореть, как его предшественники. Впоследствии выяснилось: его баллоны были наполнены гелием.

По нынешним временам, гелий – банальность, но тогда это было не так. Впервые гелий был открыт на Солнце спектроскопическими методами. Считалось, что на Земле его столь мало, что не стоит и возиться с его добычей. Немцы, однако, показали, что это не так.

Откуда же берется земной гелий? В составе «солнечного ветра» содержатся – в виде ионов – гелий-3 и гелий-4. От того-то в лунном реголите немало гелия, нанесенного туда за миллиарды лет. На Земле, однако, этот механизм не работает, поскольку Земля имеет достаточно мощную магнитосферу, защищающую поверхность планеты от солнечных заряженных частиц. Лишь иногда при особо мощных солнечных выбросах некоторой части заряженных частиц, отклоненных магнитным полем Земли к полюсам, удается проникать в атмосферу и вызывать свечение атомов, известное как полярные сияния. В норме, однако, этого нет, и так невозможно объяснить существование земного гелия. Не может он иметь и первичное происхождение, так как весь первичный гелий давно диссипировал (улетучился) в космическое пространство. Следовательно, земной гелий образовался на месте.

Каким образом? В 1896 году А. Беккерель открыл радиоактивность. Смысл этого типа ядерных реакций состоит в перекомбинациях протонов и нейтронов в атомном ядре, в результате чего образуются новые элементы и выделяется большое количество тепла. В появлении земного гелия «повинен» главным образом торий. Его альфа-распад приводит к постепенному накоплению гелия. Выделяющееся при подобных реакциях тепло какое-то время считалось главной причиной высокой температуры земных недр. Немцы добыли гелий для своего несгораемого цепеллина, прокаливая монацитовый песок, который привозили из колоний на судах под видом балласта. Монацит – минерал класса фосфатов, содержащий торий. Под действием нагрева из микротрещин в песчинках выделялось какое-то количество гелия.

Но оставим в покое немцев и их цепеллины. Существуют ли на земле другие реакции с выделением тепла? Конечно. Например, оба изотопа урана, распространенные на Земле, нестабильны. Однако наибольшее тепловыделение происходит при бета-распаде калия-40 – просто потому, что на Земле гораздо больше калия, чем тория, урана и некоторых других нестабильных изотопов. Калий-40 спонтанно превращается в аргон-40, который остается в породе (на этом основан калий-аргоновый метод определения возраста породы). Но можно ли считать радиоактивный распад калия-40 главной причиной высокой температуры земных недр? Какое-то время считалось, что да, можно. Теперь ясно, что эта причина – второстепенная. Распад радиоактивных элементов в настоящее время обеспечивает лишь 15 % нагрева, а 85 % приходится на нагрев вследствие гравитационной дифференциации недр планеты. Лишь в архее и раннем протерозое распад калия-40 мог конкурировать по энерговыделению с гравитационной дифференциацией. Теперь же калия-40 в земных недрах осталось гораздо меньше, чем в те времена.

Не забудем о «железном пике». В состав вещества, формировавшего планеты Солнечной системы, входило немало железа. При плотности 7,8 г/см 3железо, даже будучи окисленным, все равно имеет плотность, превосходящую среднюю плотность пород земной коры. Но первичная атмосфера Земли была восстановительной, а не окислительной, как сейчас. Следовательно, железо на очень молодой Земле присутствовало в металлическом виде и медленно «тонуло» в мантии, устремляясь к центру планеты и формируя земное ядро. Причина энерговыделения при этом процессе следует из школьной физики: потенциальная энергия превращается в тепловую.