Развивающаяся Вселенная

Такая база сегодня существует. Совокупность складывающихся на ее основе представлений не только требует рассматривать нашу планету как цельное естественное тело, но и как самоорганизующуюся систему. Ее развитие инициируется противоборством двух фундаментальных природных тенденций - тенденцией к достижению термодинамического равновесия, вызывающей разрушение организованности и упорядоченности, и тенденцией к самоорганизации, обеспечивающей нарастание порядка в ходе прогрессивного развития систем. В основе таких представлений лежит возникшее в последние десятилетия понимание того, что жизнедеятельность нашей планеты определяется глобальными динамическими процессами обмена веществом и энергией между глубинными и внешними областями планеты, взаимозависимостью через эти процессы всего того, что происходит на поверхности и в глубине. В то же время не упускается из виду, что Земля - открытая система, что ее строение, ее особенности и весь путь развития непосредственно определены процессами образования и развития Солнечной системы, которая, в свою очередь, есть продукт развития Вселенной на стадии образования в ней иерархии разномасштабных структур. Если бы наши сегодняшние знания о происхождении и механизмах образования Солнечной системы и в ее рамках Земли были бы полнее и завершеннее, то описание строения и развития Земли стало бы простым следствием этих знаний.

Большинство частных наук о Земле изучают процессы, связанные с ее поверхностью и прилегающими слоями - гидросферой и атмосферой. Пока человек не проник вглубь Земли далее 12 ё15 километров (Кольская сверхглубокая скважина). С глубин примерно до 200 километров разными путями выносится вещество недр наружу, и оно оказывается доступным для исследователей. Сведения о более глубоких слоях добываются косвенными методами. Среди таких методов ведущая роль принадлежит регистрации скорости и затухания сейсмических волн разных типов, проходящих через земные недра. Другие группы методов в основном опираются на те или иные гипотетические допущения о структуре и составе протопланетного облака и на предположения о процессе образования в нем планет. Считается, что сведения о составе протопланетного облака можно получить, изучая выпадающие на Землю метеориты.

Так, железные метеориты сообщают о содержании в протопланетном облаке тяжелых элементов, прежде всего железа и никеля, входящих в состав земного ядра. Некоторые каменные метеориты, такие, как хондриты, не подвергавшиеся на протяжении всего времени своего существования плавлению, рассматриваются в качестве наиболее надежных информаторов о состоянии и природе вещества, из которого затем образовались внешние по отношению к ядру области планеты. Не все признают достоверность такой интерпретации, поскольку о происхождении и последующей эволюции метеоритов нет бесспорных сведений, как нет и общепризнанной модели образования и развития Солнечной системы. Подробности о способах и результатах изучения недоступных земных глубин и о формировании на этой основе представлений об их составе и структуре, читатель найдет в научно-популярной книге Д.Брауна и А.Массета [42].

Зондированием недр Земли сейсмическими волнами была установлена их оболочечная структура и дифференцированность химического состава. Различаются три главные концентрически расположенные сферы: ядро, мантия и кора. Ядро и мантия, в свою очередь, подразделяются на дополнительные концентрические оболочки, различающиеся физико-химическими свойствами. Разбиение на сферы представлено в таблице 3.3, приводимой в обстоятельной книге Г.В.Войткевича [43].

Химический состав и структура ядра и мантии по современным представлениям таковы. Ядро занимает центральную область земного геоида и разделяется на две части: внутреннее ядро находится в твердом состоянии, оно окружено внешним ядром, пребывающим в жидкой фазе. Между внутренним и внешним ядром нет четкой границы, их разделяет переходная зона, представленная в таблице как оболочка F. О химическом составе ядра судят по плотности вещества, определенного с помощью проходящих через него сейсмических волн, и на основании предположения, что состав ядра идентичен составу железных метеоритов, поскольку плотности этих объектов согласуются. Соответственно внутреннее ядро полагают состоящим на 80% из железа и на 20% из никеля. Такой сплав при давлении земных недр в районе ядра имеет температуру плавления порядка 4500^о С. Состав внешнего ядра оценивается из тех же предпосылок и полагается состоящим на 52% из железа и на 48% из эвтектики, образуемой железом и серой. Не исключена небольшая примесь никеля. Температура плавления смеси оценивается примерно в 3200^о С. Так как внутреннее ядро твердое, а внешнее жидкое, то температура в центре Земли не должна превышать 4500^о С, но и не быть ниже температуры плавления внешнего ядра, то есть 3200^о С. Имеются и другие оценки температуры в центре Земли, несколько расходящиеся с приведенными.

В наших сегодняшних представлениях о земном ядре много предположительного. Не вызывает сомнения его разделение на жидкое и твердое ядро, поскольку такое утверждение обосновывается данными наблюдений за изменениями скорости прохождения сейсмических волн через эти области планеты. Но вместе с тем было обнаружено, что скорости прохождения сейсмических волн через твердое ядро вдоль и поперек оси вращения Земли различны, что указывает на отклонение его формы от строго сферической. Это дало повод Ж. Тромпу (США) выдвинуть гипотезу о том, что внутреннее ядро есть асимметричный гигантский кристалл, образованный шестиугольными ячейками плотно сжатых гигантским давлением атомов железа. Кристалл в целом упорядоченно ориентирован относительно оси вращения Земли. К сожалению, пока проверить эту гипотезу невозможно. В целом же, как пишет в своей книге Г.Войткевич, "Вопрос о составе и физической природе ядра нашей планеты относится к наиболее волнующим и загадочным проблемам геофизики и геохимии" [43].

С жидким состоянием внешнего ядра связывают представления о природе земного магнетизма. Магнитное поле Земли изменчиво, из года в год меняется положение магнитных полюсов. Палеомагнитные исследования состояния магнитного поля планеты в далеком прошлом, основанные на измерениях остаточной намагниченности земных пород, показывают, что имели место не только сдвиги, но и периодические переполюсовки, когда менялись местами северный и южный полюса планеты. Вот, например, что показало глубоководное бурение, проведенное в экваториальной зоне Тихого океана экспедицией института Глобальной физики (Париж). В процессе бурения со дна океана извлекались вертикальные столбики кернов, позволявшие определять по остаточной намагниченности образцов интенсивность и полярность магнитного поля в зависимости от времени. Чем глубже располагался образец в керне, тем к более отдаленному прошлому относились данные измерения намагниченности. Датировка образцов осуществлялась привязкой породы каждого участка керна к определенной эпохе. Исследования показали следующее. Во-первых, обнаружилась корреляция частоты изменения полярности магнитного поля с частотой модуляции климата, вызываемой, по предположению, астрономическими вариациями эксцентриситета земной орбиты и угла наклона земной оси. Во-вторых, магнитное поле изменяется с периодом примерно в 400 тысяч лет. В среднем его интенсивность нарастает вплоть до момента, когда скачком меняется полярность поля. Характерное время смены полярности (скачка) ~1000 лет, а характерное время нарастания поля от 0,5 до 1 миллиона лет. За последние 4 миллиона лет переполюсовка произошла 11 раз. Согласно другим источникам, периодические переполюсовки магнитного поля зарегистрированы на протяжении, по меньшей мере, последних 80 миллионов лет. Во времена смены полярности наступали периоды полного исчезновения магнитного поля, что, по-видимому, сопровождалось неординарными событиями на Земле.

Из сказанного следует, что земной магнетизм не может создаваться постоянным магнитом, образованным, например, стационарной намагниченностью железного ядра или какой-то его части. Существующие гипотезы предполагают, что магнитное поле создается процессом, получившим название эффекта динамо-машины с самовозбуждением, так хорошо знакомым в электротехнических применениях. Роль ротора (подвижного элемента) играет металлизированная масса жидкого ядра, перемещающаяся при вращении Земли вокруг своей оси, а система возбуждения образуется токами, создающими замкнутые петли внутри сферы ядра. Оценки показывают, что для работы такого динамо необходима мощность на уровне 10⁹ – 10¹¹ Вт. Источником ее может быть радиоактивный распад, главным образом изотопа ⁴⁰К, либо гравитационное сжатие внутреннего ядра. Оба источника энергии предположительны. Остается неясным происхождение токов, которые, согласно такой модели, циркулируют в ядре, неясны возможные причины систематических их изменений и переполюсовок, что объяснило бы смены интенсивности и полярности земного магнитного поля. Возможно, что существует связь между протеканием токов и наличием вертикальных конвективных потоков вещества мантии. Других идей для объяснения земного магнетизма со всеми его особенностями пока нет.

Химический состав и плотность мантии, по данным зондирования сейсмическими волнами, отличаются от соответствующих характеристик ядра. В отношении происхождения и химического состава нижней мантии (зоны С и D) пока нет единого мнения. Имеет место активная дискуссия, в ходе которой отстаиваются две противоположные точки зрения. Одна из них исходит из предположения, что вещество нижней мантии идентично веществу каменных метеоритов типа хондритов, тех из них, которые никогда не входили в состав планет и не претерпевали за время своего существования плавления или других капитальных преобразований. Как показывают исследования выпавших на Землю метеоритов, их вещество образовалось в то же время, когда формировалась Солнечная система, то есть не позже 4,6 ± 0,2 миллиардов лет назад. Это дает основание предполагать, что состав их вещества достаточно точно отражает состав вещества протопланетного облака, из которого возникли все планеты, включая Землю. Последующие условия существования метеоритов позволили части из них сохранить в неприкосновенности исходный состав протопланетного облака, а именно той части, из которой сформировалась нижняя мантия Земли. При этом подразумевается, что исходное облако было химически однородным во всей занимаемой им области. В последние годы в свете новых данных некоторые сторонники кометной гипотезы внесли в нее уточнения, касающиеся того, где и как образуются метеориты. Утверждается, что метеориты – это фрагменты распадающихся ядер короткопериодичных и длиннопериодичных комет, вырываемых возмущениями из стационарного их местонахождения, из облака Оорта, расположенного на периферии Солнечной системы. Именно кометы концентрируют исходное вещество протопланетного облака, а метеоритное вещество непрерывно рассеивается в межпланетном пространстве, и воссоздается за счет распада комет.

Противоположная точка зрения исходит из того, что в свете полученных в последние годы данных о сильной неоднородности протопланетного облака и о вариациях изотопного состава летучих элементов, в том числе и входящих в состав метеоритов, гипотеза об идентичности материалов нижней мантии и метеоритов типа хондритов представляется несостоятельной. Ни метеориты, ни их смеси не могут рассматриваться как первичное вещество Земли, поскольку достоверно неизвестно место их формирования в исходном облаке, а количественное содержание и изотопный состав летучих веществ (ксенон, кислород) отличается от соответствующего их содержания в земных породах. К этим аргументам критики гипотезы добавляют и соображения общего порядка. Так, в цитировавшихся ранее "Очерках сравнительной планетологии" [38] замечается: "Строго говоря, такие модельные представления вполне гипотетичны и не контролируются ничем, кроме постулатов, положенных в их основу, то есть состав Земли оценивается по ее происхождению, а происхождение – по составу".