Сейчас нам прекрасно известно, что Земля устроена из ядра, мантии, коры, гидросферы и атмосферы.
Ядро в свою очередь внутри твердое радиусом около 1300 км, а внешнее ядро толщиной 2200 км расплавленное. В составе ядра железа около 80 %, кремния 7 %, никеля 5 %, кислорода 4 %, серы 2 %, в остальные 2 % входят марганец, фосфор, кобальт, хром и прочие элементы. Плотность ядра около 12,5 г/см3.
Мантия занимает 80 % объема Земли и состоит из окислов кремния (46 %), магния (37,8 %), железа (7,5 %), алюминия (4,2 %), кальция (3,2 %), натрия (0,4 %) и прочих. Плотность вещества мантии находится в диапазоне от 3,3 г/см3 в верхних ее сферах до 6-9 г/см3 в нижних.
Кора под океанами имеет толщину 5-10 км и состоит главным образом из базальтов. Базальты - это магматическая порода вулканического происхождения, состоящая из окислов кремния, алюминия, железа, магния и других окислов. Под континентами кора представлена в основном осадочными породами, гранитами, гнейсами и гранулитами, толщина достигает нескольких десятков километров. Плотность земной коры около 2,7 г/см3. Молекулы кислорода (в соединениях) составляют половину массы коры, 26 % кремния, 7,45 % алюминия, 4,2 % железа, 3,25 % кальция, по 2,35 % калия и магния и т.д.
Гидросфера - это вода в океанах, морях, реках и прочих водоемах, а также в атмосфере в виде облаков.
Атмосфера состоит из азота (75,51 % по массе), кислорода (23,14 %), аргона (1,3 %), углекислого газа (0,05 %).
В предыдущей статье цикла об эволюции Земли "Земля. Образование планеты и суточного вращения" излагалось о рождении планеты с однородной структурой, то есть слепком из вещества без вышеуказанных ядра, мантии, коры, гидросферы и атмосферы.
Есть две, на первый взгляд, равноценные по логике версии слипания вещества Земли - гомогенная и гетерогенная.
Согласно гомогенной гипотезе становление Земли происходило путем образования равномерной по составу и структуре субстанции - смеси камней, пыли и льда без дифференцированных структур типа металлического ядра и налипшего на него прочего вещества.
По логике гетерогенной версии железные и никелевые пылинки и камни при температурах ниже их точек Кюри (соответственно 1043 и 631 градусов Цельсия) намагничивались внешним магнитным полем от Солнца, приобретали свойства ферромагнетиков и, притягиваясь друг к другу, образовали первоначальные структуры планетезималей - металлические ядра, на которые потом налипали силикаты и льды.
Сложно отрицать фактор ферромагнетизма, который мог присутствовать в процессах образования Земли и других каменистых планет Солнечной системы. Но еще сложнее принять в качестве рабочей гетерогенную гипотезу. Дело в том, что свойством притяжения и слипания друг с другом обладали не только ферромагнетики, но и прочие частицы и тела, из которых создавалась Земля. Об этом свидетельствуют эксперименты на МКС - в космическом вакууме частицы любого состава активно взаимодействуют, слипаясь друг с другом под воздействием электромагнитных сил.
И вторая важная причина принимать в качестве рабочей гомогенную теорию - это расчет энергобаланса Земли на протяжении всей истории ее развития. Если бы Земля создавалась по версии гетерогенной гипотезы, она бы не разогрелась до тех температур, которые мы имеем. В настоящее время температура в центре ядра предполагается около 6000 градусов Цельсия и в нижней мантии порядка 1000-3000 градусов.
Почему не разогрелась бы? Главным источником энергии внутреннего разогрева Земли являлась и до сих пор является гравитационная дифференциация - разделение первоначального однородного вещества Земли на железоникелевое ядро, магниевую и алюмосиликатную мантию и каменистую кору. То есть тяжелые фракции погружаются в ядро, легкие всплывают к коре: происходит смещение центра гравитации в глубь Земли, что уменьшает потенциальную энергию связи ее структур. Разность между первоначальным состоянием этой энергии и ее состоянием на настоящий момент и есть энергия дифференциации, которая выделилась за время существования Земли. На долю этого источника энергии приходится примерно 80 процентов совокупной энергии разогрева Земли за всю ее историю.
До сих пор по расчетам выделилось 0,31 х 10^32 Джоулей энергии от гравитационной дифференциации. Это около шестнадцати процентов от совокупного потенциала энергии связи земного вещества. Таким образом, смещение центра масс к центру планеты привело к уменьшению силы тяжести на ее поверхности тоже на шестнадцать процентов. В начале истории Земли ускорение свободного падения было 9,81 х 1.16 = 11,38 м/сек^2. Сейчас мой вес, к примеру, 75 килограмм, что для состояния Земли 4,5 милларда лет назад составляло 87 кг. Второй средний вес (в боксе) против первого тяжелого. Существенно.
Как происходила дифференциация?
Чтобы запустить этот процесс, необходимо было сначала разогреть вещество Земли до температур плавления железа (1539 градусов Цельсия), никеля (1455), кремния (1415), магния (650), алюминия (660) и прочих веществ.
Основной вклад в теорию гравитационной дифференциации недр планеты Земля совершил советский геофизик и планетолог академик РАЕН Олег Георгиевич Сорохтин.
На основе его монографии "Развитие Земли" автор статьи излагает нижеследующие рассуждения.
В катархее (период 0 - 500 миллионов лет истории Земли) главным источником разогрева недр была, скорее всего, энергия приливного взаимодействия Земли с Луной. Ведь в начале эволюции пары Земля-Луна расстояние между ними было в 55 раз меньше нынешнего - всего лишь 7 тысяч километров при нынешних 384. То есть энергия приливного гравитационного взаимодействия была в 3000 с лишним раз больше нынешней. Гидросфера в виде водной глади отсутствовала, поэтому вся приливная энергия шла на деформацию твердой поверхности Земли. Это проявлялось в постоянных поверхностных (не тектонических) землетрясениях.
Сейсмическая активность юной Земли была в 17 000 раз сильнее нынешней. Наиболее активно тряслись регионы, прилегающие к экватору Земли, которые в большей степени испытывали на себе силу приливного взаимодействия со спутником.
Плюс к этому в катархее происходила еще т.н. тяжелая метеоритная бомбардировка. Версия о том, что эта бомбардировка являлась массовым выпадением астероидов, зачем-то прилетавших стаями из пояса астероидов на Землю, находится в нашем игноре, потому что это очень нестрогое суждение. Гораздо внятнее звучит версия о выпадении на поверхность Земли остатков протолуны из спутникового кольца. Спутниковое кольцо находилось в пределах полости Роша, поэтому его вещество уже не могло не падать на Землю. Это дополнительная плюсовая температура разогрева поверхности планеты.
По мере удаления орбиты Луны, которое происходило из-за передачи ей вращательного момента от Земли (вращение Земли замедлялось, а вращение Луны усиливалось), уменьшалась роль приливной энергии в катархейском разогреве Земли. К концу катархея (4 миллиарда лет назад) Луна отлетела от Земли на радиус своей орбиты уже 168 тысяч километров. К тому же появились водные глади, которые сводили на нет фактор влияния приливной гравитации Луны на разогрев земных пород.
Наряду с приливной гравитацией Луны в катархее функционировал второй источник энергии - радиоактивный распад радионуклидов калия-40, урана-235, урана-238 и тория-232. На долю этого фактора приходится примерно 15 процентов энергии разогрева Земли за весь период в 4,5 миллиарда лет. Указанные радионуклиды имеют свойство самопроизвольного ядерного распада в течение астрономических периодов времени. Калий-40, например, в процессе бета-распада превращается в кальций-40, выделяя при этом энергию бета-излучения в виде электронов, или в аргон-40 при испускании позитронов.
В результате вышеизложенных обстоятельств во второй половине катархея (300 - 500 миллионов лет от рождения Земли) вдоль экватора Земли на глубинах до нескольких десятков километров происходило плавление вещества, в том числе железа. Так началась гравитационная дифференциация земного вещества.
Следует отметить, что полное оплавление Земли никогда не присутствовало в истории ее развития. Сначала было горячо на поверхности и холодно внутри - это период аккреции. Затем было горячо внутри и прохладно снаружи - период дифференциации.
Примерно до начала протерозоя (2,6 миллиарда лет назад) плавление происходило в режиме так называемой зонной дифференциации вещества. То есть вещество разогревалось до температур плавления его компонентов, тяжелые фракции железа стекали вниз, легкие силикаты - вверх расплавленного фрагмента (зоны).
К концу архея производство расплавленного железа - ядерного вещества - составляло примерно 1,65 триллиона тонн в год. Расплавленные зоны к началу протерозоя, слились в зародыш ядра, который сместился под действием гравитации в центр Земли. Это ядро составляло примерно 63 % от массы современного ядра.
В дальнейшем, то есть от начала протерозоя до наших дней и далее, дифференциация ядерного вещества (окиси железа Fe2O) из нижней мантии в наружное ядро происходит в режиме бародиффузионного выделения. Этот механизм представляет собой выделение окиси одновалентного железа Fe2O в тугоплавких остатках мантии под действием высокого давления недр без плавления. При этом происходит реакция 2FеО = Fе2О + О.
Процесс бародиффузионного выделения окиси одновалентного железа происходит и в настоящее время - что-то около 150 миллиардов тонн в год.
На рубеже архея и протерозоя (2,6 миллиарда лет назад) сформировалась геомагнитосфера - магнитное поле от конвективных потоков расплавленного вещества в недрах Земли и вращения расплавленного ядра.
В процессе разогрева планеты таяли льды, входившие в состав земного вещества, и водяной пар в составе вулканических газов выходил наружу и лился дождями, чтобы образовать Мировой океан.
Кроме того, из расплавленного вещества недр в эпоху архея выделялись газы, сформировавшие атмосферу, в том числе углекислый газ, аммиак и метан, которые создавали парниковый эффект. Магнитосфера защищала атмосферу Земли от солнечного ветра, а парниковый эффект спасал Землю и ее Мировой океан от замерзания.
И процесс гравитационной дифференциации в целом будет происходить еще миллиарды лет. Так что остывание недр и исчезновение магнитосферы нашей планете не грозит.
Владимир Черевичко