сканировал Игорь Степикин

Ф. Ю. ЗИГЕЛЬ
ПУТЕШЕСТВИЕ ПО НЕДРАМ ПЛАНЕТ

Москва "Недра" 1988

ББК 22.654

359 УДК 550.2.523 + 550.31

Рецензент: Н. П. Грушинский, д-р физ.-мат наук

ISBN 5-247-00079-Х © Издательство «Недра», 1988

ВВЕДЕНИЕ

...Есть в сердце земном неизмеримое могущество, которое на месте гор море зиждет и на месте моря - горы...

М. В. Ломоносов

Мы плохо знаем нашу Землю. Самые глубокие буровые скважины достигают глубин около 10 км, что составляет менее 1/600 земного радиуса. О том, что творится в недрах Земли, нам известно лишь по косвенным данным, которые подчас можно истолковать по-разному. До сих пор не прекращаются споры о природе центрального ядра Земли, происхождении нефти, расширении земного шара. Легко указать и ряд других дискуссионных тем в области геофизики и геологии.

Не лучше обстоит дело и с изучением внешней газовой оболочки Земли. Неудачные прогнозы погоды (а они весьма часты) говорят не только о сложности проблемы, но и о плохой изученности многочисленных связей между Землей и Солнцем. Земная магнитосфера, как признают специалисты, изучена очень поверхностно. Долгое время считалось, что земная атмосфера постепенно сходит на нет где-то на высотах 1000-2000 км. Сенсационным оказалось недавнее открытие вокруг нашей планеты внешней плазменной оболочки. Хотя ясно, что процессы в ней оказывают громадное влияние на Землю и солнечно-земные связи, механизм этих процессов пока почти не известен. Между тем в этом случае речь идет о причинах магнитных бурь, полярных сияний, нарушениях радиосвязи, что имеет большое практическое значение.

Общеизвестно, что все познается в сравнении. Так как Земля вовсе не является уникальным объектом во Вселенной, еще в начале века возникло новое направление в науке, названное планетологией. Создателем ее был известный исследователь Марса и его каналов П. Ловелл. В 1906 г. он прочитал лекцию о своих тринадцатилетних исследованиях загадочной планеты и в этой лекции впервые прозвучало слово планетология. По мысли П. Ловелла, этот раздел естествознания должен подробно изучать эволюцию планетных миров с момента их образования. Тем самым предполагалось, что планетология заполнит брешь, существовавшую в то время между популярной космогонической гипотезой Д. Мультона и эволюционной теорией Ч. Дарвина. Сам П. Ловелл писал об этом так: «Поэма нашей Солнечной системы начинается великой катастрофой. Столкнулись два солнца. Что было, погибло; чему предстояло быть, родилось. Весьма мало шансов, чтобы встретившиеся тела ударились прямо друг о друга, но и без столкновения результаты встречи были столь же гибельны. Из наружных осколков образовались большие и малые массы, а обломки разбитого ядра дали начало нашему центральному телу...»

Далее, подробно рассматривая, как он говорил, «генезис мира», П. Ловелл утверждал, что масса является основным фактором во всем процессе эволюции и всякая планета проходит шесть стадий развития. На первой и второй стадиях она самосветящееся тело, подобное Солнцу. Затем планета остывает, затвердевает, на ней образуются кора и океаны (третья и четвертая стадии). Постепенно испаряясь, океаны в конце концов исчезают, рассеивается атмосфера - и планета заканчивает свое существование в виде безжизненного тела (пятая и шестая стадии). П. Ловеллу казалось, что астрономия начала XX века блестяще подтверждает его эволюционную схему. Планеты-гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун) находятся во второй стадии, Земля - в четвертой стадии, пустынный и безводный Марс завершает пятую стадию, которая сменится той безжизненной шестой стадией, на которой находится Луна.

С современной точки зрения первые планетологические построения П. Ловелла выглядят, конечно, очень наивными, но главная идея - сравнительный анализ Земли и планет - остается и сейчас актуальной. Верно, конечно, и то, что физическое состояние тела зависит главным образом от его массы. С этой позиции рассматривается космос и в предлагаемой вниманию читателей книге. Мы совершим с вами прогулку по «лестнице» масс, не задерживаясь при этом на самых верхних и самых нижних ее ступенях. В первом случае разговор пойдет о звездах, во втором - о столь малых космических телах, что говорить об их «недрах» просто бессмысленно. А вот средняя часть «лестницы», занятая планетами и Землей, привлечет наше особое внимание. Успехи космонавтики за последние годы существенно пополнили наши знания о Солнечной системе. В этой иерархии планет Земля занимает среднее место, возглавляя группу планет земного типа. Для нас она навсегда останется родиной, домом, хотя человечество предполагает и впредь осваивать космические дали. В этой титанической работе знание физической природы планет совершенно необходимо. Автор надеется, что и о Земле в книге для многих найдется что-то новое, неизвестное и это рассеет ложное предубеждение, что нам о Земле все известно. Эволюция жизни на Земле тесно связана с ее недрами, с взаимодействием различных оболочек Земли - геосфер. Двум из них - биосфере и ноосфере - в книге уделено особое внимание. В любом случае приобретение новых знаний доставит любознательному человеку высокое интеллектуальное удовлетворение.

О ТЕЛАХ МАССИВНЕЕ ЗЕМЛИ

Самые простые на свете тела - это звезды...

К. Эддингтон

Центрами максимального сгущения материи и энергии в Галактике являются звезды...

В. И. Вернадский

Подавляющее большинство космических тел гораздо массивнее Земли. Эти тела мы называем звездами и они составляют типичное «население» космоса. Есть немало убедительных аргументов в пользу того, что наша планетная система далеко не уникальна. Подобные системы, скорее всего, есть вокруг многих звезд. Однако не все из них обладают населенными планетами, подобными Земле. Пример Солнечной системы наглядно показывает, что для возникновения и развития жизни нужно особое сочетание массы планеты и внешних условий. Так что существование планетной системы само по себе еще не является гарантией того, что в окрестностях данной звезды существует жизнь.

Недра звезд

Любуясь звездным небом, человек не всегда сознает, что перед его глазами - самые распространенные космические образования. И наоборот - земная твердь, ощущаемая под ногами,- это величайшая редкость, и по крайней мере по массе планетам в космосе отведена незначительная роль.

Любой, самый неискушенный наблюдатель замечает не только разницу в блеске звезд, но и различие в их окраске. Причина этому - размеры звезд, их температура и расстояние до них. Но, как бы ни были многообразны звезды, их объединяет одно - это тела самосветящиеся, излучающие свет за счет своей внутренней энергии. Одно время полагали, что эта энергия выделяется при постепенном сжатии звезды. Подобно тому, как накачивая велосипедным насосом камеру, Вы заставляете его разогреваться, сжатие за счет гравитации исполинского газового шара звезды неизбежно вызывало его разогрев. Правда, подсчеты вскоре показали, что такой механизм не может обеспечить самосвечение звезды в течение миллиардов лет.

Несостоятельной оказалась и другая гипотеза - предположение, что звезда разогревается за счет непрерывного падения на нее метеоритов. Наконец, только к середине текущего века нашлось как будто правильное решение - энергия звезд поддерживается теми ядерными реакциями, которые совершаются в их недрах. Трудно наглядно представить себе эти недра, где давление газа достигает миллиарда мегапаскалей, а температура - миллиона градусов. Теоретики-астрофизики строят модель звезды и происходящих внутри нее ядерных реакций, а затем сравнивают эту умозрительную схему с наблюдениями. Кто-то из них однажды сказал, что самое простое на свете - это звезда. И на самом деле, даже любое мельчайшее знакомое нам живое существо несравнимо сложнее звезды. Речь идет не только о сложных высокомолекулярных соединениях, составляющих тело всех организмов, но и о тех процессах, которые поддерживают в них жизнь.

А звезда на самом деле устроена очень просто. Это водородно-гелиевый газовый шар, в каждой точке которого тяготение к центру уравновешивается силой давления газа. Для обычных широко распространенных звезд температура их центральных областей заключена в пределах от 10 до 20 млн. градусов. Так как на поверхности звезд температура значительно ниже, чем в их центре, в любой звезде совершается постоянный перенос энергии изнутри наружу. Механизмом этого переноса может служить как лучеиспускание, так и конвекция. Достигнув поверхности, внутренняя энергия звезды излучается в пространство.

Устойчивость любой звезды объясняется противоборством двух главных сил - тяготения и давления газа. Первая заставляет звезду сжиматься, но упругость газа, или, как говорят, его давление, этому препятствует. Равновесие двух сил в каждой точке звезды и обеспечивает ее стабильность как космического тела. При некоторых допущениях можно рассчитать, как распределяются плотность, давление и температура вдоль каждого радиуса звезды, т. е., иначе говоря, построить модель звезды, дающую представление о ее общем строении. В современных моделях звезд учитываются не только гравитация и упругость газа, но и потоки электромагнитной энергии, излучаемой звездой. Эта энергия также должна участвовать в создании равновесия внутри звезды, а потому расчеты звездных моделей - дело весьма трудоемкое, требующее привлечения быстродействующих электронно-вычислительных машин.

Рис. 1. Модели некоторых типов звезд.

а - красный гигант; б - Солнце; части главной последовательности; в - верхняя (бело-голубые звезды), г - нижняя (красные карлики); д - белый карлик; 1 - изотермическое гелиевое ядро; 2 - энеpговыделяющий слой; 3 -зона переноса энергии излучением; 4 - конвективная зона (ядро); 5 - вырожденный электронный газ; 6 - идеальный газ

Рассмотрим теоретические модели некоторых типов звезд. Красные гиганты (рис. 1,а) имеют небольшое гелиевое ядро, в котором температура практически постоянна (изотермическое ядро). Это ядро окружено узкой зоной, в которой выделяется энергия за счет термоядерных реакций. Далее следует зона, где энергия переносится лучеиспусканием. В остальной же части звезды энергия передается конвекцией, т. е. за счет перемешивания вещества. У звезд разных участков так называемой главной последовательности ядра сильно различаются. У бело-голубых звезд (рис. 1,в) сравнительно небольшое конвективное ядро окружено зоной «лучистого» переноса энергии. В нижней части той же последовательности, т. е. у красных карликов (рис. 1,г), роль этих зон, как видит читатель, меняется. У звезд типа Солнца (рис. 1,б) толщина конвективной зоны составляет примерно одну седьмую радиуса звезды.

Несколько особняком стоят белые карлики (рис. 1,д). В основном они состоят из так называемого «вырожденного газа» - смеси свободных электронов, протонов и альфа-частиц. В этом газе главную роль играют электроны - ими определяется давление вырожденного газа, температура которого близка к 10 млн. градусов. Снаружи белый карлик окружен оболочкой из обычного идеального газа (Примеч.- Идеальным называется сжимаемый газ, подчиняющийся закону Бойля - Мариотта, т. е. газ, силами взаимодействия между молекулами которого можно пренебречь.).

Какие же процессы совершаются в недрах звезд? Общего ответа на этот вопрос пока нет. У разных звезд различны и термоядерные реакции.

Большинство современных астрономов считают, что в недрах Солнца при температуре около 14 млн. градусов водород «перегорает» в гелий за счет так называемого протон-протонного цикла ядерных реакций. Этот цикл состоит из трех этапов.

Этап первый. Водород ¹₁H превращается в дейтерий D (изотоп водорода с атомной массой 2) с выделением позитронов b⁺ и нейтрино n. Схематически это можно записать как ¹₁H + ¹₁H®D+b⁺+n.

Напомним читателю, что позитрон - это частица, по массе равная электрону, но имеющая положительный заряд, а нейтрино - электрически нейтральная частица исчезающе малой массы.

Этап второй. Дейтерий при взаимодействии с водородом превращается в изотоп гелия с атомной массой 3³(He). Этот процесс сопровождается гамма-излучением (g) - электромагнитным излучением с очень малой длиной волны: D + ¹₁H®³He+g.

Этап третий. Два атома изотопа гелия превращаются в нормальный атом гелия ⁴He и два атома водорода: 2³He®⁴He + 2¹H.

Таким образом, в ходе протон-протонного цикла ядерных реакций водород превращается в гелий. При синтезе ядер гелия часть вещества (за счет так называемого «эффекта упаковки») превращается в излучение. Количество выделяемой при этом энергии можно вычислить по формуле Энштейна: E = mc², где E - количество выделенной энергии; m - масса вещества, превратившегося в излучение; c - скорость света (300000 км/с).

Таким образом, Солнце светит и... «тает», непрерывно уменьшаясь в массе. Каждую секунду Солнце превращает в излучение 4 млрд. тонн своего вещества. Тем не менее запасы вещества Солнца так велики, что термоядерные реакции могут обеспечить его свечение на миллиарды лет!

В центральных ядрах звезд-гигантов и сверхгигантов водорода практически нет, температура здесь достигает сотен миллионов градусов и источником энергии таких звезд служат процессы превращения гелия в углерод по схеме: 3⁴He®¹²C + g где g - выделяемое в ходе ядерных процессов коротковолновое излучение. Расчеты для принятых звездных моделей показали, что запасов гелия в гигантских звездах хватит лишь на 10 млн. лет. После этого, если масса звезд достаточно велика, произойдет сжатие ядра звезды, сопровождающееся повышением температуры до 500 млн. градусов. Наступит (продолжающийся несколько сотен тысяч лет) период синтеза все более сложных атомных ядер (с участием оставшихся в небольшом количестве ядер гелия). Схематически это можно изобразить так:

¹²C+⁴He®¹⁶O+g,

¹⁶O+⁴He®²⁰Ne+g,

²⁰Ne+⁴He®²⁴Mg+g.

Чудовищная температура в 500 млн. градусов все же недостаточна для синтеза более тяжелых элементов. Требуются температуры более 3 млрд. градусов, чтобы начались, например, такие реакции:

¹²C+¹²C®²³Na+¹H,

¹²C+¹²C®²⁰Ne+⁴He,

¹⁶O+¹⁶O®³²S+g.

Реакции этого типа в конце концов могут привести и к образованию ядер атомов железа. При сверхвысоких температурах в недрах звезд совершаются и такие процессы:

¹²C+¹²C®²³Mg+n,

¹⁶O+¹⁶O®³¹S+g,

где n - свободные нейтроны. Они играют весьма значительную роль. Попадая снова в ядро какого-нибудь элемента, нейтрон может превратиться в протон, при этом порядковый номер атомного ядра повысится. Так могут возникать тяжелые элементы до висмута ²⁰⁹Bi включительно.

Замечательно, что переход от одного типа ядерных реакций к другому сопровождается сжатием и разогреванием звезды - процессом, который был предсказан еще Г. Гельмгольцем, но получил ныне иное истолкование. В некоторых случаях сжатие звезды может привести к резкому выделению из ее недр энергии, т. е. фактически к взрыву звезды, при котором в ее недрах синтезируются наиболее тяжелые из химических элементов. Таким образом, в современных моделях звезд эти космические тела рассматриваются как ядерные топки, в которых за счет ядерных реакций происходит синтез всех химических элементов, от гелия до самых тяжелых.

Расчеты показывают» что через 5 млрд, лет ядро Солнца сожмется до плотности 10⁶ г/см³, а диаметр его будет в 100 раз меньше нынешнего поперечника Солнца. Остальное же вещество Солнца образует расширяющуюся и постепенно охлаждающуюся атмосферу, окутывающую сжавшееся ядро. Иначе говоря, Солнце превратится в красный гигант. За несколько десятков тысяч лет оболочка этого гиганта пройдет через орбиту Земли и рассеется в межзвездном пространстве. На месте же теперешнего Солнца останется сжавшееся ядро, т. е. белый карлик. Во время всех этих метаморфоз температура на нашей планете сначала возрастет до 1000 °С, а затем постепенно уменьшится почти до абсолютного нуля (-273 °С). Такая судьба ожидает Солнце и Землю, если принимаемые ныне теоретические модели звезд соответствуют действительности.

Полной уверенности в этом, впрочем, нет. Не исключено, что источником энергии Солнца и звезд служат не ядерные реакции, а совершенно иные процессы. По этой причине нынешние пессимистические прогнозы могут и не оправдаться. В этом отношении показательна история с солнечным нейтрино. Как уже отмечалось, нейтрино возникает внутри Солнца при совершающихся там ядерных реакциях. Так как эти элементарные частицы обладают фантастической пробивной способностью, поток нейтрино практически беспрепятственно должен доходить до Земли. Однако, несмотря на очень тщательные и многолетние попытки уловить солнечные нейтрино на Земле, до сих пор это не удалось.

Несколько лет назад группа астрономов Крымской астрофизической обсерватории во главе с академиком А. Б. Северным открыла, что Солнце имеет очень малые колебания с амплитудой около 10 км и периодом 2 ч 40 мин. Такие колебания могли возникнуть только в том случае, если Солнце имеет почти однородную структуру. Но тогда, по расчетам А. Б. Северного, в центре Солнца температура достигает всего 6,5 млн. градусов, чего явно недостаточно для протон-протонного цикла. Как объяснить это несоответствие, пока неясно. Однако замалчивать его бессмысленно, так как нередко из таких «мелких недочетов» рождаются великие открытия.

Массы огромного большинства звезд составляют от 0,05 до 80 масс Солнца. Но есть уникальные объекты, значительно превосходящие эту величину. В соседней с нами звездной системе (Большом Магеллановом Облаке) недавно обнаружена сверхзвезда, излучающая свет в 100 миллионов раз сильнее Солнца. Несложные расчеты показывают, что по поперечнику она в 90 раз превосходит наше дневное светило, а вещества в ней хватило бы на изготовление 3200 солнц! Современная теория внутреннего строения звезд не может объяснить устойчивость подобного образования - считается, что звезда с массой более 100 солнечных масс неизбежно развалится на части под действием «распирающего» ее изнутри светового давления. Не исключено, что некоторые квазары (квазизвездные радиоисточники) представляют собой сверхзвезды с массой в миллиарды раз больше солнечной. Теоретически объяснить устойчивость таких объектов пока не удается.

Со стороны малых масс мы, очевидно, вправе ожидать существование объектов, по массе промежуточных между наименьшими из известных звезд и наибольшими из знакомых нам планет. В 1983 г. на расстоянии всего 28 световых лет (Примеч.- Световой год - единица звездных расстояний, равен пути, который свет проходит за год, т. е. 9,46•10¹² км.) был замечен странный объект, получивший наименование «бурый карлик». Размеры его сравнимы с размерами планет, масса настолько мала, что термоядерные реакции в его недрах просто невозможны, а тусклое свечение бурого карлика возникает за счет обычного гравитационного сжатия. Этот объект, обозначенный LHS2924, излучает в основном в инфракрасной области спектра, а температура его поверхности близка к 1950 °С. Не исключено, что межзвездное пространство заполнено множеством таких бурых карликов, которых мы не замечаем из-за их крайне малой светимости.

Звезды хотя и долговечны, но не вечны. Для каждой из них неизбежно наступит момент, когда спустя миллиарды лет после рождения звезда погаснет, покроется твердой корой и в конце концов превратится в то, что принято называть «звездным трупом». Дальнейшая судьба таких бывших звезд неизвестна, хотя их существование вряд ли можно оспаривать. Известный американский астроном X. Шепли (1885-1972 гг.) назвал эти темные тела лилипутами, что вполне оправдано их малой массой.

«В конце концов,- писал он (Примеч.- Шепли X. Звезды и люди,- М.: Иностранная литература,1962.),- нам может быть удастся пронаблюдать их радиоизлучение (если эти невидимые тела обладают электрически заряженными атмосферами) или усиление их вулканической активности. Одно из таких тел может в один прекрасный день забрести в нашу планетную систему и мы сможем обнаружить его по отражению им солнечного света или по возмущениям движения наших самых внешних планет и комет».

Произойдет это событие или нет, никто, конечно, не знает. Пока же природа предоставила нам возможность изучать тела, которые долгое время считались полузвездами, сочетавшими в себе некоторые качества звезд и планет. Возглавляет их величайшая из планет Солнечной системы - Юпитер, названная именем верховного бога древних римлян.

Величайшая из планет

В 1913 г. в очередном издании своей знаменитой «Популярной астрономии» К. Фламмарион писал: «Юпитер, по-видимому, еще формирующийся мир, который недавно - несколько тысяч веков тому назад - служил Солнцем в своей собственной системе». Так можно было утверждать во времена, когда причина свечения Солнца и звезд оставалась неизвестной. Нынче мы с уверенностью можем утверждать, что Юпитер никогда не был самосветящимся. Хотя его масса в 318 раз превосходит массу земного шара, он все же «не дотянул» до звезды. Будь его масса в десятки раз больше, то давление в центре Юпитера, а значит, и температура возросли бы до значений, при которых стали бы возможными ядерные реакции. Но этого нет, и потому Юпитер - несамосветящееся тело и его блеск на земном небе является отражением солнечных лучей.

Это не мешает Юпитеру быть одним из самых доступных для изучения астрономических объектов. Даже в небольшие любительские телескопы заметно сжатие Юпитера, составляющее 1/16 (для Земли - 1/298). Причина сильного сжатия - быстрое вращение Юпитера вокруг своей оси. Сутки на этой планете продолжаются всего около 10 ч. На желтоватом, слегка сплюснутом диске Юпитера легко различимы сероватые полосы, тянущиеся параллельно его экватору. Они весьма изменчивы, и уже давно астрономы пришли к выводу, что это не детали твердой поверхности, а облака в огромной мощной атмосфере Юпитера. Газовая оболочка в разных зонах движется по-разному. Экваториальные зоны завершают оборот за 9 ч 51 мин, умеренные - за 9 ч 56 мин. Этот факт еще раз доказывает газовую природу видимой поверхности планеты.

Среди атмосферных образований Юпитера есть и такие, которые обладают редкой стабильностью. К ним относится Красное Пятно - громадная розоватая овальная область в южном полушарии Юпитера протяженностью 35000 км по долготе и около 14000 км по широте. Уже несколько веков с момента ее открытия (XVII век), положение этой области на диске Юпитера остается почти неизменным, тогда как интенсивность окраски периодически меняется. Бывают годы, когда различить Красное Пятно с Земли бывает затруднительно. Зато в 1979 г. при близком пролете космических аппаратов «Пионер-11» и «Вояджер-1» (их отделяло от Юпитера всего 300060 км) вихревая природа Красного Пятна стала очевидной. Теперь уже ни у кого нет сомнений, что Красное Пятно - это исполинский вихрь в атмосфере планеты, вращающийся вокруг оси с периодом примерно в 6 земных суток. Невольно вспоминаешь земные циклоны, длящиеся обычно несколько дней. На Юпитере же циклоны сохраняются веками (если не тысячелетиями). Не только по размерам (по диаметру Юпитер в 11 раз больше Земли), но и по масштабам всех сходных явлений величайшая из планет несравнимо превосходит та, что окружает нас в земной обстановке.

Есть и аналоги Красному Пятну. Среди других более или менее стабильных пятен выделяется Белое пятно поперечником 16000 км. Прямые наблюдения зафиксировали над ночным полушарием Юпитера многочисленные молнии. Наше воображение не в состоянии наглядно представить постоянные грозы Юпитера, ослепительные вспышки его гигантских молний и оглушительные раскаты грома, которые не вынесло бы ни одно земное ухо. Остается лишь ограничиться замечанием, что имя бога-громовержца выбрано для крупнейшей из планет очень удачно.

Долголетние и разнообразные исследования (в том числе и с космических аппаратов) доказали, что атмосфера Юпитера на 77% состоит из водорода и почти на 23% - из гелия. К этому следует добавить небольшие примеси аммиака и метана, которые одно время считали главными компонентами атмосферы Юпитера.

Весьма важным фактом для понимания природы внутренних областей Юпитера служит наличие вокруг него мощной магнитосферы. Магнитное поле Юпитера в 50 раз сильнее геомагнитного поля и противоположно ему по направлению. Как и у Земли, магнитные полюсы Юпитера не совпадают с его южным и северным полюсами. Ось магнитного поля Юпитера наклонена под углом 11° к его оси вращения.

Магнитосфера Юпитера простирается от его поверхности до границ, удаленных от планеты на 6 млн. км (это почти 90 радиусов Юпитера). Неудивительно, что вокруг Юпитера обнаружены громадные радиационные пояса протяженностью до 2,5 млн. км. Они примерно в 40000 раз интенсивнее земного радиационного пояса и излучают мощные радиоволны, обнаруженные еще на заре радиоастрономии в 1955 г. Читатель не ошибется, если предположит, что полярные сияния необычных масштабов и интенсивности - обычные явления на Юпитере. Действительно, они с полной определенностью зафиксированы с Земли. Таков вкратце общий внешний облик Юпитера, по которому приходится судить о его внутреннем строении. Впрочем, о недрах планет позволяют косвенно судить еще ряд величин, которые получают из непосредственных наблюдений.

Об одной из них мы уже упоминали. Это - сжатие, или, точнее, полярное сжатие планеты, равное отношению разности экваториального и полярного радиусов к экваториальному радиусу. Как показывает теория, оно зависит не только от скорости вращения планеты и ее плотности, но и от распределения этой плотности внутри планеты. Скажем, если бы Земля обладала равномерной, повсюду одинаковой плотностью, то ее сжатие было бы равно 1/230. В другом варианте можно представить себе Землю, в центре которой была бы сосредоточена почти вся ее масса. Этому случаю соответствует сжатие 1/576. Реальное сжатие Земли (1 /298) показывает, что плотность слагающего ее вещества возрастает от поверхности к центру.

Средняя плотность планеты - параметр, сравнительно легко определяемый из астрономических наблюдений. Масса планет оценивается по третьему закону Кеплера, или по гравитационному воздействию планет на пролетающие вблизи тела (кометы, космические станции). По угловым измерениям определяют расстояние планеты от Земли и ее объем. Частное от деления массы на объем планеты и есть ее средняя плотность. По ней можно судить о веществе исследуемой планеты.

О том, как нарастает плотность вещества планеты по мере приближения к ее центру, позволяет судить так называемый безразмерный момент инерции. Как известно, момент инерции во вращательном движении играет ту же роль, что и масса в поступательном. Если материальная точка массой m обращается вокруг центра O на расстоянии r, то ее моментом инерции J₀ называется произведение mr². Найдем момент количества движения mvr, которым обладает материальная точка m с линейной скоростью v и угловой w: mvr=mwr²=J₀w. Если система консервативна, т. е. не подвержена действию внешних сил, то по закону сохранения момента количество движения J₀w= const. Отсюда следует, что чем меньше момент инерции J₀, тем больше угловая скорость w. Этот факт проявляется во многих случаях. Когда, например, фигурист, закружившись, хочет замедлить свое вращение, он раздвигает руки в стороны. Наоборот, для ускорения вращения ему приходится сложить руки по швам. Подобно этому и спортсмены, совершающие сальто, сжимаются в комок как можно плотнее, чтобы быстрее совершить оборот. Таким образом, момент инерции характеризует распределение массы тела относительно его оси вращения и для консервативных систем он определяет скорость вращения.

Для шара радиуса R и массы М момент инерции J относительно его оси вращения J = kMR², где коэффициент k - безразмерный момент инерции. Оказывается, его значение зависит от распределения плотности внутри шара. Для однородного шара k = 0,4, для планет с уплотнением к центру этот коэффициент меньше. Значение k можно определить по движению спутников у тех планет, где они есть. Так, например, для Земли k = 0,33, для Юпитера k = 0,26. Из этого следует, что повышение плотности к центру Юпитера более значительно, чем у Земли.

На основе всех известных внешних данных о планете теоретически строится ее модель. Задача эта не имеет однозначного решения. Каждая из моделей строится прежде всего на основе предположений о химическом составе планеты в целом. В этом уже есть неопределенность, так как непосредственное определение химического состава возможно лишь для самых поверхностных слоев планет. Построенная модель планеты должна давать такое распределение масс с глубиной, которое отвечало бы измеренным сжатию, моменту инерции, средней плотности и, наконец, всему тому, что доступно непосредственным наблюдениям.

Ясно, что построение моделей планет - задача очень сложная, и решаться она может по-разному, с различной степенью приближения к действительности. Еще в 1950-1951 гг. советские астрономы академик В. Г. Фесенков и профессор А. Г. Масевич построили удачные модели всех планет-гигантов. По их вычислениям получалось, что наблюдаемые свойства этих планет легче всего объяснить, если предположить, что на 75-85 % они состоят из водорода и на 15-25 % - из гелия. Примеси остальных более тяжелых химических элементов в лучшем случае составляют несколько процентов или, скорее, доли процента. Этот теоретический прогноз оказался на редкость удачным и хорошо соответствовал последним данным о планетах-гигантах.

С тех пор теоретическое моделирование планет получило значительное развитие. Изменилась физика, большой прогресс наблюдается в теории твердых тел и высоких давлений, наука вообще стала иной за тридцать с лишним лет. Соответственно возросла и точность теоретических моделей планет. Подробно об этом можно прочитать в обстоятельной монографии В. И. Жаркова (Примеч.- Жарков В. И. Внутреннее строение Земли и планет.- М.: Наука, 1983.). Здесь же мы изложим результаты наиболее удачного современного моделирования внутреннего строения Юпитера и других больших планет (рис. 2).

Рис. 2. Внутреннее строение Юпитера (а) и Урана (б).

1 - ядро из горных пород; 2 - металлический водород; 3 - жидкий молекулярный водород; 4 - газовая оболочка (H₂, He); 5 - газово-жидкая оболочка (Н₂, Не, NH₃, СН₄); 6 - ледяная мантия (NH₃, CH₄)

В изучении этих проблем большая роль принадлежит группе сотрудников Института Физики Земли АН СССР В. П. Трубицыну, А. Б. Макалкину, И. А. Царевскому во главе с В. И. Жарковым.

По расчетам этих ученых, если принять, что внутри Юпитера отношение массы гелия к водороду такое же, как у Солнца, т. е. 20 % гелия и около 80 % водорода, то давление в центре Юпитера достигает 5 млн. МПа, а температура 25000 °С. Самый внешний слой Юпитера - газовый, состоящий почти полностью из водорода и гелия. Его толщина составляет 0,02 радиуса Юпитера. Глубже идет очень толстый слой жидкого молекулярного водорода, своеобразный водородный океан толщиной 0,22 радиуса Юпитера (его экваториальный радиус 71400 км). Поэтому надежды К. Фламмариона увидеть, как он писал, твердую «почву» сквозь прорывы в облачном покрове Юпитера - выглядят сегодня совсем несбыточными. Тем не менее твердая поверхность у Юпитера все-таки есть, только гораздо глубже.

Водородный океан, глобально омывающий Юпитер, имеет своеобразное дно. Это слой так называемого «металлического водорода», простирающегося в глубину на 0,16 радиуса Юпитера. Дно это очень «вязкое», так как резкого перехода от жидкого водорода к металлическому, по-видимому, не существует. Сам термин «металлический водород» сильно напоминает пресловутое «деревянное железо». Между тем металлический водород - вполне реальное состояние вещества. Уже на глубине около 10000 км в жидком водородном океане Юпитера давление вышележащих слоев достигает такой величины (250 тыс. МПа), что молекулярный водород переходит в металлическую фазу. Он превращается в одновалентный металл, в котором протоны и электроны существуют раздельно. По свойствам он вполне напоминает обычный жидкий металл с высокой проводимостью. При быстром вращении планеты в нем возникают кольцевые электрические токи, которые и создают необычайно мощное магнитное поле Юпитера.

Центральные области Юпитера заняты твердым железо-силикатным ядром, радиус которого составляет 0,15 радиуса Юпитера. Не исключено, что оно покрыто сплошной коркой льда или даже обычным жидким океаном, масса которого в 30 раз больше массы Земли. При весьма высокой температуре (25000°С) в центре Юпитера излучение тепла наружу неизбежно. И действительно, Юпитер получает от Солнца в 27 раз меньше тепла, чем Земля. Легко подсчитать, что, если бы это был единственный источник энергии, верхние слои атмосферы Юпитера при этом имели бы температуру - 160 °С. На самом же деле она теплее на 30 °С. Значит, их согревает тепло, идущее из недр Юпитера. Возможно, что оно служит причиной и весьма бурных процессов в его атмосфере.

В других теоретических моделях фигурируют иные числа, характеризующие толщину оболочек, но общая картина остается прежней. Некоторые исследователи полагают, что ядро Юпитера находится в сверхплотной фазе и состоит из водорода и гелия с примесями силикатов, железа и никеля, причем его поперечник не превышает 9000 км. Если это так, то у Юпитера вообще нет твердой поверхности в земном смысле слова и эта планета может считаться «несостоявшейся звездой».

Мир Юпитера - удивительный, сказочный и вместе с тем реальный. Снаружи - быстроменяющаяся облачная оболочка, окраска деталей в которой создается небольшими примесями каких-то веществ, возможно фосфина РН₃. Она скрывает огромный океан из жидкого водорода глубиной много тысяч километров. Ниже идет еще более удивительная оболочка из металлического водорода, прикрывающая какое-то очень плотное и, возможно, твердое ядро. В нашем земном опыте ничего похожего не встречалось, хотя в 1975 г. в одном из институтов АН СССР был получен металлический водород. Вероятно, уже на глубине 200-300 км в атмосфере Юпитера наступает полная тьма, господствующая, конечно, и ниже. Юпитер, крупнейшая из планет Солнечной системы, по своей природе есть нечто среднее между карликовой звездой и планетами земного типа.

Легче воды

В популярных книгах по астрономии иногда приводится забавный рисунок: в колоссальном воображаемом водном бассейне с легкостью пробки плавает Сатурн. Эта фантастическая ситуация отражает реальный факт - из всех главных планет Солнечной системы только Сатурн имеет среднюю плотность меньше единицы. Это, впрочем, не мешает ему, благодаря своему знаменитому кольцу, быть самой эффектной из планет. По размерам Сатурн уступает только Юпитеру.

Его масса в 95 раз, а поперечник в 9,4 раза превосходит земные, а сжатие (1/10) даже больше, чем у Юпитера. Сутки на Сатурне близки к 10,5 ч, а вращение атмосферы имеет такой же зональный характер, как у Юпитера. Вокруг Сатурна обращается 17 спутников.

Долгое время считалось, что кольцо, или, точнее, кольца (Примеч. -Кольца Сатурна имеют множество делений (темных промежутков), главные из которых названы именами Дж. Кассини и И. Энке.) Сатурна,- его уникальная особенность (рис. 3). За последние десятилетия выяснилось, что и другие планеты-гиганты обладают кольцами, правда, гораздо менее яркими, чем кольца Сатурна. Например, в 1979 г. с пролетных автоматических космических станций «Вояджер» вокруг Юпитера были обнаружены два кольца, состоящие из мелких камней и пыли. Оба они лежат в экваториальной плоскости Юпитера, причем внешний край большего кольца имеет радиус 126000 км, внутренний-113000 км. Кольцо очень тонкое - его толщина не превышает 1 км. Второе - внутреннее кольцо имеет аналогичную природу и почти примыкает к внешним слоям атмосферы Юпитера. Замечательно, что существование этого кольца было предсказано еще в 1960 г. киевским астрономом С. К. Всехсвятским. Оправдались и его предсказания о существовании колец Урана и Нептуна.

Что касается ярких колец Сатурна, то они были открыты еще в XVII веке, но лишь в последнее время средствами космонавтики было доказано, что кажущиеся с Земли сплошными кольца Сатурна на самом деле распадаются на великое множество узких и тонких «колечек». Как и у Юпитера, кольца Сатурна состоят из покрытых льдом камней, поперечник которых не превышает 10 м. Толщина всех колец Сатурна не превышает 2 км.

Спектральный анализ показал, что в атмосфере Сатурна присутствуют водород, метан, ацетилен и этан. Что касается содержания химических элементов, то возможно Сатурн на 90 % состоит из водорода и гелия. Спектр гелия таков, что его линии находятся за пределами видимой нам части спектра.

Рис. 3. Схема расположения колец и спутников Сатурна (R - расстояние в радиусах Сатурна)

Вокруг Сатурна существует магнитное поле, но гораздо слабее, чем у Юпитера. Его напряженность на экваторе планеты не превосходит 15,9 А/м. Магнитосфера Сатурна простирается на 35 его радиусов и по структуре схожа с магнитосферой Земли. Хотя и слабо, но Сатурн излучает радиоволны, что свидетельствует о наличии вокруг него радиационного пояса. Для Сатурна безразмерный момент инерции k = 0,26, что почти совпадает с его значением для Юпитера. Неудивительно, что сходны и модели обеих планет.

По одной из наиболее достоверных моделей толщина газовой атмосферы Сатурна близка к 1000 км. Ниже расположен глобальный океан из смеси водорода с гелием. На глубине примерно в половину радиуса планеты (60000 км) температура повышается до 10000°С, а давление до 3 тыс. МПа. Как и у Юпитера, еще ниже идет слой металлического водорода. Именно здесь при вращении планеты возбуждаются электрические токи, которые и порождают магнитосферу Сатурна. В центре Сатурна под огромным давлением и при температуре 20000°С находится расплавленное силикатно-металлическое ядро. Его масса в 9 раз превосходит массу Земли, а поперечник близок к 0,5 радиуса планеты. В модели, рассчитанной группой В. Н. Жаркова, металлический водород образуется с уровня 0,46 радиуса Сатурна и простирается до его ядра, радиус которого составляет 0,27 радиуса планеты. Это ядро подогревает всю планету и, в частности, ее атмосферу, где, как и на Юпитере, наблюдаются, правда, менее заметные, полосы и пятна.

Небольшие различия в моделях при большом общем сходстве доказывают, что по своей природе Сатурн - несколько уменьшенное подобие Юпитера.

Гиганты-близнецы

На окраине планетной системы медленно обращаются вокруг Солнца еще две гигантские планеты - Уран и Нептун. Их размеры и свойства настолько схожи, что не будет большим преувеличением считать обе планеты близнецами. Радиус Урана составляет 26200 км, что более чем в 4 раза превышает радиус Земли. Нептун чуть поменьше - его радиус 24300 км (3,18 радиуса Земли). Близки и массы этих планет - Уран «тяжелее» Земли в 14,6 раз, Нептун - в 17,2 раз. Любопытно, что при этом различии средние плотности планет почти одинаковы - 1,71 г/см³ для Урана и 1,72 г/см³ для Нептуна.

Обе планеты сравнительно быстро вращаются вокруг своих осей. На Уране сутки близки к 10 ч, на Нептуне они немного длиннее. Зато продолжительность года, т. е. период обращения вокруг Солнца, весьма различна: Уран завершает облет Солнца за 84 земных года, Нептун - за 165 лет. Таким образом, с момента открытия Нептуна (1846 г.) не прошел еще и один нептунианский год.

Ось вращения Урана почти лежит в плоскости его орбиты и потому он обходит Солнце «лежа на боку». Причина этой уникальной особенности неизвестна, но из-за нее земной наблюдатель может хорошо рассмотреть всю поверхность Урана, включая его полярные области. Несмотря на это обстоятельство, Уран, не говоря уже о гораздо более далеком Нептуне, сложный объект для наблюдений. На Уране с трудом просматриваются слабые сероватые полосы, параллельные экватору, и темно-серые круглые пятна на полюсах. На поверхности Нептуна полосы гораздо слабее и видны далеко не везде, да и то лишь в очень крупные телескопы. Уран заметно сжат (величина сжатия 1/17), чего нельзя сказать о Нептуне. Их безразмерные моменты инерции строго одинаковы (0,305).

Если бы только Солнце было источником нагрева Урана и Нептуна, то их поверхности имели бы соответственно температуры -220 и - 230 °С. Однако, судя по радиоизлучению этих планет, они несколько теплее ( - 150 и - 170 °С). Несомненно, что источником нагрева служат горячие недра этих планет. По теоретическим подсчетам в центре Урана при давлении около 600 тыс. МПа температура достигает 10-12 тыс. градусов. Недра Нептуна несколько горячее - при давлении 700-800 тыс. МПа они имеют температуру 12-14 тыс. градусов.

Судя по данным спектрального анализа, атмосферы Урана и Нептуна наполовину состоят из молекулярного водорода Н₂. Там же присутствуют метан (20 %) и аммиак (не менее 5 %). Остальное приходится на долю гелия, этана, ацетилена и, возможно, водяных паров.

Массы Урана и Нептуна примерно в 20 раз меньше массы Юпитера, но этого различия вполне достаточно для изменения внутренней структуры планеты. В отличие от Юпитера и Сатурна недра Урана и Нептуна лишь на 20 % состоят из водорода и гелия, а остальное приходится на более тяжелые элементы, входящие главным образом в железосиликаты.

Сведения об этих далеких планетах далеко не полны И потому модели их внутреннего строения носят сугубо предварительный характер. Так, по одной из них, Уран (см. рис. 2,б) и Нептун имеют твердые железосиликатные ядра, составляющие примерно 80 % массы этих планет. Поперечники этих недр близки к 16000 км, что значительно больше диаметра Земли. Каждое из ядер окружено сферическим слоем льда толщиной 8000 км. Наружные газовые оболочки Урана и Нептуна имеют толщину около 9000 км и кроме молекулярного водорода включают в себя метан, аммиак и другие перечисленные выше элементы.

По некоторым моделям, атмосфера Урана и Нептуна в нижних своих слоях под большим давлением переходит в жидкое состояние. Этот глобально водородно-гелиевый океан имеет своеобразное дно-очень толстый слой ледяной мантии, содержащий, кроме обычного льда, также твердые «льды» метана и аммиака. Не вполне ясно и состояние ядер Урана и Нептуна - некоторые астрофизики считают их жидкими.

Совсем недавно стало известно, что вокруг Урана и Нептуна есть кольца такой же природы, как у Юпитера и Сатурна. Эти открытия сделаны с помощью наземных фотоэлектрических средств при наблюдении видимых покрытий звезд этими планетами. Оказалось, что Уран окружен девятью очень узкими и тонкими темными кольцами. Их частицы чернее сажи, а ширина в среднем близка всего к 10 км. Расположены они в плоскости экватора, и край самого далекого кольца отстоит от Урана на 51000 км (почти два радиуса планеты). Никаких подробностей о кольце Нептуна пока нет - наблюдения лишь доказали его существование.

Уран и Нептун представляют собой промежуточные тела между «полузвездами», именуемыми нами Юпитером и Сатурном, и планетами земного типа.

НАША УДИВИТЕЛЬНАЯ ПЛАНЕТА

Мы живем точно во сне неразгаданном

На одной из удобных планет...

Игорь Северянин

Долгое время господствовало убеждение, что в Солнечной системе Земля - лишь одна из обитаемых планет. Фантазия неселяла разумными обитателями не только Марс, но и Венеру и даже планеты-гиганты. Космонавтика положила конец этим иллюзиям. Сегодня уже никто не сомневается в том, что мы, люди, одиноки в Солнечной системе и в этом отношении Земля уникальна. Больше того, оказалось, что остальные планеты разительно отличаются от нашей и ни на одной из них человек не смог бы существовать без искусственных средств жизнеобеспечения.

Этот факт, несомненно, связан с особенностями формирования Земли и ее эволюции как планеты. Мы живем на поверхности Земли, и это обстоятельство очень облегчает не только познание ее недр, но и выяснение всех деталей ее истории. Зарождение биосферы и ее роль в геологической истории Земли - события, определившие нынешний облик нашей планеты. Вот почему недра Земли тесно связаны с историей всех ее оболочек до атмосферы включительно. Лишь в конце этого раздела мы постараемся взглянуть на Землю извне.

Что там, внутри?

Непосредственное изучение земных недр имеет пока весьма ограниченный характер. Самая глубокая из проектируемых шахт достигает глубины всего 2 км. Ясно, что такой способ исследования недр может дать сведения лишь о самых поверхностных слоях земной коры.

Но существуют различные методы изучения недр Земли. Как известно, период колебания маятника определяется формулой

, где l - длина маятника; g - ускорение свободного падения, которое зависит от расстояния маятника до центра Земли и от центробежной силы в данной точке земного шара. Так как Земля представляет собой сплюснутый у полюсов шар, или, точнее, сфероид, его полюсы на 21 км ближе к центру Земли, чем точки экватора. Точные измерения показывают, что ускорение свободного падения на северном полюсе составляет 983,234 см/с², а на экваторе оно на 5,2 см/с² меньше. Около 2/3 этой величины вызвано вращением Земли, а 1/3 - ее сплюснутостью.

Отсюда следует, что маятник в принципе позволяет изучать форму Земли по величине ускорения свободного падения в разных точках ее поверхности. Этим занимается специальная наука - гравиметрия, в распоряжении которой есть высокоточные маятниковые приборы. Следует заметить, что ныне маятниковый метод применяется лишь для решения некоторых специальных задач. Абсолютные же измерения ускорения g выполняют методом свободного падения тел в вакууме. Так как при таких измерениях используют лазерные интерферометры и кварцевые часы, точность их весьма высока - средняя квадратическая погрешность не превышает 10^-7 м/с².

Гравиметрия позволяет измерить сжатие Земли (1/298,3), а также ее безразмерный момент инерции (0,331), что очень важно для построения модели внутреннего строения нашей планеты. Но гравиметрия способна и на нечто большее. Представьте себе два одинаковых маятника A и B. Под первым из них находятся породы повышенной плотности, например руды, под маятником В - пустота (скажем, пещера). Ясно, что маятник А будет сильнее притягиваться Землей, чем маятник В, а значит, и колебаться быстрее. Таким образом, гравиметрические приборы могут успешно выступать в роли разведчиков полезных ископаемых. С их помошью удается выяснить и некоторые детали строения земной коры.

Методами, позволяющими проникнуть в Землю до любых глубин, т. е. иначе говоря, до ее центра, располагает другая наука - сейсмология. Она изучает распространение в твердом теле Земли волн, вызванных землетрясениями - естественными или искусственными. Чтобы разобраться в причинах и следствиях землетрясений, надо вспомнить кое-что об упругости и волнах.

Если тело после снятия внешней нагрузки принимает первоначальную форму, то его называют упругим. В этом случае говорят об упругой деформации тела. Если же внешние силы необратимо меняют форму тела, то его деформация будет неупругой. Примером безусловно упругого тела является резина - недаром ее используют в различных амортизаторах. Такими же упругими свойствами обладают струна гитары, стальная пружина и ряд других твердых тел. Кусок мягкой глины или замазки может, наоборот, служить типичным примером неупругого тела.

Процесс распространения колебаний в упругой среде реализуется в виде волн, т. е. периодических перемещений частиц среды. При этом каждая из частиц колеблется около некоторого среднего положения равновесия. Когда говорят о фронте волны, подразумевают поверхность, отделяющую колеблющиеся частицы от тех частиц, которые еще не вовлечены в колебательное движение. Если фронт волны является плоскостью, то волна называется плоской, если фронт волны представляет собой сферу, то волна называется сферической. Различают волны двух типов - продольные и поперечные. В первом случае колебания отдельных частиц происходят в направлении распространения волны. В поперечных волнах частицы колеблются в плоскостях, перпендикулярных к направлению волны. В сущности, продольная волна - это чередование сгущений и разрежений упругой среды. Продольные волны возможны в газах, жидкостях и твердых телах. Что касается поперечных волн, то они наблюдаются или в твердых телах, или на границе раздела двух жидкостей, либо жидкости и газа (например, на поверхности воды). Если колебания распространяются вдоль прямой, эту прямую называют лучом. Колебания могут распространяться и вдоль кривых.

После этого краткого экскурса в область элементарной физики обратимся к тем так называемым сейсмическим волнам, которые возникают при землетрясениях, т. е. при сотрясениях земной коры, вызванных разными причинами. Самые грозные из землетрясений - тектонические, порожденные смещением отдельных участков земной коры. При этом происходит разрыв пород, образуются большие и малые трещины, часть которых выходит на поверхность Земли. Разрывы и смещения пород, слагающих земную кору, вызывают подземные толчки, отдающиеся на земной поверхности. Каждый такой толчок рождает сейсмические волны, достигающие наибольшей силы в очаге землетрясения, называемом сейсмическим очагом. В сейсмическом очаге различают гипоцентр, т. е. глубинную зону, где, собственно, и зарождается землетрясение, и эпицентр - область наибольшей силы сейсмической волны на земной поверхности. Расстояние между эпицентром и гипоцентром характеризует глубину сейсмического очага. Глубина очага тектонических землетрясений чаще всего 50-100 км, хотя бывали случаи, когда такого рода землетрясения зарождались на огромной глубине - до 800 км!

В районе действующих вулканов земная кора также сотрясается, что вызывается прорывами газов и лавы в подводящем канале вулкана. Нередко вулканические землетрясения предшествуют извержению вулкана, однако по мощности они, как правило, уступают тектоническим землетрясениям. Еще более грозны обвальные землетрясения, порождаемые обвалом больших масс горных пород. Наконец, при искусственных взрывах под землей на земной поверхности и невысоко в атмосфере возникают искусственные землетрясения.

Каждый очаг землетрясения - это область внутри Земли, из которой распространяются упругие волны разных типов. Некоторые из этих волн поверхностные, распространяющиеся вблизи земной поверхности, и их свойства, очевидно, тесно связаны со строением земной коры и подстилающих ее сравнительно неглубоких слоев. Гораздо интереснее, пожалуй, пронизывающие почти всю Землю объемные волны, к которым относятся продольные, или Р-волны (от латинского «прима», что значит «первые»), и поперечные, или S-волны (от латинского «секунда», т. е. «вторые»). Продольные волны распространяются быстрее поперечных, поэтому первыми приходят на сейсмические станции. По существу и те, и другие представляют собой звуковые волны очень низких частот. При очень сильных землетрясениях вся Земля начинает колебаться, и эти собственные колебания огромной планеты можно сравнить со звучанием исполинского колокола.

Беда в том, что ни одно ухо не воспринимает это «звучание» Земли, так как все сейсмические колебания рождают инфразвуки. Тем не менее землетрясения позволяют узнать нечто удивительное - строение земных недр, совершенно недоступных иным средствам исследования. Тот факт, что внутри Земли на больших глубинах распространяются упругие волны (рис. 4), свидетельствует о том, что большая часть земного шара находится в твердом состоянии.

Разумеется, не все землетрясения катастрофичны. Ежегодно на земном шаре происходят до 100000 землетрясений. Однако чаще всего они настолько слабы, что их удается зафиксировать лишь с помощью специальных высокоточных приборов - сейсмографов. Сейсмограф состоит из пружины и подвешенного груза с укрепленным на нем пишущим устройством. Если Земля не сотрясается, то на бумаге вращающегося барабана получается ровная линия. Любое, даже слабое землетрясение приводит груз на пружине в колебательное движение и сейсмограмма (запись на барабане) становится волнистой, неровной. Чем мощнее землетрясение, тем сильнее раскачивается груз, и тем больше амплитуда сейсмических колебаний на сейсмограмме. Применяются сейсмографы с магнитной записью и цифровой регистрацией колебаний. Сейсмограммы обрабатываются и анализируются с помощью электронно-вычислительных машин (ЭВМ).

Рис. 4. Преломление сейсмических волн внутри Земли.

1 - очаг землетрясения; 2 - внутреннее ядро; 3 - жидкое внешнее ядро; 4 - твердая мантия

Сначала сейсмограф фиксирует продольные волны- Р-волны. Через несколько секунд на сейсмографе появляется запись поперечных волн - S-волн. Их амплитуда больше, чем Р-волн, но так же, как и Р-волны, они быстро затухают. Наконец, последними приходят L-волны (от латинского «лонга» - длинные), т. е. поверхностные волны, вызывающие большие разрушения. По сейсмограмме специалист может узнать расстояние до эпицентра, мощность и другие параметры землетрясения.

В 1964 г. установлена международная сейсмическая 12-балльная шкала интенсивности землетрясений, включающая все мыслимые сотрясения Земли - от неощутимых, регистрируемых только сейсмографами (1 балл), до катастрофических, 12-балльных, вызывающих радикальные изменения рельефа (горные обвалы, изменения русел рек, образование огромных трещин в почве).

Во время слабых землетрясений из недр Земли высвобождается сравнительно небольшая энергия (10³ Дж). Зато энергия, выделяемая при катастрофических сотрясениях Земли (до 10¹⁹ Дж), равноценна одновременно взрыву сотен водородных мегатонных бомб! Недаром землетрясения считаются самыми грозными из всех природных явлений, с которыми сталкивается человек. Историки донесли до нас страшные картины древних катастроф. Землетрясение 526 г. на европейском побережье Средиземного моря превратило в груды развалин многие города и уничтожило 200 тыс. человек. В 1556 г. в китайской провинции Шаньси во время мощнейшего землетрясения погибло 830 тыс. человек. Не исключено, что древние предания о гибели Тира и Сидона, Содома и Гоморры отражают реальные события, связанные с сотрясениями Земли.

Если бы Земля была однородной, сейсмические волны распространялись бы внутри нее по прямой. Иначе говоря, сейсмические лучи были бы прямолинейны, а скорость их - одинаковой. Изменения скорости и направления сейсмических лучей внутри Земли указывают на неоднородность земных недр. Факт существования поверхностных поперечных волн свидетельствует о том, что в верхней части Земли имеется по крайней мере один слой (земная кора), отличающийся по плотности от нижележащих слоев. Детальное исследование поверхностных волн показало, что есть две разновидности, два типа земной коры. Первый тип - континентальный, характеризуется большой мощностью верхнего слоя и малыми скоростями распространения поверхностных волн. Второй тип - океанический, отличается от первого меньшей мощностью и соответственно большей скоростью распространения тех же волн.

В начале XX века удалось доказать, что, начиная с глубины 3000 км, поперечные волны распространяться не могут. На этом основании был сделан вывод, что Земля имеет ядро, находящееся в расплавленном состоянии. Позже многолетние исследования сейсмических волн в конце концов позволили представить себе достаточно четко (хотя и неполно) строение недр нашей планеты. Рисунок (см. рис. 4) напоминает своеобразную рентгенограмму Земли, причем роль рентгеновских лучей в данном случае выполняют сейсмические волны. Прежде всего бросается в глаза слоистость Земли - расслоение ее недр на ряд сферических оболочек, различных по физическим и химическим свойствам.

С погружением в недра Земли температура неуклонно возрастает, в среднем с каждым километром на на 15 °С. Расчеты показывают, что на глубине 400 км температура не превышает 1600 °С, но уже на границе ядра она, возможно, достигает 5000 °С. Из недр Земли наружу непрерывно идет тепловой поток, Земля охлаждается, отдавая свое внутреннее тепло во внешнее холодное межпланетное пространство. Изучение этого теплового потока - еще один способ познания внутреннего строения Земли. Иногда говорят о геотермии, как о науке, изучающей эту проблему. Хотя термин этот еще не устоялся, ясно, что величина и другие физические характеристики теплового потока Земли зависят от тепловых свойств пород, слагающих Землю, их толщины, пространственного расположения и других причин.

Изучение в лабораторных условиях физических свойств различных минералов, характерных для геологических пород,- сравнительно новый метод исследования недр Земли. Здесь, в лаборатории, подчас удается моделировать условия земных недр, в первую очередь высокие давления и температуру. Высокоточные измерения в сочетании с современной теорией твердого тела делают лабораторное моделирование весьма важным подспорьем для геофизиков.

Земля обладает магнитным полем, и этот факт обязан объяснить любой ученый, создающий теоретическую модель Земли. Ясно, что характеристики геомагнитного поля, определяемые экспериментально, также следует рассматривать как один из способов изучения земных недр. С этой проблемой тесно связана электропроводность земных недр, игнорировать которую, конечно, нельзя.

Земля отнюдь не изолирована от других небесных тел. В первую очередь она подвержена воздействию Солнца, чья динамическая атмосфера (солнечный ветер и корпускулярные потоки) простираются далеко за орбиту Земли. Можно сказать, что мы живем внутри Солнца и оно воздействует не только на биосферу, но и на другие оболочки Земли. Их реакции на эти воздействия в сильной степени зависят от строения земных недр.

Наконец, уникальная особенность нашей планеты - биосфера - порождение ее эволюции. В настоящую эпоху техногенная деятельность человечества оказывает весьма заметное воздействие на внешние оболочки Земли, включая сюда и земную кору. По всем этим причинам наш дальнейший рассказ о Земле будет касаться не только ее недр, но всей ее истории. Иначе трудно будет понять, как сложился нынешний облик нашей уникальной планеты.

Рождение Земли

Мы подошли к волнующему моменту в истории космоса - рождению Земли. Любая гипотеза, претендующая на объяснение этого процесса, должна прежде всего учитывать следующие особенности Солнечной системы.

Почти все планеты обращаются вокруг Солнца в одном направлении и почти в одной плоскости. Направление орбитального движения планет совпадает с направлением осевого вращения Солнца, а плоскость солнечного экватора близка к средней плоскости планетных орбит.

Системы спутников планет повторяют по крайней мере некоторые из общих закономерностей планетной системы. Правда, есть непонятные исключения - «обратные» движения некоторых из спутников планет-гигантов. Нарушают общую стройность обратное вращение Венеры, аномально большие размеры Луны в сравнении с Землей, «лежачее» положении Урана, ось вращения которого расположена почти в плоскости его орбиты, а также орбита Плутона, плоскость которой сильно наклонена к плоскости экватора Солнца. Главная же трудность для любого космогониста - объяснение непонятного распределения момента количества движения между Солнцем и планетами. По какой-то причине Солнце вращается очень медленно и потому на долю планет приходится 98 % всего суммарного момента количества движения Солнечной системы. Если Солнце и планеты когда-то составляли единое тело,- это распределение непонятно.

В истории планетной космогонии издавна наметились два пути объяснения перечисленных фактов, два типа космогонических гипотез. Эта двойственность существует и сегодня.

Планетная система возникла в результате сгущения первичной туманности, когда-то окружавшей Солнце. Это был процесс длительный, постепенный, решающую роль в котором играло гравитационное поле Солнца. Такова суть всех небулярных (Примеч.- Небулярный означает «туманный» (от латинского «nebula» - туман, облако).) гипотез, начиная со знаменитой гипотезы Канта.

Гипотезы второго типа - катастрофические. Они ведут свое начало от гипотезы Ж. Бюффона, современника И. Канта, полагавшего, что планеты возникли как «брызги» при катастрофическом падении на Солнце исполинской кометы. Во всех последующих, более правдоподобных катастрофических гипотезах сохранилась первичная идея: планетная система - это плод какой-то космической катастрофы.

Из современных небулярных гипотез наибольшей и вполне заслуженной популярностью пользуется гипотеза академика О. Ю. Шмидта. По концепции О. Ю. Шмидта, развитой исследованиями его учеников (Б. Ю. Левина, В. С. Сафронова и др.), наша планетная система и, в частности, Земля возникли несколько миллиардов лет назад в результате сгущения окружавшего Солнце допланетного газопылевого облака.

О. Ю. Шмидт показал, что «протопланетное» газопылевое облако должно превратиться в совокупность крупных, «слипшихся» из частиц облака протопланет. В самом деле, обращаясь вокруг Солнца по различным самостоятельным орбитам, частицы (их было очень много!) неизбежно сталкивались друг с другом. При этом они обменивались энергией и моментом количества движения. В результате столкновения и слипания частиц в вакууме «усреднялись» параметры их орбит. Но к слипшимся частицам присоединялись новые: как снежный ком, катящийся с горы, росли первичные зародыши планет. И чем крупнее становилось тело, тем более круговой (из-за «усреднения») была его орбита. «Усреднялись» и наклоны орбит, что в конце концов привело к «уплощению» первичного облака, к образованию планет, орбиты которых лежат почти в одной плоскости (рис. 5).

Рис. 5. Образование планет по гипотезе О. Ю. Шмидта

В близких к Солнцу областях протопланетного облака его частицы сильно нагревались и их летучие компоненты (затвердевшие легкие газы) испарялись, или, точнее, возгонялись. Поэтому вблизи Солнца образовались, небольшие тела из тугоплавких тяжелых элементов - Меркурий, Венера, Земля, Марс - планеты земного типа. Наоборот, в далеких холодных частях протопланетного облака легкие элементы (первоначально в твердом, «замороженном» состоянии) сохранились, и потому там образовались планеты-гиганты Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, в основном состоящие из водорода и его соединений. На краю протопланетного облака, где оно сходило на нет и вещества было мало, сконденсировался небольшой Плутон, О. Ю. Шмидту и его последователям удалось объяснить и ряд других закономерностей Солнечной системы, в частности эмпирический закон планетных расстояний, связывающий радиус орбиты планеты с ее номером, отсчитываемым в порядке удаления от Солнца. Как и во многих других космогонических гипотезах, в гипотезе О. Ю. Шмидта возникновение систем спутников представляется как процесс, аналогичный возникновению планет. Говоря яснее, и спутники появились как сгущения в околопланетных частях первичной туманности.

Гипотеза О. Ю. Шмидта не объяснила, однако, аномальное распределение момента количества движения в Солнечной системе (98 % на планеты и всего 2 % на Солнце). О. Ю. Шмидт считал, что протопланетное облако было захвачено Солнцем при его обращении вокруг ядра Галактики. Действительно, в межзвездном пространстве мы видим множество газопылевых облаков. Может быть, пролетев сквозь одно из них, Солнце захватило его «по пути» с собой? Расчеты, однако, показали, что вероятность такого захвата очень мала, и ни О. Ю. Шмидту, ни его сторонникам не удалось найти доказательства того, что в данном случае произошел именно захват. В настоящее время сторонники гипотезы О. Ю. Шмидта склонны считать, что газопылевое протопланетное облако скорее всего отделилось от сжимающегося и постепенно все быстрее и быстрее вращающегося Протосолнца.

Интересны космогонические идеи, выдвинутые в 1960 г. английским астрофизиком Ф. Хойлом. Представим себе Протосолнце - быстро вращающуюся вокруг оси нашу, в ту отдаленную эпоху еще совсем молодую, звезду. Если она по каким-либо причинам постепенно сжималась, то ее скорость вращения непрерывно возрастала. В конце концов наступила эпоха так называемой ротационной неустойчивости, когда под действием центробежных сил с экватора Протосолнца (его радиус был тогда, по мнению Ф. Хойла, равен радиусу орбиты Меркурия) началось истечение вещества, которое образовало протопланетное облако, имевшее форму сплющенного диска.

Допустим, что Протосолнце обладало сильным магнитным полем, а вещество протопланетного облака хотя бы частично содержало ионизированный газ. В таком случае в этом газе возникает собственное магнитное поле, взаимодействующее с магнитным полем Протосолнца. В результате между диском и центральным сгущением (будущим Солнцем) устанавливается сильное магнитное «сцепление», вследствие которого вещество диска удаляется от центра, распространяясь на всю Солнечную систему, а Протосолнце, теряя момент количества движения, продолжает сжиматься дальше и в конце концов превращается в современное, медленно вращающееся Солнце.

Значит, по Ф. Хойлу, магнитное торможение вращающегося Протосолнца окружающей его туманностью приведет к переходу момента количества движения от Протосолнца к облаку, а следовательно, и к сгустившимся из него планетам. Эта остроумная схема, объясняющая распределение момента количества движения между Солнцем и планетами, сама, однако, нуждается в дальнейшем обосновании.

Расчеты показывают, что у горячих звезд атмосфера охвачена интенсивной конвекцией и при этом магнитное поле располагается почти целиком внутри звезды. Значит, если Протосолнце было горячим, то «намагнитить» протопланетное облако оно не могло. В противном случае протопланетное облако «раскручивается» магнитным полем звезды столь быстро, что протопланетныи диск просто не успевает сформироваться и принять на себя существенную долю момента количества движения. Эти и другие недостатки гипотезы Ф. Хойла заставили исследователей искать иные схемы эволюции протопланетного облака.

Из гипотез, выдвинутых в последнее время, наиболее правдоподобной считается гипотеза Э. Шацмана (Примеч.- Подробнее см. Происхождение Солнечной системы/Под ред. Г. Ривса. Пер. с англ. и франц./Под ред. Г. А. Лейкина и В. С. Сафронова.- М.: Мир, 1976.). Она наиболее близка к старой гипотезе Лапласа, хотя в отличие от последнего Э. Шацман использует в своей гипотезе не только механические, но и электромагнитные силы.

По мнению Э. Шацмана, протопланетная туманность с самого начала находилась в состоянии конвективно-турбулентного перемешивания. Она сжималась относительно медленно и истечение вещества с экватора вращающейся туманности в протопланетный диск происходило постепенно, начиная с расстояний, соответствующих орбите Плутона, до современной орбиты Меркурия. Центральное сгущение туманности (Протосолнце) на последней стадии сжатия обладало высокой активностью. Оно выбрасывало в пространство множество заряженных частиц, которые перемещались вдоль силовых линий магнитного поля Протосолнца и двигались с его угловой скоростью до больших расстояний, тем самым замедляя его вращение. Благодаря этому «магнитному» торможению в конце концов Протосолнце передало момент количества движения протопланетному облаку, а через него планетам. Заметим, что в гипотезе Э. Шацмана масса протопланетного диска лишь на 10 % превышала современную массу Солнца, что, по мнению В. С. Сафронова, облегчает дальнейшее теоретическое обоснование этой гипотезы.

Трудности, возникшие при объяснении происхождения и эволюции протопланетного облака, заставляют некоторых исследователей искать решение проблемы образования планет в другом направлении.

Может быть, формирование планетной системы шло подобно образованию галактик и звезд по В. А. Амбарцумяну, т. е. из каких-то сверхплотных тел? Не возникли ли Земля и планеты в результате каких-то катастрофических взрывов, вызванных распадом дозвездного вещества? Подобные идеи защищал известный советский исследователь комет С. К. Всехсвятский. «Имеется много оснований считать первичные планеты (протопланеты),- пишет он,- телами звездной природы... Солнце могло быть компонентом двойной системы, сохранившимся после того, как второй компонент разделился на более мелкие части в результате взрыва...» (Примеч.- Проблемы современной космогонии/Под ред. В. А. Амбарцумяна.- М.: Наука, 1972, стр. 378-379.).

Действительно, планеты-гиганты и Солнце близки по химическому составу. У планет земного типа легкие элементы могли улетучиться в процессе эволюции. Известны звезды в двойных системах, по массе близкие к крупным планетам. Значит, гипотетический спутник Протосолнца по массе мог быть близок к суммарной массе всех планет. Взрыв этого спутника (и здесь гипотеза С. К. Всехсвятского смыкается с идеями В. А. Амбарцумяна), вероятно, произошел за счет взрывообразного превращения находившегося внутри него дозвездного вещества. «Осколки» спутника были малы и потому они быстро охладились, в результате чего возникли сложные молекулярные соединения и твердые оболочки будущих планет. «Дальнейший процесс,- пишет С. К. Всехсвятский,- должен был иметь характер отдельных подъемов активности, когда накапливающиеся под корой газы прорывали ее. С течением времени оболочка метаморфизировалась, усложнялась, что приводило ко все более длительным промежуткам активности и, следовательно, накапливанию большей энергии разрушений...»(Примеч.- Проблемы современной космогонии...).

И сегодня, как показал С. К. Всехсвятский во многих своих работах, в Солнечной системе наблюдаются эруптивные, взрывные процессы - по его мнению, проявление остатков «звездной» энергии у ныне затвердевших планетных тел. Конечно, схема образования Земли, предложенная С. К. Всехсвятским, лишь первая и пока что мало чем обоснованная попытка связать идеи В. А. Амбарцумяна об эволюции звезд и галактик с современной планетной космогонией. Следует подчеркнуть, что гипотеза О. Ю. Шмидта ценна, в частности, тем, что она лучше, чем любые другие гипотезы, согласуется с фактами.

По одному из вариантов эволюции Солнечной системы, рассчитанному учеником О. Ю. Шмидта В. С. Сафроновым, в протопланетном облаке уже в первичную эпоху его существования произошло разделение пыли и газа, причем пыль постепенно оседала к центральной плоскости планетной системы. Одновременно росли размеры пылинок примерно до 1 см в поперечнике. Следовательно, в экваториальной плоскости Солнца скопился плотный слой пыли. При достаточно высокой «критической» плотности этот слой распался на кольца, из колец возникли сгущения - планетезимали. На расстоянии земной орбиты их поперечники в среднем достигали нескольких десятков километров, в зоне будущих планет-гигантов они были гораздо больше (сотни тысяч километров в диаметре).

Планетезимали уплотнялись, крупные из них росли за счет мелких и в конце концов за десятки тысяч лет превратились в твердые тела. Рост планет до современных размеров продолжался гораздо дольше (для Земли около 100 млн. лет). Возможно, что из зоны планет-гигантов много твердого вещества было выброшено на периферию Солнечной системы. Другие планетезимали еще очень долго падали на поверхности формирующихся планет. Их падение на Землю приводило постепенно к разогреву земных недр.

Все же многое в рождении Земли остается пока неясным. Но как бы ни возникла Земля, роль Солнца в ее рождении и дальнейшей эволюции была огромной. Его поле тяготения (и магнитное поле), его различные излучения определяют всю историю Земли.

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 3000 °С. 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 °С. 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 °С, а средняя температура Земли была близка к 1000 °С. 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.

Эта грубая схема эволюции Земли в довоенные годы казалась настолько очевидной, что всякие идеи о первичном холодном состоянии Земли отвергались с порога как чудаческие. Сегодня «горячие» космогонические гипотезы оцениваются иначе. Многое в них представляется неясным. Прежде всего неясно, как именно отделилось горячее газовое облако от Солнца или от взорвавшейся его звезды-спутника. Пока что есть лишь общие качественные рассуждения, не подкрепленные количественными расчетами. Зато имеются расчеты, показывающие, что газовое облако массой, примерно равной массе Земли, скорее должно было рассеяться в пространстве, чем сгуститься в жидкую планету. Есть и другие серьезные возражения против «горячего» рождения Земли. В свое время они были сформулированы еще О. Ю. Шмидтом (Примеч. - См. Шмидт О. Ю. Избранные труды.- М.: Наука, 1960.).

«Горячий» вариант рождения Земли хорошо объясняет высокую температуру ее центральных областей (остывание первичной огненно-жидкой Земли шло с поверхности). Но зато непонятно, почему до сих пор продолжается дифференциация, «утряска» вещества Земли: ведь в огненно-жидкой массе уже давным-давно тяжелые вещества опустились бы к центру, а наиболее легкие сконцентрировались бы у поверхности.

Таким образом, проблема происхождения Земли пока не может считаться окончательно решенной. Однако для нас сейчас, пожалуй, наиболее важно другое. И «горячая» и «холодная» схемы догеологического развития Земли приводят к выводу о неизбежном расслоении земного шара. Именно такой, расслоившейся на геосферы, и предстает Земля перед современным геологом.

Геосферы

Здесь мы пока нарушим историческую последовательность изложения и изобразим нашу планету такой, какой мы ее представляем сегодня.

Форма Земли сложилась в результате взаимодействия гравитационных и центробежных сил. Лишь в первом, самом грубом приближении можно говорить о земном шаре с поперечником около 13 тыс. км. Более точно Земля представляет собой эллипсоид вращения. В настоящее время от идеи трехосности Земли отказались, так как трехосный эллипсоид с осями а, b, с будет устойчивым телом только когда а значительно больше b и с, чего на самом деле нет. Представьте себе поверхность, нормали к которой в каждой ее точке совпадают с отвесными линиями. Такая поверхность называется уровенной. Уровенная поверхность, которая в открытом море совпадает с поверхностью свободной покоящейся воды, называется геоидом. Эта поверхность замкнута. На материках она выше поверхности воображаемого земного эллипсоида, в океанах - ниже. Разность уровней геоида и наиболее близкого к нему по форме и размерам эллипсоида, как правило, меньше 100 м. Геоид считается наилучшим приближением к найденной форме Земли.

В состав твердого тела Земли входят все элементы таблицы Менделеева. Однако в наибольшем количестве на нашей планете встречаются кислород, кремний и алюминий.

Рис. 6. Некоторые из геосфер Земли.

1 - кора; 2 - поверхность Мохоровичича; 3 - верхняя мантия; 4 - мантия; 5 - внешнее ядро; 6 - ядро

В результате длительной дифференциации вещества произошло расслоение тела планеты и образовались оболочки, «вложенные» концентрически друг в друга,- геосферы (рис. 6). Границы между ними в недрах Земли выявлены с помощью геофизических методов. Во время землетрясений ударные волны пронизывают недра земного шара и на границах геосфер частично меняют скорость своего прохождения, частично отражаются от поверхности раздела. На специальных сейсмических станциях сейсмографы улавливают эти волны, а исследователи, определяя по данным нескольких станций центр землетрясения, устанавливают, на какой глубине находятся поверхности раздела и через какие породы прошли ударные волны.

Рис. 7. Строение Земли по данным 1986 г.

1 - кора; 2 - поверхность Мохоровичича; 3 - литосфера; 4 - астеносфера; 5 - верхняя мантия (слой В); 6 - средняя мантия (слой С или слой Голицына); 7-нижняя мантия (слой D); 8-жидкое ядро (слой Е); 9 - переходный слой (F); 10 - твердое ядро (G).

В настоящее время выделяются следующие оболочки Земли (рис. 7). В центре земного шара обособлено ядро, граница которого проходит на глубине 2920 км от поверхности планеты. Ядро имеет сложное строение: выделяется внешнее ядро - между 2920 и 5000 км глубины, переходная зона (между 5000 и 5150 км) и внутреннее ядро, занимающее центральную часть Земли (его радиус 1250 км). Центральная часть ядра состоит из вещества плотностью около 17 г/см³, которое находится под давлением до 3,5 тыс. МПа при температуре в несколько тысяч градусов (разные подсчеты дают температуры от 3 до 8 тыс. градусов).

Переходный слой ядра характеризуется быстрым ростом скорости сейсмических волн, что вызвано, очевидно, переходом твердого состояния вещества в жидкое. Можно сказать, что переходный слой и центральное ядро реагирует на сейсмические волны как твердое тело с упругостью вдвое большей, чем упругость стали. Плотность внешнего слоя ядра значительно меньше, чем в центральной части,- от 9,4 до 11,5 г/см³, скорости сейсмических волн здесь по сравнению с вышележащими слоями резко уменьшаются, но появляется высокая электропроводность. Вообще же внешний слой ядра реагирует на сейсмические волны как жидкая среда и, очевидно, вещество здесь находится в расплавленном или во всяком случае в пластичном, текучем состоянии. Предполагается, что из-за этого во внешнем ядре существует конвективное перемещение веществ, что обусловливает наличие электротоков в ядре и магнитного поля Земли.

Ранее считалось, что ядро нашей планеты состоит преимущественно из железа, но исследования последних десятилетий выявили ряд трудностей в объяснении свойств ядра, некоторые геохимические и космогонические несообразности, если ядро действительно имеет такой состав. Поэтому от идеи железного ядра в настоящее время отказались. Ныне всем представлениям об эволюции Земли как планеты соответствует ядро, состоящее из смеси 70 % кремния и 30 % железа. Возможно, на ранних этапах развития Земли к этому составу примешивался еще калий, который впоследствии переместился в более высокие слои.

Ядро окутывается мантией, от которой его отделяет резкая, хорошо «прощупываемая» граница. Мантия имеет сложное строение. Между глубинами от 400 до 2900 км находится так называемая нижняя мантия, в которой на глубине около 1000 км выявляется неопределенная, как бы «размытая» промежуточная граница. Ниже этой границы вещество мантии однородно по составу, скорости сейсмических волн здесь растут незначительно. Сравнение механических свойств нижнего слоя мантии со свойствами образцов пород, исследованных в лаборатории, дает возможность предположить, что основными породообразующими соединениями здесь являются оксиды магния, кремния и железа. Слой мантии между глубинами 400-1000 км отличается резким возрастанием скорости сейсмических волн, но в нем отмечаются какие-то неоднородности. Ученые думают, что это связано либо с изменением химического состава земного вещества, либо с фазовыми переходами вещества из одного состояния в другое.

Детальные исследования позволили ученым выделить в мантии Земли еще один слой, который играет важную роль в тектонической и вулканической жизни нашей планеты. Этот слой имеет верхнюю границу на глубине 100-120 км под континентами и 50-60 км под океанами, нижняя же проходит соответственно на глубине от 250 до 400 км. Лабораторные эксперименты, проведенные в условиях, соответствующих температурам и давлениям на таких глубинах, показали, что вещество этого слоя может находиться в аморфном, близком к расплаву состоянии или, как считают некоторые исследователи, является смесью твердых и частично расплавленных пород. Возможно, что в их состав входят богатые железом и обогащенные магнием породы.

Как бы то ни было, но вплоть до нижней границы этого слоя проникают разломы вышележащей земной коры и здесь сосредоточены очаги подавляющего числа глубокофокусных землетрясений. По-видимому, вдоль трещинных зон снимается часть давления и «твердые расплавы» описываемого слоя переходят в жидкое состояние, поднимаются по трещинам, образуя лавовые очаги, питающие вулканы. С течением же пластичного вещества этого слоя, вероятно, связаны и напряжения вдоль разломов, приводящие к землетрясениям. Наконец, сторонники так называемых мобилистских гипотез (о них мы еще скажем далее), утверждающие, что либо отдельные блоки, либо целиком самая верхняя оболочка земного тела - литосфера (каменная сфера) - скользят по подстилающим породам, полагают, что как раз пластичные, полурасплавленные породы «ослабленного» слоя (его так и назвали - астеносфера, от греческого «астенос» - слабый, ослабленный) и делают возможными «горизонтальные» перемещения блоков литосферы.

Самый верхний, относительно тонкий слой мантии называют верхней мантией. Этот слой состоит из кристаллических пород. Данные последних лет позволяют предположить, что состав этого слоя неоднороден под океанами и континентами. Плотность вещества мантии в целом постепенно с глубиной растет от 3,3 г/см³ у ее верхней границы до 5,2 г/см³ у нижней. На границе мантии и ядра, где давление достигает приблизительно 1,3 тыс. МПа, плотность вещества Земли увеличивается До 9,4 г/см³.

Последняя твердая оболочка нашей планеты - земная кора, или литосфера, имеет сложное строение. По составу она неоднородна (и по вертикали и по горизонтали). Верхней ее границей служит поверхность Земли со всеми формами рельефа, а нижней - поверхность Мохоровичича, названная так по имени югославского геофизика А. Мохоровичича, обнаружившего эту границу. Залегает она на различной глубине, как бы зеркально отражающей рельеф земной поверхности. Так, под высочайшими горными областями поверхность Мохоровичича располагается на глубине до 80 км, под равнинами находится не глубже 30-40, максимум 55 км, а под океанами - на глубине до 10 км.

В грубом приближении земная кора трехслойна: в основании ее залегает так называемый базальтовый слой, мощность которого в среднем около 20 км, выше - присутствующий только в цоколе континентов гранитный слой мощностью до 10-15 км, наконец, верхний чехол литосферы образуют рыхлые осадочные породы, мощность которых в континентальных областях колеблется от нескольких сотен метров до 20 км, а в океанах - не превышает 2 км. На деле же строение коры гораздо сложнее, так как и базальтовый, и гранитный слои, не говоря уже об осадочном чехле, состоят из серий напластований различных магматических, вулканогенно-осадочных и осадочных измененных (метаморфических) пород. Соответственно и плотность этих слоев варьирует: у пород базальтового типа в среднем около 2,85 г/см³, гранитного - 2,65 г/см³, у осадочных пород плотность может быть еще меньше.

Еще большим разнообразием состава земная кора отличается в горизонтальном направлении. Выше отмечалось, что под океанами наблюдается только один слой - базальтовый, прикрытый ничтожными накоплениями осадочных пород. Мощность коры под океанами не превышает 5-10 км. На континентах же добавляются еще толща пород гранитного состава или, как их называют, гранитоидов, и мощные толщи осадочных образований разного типа: обломочные (глины, пески, галечники) и сцементированные обломочные породы (аргиллиты, пелиты, гравелиты, песчаники, конгломераты и т. п.), вулканогенные (вулканические лавы, пеплы, скопления вулканических бомб, туфов), галогенные осадки (соли, известняки, гипсы и т. п.) и биогенные (органогенные известняки, устричники, опоки, нефть, уголь и другие) породы.

Все эти осадки, в разной степени литофицированные (окаменевшие), перемятые тектоническими силами или спокойно лежащие, обладают разными пластичностью, жесткостью и другими механическими свойствами, различно реагируют на действие тектонических сил, а поэтому земная кора неизбежно должна была распасться на более или менее обособленные блоки. Это и наблюдается в действительности, причем, как правило, каждый из таких блоков так или иначе определяет форму земной поверхности или ее рельефа. Поэтому на земной поверхности выделяются прежде всего основные формы рельефа, как бы образующие лик Земли. Его-то раньше других деталей может увидеть космический наблюдатель. Это выступы континентов и впадины океанов. Однако и эти основные формы поверхности также сложно дифференцированы.

Прежде всего и кора впадин океанов, и кора материковых выступов разбиты сложной сетью глубоких трещин, в основном близких к меридиональному и широтному простираниям. Эти трещины своими корнями уходят на большую глубину - до нижней границы астеносферы, а в некоторых случаях еще глубже, в верхнюю часть нижней мантии. Как правило, такие трещины приурочены к границам материковых массивов и океанических впадин (например, кольцевая зона разломов вдоль побережий Тихого океана) или к горным поясам вроде Альпийско-Гималайского, Уральского и др. В этом случае горные пояса представляются чем-то вроде швов, залечивших старые раны. Наиболее «свежими» из разломов такого масштаба являются знаменитые рифты вдоль осей срединно-океанических хребтов, общая протяженность которых не меньше 60-70 тыс. км. На суше аналогом таких рифтов являются известные Восточно-Африканские разломы. Первоначальной причиной таких разломов являлся, вероятно, ротационный эффект, ведь скорость вращения различных точек земного шара на разной широте неодинакова: на экваторе она больше, чем у полюсов. При горизонтальной неоднородности строения земной коры в этих условиях трещины неизбежны.

Кроме рифтовых зон, дно океана расчленено также подводными горными странами, плато и цепочками вулканических гор на отдельные равнинные участки океанических котловин, которые могут быть аналогами континентальных платформенных равнин. Континенты же пересекают в субмеридиональном и субширотном направлениях так называемые геосинклинальные зоны, в которых некогда накапливались колоссальные толщи (до 20 км) осадочных пород. Впоследствии они смялись в складки и превратились в горные системы.

Таков общий характер поверхности литосферы - результат длительного развития Земли как планеты. Осталось сказать об остальных оболочках земного шара.

Океанические впадины и окраины материков заняты водными массами океанов и морей. Вместе с континентальными водоемами и реками, а также подземными водами эти массы образуют жидкую водную оболочку или гидросферу. Океаны и моря занимают около 71 % поверхности нашей планеты и делят сушу на шесть крупных материковых массивов. Средняя глубина Мирового океана - около 3800 м при максимальной 11034 м (в Марианской впадине). Воды океанов играют исключительную роль в тепловом балансе Земли: медленно нагреваясь, они в теплом сезоне аккумулируют солнечное тепло и также медленно отдают его в атмосферу, нагревая массы воздуха, в то время как суша нагревается и быстро теряет тепло, не аккумулируя его. Не случайно, по новейшим данным, лишь несколько процентов тепла дает суша, а львиная доля поступает из океанов.

Пары воды, поступающие в атмосферу с водной поверхности, «прозрачны» для коротковолнового излучения Солнца, но почти полностью поглощают встречное тепловое излучение Земли, препятствуя охлаждению атмосферы. Вода на Земле играет огромную роль в поддержании жизни: все жизненно важные процессы в организмах происходят в водных растворах.

Ежегодно реки выносят с суши в Мировой океан около 35•10¹⁴ г минерального вещества. Из этого количества 18•10¹⁴ г выпадает в осадок, а 17•10¹⁴ г переходит в раствор. Так как круговорот воды - испарение, выпадение осадков на сушу и сток их в моря и океаны - существует на Земле уже миллиарды лет, возможно, из-за этого растворимого «остатка» вода Мирового океана стала соленой. Морская вода содержит около 50 химических элементов, средняя ее соленость - 35 %о (т. е. на 1 кг воды - 35 г солей), а общее количество растворенных в ней солей оценивается в 4,5•10²² г. Это непочатый еще источник необходимых человечеству элементов.

Наконец, последней из классических оболочек Земли является атмосфера. Классической ее можно назвать потому, что сейчас уже можно говорить и о геофизической ее оболочке - магнитосфере. Масса всей атмосферы (5-16)•10²¹ г, столб воздуха над 1 см² поверхности Земли имеет массу (или давит с силой) около 1 кг (отсюда внесистемная единица давления - 1 атмосфера), но давление атмосферы уменьшается с высотой. Соответственно с высотой быстро уменьшается плотность атмосферы: около 50 % всей массы атмосферы сосредоточено в ее нижнем пятикилометровом слое, 75 % - в десятикилометровом и 90 % - в шестнадцатикилометровом. Четкой верхней границы атмосферы не существует: она с высотой постепенно сходит на нет и следы ее обнаруживаются еще на высоте более 10000 км.

Воздух - механическая смесь многих газов. По объему в этой смеси азот составляет 78,08 %, кислород - 20,95 %, аргон - 0,93 % и углекислый газ - 0,03 %. На остальные газы (неон, гелий, криптон, водород и т. д.) остается менее 0,01 %. Состав воздуха не зависит от места и времени, он удивительно постоянен.

По законам физики атмосфера должна была расслоиться по удельному весу газов, но этого не происходит, так как до высоты 100-120 км действует турбулентное (произвольное) перемешивание воздуха. Эту часть атмосферы называют областью полного перемешивания или гомосферои. Выше 100-120 км располагается зона, в которой скорость диффузного разделения газов выше, чем скорость турбулентного перемешивания. Поэтому здесь до высоты 200-250 км преобладает азот, а от 200-250 до 500-700 км - атомарный кислород. В годы «спокойного» Солнца с высоты 500- 600 км, а в годы его активности - с 1000-1500 км основными составляющими воздуха явяются гелий и водород. Этот «слоеный пирог» атмосферы (от 100- 120 км высоты) из-за множественности слоев называют гетеросферой (рис. 8). Самая внешняя зона атмосферы состоит исключительно из атомарного водорода и называется водородной геокороной. Следы ее прослеживаются на несколько земных радиусов.

Рис. 8. Строение земной атмосферы.

1 - уровень моря; 2 - тропосфера; 3 - тропопауза; 4 - стратосфера; 5 - стратопауза; 6 - мезосфера; 7 - мезопауза; 8 - термосфера; 9 - главный максимум ионизации; 10 - экзосфера; 11 - ионосфера

В атмосфере всегда содержатся пар и различные газообразные загрязнения: выделения вулканов, промышленных предприятий, средств транспорта. Впрочем, последние источники загрязнения пока что «портят» воздух только в самых нижних, приземных слоях областей, локализованных около промышленных центров и крупных жилых массивов. В этом отношении атмосфера находится в несколько лучшем положении, чем почвенный покров литосферы и гидросфера.

Важную роль играют водяной пар, озон и углекислый газ, содержащиеся в атмосфере. В полярных районах в приземном слое влаги содержится около 0,2%, а в экваториальных - около 3 %. Увеличение концентрации влаги уменьшает объем других газов, поэтому в районах с большой влажностью воздуха в одном и том же объеме меньше азота, кислорода и других газов, чем в сухих районах. Плотность водяного пара быстро убывает с высотой: вдвое - на высоте 2 км, в 10 раз - на уровне 6 км, в 100 раз - на высоте около 8 км, а выше 10-15 км она ничтожно мала. Водяной пар непрерывно поступает с поверхности Мирового океана. На испарение 1 г воды расходуется 2255 Дж тепла. Турбулентное перемешивание распределяет пар над всей поверхностью Земли. В отдельных местах происходит насыщение атмосферы, пар конденсируется, образуя облака. При этом выделяется тепло, затраченное на испарение, нагревающее окружающую атмосферу. Выпадение осадков завершает круговорот влаги в атмосфере.

Концентрация озона (ионизированного трехатомного кислорода) наибольшая на высоте 20-30 км, выше - уменьшается и сходит на нет на высоте 70 км. Количество его составляет менее одной миллионной доли от массы атмосферы, но роль его огромна: озон не пропускает ультрафиолетовое излучение Солнца, опасное для жизни.

Когда говорят о физических свойствах атмосферы, обычно разделяют ее на ряд слоев. Так, говоря об электрических свойствах, выделяют ионосферу, в которой атомы воздуха ионизированы. Ионосфера состоит из нескольких слоев и играет роль экрана, отражающего длинноволновое радиоизлучение.

По температурным характеристикам в атмосфере выделяют (снизу вверх) тропосферу, стратосферу, мезосферу и термосферу. Тропосфера - прилегающий к земной поверхности слой, в котором температура уменьшается с высотой равномерно - в среднем на 6,5 °С на 1 км. Тропосфера содержит 80 % массы атмосферы и практически почти весь водяной пар, в тропосфере формируется погода. Стратосфера простирается до высоты 50-55 км. В нижней ее части температура более или менее постоянна, но выше 25 км она понижается до 0-10 °С. Распределение температур в стратосфере зависит от времен года и широты: летом она понижается при движении от полюсов к экватору от -45 до -70 °С, зимой самые высокие температуры приурочены к умеренным широтам. Но в верхней зоне атмосферы летом в экваториальной и полярных областях температура одинакова, а в остальные времена года всегда снижается от экватора к полюсам. В мезосфере температура падает с высотой. В отличие от стратосферы в мезосфере развиты турбулентные движения воздуха. Зимой здесь отмечаются максимальные температуры, а летом - минимальные. Выше располагается термосфера. Температура в ней быстро повышается от - 90 °С на рубеже 90 км до 1000-2000 °С на высоте 400 км. Выше температура воздуха в общем постоянна.

К геосферам можно отнести также магнитное поле Земли. Мы уже упоминали, что, по современным воззрениям, электрические токи, возбужденные конвективными движениями во внешнем ядре нашей планеты, порождают геомагнитное поле. Конвективные потоки ядра, очевидно, двойные, с противоположным направлением, ведь Земля представляет собой магнитный диполь - двухполюсный магнит. Направление токов в ядре, видимо, параллельно экватору, так как направление силовых линий геомагнитного поля почти перпендикулярно к направлению осевого вращения планеты. Ось земного диполя или магнитоида, вероятно, несколько смещена относительно оси вращения Земли, так как магнитные полюсы ее не совпадают с географическими: северный магнитный полюс ныне располагается в арктическом архипелаге Канады, на 75° северной широты и 259° восточной долготы, а южный - на 68° южной широты и 140° восточной долготы. Кроме того, магнитные полюсы не остаются на месте, а перемещаются по сложной кривой, очевидно, вокруг географических полюсов.

Рис. 9. Магнитосфера Земли

1 - магнитосфера; 2 - граница магнитосферы; 3 - ударная волна; 4 - солнечный ветер; 5 - межпланетное магнитное поле; 6 - область высокой напряженности

Магнитное поле Земли в общем имеет тороидальную форму (т. е. форму бублика) и напряженность в среднем 39,8 А/м (рис. 9). Однако напряженность геомагнитного поля испытывает периодические колебания: суточные, месячные, годовые, вековые. Изучение остаточной намагниченности пород прошлых времен позволило установить, что имеются еще более длительные периоды колебания напряженности геомагнитного поля. Так, существует цикл в 8000 лет, за время которого напряженность поля меняется в 2-3 раза, намечаются еще более длительные циклы. Но самыми интересными и важными по последствиям являются периоды инверсий: примерно через каждые 1,5-2 млн. лет происходит смена магнитных полюсов - северный полюс становится южным и наоборот. В период такой инверсии магнитное поле Земли на время практически исчезает совсем.

Существуют аномалии геомагнитного поля. Обычно они связаны либо со скоплением магнитных руд (Курская магнитная аномалия), либо с тектонически и вулканически активными областями. Существенное воздействие на магнитное поле Земли оказывает Солнце, особенно в период своей активности. Под влиянием магнитного поля Солнца и так называемого солнечного ветра - потоков солнечной радиации - геомагнитное поле на стороне, обращенной к Солнцу, сжато, а на противоположной - вытянуто в виде хвоста, простирающегося на десятки диаметров Земли. Часто оно подвергается возмущающим влияниям Солнца, что существенно сказывается на погоде и, очевидно, на жизнедеятельности организмов.

Геомагнитное поле играет огромную роль в жизни Земли, ограждая ее поверхность от космического излучения. Земной магнитный тороид служит для него ловушкой на пути к поверхности планеты. Космические частицы (протоны, электроны, ядра атомов и т. п.), попадая в земной магнитный тороид, образуют вокруг Земли пояса радиации на расстоянии от 300 (в полярных областях) и 1000 км (в экваториальной области) до 60 тыс. км. Все это в целом обычно называют магнитосферой Земли.

Можно еще говорить о грависфере нашей планеты, т. е. о ее поле тяготения, влияние которого теоретически простирается на Вселенную и которое привязывает к нам нашу спутницу Луну; можно говорить и о грависферах многочисленных космических тел, также воздействующих на Землю.

Для нас имеет жизненно важное значение, кроме литосферы, гидросферы и атмосферы, за счет которых мы живем, еще одна оболочка - биосфера. Биосфера, порожденная взаимодействием глубинных процессов на Земле и ее поверхности, играет важнейшую роль в жизни планеты.

Загадки прошлого Земли

С тех пор, как завершилось формирование Земли как планеты, началась перестройка и ее внутреннего строения, и ее внешнего облика. Но какие процессы являются ведущими в этой перестройке, единого мнения нет и по сей день. Со времен, когда первозданная Земля представлялась в виде остывающего огненно-жидкого тела, проблема ее эволюции решалась просто: процесс остывания начался с поверхности; сначала образовалась земная кора, которая по мере уменьшения объема остывающей Земли трескалась, сминалась в складки, отдельные ее участки опускались и таким образом произошло разделение поверхности планеты на океаны и континенты и возникли горы. В еще расплавленном теле вещество под влиянием силы тяжести дифференцировалось по удельному весу: тяжелые элементы и соединения «тонули», легкие «всплывали» и вырывались на поверхность в виде лавовых потоков.

В такой или немного иной модификации в области космогонии эта гипотеза господствовала с середины XVIII века вплоть до начала второй мировой войны. Однако уже с конца XIX века начали накапливаться факты, которые противоречили этой схеме. Уже в 1870 г. англичанин Р. Проктор опубликовал идею о происхождении Солнечной системы из скопления метеоритов. Эту идею подхватили английские астрономы Г. Локайер, Дж. Дарвин (сын Ч. Дарвина) и австралиец Д. Мультон. Но Д. Мультон и известный американский астрофизик Т. Чемберлен полагали, что Солнечная система возникла из роя мельчайших планетных тел - планетезималей, вращающихся вокруг центральной туманности по спирали, сталкиваясь друг с другом. Из центральной туманности сформировалось Солнце, а из планетезималей - планеты. Таким образом, идея первоначально холодной Земли и других планет возникла более 100 лет назад. Согласно этой гипотезе, разогрев планет представлялся на стадии их формирования как результат перехода энергии движения в тепловую, а затем за счет энергии гравитационного сжатия. В соответствии с этим предполагалось, что вначале диаметр планеты рос и за счет присоединения к ней планетезималей, и за счет разогрева. На более поздних этапах развития планеты сжимались пульсационно: при остывании их диаметр сокращался, поверхнось собиралась в складки гор, а, сжимаясь, планеты вновь расширялись за счет разогрева. Предполагалось, что таких этапов было несколько (Примеч.- См. Гангнус А. А. Тайны земных катастроф.- М.: Мысль, 1985.).

Хотя гипотеза огненно-жидкой Земли оставалась господствующей, идея первоначально холодной Земли не умирала; вскоре было показано, что одной энергии сжатия для разогрева до существующих температур недостаточно. Положение изменилось в 20-х годах нашего века, когда англичанин Дж. Джоли выдвинул идею радиоактивного разогрева планет. И хотя сам Дж. Джоли исходил из первоначальной модели огненно-жидкой Земли, идея радиоактивного разогрева сыграла большую роль в становлении теории холодного происхождения планет. В 30-х годах возродилась пульсационная гипотеза Д. Мультона и Т. Чемберлена на основе представлений о радиоактивном разогреве Земли. Периодически накапливалось радиоактивное тепло, затем в процессе расширения, когда оживали трещины и резко активизировались вулканизм и тектонические процессы, излишнее тепло расходовалось, начиналась стадия сжатия.

В таком виде историю Земли после ее возникновения представляли себе большинство геологов примерно до середины XX века. Из известных советских ученых эту концепцию поддерживали В. А. Обручев, М. М. Тетяев и далее разрабатывали ее В. В. Белоусов, А. В. Хабаков. Она неплохо объясняет многие факты тектонической истории Земли и некоторые, морфологические особенности ее поверхности.

В 1910 г. А. Бем выдвинул ротационную гипотезу эволюции земного шара. Эту гипотезу в СССР особенно поддерживали и развивали с 1931 г. Б. Л. Личков, а с 1951 г. - М. В. Стовас. Сторонники этой гипотезы считают, что осевое вращение Земли, ее собственное гравитационное поле, а также гравитационное взаимодействие Земли, Луны и Солнца - факторы, во многом определяющие историю развития нашей планеты. Известно, что приливное трение постепенно замедляет вращение Земли. Всякое же перераспределение масс внутри Земли тотчас же отзывается на ее осевом вращении. С концентрацией масс у оси вращения его скорость увеличивается, в противном случае, наоборот, уменьшается. Эти переходы нередко совершаются резко, скачкообразно, и хотя колебания осевой скорости Земли ничтожны, они могут вызвать значительные напряжения в твердом теле Земли, что приводит к разрывам и смещениям отдельных участков земной коры.

Гипотеза, разрабатываемая в СССР с 1954 г. В. В. Белоусовым, отводит решающую роль эволюции Земли процессу глубинной дифференциации слагающего Землю материала. В самом деле, в общем однородная вначале Земля за несколько миллиардов лет своего существования расслоилась на геосферы и обрела еще две оболочки, которых не было у первозданной планеты)- гидросферу и атмосферу. Очевидно, что дифференциация земного вещества продолжается, до сих пор происходит расслоение древнейших геосфер - ядра и мантии. Дифференциация сопровождается перемещением громадных масс вещества, возникновением конвективных течений, перераспределением источников разогрева - радиоактивных элементов, сконцентрированных ныне в верхних слоях Земли. Результатом дифференциации является и литосфера с ее рельефом, хотя процесс образования основных форм рельефа - океанических впадин и материковых выступов, а главное, их распределение на поверхности не могут считаться завершенными. Следствием дифференциации вещества явились конвективные течения вещества в оболочках Земли, которым придавали большое значение многие исследователи, особенно в 30-х годах нашего века.

Все три гипотезы развивались разобщенно, хотя и не исключали друг друга. Однако, как справедливо отмечал советский геолог Г. Н. Каттерфельд, не только возможен, но и необходим разумный синтез всех трех гипотез, и потому, по его мнению, наиболее правильна в методологическом отношении и наиболее перспективна в научном обобщенная ротационно-пульсационная гипотеза, основанная на диалектическом единстве пульсаций объема и формы земного эллипсоида и учитывающая процессы глубинной дифференциации вещества Земли (Примеч.- См. Каттерфельд Г. Н. Лик Земли - М.: Наука, 1962.).

Именно с таких обобщенных позиций Г. Н. Каттерфельд излагал гипотетическую историю Земли - историю спорную, не во всем достаточно обоснованную, но безусловно интересную. Автор полагает, что некоторые ее положения заслуживают внимания, поэтому остановимся на ней подробнее. Отметим лишь главное в этой схеме, отсылая интересующихся подробностями к книгам Г. Н. Каттерфельда и А. М. Рябчикова (Примеч.- См. Рябчиков А. М. Структура и динамика геосферы.- М.: Мысль, 1972.).

Давно уже известно, что северное и южное полушария нашей планеты несимметричны. В северном полушарии в основном сосредоточены материковые массивы, в южном - водная масса океанов. Можно считать, что одно полушарие является как бы зеркальным отражением другого. Случайно ли это?

Если бы Земля приобретала теперешнюю форму под действием только гравитационных и центробежных сил, эта форма не была бы асимметричной. Поэтому Г. Н. Каттерфельд считает, что в данном случае проявили себя особые «асимметричные» силы неизвестной природы. Заметим, что разность между радиусами, направленными из центра Земли к северному и южному полюсам, составляет всего 100 м. Но эта разница зафиксирована по измерению с искусственных спутников Земли, она реальна, а значит, должна быть как-то объяснима. Утверждение, что асимметрия Земли вызвана «асимметричными» силами, конечно, не больше, чем тавтология. Как известно, в 1958 г. профессор Н. А. Козырев пытался объяснить асимметрию Земли действием сил, рожденных самим «ходом времени». Однако эта необычная идея, легшая в основу «причинной механики» Н. А. Козырева, в дальнейшем не получила ни признания, ни достаточного обоснования. Словом, загадка асимметрии Земли и поныне остается нерешенной.

Прямые измерения с помощью сверхточных кварцевых часов показали, что вращение Земли неравномерно. Например, сутки в марте на 0,0025 с длиннее, чем в августе, а это означает, что ежегодно вращение Земли ускоряется к августу и замедляется к марту. Отчасти это вызвано сезонными изменениями в циркуляции атмосферы, отчасти другими причинами. В общем же изменения скорости осевого вращения Земли вызваны разными причинами: приливами, неравномерным сжатием внешних геосфер Земли, перераспределением в ней масс, воздействием солнечных корпускулярных потоков и рядом других, иногда еще не вполне понятных, физических процессов. Все это не проходит бесследно для Земли. По мнению Г. Н. Каттерфельда, если бы мы проанализировали все те мелкие пульсационные и ротационные воздействия, которые накапливались за долгую геологическую историю и неприметно запечатлевались на лике Земли в результате постоянных и, казалось бы, незначительных взаимодействий, мы поразились бы их значительности. Попробуем конкретно представить себе (по Г. Н. Каттерфельду), как колебания объема и скорости вращения Земли сказались на ее облике.

Радиус Земли, как считает Г. Н. Каттерфельд, в среднем уменьшается на 5 см в столетие (Примеч.- По данным П. Н. Кропоткина (1971 г.), на 3 мм.). Это гравитационное сжатие (учтите размеры Земли) высвобождает огромную энергию - 17•10²³ Дж! Так как в мировое пространство рассеивается лишь часть этой энергии, Земля нагревается, а значит, каждый раз сжатие временно сменяется гораздо меньшим расширением нагревающейся Земли. Такова физическая подоплека прерывистого, пульсационного сокращения радиуса Земли. Та же часть тепловой энергии, которая не излучается Землей в мировое пространство, становится скрытой теплотой физико-химических превращений в недрах Земли. Эти превращения, в конечном счете, способствуют уплотнению внутренних частей Земли и, значит, уменьшению ее объема.

Расчеты показывают, что под влиянием приливного торможения скорость осевого вращения Земли замедляется и, как следствие, полярное сжатие Земли уменьшается. Казалось бы, этот процесс должен выражаться в погружении экваториальной «опухоли» Земли и поднятии полярных районов. В результате такого процесса распределение суши и вод на Земле должно было бы получиться весьма своеобразным: экватор опоясан сплошной водной полосой океана, а два огромных антиподальных материка занимают пространство от полюсов до умеренных широт. Если бы, наоборот, полярное сжатие длительно увеличивалось, экваториальную зону в конце концов заполнил бы сплошной материковый пояс, а от умеренных широт до полюсов простирались бы океаны.

Рис. 10. Эволюция материков по А. Вегенеру

а - 200 млн. лет назад; б - 60 млн. лет назад; в - 1 млн. лет назад

На самом деле нет ни того, ни другого. Но замечательно, что северному полушарию соответствует первая из этих теоретических схем (длительное уменьшение полярного сжатия), а южному - вторая. Это, по-видимому, можно объяснить тем, что в процессе общего очень медленного уменьшения сжатия Земли северное полушарие опережает южное. Значит, и здесь наблюдается асимметричный процесс, вызванный какими-то неизвестными силами. Но эта гипотетическая асимметрия хорошо объясняет самую общую черту лика Земли - неравномерное распределение воды и суши. Конечно, схема эволюции поверхности Земли, предложенная Г. Н. Каттерфельдом, не больше чем гипотеза. Она не учитывает продолжающуюся на протяжении всей истории Земли дифференциацию ее вещества и другие факторы, а потому не может рассматриваться как нечто доказанное и окончательное.

В свое время сенсацию вызвала гипотеза дрейфа материков, предложенная в 1912 г. немецким ученым А. Вегенером (рис. 10). Сам А. Вегенер упорно отстаивал эту идею, хотя привычному образу мыслей геологов его гипотеза представлялась абсурдной. После смерти ее главного, и тогда почти единственного, защитника о ней забыли, и, казалось, ничто уже не в силах было ее воскресить. Однако лишь в 50-х годах в связи с новыми работами по палеомагнетизму идеи А. Вегенера как будто получили опытное подтверждение. За последнее время появилось немало работ, пропагандирующих гипотезу дрейфа материков. Может быть, и в самом деле гипотеза А. Вегенера заслуживает серьезного научного анализа?

А. Вегенер обратил внимание на, казалось, случайные особенности береговых линий некоторых материков. Восточный, «бразильский» выступ Южноамериканского материка плотно укладывается во впадину Гвинейского залива. Стыковка получается особенно плотной, если вместо береговой линии брать очертание шельфа - материковой отмели.

В 1970 г. американские исследователи с помощью электронно-вычислительных машин изучили «совмещение» некоторых материков на протяжении десятков тысяч километров. Результат получился поразительным: в целом хорошо совместилось более 93 % границ шельфа, т. е. краевой части материков. Лучше всего стыковались Африка и Южная Америка, Антарктида и Африка, несколько хуже примкнули друг к другу Индостан, Австралия и Антарктида. Создавалось впечатление, что когда-то Африка и Америка составляли единое целое. Затем, по каким-то неясным причинам первичный материк раскололся на две части, и эти части, разойдясь в стороны, образовали современные Африку и Южную Америку, а также разделивший их Атлантический океан.

Сам А. Вегенер шел дальше. Он предполагал, что когда-то вся теперешняя суша составляла единый и единственный материк - Пангею. Со всех сторон он омывался безбрежным Мировым океаном, названным А. Вегенером Панталассом. Под действием каких-то сил, возможно связанных с вращением Земли, примерно 200 млн. лет назад Пангея раскололась на несколько частей, подобно исполинской льдине. Ее осколки - теперешние материки - разошлись в разные стороны и продолжают доныне свой крайне медленный дрейф. Дрейфуя на запад, американский материк на переднем, западном своем крае испытывал сопротивление подстилающего слоя Земли, по которому плывут материки. Естественно, что он смялся и образовал исполинские горные цепи Кордильер и Анд. На тыловой же части от плывущего материка отделялись, отставая, небольшие куски, например Антильские острова. Некоторые же осколки Пангеи плавали, поворачиваясь, как льдины в бурном потоке. Так, по-видимому, вела себя Япония.

Последователи А. Вегенера (Дю Тойт, 1937 г, и др.) полагали, что первоначально существовали два материка - Лавразия, расколовшаяся на Северную Америку и Евразию, и Гондвана, которая распалась на Южную Америку, Африку, Австралию и Антарктиду. Сторонники этого варианта гипотезы А. Вегенера приводят немало фактов, как будто подтверждающих реальность Лавразии и Гондваны. В частности, они ссылаются на сходство геологических структур разных материков, общность их растительного и животного мира.

В последние годы на помощь гипотезе дрейфа континентов пришла гипотеза о расширении дна океанов. В ней важнейшая роль отводилась рифтам - гигантским планетарным разломам, приуроченным к осевым частям срединно-океанических хребтов. Предполагается, что через рифты из глубин выдавливается вещество верхней мантии, которое в процессе физико-химической дифференциации превращается в базальтовые лавы. Каждая новая порция этого вещества давит на породы, возникшие ранее, и отодвигает их в стороны от рифта. Это давление передается далее, и, таким образом, дно океана постепенно расширяется, раздвигая материки. Сторонники этой гипотезы предположили, что такой точке зрения должны соответствовать и хронологические факты: самые молодые породы должны быть приурочены к рифтовым зонам, а с удалением от рифтов в стороны в точках, расположенных на одной, перпендикулярной к оси рифтов линии и на равных расстояниях, породы должны быть древнее и одинакового возраста.

Первоначально казалось, что это так и есть, но в одном из своих рейсов американское исследовательское судно «Гломар Челленджер» обнаружило между о-вом Ньюфаундленд и Бискайским заливом, что в таких сопряженных точках к западу от срединно-атлантического рифта возраст донных пород 155 млн. лет, а к востоку- 110 млн. лет. В самом же рифте взяты образцы возрастом 200 млн. лет. Указывали и на другие противоречия в этой гипотезе. Если материки раздвигаются в результате расширения морского дна, то, например, воздействие срединно-атлантического рифта должно толкать Африку на восток, а вещество, поступающее из срединного рифта Индийского океана,- на запад. Спрашивается: куда бедной Африке деваться? А ведь в таком же положении находятся все материки. И еще. На земном шаре имеются рудообразующие зоны, например вдоль восточной окраины Азии. Такие зоны развиваются на протяжении сотен миллионов - до миллиарда лет. Их геохимия остается неизменной. А это значит, что за весь период существования этих зон у них оставался один и тот же источник вещества, чего не могло быть, если бы материки перемещались.

Позже была разработана современная концепция мобилизма. Согласно этой концепции, земная кора разбита на крупные плиты. Эти плиты могут охватывать участки и материковой, и океанической коры, но есть и целиком «океанические» плиты. Такие плиты с одного края наращиваются вдоль рифта, а вдоль другого края погружаются под край соседней плиты. Например, африканско-индийская плита, расположенная между срединными хребтами Атлантического и Индийского океанов, на западе постоянно наращивается, на востоке же погружается под индоокеанскую плиту.

Рис. 11. Литосферные плиты

Долгие споры мобилистов и их противников «фиксистов» в конце концов завершились победой первых. В 60-х годах текущего столетия стала для всех ясной динамика литосферы. Огромные литосферные плиты находятся в крайне медленном, но постоянном движении. Поднимаясь из мантии в зонах срединно-океанических хребтов, они снова погружаются обратно в мантию в зонах глубоководных желобов. Земные континенты как бы впаяны в ползущие плиты океанической коры и движутся вместе с ними. Эта совокупность «плывущих» по мантии литосферных плит, собственно, и составляет литосферу. Главная сила движущейся плиты - продолжающийся процесс дифференциации расслоения земных недр. Различают несколько литосферных плит (рис. 11). Стрелками указаны направления их перемещений. Как ни малы скорости движения литосферных плит (сантиметры в год!), за огромные промежутки времени внешний облик Земли меняется неузнаваемо. Современные географические глобусы фиксируют то, что есть сегодня, но уже никогда не повторится в будущем.

далее

Ф. Ю. ЗИГЕЛЬ ПУТЕШЕСТВИЕ ПО НЕДРАМ ПЛАНЕТ