Давно известно, что земной шар обладает свойствами магнита. Силовые линии магнитного поля Земли, будучи продолжены в ее недра, сходятся близ центра планеты. Постоянное магнитное поле Земли медленно меняется. Эти изменения нельзя объяснить ни геологическими процессами, ни температурными явлениями в земной коре, так как и те и другие заметно меняются лишь за миллионы и десятки миллионов лет, а изменение магнитного поля Земли происходит за сотни лет. Значит, источник магнетизма приходится искать в земном ядре. Как же можно, объяснить происхождение этого магнетизма?
В результате выделения тепла при радиоактивном распаде на границе мантии и ядра возникает разница температур. Это вызывает течения в жидком веществе. «Поскольку в нем всегда присутствуют слабые магнитные поля, — пишет советский геофизик В. А. Магницкий, — возникает механизм, подобный динамомашине, работающей на самовозбуждении. Конвекционные течения металлического вещества представляют проводники, движущиеся в слабых магнитных полях; в результате в проводниках возникают индукционные токи, которые создают свои магнитные поля, усиливающие процесс. В итоге каждая конвенктивная ячейка создает свое довольно сильное магнитное поле. Эти поля имеют разные знаки и, суммируясь, дают в результате не очень сильное поле Земли». Течения в жидком ядре меняют направление, что и вызывает смещение магнитного поля.
Исследования лауреата Ленинской премии М. С. Молоденского колебаний полюсов и приливов в теле Земли показали, что твердость внешней части ядра в десятки и даже сотни раз меньше, чем мантии, то есть ядро нашей планеты жидкое.
Итак, все: и распространение сейсмических волн, и изучение магнитного поля Земли, и исследования приливов — говорит о том, что ядро земного шара, во всяком случае внешнее, находится в расплавленном состоянии. Если это так, то должна существовать дополнительная нутация — колебательное движение, нечто вроде «болтанки» земной оси, вызываемой перемещениями вещества во внешнем ядре. Недавно эту нутацию удалось обнаружить: оказалось, что ее период на семь минут короче суток. Это — убедительное доказательство в пользу существования жидкого ядра: если бы оно было твердым, то такой «болтанки» земной оси не было бы.
В настоящее время большинство советских и зарубежных ученых считают внешнее ядро Земли жидким. «Конечно, — пишет В. В. Белоусов, — оно далеко не такое жидкое, как вода; это очень густое вещество, близкое к твердому состоянию, но все же более текучее, чем вещество мантии».
Ядро интересно не только тем, что вещество в нем находится в жидком состоянии, а движение заряженных частиц служит причиной возникновения магнитного поля Земли; ядро привлекает внимание ученых также поразительно большой плотностью и высокой электропроводностью.
Средняя плотность Земли высчитана с большой точностью. Разделив вес земного шара на его массу, узнали, что кубический сантиметр условного, если так можно сказать, «среднего» вещества нашей планеты весит 5,52 грамма. Но это именно средняя цифра для земного шара в целом. Поверхностные слои Земли сложены легкими породами; исследования показали, что их плотность всего лишь 2,7–2,8 г/см3. Раз наружные слои нашей планеты сложены столь легкими породами, значит, плотность вещества на больших глубинах должна быть значительно более высокой; иначе не получится средняя плотность 5,52 г/см3. Путем сложных расчетов ученые пришли к заключению, что в земной коре и мантии — по мере приближения к центру планеты — плотность неуклонно увеличивается, достигая на границе с ядром почти 6 г/см3.
И вот, все на той же глубине, 2900 километров, плотность вещества вдруг скачком возрастает до 9,5 г/см3. Затем плотность вновь увеличивается постепенно, превышая в центре планеты 12,5 г/см3, а по мнению некоторых ученых, достигает даже 16–18 г/см3.
Как же объяснить этот скачок плотности на границе мантии и ядра?
Химический состав мантии плохо известен; возможно, что с глубиной доля тяжелых элементов, прежде всего железа, возрастает. Исходя из этого, в XIX веке высокую плотность ядра стали объяснять тем, что оно состоит из металлов. В то время в науке о происхождении планет Солнечной системы господствовала гипотеза Канта — Лапласа, согласно которой Земля была вначале огненно-жидкой, а потом постепенно остыла. Казалось вполне естественным, что в жидкой Земле тяжелые элементы «стекли» к центру, а более легкие были вытеснены к поверхности. В пользу существования железо-никелевого ядра говорит как будто бы и магнитное поле Земли, связываемое с намагниченностью металлического ядра.
В 1839 году русский минералог Д. Соколов писал: «…Земля наша представляет шарообразное тело, состоящее из твердой скорлупы и огненно-жидкого ядра… в расплавленной внутренности земного шара минералы расположены по относительному весу так, что в самой внутренности его заключаются металлы, а вокруг них камни… в ярусе металлов главную роль играет железо… Внутренность земного шара представляет по этим соображениям как бы горн плавильной печи, в котором нижнюю часть занимают всегда металлы, а верхнюю шлаки».
Когда в науке возобладала гипотеза о происхождении Земли из холодной газо-пылевой туманности с последующим разогревом, то образование ядра стали объяснять разделением вещества по тяжести: сильно нагретое вещество со временем приобрело свойство пластичности, тяжелые глыбы стали опускаться к центру и образовали металлическое ядро; вокруг расположились легкие массы, из которых сложились мантия и земная кора.
Долгое время гипотеза железного ядра сомнений не вызывала. Но постепенно накапливались факты, заставившие ученых задуматься.
Для глубоких недр нашей планеты характерно непрерывное перемещение вещества. В течение миллиардов лет тяжелые глыбы опускаются к центру земного шара, более легкие выдавливаются к поверхности. «Однако, — пишет советский астроном Б. Ю. Левин, — вязкость недр столь велика, что даже огромные железные включения (поперечником в десятки и сотни метров) должны „тонуть“ с ничтожно малой скоростью и не могли бы даже за миллиарды лет существования Земли опуститься к центру и образовать ядро».
Вязкость вещества растет с давлением. При увеличении давления от 1 до 12 тысяч атмосфер вязкость ртути, например, повышается на 30 процентов, воды — в два, а метилового спирта — в десять раз. Это при 12 тысячах атмосфер; насколько же возрастает вязкость при давлениях в сотни тысяч и миллионы атмосфер?!
То, что говорилось о медленности перемещения вещества, относится к мантии и в меньшей степени к внешнему ядру; говорить же о разделении вещества по тяжести во внутреннем ядре не имеет смысла, так как там сила тяжести близка к нулю. Это первое, что заставляет сомневаться в существовании ядра, состоящего из металлов. Второе сомнение возникает, когда мы начинаем внимательно присматриваться к границе, разделяющей ядро и мантию.
Эта граница — судя по сейсмическим волнам — очень четкая. Такая граница может быть только в том случае, если разделение вещества по тяжести уже закончилось. Но ведь оно продолжается! Об этом говорят землетрясения, извержения вулканов, горообразование… Если же разделение вещества по тяжести не закончилось, то не может быть четко выраженной границы между ядром и мантией. А раз она есть и везде к тому же проходит на одинаковом расстоянии от поверхности, значит, разделение вещества по тяжести и образование границы, проходящей на глубине 2900 километров, не связаны друг с другом.
Странно и то, что у более крупных планет — у Земли и Венеры — тяжелые ядра есть, а у менее значительных — Марса и Луны — их нет. Получается, что на одних планетах тяжелых металлов почему-то много, а на других мало…
Все эти неувязки привели к тому, что еще перед второй мировой войной мысль о существовании ядра, состоящего из металлов, была подвергнута критике. Но, прежде чем говорить о ней, несколько слов необходимо сказать об изменении свойств веществ под сверхвысоким давлением: иначе новая гипотеза будет непонятна.
В настоящее время в лабораториях получают давления до 500 тысяч атмосфер. Это давления, действующие на вещество в течение длительного времени; давления же, получаемые на какое-то мгновение при ударном сжатии (при взрывах), превышают 3,5 миллиона атмосфер. Так вот, оказалось, что свойства веществ, подвергнутых высокому давлению, сильно изменяются. Стали и сплавы делаются прочнее, металл приобретает свойства жидкости. При давлениях 10–20 тысяч атмосфер мрамор, известняк и даже такие хрупкие породы, как гранит и диабаз, становятся пластичными и приобретают форму того сосуда, в котором они находятся.
Разновидность льда, полученная при давлении 40 тысяч атмосфер, плавится лишь при температуре 109°. Какой парадокс: лед, о котором недаром говорят «холодный как лед», тут настолько горяч, что до него нельзя дотронуться рукой. Горячий, но не тает! В Институте физики высоких давлений Академии наук СССР удалось — при давлении 200 тысяч атмосфер и температуре 1500° — получить новую разновидность кварца, которая на 64 процента плотнее обычного; по твердости полученный кварц почти равен корунду. При помощи высоких давлений из графита теперь получают алмазы.
Под воздействием большого давления неметаллы могут приобретать некоторые свойства металлов: например, высокую теплопроводность и электропроводность. Так, у фосфора под сильным давлением резко возрастают плотность и электропроводность. По теоретическим расчетам, при давлениях порядка 2 миллиона атмосфер водород перейдет в металлическое состояние.
Эти факты говорят о том, что по мере нарастания давления и температуры в недрах Земли в какой-то степени должны меняться и свойства вещества. Это и навело на мысль, что причиной высокой плотности ядра может быть не его металлический состав, а переход в нем вещества в так называемое металлическое состояние.