Диалоги (апрель 2003 г.), стр. 34
А.К. Формирование ядра действительно ставит проблемы, которые мы не можем понять. Первое – это противоречие с избыточными сидерафильными элементами, и в экспериментах, хотя и сделанных при высоких давлениях, мы не нашли решения. Это первая проблема. Вторая проблема. Если была гомогенная аккреция, были частицы металла между силикатными компонентами, между кристаллами, то вопрос, как они потом сумели сесть?
О.К. Как они сумели через эту толщу пройти?
А.К. Вы знаете, конечно, проблему пытаются решать, но всё-таки полной ясности нет. Конечно, это будет не частица металла, а будет огромный шар, и по закону Архимеда (есть расчёты, модели такие очень ранние) такой шар, в конце концов, может провалиться. Но это должны быть очень большие тела. И трудно представить, как они образовались. Скорее всего, какой-то был металл неизвестного размера, скажем, километровые шары. Вы знаете, мы до сих пор не имеем решения. Но эксперименты по проницаемости кристаллической массы жидким металлом, которые были сделаны…
О.К. В центрифуге, да?
А.К. Да. Они показывают, что металл не садится. В нашем институте мы вместе с доктором Лебедевым делали эксперимент с использованием центрифуг. Дело в том, что мы таким способом пытались ускорить процесс. Есть процессы, где скорость будет очень медленная, и, чтобы увидеть этот процесс, вам, может быть, надо ждать 5 лет. А с центрифугой, с применением теории подобия, мы можем этот процесс ускорить. Мы изучали проницаемость для случая частично расплавленной мантии. Жидкость должна способствовать, по нашим представлениям, проницаемости силикатной каркаса, должна способствовать осаждению этих частиц.
О.К. Вот это железо не смешивается с силикатной жидкостью?
А.К. Да, не смешивается.
А.Г. А жидкость тоже находится в движении?
А.К. Конечно, и это ещё более усложняет…
О.К. Жидкость в жидкости получается, да?
А.К. Да. Понимаете, металл, он антагонист к силикатам, он совершенно не смачивается, он как ртуть. И, хотя есть каналы, это не даёт возможности ему проникнуть через эту матрицу.
И делались эксперименты при высоких давлениях без центрифуг, тоже пытались мерить, как металл смачивает при движении кристаллы. Но тоже приходится делать вывод, что когда частично расплавленный материал мантии… Почему мы рассматриваем частично расплавленный материал? Потому что полного плавления, по всем нашим химическим данным не могло быть, ну, 10 процентов, 5 процентов, а при такой степени плавления металл не садится. И это до сих пор тоже остаётся вопросом.
Но ясно совершенно, что всё-таки должен быть расплав, должна появиться смазка для металла для того, чтобы он туда проник. Какая гипотеза обсуждается? Обсуждается гипотеза такая. Мы начали говорить об океане. Это тоже гипотеза, в значительной степени все признают такое раннее плавление, когда мантия была частично расплавлена на глубину, скажем, 300 километров, может, больше даже. Ищут выход из такого положения. Когда было много расплава, не 10 процентов, а больше, металл тогда может сесть…
О.К. А в нижней мантии?
А.К. Я просто говорю, в чём противоречие. Он мог накопиться на дне.
А.Г. То есть это должен был быть тогда пояс такой…
А.К. Да. Но он может накопиться на дне и создать слой, неустойчивый с механической точки зрения.
О.К. И тогда происходит переворот.
А.К. Да, переворот. Для Луны такая же обсуждается проблема, там такая же задача…
О.К. Но там мало железа, там проще, в общем.
А.К. Может быть, надо искать ответ на этот вопрос в крупномасштабной механической неустойчивости. Слой-то образовался, а потом был неустойчив.
О.К. Вы знаете, ведь все эти проблемы поднимаются очень давно. И вот, может быть, сейчас стоит сказать, что в 1948 году советский учёный Лодочников, известный геолог, и Рамзей, это уже иностранный учёный, понимая трудности образования железного ядра, предложили принципиально другую идею: нет железного ядра в земле, нет железных ядер и в других планетах.
Они предложили идею так называемой металлизации силикатов. То есть при высоком давлении силикаты (а уже было известно, что все силикатные вещества могут претерпевать фазовые переходы под очень высоким давлением) преобразуются в очень плотный субстрат, который проводит электрический ток. Внешняя электронная оболочка сближается, и могут индуцироваться электрические токи, в том числе образуя магнитное поле.
Это была красивая идея, она объясняла состав всех планет – Меркурия, Марса, Венеры, Луны – по одному и тому же типу. Но только в Луне маленькие давления, там нет магнитного поля, там не произошла металлизация. Это была неплохая идея, но потом прямой эксперимент доказал, что невозможно при таком давлении достигнуть нужной плотности, как в центре земли. На это только железо способно, и не просто железо в обычной модификации альфа-железо, а там должна быть специальная, специфическая кристаллохимическая структура, так называемая эпсилон-железо. То есть эта гипотеза рухнула.
Вот видите, люди всё время стараются избавиться от проблемы того, как протащить эту огромную массу железа внутрь. Как её решать? Современная изотопия утверждает, что это было катастрофическое событие, и ядро возникло в момент рождения Земли.
А.К. Это то, что мы знаем.
Я хочу одну проблему обсудить, тоже связанную с ядром, очень важную для понимания концентрации кислорода в виде соединения с водородом, это вода с углеродом СО2 в верхних оболочках Земли, это где-то глубины 100 или 300, может быть, километров.
Несомненно, очень много было процессов, которые приводили к этой концентрации. Но поскольку мы сейчас обсуждаем ядро, я как раз хотел бы коснуться вопроса в этом аспекте. Это кажется странным, ядро – это восстановленное соединение (кислород, правда, может там растворяться в виде нескольких процентов при высоких давлениях). Наверху мы имеем воду и угольную кислоту. И, тем не менее, многие из нас ставят вопрос о том, что когда шло преобразование восстановленной мантии, исчезал метан и водород и формировался водород и углекислота, что это могло быть связано с комплексом процессов.
Например, предполагается, что на последних стадиях аккреции Земли углистые хондриты выпадали на поверхность, они содержат воду, СО2, углерод. И эта оболочка дала нам, собственно говоря, эти окисленные летучие компоненты. Есть и другие гипотезы, очень важные тоже и имеющие обоснование. Кроме диссипации водорода, может быть, играла какую-то роль диссипация кислорода. Сейчас экспериментаторы померили скорость диффузии водорода в кристаллах, и она действительно оказалась достаточно высокой, чтобы в короткие времена при подъёме глубинного вещества (в виде конвективного течения или струй каких-то) этот водород терялся и диссипировал. И тогда мы будем иметь накопление кислорода. Есть и другие реакции есть реакции перераспределения трехвалентного железа, это тоже может приводить к высвобождению кислорода, это недавнее открытие, для очень высоких давлений, но это отдельный вопрос.
Но вынуждены тоже рассматривать и участие ядра. И выдвигается гипотеза, о которой я хотел спросить, о том, что, может быть, на ранних этапах…
Физика и метафизика
Участники:
Владимиров Юрий Сергеевич – доктор физико-математических наук, профессор МГУ им. М.В. Ломоносова
Кречет Владимир Георгиевич – доктор физико-математических наук, профессор кафедры теоретической физики Ярославского государственного педагогического университета
Александр Гордон: Начать я хотел бы, а мы уже начинаем, вот с чего. Всё-таки надо в этом случае определиться с терминологией, да? Что такое «физика» понятно интуитивно, а что такое «метафизика», о которой мы сегодня будем говорить?