Текст книги "Вид с высоты"

Автор книги: Айзек Азимов

сообщить о нарушении

Текущая страница: 14 (всего у книги 17 страниц)

14. Рецепт приготовления планеты

Американские ученые (и, я полагаю, независимо от них советские ученые) готовятся к тому, чтобы пробурить земную кору и добраться до слоя, который лежит под ней.

Осуществление проекта «Мохол» (тем, кто еще не знает значения этого слова, я объясню его позже) в случае успеха даст нам первые прямые данные не только о тоненькой корочке, покрывающей нашу планету, но и о ее недрах. Событие это волнует по нескольким причинам, и в первую очередь потому, что оно спасет от гипертонии многих геологов: уже не первый год они наблюдают, как другие готовятся улететь на миллионы километров в космос, а сами даже в верхний слой Земли могут проникнуть всего на несколько километров. Конечно, им довольно досадно, что образец с поверхности Марса попадет в руки человека раньше, чем образец породы, взятой из недр родной планеты.

И все же не стоит смотреть на это мрачно. Удивительно совсем не то, что мы совершенно бессильны перед несколькими тысячами километров непроницаемой тверди. Удивительно то, что, будучи бессильными, мы все же сумели собрать столько сведений о недрах Земли.

Разумеется, имеются и такие области нашей планеты, которые мы можем рассматривать, ощупывать и анализировать при помощи различных приборов. С тех пор как Лавуазье положил начало современной химии, особенных препятствий при анализе состава атмосферы и океанов (гидросферы) не возникало. Наша атмосфера является в основном смесью азота, кислорода и аргона в пропорции приблизительно 78 : 21 : 1, а океаны и моря состоят в основном из 3-процентного водного раствора хлористого натрия с незначительными примесями.

Кроме того, нам доступна самая верхняя часть твердой оболочки нашей планеты (литосфера). Однако в связи с этим возникает новая проблема. Атмосфера и гидросфера однородны (гомогенны), и, чтобы знать их состав в целом, достаточно проанализировать небольшую их часть. А вот твердая оболочка Земли неоднородна (гетерогенна). Именно поэтому в Кимберли есть алмазы, в Клондайке – золото, а за моим домом нет ничего, кроме мусора и бурьяна.

Значит, для того чтобы узнать весь состав почв и горных пород, надо проанализировать их образцы, взятые в самых различных местах Земли, и после изучения вывести нечто среднее: столько-то имеется такого вида горных пород, а столько-то – такого. Различные геологи уже провели эту работу, и полученные ими результаты довольно точно совпали.

Здесь приведены наиболее распространенные в земной коре элементы в порядке уменьшения их процентного содержания (по весу):

Кислород … 46,60

Кремний … 27,72

Алюминий … 8,13

Железо … 5,00

Кальций … 3,63

Натрий … 2,83

Калий … 2,59

Магний … 2,09

На долю 8 элементов приходится более 98,5 % веса самого верхнего слоя Земли. Остальные восемьдесят с чем-то элементов могут считаться незначительными примесями (разумеется, очень важными в некоторых случаях, так как среди них и такие элементы, как углерод, водород, азот и фосфор, без которых невозможна жизнь).

Надо сказать, что ни один из перечисленных элементов в свободном виде не встречается; все они находятся в соединениях… друг с другом, разумеется, так как соединяться им больше почти не с чем. Наиболее часто встречается двуокись кремния, или кремнезем, – соединение кремния с кислородом (эти элементы вместе составляют ³/₄ веса внешнего слоя Земли). Примером сравнительно чистого кремнезема служит кварц, менее чистого – кремень. Песок – это кремнезем, подвергшийся различным атмосферным воздействиям. В сочетании с 6 другими перечисленными элементами (все они металлы) кремний и кислород образуют силикаты.

Короче говоря, доступная нам твердая часть Земли может считаться смесью кремнезема и силикатов.

* * *

Картина распределения элементов в земной коре представляется довольно однобокой, но оказывается, что при подсчете распределения элементов по весу, как это сделано в приведенном перечне, мы еще несколько скрыли эту однобокость. А теперь подсчитаем состав земной коры не по весу, а по числу атомов.

Из 8 главных элементов самый легкий атом, оказывается, у кислорода. Это значит, что если взять какой-нибудь объем кислорода определенного веса, то в нем будет в 1,75 раза больше атомов, чем в образце кремния такого же веса, в 2,5 раза больше, чем в образце калия, в 3,5 раза больше, чем в образце железа.

И если сделать расчет по числу атомов, то окажется, что из каждых 100 атомов земной коры 62,5 принадлежат кислороду. Другими словами, во взятой пригоршне земли каждые 5 из 8 атомов будут атомами кислорода.

Как видите, картина получается еще более однобокая. Вступая в соединения с кремнием и 6 основными металлами, атом кислорода принимает электроны, которые дарят ему атомы всех остальных элементов. Когда атом принимает электроны, то эти дополнительные электроны попадают на орбиты (я не придерживаюсь строгой терминологии) на самых окраинах атома и вращаются далеко от ядра, которое удерживает их довольно слабо. Так как радиус аниона (атома, приобретшего несколько лишних электронов) возрастает до самой дальней электронной орбиты, то кислородный анион становится больше самого атома кислорода.

С другой стороны, элемент, уступивший 1–2 электрона, пожертвовал самыми далекими от ядра и наименее прочно удерживаемыми электронами. Оставшиеся электроны теснятся сравнительно близко к ядру, и радиус такого катиона (атома, потерявшего несколько электронов) меньше радиуса атома в его первоначальном виде.

В результате анион кислорода имеет радиус 1,40 ангстрема (один ангстрем равен одной стомиллионной сантиметра), катион кремния – 0,42 ангстрема и катион железа – 0,74 ангстрема; в то же время катионы и кремния, и железа значительно тяжелее сравнительно легкого аниона кислорода.

Объем любого шара пропорционален кубу его радиуса, и поэтому различие в радиусах ионов сказывается на их объемах. Например, объем аниона кислорода равен примерно 11,5 кубического ангстрема, объем катиона железа – только 2,1 кубического ангстрема, а объем катиона кремния – только 0,4 кубического ангстрема.

И вот оказывается, что, имея такое большое число атомов и большой объем отдельных анионов, кислород захватил 93,77 % всего объема земной коры. Твердая земля, по которой мы ходим, – это не что иное, как хорошо уложенный набор тесно прижавшихся друг к другу анионов кислорода, а в щелочках, образовавшихся между ними, там и сям втиснуты маленькие катионы других 7 элементов. Гибралтарская скала – это всего лишь груда кислорода с небольшими добавками.

Разумеется, все эти сведения касаются только тех частей литосферы, которые мы можем поскрести, размельчить и подвергнуть исследованиям. А как же быть с теми частями, до которых мы не можем добраться? В поисках золота человечество раскопало земную кору на глубину 5 километров; разыскивая нефть, оно углубилось еще на несколько километров, но все это для Земли не больше чем булавочные уколы. Наши знания о Земле пока ограничиваются ее поверхностью, и возможно, так будет еще долго.

Лентяй решил бы эту проблему просто. Он предположил бы, что поверхность земной коры точно представляет то, что скрывается в недрах Земли, и вся планета от самых глубин и до верхних слоев такая же, как и ее поверхность.

Однако тех, кто ищет простые ответы, ждет разочарование. Даже на поверхности нашей планеты картина не такова. Если бы вся Земля была так богата ураном и торием, как земная кора, то от теплоты, выделяемой при радиоактивном распаде, наша планета расплавилась бы. Земля тверда, и уже одно это показывает, что запасы урана и тория на небольшом расстоянии от «кожи» Земли иссякают, то есть хотя бы в этом состав земных недр с глубиной меняется.

Кроме того, в массивах материков преобладает гранит, а дно океанов, по-видимому, состоит из базальта. Гранит богаче алюминием и беднее магнием, чем базальт, и поэтому некоторые геологи считают, что земная кора состоит из сравнительно легких континентальных массивов, богатых кремнекислым алюминием (силикатом алюминия, сокращенно сиаль) и плавающих на сравнительно тяжелом основании, в свою очередь богатом кремнекислым магнием (силикатом магния, сокращенно сима), а земной запас воды заполняет промежутки между массивами сиаля.

Может быть, я нарисовал слишком упрощенную картину, но все же она дает представление о том, что состав Земли с глубиной изменяется. До сих пор дело касалось только металлов. В том, что я изложил выше, нет ничего умаляющего достоинства кремния и кислорода с точки зрения их господства. Что бы там ни изменялось в частностях, Земля, в сущности, остается силикатным шаром, или, другими словами, огромным каменным глобусом.

Первые точные сведения о недрах Земли были получены только в 1798 году, когда Генри Кавендиш впервые определил массу земного шара. Объем Земли был известен еще во времена древних греков. Разделив массу, определенную Кавендишем, на объем, мы получим среднюю плотность Земли, которая равна 5,52 грамма на кубический сантиметр. Но ведь плотность земной коры равна примерно 2,8 грамма на кубический сантиметр, а это значит, что с глубиной плотность повышается. И в самом деле, плотность ее глубинных недр должна быть куда больше, чем 5,52 грамма на кубический сантиметр, чтобы компенсировать меньшую, чем средняя, плотность поверхностных слоев.

Само по себе это нисколько не опровергает теории, что Земля – каменный шар, так как с глубиной давление, по-видимому, должно расти; вышележащие слои давят на нижние, и это давление увеличивается к центру Земли, где оно составляет примерно 3 500 000 атмосфер. Порода, которая имела на поверхности плотность 2,8 грамма на кубический сантиметр, будет раздавлена «в лепешку», и в центре Земли плотность ее составит 12 граммов на кубический сантиметр.

Изучение землетрясений позволяет получать более подробные сведения о глубинных недрах Земли. К 1900 году Землю стали опоясывать сетью сейсмических станций, оборудованных приборами для изучения колебаний, сотрясающих тело планеты вследствие подземных толчков.

Существует два главных типа сейсмических волн: Р (первичные) и S (вторичные). Р – это продольные чередующиеся волны сжатия и расширения, напоминающие звуковые волны. S – это поперечные волны; они похожи на извивы змей и ассоциируются у нас с волнами на воде. Продольные сейсмические волны распространяются быстрее, чем поперечные, и первыми достигают сейсмической станции. Чем дальше станция от места землетрясения, тем дольше будет промежуток времени между приходом продольных и поперечных волн. Для точного определения места (эпицентра) землетрясения достаточно, чтобы его зарегистрировали три работающие совместно станции, которые используют упомянутую разницу во времени.

Зная, где находятся и эпицентр и станция, можно проследить весь путь волн сквозь толщу Земли. Чем больше расстояние между местом землетрясения и сейсмической станцией, тем глубже поступающие волны проникают в Землю. Если бы Земля была всюду одинаково плотна и тверда, то волны пришли бы на станцию, затратив на это время, пропорциональное расстоянию от эпицентра.

В действительности плотность и твердость пород, из которых сложена Земля, с глубиной меняются. Лабораторные опыты с различными породами показали, как меняется скорость распространения двух типов волн в зависимости от плотности и твердости различных пород при разных температурах и давлениях. Эти данные можно экстраполировать на те температуры и давления, которые господствуют в недрах Земли, но не поддаются воссозданию в лабораторных условиях^[12]12
  В настоящее время ученые уже умеют, хотя и на очень короткие промежутки времени, создавать в небольших образцах давления порядка нескольких миллионов атмосфер при температуре порядка тысяч градусов. – Прим. ред.


[Закрыть]. Это считается рискованным делом (как и всякая экстраполяция), но геологи уверены, что они могут истолковывать действительную скорость распространения сейсмических волн на данной глубине и определять плотность находящихся там пород.

Оказывается, плотность Земли повышается довольно медленно и постепенно – с 2,8 грамма на кубический сантиметр на поверхности до 5,9 грамма на кубический сантиметр на глубине примерно 3450 километров.

А затем вдруг происходит резкий скачок. Об этом можно судить по поведению сейсмических волн. Сначала волны распространяются по областям, где с глубиной плотность повышается, а затем возвращаются к поверхности по тем областям, где эта плотность убывает, и по пути меняют направление и рассеиваются, подобно тому как рассеивается свет, проходя сквозь слой воздуха с меняющейся плотностью. Пока плотность изменяется постепенно, направление движения волн тоже меняется постепенно, и изгиб получается ровный. Именно так происходит, пока волны не достигнут глубины 3450 километров.

Представьте себе, что сейсмическая станция расположена на таком расстоянии от места землетрясения, что волны, возникшие от подземного толчка, проникают на указанную глубину. Все станции, находящиеся между нашей станцией и эпицентром, тоже принимают волны, проникающие вглубь на различные расстояния, но не достигающие 3450 километров.

Станция, которая расположена несколько дальше от эпицентра землетрясения, чем наша, по-видимому, должна зарегистрировать волны, проникающие на глубину больше 3450 километров, но она не отмечает их совсем. А станции, находящиеся еще дальше, на 1500 километров и более, четко регистрируют волны, хотя расстояние между ними и эпицентром землетрясения гораздо больше.

Короче говоря, на земной поверхности получаются районы («мертвые зоны»), напоминающие баранки, в центре дырок которых находятся эпицентры. В самой «баранке» волны не ощущаются. Это объясняется тем, что любая волна, проникающая на глубину более 3450 километров, вдруг резко меняет направление и минует «мертвую зону». Единственной причиной такого резкого изменения направления может быть неожиданно резкое изменение плотности.

Анализ времени прибытия волны в районы вне мертвой зоны показывает, что плотность резко увеличивается – с 5,9 до 9,5 грамма на кубический сантиметр. Ниже 3450 километров плотность с глубиной продолжает по-степенно расти, достигая примерно 12 граммов на кубический сантиметр в центре Земли.

Все это относится только к продольным сейсмическим волнам. Поведение поперечных волн более загадочно. Когда поперечные волны проникают на глубину более 3450 километров, они не просто меняют направление, а исчезают вовсе. Логичнее всего объяснить это так: продольные волны, в том числе и продольные сейсмические волны, могут распространяться в жидкости, а поперечные волны, в том числе и сейсмические, не могут. Следовательно, область Земли ниже 3450 километров должна быть жидкой.

На основе данных, полученных в результате изучения поведения сейсмических волн, мы можем считать, что Земля состоит из жидкого «ядра», имеющего радиус около 2900 километров и окруженного твердой мантией толщиной 3450 километров. Резкое разграничение между этими двумя главными частями впервые было продемонстрировано в работе американского геолога Бено Гутенберга в 1914 году, и поэтому оно названо «разделом Гутенберга».

В 1909 году сербский геолог Андрий Мохоровичич открыл неожиданное изменение в скорости сейсмических волн примерно на глубине 30 километров. Этот скачок скорости был назван «разделом Мохоровичича», который позже для простоты стали называть Мохо. Теперь общепринято, что Мохо – это граница, отделяющая мантию от находящейся поверх нее «земной коры».

Подробное изучение Мохо показало, что этот раздел находится на разных глубинах. Под береговыми районами суши глубина его равна примерно 30 километрам (например, под Нью-Йорком 35 километрам), но под горными районами он уходит вглубь до 60 километров. (Так как земная кора легче мантии, то можно сказать, что горы потому являются горами, что здесь имеется необычное скопление легкой коры, которая плавает, неглубоко погружаясь в мантию.)

И, наоборот, Мохо подходит довольно близко к поверхности в некоторых частях плотного океанского дна, которое глубже погружается в мантию, поскольку оно относительно тяжелее земной коры. В некоторых местах от уровня моря до Мохо всего 12–16 километров. Это особенно интересно, так как сам океан местами имеет глубину 8–10 километров, а пробурить воду совсем нетрудно. Если правильно выбрать место в океане, то останется пробурить только 5 километров твердых пород, которые фактически отделяют нас от Мохо.

Один из проектов скважины, которую предполагается бурить до мантии, как вы теперь понимаете, следует назвать Мохол^[13]13
  Непереводимая игра слов. Слились Moho (Мохо) и hole (скважина). – Прим. перев.


[Закрыть] (лучше не придумаешь!).

Если мы хотим выяснить, из чего состоит Земля, то нам, в сущности, достаточно рассмотреть состав ядра и мантии. На ядро приходится ¹/₆ объема Земли, но, так как оно имеет сравнительно высокую плотность, масса его равна ¹/₃ массы планеты. Остальные ²/₃ принадлежат мантии. Земная кора составляет всего лишь ¹/₂₅₀ от общей массы Земли, а гидросфера с атмосферой – и того меньше. Оказывается, мы можем совершенно не принимать во внимание именно те области Земли, о которых у нас есть прямые данные.

Из чего же состоят мантия и ядро? Плотность и другие свойства мантии мало отличаются от свойств коры, и поэтому общепризнано, что она должна быть в основном силикатной. Лабораторные опыты показывают, что при высоких давлениях колебания распространяются в минерале оливине (силикат магния и железа) с теми же скоростями, с какими в мантии распространяются сейсмические волны. Создается впечатление, что мантия отличается от земной коры большей однородностью, большим содержанием магния и меньшим содержанием алюминия.

А ядро? Наверно, оно тоже силикатное, но не подвергся ли этот силикат, залегающий на глубине 3450 километров, неожиданным структурным изменениям? Не получилось ли так, что на силикат давили все сильнее и сильнее, пока все его атомы не улеглись гораздо более компактно? (Примерно так же, как под действием высоких давления и температуры атомы углерода в графите располагаются более компактно и происходит превращение графита в алмаз.)

Такое предположение существует, но нет никаких данных, подтверждающих, что при больших давлениях и температурах (которые нельзя воспроизвести в лабораторных условиях) силикат поведет себя именно так^[14]14
  На Международном симпозиуме по геофизике в 1963 году советские ученые продемонстрировали своим зарубежным коллегам кварц, подвергнутый действию высоких давления и температуры. Получился новый минерал, темного цвета, непрозрачный и с плотностью 4,5 грамма на кубический сантиметр вместо 2,5 грамма у «обычного» кварца! Весьма возможно, что именно этот минерал является основной составной частью мантии Земли. – Прим. ред.


[Закрыть].

По мнению других, вещество Земли на этой глубине внезапно меняется по своей химической природе, и при этом сравнительно легкий силикат мантии уступает место некоему более тяжелому и жидкому веществу, из которого состоит ядро.

Но из чего все-таки состоит ядро? Если мы ограничимся только элементами, чаще всего встречающимися в земной коре, то единственным веществом, которое было бы плотным при существующих в глубине Земли давлениях (но не слишком плотным) и при существующих там температурах, окажется железо.

А может быть, это тоже очередной фокус?

Не совсем. Есть еще ряд доказательств, хотя и не прямых, но весьма выразительных. В 1866 году французский геолог Дюбре впервые высказал предположение, что ядро Земли железное; это случилось примерно за 30 лет до того, как были получены сейсмические данные о существовании ядра вообще. Свое предположение он основывал на том, что очень многие метеориты почти полностью состоят из железа. Это означает, что астрономические тела частично могут состоять из чистого железа. А почему, собственно, ядро Земли не может быть железным?

И в самом деле, есть три вида метеоритов: «железные метеориты», о которых мы только что говорили; группа гораздо чаще встречающихся «каменных метеоритов» и сравнительно редкие «троилитовые метеориты». Так и подмывает предположить, что эти метеориты являются остатками какой-нибудь землеподобной планеты (находившейся где-то между Марсом и Юпитером), которая разлетелась на куски; что каменные метеориты – это куски мантии планеты; железные метеориты – куски ее ядра; троилитовые метеориты – куски промежуточной зоны между мантией и ядром.

Если это действительно так (а большинство геологов, по-видимому, придерживаются именно этой точки зрения), то, проанализировав все три вида метеоритов, мы, в сущности, проанализируем, по крайней мере приближенно, состав мантии и ядра Земли.

Каменные метеориты в среднем имеют следующий состав (здесь и далее в процентах по весу):

Кислород … 43,12

Кремний … 21,61

Магний … 16,62

Железо … 13,23

Кальций … 2,07

Алюминий … 1,83

Как видите, каменные метеориты состоят в основном из силиката магния и железа, которыми так богат оливин. Вместе с основными примесями, кальцием и алюминием, силикат магния и железа составляет 98,5 % общего веса каменных метеоритов. Таких распространенных в земной коре металлов, как натрий и калий, в мантии явно мало. Впрочем, очень хорошо, что в коре их больше, так как эти элементы полезны и важны для жизни.

Состав железных метеоритов таков:

Железо … 90,78

Никель … 8,59

Кобальт … 0,63

Сколько-нибудь значительных количеств других элементов в них нет. Вот почему ядро Земли часто называют железо-никелевым.

Троилитовые^[15]15
  Троилит – название, данное серно-железному минералу, похожему на минерал, который находят в троилитовых метеоритах. Название дано в честь итальянца Доменико Троили, жившего в XVIII веке. – Прим. авт.


[Закрыть] метеориты имеют следующий процентный состав:

Железо … 61,1

Сера … 34,3

Никель … 2,9

Эти метеориты состоят главным образом из сернистого железа с небольшой примесью сернистого никеля. Поэтому геологи считают, что самая нижняя часть земной мантии состоит, весьма возможно, из сульфида железа, который занимает ¹/₁₂ общей массы Земли.

Для того чтобы получить законченную картину состава Земли, надо предположить, что ее основные части соответствуют различным видам метеоритов, а затем выяснить, какие средние весовые данные дает нам изучение метеоритов. Геологи, высказывая предположения относительно общего состава той или иной части мантии, составляли таблицы, которые в частностях расходились, но в целом совпадали.

Вот одна из итоговых таблиц химического состава всей Земли (в процентах):

Железо … 35,4

Кислород … 27,8

Магний … 17,0

Кремний … 12,6

Сера … 2,7

Никель … 2,7

Эти шесть элементов составляют почти 98 % всего земного шара. Однако если бы мы перечислили эти элементы не по весовому содержанию, а по числу атомов, то сравнительно легкие атомы кислорода потеснили бы все другие и стали на первое место. В сущности, почти половина (47,2 %) всех атомов Земли – это атомы кислорода.

* * *

Теперь нам остается только дать рецепт приготовления такой планеты, как наша, и мне представляется, что в «Звездной поваренной книге» этот рецепт выглядел бы так:

«Отвесьте примерно 2 септильона килограммов железа и добавьте туда для крепости 10 процентов никеля. Хорошо перемешайте это с 4 септильонами килограммов силиката магния, добавьте для придания особого аромата 5 процентов серы и небольшое количество других элементов по вкусу. (Для более успешного приготовления данной планеты пользуйтесь „Кратким звездным справочником специй и пряностей“.)

В радиоактивной духовке разогрейте смесь, пока она основательно не расплавится и не распадется на два не смешивающихся друг с другом слоя. (Предостережение: не разогревайте слишком долго, так как блюдо можно пересушить, а это весьма нежелательно.)

Охлаждайте постепенно, пока не затвердеет корка и не появится прилипшая к ней тонкая пленка из газа и жидкости. (Если она не появится, значит, вы перекалили планету.) Поместите планету на орбиту не очень близко, но и не очень далеко от звезды и крутните ее. Затем ждите. Через несколько миллиардов лет на поверхности начнется брожение. Забродившая часть, называемая жизнью, особенно ценится знатоками».