Глава 2
Земля. Внутреннее строение

Земля образовалась одновременно с Солнцем и остальными планетами 5 миллиардов лет назад. К тому времени с момента большого взрыва прошло уже 12–13 миллиардов лет и холодное газопылевое сгущение, породившее солнечную систему, содержало помимо водорода и гелия все остальные химические элементы, образовавшиеся в звездах предыдущих поколений и выброшенные в космическое пространство при взрывах многочисленных новых и сверхновых звезд.

Время возникновения Земли и периоды дальнейшего формирования ее поверхностных слоев (коры) надежно установлены несколькими независимыми методами — астрономическими, геологическими, физическими (изучением изотопного состава горных пород), а для более поздних этапов — и палеонтологическими (изучение следов жизнедеятельности и остатков живых организмов).

Внутреннее строение Земли известно гораздо хуже, чем, например, внутреннее строение Солнца и вообще звезд — с меньшими подробностями, многое пока еще является спорным. И как всегда в таких случаях имеются разные точки зрения. Такое, на первый взгляд, странное положение объясняется несколькими причинами, из которых, пожалуй, главная заключается в том, что все звезды — газовые шары, физика которых достаточно проста, а Земля (и вообще малые, близкие к Солнцу планеты) состоит как бы из вложенных друг в друга сфер, которые находятся в твердом, жидком (расплавленном) или промежуточном состоянии при высоких давлениях и температурах. Физика таких сред гораздо сложнее и не до конца изучена.

Внутренние области Земли для человечества (по крайней мере, пока) так же недоступны, как и недра звезд. Главным источником сведений о строении Земли являются данные о распространении сейсмических волн, возникающих при землетрясениях, извержениях вулканов, ударах крупных метеоритов (это случается крайне редко), а в последние годы и при ядерных взрывах. Возникающие при этих событиях упругие акустические колебания распространяются по всей толще Земли и фиксируются чувствительными приборами (сейсмографами) на сети сейсмических станций, которая охватывает всю сухопутную территорию планеты. Основное назначение этой сети — предупреждение об опасных явлениях, но за многие десятки лет попутно накопился огромный научный материал, обработка которого позволяет определять скорости и характер распространения сейсмических волн во всей толще Земли. А поскольку скорость и характер распространения зависят от плотности и состояния вещества,¹ то в результате многолетней работы ученым все же удалось построить научно обоснованную картину внутреннего строения Земли. Сейсмические данные дополняются некоторыми другими: например, о приливных движениях в земной коре, о медленных изменениях направления оси вращения 3емли (нутации и прецессии), которые могут быть очень точно зафиксированы астрономическими методами. Все данные указывают, что внутри Земли обязательно должны быть области, где вещество находится в расплавленном (жидком) состоянии. Важную и значительную информацию дают шахты и изучение вулканической деятельности, но только о тонком слое у земной поверхности. Самые глубокие шахты удается бурить на глубину 8–10 км; такое бурение обходится очень дорого. При вулканических извержениях на поверхность может выноситься вещество с глубин 70–100–200 км. Это очень мало по сравнению с радиусом Земли — 6400 км.

Таким образом, в вопросах строения внутренних областей Земли и их истории остается еще много нерешенных проблем; их количество, естественно, возрастает по мере движения назад, для этапов, отстоящих от нас на сотни миллионов и миллиарды лет. Однако, общая картина в объеме, необходимом для данной книги, достаточно ясна.

Протопланетное облако, из которого формировалась Земля, состояло из водорода и гелия, смешанных с другими, более тяжелыми элементами. Первоначально это была достаточно однородная смесь, так сказать, химический винегрет. Однако, надо полагать, что свободные (т. е. не связанные химически) водород и гелий были утрачены уже на стадии сгущения облака. Это происходило потому, что при гравитационном сжатии облако нагревалось (как и всякий сжимающийся газ), а так как общая масса была не слишком велика и гравитационные силы, удерживающие всё это вместе — тоже, то лёгкие элементы, которые к тому же тяготели к периферии облака, начали покидать сгущение и выноситься в окружающее космическое пространство. Этот процесс называется диссипацией.

В любой смеси газов при любой температуре средняя кинетическая энергия всех частиц

($m$ — масса частицы, $v$ — скорость) одинакова независимо от их природы. А так как водород и гелий имеют малую массу, то скорости их беспорядочных (температурных) движений должны быть больше; из-за этого они ускользают в первую очередь. К тому же можно предположить, что одновременно формировавшееся Солнце начало светить (излучать) несколько раньше, чем Земля окончательно превратилась в твердое тело, например, на несколько десятков миллионов лет, что по астрономическим масштабам совсем немного. Солнечное излучение дополнительно нагревало наружные слои сгущения и усиливало диссипацию. Возможно часть атомов и других, не таких легких, но все же летучих веществ (углерод, кислород, азот, их летучие соединения и др.), частично приняли участие в этом процессе и навсегда покинули Землю на этой стадии. Можно считать, что это был самый первый геологический процесс в истории Земли, оказавший огромное влияние на ее дальнейшее развитие.

Наряду с атомами и молекулами простых химических элементов начальное сгущение содержало и химические соединения с участием водорода, углерода, кислорода, серы, азота, кремния, такие как окислы углерода $\text{CO}$, $\text{CO}$2, метан $\text{CH}$4, аммиак $\text{NH}$3, циан $\text{HCN}$, окись кремния (кремнезем) $\text{SiO}$2, конечно воду $\text{H}$2O и многие другие. При сжатии и разогреве облака интенсивность образования химических соединений многократно возрастала. Некоторая часть этих соединений, оставшаяся в газообразной форме, покинула Землю путем диссипации, но в основном они вошли в состав более сложных и тяжелых веществ — первых горных пород — и оказались связанными. В результате, когда наконец Земля сформировалась как твердая планета, она совсем не содержала атмосферы, а если и содержала, то крайне разряженную, состоящую из азота, окислов углерода, метана, аммиака. На Земле почти не осталось гелия, который химически не соединяется ни с какими другими элементами, водород остался только в связанном виде, в составе химических элементов (весь свободный водород улетучился). Первичная атмосфера, если она была, совсем не содержала кислорода, который чрезвычайно активен в химическом отношении и весь ушел на образование всевозможных окислов и других соединений. Земля тогда не была окутана теплым атмосферным одеялом и ее поверхность быстро охлаждалась, излучая в космос. Образовалась твёрдая и плохо проводящая тепло кора. Вся вода входила в химические соединения — первые минералы.

Примерно такой же процесс происходил и на других планетах, близких к Солнцу — Меркурии, Венере, Марсе. Все они утратили гелий и свободный водород и превратились в твердые тела. Дальние планеты — Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун удержали водород и гелий, они оказались более массивными (особенно Юпитер — в 2000 раз массивнее Земли² и, кроме того, расположены значительно дальше от Солнца, вследствие чего их поверхность холодна, энергия (скорости движений) водородных и гелиевых молекул оказалась недостаточна для диссипации.

Рассмотрим, что представляет собой Земля в современном виде и в результате каких процессов она перешла к этому состоянию от первоначального плотного тела, температура которого во внутренних областях была значительно ниже, чем теперь.

Геометрически Земля — шар, слегка сплюснутый у полюсов: ее средний³ экваториальный диаметр равен 12756,5 км, а полярный — 12713,7 км.

Земля вращается вокруг Солнца по почти круговой орбите; среднее расстояние от точек этой орбиты до центра Солнца составляет $149,6\cdot 10^6$ км. Продолжительность одного оборота – год — используется как мера времени для исторических, геологических, астрономических событий. Одновременно Земля вращается вокруг оси, наклоненной к плоскости орбиты на 23,45 градуса, совершая в этом вращении 365,2422 оборота за год⁴ .

Полная масса Земли равна $6\cdot 10^{27}$ грамм ($6\cdot 10^{21}$ т), средняя плотность 5,5 г/см${}^3$ (или т/м${}^3$). Все твердые тела, жидкости и газы на поверхности и в глубине Земли находятся в поле земного тяготения (гравитационное поле) и испытывают силу притяжения к центру Земли. Эту силу удобно характеризовать ускорением земного притяжения $g$. На земной поверхности это ускорение равно $g=981,5$ см/с${}^2$; оно несколько изменяется в зависимости от географической широты⁵ .

На рис. 1 (стр. 415) представлена структура недр Земли. Этот рисунок содержит довольно много информации. Левая верхняя четверть удалена; обнажены внутренние слои, раскрашенные разными цветами и представляющие собой сферы, вложенные одна в другую. Рисунок выполнен в масштабе $1:10^8$ (1 см соответствует 1000 км).

Сверху над вырезом содержатся данные о слоях: шкала расстояний от поверхности (от уровня Мирового океана) в тыс. км. По этой шкале нетрудно установить расстояние до границ между слоями, их радиусы, толщину. Видно, что радиус 3емли равен $R_{\text{з}}=6400$ км. Над шкалой помещены дополнительные данные о слоях:

• общепринятые буквенные обозначения слоя (от А до F под шкалой);
• название;
• данные об объеме, средней плотности, массе слоев;
• основные породы — химический состав и физическое состояние (жидкое, твердое, вязкое);

• над таблицей характеристик помещены два графика, дающие в зависимости от глубины:

  а. Значения температур (в тысячах ${}^{\circ }$C, красная кривая) и давлений (в миллионах атмосфер, зеленая кривая).

  б. Значения плотности вещества (в г/см${}^3$, красная кривая) и скорости распространения сейсмических волн (в км/с, для продольных волн P — зеленая кривая, для поперечных волн S — синяя кривая).

Некоторые детали, например, переходные слои между сферами, на рисунке опущены.

В центре расположено ядро, состоящее из железа и никеля, возможно, с добавкой серы и кремния, которые находятся в соединении с железом. Ядро состоит из двух частей — внутренней (F) и внешней (E). Внутреннее ядро — твердый шар радиусом 1250 км. Его объем составляет всего 0,75%, а масса — 1,8% от объема и массы Земли. Внешнее ядро с наружным радиусом 3480 км составляет 15,3% (объем) и 32,1% (масса) от объема и массы Земли. Между внутренним и внешним ядром находится переходный слой толщиной 140 км. Как видно из графика рис. 1б, поперечные сейсмические волны через внешнее ядро не проходят (S = 0). Это заставляет считать, что слой Е находится в расплавленном (жидком) состоянии. Плотность вещества во внешнем ядре (от 10 до 11,5 г/см${}^3$) несколько меньше, чем во внутреннем (от 12,3 до 12,7 г/см${}^3$).

Ядро окружено мантией, состоящей из трех слоёв:

• нижняя мантия D, толщиной 1900 км;
• средняя мантия С, толщиной 600 км, называемая иногда слоем Голицына по имени открывшего его ученого Б. Б. Голицына (Россия, 1909 г.);
• верхняя мантия В, толщиной 400 км, называемая астеносферой или слоем Гутенберга (Германия, 1902 г.);

Плотность вещества мантии увеличивается с глубиной (рис. 1б), но даже на границе с наружным ядром (3000 км от поверхности) она значительно меньше, чем в ядре (4–5 г/см${}^3$ против 10 г/см${}^3$). Общий объем всех трех слоев мантии составляет 77%, а масса 62% по отношению к объему и массе Земли.

Источниками сведений о химическом составе мантии являются:

• расчеты, основанные на сейсмических данных о плотности вещества, с учетом распространённости химических элементов и соединений, которые они могут образовать в условиях земных недр. Физико-химические модели, положенные в основу расчетов, должны удовлетворять некоторым ограничениям (условиям), например, хорошо известной по астрономическим данным: общей массе Земли, а также ее моменту инерции⁶ , который зависит от распределения масс вдоль радиуса Земли. Его удалось определить путем изучения особенностей взаимного движения Земли и Луны и уточнить по данным, полученным на спутниках;
• лабораторные эксперименты с различными веществами, в которых воспроизводятся условия (температура, давление), существующие в недрах Земли;
• изучение химического состава метеоритов. Есть основания полагать, что некоторые виды каменных метеоритов (так называемые хондриты) по составу близки к веществу мантии Земли;
• непосредственное изучение продуктов вулканической деятельности (магма, каменные выбросы, вулканический пепел, газы, гидротермальные источники). Правда, эти «вещественные улики» относятся только к самым верхним слоям мантии.

На основании всех этих данных считается, что мантия состоит из различных химических соединений, которые образованы в первую очередь наиболее распространёнными на Земле элементами: кислородом О, кремнием Si, магнием Mg, алюминием Al, железом Fe. Эти элементы образуют различные химические соединения, а комбинации соединений образуют глубинные горные породы. Основную роль в составе пород мантии, как, впрочем, и земной коры тоже, играют соединения кремния с кислородом — $\text{SiO}$2, $\text{SiO}$4 и другие. Образованные на этой основе вещества (породы) с некоторой долей условности рассматриваются как соли кремниевых кислот (соединений типа $\text{nSiO}$2 ⋅mH2O), и по этому признаку делятся на группы:

• кислые, с содержанием окислов кремния более 70% (например, гранит);
• нейтральные (от 55 до 70% $\text{SiO}$2, например, плагиоклазы);
• основные (от 45 до 55% $\text{SiO}$2, например — эклогит);
• ультраосновные (менее 45% $\text{SiO}$2, например, базальт, диабаз).

С увеличением содержания окислов кремния плотность породы уменьшается; такие породы стремятся подняться к поверхности, а тяжелые — опускаются ниже. В сочетании с металлами и водородом (группы $\text{OH}$, $\text{H}$2O) окислы кремния образуют огромное количество горных пород и минералов.

Образцы верхней мантии, доставляемые наверх при вулканических извержениях, а также каменные метеориты – хондриты — состоят преимущественно из основных и ультраосновных пород. Считается, что главные породы мантии — оливины, т. е. соединения типа (Mg,Fe)${}_2\cdot$$\text{SiO}$2, причем относительное содержание магния Mg и железа Fe может меняться; в верхних слоях преобладает Mg, в нижних — Fe.

Наряду с железом и магнием породы мантии содержат и другие металлы (алюминий Al, кобальт Co, никель Ni, калий K, натрий Na, цинк Zn) — вообще почти все металлы и элементы, содержащиеся на Земле. Некоторые расчеты показывают, что в самых нижних слоях мантии в связи с ростом температуры и давления минералы распадаются на более простые соединения — окислы и др. Наконец, необходимо отметить, что в состав многих пород мантии входит вода в химически связанном виде.

Через мантию проходят как продольные, так и поперечные сейсмические волны. Это говорит о том, что вещество мантии находится преимущественно в твердом состоянии.

Над мантией расположен самый верхний, относительно очень тонкий слой А — литосфера. Он также состоит из двух слоев — земной коры и находящейся под ней зоны Мохо (по имени югославского геофизика Мохоровичича, открывшего этот слой в 1910 г.). Толщина этих слоев меняется в зависимости от географического места. Так, толщина коры в районах суши под материковыми платформами может достигать 60–70 км, а под океаном редко превышает 6–8 км (от дна океана), причем в некоторых местах зона Мохо отсутствует и к слою коры под дном океана непосредственно примыкает верхняя мантия.

Считается, что средняя толщина земной коры равна $\sim$ 33 км, а толщина литосферы (кора вместе с зоной Мохо) — около 100 км. На. рис. 1 литосфера изображена в виде тонкой голубоватой полоски. Принятый на этом рисунке масштаб не позволяет показать детали её строения.

Графики а, б, помещенные слева и сверху на рис. 1, позволяют установить еще ряд физических особенностей земных недр. Из графика а видно, что температура и давление, как и следует ожидать, более или менее равномерно, по крайней мере, плавно, растут с глубиной, достигая в центре очень больших значений — более 6000 ${}^{\circ }$C и 3,5 миллиона атмосфер. При этом в самых верхних слоях температура растет особенно быстро, достигая l000 ${}^{\circ }$C на глубине 150–250 км и 2000 ${}^{\circ }$C на глубине 400–500 км. Это объясняется тем, что верхние слои, и особенно кора, плохо проводят тепло (по сравнению с нижележащими слоями) и нужен большой «тепловой напор», чтобы обеспечить передачу тепла от горячих внутренних слоев к холодной наружной поверхности.⁷

Кривые на графике рис. 1б нельзя назвать плавными. Они имеют скачки и ступеньки на границах зон. В этих местах происходит изменение плотности вещества (красная линия), его физического состояния (характера упаковки атомов) и даже, в некоторых случаях, химического состава. Это проявляется в изменении скорости распространения сейсмических волн (синяя и зеленая линии). Эти твёрдо установленные экспериментальные факты по существу и лежат в основе зонального деления внутренней части Земли.

Приведенный рассказ о строении Земли может вызвать некоторые вопросы и сомнения. Например:

• Почему внутреннее ядро твёрдое, а наружное — жидкое, раз температура внутренней части выше?
• Почему внутреннее ядро, состоящее из железа и никеля, остается твёрдым при температуре 6000 ${}^{\circ }$C, если температура плавления железа 1530 ${}^{\circ }$C, а никеля — 1450 ${}^{\circ }$C? Ведь даже наиболее тугоплавкий металл — вольфрам — плавится при $T=3400$ ${}^{\circ }$C.
• Как согласовать представление о твердом состоянии мантии, в том числе верхней ее части, с явлениями вулканизма, когда на поверхность изливается расплавленная жидкая магма?

Эти вопросы заслуживают того, чтобы на них остановиться. Температура плавления $T_{\text{пл}}$ металлов и горных пород известна для обычных давлений — единицы, десятки, сотни атмосфер. С ростом давления $T_{\text{пл}}$ повышается и вполне можно ожидать, что при давлениях в сотни тысяч и миллионы атмосфер вещество остается твердым даже при температуре земных недр. По-видимому, все внутреннее вещество Земли, в том числе и все твердые слои мантии находятся в состоянии, близком к точке плавления, так сказать «на границе». Поэтому достаточно даже сравнительно небольшого изменения условий (температуры, давления, состава), чтобы твердые компоненты начали плавиться или, наоборот, жидкие переходили в твердую фазу. Так, в частности, внутреннее ядро остается твердым, поскольку в нем давление выше, чем во внешнем слое ядра. В [2.1] описывается процесс зональной плавки на границе жидкого ядра (слой Е) и твердой нижней мантии (слой D). Он состоит в том, что самые нижние слои мантии, соприкасаясь с более горячим ядром, постепенно «подтаивают», плавятся. При этом более тяжелые компоненты свежего расплава опускаются вниз, к поверхности твердого ядра, а более легкие из жидкого ядра поднимаются вверх. Таким образом, ядро F медленно увеличивается. По существу этот процесс аналогичен гравитационному сжатию и, как показывают расчеты, он может служить немалым источником тепловой энергии, выделяемой за счет опускания тяжелых частей к центру Земли. Подобные процессы происходят и в самой мантии, в том числе в самой верхней её части, примыкающей к земной коре. В этой области вещество гораздо более дифференцировано, чем в центральных. Оно содержит компоненты с разной температурой плавления и считается, что в верхней мантии, наряду с твердыми, существуют и всё время появляются новые области, где вещество находится в жидком состоянии. Из этих областей, находящихся на глубинах 100–250 км и более, расплавленное вещество в виде магмы поступает наверх при извержениях вулканов.

Более того, по причинам, о которых сказано ниже, недра Земли и, в частности, мантия продолжают нагреваться и сейчас. При этом возникают перепады давлений и, несмотря на то, что мантия в основном твёрдая, она испытывает медленные конвективные движения, которые захватывают огромные массы вещества. Уже отмечалось, что из-за высокой температуры вещество мантии достаточно близко к точке плавления. Вследствие этого вязкость его понижена, твёрдое вещество приобретает пластичность. Нечто подобное можно наблюдать и в обычных условиях, например, лед, асфальт и некоторые другие твёрдые вещества способны медленно «течь» под влиянием сил и давлений. Вещество мантии обладает некоторой текучестью, способно перемещаться. А ведь при движении со скоростью всего 1 мм в год, участки вещества способны переместиться за 100 миллионов лет на 1000 километров. При этом надо иметь в виду, что 100 миллионов лет по геологическим масштабам — совсем небольшой срок. Многие ученые считают, что медленные конвективные движения в мантии образуют замкнутые циклы, охватывающие большие участки поверхности. На рис. 1 снизу справа пунктирными линиями условно изображены два таких цикла. Эти упорядоченные движения в верхней мантии оказывают влияние на участки земной коры, вызывая перемещения континентов, растяжения, разломы и трещины в одних местах планеты, процессы горообразования в других местах.

Остановимся вкратце на истории преобразования недр Земли за 4,5 миллиарда лет от первоначального состояния, которое она имела сразу после формирования.

По вопросу начальных этапов этого процесса (первые 100–200 миллионов лет) существует две точки зрения, различающиеся тем, в какой степени к моменту образования Земли вещество уже было дифференцировано в процессе сгущения протопланетного облака.

Неоднородная модель предполагает, что разделение произошло до окончательного формирования планеты, в результате остывания и конденсации химических соединений, находившихся в газообразном состоянии. В результате образовалась планета, в центре которой находились не самые тяжелые, а наиболее тугоплавкие соединения с участием кальция Сa, алюминия Al, титана Ti и др. Затем следовал железоникелевый слой, затем смесь металлического железа с кремниевыми соединениями (силикатами) магния. После этого, в течение примерно 100 миллионов лет происходил разогрев внутренних областей, опускание вниз тяжелых и подъем более легких фракций. В результате образовалась структура, близкая к современной.

Сторонники однородной модели считают, что первоначально все вещества были более или менее однородно перемешаны, а потом, в результате разогрева, частичного плавления и того же процесса разделения тяжелых (опускаются вниз) и легких (поднимаются вверх) компонент образовалась современная структура Земли. Вероятно, истина лежит где-то посередине, поэтому существуют промежуточные точки зрения и теории. Для нас эти детали не имеют существенного значения; интересующимся можно порекомендовать работы [2.18; 2.24]. В любом случае на протяжении дальнейшей истории формировалось тяжелое ядро, более легкая мантия и тонкая, совсем легкая кора. Это происходило под влиянием двух основных процессов:

• разделения легких и тяжелых фракций под влиянием сил тяготения, направленных к центру Земли;
• разогрева внутренних областей.

Что касается разделения, то это вполне понятный и естественный процесс. Например, если в одном сосуде смешать песок, масло и воду и все это хорошенько взболтать до получения «однородной» смеси, а потом оставить, то через некоторое время тяжелый песок осядет вниз, вода окажется в середине, а масло всплывет наверх. На этом основаны некоторые производственные процессы, например, промывка при добыче золота. То же самое, только очень медленно, происходит и в Земле.

На причинах разогрева надо остановиться подробнее. Каждый, кто наблюдал вулканическое извержение или пережил землетрясение, имеет наглядное представление о мощи подземных сил, вызывающих эти явления; кому не довелось наблюдать, может легко это вообразить. Еще гораздо более мощные силы скрыты за медленными, незаметными движениями земной поверхности — подъемами и опусканиями больших участков суши (иногда — на сотни метров), горизонтальными движениями континентов, при которых воздвигаются горные цепи или создаются разломы и провалы. Но все это — лишь слабые отголоски тех мощных процессов и движений, которые происходят в громадной толще земных недр, во всех слоях мантии, а может быть и во внешнем жидком ядре. Энергия, которая требуется для разогрева земных недр на тысячи градусов (напомним — масса Земли равна $6\cdot 10^{21}$ т — 6 тысяч миллиардов миллиардов тонн), во много раз (принято говорить — на много порядков, это значит, например, в миллионы или миллиарды раз) превосходит энергию движения слоев мантии. Таким образом процессы, происходящие внутри и на поверхности планеты, связаны с немалыми затратами энергии, но такая энергия внутри Земли есть.

Во-первых, сразу после формирования Земля за счет гравитационного сжатия уже была нагрета до 1200 градусов (а может быть и до 1600 градусов). Это соответствует запасу тепловой энергии $W=9\cdot 10^{30}$ Дж.⁸ Часть учёных предполагает также [2.24], что дополнительным источником энергии на начальном этапе могли служить короткоживущие (т. е. быстро распадающиеся) радиоактивные изотопы некоторых элементов, таких, как плутоний 244 ($\text{Pu}$244, период полураспада $T_{1∕2}=82$ млн. лет), йод 129 ($\text{J}$129, $T_{1∕2}=16$ млн. лет), алюминий 26 ($\text{Al}$26, $T_{1∕2}=0,7$ млн. лет), бериллий 10 ($\text{Be}$10), железо 60 ($\text{Fe}$60) и др.

Такое предположение основано на изучении изотопного состава метеоритов, которые могут содержать продукты распада этих элементов. Однако, вряд ли его можно считать твердо установленным фактом, поскольку короткоживущие изотопы (если они существовали) должны были полностью распасться в процессе формирования солнечной системы и даже еще раньше. Для устранения этого возражения приходится выдвигать дополнительное предположение о том, что совсем незадолго до начала сгущения первичного облака вблизи будущего Солнца и его планет вспыхнула сверхновая звезда, которая и обеспечила «поставку» этих изотопов. Во всяком случае, короткоживущие изотопы «почти сразу» (по астрономическим масштабам) распались и в настоящее время на Земле (и метеоритах) их нет; но они в природе существуют и могут быть получены искусственным путем.

Во-вторых, кроме начального разогрева при формировании Земли и распада короткоживущих радиоактивных изотопов имеется еще несколько источников энергии, выделявшейся внутри Земли за все время ее существования, и продолжающих действовать поныне.

1. Как показывают расчеты [2.1; 2.17] за счет погружения тяжелых компонент к центру и подъема легких компонент к периферии (по существу — это продолжающийся процесс гравитационного сжатия) за 4,5 млрд. лет выделилась и превратилась в тепло потенциальная энергия $W_{\text{сжатия}}=1,6\cdot 10^{31}$ Дж. В [2.1; 2.13] отмечается, что этот процесс к настоящему времени переработал 86% всего запаса энергии, связанной с формированием тяжелого ядра.

   Для иллюстрации энергетических возможностей подобного процесса приведем следующий пример. Очень легко подсчитать, что кусок железа, поднятый над земной поверхностью на высоту всего 100 км, приобретает потенциальную энергию, достаточную для того, чтобы при обратном падении (в безвоздушном пространстве, на что потребуется около 140 секунд) и при ударе о поверхность он не только нагрелся до точки плавления (1539 ${}^{\circ }$C), но и расплавился, хотя для плавления без всякого дополнительного нагрева требуется энергия (скрытая теплота плавления), равная 1/3 той, которая нужна для нагрева от 0 до 1500 ${}^{\circ }$C. А ведь расстояние от нижней границы мантии до внутреннего ядра гораздо больше — 2200 км.

   То, что Земля до сих пор не расплавилась (и никогда не находилась вся в расплавленном состоянии) объясняется следующим:

   • во-первых, только часть земного вещества (железо, никель) опускается к центру, выделяя энергию;
   • во-вторых, часть этой энергии затрачивается на подъем кверху более легких фракций;
   • в-третьих, внутри Земли (например, в области внешнего ядра) гравитационные силы меньше, чем на поверхности. В самом центре Земли они равны нулю;
   • в-четвертых, описанный процесс разделения вещества земных недр с формированием тяжелого ядра идет медленно. За это время часть выделившейся энергии была израсходована на тепловое излучение с поверхности Земли.
2. Вторым, тоже значительным источником тепловой энергии является распад долгоживущих радиоактивных элементов — урана 239 и 235 ($\text{U}$239, $T_{1∕2}=4,51\cdot 10^9$ лет, $\text{U}$235, $T_{1∕2}=7,13\cdot 10^8$ лет), тория 232 ($\text{Th}$232, $T_{1∕2}=1,39\cdot 10^9$ лет), радиоактивного изотопа калия ($\text{K}$40, $T_{1∕2}=1,32\cdot 10^9$ лет). Энергия, выделившаяся в результате распада этих элементов за 4,5 миллиарда лет, оценивается величиной $W=0,9\cdot 10^{31}$ Дж. Кроме этих двух основных существуют и другие источники.
3. Некоторая, правда сравнительно небольшая, энергия выделялась и выделяется сейчас внутри Земли за счет приливных явлений в мантии, связанных с взаимодействием Земли и Луны (наподобие приливов на поверхности океана). По величине эта составляющая в десятки или сотни тысяч раз меньше двух предыдущих источников и её можно не принимать во внимание.
4. Многочисленные химические реакции, непрерывно протекающие в недрах Земли, также связаны с выделением энергии (реакции типа окисления) или с ее поглощением (реакции восстановительного характера). Но энергетический баланс этих реакций также невелик и к тому же не вполне ясно, какого типа реакции преобладают в настоящее время.

Таким образом, первые два источника энергии за 4,5 миллиарда лет выделили $2,5\cdot 10^{31}$ Дж. Часть этой энергии расходуется на теплопередачу от внутренних слоев к поверхности и излучается в космос (инфракрасное излучение Земли), но как показывают расчеты и прямые измерения теплового потока из недр, это не очень много: за время существования Земли путем отдачи тепла наружу была израсходована одна пятая часть, т. е. около $0,5\cdot 10^{31}$ Дж. Все остальное ушло на разогрев внутренних областей Земли.

Хорошо известно, что большинство веществ при нагревании расширяются и их объем увеличивается; земные породы не представляют исключения. Более того, при плавлении, при фазовом переходе из твердого состояния в жидкое, объем возрастает в еще большей степени. В результате во внутренних областях, особенно на глубине 100–300 километров, создаются зоны с расплавленным веществом и повышенным давлением, которое может намного превышать естественное давление, создаваемое вышележащими слоями. Тонкая земная кора не выдерживает напора, возникают вулканы и по разломам, трещинам в коре жидкое и разогретое вещество магмы изливается на поверхность, дополняя кору своей массой и вынося наверх накопившиеся излишки энергии, которые уже без особого затруднения уходят в космос в форме теплового излучения. А когда верхние слои по каким-либо причинам оказывают сопротивление, происходят грандиозные взрывы, например, наподобие вулкана на острове Каракатау [2.29], когда в результате взрыва 27 августа 1883 года в атмосферу были выброшены массы вулканического пепла общим объемом до 16 км${}^3$. Этот пепел поднялся на высоту до 80 км, а затем атмосферными течениями рассеялся по всей Земле. Вулкан вместе с островом был уничтожен; в море возникла огромная волна высотой 40 метров (цунами), от которой на близлежащих островах погибло более 30000 жителей. Подобные катаклизмы случаются достаточно часто во многих местах планеты и человеческая память хранит сведения о многих из них.

Спокойных же извержений происходит несравненно больше и поверхность некоторых районов буквально устлана действующими и потухшими вулканами. Это похоже на паровой котел с множеством клапанов, а земную кору вместе с системой вулканов можно уподобить естественному регулятору, который периодически выпускает наружу излишки энергии и вещества из глубинных слоев, предохраняя поверхность от еще более страшных катаклизмов.

Таким образом, внутренние сферы Земли совсем не находятся в покое. Они живут, нагреваются, плавятся, деформируются, а отголоски этих мощных и бурных процессов проявляются на земной поверхности, вызывая подъемы и опускания отдельных областей, сжатия и разрывы земной коры, возникновение новых горных систем и островов, движение континентов и многие другие явления.

На рис. 1 верхний слой Земли — кора и зона Мохо изображены тонкой линией голубоватого цвета. Сама земная кора вместе со всеми своими горами и океанами выглядела бы в этом масштабе едва заметной линией толщиной 0,2–0,3 мм; по сравнению со всей Землей — это тонкое и хрупкое образование. Над поверхностью расположен такой же тонкий слой атмосферы.⁹

И уж совсем тонкий слой — 1–2 км под поверхностью океана и на 20–50 метров под поверхностью суши и над ней является местом, где сосредоточена жизнь. На рис. 1 это выглядело бы как тончайшая плёночка, толщиной 0,0002–0,0005 мм. Но для нас, конечно, эти слои представляют особый интерес.

В далеком прошлом выделение энергии в земных недрах происходило гораздо интенсивнее, чем теперь. В соответствии с этим вулканическая деятельность, процессы горообразования, передвижение материков были тоже более бурными. Но когда внутренние источники энергии будут исчерпаны, эти процессы должны затухнуть. Выше отмечалось, что запас потенциальной энергии, связанный с гравитационным разделением тяжелых и легких компонент, исчерпан на 86%, а ведь это — основной источник. Долгоживущие радиоактивные изотопы тоже когда-нибудь распадутся. И тогда на Земле настанет покой — ни вулканов, ни землетрясений больше не будет, географическая карта стабилизируется. Хорошо это или плохо (для нас)? Не похолодает ли поверхность Земли, когда внутренняя печка погаснет? Ответы на эти вопросы состоят в следующем.

1. Если это и произойдет, то очень нескоро. По-видимому, внутреннего топлива хватит на миллиарды лет, может быть до той поры, когда Солнце исчерпает свою энергию и погаснет, испепелив предварительно Землю и малые планеты, как это описано в гл. 1.

2. Прекращение вулканической деятельности — крайне нежелательное явление, хотя, конечно, без землетрясений жить лучше. Дело в том, что имеющаяся на поверхности Земли вода и атмосфера возникли только благодаря вулканическим процессам. Вспомним: на поверхности первично сформировавшейся Земли не было ни воды, ни атмосферы. Сейчас в природе происходят циклические процессы с участием океана, атмосферы и живых организмов. В этом непрерывном круговороте веществ важную роль играют кислород $\text{O}$2, вода $\text{H}$2O, углекислый газ $\text{CO}$2, но участвуют и другие вещества. И хотя основная масса $\text{O}$2, $\text{H}$2O, $\text{CO}$2 при этом сохраняется, все же неизбежна некоторая, пусть небольшая, утечка. Земные недра как раз восполняют эту утечку, а вулканы — это трубопроводы, по которым поступает необходимая «подпитка» поверхности. Кроме того, так нужные человечеству полезные ископаемые (все их виды) тоже поступают на поверхность из земных недр. Обо всем этом более подробно говорится в следующей главе.

3. Что касается похолодания, когда погаснет внутренний «котёл», то здесь как раз можно не беспокоиться: температура на поверхности Земли практически не зависит от температуры внутренних слоев и выделяющаяся в недрах энергия прямого влияния на поверхностный режим не оказывает.¹⁰ Проиллюстрируем это следующим примером.

Широко известны используемые в технике различные нагревательные печи. В некоторых, случаях (например, в металлургическом, фарфоровом производстве и др.) температура в таких печах близка к температуре верхних слоев мантии. Однако, слой теплоизоляционного материала (футеровка) толщиной 1 м и менее надежно защищает внутреннее пространство от утечки тепла; снаружи такая печь уже прохладная. Что же говорить о слое земной коры толщиной в несколько километров, состоящей, в сущности, из тех же самых теплоизолирующих материалов?

Прямые измерения потока тепла из недр Земли, проводившиеся во многих точках, различных по географическому положению (сухопутные равнины, горы, океанское дно), позволили вычислить общий поток для всей земной поверхности. Мощность этого потока оказалась равной $(3,6\pm 0,4)\cdot 10^{10}$ кВт [2.12]. Это во-первых, значительно меньше мощности, выделяемой в недрах Земли сейчас; оценка мощности внутреннего тепловыделения в современную эпоху даёт величину (1,5–2)$\cdot 10^{11}$ кВт. Во-вторых, это совсем немного. Например, по данным в [2.10] человечество в 1983 г. потребляло энергию со средней мощностью $9,5\cdot 10^9$ кВт, т. е. всего в 3–4 раза меньше потока из недр.

Главный результат этих исследований состоит в том, что ни мощности, просачивающейся через кору, ни даже всей мощности, выделяющейся внутри Земли, совершенно недостаточно, чтобы поддерживать существующую в настоящее время и приемлемую для жизни температуру на поверхности Земли. Выручает только энергия, поступающая от Солнца. Мощность излучения, приходящего от Солнца на всю поверхность Земли, неизмеримо больше: она составляет около $1,8\cdot 10^{14}$ кВт, т. е. в 10000 раз больше, чем поступает из недр. Правда, около 40% этого излучения отражается от Земли и никак не используется. Остальная мощность, около $1,1\cdot 10^{14}$ кВт, поглощается атмосферой, поверхностью суши и океана, обеспечивая нагрев земной поверхности. Солнечная энергия практически никак не влияет на внутренние процессы. Нагретая солнечным излучением поверхность Земли и атмосфера тут же или с небольшой задержкой переизлучают всю эту энергию, всю эту благодать, в космическое пространство в виде теплового (инфракрасного) излучения. Для того, чтобы излучать в инфракрасной области спектра всю мощность, получаемую от Солнца как раз и требуется, чтобы поверхность Земли была нагрета до +15 ${}^{\circ }$C (+15 ${}^{\circ }$C — величина, осредненная по всей поверхности Земли и по временам года). Таким образом, Солнце и поверхность Земли вместе представляют собой подобие регулятора, обеспечивающего среднюю температуру на поверхности +15 ${}^{\circ }$C. Задержка в переизлучении, о которой упоминалось выше, связана с усвоением части солнечной энергии растениями в процессе фотосинтеза, а также временным накоплением тепла в верхних слоях океана и суши, которые играют роль кратковременных аккумуляторов (буферов), запасающих тепло днем или вообще в теплое время года и отдающих его ночью или в холодное время.

Энергия, запасаемая растениями при фотосинтезе, расходуется на химические реакции (в основном, на реакции, в результате которых из углекислого газа $\text{CO}$2 образуются соединения углерода — органические вещества — и выделяется кислород), однако потом, при разложении органического вещества, эта энергия снова превращается в тепло и излучается. Таким образом, в этом процессе Земля ничего себе не оставляет, но зато поддерживает температуру своей поверхности на комфортном для жизни уровне. Да иначе и быть не может на обитаемой планете — накопление тепловой энергии привело бы к такому разогреву поверхности, что никакая жизнь была бы невозможна, а уменьшение поступающей энергии привело бы к глубокому охлаждению, также исключающему жизнь. Все это мы наблюдаем на других планетах солнечной системы и вполне возможно, что наша планета — редкое место во Вселенной, где все условия сложились настолько благоприятно, что стало возможным возникновение и длительное существование жизни.

Итак, поддерживается баланс между поступающей и излучаемой энергией: расход в точности равен приходу.

Впрочем, из этого правила есть одно, не очень большое по масштабам, но очень важное для нас исключение. В течение последних нескольких сот миллионов лет Земля с помощью живых организмов научилась утаивать от космоса небольшую долю солнечной энергии, запасая ее в своих недрах «впрок» (на «черный день» — что ли?) в виде энергетических полезных ископаемых — угля, нефти, горючих газов, торфа, сланцев — переработанных остатков живых организмов, в основным, растений.

Но потом появился человек, и когда он научно и технически созрел, он обнаружил этот клад, это богатство и начал расходовать его с такой неслыханной расточительностью, что… ну, просто не хватает слов!