Ядро Земли
Автор Administrator   
12.06.2009 г.

Ядро Земли
Наибольшие сложности встречаются при интерпретации данных о строении земного ядра. Это связано как с ограниченностью имеющихся наблюдений, так и с тем, что вещество ядра находится в условиях, весьма отличающихся от обычных,— давления более 1,5-106 атм и температуры в несколько тысяч градусов.

Высокая плотность ядра, большая электропроводность не оставляют сомнений в том, что вещество ядра находится в металлическом состоянии. Однако по вопросу о том, что это за вещество, сейчас нет единого мнения: Существуют две основные гипотезы.
Первая и наиболее старая гипотеза предполагает, что ядро Земли состоит из железа, вероятно, с некоторой примесью других веществ.
Гипотеза железного ядра встречается со многими трудностями. Например, расчеты показывают, что железо слишком плотное вещество для ядра, что нужно предположить наличие более легких примесей в ядре, и хотя это не невозможно, но образование такого ядра не очень понятно. Одним из самых серьезных препятствий на пути принятия этой гипотезы является то, что средняя плотность планет возрастает с увеличением геометрических размеров планеты, что совершенно непонятно, так как трудно объяснить, почему чем меньше планета, тем меньше в ней должно содержаться железа. Например, в составе Луны железо должно почти отсутствовать. Правда, последние результаты исследования Луны указывают на ее рыхлость — пористость ее наружных слоев, что, возможно, и создает малую среднюю плотность. Однако то же справедливо и для Марса, но трудно предполагать, что и в этом случае все сводится к рыхлости тела планеты.
Все эти и ряд других трудностей, с которыми сталкивается гипотеза железного ядра, привели к возникновению гипотезы о том, что ядро химически мало отличается от мантии, что переход к ядру вызван изменением фазового состояния вещества, а именно металлизацией тех же окислов или силикатов, которые слагают мантию, под действием высокого давления23.
Если встать на эту точку зрения, то приведенную на рис. 2 кривую плотности для Земли можно рассматривать как приближенное уравнение состояния для вещества планет земной группы. Применение этого уравнения к Луне, Марсу, Венере показало, что оно дает правильные средние плотности с уклонениями менее 10%. Такие колебания состава не представляются неразумными.
Однако и эта гипотеза встречается с серьезными трудностями. Опыты по сжатию некоторых пород до давлений в несколько миллионов атмосфер не показали в них ожидаемого перехода в металлическую фазу24. Этот результат нельзя все же считать окончательно закрывающим данную гипотезу. Дело в том, что опыты проводились при очень кратковременных динамических на-грузках. Между тем известно, что в ряде случаев для такого перехода требуется длительное время25.
Принципиальная возможность перехода вещества в металлическую фазу под действием высокого давления известна давно26. Примеры такого перехода получены экспериментально. Например, олово существует в двух модификациях — металлической и неметаллической, фосфор при давлении в несколько десятков тысяч атмосфер переходит в металлическую фазу. Были выполнены расчеты условий перехода для некоторых наиболее простых случаев (водород, гелий, гидрид лития). Однако эти расчеты дали давления перехода на порядок большие, чем существующие в Земле. Таким образом, теория косвенно подтвердила неудачу найти экспериментально переход в горных породах. К сожалению, интересные с этой точки зрения минералы довольно сложны, и пока не осуществлен теоретический расчет условий перехода в металлическое состояние.
Суть перехода в металлическую фазу состоит в том, что при высоком давлении происходит сокращение запрещенной полосы между зоной проводимости и ближайшей заполненной электронной зоной. Однако возможно появление металлической фазы и с образованием зоны с недозаполненными уровнями. Это происходит проще всего, когда число валентных электронов меньше числа возможных равноправных связей. В этом случае происходит своего рода резонанс и электроны получают возможность перемещаться по веществу, пользуясь этими избыточными связями. Легче всего это осуществляется у элементов четвертой группы таблицы Менделеева27. Но именно переход этого типа и не происходит мгновенно, а потому может быть пропущен при кратковременных нагрузках. Следует отметить, что у всех силикатов в основе лежит сложный четырехвалентный тетраэдр ,SiO4, поведение которого должно быть аналогично поведению элементов четвертой группы.Однако гипотеза металлизации встречается и еще с одной существенной трудностью: ядро не только металлическое, но и жидкое. Следовательно, переход в металлическую фазу должен сопровождаться расплавлением. Но это значит, что металлизация происходит в жидкой фазе раньше, чем в твердой, и мы имеем дело с аномальной диаграммой состояния. Такие диаграммы в принципе существуют, примером является вода, где твердая фаза — лед легче жидкой воды. Важно то, что именно элементы четвертой группы при металлизации имеют также аномальные диаграммы состояния28. Это косвенно подтверждает гипотезу.
Во всяком случае проблема земного ядра представляется чрезвычайно важной с точки зрения познания свойств и поведения вещества в условиях высоких давлений и температур. Исследования здесь только еще начинаются; есть все основания полагать, что в этом направлении нас ожидают интересные и важные открытия, могущие во многом уточнить наши представления о свойствах и поведении вещества.

************************************************************************************************************************

23 В. Н. Лодочников. Некоторые общие вопросы, связанные с магмой, дающей базальтовые породы. «Записки Всероссийского
минералогического общества», серия 2, ч. 68, вып. 2, стр. 207; вып. 3,
стр. 428- W H Ramsey. On nature of the Earth's core. «Monthly notices of the Royal Astronomical Society geophysical supplement»,
v. 5, N 9, 1949, p. 408.
24 Л В. Альтшулер, С. Б. Корме р. О внутреннем строении Земли. «Известия АН СССР», серия геофиз., 1961, № 1, стр. 33.
25 A. Jayaraman, W. K'ement, jr., Q. С. Kennedy. Melting and polymorphism at high pressures in some group IV elements
and 111—V compounds with the diamond/zincblende structure. «The
Physical Review», second series, v. 130, N 2, 1963, p. 531.
26 Г. С. Жданов. Физика твердого тела. М., 1961; Ф. Зейтц.
Современная теория твердого тела. М.— Л., 1949.
27 «The nature of the chemical bond and the structure of molecules and crystals». Ithaca, N. Y., 1960.