Сказка, приведённая ниже – именно сказка, размышление. Человеку всегда свойственно стремление увидеть невиданное и понять непонятное. Узнать прошлое и предсказать будущее. В основу приведённой ниже сказки положены научные факты, найденные в интернете и собственные мысли автора. При этом автор не одинок, утверждая, что железа в ядре Земли… нет. А вот что есть и как оно скажется на судьбе нашей планеты… О том и сказка.
Много-много лет назад в нашей Солнечной системе жила ещё одна, кроме известных ныне, планета. При жизни имени она не имела, современные астрономы называют её Фаэтон, именем персонажа древнегреческого мифа, также плохо кончившего.
Обломки Фаэтона рассеялись между орбитами Марса и Юпитера, образовав Пояс Астероидов, среди которых есть довольно большие - почти планеты – Церера, Паллада…
Считается, что суммарная масса астероидов меньше массы марсианской, что логично укладывается в цепочку Земля – Марс – Фаэтон, но неочевидно в цепочке, начатой с Меркурия.
Но главное – почему разрушился Фаэтон?
Каждое поколение астрономов отвечало на этот вопрос по-разному, фантасты тоже не обошли вниманием столь соблазнительный сюжет, но ответа нет.
А ответ важен для нас, жителей Земли. Что, если механизм разрушения Фаэтона действует на всех планетах? И сейчас в недрах (или где-нибудь ещё) тикают часы, способные начать катастрофу, в которой не спасут ни мощные вооружённые силы, ни лучшая в мире полиция, ни дипломатия, ни МЧС, вообще ничего…
Вот Венера. Всем бы ничего планета – почти Земля, но… 100 атмосфер углекислого газа, сдобренного облаками серной кислоты и +500 градусов на поверхности. И не оттого это, что ближе к Солнцу – будь у нас 100 атмосфер углекислого газа – и на Земле было бы то же самое.
Скорее всего, тут сказали своё страшное слово недра планеты.
Марс… Тоже чуть-чуть не Земля – там даже вода была. Ясно видны сухие русла речных систем. И не оттого Марс почти потерял атмосферу и высох, что мал – спутник Сатурна Титан меньше Марса, а атмосфера у него плотная. Тоже недра?
Самое глубокое бурение на Земле дошло до 12 км. Глубже – невероятно трудно. Сейсмология даёт только скорости сейсмических волн, гадать по ним о природе и состоянии глубинных пород трудно, ведь мы плохо знаем поведение пород при давлениях порядка сотен тысяч и миллионов атмосфер.
Итак, заглянуть в недра Земли мы не можем. Долететь до Пояса Астероидов, где по обломкам распавшейся планеты можно было бы судить о глубинных породах тоже – пока. Изучение метеоритов даёт много ценного, но на них нет обратного адреса – откуда они? Считается, что железные метеориты – из ядра Фаэтона, каменные – из силикатной оболочки (мантии, коры?). Доказательств этого нет. Просто железо тяжёлое, оно тонет, значит, внизу.
Однако, у нас есть инструмент, не уступающей по силе лучшим телескопам мира – тем, что есть, и тем, что ещё будут. Это наше мышление. Наша логика. Интуиция, позволяющая (не всегда, к сожалению) делать правильные выводы при недостатке данных. Причём, в отличие от экспериментальных методов исследования, логический метод неразрушающий. Мысленно мы можем «разобрать» нашу Землю на части – да хоть на атомы – и «собрать» снова. В натуре же такой опыт провести…
Ну что, попробуем?
С чего начнём? Наверное, лучше начать сначала.
Итак, внимание. Мы имеем облако на месте будущей Солнечной системы. Плотность облака растёт от периферии к центру (это особо отметим). Поскольку облако вращается, оно постепенно перераспределяется в форме диска, с обеих сторон утолщённого к центру. В центре – ещё формирующееся, негорящее Солнце. Там, в центре – огромные (по нашим, земной поверхности, меркам) давления и температуры… Но пока не наберётся 15 – 20 миллионов градусов, водородная бомба (наше светило) не зажжётся. Из центра облака идёт лишь мощный поток инфракрасного – теплового – излучения.
Поскольку облако вращается, угловая скорость разных его частей различна, периферийные области распадаются на рукава (как у галактик), рукава собираются в сгустки, формируются протопланетные облака. И вот здесь вопрос – какие облака будут массивнее?
Масса протопланетного облака, в сущности, за-висит от двух параметров – площади «сбора» вещества (т.е. пространства по обе стороны от орбиты, с которой притягиваются пыль, газы и т.п.) и «толщины» данной части облака. Значит…
Значит, планеты-гиганты появятся в околосолнечной области, чем дальше от Солнца, тем площадь больше, но слой тоньше. При этом соседние плане-ты конкурируют друг с другом из-за вещества, ближайшая к Солнцу планета будет обделена массой – у неё конкурент слишком мощный.
А наши Юпитер, Сатурн – какие они? Может быть и не маленькие, но уж ни в коем случае не нынешние гиганты. Венера, Земля, Марс – вот гиганты протопланетного периода. Это и есть следствие утолщённости к центру облака будущей Солнечной системы.
А сколько было зародышей планет?
Было замечено, что радиусы планетных орбит не произвольны, а подчинены строгому правилу Тициуса – Боде. Правило было предложено И. Д. Тициусом в 1766 г. и получило известность благодаря работам И. Э. Боде в 1772 г.
Правило формулируется следующим образом.
К каждому элементу последовательности Di = 0, 3, 6, 12… прибавляется 4, затем результат делится на 10. Полученное число считается радиусом в астрономических единицах. То есть, Ri = (Di + 4)/10. Последовательность Di – геометрическая прогрессия, кроме первого числа.
Теоретического обоснования это правило не имеет до сих пор, однако, очевидно, что оно отражает гравитационное взаимодействие значительного количества материальных тел. А физика поныне не может найти точного решения гравитационного взаимодействия тел числом более двух.
Есть основание предполагать, что и при зарождении планет действовало то же правило, то есть, нелогично ожидать огромного числа зародышей, либо все зародыши планет («планетозимали») находились на определённых, ныне наблюдаемых орбитах, быстро «слипшись» в существующие ныне планеты.
Теперь посмотрим на отдельное протопланетное облако. Мы видим, что происходят следующие процессы:
1. Постепенно убыстряющееся сжатие облака с увеличением силы тяготения к центру «планеты»;
2. Протекание разнообразных химических реакций между сблизившимися впервые атомами и молекулами;
3. Рост давления и температуры в центральных областях «планеты» (центральные области – это не ядро, а довольно протяжённая область пространства вокруг центра «планеты»);
4. Разделение вещества по плотности.
В последнем случае имеет смысл отметить, что тяжёлый атом инертного (или «благородного» газа, скажем, ксенона) будет легче молекулы, составлен-ной из более лёгких атомов (например, оксид желе-за) и связанных между собой жёсткими связями. По-этому целесообразно в газо-пылевом облаке употребление термина «молекулярная плотность», т.е., массу молекулы (или атома), делённую на объём, ею занимаемый. Таким образом, вниз, к центру тяготения облака, опускаются преимущественно более плотные «молекулярно» вещества и пыль.
Вот здесь следует остановиться на моментах, обычно пропускаемых планетологами.
Прежде всего, вещество протопланетного облака – на 75 % водород и на 7 % - гелий. Далее, в протопланетном облаке можно определить поверхность с наибольшим значение ускорения свободного падения – выше и ниже этой поверхности пресловутое «жэ» (g, м/с2) уменьшается.
И последнее – с ростом давления, растёт вяз-кость.
Например, повышение давления до сотен тысяч атмосфер увеличивает вязкость жидких металлов в миллиарды раз!
Чем меньше ускорение свободного падения, тем меньше движущая сила разделения веществ по плотности; чем выше вязкость, тем медленнее про-исходит это разделение – при том же «жэ». И рассматривая действительно центральные области «планеты» (будущее ядро) мы видим высокие температуру, давление, плотность, вязкость при низких (или близких к нулевым) значениях «жэ».
Иными словами, в центральных областях разделение (дифференциация) вещества по плотности резко затруднена, вплоть до прекращения этого процесса. Значит, в центральных областях «планеты» будет преобладать тот же водород на пару с гелием, поскольку выбраться им оттуда при высокой вязкости и низком ускорении свободного падения, право же, очень тяжело.
По достижении давления в центральных областях порядку 2 миллионов атмосфер (раз плюнуть – геологи утверждают, что в центре Земли больше) водород переходит в металлическое состояние, а при10 миллионах – металлизируется и гелий.
Эти фазовые переходы – важнейшее событие в жизни планеты. Они означают появление сравнительно плотного металлического ядра, появление мощного магнитного поля, запасание энергии сжатия в фазовых переходах (опубликованы сообщения о получении металлического кислорода. Так что можно ожидать, что при давлениях металлизации гелия переходят в металлическое состояние все элементы. Образуют ли они однородный сплав или каким-то образом разделены на фазы – неизвестно. Логика тут бессильна. Но это не имеет значения).
Важно, что в ядро – уже ядро – планеты (уже без кавычек, хотя формирование её ещё продолжается) закачивается и закачивается энергия гравитационного сжатия. Как в пружину.
Наибольшей скорости процесс разделения вещества планеты по плотности достигает на её «поверхности» (эта поверхность может не иметь чётко выраженной, видимой границы, как сейчас на планетах «земного типа», но определяется по максимальному значению «жэ»). Учитывая, что в веществе преобладает водород, силикатная оболочка, которая сейчас у планет земного типа наружная (не считая атмосферы, разумеется), должна быть погружена вглубь (как мантия ныне). При этом она переплавляется, образуется сплошной силикатный слой некоторой толщины. Впрочем, при больших давлениях, возможно, теряют смысл привычные нам представления об агрегатном состоянии – всё вязко, пластично, всё медленно течёт. При этом в силикатах растворяется огромное количество газов, происходит восстановление элементов водородом и растворение водорода в них, капельки металлов медленно опускаются вниз – к границе ядра. Чем глубже, тем медленней.
Мысленный эксперимент показывает, что во-круг ядра из металлического протопланетного вещества должен образоваться слой, насыщенный обычными металлами, прежде всего, железом (по-тому, как его больше). Но не в ядре! – ядро уже занято.
На этом первый, «тёмный» (потому, что Солнце ещё не светит) этап жизни планет заканчивается. Сколько времени занимает этот этап? – от начала распада единого облака на рукава и до зажжения Солнца. На этот момент мы имеем три или четыре крупные планеты – Венера, Земля, Марс и Фаэтон, средних или несколько меньших размеров Меркурий, ряд удалённых планет (от Юпитера и далее), равномерно уменьшающихся размеров. Таков дол-жен быть (логически!) расклад к следующему важнейшему моменту в жизни планет.
Да будет свет! И вспыхнуло Солнце. Наверное, это произошло не мгновенно – сравнительно с нашим сроком жизни, – скорее всего, картина была закрыта пылью, газами и прочим… Не видел, не могу сказать, красиво ли это было или нет. Хотя каждое рождение прекрасно само по себе.
Вспыхнуло Солнце. И появился солнечный ветер. По значению в жизни планет (и в нашей, значит, тоже) Солнечный Ветер следовало бы писать с большой буквы и оно должно быть именем – как Солнце – но как-то обошли его звания, регалии, награды и признания. А что – он всего лишь работяга. Вот Солнце – да! Солнце видно. А ветер? Солнечный? Кто ж его видит?
А между тем, солнечный ветер и сейчас выдувает водород и гелий из земной атмосферы. Поскольку они есть в атмосфере. Из атмосфер Меркурия и Ве-неры уже не выдувает – нечего.
За сколько миллионов-миллиардов лет солнечный ветер сдует водород с близких планет? Это считать надо, и расчёт не простой. Ограничимся фактом – водород был и сплыл. Вместе с ; массы планеты (если не больше). Для дальнейшего нам и четверти хватит.
Вроде бы мелочь – ну, улетел водород и гелий с планеты… Так ведь улетела большая часть массы планеты, создававшая силу тяжести и давление в объёме планеты. Открылась силикатная оболочка, прежде бывшая в глубине, под уровнем максимального «жэ». Уменьшилось давление на более глубокие слои планеты. Структуры, формировавшиеся под большим давление и склонные к перестройке при более низких давлениях стали испытывать фазовые переходы – перестройку в другие структуры, устойчивые при новых давлениях. Как правило, эти переходы сопровождались выделением энергии в самом универсальном виде – тепловой энергии. И… увеличением объёма новообразованных структур сравнительно с прежними, «высокобарными» (образовавшимися при высоком давлении). Забурлили вулканы, стали переплавляться силикаты. Вулканы сбрасывали глубинное давление, стимулируя дальнейшее расширение области фазовых переходов. Мощные извержения вулканов способны выбрасывать струи газов и паров на большую высоту. При движении таких струй неизбежно захватывается какая-то часть атмосферы и увлекается прочь – в межпланетное пространство.
Результат потери массы планеты неизбежен – силикатная оболочка (кора) треснула, планета стала расширяться. Из трещин развились океаны со своей, океанической, корой. Остатки прежней оболочки получили наименование материков.
Вспомним о втором по распространённости эле-менте – гелии (~ 7 атомных %). Первый кризис планеты происходит при снижении давления до начала деметаллизации гелия. На границе ядра и мантии резко поднимается температура, появляется пересыщенный газами, перегретый слой, «распирающий» мантию, расширяющийся слой, порождающий вертикальные вихри в мантии. Но даже если гелий и не находился в металлическом состоянии (если давление не достигало 10 млн атмосфер), всё равно до поры до времени вырваться из ядра он не может и находится в рассеянном состоянии (растворённый или мелкодисперсный). Снижение давления тоже вызовет бурное выделение гелия на границе мантии с ядром, но тепла выделится гораздо меньше, чем при деметаллизации.
Дальнейшее развитие и судьба планеты зависит прежде всего от соотношения водородной и силикатной оболочек (ядро мы пока не трогаем). Иначе говоря, какую долю массы потеряла планета с ушедшим водородом.
Ведь очевидно, что дифференциация по плотности в облаке будущей Солнечной системы привела к большей концентрации тяжёлых компонентов в околосолнечной области и обогащение водородом и гелием периферийных областей. При этом до действия солнечного ветра вклад в массу (а следовательно, и давление в глубинах планет) создавали и тяжёлые компоненты и водород с гелием (причём последние в большей степени). С выдуванием водорода и гелия оставшейся массы планеты могло и не хватить для удержания водородного ядра в металлическом состоянии. И само водородное ядро могло быть богаче или беднее водородом – в зависимости от расстояния до центра Солнечной системы. Чем дальше, тем водорода больше.
И последний штрих. Волна падения давления в глубинах планеты достигает ядра. Происходит деметаллизация водорода с выделением огромного количества энергии (тепла), молекулярного водорода, с резким повышение объёма ядра. Этой стихии плане-та может противостоять только тяжестью своих оболочек – коры, мантии и внешнего («железного») ядра. Т.е. не подавить процесс полностью – это невозможно, – а замедлить, сделать его более плавным. Так прошли процессы на Меркурии, Венере, Марсе (с полной деметаллизацией ядра и исходом водорода из глубин), на Земле, ввиду её несколько большей массы водородно-металлическое ядро ещё сохранилось (обеспечивая магнитное поле).
Не повезло Марсу. Исход водорода из его глубин приобрёл настолько бурный характер, что струи извержений гигантских вулканов (например, Олимп, 25 км высотой, вышедшего вершиной в стратосферу), сдули атмосферу планеты. От рек остались сухие русла…
Но судьба Фаэтона оказалась ещё трагичнее. Его оставшейся тяжести не хватило обуздать собственное ядро (наиболее богатое водородом сравнительно с другими планетами земного типа) и он просто раз-валился на части, некоторые из которых со временем даже приблизились по форме к сфере.
Выиграли – Юпитер, Сатурн и Уран. Нептун, возможно, «остался при своих», т.е. ему почти не перепало того водорода, что был сдут с околосолнечных планет.
Таким образом, появление пояса астероидов – норма при развитии любой системы планет с достаточно ярким светилом. И пояс это закономерно рас-полагается пред новыми планетами-гигантами. И нынешний вид нашей планетной системы вполне типичен для «старых» - возраста Солнечной – систем. Для «молодых» более типичны планеты-гиганты на вблизи звезды.
Ожидать «взрыва» земного ядра вряд ли право-мерно. Расширение, неуклонное, постоянное, периоды резкой активизации тектонической деятельности (к концу периода существования водородного ядра, скорее всего, непредставимо катастрофичные для человечества), но разрушению планеты препятствует её масса. Уж если Марс удержался…
Ударное поступление больших масс водорода из глубин может выжечь весь кислород на планете, но этот сценарий даже не хочется рассматривать. Есть любители?
Поскольку в рассмотренной модели развития планет земного типа в период существования водородно-металлического ядра, неизбежен постоянный и довольно интенсивный исход водорода из ядра сквозь все вышележащие оболочки, то логично сделать вывод о неорганическом происхождении земной нефти – за счёт реакции водорода (и воды) с углеродсодержащими соединениями металлов в присутствии естественных катализаторов – металлов и их соединений. Другой вопрос – скорость образования глубинной нефти. Но можно надеяться найти нефть на соседних планетах.
И последнее. О зарождении жизни.
Для этого необходим набор веществ – аммиак, фосфин, сероводород, метан, углекислый газ и т.д. Жидкая вода по здравому размышлению для начала не обязательна, а элементарный кислород просто противопоказан. Необходимы также источники энергии разных мощностей. Температура – в интервале от минус 50 до плюс 100.
Где есть такие условия? Правильно, в атмосфере Юпитера. Средние слои юпитерианской атмосферы сжаты до плотности жидкости и являются так называемой псевдожидкостью, мало чем отличающейся от обычной. То есть атмосфера Юпитера – самое перспективное место для зарождения жизни.
Но… В рамках нашего логического эксперимента Земля, Венера, Марс и были «юпитерами», т.е. приближались к газовым планетам-гигантам на определённом этапе развития. Тогда и зародилась жизнь на наших планетах – на каждой или на одной из них. По мере «сдувания» водорода формы жизни менялись и сама она «садилась» на поверхность планет.
Так что приключения ждут вас, первопроходцы! Вперёд и ввысь!
2010