Диалоги (апрель 2003 г.) - Александр Гордон

А.К. Да. Конечно, ранние этапы формирования Земли – это вообще-то область гипотез. Просто потому что Земля в своём веществе очень мало сохранила информации о самых ранних этапах. То есть они скрыты поздними процессами. Что, скажем, происходило 3.5 миллиарда лет назад мы знаем, всё-таки что-то осталось, а более ранние этапы, они науке мало известны, потому что не сохранила природа данных.

Но, действительно, летучие компоненты земли важны для понимания гидросферы, и атмосферы, и ранней атмосферы. На ранних этапах состав этих летучих компонентов, как мы предполагаем, был тесно связан с формированием ядра. В чём дело? По-видимому, был этап – хотя это гипотеза – был этап, когда металл находился в равновесии с силикатом, ещё ядра не было. Но в присутствие металла возникает пониженная химическая активность кислорода, как бы дефицит. И при таком состоянии глубинного вещества состав газа должен быть абсолютно иным, чем тот, который мы сейчас видим. Это должен был быть водород, метан, – как мы говорим, восстановленные газы. Вот они должны были присутствовать в земле.

Но доказать это довольно трудно. Хотя мы пытаемся это сделать. Но как мы пытаемся сделать? Какие методы используем для того, чтобы понять эти процессы?

Первый путь совершенно очевиден, он связан с ксенолитами, с теми глубинами, откуда магма выносит части атмосферы.

О.К. Надо рассказать, наверное, что такое ксенолиты.

А.К. Ксенолиты – это часть глубинной породы, которую магма при своём подъёме как бы вырвала из окружающей среды и вынесла на поверхность земли. Мы эти части просто видим, в базальтовой жидкости они сохранились, мы можем их собирать. Мы можем взять эти ксенолиты, изучить химические равновесия и рассчитать, скажем, химический потенциал кислорода. Это наука и делает. Таким образом мы можем реконструировать, какой газ там был: вода, СО2 или же метан.

Кроме того, эти глубинные минералы почти что все содержат включения глубинных газов. Опять-таки – это глубина 100 километров. Мы можем этим воспользоваться. Такими методами пользуется наука.

И вот когда мы это сделали, то увидели, что в древних породах литосферы, вынесенных кимберлитовыми магмами (это такой несущий сплав, ксенолит, который содержит алмазы), мы видим довольно низкий потенциал кислорода. Довольно низкий. Причём возраст этих ксенолитов где-то 3.5 миллиарда лет.

Но всё-таки не настолько низкий, чтобы это вещество находилось в равновесии с металлом. А потом по этим же измерениям мы знаем, что потенциал кислорода, по-видимому, повышался, и в архее повышался. И вот современная мантия имеет высокий потенциал кислорода. И метан в верхних слоях мантии не устойчив. Мы не видим таких признаков. Устойчива вода, углекислота, карбонаты.

О.К. А можно какую-то аналогию провести между составом атмосферы Венеры и составом атмосферы Земли?

А.Г. Я тоже хотел об этом спросить.

А.К. Тут надо сказать так. Существует гипотеза эволюции состава газа Земли со временем, которая утверждает, что на ранних этапах был восстановленный состав газов мантии. По-видимому, на каких-то ранних этапах атмосфера тоже содержала восстановленный летучий метан. По отношению к Земле мы можем это как-то более-менее обосновывать. Но если говорить в принципе, если сравнивать одну планету с другой по изотопии, то Эрик Михайлович Галимов, который у вас делал доклад о происхождении жизни, приходит к выводу, что на Марсе тоже была восстановленная атмосфера. Но вы спрашиваете о другом: почему вода на Земле и СО2 на Венере.

А.Г. Один и тот же ли был сценарий развития событий?

О.К. Влияло ли расстояние от Солнца? Или какие-то другие процессы? Ещё тут важно магнитное поле. У Венеры нет магнитного поля, у Земли есть магнитное поле.

А.К. Вы знаете, это очень дискуссионный вопрос. Я могу свою точку зрения высказать на этот счёт. Эту концепцию, эти представления, вернее, ибо до концепции ещё далеко, я могу выразить следующим образом.

Вполне возможно, что при формировании протопланетного облака происходит так, что то вещество, из которого образовывалась Земля, в целом имело иную летучесть кислорода, чем вещество Венеры. Если мы возьмём систему, которая определяет образование главных газов, – это вода, метан, водород, и эта система будет в равновесии со свободным углеродом (а мы предполагаем, что на ранних этапах свободный углерод был), то там есть одна важная специфическая особенность термодинамики этих равновесий. Там получается так, что состав газа в этом случае будет очень сильно меняться как раз от потенциала кислорода, как мы уже говорили, от химической активности кислорода. Очень сильно. Он будет меняться от газов или флюидов, богатых СО2 до газов, богатых метаном, потом водородом.

Так вот могло получиться так, что Земля при своём формировании имела отличный потенциал кислорода, и вследствие сжатия этой газовой смеси (поскольку идёт аккреция, давление) где-то оказалось, что потенциал кислорода соответствует устойчивости воды. А на Венере это может быть СО2. И можно начать поиски в этом направлении. Но, в общем, это всё-таки пока не очень понятно.

А.Г. Это может объяснить газовый состав атмосферы Венеры. А как это объясняет тот факт, что у Венеры, судя по тому, что у неё нет магнитного поля, нет, скорее всего, и жидкой мантии, и твёрдого ядра? Если правильна гипотеза о происхождении нашего магнитного поля.

О.К. Это, конечно, один из фундаментальных вопросов. Может быть, даже, что магнитное поле земли как-то связано с происхождением жизни.

Дело в том, что мало иметь ядро. Вообще говоря, все небесные тела имеют ядра. Даже астероиды. Астероиды, самые крупные из них типа Весты, Цереры, меньше Луны, существенно меньше Луны. И, тем не менее, всё равно они имеют внутреннее железное ядро. Когда я говорю «железное», нужно всегда добавлять, что это, во-первых, железоникелевое ядро, потому что все метеориты содержат в своём составе никель. Ну, и, кроме того, обязательно должна быть какая-то лёгкая примесь элемента типа кислорода или серы. Или похожего на них. Меркурий имеет очень много железа. Средняя плотность Меркурия выше, существенно выше, чем плотность Земли. Луна имеет очень маленькое ядро. Но имеет. Если Земля, я повторю, имеет радиус ядра 3.5 тысячи километров, то радиус лунного ядра на порядок меньше, то есть 300-400 километров. Но всё равно ядро есть. Но Меркурий не имеет магнитного поля, Марс не имеет магнитного поля, или точнее говорить – имеет очень-очень слабое магнитное поле.

А.Г. Луна не имеет магнитного поля.

О.К. Не имеет – что, вообще говоря, интересно. Спутник Юпитера Ганимед, который в течение нескольких лет изучался миссией Галилео, при очень маленькой средней плотности имеет огромное жидкое ядро и обладает огромным собственным магнитным моментом. И вообще никому в голову не приходило ещё несколько лет назад, что у Ганимеда есть ядро – железное ядро, железоникелевое ядро. И его стали сравнивать с Землёй. Земля имеет не просто ядро. Вот оно, внешнее ядро. И потом внутреннее ядро. И внешнее ядро жидкое – это доказано методом сейсмологии и лабораторными экспериментами тоже. Почему оно жидкое? Потому что в жидкости модуль сдвига равен нулю. В сейсмологии изучаются как продольные волны, так и поперечные. Так вот, внешнее ядро не пропускает поперечные волны. Значит эта среда жидкая. Так же, как жидкая вода тоже не пропускает поперечные волны.

Но чтобы образовалось магнитное поле (хотя это, так сказать, не наша проблема), должно существовать ещё внутреннее ядро. И вот эти стрелочки олицетворяют собой крупномасштабное движение во внешнем ядре. То, что называется конвекцией.

Внешнее ядро образовалось, вероятно, очень быстро на ранней стадии аккреции Земли. И сейчас новейшие изотопные данные по изотопии таких элементов, как гафний и вольфрам, говорят, что это было катастрофическое событие, которое потребовало (по геологическим меркам) ничтожного времени – 50 миллионов лет на фоне 4.5 миллиардов лет. Тогда образовалось ядро как таковое. Может быть, оно сразу уже было жидким. Потому что температура плавления железа с примесями меньше, чем температура плавления силикатов.

А вот внутреннего ядра, может быть, и не было с самого начала. Земля немножечко охлаждалась, поскольку всегда идёт вынос энергии. Хотя Земля – это термостат, но поскольку существует конвекция (это очень эффективный способ теплопередачи, отвода тепла), то жидкое ядро стало охлаждаться и какая-то часть его стала кристаллизоваться. И за значительно более длительный период времени стало образовываться твёрдое ядро. Сейчас оно имеет размеры весьма приличные – это тысяча с небольшим километров. Это твёрдое ядро тоже не чисто железоникелевое. Там 2-3 процента каких-то дополнительных элемента, вот опять же типа серы.