Симфония № 6. Углерод и эволюция почти всего - Роберт Хейзен
Когда я ходил на его курс геофизики осенью 1971 г., 68-летний Бёрч казался мне мягким, увлеченным своим делом преподавателем. Он рассказывал обо всех сферах применения геофизики — от исследования слоистой структуры Земли до изучения ее значительного теплового потока и переменного магнитного поля. Если бы он не был таким известным в этой области, т.е. если бы мы до этого уже не прошли по учебной программе закон Бёрча и уравнение состояния Бёрча — Мурнагана, мы бы даже не осознали, насколько большая часть материала курса базируется на его собственных революционных открытиях.
В самой важной своей работе, опубликованной в 1952 г. и остающейся фундаментом геофизического мышления до сегодняшнего дня, Бёрч объединил данные сейсмологии (исследования звуковых волн, проходящих сквозь Землю) и материаловедения{65}. Исследователь понял, что скорость сейсмической волны напрямую связана с плотностью породы, через которую она проходит. Используя свою модель, он описал недра Земли гораздо детальнее и углубленнее, чем было сделано до него. Под тонкой земной корой находится трехслойная мантия со значительными неоднородностями плотности, отмечаемыми на глубинах примерно 410 и 670 км. Это границы, которые отделяют друг от друга верхнюю мантию, слой Голицына и нижнюю мантию. Бёрч предположил, что плотность обогащенных магнием, кремнием и кислородом силикатных минералов, из которых состоят эти слои, последовательно нарастает с глубиной. Десятилетия дальнейших исследований сотен ученых добавили некоторые детали и нюансы, но общая картина, нарисованная Бёрчем, остается верной и поныне.
Гораздо более отчетливая неоднородность, отражающая сильный контраст плотностей, отмечается в основании мантии (граница мантии и ядра) на глубине около 2900 км от поверхности Земли. Ранее ученые в течение долгого времени описывали ядро как плотную, богатую металлом зону с жидким внешним ядром, простирающимся вниз до глубины 5100 км, и меньшим кристаллическим внутренним ядром с радиусом около 1230 км. Бёрч использовал свежие данные о плотности жидкого металлического железа и сплавов при высоких давлениях и температурах, чтобы развить эту точку зрения. Он заметил, что сейсмические скорости в ядре указывали на плотность значительно меньшую, чем у чистого железо-никелевого сплава. Ученый утверждал, что в этом расплавленном слое должен быть по крайней мере один более легкий компонент: атомы железа и никеля внешнего ядра смешаны с 12% чего-то еще. Может ли оказаться этим недостающим компонентом огромное количество углерода?
Бёрч быстро обнаружил потенциальные «нестыковки» в своей смелой модели недр Земли. В остроумном примечании, которое прославилось не меньше его геофизических открытий, Бёрч отметил{66}:
Излишне доверчивым читателям следует обратить внимание на то, что обычные слова, когда их применяешь по отношению к недрам Земли, подвергаются изменению и переходят в формы высокого давления. Вот несколько примеров подобных эквивалентов:
Несмотря на это предупреждение, предсказание Бёрча о наличии легкого элемента в жидком внешнем ядре выдержало все испытания. Но что это может быть за элемент? Экспериментаторы и теоретики, посвятившие себя данной сфере, продолжают биться над этим интригующим вопросом, но он до сих пор остается открытым.
В поисках ответа мы должны следовать трем простым правилам. Во-первых, элемент должен быть значительно легче железа и никеля, так что уран, свинец или золото не подходят. Во-вторых, элемент должен встречаться в изобилии в космосе; это требование исключает из списка подозреваемых легкие литий, бериллий или бор, к примеру. И наконец, в-третьих, элемент должен обладать способностью растворяться в расплавленном металле в экстремальных условиях температуры и давления внешнего ядра. На самом деле только жалкая горстка кандидатов удовлетворяет этим трем основным требованиям: водород, углерод, кислород, кремний и сера — вот единственные реальные претенденты. У каждого свои преимущества и недостатки, у каждого свои сторонники и очернители. Конечно, это не обязательно «или/или». Расплавленный металл способен легко растворить более одного примесного легкого элемента, возможно, даже все пять сразу. (Я лично отдаю предпочтение именно этому всеобщему раствору, поскольку природа, похоже, продвигает сложность.) В любом случае есть убедительное доказательство присутствия углерода в этой смеси.
Очевидными подсказками обеспечивают нас изотопы углерода{67}. Атомы углерода распространены в двух вариантах — у него два стабильных изотопа. Каждый атом углерода имеет шесть протонов в своем ядре, это определяющая характеристика углерода. Однако количество нейтронов — других кирпичиков атомных ядер — может варьировать. Почти 99% атомов углерода обладают шестью нейтронами (изотоп углерод-12), а оставшийся 1% — это углерод-13 с семью нейтронами. У наших каменистых соседей — в частности, у красной планеты Марс и большого астероида Веста — именно такое, научно доказанное соотношение этих изотопов; судя по всему, оно характеризует и большинство других объектов нашей внутренней части Солнечной системы. Но углерод Земли, по крайней мере доступный, находящийся рядом с поверхностью, похоже, слишком «тяжелый», с бо́льшим процентным содержанием углерода-13, чем у соседей нашей планеты. Это загадка, которая требует решения.
Самое простое объяснение этой кажущейся аномалии заключается в том, что изотопный состав Земли такой же, как и у других миров, но «недостающий» легкий углерод спрятан от нас, заперт в ядре Земли. Если жидкое внешнее ядро содержит хоть крошечную долю углерода, то во всем ядре легко могло бы поместиться в 100 раз больше шестого элемента, чем известно для земной коры. А сколько всего содержится в Земле углерода? Поразительно, но мы абсолютно несведущи в таком важном вопросе.
Глубочайшие тайны
Нет почтового назначения на Земле более тайного, более недоступного, чем твердое внутреннее ядро. Находясь на глубине более 5100 км, элементы внутреннего ядра подвержены давлениям выше 3 млн атм и температурам, доходящим до 5000 °C. Десятилетиями общепринятая точка зрения гласила, что внутреннее ядро сложено твердым металлическим железом с небольшой долей никеля. Как и в расплавленном внешнем ядре, один или несколько легких элементов тоже могут играть свои роли — второстепенные, но ведущая партия у железа.
Однако существует проблема, связанная с природой звуковых волн. Сейсмические волны бывают двух разных типов. Более сильные и быстрые, первичные (или «P») волны возникают, когда атомы и молекулы ударяются друг о друга последовательно, подобно костяшкам падающего домино. Движение атомов происходит в том же направлении, что и движение P-волны. Железо и его никельсодержащие сплавы вполне соответствуют
