Симфония № 6. Углерод и эволюция почти всего - Роберт Хейзен
Вторичные же (или «S») волны возникают, когда атомы двигаются из стороны в сторону, вызывая аналогичные движения у своих соседей. (Вспомните волну болельщиков на футбольном стадионе, когда люди встают и садятся, т.е. движутся вверх-вниз, а волна идет вдоль трибун.) Движения атомов при этом перпендикулярны движению волны. Удивительно, но S-волны проходят сквозь внутреннее ядро в два раза медленнее, чем должны бы в кристаллическом железе.
Что же происходит? Простое объяснение заключается в том, что внутреннее ядро частично расплавлено — состояние, которое неизменно замедляет S-волны, но железо-никелевый сплав не мог бы плавиться в предполагаемых условиях внутреннего ядра. Джи (Джеки) Ли, профессор геологии в Мичиганском университете, предложила оригинальное экспериментальное объяснение этого расхождения{68}.
Блестящая, увлеченная исследовательница, способная оперативно поддержать вызывающие интерес новые идеи или подметить слабое место в аргументах коллеги плюс всегда готовая улыбнуться тонкой шутке или остроумному высказыванию, Ли — мастер ячейки с алмазными наковальнями. Подобно многим своим ровесникам из материкового Китая, она попала в науку, так как была отличницей.
Ли отучилась на бакалавра в престижном китайском Научно-техническом университете, затем поступила в Гарвард, чтобы получить докторскую степень, специализируясь на физике и химии глубоких недр Земли.
Одно из самых творческих исследований Джи Ли было посвящено углероду во внутреннем ядре Земли{69}. Работая со своим выпускником Бин Ченом (ныне преподавателем Гавайского университета) и группой коллег по Обсерватории глубинного углерода, Ли изучила суперплотное соединение атомов железа и углерода в соотношении 7:3. Ранее исследователи утверждали, что этот необычный карбид железа потенциально может представлять собой минерал самых глубинных зон Земли, поэтому мичиганская команда проверила эту идею, сжав черный порошкообразный образец между алмазами до почти 2 млн атм, чтобы измерить его различные физические свойства. Экстраполируя полученные результаты на условия внутреннего ядра, экспериментаторы обнаружили почти полное соответствие сейсмологическим наблюдениям — прохождение P-волн было таким же, как в чистом железе, а скорость S-волн оказалась гораздо меньше. Это открытие никоим образом не доказывает, что углерод существует во внутреннем ядре Земли в форме карбида железа, но на текущий момент такая гипотеза кажется вполне вероятной.
В дополнительном исследовании, результаты которого были опубликованы несколько месяцев спустя, группа ученых в Германии во главе с аспирантом Клеменсом Прешером в Баварском геологическом институте при Байройтском университете подвергла то же соединение одновременно высокому давлению и высокой температуре и обнаружила необычные эластичные свойства, описанные авторами как «резиновые»{70}. Это нетипичная характеристика для минерала, но она подчеркивает, сколько еще нам придется узнать об углероде, находящемся глубоко внутри нашей планеты.
Наши попытки разгадать тайны земного ядра открывают фундаментальную правду о науке. Мы можем занести в каталог все кристаллические формы углерода Земли — сотни известных минералов коры и множество недостающих видов, плотные карбонаты мантии и манящие намеки на карбиды в ядре. Но такой каталог, каким бы полным он ни был, не самоцель. Все разрастающиеся знания о формах земного углерода ведут к созданию все более живой картины нашего изменчивого планетарного дома: как он появился, как функционирует, какова его дальнейшая судьба и почему он уникален в космосе.
РЕПРИЗА — Миры углерода
Минералогия Земли уникальна{71}.
Что может углеродная минералогия рассказать нам о нашем земном доме? Особенные ли мы? В нашей собственной Солнечной системе Земля определенно отличается от других планет земной группы и каменистых спутников. На Марсе, некогда теплом и влажном, есть только небольшие и рассредоточенные слои предполагаемых карбонатов. Метеориты тоже бедны углеродсодержащими минералами, да и на Луне, сколь бы тщательно ее ни изучали, обнаружены только микроскопические зерна графита и карбида железа, но ни единого карбонатного минерала. А что насчет более удаленных планет, вращающихся вокруг других звезд?
Одним из множества полезных результатов математических исследований минеральных редкостей, проведенных Гретой Хистад, стало ранжирование всех минеральных видов в соответствии с их вероятностью нахождения на Земле. Поэтому мы задались таким вопросом: если бы мы могли взять другую планету, идентичную Земле во всем (того же размера и массы, того же состава и структуры, с океанами, атмосферой и движением плит), и «воспроизвести» 4,5 млрд лет ее истории и если бы в случае редкостного везения мы бы обнаружили на той далекой планете 5000 минералов, какова вероятность того, что они оказались бы теми же 5000 минеральных видов, которые мы видим сегодня на Земле?
Я подозреваю, что большинство минералогов, если бы им задали этот вопрос, подобно мне ответили бы, что минералогия планеты оказалась бы в основном такой же. Безусловно, присутствовали бы в изобилии все породообразующие минералы — кварц, полевой шпат, пироксен, слюда… Сотни других, менее распространенных минералов, к примеру алмаз, золото, топаз и бирюза, также неизбежно имели бы место. Продолжая рассуждение, я бы предположил, что и почти все редкие минералы тоже встречались бы в любом мире, подобном Земле. Они, конечно, точно так же были бы редкими, но в конечном счете и их бы нашли.
А вот и нет. По расчетам Хистад, это не так. Если заново «проиграть ту же пленку», то на всех планетах, химические и физические характеристики которых подобны земным, вероятно, порядка половины видов — более 2500 минералов — окажутся точно такими же, как на нашей. Еще у 1500 чуть менее распространенных минералов также есть хороший шанс — от 25 до 50% — совпасть с земными. Но более 1000 самых редких минеральных видов, скорее всего, будут отличаться, причем для многих минералов вероятность появиться в других землеподобных мирах не превышает 10%.
Вычислить по этим оценкам вероятность того, что две планеты будут иметь идентичную минералогию, было несложно: требовалось просто перемножить индивидуальные вероятности всех 5000 минеральных видов. Результат нас ошарашил. Вероятность несовпадения оказалась буквально астрономической — более 10320 (т.е. единица с 320 нулями)!
Сравните это непостижимое число с оценкой количества планет в космосе. Во Вселенной сотня триллионов галактик, в каждой в среднем 100 млрд звезд, поэтому — с учетом невероятного допущения, что у каждой звезды есть планета, подобная Земле, — при самом благоприятном сценарии получится, что в лучшем случае существует лишь 1025 таких же планет, как наша. Доведем рассуждения до абсурда: вам нужно будет изучить каждую планету в почти 10300 таких вселенных, как наша, чтобы найти ту одну-единственную, которая бы точно повторяла минеральный состав Земли.
Поразительное заключение Хистад было опубликовано в 2015 г. в одном из выпусков журнала Earth and Planetary Science Letters. Оно гласит: «Несмотря на жестко определенные физические, химические
