"Болото" в центре Земли

Сложные экспериментальные и теоретические исследования, проводимые в течение последнего десятилетия в Институте физики высоких давлений РАН (ИФВД) под руководством доктора физико-математических наук Вадима Бражкина, легли в основу новой гипотезы о строении внутреннего ядра Земли. Как полагают исследователи, неожиданные выводы о состоянии вещества при условиях высокого сжатия, в котором пребывает свыше 90% материи во Вселенной, могут пролить свет на многочисленные загадки астрофизики и планетологии.

Среди различных классов исследованных физиками веществ особый интерес представляет железо, из которого состоит ядро Земли. Согласно наиболее распространенным на сегодня взглядам, наша планета состоит из внешнего и внутреннего ядра, мантии и земной коры. Внутренняя часть ядра - это огромный шар из горячего железа. Считают, что со временем он остывает, его температура уже опустилась ниже температуры плавления, и внутреннее ядро кристаллизовалось. Внешняя часть ядра также состоит преимущественно из железа, но не кристаллического, а расплавленного. Представления о составе ядра основаны на распространенности химических элементов во Вселенной и сомнению не подвергаются. Зондирование недр нашей планеты с помощью сейсмических волн показывают, что внутреннее ядро существенно более твердое, чем внешнее. И с этим ученые из ИФВД тоже не спорят.

Расхождения начинаются с частностей. Поскольку экспериментировать с давлениями в сотни тысяч атмосфер до недавнего времени не представлялось возможным, некоторые принципиально важные свойства металлов при высоких давлениях и температурах исследовались теоретически. Большинство физиков считают, например, что вязкость жидких металлов при увеличении давления почти не меняется. А если так, то твердая часть ядра может находиться лишь в кристаллической форме.

Исследования Бражкина и его сотрудников поначалу вовсе не были направлены на подрыв основополагающих геофизических концепций. Ученые просто хотели побольше узнать о свойствах металлов и других веществ при сверхвысоких давлениях. Чтобы получить жидкий металл при давлении, сопоставимом с тем, что в центре Земли, использовались специальные камеры и прессы. В ходе экспериментов удалось исследовать такие малоизученные свойства сжатых жидких металлов, как вязкость и диффузия. Работа физиков доказала, что с ростом давления вязкость жидкого железа может возрастать в миллиарды раз! Это значит, что, по всей вероятности, внутреннее ядро Земли находится не в кристаллическом, а в аморфном состоянии и похоже на загустевший мед, смолу или, к примеру, на обычное стекло.

Новая теория хорошо согласуется с поведением сейсмических волн на границе внешнего и внутреннего ядра. Ведь в частотном диапазоне сейсмических волн загустевшее аморфное вещество проявляет себя как твердое. Как предполагает Вадим Бражкин, температура вещества в центре Земли - а это около 5000 градусов Цельсия - все еще не опустилась ниже точки плавления и с учетом новых экспериментальных данных по вязкости жидких металлов версия загустевшего, а не кристаллического ядра представляется более реальной.

Высокие значения вязкости внешнего ядра Земли могут объяснить тот факт, что до сих пор не удается наблюдать свободные колебания внутреннего ядра, вызванные взаимодействием Земли с Луной. Версия кристаллического ядра, окруженного расплавом, предполагает их наличие. Реакцию же ультравязкого ядра с довольно нечеткой границей между внешней, менее вязкой, и внутренней частями на приливные силы зарегистрировать сложнее, так как она еще медленнее и проявляется не столько в изменении положения внутреннего ядра, сколько в его деформациях.

Для физиков сам факт стабильного существования высоковязких металлов при определенных условиях - большое открытие. Астрофизики и планетологи считают, что оно повлечет за собой пересмотр многих моделей, рассчитывающих эволюцию и движение вещества внутри небесных тел. Ведь смесь водорода и гелия, из которой состоят звезды и планеты-гиганты, при давлении в десятки миллионов атмосфер также представляет собой жидкий ультравязкий металл.

Совсем по-другому в контексте новой гипотезы предстают процессы в центре Земли и других небесных тел. Так, для высоковязкого железа на границе внешнего и внутреннего ядра должен быть характерен прямолинейный тип циркуляции, а не вихреобразный, как для жидкого расплава. Это в корне меняет исходные предпосылки для моделей, описывающих образование магнитного поля, движение вещества и энергии в недрах, формирование глубинных залежей полезных ископаемых. От абсолютных значений вязкости земных недр зависят быстрые колебания земной оси - нутации. Количественная информация о вязкости недр важна и при исследованиях вынужденных колебаний Земли, приливных сил, вращения Земли вокруг своей оси.