Техника - молодёжи 1981-08, страница 37

ПРОБЛЕМЫ И ПОИСКИ

ЧТО ГРЕЕТ

НЕДРА

ЗЕМЛИ?

ГРИГОРИЙ ДУБОВКА, кандидат физико-математических наук

«Между твердой, слабо нагреваемой Солнцем земной корой и всей массой Земли находится пояс расплавленных металлов, так называемый Оливиновый пояс. Он происходит от непрерывного атомного распада основной массы Земли. Эта основная масса представляет собой шар температуры межпланетного пространства, то есть в нем двести семьдесят три градуса ниже нуля. Продукты распада —Оливиновый пояс — яе что иное, как находящиеся в жидком состоянии металлы: оливии, ртуть и золото». Так, основываясь на последних достижениях науки начала нашего века, описывает внутреннее строение Земли и радиоактивный источник тепловой энергии ее недр Алексей Толстой в фантастическом романе «Гиперболоид инженера Гарина».

И до сих пор ученые предполагают, что громадный тепловой поток, излучаемый из недр Земли в пространство и составляющий 10²⁰ Дж ежегодно, образуется за счет распада радиоактивных изотопов урана, тория и калия. Стремясь доказать достоверность этой гипотезы, геофизики тщательно изучают распределение теплового потока по поверхности Земли, его связь с содержанием радиоактивных элементов в породах, строят сложные теории динамики процессов радиоактивного разогрева недр и теплопередачи к наружной части планеты. Но неожиданно свои права на решение проблемы заявила еще одна сравнительно молодая область науки — физика высоких давлений.

На глубине 30 км давление в недрах составляет приблизительно 10 тыс. атм, на глубине 2 тыс. км бно равно уже 1 млн. атм, а в центре Земли достигает 4 млн. атм. Для сравнения напомним, что в самом глубоком месте Тихого океана оно меньше 1,6 тыс. атм!

Постройка прессов-гигантов позволила при 60 тыс. атм синтезировать искусственный алмаз — самое твердое кристаллическое вещество. Даже 10 млн. атм физики ухитрились получить, ударяя по исследуемому веществу телом, разогнанным с помощью взрыва до

3*

большой скорости. Правда, при столь высоком давлении вещество находится очень недол1о — всего несколько микросекунд. Величины порядка 1 млн. атм, ко в течение достаточно продолжительного времени получают с помощью алмазных наковален в виде двух усеченных конусов. Сдавливаемое вещество находится между вершинами этих конусов (р и с. 1).

Подобная экспериментальная техника уже позволила сделать интересные открытия: например, некоторые окислы частично разлагаются на кислород и металл, кроме того, ряд окислов, являющихся при атмосферном давлении хорошими изоляторами, металлизируются, то есть становятся проводниками электрического тока, даже самый легкий газ — водород превращается в металл, который, по-видимо-му, будет сверхпроводником при обычных температурах.

В повседневной жизни мы привыкли считать, что твердые тела и жидкости не сжимаемы, но при давлениях, равных нескольким сотням тысяч атмосфер, даже такие трудносжимаемые вещества, как металлы, уменьшают свой объем на довольно значительную часть. В частности, объем железа при 1 млн. атм уменьшается примерно на 30%.

Теперь вспомним о проблеме теплового потока, идущего из глубины Земли. Какова его причина? Для этого постараемся выяснить, что же может произойти при очень высоких давлениях с химическим соединением АВ, содержащим, на-пример_ч два элемента А и В. (Рассматриваемая картина сохранится, конечно, и для более сложных веществ, состоящих из многих элементов.) На рисунке 2а изображено исходное вещество АВ, различные атомы которого плотно уложены. Оказывается, с ростом давления вещество будет распадаться на отдельные компоненты А и В, так как в этом случае, если плотно укладывать атомы, суммарный объем составляющих А и В будет меньше (рис. 2б), чем вещества АВ, за счет ликвидации пустот боль-

| F

QCOO

QCQ0

е)м

ших размеров. Работу по разложению АВ совершают гравитационные силы, и она выделится в виде тепла, которое может достичь довольно большой величины. Простые расчеты показывают, что при давлениях, имеющих место в центре планет, выделившаяся внергия была бы достаточна, чтобы разогреть вещество на несколько тысяч градусов.

Конечно, на распад вещества большое влияние оказывает его начальная температура. Дело в том, что данный процесс разделения должен сопровождаться диффузией элементов, чтобы они могли собраться в разных местах, которая ускоряется при повышении температуры. Это наглядно видно на типичной диаграмме устойчивости химического соединения АВ при высоких давлениях (р и с. 3). Такие диаграммы экспериментально построены для большого числа соединений. Ниже кривой АВ вещество находится в нераспавшемся состоянии, а выше в виде элементов А и В. Видно, что чем ниже температура, тем большее нужно приложить давление для его разложения.

Теперь можно непосредственно перейти к вопросу, каким образом мог происходить разогрев планет.

Большинство ученых считают, что планеты образовались из газопылевого облака путем постепенного сгущения вещества. Химический состав планет довольно сложен, большинство элементов первоначально входило в них в виде соединений. Но для понимания проблемы мы предположим, что какая-либо планета состоит из одного-единственного соединения АВ и ее начальная температура равна Ti. Давление в глубинных областях будет определяться ее массой. Если масса достигнет определенной критической величины, то в центре, где давление наибольшее, начнется распад вещества, который будет сопровождаться большим выделением тепла (точка В на рис. 3).

Начавшись, процесс распада будет распространяться от центра в области с меньшим давлением, под-

Рис. 1. «Наковальни» для получения сверхвысоких давлений.

Рис. 2. Объем, занимаемый молекулами вещества АВ под высоким давлением, обычно превосходит суммарный объем, занимаемый разделенными атомами веществ А и В.

Рис. 3. Диаграмма устойчивости химического соединения АВ ■ зависимости от температуры и давления.

Рис. Э.

Рис. 1.

Рис. 2.