§ 19. ВНУТРЕННЕЕ СТРОЕНИЕ ПЛАНЕТ

Обратимся теперь к вопросу о внутреннем строении планет. Какими данными мы располагаем, чтобы составить себе хотя бы приблизительное представление о нем?

Прежде всего нам известна средняя плотность планеты. Это уже говорит нам кое-что о свойствах ее вещества. Но, как известно, плотность возрастает к центру планеты по мере роста давления. Так, средняя плотность Земли равна 5,5 г/см9, тогда как плотность земной коры в среднем лишь 2,7 г/см. Это указывает на то, что центральные области земного шара имеют плотность порядка 10 г/см3.

По какому закону нарастает плотность от поверхности к центру. Об этом можно судить по величине полярного сжатия планеты, т. е. отношения разности экваториального и полярного радиусов к экваториальному радиусу. Из теории фигур небесных тел известно, что сжатие плшгеты зависит не только от скорости ее вращения и от плотности, но и от распределения плотности внутри планеты. Так, сжатие Земли в случае равномерной плотности равнялось бы если бы вся ее масса была сосредоточена в центре, то 1/580.

На самом деле сжатие Земли составляет 1/298.

Величиной, характеризующей нарастание плотности планеты к ее центру, является так называемый относительный, или безразмерный момент инерции планеты. В механике моментом инерции тела принято называть сумму произведений масс частиц тела на квадраты их расстояний от так называемой оси инерции, проходящей через тело. В качестве одной из главных осей инерции обычно выбирают ось вращения планеты. Таким образом, момент инерции равен

Для шара с массой М и радиусом R момент инерции равен

(2)

где коэффициент К, называемый безразмерным моментом инерции, зависит от распределения плотности внутри шара. Для однородного шара с уплотнением к центру К уменьшается. Из наблюдений движения спутника планеты можно определить величину К. Приводим значения К для ряда планет:

Из этой таблички ясно видно, что чем массивнее планета, тем больше отличается у нее значение К от 0,4, т. е. тем сильнее у нее сжатие к центру.

Лучше всего изучено внутреннее строение Земли, поскольку о нем нам много могут рассказать закономерности распространения сейсмических волн. При землетрясениях возникают два основных типа волн: продольные и поперечные. В первых происходит волнообразное распространение сжатий и растяжений вещества земных недр, во вторых — колебания поперек распространения волны. Сейсмические волны имеют ряд важных для нас свойств, а именно: они отражаются от границ раздела слоев, где происходит резкое изменение плотности.

Поперечные волны распространяются только в твердой среде и не распространяются в жидкой. Наконец, скорость распространения сейсмических волн растет с плотностью среды.

Изучение распространения сейсмических волн в недрах Земли позволило составить следующую картину ее внутреннего строения (рис. 42). Наружная оболочка Земли, — кора, — имеет среднюю толщину 17 км и среднюю плотность 2,7 г/см3.

Рис. 42. Внутреннее строение Земли (схема).

Верхний слой коры состоит в основном из кислых пород типа гранитов с преобладанием соединений кремния и алюминия Поэтому вещество этого слоя часто называют «сиаль». Ниже располагаются основные породы — базальт, габбро, диабаз. Поскольку эти породы содержат соединения кремния и магния, нижний слой коры иногда называют «сима». Толщина коры под материками достигает 30—40 км и более, под океанами она снижается до 6—10 км.

Под корой лежит слой мантии, состоящей из основных пород (базальтов) и ультраосновных пород (перидотитов). Толщина мантии, как показывают сейсмические волны, 2900 км. Скорость распространения этих волн растет с глубиной, отражая рост плотности.

На глубине 2900 км наблюдается резкое изменение доведения сейсмических волн. Поперечные волны глубже вообще не проходят, а скорость продольных волн падает скачком с 13,65 до 8,0 км/сек. Это означает, что ядро Земли имеет свойства жидкости. Давление на границе ядра равняется 1,35 млн. атмосфер, а в центре достигает 3,5-4 млн. атмосфер, плотность ядра составляет 12—17 г/см3, температура в ядре 2000—4000 градусов.

До сих пор неизвестен состав земного ядра. Длительное время считалось несомненным, что ядро Земли железо-никелевое и по составу близко к железным метеоритам. Но эти метеориты составляют лишь 6 % всех метеоритов, наблюдавшихся при падении, тогда как на долю земного ядра приходится более 35% массы Земли. Непонятно, откуда в Земле взялось столько железа и как оно перешло в ядро (при столь больших давлениях и высокой вязкости процессы дифференциации вещества в Земле затруднены).

Другая точка зрения была высказана в 1939 г. советским геологом В. Н. Лодочниковым и в 1948 г. английским геофизиком У. Рамзеем. Согласно гипотезе Лодочникова — Рамзея, на границе мантии с ядром происходит фазовый переход вещества мантии — его превращение в металлическое состояние. В этом состоянии внешние электроны сорваны с атомных оболочек и свободно перемещаются между атомами, как в металлах. Трудность этой гипотезы состоит в объяснении резкого скачка плотности на границе мантии с ядром. С другой стороны, с этой точки зрения внутреннее ядро Земли («ядро ядра») радиусом в 1250- км как раз может считаться состоящим железа (на долю внутреннего ядра приходится лишь 2% массы Земли). С позиций гипотезы о железо-никелевом ядре природа внутреннего ядра непонятна: элементы, более тяжелые, чем железо, имеют слабую космическую распространенность и никак не составят 2% земной массы, а известные, фазовые переходы железа при высоких температурах не сопровождаются резкими повышениями плотности.

По-видимому, ядро Земли состоит не из металлического железа (с примесью никеля), а из его соединений. Внутреннее ядро, наоборот, скорее всего состоит из железа и никеля.

Попробуем применить эти представления к другим планетам земной группы. Венера по своему внутреннему строению, по-видимому, мало отличается от Земли. Ее размеры, масса и средняя плотность немного меньше соответствующих величин для Земли, но отличаются от них незначительно. Ядро Венеры также должно быть несколько меньше земного.

Масса Марса меньше земной уже на порядок. Его средняя плотность (3,89 г/см3) почти в 1,5 раза меньше средней плотности Земли, а безразмерный момент инерции (0,375) близок к его значению для однородного шара. Согласно модели Марса, рассчитанной советским астрономом С. В. Козловской, ядро Марса имеет радиус около 1000 км и содержит 5% массы планеты. Такое ядро может быть и железным. Американский геофизик Дж. Андерсон сделал другое предположение: в ядре Марса присутствует не только никелистое железо, но и сернистое железо — минерал троилит (FeS), часто встречающиеся в метеоритах. По модели Андерсона радиус ядра Марса 1500 км, его масса составляет 12% массы планеты.

Мантия Марса, включающая не менее 92% массы планеты согласно С. В. Козловской должна содержать много оливина — тяжелой породы, состоящей из ортосиликатов магния и железа. Толщина марсианской коры, как показывает анализ рельефа планеты, 30— 40 км.

Следующей ступенью в направлении к телам с меньшей массой является Луна. Ее безразмерный момент инерции показывает, что Луна практически однородна. Средняя плотность Луны (3,3 г/см3) равна средней плотности земной мантии. А так как радиус Луны значительно меньше глубины мантии и сила тяжести на Луне в шесть раз меньше, чем на Земле, очевидно, что у Луны вовсе нет ядра. Зато кора Луны, как показывают сейсмографы, установленные на Луне американскими астронавтами, в среднем толще земной коры и имеет толщину 65 км. Наличие столь толстой коры указывает на то, что Луна в начале своей истории претерпела быстрое разогревание, причина которого пока неясна.

Основные породы коры Луны — анортозиты и базальты. В мантии Луны должны преобладать анортозиты, так как базальт при больших давлениях превращается в эклогит, плотность которого (3,7 г/см?) превышает среднюю плотность всей Луны. Поэтому базальт и эклогит не могут быть основными минералами лунной мантии.

Особое место среди планет земной группы занимает Меркурий. Несмотря на сравнительно малую массу, он имеет довольно высокую среднюю плотность, близкую к средней плотности Земли. Поэтому специалисты полагают, что Меркурий обогащен железом. Однако пока неизвестно, перемешано ли оно с силикатами или образует ядро (безразмерный момент инерции Меркурия пока неизвестен). Сам факт обогащения железом связан, по-видимому, с условиями образования Меркурия во внутренней части допланетного облака, где преобладали тяжелые элементы и отсутствовали летучие.

Совсем иная картина была в зоне образования планет-гигантов. Здесь, наоборот, преобладали водород, гелий и летучие вещества. Именно поэтому планеты-гиганты, особенно Юпитер и Сатурн, состоят в основном из водорода и гелия.

Громадные массы этих планет приводят к тому, что у них под чудовищными давлениями происходит сильная концентрация массы к центру. Об этом свидетельствуют значения их безразмерных моментов инерции.

Рассмотрим в качестве примера модель внутреннего строения Юпитера, рассчитанную американскими учеными Дж. Андерсоном и У. Хаббардом (рис. 43). Атмосферный слой имеет толщину около 1000 км. Ниже чисто газового слоя, в котором формируются линии поглощения в спектре, лежат облака из кристалликов аммиака, которые мы наблюдаем в телескоп. Еще ниже последовательно располагаются кристаллы гидросульфида аммония, ледяные кристаллы, наконец капельки воды, взвешенные в молекулярном водороде.

Дальше следует слой жидкого молекулярного водорода, толщиной 24 000 км. На такой глубине давление достигает 3 млн. атмосфер, а температура 11 000 градусов и водород переходит в жидкое металлическое состояние т. е. становится подобным жидкому металлу.

Слой жидкого металлического водорода имеет толщину 42 000 км. Внутри него располагается небольшое, около 4000 км радиусом, железо-силикатное твердое ядро. Здесь температура достигает 30 000 градусов. Наличие железо-силикатного ядра следует из предположения, что относительное обилие химических элементов на Юпитере такое же, как на Солнце.

Рис. 43. Внутреннее строение Юпитера (схема).

В пользу существования обширного слоя металлического водорода говорит наличие мощного магнитного поля у Юпитера, поддерживаемого кольцевыми электрическими токами, возникающими в этом слое при быстром вращении планеты.

В модели внутреннего строения Сатурна, построенной У. Хаббардом, слой молекулярного водорода толще, чем у Юпитерах и достигает 38 000 км.

Этим и объясняется низкая плотность планеты. Наоборот, слой металлического водорода сравнительно тонок (8000 км) что в модели Хаббарда объясняет отсутствие или слабость магнитного поля Сатурна. Далее идет сравнительно тонкий слой льда (5000 км) и, наконец, твердое ядро радиусом 40 000 км.

Уран и Нептун имеют почти одинаковое строение. На долю твердого ядра у каждого из них приходится по 80% массы. Радиусы ядер этих планет — около 8000 км. Ядро каждой из планет окружено 8000-километровым слоем льда, наружная оболочка толщиной около 9000 км состоит из молекулярного водорода. По своему строению и составу Уран и Нептун представляют как бы промежуточный случай между Юпитером и Сатурном, с одной стороны, и планетами земной группы, — с другой.

Различия в строении, составе и даже в массах планет этих групп определяются условиями их образования из допланетного облака. Под действием интенсивного солнечного излучения внутренние, ближайшие к Солнцу области допланетного облака были обеднены легкими элементами (водородом и гелием) и летучими веществами (кислородом, водяным паром, двуокисью углерода, инертными газами и др.) и обогащены железом и другими металлами. Наоборот, в более далеких частях облака происходило намерзание легких газов на частицы пыли. Неудивительно поэтому, что водород и гелий преобладают в веществе Юпитера и Сатурна и почти отсутствуют в планетах земной группы, формировавшихся вблизи Солнца. Но почему в Уране и Нептуне, еще более далеких от Солнца, снова преобладают тяжелые элементы сказать пока трудно.