Наша Земля (происхождение, состав, строение и развитие изначально гидридной Земли)

«Наши представления о термодинамических и химических условиях глубин нашей планеты заставляют нас видеть в них среды, благоприятные для существования водородистых тел. Здесь активность химических реакций уменьшается, кислород быстро сходит на нет, начинают все более и более преобладать металлы типа железа и, по-видимому, растет количество водорода. В то же самое время температура и давление повышаются. Все это должно привести к сохранению в этих глубинах водородистых соединений, и в том числе растворов водорода в металлах» (В. И. Вернадский, Избранные сочинения, том 4, кн. 2, стр. 13–14, 1960).

Ссылка на великого соотечественника дана мною отнюдь не из-за стремления спрятаться за непререкаемый авторитет. В то время все это могло быть лишь на уровне интуитивной догадки. И все же мне представляется сверхъестественным, как можно было угадать суть, имея в активе лишь понимание того, что водород занимает «несравнимое с другими элементами господствующее положение в химии мироздания» (Вернадский, там же). Вместе с тем, академик Вернадский придавал большое значение этой гипотезе, и основывал на ней многие свои построения. И весьма примечательно, что тогда высказывание альтернативы не было сопряжено с риском для репутации. Иными словами, тогда версия «ядро — железное, мантия — силикатная» еще не была «канонизированной догмой», каковой она стала в дальнейшем, к 60-м годам XX века, несмотря на отсутствие четкой доказательной базы. Для историков науки, видимо, будет интересно выяснить причину столь необычного хода событий.

6 . ЯДРО ЗЕМЛИ.

6.1. Внутреннее ядро планеты.

Внутреннее ядро планеты по геофизическим данным представляется твердым и, по бытующим воззрениям, имеет плотность порядка 12 г/см³ В рамках наших построений оно представлено гидридами металлов, среди которых резко преобладают кремний и магний (см. табл. 1). В настоящее время отсутствуют экспериментальные данные по сжимаемости гидридов при давлении порядка миллиона атмосфер и более (давление во внутреннем ядре от 3 до 3,6 мегабара). Я надеюсь, что они появятся в связи с моими публикациями. И в этих будущих экспериментах следует учитывать, что гидриды достаточно нестойкие вещества и могут разлагаться на фронте ударной волны (от резкого термического нагрева). Кроме того, они достаточно активно реагируют с влагой атмосферы, а некоторые при контакте с влажным воздухом взрываются. Поэтому следует предусмотреть сборку опытов в сухой инертной атмосфере и лучше направить свои усилия для создания статического сжатия.

И все же давайте обсудим некоторые аспекты сжимаемости кристаллических тел, и гидридов в их числе. Вдруг обнаружится что-нибудь принципиально важное?

В условиях всестороннего (гидростатического) сжатия в кристаллических телах сначала закрываются поры и микротрещины, затем происходит трансформация кристаллической решетки до плотнейшей упаковки. Но когда эти возможности исчерпаны, а давление растет, то дальнейшее уплотнение происходит из-за уплотнения самих атомов (из-за уменьшения атомных радиусов). При этом наблюдается четкая корреляция чем более рыхлой является внешняя электронная оболочка атома, тем больше сжимаемость. В процессе сопоставления данных под «рыхлостью» мы принимали объем, приходящийся на электрон внешней оболочки, и, естественно, чем больше этот объем, тем больше рыхлость. Чемпионами в этом плане являются щелочные металлы, у них только один электрон во внешней оболочке, которая занимает внешнюю половину радиуса атома. Поэтому щелочные металлы обладают гораздо большей сжимаемостью по сравнению с другими элементами.

Здесь важен один момент, который обсудим на примере калия. У этого элемента объем, занимаемый внешним электроном, примерно в 5 раз больше того объема, в котором ютятся остальные 18 его электронов. При давлении в 100 кбар калий уплотняется в 2 раза, а при 200 кбар — только в 2,3 раза. При еще больших давлениях кривая вообще «выходит на плато» (см. рис. 6) и даже при давлении в 500 кбар уплотнение вряд ли будет больше 2,5 раз. Это ограничение на сжимаемость обусловлено тем, что при сокращении объема внешней оболочки ее электрон входит в кулоновское взаимодействие с внутренними электронными оболочками, которые полностью заполнены и практически несжимаемы.

Рис. 6. Сжимаемость калия в виде металла и гидрида в условных единицах. За единицу принята плотность калия при нулевом давлении.