Природа космических тел Солнечной системы - Дмитрий Николаевич Тимофеев

поскольку при более высокой температуре все вещества однозначно становятся газами, а это не укладывалось в головах ученых того времени. Кроме того, упрощенные представления о теплообмене, основанные, вероятно, на модели, повторяющей этот процесс в чайнике, подсказывали, что при более высокой температуре невозможно представить нормальное, существующее сейчас тепловое состояние на поверхности Земли. Такое представление сложилось в начале прошлого века. Расчеты показывали, что радиационное тепловыделение от урана, тория, и калия должно дать значительно более высокие температуры в глубинах Земли. Тогда для того, чтоб свести концы с концами и защитить свою концепцию (5000°С) в 1909 году было высказано предположение Джоли [Joly, 1909], а затем Холмсом [Holmes, 1926], что урана в ядре Земли нет. С тех пор такие ошибочные убеждения и существуют во взглядах ряда ученых. Были в прошлом и другие убеждения. Так, по представлениям Э. Канта ядро Земли раскалено как Солнце, но окружено плотным веществом, которого нет на поверхности.

Надо учитывать, что знания ученых того времени по ряду направлений во многом были примитивнее той информации, которая есть в программах нашей современной средней школы. В настоящее время знания о тепловых процессах превратились в науку. Имеются многочисленные расчеты тепловых процессов. На производстве ни один сложный аппарат, где происходят химические реакции, не проектируется без тепловых расчетов. В космической технике для конструирования искусственных спутников Земли в конструкторских бюро существуют целые отделы, задачей которых являются тепловые расчеты. В программы разработки изделий непременно входит создание отдельного экспериментального образца спутника только для тепловых и вакуумных испытаний, и это при том, что процессы выделения и передачи тепла на спутнике неизмеримо проще таких процессов в глубинах Земли.

Чтоб получить более ясное представление, обратимся к результатам измерений. С увеличением глубины температура пород возрастает с градиентом примерно 20 градусов на километр. Представим модель, что тепло идет из центра Земли. Рассчитаем температуру в центре Земли, которая могла бы обеспечить имеющийся градиент по формуле Фурье для теплопроводности:

где Q – количество тепла;

k —коэффициент теплопроводности;

T1 – температура на поверхности Земли;

T2– температура в центре Земли;

S – площадь сечения геосферы;

T – время;

Ι – толщина слоя.

По упрощенному расчету, не учитывающему, что Земля – шар, и предполагающему, что все тепло идет из центральной точки, температура в центре Земли при сохранении градиента на всю глубину составит примерно 120000°С. А если учесть уменьшение площади передачи тепла с увеличением глубины, поскольку площадь геосфер с глубиной уменьшается, то реальный градиент температуры при неизменном тепловом потоке должен возрастать с глубиной пропорционально уменьшению площади, пропорционально квадрату глубины, следовательно, температура в центре Земли по этой модели должна составлять уже 14.4 ∙ 109°С.

Конечно, модель далеко не соответствует реальному состоянию. Все тепло не выделяется из центра Земли, и поэтому она должна быть отвергнута, но что—то в этой модели есть. Она позволяет усомниться в низкой температуре ядра, вырваться из гипноза оков догматической температуры в 5000°С, предположенной примитивными представлениями столетней давности, и искать правильное решение. Если напрячь усилия и обратиться к хотя и упрощенным, но современным тепловым расчетам, то появляется достаточно сложная картина. Для представления о тепловом состоянии необходимо учитывать, как реакции выделения тепла, так и, что совершенно очевидно, существующие реакции поглощения тепла за историю Земли. Также необходимо учитывать начальное тепловое, химическое и ядерное состояние массы Земли. Если принять за начальное состояние газопылевое космическое облако, а за конечное – нынешнее состояние, то картина выходит следующая.

По тепловому балансу, определяющему температуру, приход тепла обеспечивается процессами:

– ударное и гравитационное статическое собирание, а также сжатие частиц в массу планеты;

– энергии распада радиоактивных элементов;

– энергии распада ядерного топлива по цепному механизму;

– разогрев планеты Солнцем и космическим излучением.

Одновременно имеются процессы, приводящие к потере тепла:

– излучение тепла в космическое пространство;

– совершение работы расширения объема Земли;

– химические реакции по трансформации веществ мантии при повышении температуры;

– расширение при дросселировании газов при поднятии и выходе атмосферы и вод океанов

– плавление веществ ядра Земли и фракций мантии;

– испарение всей массы веществ ядра Земли;

– ионизация элементов в ядре Земли;

– выделение света и образование фотонного газа в ядре Земли.

Нужно учитывать, что в изначальном состоянии вещество газопылевого облака в космическом пространстве находилось в сравнительно холодном состоянии, а также то, что в этом состоянии вещество находилось в виде соединений с малыми изобарными потенциалами.

Наиболее емкие, приводящие к наибольшей потере тепла, процессы ионизации элементов и процессы выделение фотонного газа. Эти процессы происходят только при высоких температурах, но являются практически бездонными для нашей планеты поглотителями тепловой энергии.

Несмотря на значительное выделение тепла, температурная стабильность Земли объясняется прежде всего редким для нашего поверхностного мира явлением, погружением в глубинах Земли более горячего вещества вместо всплытия (конвекции) названное термонизом, о котором еще будет сказано ниже, значительным многоуровневым поглощением тепла в ядре и мантии, большим теплоизолирующим свойством мантии, коры Земли, слоев ядра, а также гравитационным разделением разных элементов по глубине Земли на слои, обеспечивающим изоляцию разогретых масс в центральной её части.

Наибольшее количество энергии поглощается при ионизации атомов. Атомы при ионизации аккумулируют огромное количество энергии. На первую ионизацию, например, калия затрачивается 44398 ккал/кг, на вторую ионизацию – 6687416 ккал/кг, на третью ионизацию —9670580 ккал/кг. Даже при потере только трех электронов (а их у калия 19) 1 кг калия поглощает энергию, содержащуюся в 16.4 тоннах тротила.

Если бы теплообмен в глубинах Земли шел бы по механизму простой конвекции, то при температуре в центре Земли и в 5000°С вся горячая масса ядра всплыла бы на поверхность. То же произошло бы и на Солнце, и температура его фотосферы точно превысила бы наблюдаемые 6000°С. Объяснением того, что такого не происходит может быть только существующее и предлагаемое явление термониза, по причине которого тепло на поверхность не выходит, а аккумулируется ионизацией тяжелых элементов, а также образованием фотонного газа в центре Земли.

Значительная аккумуляция тепла образованием фотонного газа связана с тем, что интенсивность образования фотонов (а значит и поглощения тепла) происходит в четвертой степени от температуры, и при высоких ее значениях увеличивается лавинообразно.

Большое количество процессов выделения и поглощения тепла, а также отсутствие информации в каких значениях эти процессы происходят, делает прямой расчет теплового состояния Земли невозможным. Температуру вещества на разных глубинах удалось рассчитать, используя результаты замера плотностей, расчета значений давлений на разных глубинах и оценки состава веществ геосфер.

По скорости прохождения сейсмических волн известна плотность вещества в ядре. Также сравнительно точно рассчитано давление на разных глубинах ядра. Допускаем, что в условиях ядра Земли свойства веществ соответствуют законам для идеальных газов, что экспериментально подтверждено до давлений в 100000 атм. [Гонигберг, 1960]. Используя значения давлений, плотностей и видов элементов, можно рассчитать температуры по слоям ядра Земли. Закон расширения Менделеева—Клапейрона для всех газов одинаков:

Из этого следует:

где P – давление в нормальных условиях 1 атм.;

V – объем одного г-атома элемента (0.0224м3) в нормальных условиях;

P1 – давление в искомой области;

V1 – объем межатомного пространства одного г-атома в искомой области;

T – температура нормальная 273 градуса К;

Т1 – искомая температура.

Таким образом

T1 = 12187.5 P1V1

Подставив значения объема и давления в тех областях ядра Земли, где по расчетам вещество находится в состоянии реального газа, можно определить здесь температуру.

Расчет температуры в ядре Земли

Гипотеза (концепция) 23

Давление в центре Земли примерно 3,6 миллиона атмосфер. Рассчитаем объем одного грамм-атома урана в ядре Земли, что несложно. Грамм-атом урана – это 238 грамм. Плотность вещества в центре ядра Земли – 12.5 г/см3. Следовательно, объем 1 г-атома урана составит 238/12.5=19.04 см3. Для расчета