История Земли. От звездной пыли – к живой планете. Первые 4 500 000 000 лет - Роберт Хейзен

Неизвестно, сколько это продолжалось, – сотни, а может, сотни тысяч лет – геологический миг, пока Земля пребывала в расплавленном состоянии. Но ей суждено было постепенно остыть и затвердеть. Согласно второму началу термодинамики раскаленные тела, не имеющие источника внешней энергии, обязательно охлаждаются: чем горячее объект, тем выше скорость остывания.

Этот температурный переход осуществляется за счет трех известных механизмов. Во-первых, это теплопроводность. Когда более горячий объект соприкасается с более холодным, тепловая энергия перетекает от горячего к холодному. Этот процесс вы можете легко представить, если когда-либо обжигали ноги о нагретую солнцем мостовую или касались рукой раскаленного обогревателя: он происходит в результате постоянного колебания атомов. Когда холодный объект с медленно колеблющимися атомами соприкасается с «буйными» атомами горячего объекта, некоторые быстрые атомы передают свои колебания медленным. Если вы коснетесь достаточно горячего объекта, такие столкновения атомов могут повредить клетки кожи, вызывая ожоги. Механизм теплопроводности удобен для локальной передачи тепла при соприкосновении объектов, но не слишком эффективен в планетарном масштабе. При этом требуется очень много времени для передачи колебаний между атомами.

Более удобным для планетарных процессов передачи тепловой энергии является конвекция, когда тепло передается в большом объеме. Налейте в кастрюлю воды, включите плиту и понаблюдайте. Вначале процесс развивается медленно: нагреваясь, кастрюля передает тепло холодной воде за счет теплопроводности, когда активные атомы металлов постепенно раскачивают атомы воды. Но вскоре включается другой механизм. Нагретая внизу вода начинает подниматься сквозь прохладные слои и массово несет тепло на поверхность. Одновременно прохладные слои сверху опускаются на горячее дно. Нагревание идет все быстрее и быстрее, столбики воды поднимаются и опускаются вплоть до начала кипения. В результате конвекционных потоков поднимающейся горячей и опускающейся холодной воды в большом объеме быстро распространяется тепло с помощью такого стремительного и эффективного танца.

В масштабах всей Земли процесс конвекции продолжается непрерывно – в прохладных бризах жарким летним днем, в обширных океанских течениях от экватора до Арктики, в бурных грозовых фронтах, в горячих источниках и гейзерах. То же самое происходит внутри Земли, где горячие спрессованные породы размягчаются и поднимаются наверх, словно расплавленная карамель, в продолжение миллионов лет. Более прохладные и плотные породы с поверхности погружаются вниз, в то время как более горячие и менее плотные поднимаются, вытесняя их. На протяжении всей земной истории конвекция служит главным механизмом охлаждения планеты.

И наконец, тепловое излучение – третий механизм передачи тепла. Всякий горячий объект распространяет тепло на более прохладное окружение в форме инфракрасного излучения, которое в вакууме проходит 300 000 км за одну секунду. Это всем знакомый вид энергии, особенно когда вы расслабитесь и нежитесь под лучами солнца, похожий на волны видимого света (однако тепловое излучение отличается более длинными волнами). Самым очевидным источником энергии инфракрасного излучения является Солнце, омывающее Землю инфракрасными лучами, которые достигают ее за 8,3 минуты. Электрообогреватель, уютный огонь в камине или старые добрые батареи водяного отопления – всем нам хорошо знакомые источники инфракрасного излучения. Каждый нагретый объект излучает тепло в более холодную окружающую среду. Наше тело не является исключением. Переполненная аудитория быстро нагревается до неприятной температуры – каждый человек излучает тепло подобно стоваттной электролампе. Это легко проверить, надев очки ночного видения, через которые видно, как люди и животные, излучающие инфракрасную энергию, ярко светятся в темноте.

Интенсивность теплопередачи, в результате теплопроводности, конвекции или излучения, зависит от разницы температур между горячим и холодным объектом. Теплопроводность работает быстрее, конвекция энергичнее, а теплоизлучение гораздо мощнее, если разница между температурами достаточно велика. Земля – планета теплая. Обращаясь вокруг Солнца в холодном пространстве, она постоянно излучает тепловую энергию в космическую пустоту. Но раскаленная Земля после столкновения с Тейей выбрасывала тепловую энергию в космос в невиданных для нашего времени объемах. Поистине, она пылала в черной пустоте космического пространства.

Первая твердь

По причине громадного выброса тепловой энергии в космос, формирование твердой земной коры было неизбежно. Скорее всего, поблизости от одного из полюсов Земли, наименее затрагиваемого приливными силами, расплавленная поверхность охладилась настолько, что смогли образоваться первые кристаллы. Но эти процессы протекали отнюдь не просто. Большинство обычных веществ имеет четко определенную температуру перехода из жидкого состояния в твердое – так называемую точку замерзания. Жидкая вода замерзает при 0 °С, серебристый металл ртуть – при –38 °С, а этанол (обычный питьевой спирт) – при –117 °С. С магмой все обстоит иначе. Любопытная особенность магмы состоит в том, что у нее нет определенной точки замерзания (вообще понятие точки замерзания для магмы, раскаленной свыше 1300 °С, можно считать чем-то вроде оксюморона).

Начнем непосредственно с пекла сразу же вслед за великим столкновением 4,5 млрд лет назад, когда Земля и Луна были окружены силикатным паром при температурах, превышающих 5000 °С. Это адское пекло быстро охлаждалось, газ конденсировался в капли и проливался магматическим дождем на новорожденных космических близнецов, чья температура неуклонно снижалась до 3000 °С, затем до 2000 °С и до 1500 °С. Именно тогда начали формироваться первые кристаллы.

Такие представления о появлении первых горных пород на Земле царят в среде петрологов-экспериментаторов, изобретающих все новые лабораторные опыты, нагревая и сжимая горные породы, дабы воспроизвести условия земных глубин. Попытки раскрыть тайну происхождения горных пород сталкиваются с двумя техническими сложностями. Во-первых, необходимо работать с невероятно высокими температурами, в тысячи градусов, до которых не разогревается ни одна бытовая печь. Для достижения таких температур ученые разработали катушки из тщательно уложенной платиновой проволоки, через которые пропускается сильный ток. Еще более сложным техническим условием является необходимость поддерживать такие температуры одновременно с давлением, превышающим десятки, а то и сотни тысяч атмосфер. Для выполнения таких задач исследователи применяют массивные гидравлические прессы и мощные насосы.

Вот уже более века центром таких героических подвигов во славу земных глубин служит моя родная Геофизическая лаборатория Института Карнеги. Некоторое, увы, короткое время я работал вместе с Х. С. Йодером-младшим (вплоть до его безвременной кончины), одним из инициаторов экспериментальной петрологии и крупнейшим в мире специалистом по происхождению базальтов. Внимательный к людям, Йодер был человеком увлеченным, импозантным и энергичным – в буквальном смысле слова выдающимся. Во время Второй мировой войны он служил в ВМС США и близко познакомился с гигантскими металлическими механизмами. В 1950-е годы Йодер пришел на работу в Геофизическую лабораторию Института Карнеги, где использовал отработанные детали боевых орудий с линкоров, орудийные дула и бронированную обшивку, сохранившие серую окраску, для создания лаборатории высокого давления, которая определила судьбу Йодера на полвека, а также позволила нам кое-что узнать о земле, по которой мы ходим.

Центром установки, созданной Йодером, была «бомба» – массивный стальной цилиндр 30 см в диаметре и 50 см в длину, с внутренним диаметром примерно 2,5 см. Один конец бомбы соединялся с рядом насосов, компрессоров и усилителей давления, способных выработать до 12 тыс. атмосфер. Именно такое давление существует на глубине 40 км от поверхности Земли – эквивалент энергии от взрыва динамитной шашки (если бы устройство, не дай бог, взорвалось). На другом конце бомбы находился 30-сантиметровый контейнер для образцов и огромная шестигранная гайка. Мы герметично закупоривали этот контейнер, закручивая гайку гаечным ключом метровой длины и 9 кг весом.

Вся прелесть этого устройства состояла в том, что мы помещали каменный порошок и образцы минералов в маленькие золотые трубки, загружали эти трубки в нагреваемый цилиндрический контейнер и помещали все это в барокамеру-бомбу. Дальше надо было только обеспечить нужное давление, включить электронагреватель, а «бомба» проделывала все остальное. На каждый цикл уходило до шести золотых трубок; длился такой цикл от нескольких минут до нескольких дней. Замечательное изобретение Йодера идеально подходило для исследования условий возникновения горных пород в коре и мантии Земли.