УДК 550.3; 551-1; 551.2; 550.311; 551.2 4; 550.312; 52-425; 550.361

Аннотация: В работе теоретически установлено, что устойчивость внутреннего твердого железного ядра в центре вращающейся Земли, физически невозможна. Предложена газовая модель состава внутреннего и внешнего ядер Земли, которая хорошо согласуется с результатами проведенных ранее сейсмических исследований интерпретировавшихся применительно к гипотетической модели внутреннего строения Земли с железным ядром. На примере Земли дано объяснение дифференциации вещества по его плотности в среде сжатых газов (закон Архимеда) из которых формировались планеты и их относительно крупные спутники. Этот процесс был быстротечным в космогоническом масштабе времени и происходил на ранней стадии формирования планет. Уплотнение мантии и замыкание внутреннего объёма (газового ядра) происходят вследствие окислительных процессов и диссипации газа из атмосферы планет. Показано, что энергия упругого сжатия газового ядра является главным источником в установлении теплобаланса Земли. Показано, что вещество земной коры и внешней части мантии испытывает растягивающее напряженное состояние от давления в газовом ядре. Это и приводит к землетрясениям и всякого рода разломам, тектоническим подвижкам и т. п. Теоретически установлено, что на глубине ~150 км напряженность вещества мантии равна нулю. Это накладывает свой отпечаток на реологические свойства вещества в этой зоне (астеносфере). Показано, что окислительные процессы происходящие и в настоящее время в земной коре и мантии влияют на характер градиента температур. Эти процессы могут носить и взрывной характер при окислении углеводородов, что и является причиной вулканической деятельности с выделением преимущественно воды и диоксида углерода.

Авторы статьи: Л.А. ТИМОФЕЕВА д.т.н., Н.Г. ПЕРЕПЁЛКИН.
Публикуется на "Знания-сила" по просьбе авторов.

Введение

Доминирующая в научном мире гипотеза о внутреннем строении Земли и планет предполагает наличие в ней внутреннего твердого железно никелевого ядра и внешнего, состоящего из расплавленного железа. [4] к списку литературы. Появление такой гипотезы вызвано необходимостью объяснить согласованность со средней плотностью Земли. Результаты сейсмических исследований Земли всегда интерпретировались в пользу этой гипотезы.

Против идеи о железном или железоникелевом ядре выступил крупнейший русский геохимик академик В.И. Вернадский. Имеются и другие соображения, заставляющие сомневаться в правильности гипотезы о железном ядре. Затруднение возникает и при попытке объяснить расслоение Земли и концентрацию железа в ядре с помощью процесса гравитационной дифференциации. Отметим, наконец, что гипотеза о наличии железного ядра не дает удовлетворительного объяснения тому, каким образом железо и никель оказались не окисленными таким сильным и широко распространенным окислителем, как кислород (на что обратил внимание В.А. Магницкий). Отметим также, что представление о фазовом переходе хорошо объясняет отсутствие плотных ядер у Марса, Меркурия, Луны: масса этих небесных тел недостаточна, чтобы давление внутри достигло необходимой «критической» точки. Лишь Венера, близкая по своим размерам и массе к Земле, обладает плотным ядром. [1]. Вопрос о состоянии и составе ядра, основанный на сейсмологических исследованиях, до сих пор является наиболее сложным и дискуссионным. [3]. Гравитационная дифференциация не дает ясного представления ни в «горячей», ни в «холодной» моделях Земли. Открытия экзопланет ставят под сомнение, если не сказать большее, дорабатывавшуюся много раз, теорию аккреционной аккумуляции. Все нерешенные выше перечисленные проблемные вопросы космогонии и космологии, по мнению авторов данной статьи, есть следствие отсутствия достоверной теории образования космических тел, планет, в частности. Можно сказать, что если бы астрофизики начали открывать экзопланеты не в конце, а в середине прошлого века, то и аккреционная гипотеза образования планет Солнечной системы не нашла бы поддержки в научном мире.

В данной работе представлено принципиально новое решение внутреннего строения планет, которое отвечает на все основные побочные проблемные вопросы. Вначале мы покажем, что твёрдое железное ядро в центре внешнего ядра, состоящего из расплавленного железа, во вращающейся Земле физически существовать не может.

Железного ядра в центре Земли нет

Ниже приведенные математические выкладки предназначены для углубленного анализа сделанных в статье выводов. Читатель может сразу перейти к исследованию конечной формулы (11). На рисунке 1 представлена схема внутреннего строения Земли, соответствующая выше упомянутой гипотезе.

Газовое ядро Земли и сейсмические исследования

Результаты сейсмических исследований Земли всегда привязывались и истолковывались применительно к железному ядру. Представляет большой интерес интерпретация этих результатов применительно к газовому ядру. На рисунке 2 приведены, в относительных координатах, результаты сейсмических исследований Земли и Луны. Рисунок взят из книги «Строение Луны» авторов Галкин И.Н. и Шварев В.В. Мы не случайно выбрали для примера совмещенную сейсмогра́мму Земли и Луны. Из сейсмограммы видно, что на границе нижней мантии и ядра, как для Земли, так и для Луны, скорость распространения продольных волн резко падает. Это свидетельствует о том, что ядро может быть газовым или жидким. Но Луна к настоящему времени является осты́вшим, к тому же, относительно не большим космическим телом, поэтому ее ядро, также, не может состоять из расплавленного желе́за, а падение скорости есть. Отсюда можно сделать вывод о том, что я́дра Земли и Луны газовые.

Рис.2. Глубинная структура Земли (толстые линии) и Луны (тонкие) по геофизическим данным.

Согласно доминирующей гипотезе центральное ядро Земли состоит из твердого желе́за. Если бы это было так, то на границе внешнего и внутреннего ядер должен был быть резкий скачёк увеличения скорости распространения продольных волн. Однако такого резкого скачка́ на сейсмограмме мы не наблюдаем. Это, также, говорит о том, что внутреннее ядро Земли не твёрдое. Что касается поперечных волн, то они не распространяются ни в газах, ни в жидкостях. Если бы внешнее ядро Земли состояло из расплавленного, практически не сжима́емого желе́за, то мантия, представляющая собой толстостенную сферическую оболочку, не могла бы испытывать тектонических подвижек. Это еще раз говорит о несостоятельности гипотезы о железном ядре.

Температура и давление газа на внешней границе ядра

Вопрос о распределении температуры в нижней мантии и ядре Земли в научном мире еще не решен. Принимаемая температура на границе мантии и внешнего ядра колеблется в широких пределах и составляет 1500…10000 °C. Причем, нижний и верхний пределы вступают в противоречие с тем фактом, что вещество нижней мантии находится в твердом состоянии. Об этом свидетельствует прохождение поперечных сейсмических волн. По результатам сейсмических исследований установлено, что плотность вещества мантии и внешнего ядра в месте их стыковки ступенчато изменяется с 5,2 г/см³ до 10 г/см³. Для расчетов мы принимаем на внешней поверхности газового ядра нижний предел температуры 1500 К. Тогда давление газа (кислорода) у поверхности внешнего ядра должно составлять:

(12)

Здесь: ρ и Т — плотность и температура на внешней поверхности ядра, соответственно;
p₀, ρ₀ и T₀ — давление, плотность и температура атмосферы Земли, соответственно.

Исходя из постоянства передачи тепла от ядра через любую сферическую поверхность в мантии или земной коре, переменный градиент температуры q выразится следующей формулой и на внутренней поверхности мантии составит:

Здесь: q₀=20 град/км – градиент температуры у внешней поверхности земной коры;
R=6371 км – внешний радиус Земли;
h=2900 км – толщина мантии и земной коры.

Как видим, градиент температуры вблизи внутренней поверхности мантии более чем в 3 раза должен превышать градиент у внешней поверхности Земли. Это еще более усугубляет несоответствие расчетной температуры по припове́рхностному градиенту. По нашему мнению, окислительные процессы происходящие и в настоящее время в земной коре и мантии влияют на характер градиента температур. Эти процессы могут носить и взрывной характер при окислении углеводородов, что и является причиной вулканической деятельности с выделением преимущественно воды и диоксида углерода.

Напряженность вещества земной коры и мантии

Расчет толстостенных сферических оболочек, нагруженных внутренним давлением, в механике хорошо известен. Исходная формула для расчета применительно к мантии Земли имеет вид. [2].

(13)

Здесь: R₀ – внешний радиус земной коры;
r и r₀ (r≥r₀) – текущий и внутренний радиусы мантии, соответственно;
p – давление газа на внешней поверхности ядра;
ρ – усредненная плотность вещества мантии;
n – показатель ползучести вещества.

Первый член уравнения (13) отражает напряженность вещества мантии и земной коры от давления газа p, действующего на её внутреннюю поверхность, а второй член учитывает гравитационное сжатие.

На рис.3 приведены эпюры меридиального напряжения в идеальной упругой (стальной) сферической оболочке (кривая 1). Кривые 2, 3, и 4 соответствуют оболочкам, материал которых находится в состоянии установившейся ползучести для разных значений показателей степени n. Кривая 5 отражает напряженное состояние мантии от совместного воздействия внутреннего давления газа и гравитации.

Следует обратить внимание на то, что внешняя земная кора и внешняя часть верхней мантии испытывают растягивающее напряжение. В силу того, что материал земной коры обладает ползучестью, то эти напряжения должны постепенно возрастать во времени до критического состояния. Это противоборство давления в ядре и гравитации приводит к землетрясениям и всякого рода разломам, тектоническим подвижкам и вулканическим выбросам.

Рис.3. Эпюры меридиального напряжения в толстостенной сферической оболочке под действием внутреннего давления газов и гравитации.
1 - упругая оболочка; 2, 3, 4 - при различной ползучести материала оболочки; 5 - в мантии Земли с учетом гравитации.

Мы пока не знаем точно показатель степени n, характеризующий пластические свойства вещества земной коры и мантии. Поэтому оценка напряженности носит лишь качественный, а не количественный характер. Тем не менее, можно заключить, что на относительно малой глубине ~ 150 км (по расчету), в мантии имеется зона (сферический слой) где напряженность вещества σ=0. По нашему мнению, это и есть центральная зона астеносферы в верхней мантии Земли. Как видно из эпюры 5 астеносфера не имеет четко выраженных границ. Этим и вызвана некоторая неопределенность в оценке ее толщины. При этом, расчетная напряженность внешней поверхности земной коры составляет ~ 25000 кг/см², что многократно превышает предел текучести вещества земной коры (2000 кг/см²). Исходя из изложенного, мы делаем заключение о том, что давление в газовом ядре Земли является главным эндогенным фактором тектонических процессов, происходящих в мантии и земной коре. Наличие зоны с нулевой напряженностью, неизбежно накладывает свой отпечаток на реологические свойства вещества в зоне астеносферы.

Хорошо известно, что при температуре выше точки Кюри (1043 K) железо испытывает фазовый переход 2-го рода, при котором оно переходит из ферримагнитного в парамагнитное состояние. Это означает, что ни при каких обстоятельствах железное ядро не может генерировать магнитное поле планеты. А оно есть. Это одно из главных доказательств того, что ядро Земли и не твердое, и не жидкое, и не железное. Игнорировать этот факт в науке, по нашему мнению, совершенно не допустимо. В условиях высокой температуры газы ведут себя иначе. Они ионизируются и становятся проводниками и при определенных условиях могут создавать магнитное поле планет. Этот, чрезвычайно важный вопрос в геофизике заслуживает отдельного исследования и в данной работе не рассматривается.

Внутреннее строение планет и их спутников, основанное на базе железно никелевого ядра, накладывает жесткие ограничения на их среднюю плотность. У исследователей возникают трудности при обосновании дефицита плотности внешнего и внутреннего ядер Земли, размеры которых надежно установлены. Плотность газовых ядер и планет в целом, может иметь широкие пределы. Она, также является переменной величиной во времени. Это связано с постепенным охлаждением ядра и непрерывным уменьшением его объёма вследствие уплотнения мантии. Обращаем внимание читателя на то, что приведенные здесь расчеты привязаны к современному этапу эволюции Земли. Экзопланета PSR J1719-1438b, по наблюдениям британского телескопа Лавелл и телескопа Кек на Гавайях показали, по состоянию на начало 2017 г., имеет рекордную среднюю плотность 23 г/см³. Этот факт говорит о том, что она состоит из высоко мольных газов, Вероятнее всего из кислорода и диоксида углерода, обладающих высокой молярной массой (32 г/моль и 44 г/моль, соответственно). Планета немного более массивна, чем Юпитер, имея при этом радиус в 2,5 меньше радиуса Юпитера. Характеристики этой планеты являются наглядным примером, подтверждающим то, что все космические тела формируются как газовые образования.

По результатам недавно проведенных при участии 15 университетов США, Западной Европы и Японии фундаментальных экспериментальных изысканий по определению величин тепловых потоков в недрах Земли, обнаружилось значительное расхождение между количеством энергии, генерируемой вследствие распада радиоактивных изотопов, а также энергии других (нерадиоактивных) источников, и суммой количества энергии, необходимой для поддержания магнитного поля Земли, а также энергии излучения через земную поверхность. Недостающие по балансу ~100 ТВт/с (10¹⁴Вт/с) теплового потока призван обеспечивать иной мощный источник стабильной энергии. В этом случае энергия сжатия газового ядра, по нашим расчетам, выше, практически не сжимаемого железного ядра и составляет ~1.75*10³⁸ эрг и вполне может сбалансировать ее расход применительно к Земле. Годовое тепловыделение всей поверхностью Земли к настоящему времени оценивается в 10²⁸ эрг. Поделив эти числа одно на другое, можно сказать, что до тепловой смерти нашей планеты пройдет еще не один миллиард лет.

Сделанные здесь выводы сведены в таблицу. Она отражает согласованность «+» или несогласованность «-» с результатами исследований Земли и Луны, соответственно.

Дифференциация вещества и формирование мантии

Согласно существующим представлениям в научном мире суть дифференциации планет заключается в том, что под воздействием гравитации более тяжёлые химические элементы и соединения постепенно опускаются к центру планеты, а более лёгкие при этом поднимаются ближе к внешней поверхности. Но такой процесс не может происходить в твердотельной мантии. Для этого необходимо преодолеть предел прочности (~2000 кг/см²) мантийного вещества. Вместе с тем, дифференциация планет и их, относительно крупных спутников, установленный факт. Это одна из причин острой дискуссии между сторонниками гипотез «холодной» и «горячей» Земли.

В работе [6] представлено решение главной задачи физики в области космогонии об образовании космических тел. В ней показано, что все космические тела, в том числе и планеты земной группы, сформировались в результате гравитационного коллапса вихревых газовых образований. Вместе с газом в недра планеты вовлекались и твердые вещества. Под воздействием выталкивающей силы Архимеда они всплывали (или опускались) в среде сжатого газа образовавшейся планеты и занимали устойчивое положение там, где плотности газа и твердых веществ были равными. Этим можно объяснить слоистую структуру планет и совместное расположение сидерофи́льных и халькофи́льных химических элементов имеющих близкую между собой удельную плотность. В космогоническом масштабе времени такой процесс дифференциации был быстротечным и не требовал расплавления вещества будущей мантии.

На основании этих исследований делаем окончательный вывод: Земля не может иметь железного ядра. Таким образом, мы получили дополнительное подтверждение тому, что все планеты, в том числе и планеты земной группы, формировались как газовые образования, а не путем «слипания» твердых частиц с последующей аккрецией газа на ядро. Окислительные процессы веществ в недрах планет земной группы неизбежно приводили к уменьшению газовой составляющей и увеличению массы твердых веществ. Это неизбежно приводило к уплотнению мантии и запиранию газовых ядер в центре планет. Аналогичные процессы происходили и в недрах относительно крупных спутников.

Процесс уплотнения мантии, очевидно, не ограничен во времени и продолжается в настоящее время.

В данной работе мы коснулись лишь некоторых, наиболее важных, на наш взгляд, вопросов. В целом газовая модель внутреннего строения Земли дает ключ к разгадке многих проблемных вопросов в различных областях науки: космогонии, геофизики, геологии, тектоники плит, магнетизма планет и др. Проанализировать их в рамках одной статьи не представляется возможным, да и осуществить это авторам, не под силу.

В заключение отметим, что газовая модель внутреннего строения Земли, вытекающая из теории вихревого газового формирования космических тел коренным образом отличается от доминирующей в научном мире гипотезы «последовательной аккреции», согласно которой предполагается, что планеты имеют я́дра состоящие из расплавленного и твердого желе́за. Газовая модель внутреннего строения планет и относительно больших спутников наилучшим образом согласуется с результатами сейсмических зондирований Земли. Она даёт возможность решить многие проблемные вопросы в области геофизики и геологии.

Если представленные нами выкладки окажутся верными, то потребуется переработка всей космогонической, космофизи́ческой и геофизической теорий. Мы хорошо осознаем, что такая работа будет представлять собой трудоемкий процесс. Эта работа может быть выполнена только коллективным трудом многих ученых.

Авторы:     Тимофеева Лариса Андреевна
                 Перепё́лкин Николай Григорьевич.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Горшков Г.П., Якушова А.Ф. – Общая Геология. 3-е изд. М, 1973 г., 592 с.
2. Гольденблат И. И., Бажанов В. Л., Копнов В. Л. - Длительная прочность в машиностроении. М. «Машиностроение». 1977.
3. И.А. Климишин Астрономия наших дней. – 3-е изд., перераб., и доп. (М.: Гл. ред. физ. мат. Лит., 1986 – 560 с.).
4. Литасов К.Д., Шацкий А.Ф. - Современные представления о составе ядра Земли. Геология и геофизика. 2016. №1.
5. Терез Э.И., Терез И.Э. - Реакция синтеза – основной источник внутренней энергии Земли. Вестник Российской академии наук. – 2015. – Т. 85, №3.- 240 – 246.
6. Тимофеева Л.А., Перепелкин Н.Г. - Теория образования космических тел: экзопланет, астероидов и кратных звёзд. Сайт "Знания-сила" znaniya-sila.narod.ru/live/formation-of-cosmic-bodies.htm

к началу статьи

© на интернет-публикацию Владимир Каланов,
сайт "Знания-сила"
Подготовка к публикации: Владимир Каланов.