6 фактов о структурах планет, проблемах их исследования и нерешенных загадках

Изучение вещества планетных недр является исключительно важным для того, чтобы понять, как эти планеты развиваются, как они устроены и как функционируют. Корни таких явлений, как землетрясения, вулканизм, континентальный дрейф, то, что мы называем тектоникой плит, находятся в недрах нашей планеты. Без понимания того, из чего состоит наша планета, мы никогда не поймем эти явления. К списку также можно и нужно отнести существование земного магнитного поля, без магнитного поля на Земле невозможна жизнь. Оно производится земным ядром – наиболее удаленной от нас оболочкой Земли. Не поймем ядро Земли – никогда не поймем магнитное поле, а если не поймем конвекцию вещества мантии Земли, то не сможем понять природу землетрясений, вулканизма и тектоники плит.

1. О проблемах изучения

Трудность в том, что напрямую исследовать вещество планетных недр мы не можем и, скорее всего, не сможем никогда. Самая глубокая скважина, которую пробурили люди за всю историю, чуть больше 12 километров. Пробурена она была в Советском Союзе на Кольском полуострове. Это был сверхдорогой проект. Американцы пытались конкурировать, добурили где-то до пяти-шести километров и сдались: у них банально кончились деньги. В Советском Союзе деньги не кончались до перестройки, но даже там добурили лишь до 12 километров. А радиус Земли – 6370 километров. То есть это как комариный укус на поверхности арбуза. Нет никакой надежды, что мы когда-нибудь сможем напрямую бурить вглубь мантии и уж тем более ядра Земли. Поэтому приходится довольствоваться непрямыми методами, такими как геофизические методы, основанные на сейсмологии, которая изучает распространение упругих волн в недрах Земли. Но и это не дает прямую информацию о составе вещества, а только о некоторых его свойствах. Мы знаем, какова плотность вещества, с какой скоростью распространяются упругие постоянные, но что из себя представляет это вещество, каков его химический состав, кристаллическая структура, каково его химическое поведение – на это сейсмология точного ответа не дает и никогда не даст. Меньше известно о веществе других планет в нашей Солнечной системе и еще меньше известно об экзопланетах – о планетах за пределами Солнечной системы.

2. О ядре Земли

В этих условиях огромную помощь оказывает изучение вещества, которое, как мы подозреваем, может играть важную роль в недрах планет. Например, есть достаточно много непрямых свидетельств того, что ядро Земли состоит из железа с примесью различных элементов. Определить, какие именно эти элементы, пытаются сейчас многие группы, в том числе и моя. Мы пытаемся понять, какие дополнительные элементы присутствуют в ядре и в каких количествах, какая кристаллическая структура у железа с этими примесями в условиях ядра. Известно, например, что скорости упругих волн во внутреннем кристаллическом ядре Земли совершенно различны в полярном и перпендикулярном направлениях. С чем это связано, пока непонятно. Есть также другая загадка внутреннего ядра Земли: дело в том, что оно сферическое по форме, но в этой сфере есть два полушария, которые резко отличаются по своим свойствам. С чем это связано, до сих пор неизвестно. Также внутри внутреннего ядра есть «наиболее внутреннее» ядро, то есть какая-то сейсмическая граница, которая разделяет две оболочки внутреннего ядра. Почему — непонятно. Какова температура ядра Земли? В первом приближении она может быть определена, если мы сможем определить температуру плавления железа под давлением. И такого рода исследования проводятся как теоретиками, так и экспериментаторами: сейчас наилучшие оценки температуры в самом центре Земли равны порядка шести тысяч градусов Кельвина. Но какова кристаллическая структура и каковы свойства вещества ядра Земли, до сих пор известно очень плохо.

3. О мантии Земли

Огромным сюрпризом стало открытие в 2004 году новой минеральной фазы, объясняющей необычные свойства вещества, которые давно фиксировались на границе ядра и мантии Земли. Это сделали две группы: мы и одна японская группа. Еще с 1940-х годов было известно, что на границе ядра и мантии Земли есть некий слой под кодовым названием D" У этого слоя масса загадочных свойств, в частности он местами отсутствует, то есть как бы имеет нулевую толщину, а местами его толщина достигает трехсот километров. То есть это будто горы, растущие на границе ядра и мантии и имеющие высоту в 300 километров. И вот эта граница слоя D" соответствует разрыву в свойствах, то есть свойства ”под горой”, ”над горой” резко различаются, там сейсмический разрыв. Скорости распространения сейсмических волн, упругих волн параллельно границе D" и перпендикулярно ей также резко различаются. С чем это связано, было тоже непонятно. Было много разных гипотез, но все они неудовлетворительные. Однако оказалось, что все эти наблюдения легко объяснить свойствами новой фазы, которая была открыта всего лишь в 2004-м году. Оказывается, что эта граница, слой D" соответствует области устойчивости этой новой фазы, которую мы назвали «постперовскит». И по мере охлаждения Земли эта фаза становится все более и более устойчивой, и таким образом можно ожидать, что слой D" со временем растет. Возможно, в ранней истории Земли его даже не было, но по мере охлаждения Земли он вырос и продолжает расти. Этот слой D" имеет максимальную толщину в холодных областях мантии Земли, в наиболее горячих областях мантии Земли толщина этого слоя равна нулю, то есть он отсутствует.

4. О Сатурне и Юпитере

Еще очень интересные открытия регулярно совершаются в области изучения вещества других планет. Например, известно, что такая планета, как Сатурн, излучает гораздо больше тепла, чем получает от Солнца. Обычно считается, что планеты переизлучают тепло, которое получают от Солнца, что они светят отраженным светом. Но на самом деле это не совсем так. Есть целый ряд планет, которые излучают больше, чем получают; одна из таких планет – Сатурн. Чуть-чуть больше излучает, чем получает и Юпитер. Но у Сатурна это неравенство достаточно заметно. С чем это связано? Недавние исследования позволили установить, что это связано с металлизацией водорода. Планета Сатурн состоит из смеси водорода и гелия. Водород при высоких давлениях металлизуется; уже не одно десятилетие ученые пытаются получить в лаборатории «металлический водород». Сатурн в значительной степени состоит из этого «металлического водорода», Юпитер тоже. Кстати, благодаря «металлическому водороду» эти планеты имеют сильные магнитные поля. Но не потому, что водород магнитный – он не магнитный, – а потому, что он конвектирует, и конвекция металлической жидкости приводит к тому, что возникает магнитное поле, даже более сильное, чем на Земле. Водород под давлением металлизуется, а гелий нет, и тогда водород и гелий начинают разделяться. В верхних оболочках Сатурна и Юпитера между ними существует полная смесимость, но в нижних оболочках благодаря тому, что водород металлизуется, а гелий нет, водород и гелий разделяются. И гелий образует капельки, которые, будучи более плотными, падают (напомним, что Сатурн — жидкая планета). Падают в толще этой гигантской планеты, в ее гигантском поле тяжести. И эта энергия падения через трение преобразуется в теплоту. Эта теплота излучается в окружающую среду, объясняя тепловой парадокс Сатурна.

5. О Нептуне

Еще более интересный тепловой парадокс существует на планете Нептун. Если Сатурн и Юпитер состоят из смеси водорода и гелия, то Нептун и Уран состоят из смеси воды, метана и аммиака. С чем же связан тепловой парадокс на Нептуне? Нептун излучает вдвое превышающее количество тепла по сравнению с тем, что он получает от Солнца. Это огромный дисбаланс. То есть внутри Нептуна должен быть какой-то очень мощный источник энергии. Кстати говоря, какую-то энергию производит ведь и наша Земля: она больше теряет, чем производит, но производит она тоже довольно много путем радиоактивного распада урана, тория и радиоактивного изотопа калия (калий-40). Но все эти элементы практически полностью отсутствуют на Нептуне так же, как они полностью отсутствуют на Сатурне или на Юпитере. Так что же происходит на Нептуне? Было установлено, что на Нептуне происходит очень интересное превращение. Один из основных компонентов Нептуна – метан – разлагается под высокими давлением и температурой. Вспомним: Нептун состоит из смеси воды (примерно 56 моль%), метана (примерно 33 моль%), и оставшиеся несколько процентов – это аммиак. Метан составляет треть от вещества Нептуна. И была гипотеза, которую доказали, в частности, расчеты моей группы, что при высоких давлениях и температурах метан разлагается поначалу с образованием более высоких углеводородов, таких как этан и бутан, а затем алмаза и водорода. Планета Нептун так же, как и Юпитер, Сатурн и Уран, жидкая. И состоит она из этих достаточно малоплотных веществ: H2O, CH4, NH3. Так вот, алмаз – он достаточно плотный. И алмаз в поле тяготения Нептуна будет падать; он будет твердым, поскольку у алмаза очень высокая температура плавления. И представьте, какое огромное количество алмаза будет получаться при разложении метана (все-таки треть планеты – это метан). Это огромная масса алмаза, который будет падать в толще жидкой планеты, переводя гравитационную энергию в тепловую. И это оказывается самым экзотическим способом производства тепла в Солнечной Системе, а может быть, и во всей Вселенной. Преобразование энергии падающих миллионов тонн алмаза в тепловую. Достаточно экзотическая гипотеза, которая подтверждается расчетами, и даже есть некоторые экспериментальные данные.

6. Об алмазных планетах

В 2010-м году, вскоре после публикации нашей статьи, пришло неожиданное подтверждение. Астрономы открыли алмазную планету. Вскоре после этого была открыта и вторая алмазная планета. Представьте себе: планета, целиком состоящая из алмаза. Чтобы быть более точными, надо сказать, что на поверхности, конечно, графит, потому что при низких давлениях в условиях поверхности графит более устойчив, но уже на небольшой глубине это будет целиковый алмаз. Как могла образоваться такая планета? Механизмов несколько, но один из них – самый простой, пожалуй – это если вы представите себе, что планета типа Нептуна, имеющая, как мы сейчас думаем, алмазное ядро и оболочку, состоящую из этих малоплотных, легкоудаляемых газов типа H2O, CH4 и NH3, меняет свою орбиту – а планеты регулярно меняют свои орбиты под разного рода внешними действиями – и приближается к своей звезде, к своему Солнцу на более близкие расстояния. И на этих расстояниях температура выше, и под действием звезды эти легкоплавкие газы H2O, CH4, NH3 сдуваются, обнажая алмазное ядро. Этот простой способ создания алмазной планеты может служить непрямым, но очень интересным подтверждением существующей гипотезы о процессах, происходящих в недрах Нептуна.

Загадок остается очень много. В частности, есть планета Уран, которая по многим своим характеристикам похожа на Нептун, но у нее нет этой тепловой аномалии. В чем дело – нам только предстоит разобраться. Изучение планет, изучение вещества, недр планет является задачей увлекательнейшей, является задачей важнейшей, но в то же время сложнейшей. Мой учитель академик Пущаровский нередко отмечает, что это задача более сложная, чем изучение удаленных от нас звезд. Изучение недр даже нашей Земли более сложная и более, может быть, практически и фундаментально важная задача, чем изучение удаленных от нас звезд.

Артем Оганов

Habilitation in Crystallography, PhD in Crystallography, Full Professor, State University of New York at Stony Brook