Почему Земля внутри горячая?
Давно известно: недра Земли значительно горячее, чем её поверхность, подтверждение тому — горячие источники и лавовые извержения вулканов. Но насколько горячее и почему? Какова температура в центре Земли? Сейчас геофизики знают, что магматические очаги, из которых изливается лава, имеющая максимальную температуру 1200—1250°С, находятся на глубине около 100 км. Значит, там температура примерно 1500°С. При более высоких температурах породы, слагающие земную мантию, были бы полностью расплавлены, что противоречило бы измеренной скорости прохождения через эту область поперечных сейсмических волн от землетрясений.
Реально увеличение температуры с глубиной было измерено при бурении шахт, наибольшая глубина которых достигает 4000 м, а температура на дне — 66°С. Максимальной глубины 12 262 м достигла Кольская экспериментальная сверхглубокая скважина (СГ-3), которую пробурили в СССР в 1970—1991 годах. Там температура составила 220°С.
В центр Земли учёные заглянуть не могут, но тем не менее они сумели многое узнать о физических условиях в этой области. Измерив прохождение через неё сейсмических волн от землетрясений, геофизики выяснили, что ядро Земли, которое назвали внутренним, — твёрдое, а вокруг него располагается расплавленное жидкое внешнее ядро. Имеющиеся к настоящему времени сведения о Солнечной системе и формировании планет позволили сделать вывод о том, что ядро состоит в основном из железа (около 80%) и никеля (около 20%) и находится под чудовищным давлением — примерно в 3 300 000 атмосфер! (Одна атмосфера — это давление воздуха на поверхности Земли на уровне моря.) Исследовав в лаборатории, как ведут себя эти металлы при подобном давлении, геофизики вычислили температуру ядра. По разным оценкам, её максимальное значение может быть от 5000 до 6500°С, что сопоставимо и даже превосходит температуру на поверхности Солнца.
С чем же связан такой сильный разогрев земных недр? Может быть, это тепло сохранилось со времени рождения планеты? Нет, без постоянной подпитки со стороны каких-то источников энергии оно бы быстро закончилось. В 1862 году английский физик Уильям Томсон, будущий лорд Кельвин, оценил возраст Земли, предположив, что она родилась расплавленной и затем просто остывала. Он получил всего 98 миллионов лет, что очень сильно противоречит принятому сейчас возрасту — 4,5 млрд лет.
Возможно, Землю греет излучение Солнца? Действительно, наша планета получает от него огромное количество энергии. До её поверхности добирается примерно 173 000 тераватт (1 ТВт = 1012 Вт). Всего за один час Солнце даёт Земле больше энергии, чем всё человечество потребляет за год. Благодаря этому на Земле существует климат, делающий возможной жизнь, и происходит множество процессов в океане, атмосфере и биосфере. Однако в недра Земли эта энергия практически не попадает, поскольку теплопроводность пород земной коры плохая. В результате солнечное тепло проникает на глубину не более 30 м. Именно поэтому на Земле существуют огромные территории, покрытые вечной мерзлотой. Так что под поверхностью главенствующую роль играет внутренняя теплота.
В последние десятилетия исследователям удалось достаточно точно измерить тепловой поток, идущий из недр Земли. По данным 2010 года, основанным более чем на 38 000 измерений, его мощность в среднем 47 тераватт, что эквивалентно работе 50 тысяч атомных электростанций. В лучшем случае лишь 40% этой величины можно объяснить остыванием планеты, значит, остальное приходится на постоянно действующие внутренние источники тепла. Этот поток составляет всего 0,03% от солнечного, но именно он определяет происходящее в недрах планеты.
Какие же процессы способны разогреть Землю? Сразу надо сказать, что источник энергии звёзд — термоядерные реакции — в их число не входит. Даже самая гигантская планета Солнечной системы — Юпитер — не обладает достаточной массой, чтобы благодаря гравитационному сжатию давление и температура в её центре достигли значений, достаточных для зажигания термояда. Для этого требуется масса, по крайней мере, раз в пятьдесят больше.
Что касается других источников тепла, то их относительный вклад существенно менялся в ходе эволюции Земли. Первичный разогрев связан с процессом аккреции, благодаря которому и возникли планеты. Он начался примерно 4,57 млрд лет назад и заключался в гравитационном падении пыли и всё более крупных объектов на массивное центральное тело. При этом сначала образовывались планетезимали размером от метров до сотен километров, в которых все вещества были перемешаны. По сути, это астероиды. Затем аккреция собирала уже сами планетезимали в более крупные образования. При ударах этих тел о поверхность будущей Земли выделялось большое количество теплоты, причём чем больше становились наша планета и её притяжение, тем сильнее увеличивались скорость падающих тел и выделяющееся тепло. Когда растущая Земля достигла размера современного Марса (10% массы Земли), тепла уже стало достаточно для плавления окружающих место падения пород. К этому ещё добавилось тепло от радиоактивного распада накопившихся короткоживущих элементов и гравитационного сжатия планеты.