К центру земли

С. Владимиров

Сейчас кажется совершенно фан­тастической мысль о том, чтобы исследовать химический состав вещества Земли на глубине, в сотни раз превышающей ту, на которую проникают самые глубо­кие скважины. Ведь в лаборато­риях никогда не изучалось да­же малейших количеств глубин­ного вещества. Ничего не может сказать о его составе и мо­гучий метод исследования хи­мии звезд — спектральный ана­лиз: ни световые, ни радиоволны не проникают на земную поверх­ность с таких глубин. Даже лава вулканов ничего здесь не подскажет, так как и она изли­вается со значительно меньшей глубины — всего несколько десят­ков километров... В грубом приближении можно считать, что Земля находится в состоянии равновесия. Это зна­чит, что весу верхних слоев про­тивостоит давление снизу. Чем глубже, тем больше давление и выше температура земных глу­бин. На каждый квадратный сантиметр вещества вблизи цент­ра давит сила в тысячи тонн. На­сколько же уплотнится вещество при столь необычных для земной поверхности условиях? На это ответить сравнительно просто, так как по скорости распростра­нения сейсмических волн можно судить о плотности среды, через которую они проходят. Сейсмо­графы рассказали о том, что Земля состоит из тяжелого ме­таллического ядра и более лег­кой мантии. Но каков химиче­ский состав земных глубин, было неясно. Извлечь для анализа глубинное вещество пока невоз­можно. Однако мы можем подо­брать такую смесь «поверхност­ных» веществ, которая при очень больших давлениях будет обла­дать такой же плотностью, как и глубинное вещество. Решить эту задачу было бы просто, если бы в нашем распоряжении были достаточно большие давления. Наступление на область высоких давлений начал известный аме­риканский ученый Бриджмен, создававший длительные, стати­ческие давления при помощи прессов. Прессы, которыми пользовались он и другие исследо­ватели, становились все более могучими и громоздкими. Основ­ное препятствие — это теку­честь, пластичность любого ма­териала при очень высоких дав­лениях: даже прочнейшая сталь не может «держать» 100 тыс. атм. Пришлось перейти к многосту­пенчатым системам, создавая внешнее давление, хотя бы ча­стично компенсирующее то, ко­торое изнутри распирает сталь­ной сосуд.

При помощи этих и еще более сложных приемов академику Л. Ф. Верещагину со своими со­трудниками удалось достигнуть давлений около 500 тыс. атм! Десятки лет упорной работы стоят за этим рекордом. А чтобы получить 1 млн. атм, могут по­надобиться десятилетия. Если так трудно получать ста­тические сверхвысокие давле­ния, то нельзя ли создавать их хотя бы на очень короткое вре­мя? На миллионные доли секун­ды? Этого времени, как оно ни мало, достаточно, чтобы с по­мощью современной физики исследовать состав и состояние вещества. Именно этот путь был выбран советским ученым, док­тором физико-математических наук Л. В. Альтшулером и его сотрудниками. В течение не­скольких лет, ставя один рекорд за другим, им удалось создать давления до 10 млн. атм и изме­рить плотность веществ при этих давлениях.

Вот один из способов получения сверхвысоких давлений. Взры­вается сильный заряд. На пути расширения продуктов взрыва помещается. стальная пластинка-ударник. Давлением газов ей сообщаются скорости от 6 до 14 км/сек. Пролетев всего не­сколько сантиметров, пластинка с огромной силой ударяет в ис­пытуемый образец. При столкно­вении развиваются чудовищные давления, которые затем «волно­образно» распространяются в «теле» образца. Тут-то и произ­водятся интересующие физиков измерения. Итак, в лаборатории можно полу­чить давления, не только равные

тем, которые существуют в зем­ных глубинах, но и превосходя­щие их. Изменение плотности земных слоев с глубиной нам из­вестно. Значит, нужно подобрать такие вещества или смеси ве­ществ, которые давали бы такую же зависимость плотности от давления, и мы узнаем о составе глубинного вещества Земли. По ряду соображений предпола­галось, что нижний слой мантии (мантия — слой земли, находя­щийся между ядром и земной корой) состоит из окиси магния (минерал периклаз) и окиси си­лиция (кварц). Однако расчеты показали, что плотность кварца недостаточна для объяснения ря­да явлений. Это противоречие было разрешено, когда советские ученые открыли, что при боль­шом давлении обыкновенный кварц превращается в более плотный минерал. По имени от­крывателей (Стишов, Попова, Ве­рещагин) этот минерал был на­зван стиповеритом.

2009