Айзек Азимов - Вид с высоты
14. Рецепт приготовления планеты
Американские ученые (и, я полагаю, независимо от них советские ученые) готовятся к тому, чтобы пробурить земную кору и добраться до слоя, который лежит под ней.
Осуществление проекта «Мохол» (тем, кто еще не знает значения этого слова, я объясню его позже) в случае успеха даст нам первые прямые данные не только о тоненькой корочке, покрывающей нашу планету, но и о ее недрах. Событие это волнует по нескольким причинам, и в первую очередь потому, что оно спасет от гипертонии многих геологов: уже не первый год они наблюдают, как другие готовятся улететь на миллионы километров в космос, а сами даже в верхний слой Земли могут проникнуть всего на несколько километров. Конечно, им довольно досадно, что образец с поверхности Марса попадет в руки человека раньше, чем образец породы, взятой из недр родной планеты.
И все же не стоит смотреть на это мрачно. Удивительно совсем не то, что мы совершенно бессильны перед несколькими тысячами километров непроницаемой тверди. Удивительно то, что, будучи бессильными, мы все же сумели собрать столько сведений о недрах Земли.
Разумеется, имеются и такие области нашей планеты, которые мы можем рассматривать, ощупывать и анализировать при помощи различных приборов. С тех пор как Лавуазье положил начало современной химии, особенных препятствий при анализе состава атмосферы и океанов (гидросферы) не возникало. Наша атмосфера является в основном смесью азота, кислорода и аргона в пропорции приблизительно 78 : 21 : 1, а океаны и моря состоят в основном из 3-процентного водного раствора хлористого натрия с незначительными примесями.
Кроме того, нам доступна самая верхняя часть твердой оболочки нашей планеты (литосфера). Однако в связи с этим возникает новая проблема. Атмосфера и гидросфера однородны (гомогенны), и, чтобы знать их состав в целом, достаточно проанализировать небольшую их часть. А вот твердая оболочка Земли неоднородна (гетерогенна). Именно поэтому в Кимберли есть алмазы, в Клондайке — золото, а за моим домом нет ничего, кроме мусора и бурьяна.
Значит, для того чтобы узнать весь состав почв и горных пород, надо проанализировать их образцы, взятые в самых различных местах Земли, и после изучения вывести нечто среднее: столько-то имеется такого вида горных пород, а столько-то — такого. Различные геологи уже провели эту работу, и полученные ими результаты довольно точно совпали.
Здесь приведены наиболее распространенные в земной коре элементы в порядке уменьшения их процентного содержания (по весу):
Кислород … 46,60
Кремний … 27,72
Алюминий … 8,13
Железо … 5,00
Кальций … 3,63
Натрий … 2,83
Калий … 2,59
Магний … 2,09
На долю 8 элементов приходится более 98,5 % веса самого верхнего слоя Земли. Остальные восемьдесят с чем-то элементов могут считаться незначительными примесями (разумеется, очень важными в некоторых случаях, так как среди них и такие элементы, как углерод, водород, азот и фосфор, без которых невозможна жизнь).
Надо сказать, что ни один из перечисленных элементов в свободном виде не встречается; все они находятся в соединениях… друг с другом, разумеется, так как соединяться им больше почти не с чем. Наиболее часто встречается двуокись кремния, или кремнезем, — соединение кремния с кислородом (эти элементы вместе составляют 3/4 веса внешнего слоя Земли). Примером сравнительно чистого кремнезема служит кварц, менее чистого — кремень. Песок — это кремнезем, подвергшийся различным атмосферным воздействиям. В сочетании с 6 другими перечисленными элементами (все они металлы) кремний и кислород образуют силикаты.
Короче говоря, доступная нам твердая часть Земли может считаться смесью кремнезема и силикатов.
* * *
Картина распределения элементов в земной коре представляется довольно однобокой, но оказывается, что при подсчете распределения элементов по весу, как это сделано в приведенном перечне, мы еще несколько скрыли эту однобокость. А теперь подсчитаем состав земной коры не по весу, а по числу атомов.
Из 8 главных элементов самый легкий атом, оказывается, у кислорода. Это значит, что если взять какой-нибудь объем кислорода определенного веса, то в нем будет в 1,75 раза больше атомов, чем в образце кремния такого же веса, в 2,5 раза больше, чем в образце калия, в 3,5 раза больше, чем в образце железа.
И если сделать расчет по числу атомов, то окажется, что из каждых 100 атомов земной коры 62,5 принадлежат кислороду. Другими словами, во взятой пригоршне земли каждые 5 из 8 атомов будут атомами кислорода.
Как видите, картина получается еще более однобокая. Вступая в соединения с кремнием и 6 основными металлами, атом кислорода принимает электроны, которые дарят ему атомы всех остальных элементов. Когда атом принимает электроны, то эти дополнительные электроны попадают на орбиты (я не придерживаюсь строгой терминологии) на самых окраинах атома и вращаются далеко от ядра, которое удерживает их довольно слабо. Так как радиус аниона (атома, приобретшего несколько лишних электронов) возрастает до самой дальней электронной орбиты, то кислородный анион становится больше самого атома кислорода.
С другой стороны, элемент, уступивший 1–2 электрона, пожертвовал самыми далекими от ядра и наименее прочно удерживаемыми электронами. Оставшиеся электроны теснятся сравнительно близко к ядру, и радиус такого катиона (атома, потерявшего несколько электронов) меньше радиуса атома в его первоначальном виде.
В результате анион кислорода имеет радиус 1,40 ангстрема (один ангстрем равен одной стомиллионной сантиметра), катион кремния — 0,42 ангстрема и катион железа — 0,74 ангстрема; в то же время катионы и кремния, и железа значительно тяжелее сравнительно легкого аниона кислорода.
Объем любого шара пропорционален кубу его радиуса, и поэтому различие в радиусах ионов сказывается на их объемах. Например, объем аниона кислорода равен примерно 11,5 кубического ангстрема, объем катиона железа — только 2,1 кубического ангстрема, а объем катиона кремния — только 0,4 кубического ангстрема.
И вот оказывается, что, имея такое большое число атомов и большой объем отдельных анионов, кислород захватил 93,77 % всего объема земной коры. Твердая земля, по которой мы ходим, — это не что иное, как хорошо уложенный набор тесно прижавшихся друг к другу анионов кислорода, а в щелочках, образовавшихся между ними, там и сям втиснуты маленькие катионы других 7 элементов. Гибралтарская скала — это всего лишь груда кислорода с небольшими добавками.
Разумеется, все эти сведения касаются только тех частей литосферы, которые мы можем поскрести, размельчить и подвергнуть исследованиям. А как же быть с теми частями, до которых мы не можем добраться? В поисках золота человечество раскопало земную кору на глубину 5 километров; разыскивая нефть, оно углубилось еще на несколько километров, но все это для Земли не больше чем булавочные уколы. Наши знания о Земле пока ограничиваются ее поверхностью, и возможно, так будет еще долго.
Лентяй решил бы эту проблему просто. Он предположил бы, что поверхность земной коры точно представляет то, что скрывается в недрах Земли, и вся планета от самых глубин и до верхних слоев такая же, как и ее поверхность.
Однако тех, кто ищет простые ответы, ждет разочарование. Даже на поверхности нашей планеты картина не такова. Если бы вся Земля была так богата ураном и торием, как земная кора, то от теплоты, выделяемой при радиоактивном распаде, наша планета расплавилась бы. Земля тверда, и уже одно это показывает, что запасы урана и тория на небольшом расстоянии от «кожи» Земли иссякают, то есть хотя бы в этом состав земных недр с глубиной меняется.
Кроме того, в массивах материков преобладает гранит, а дно океанов, по-видимому, состоит из базальта. Гранит богаче алюминием и беднее магнием, чем базальт, и поэтому некоторые геологи считают, что земная кора состоит из сравнительно легких континентальных массивов, богатых кремнекислым алюминием (силикатом алюминия, сокращенно сиаль) и плавающих на сравнительно тяжелом основании, в свою очередь богатом кремнекислым магнием (силикатом магния, сокращенно сима), а земной запас воды заполняет промежутки между массивами сиаля.
Может быть, я нарисовал слишком упрощенную картину, но все же она дает представление о том, что состав Земли с глубиной изменяется. До сих пор дело касалось только металлов. В том, что я изложил выше, нет ничего умаляющего достоинства кремния и кислорода с точки зрения их господства. Что бы там ни изменялось в частностях, Земля, в сущности, остается силикатным шаром, или, другими словами, огромным каменным глобусом.
Первые точные сведения о недрах Земли были получены только в 1798 году, когда Генри Кавендиш впервые определил массу земного шара. Объем Земли был известен еще во времена древних греков. Разделив массу, определенную Кавендишем, на объем, мы получим среднюю плотность Земли, которая равна 5,52 грамма на кубический сантиметр. Но ведь плотность земной коры равна примерно 2,8 грамма на кубический сантиметр, а это значит, что с глубиной плотность повышается. И в самом деле, плотность ее глубинных недр должна быть куда больше, чем 5,52 грамма на кубический сантиметр, чтобы компенсировать меньшую, чем средняя, плотность поверхностных слоев.
