11. Химический состав Земли

Химический состав коры изучается непосредственно, информацию о составе недр Земли получают опять же с помощью сейсмических волн. Как? По зависимости (r), а также упругих свойств среды от радиуса подбираются вещества, с помощью которых можно было бы объяснить эти зависимости. Разумеется, задача определения химического состава вещества по плотности и упругости неоднозначна, т.к. имеется много веществ с одинаковой плотностью и одинаковыми упругими свойствами. Для того чтобы сузить класс возможных решений, необходимо привлекать различные дополнительные соображения, в частности, соображение о дифференциации элементов в земных недрах. Так, например, было замечено, что если расплавить руду в доменной печи, то вещества, содержащие железо и элементы, стремящиеся с ним объединиться, опускаются вниз, а элементы, имеющие сродство с кислородом, поднимаются вверх.

Многочисленные исследования дали следующие результаты. Кора состоит главным образом из окислов кремния и алюминия. Мантия - примерно на 35% из железа, на 30% из кислорода, на 13% из магния, на 5% из кремния. Ядро, вероятно, состоит из железа. В таблице 2 приведено относительное содержание некоторых элементов на Земле и на Солнце.

Таблица 2

Элемент	lg N (N-число атомов, NSi = 10^3)
	Земля	Солнце
	6.0	6.0
	5.0	4.9
	6.0	6.0
	5.7	5.7
	6.0	6.1

Что видно из таблицы? В основном относительное содержание химических элементов на Земле и на Солнце примерно одинаковое. Следовательно? Земля и Солнце сформировались из одной туманности. Однако есть и резкие различия. Так, исследования показали, что на Земле очень мало водорода и гелия, тогда как Солнце на 70% состоит из водорода и на 29% из гелия (см. §15). Есть отличия и по некоторым другим элементам. Надо сказать, что химический состав Солнца близок к средней космической распространенности элементов во Вселенной. Следовательно, химический состав планет земной группы резко отличается от среднего обилия элементов в космосе. Как это объяснить?

Внутреннее строение планет земной группы может отличаться от Земли, скажем, протяженностью той или иной фазы или даже ее отсутствием. Но в общих чертах оно похоже на строение Земли.

12. Возраст Земли

Возраст Земли  это очень важный параметр. Знание его позволяет, в частности, сделать выбор между различными моделями эволюции Вселенной.

Но как установить возраст Земли? Идея его определения основана на явлении радиоактивного распада. Вкратце суть метода такова. Согласно закону радиоактивного распада

, (2.1)

где N(t)  количество радиоактивного элемента в момент времени t. N₀  то же самое в момент образования этого элемента t₀ , T_1/2  период полураспада. Если определить каким-то способом N₀, то, зная N(t) на сегодняшний день, из приведенной формулы можно вычислить промежуток времени , прошедший от момента образования исходного радиоактивного элемента, до сегодняшнего момента времени t. Этот промежуток и принимается за возраст Земли. Очевидно, в качестве "хронометра" следует взять элементы, имевшие достаточно большой период полураспада. Подходящими являются торий Th²³² (T_1/2  1.410¹⁰ лет), изотопы урана U²³⁸ (T_1/2  4.510⁹ лет) и U²³⁵ (T_1/2  710⁸ лет) и некоторые другие.

Основные неточности метода связаны с нахождением величины N₀. Как ее определить? В принципе это можно сделать так. Очевидно:

(2.2)

где N_p - количество распавшихся атомов. N_p можно найти, исследуя количество конечных продуктов в цепочке радиоактивного распада. Так, например, конечным продуктом распада тория Th²³² является свинец Pb²⁰⁸. Определив в данном образце количество свинца, можно оценить, сколько должно было бы распасться атомов тория, т.е. N_p. При этом, вообще говоря, неясным остается вопрос: весь ли свинец произошел в результате радиоактивного распада тория, или часть его имеет первичное происхождение, т.е. образовалась вместе с торием? Далее, в процессе плавления пород торий и свинец могли пространственно разделиться, и это также вносит дополнительные неопределенности.

Исследования, выполненные в этой схеме, дают оценку возраста коры Земли порядка 3.74.210⁹ лет. В свете сказанного выше это нижняя оценка возраста. Метеориты и Луна не подвергались плавлению. Возраст метеоритов и образцов пород, доставленных с Луны, порядка 4.510⁹ лет.

Возраст метеоритов можно оценить, изучая также относительные обилия различных радиоактивных изотопов. Так, количество U²³⁸ в 140 раз больше U²³⁵. Если предположить, что в силу близости атомных весов этих изотопов в момент образования их количество было одинаково, то с помощью закона радиоактивного распада получим оценку порядка 610⁹ лет. Эта величина совпадает с возрастом Солнца, найденным методом эволюционных треков (см. § 33).

В § 63 будет показано, что основной механизм образования тяжелых элементов  это взаимодействие сверхновой звезды с протосолнечной туманностью. Взрыв близкой сверхновой послужил также толчком к образованию Солнечной системы. Поэтому последняя оценка  это, строго говоря, оценка не возраста Земли, а промежутка времени, прошедшего с момента образования радиоактивных элементов, т.е. возраста Солнечной системы. Возраст Земли, естественно, должен быть меньше. Он принимается порядка 4.5 млрд. лет.