В чем заключается смысл представлений В.Н.Ларина о изначально гидридной Земле?

Указанные выше затруднения по «нахождению» источника генерирования аномального тепла на уровне ядра планеты при его преимущественно металлическом составе и обеспечения восходящего потока этого тепла к поверхности планеты легко разрешимы с позиции оригинальной геохимической модели В.Н.Ларина, озаглавленной им как гипотеза «изначально гидридной Земли». Так, В.Н.Ларин предлагает оригинальный вещественный состав земных оболочек, резко отличающийся от их состава согласно априорным суждениям (таблица 1).

Геохимическая модель Земли по В.Н.Ларину

Таблица 1

При построении своей модели В.Н.Ларин исходил из следующих главных предпосылок: 1) дефицит или, наоборот, повышение концентрации в составе нашей планеты тех или иных химических элементов по сравнению с их концентрацией в исходном протовеществе является результатом их магнитной сеперации под воздействием магнитного поля Протосолнца из-за разных потенциалов ионизации; 2) «…изначальный состав Земли, по всей вероятности, был представлен водородистыми соединениями (гидридами), при этом весовая доля водорода в общей массе планеты составляла всего лишь несколько процентов»; 3) водород сыграл исключительную роль в образовании ядра планеты как связывающее звено металлов (гидриды), тогда как первичная мантия состояла, вероятно, из «смеси» металлов и неметаллических элементов, присущих сегодняшней Земле; 4) значение кислорода в образовании первичной мантии не было решающим, следовательно, практически общепринятое на сегодня представление о силикатно-окисном составе первичной мантии ошибочно.

На основании перечисленных выше предпосылок В.Н.Ларин приходит к двум основным выводам: 1) изначально гидридный состав ядра заведомо определил термодинамическую неустойчивость планеты, выражающуюся в ее нынешней эндогенной активности, поскольку процесс дегидридизации (высвобождение металлов внутреннего ядра от гидридной связи с образованием жидкого внешнего ядра) является экзотермическим процессом, высвобождающим огромное количество заложенного при изначальной гидридизации первичного ядра тепла; 2) сегодняшняя геофизическая модель Земли, предполагающая существование несколько отличающихся друг от друга по физическим параметрам геосфер, является результатом геологической (послеаккреционной) эволюции планеты из-за дегидридизации (разложение гидридов) ядра.

Перечисленные выше предпосылки и выводы В.Н.Ларина основаны на данных космохимии и геохимии и в общих чертах не противоречат физическим и химическим закономерностям. Данная гипотеза логически выверена, с ее позиции можно удовлетворительно ответить на многие все еще нерешенные вопросы теоретической геологии, в первую очередь на вопрос по нахождению вполне оптимального и «неисчерпаемого» источника внутреннего тепла, обеспечивающего эндогенную активность нашей планеты в течение последних 4 млрд. лет. При этом гипотезу В.Н.Ларина о «изначально гидридной Земле» необходимо рассматривать в контексте и во взаимной связи с процессом «гетерогенной аккумуляцией Земли» в понимании Г.В.Войткевича, допускающего изначальное расслоение Земли на сверхплотное ядро и умеренно плотную мантию. Таким образом, наша трактовка особенностей начального этапа становления Земли как планеты предполагает своеобразный «симбиоз» двух оригинальных идей, правда, с внесением в каждую из них ряда корректировок. Но, эти представления будут предметом обсуждения следующей лекции.

В чем заключается смысл представлений Г.В.Войткевича о хондритовой модели первичной Земли и гетерогенной аккумуляции планеты?

Согласно представлениям Г.В.Войткевича, по поводу формирования Земли можно допустить две возможности: «…либо Земля в результате радиогенного нагрева прошла стадию химической дифференциации с выделением масс жидкого железа в верхних горизонтах и оно вследствие своей тяжести прорвало в каком-то месте вязкие силикатные массы, спустившись к центру Земли в одном из полушарий, либо Земля в процессе своего формирования путем сгущения высокотемпературных конденсатов солнечного газа сначала аккумулировалась преимущественно из частиц (капелек) железа, которые сформировали ее внутреннюю часть, а завершение аккумуляции произошло за счет силикатных частиц, образовавших первичную мантию».

По мнению Г.В.Войткевича, первый вариант расслоения планеты на ядро и мантию менее вероятен, хотя возможность образования обособлений жидкого железа вблизи поверхности в одном из полушарий протопланеты и их «стекание» к центру Земли вполне серьезно обсуждается рядом ученых. Даже некоторые авторы предполагают, что местом «прорыва» гигантской «железной капли» в центр Земли может оказаться акватория Тихого океана. Второй вариант изначального расслоения первичного ядра и первичной мантии планеты Г.В.Войткевич считает более допустимым и называет этот процесс «гетерогенной аккумуляцией Земли». Такое представление в общих чертах согласуется с хондритовым составом Земли, поскольку в хондритовых метеоритах, отвечающих в целом материалу Солнечной системы и наиболее часто падающих на Землю (93 % падающих на Землю метеоритов имеют хондритовый состав и только 7 % – составляют две другие разновидности метеоритов – железокаменных и железных) присутствуют две главные группы минералов – преимущественно железоникелевый сплав и силикаты. Исходя из этих предпосылок, смысл гетерогенной аккумуляции преимущественно железного ядра и силикатов мантии Г.В.Войткевич объясняет следующим образом: благодаря сравнительно высокой плотности и теплопроводности металлический материал протовещества (хондрита) мог аккумулироваться из солнечной туманности раньше и, сливаясь в компактные массы, образовать ядро планеты, тогда как конденсация более инертных и менее плотных силикатных частиц (силикатов первичной мантии) и их оседание вокруг уже образовавшегося ядра происходила позднее.

Такое представление равносильно признанию независимости возникновения первоначального ядра и обволакивающей его мантии. Оно вроде бы довольно логично и просто объясняет природу и механизм главной аккреции Земли. Однако, «вещественное содержание» данной модели не исключает, вероятно, необходимости внесения в нее некоторой корректировки, необходимость которой опять-таки диктуется неизбежностью поиска материальной основы внутренней энергии планеты для поддержания ее послеаккреционной геологической активности. Дело в том, что описанный механизм главной аккреции Земли («гетерогенная аккумуляция Земли», по Г.В.Войткевичу) прост и логичен, хотя предполагаемая при этом хондритовая геохимическая модель планеты страдает одним существенным недостатком: «изначальное опускание» в глубь Земли металлов, прежде всего железа и никеля с небольшим количеством серы в виде минерала «троилита» (формула троилита – FeS) согласно хондритовой модели не может обеспечить, вероятно, будущую эндогенную активность Земли, выражающуюся в тектонической и магматической активности ее современных верхних оболочек, прежде всего тектоносферы. Другими словами, железо и никель в сверхплотной упаковке на уровне ядра, во-первых, сами по себе не могут «генерировать» аномальное количество тепла, а во-вторых, «обеспечить» восходящий поток этого аномального тепла к поверхности планеты согласно второму закону термодинамики (закону энтропии), поскольку эти металлы не могут «течь» вверх ни при каких температурах. Следовательно, для того, чтобы «материализовать» восходящий поток тепла из недр Земли к ее поверхности и при этом вызвать высокую тектоническую и магматическую активность ее литосферы, на уровне ядра должны присутствовать кроме железа и никеля еще какие-то более активные в термодинамическм отношении теплоемкие «агенты». Безусловно, причину термодинамической активности недр планеты можно приписать и мантийному уровню, однако расплавленное состояние современного внешнего ядра и наличие предполагаемой «динамомашины Булларда» именно на уровне ядра планеты все же дает возможность предположить высокую термодинамическую активность именно данной геосферы Земли.

В чем заключается смысл представлений Логунова о релятивистской теории гравитации, каковой может быть ее роль в обеспечении эндогенной активности планеты?

Релятивистская теория гравитации позволяет преодолеть трудности, с которыми столкнулась общая теория относительности. Новая теория основывается на фундаментальных законах сохранения материи и понятии гравитационного поля как физического поля типа Фарадея-Максвелла. Она объясняет все известные наблюдательные и экспериментальные данные о гравитации и дает новые представления о развитии Вселенной, гравитационном коллапсе, пространстве и времени.

В основу релятивистской теории гравитации (РТГ) положены следующие физические требования. В теории должны строго выполняться законы сохранения энергии-импульса и момента количества движения для вещества и гравитационного поля, вместе взятых. Под веществом понимаются все формы материи (включая и электромагнитное поле) за исключением гравитационной. Законы сохранения отражают общие динамические свойства материи и позволяют ввести единые характеристики для различных ее форм. Общие динамические свойства материи находят воплощение в структуре геометрии пространства-времени. Она с необходимостью оказывается псевдоевклидовой (иными словами, теория строится в пространстве Минковского). Таким образом, геометрия задается не соглашением, как считал Пуанкаре, а однозначно определяется законами сохранения. Пространство Минковского, как уже сказано, обладает четырехпараметрической группой трансляций и шестипараметрической группой вращений. Данное положение кардинальным образом отличает РТГ от общей теории относительности и полностью выводит нас из римановой геометрии. Гравитационное поле описывается симметрическим тензором и является реальным физическим полем, обладающим плотностью энергии и импульса. Если этому полю сопоставить частицы (кванты поля), то они должны иметь нулевую массу покоя, поскольку гравитационное взаимодействие дальнодействующее. При этом у реальных и виртуальных квантов гравитационного поля могут быть состояния со спинами 2 и 0.

Такое определение гравитационного поля возвращает ему физическую реальность, поскольку его уже даже локально нельзя уничтожить выбором системы отсчета, а следовательно, нет никакой (даже локальной) эквивалентности между гравитационным полем и силами инерции. Данное физическое требование в корне отличает РТГ от ОТО. Эйнштейн в ОТО отождествил гравитацию с метрическим тензором риманова пространства, но этот путь и привел к утрате понятия гравитационного поля как физического поля, а также к потере законов сохранения. Отказ от этого положения ОТО продиктован в первую очередь стремлением сохранить в теории гравитации эти фундаментальные физические понятия.

Система уравнений Максвелла для электромагнитного поля и уравнений РТГ. Их сходство является отражением одного из основных положений РТГ, согласно которому гравитационное поле рассматривается как физическое поле, обладающее плотностью энергии и импульса Вместо него в теорию вводится принцип геометризации, суть которого в следующем: взаимодействие гравитационного поля с веществом в силу своей универсальности описывается путем подключения тензора гравитационного поля Фik к метрическому тензору?ik пространства Минковского. Это всегда можно осуществить, поскольку какую бы форму материи мы ни избрали, в ее исходные физические уравнения войдет метрический тензор пространства Минковского. Иначе и не может быть, так как физические процессы протекают во времени и пространстве.

Согласно Эйнштейну движение вещества происходит в римановом пространстве-времени, а пространства Минковского в ОТО нет. Согласно же принципу геометризации вещество движется в пространстве Минковского под действием гравитационного поля. Такое движение действительно эквивалентно движению в некотором «эффективном» римановом пространстве. Гравитационное поле как бы изменяет геометрию остальных полей. Наличие пространства Минковского в РТГ позволяет рассматривать гравитационное поле как обычное физическое поле в духе Фарадея-Максвелла с его обычными свойствами носителя энергии-импульса.

Итак, релятивистская теория гравитации, построенная на основании законов сохранения и представлений о гравитационном поле как физическом поле, обладающем плотностью энергии-импульса, в соединении с принципами геометризации и локальной калибровочной инвариантности объясняет все известные наблюдательные и экспериментальные данные о гравитации и дает новые предсказания о развитии фридмановской Вселенной и гравитационном коллапсе.

РТГ Логунова базируется на следующих пяти положениях.
1. Пространство () Минковского есть фундаментальное пространство.

2. Гравитационное поле в указанном пространстве описывается симметричным тензором второго ранга и является реальным физическим полем, обладающим плотностью энергии-импульса, ненулевой массой покоя и спиновыми состояниями 2 и 0.

3. Движение вещества под действием гравитационного поля в пространстве с метрикой эквивалентно его движению в эффективном римановом пространстве с метрикой, определяемой (в силу универсальности гравитационных взаимодействий) «подключением» гравитационного поля к метрическому тензору по принципу геометризации.

4. Даётся способ определения плотности лагранжиана.

Согласно этой теории выясняется, что силы инерции и гравитации резко отличаются друг от друга и последняя, как всякое физическое поле, имеет свою постоянно действующую энергию-импульс.