История Земли

Другим важным энергетическим источником внутри Земли является тепло, выделяющееся при распаде радиоактивных элементов. Мощность этого источника оценить гораздо труднее, так как каких-либо прямых данных о концентрациях радиоактивных веществ в недрах Земли мы не имеем. Наибольшее внимание здесь следует уделить долгоживущим, т. е. имеющим большие периоды полураспада, радиоактивным изотопам U288, U235, Th232 и К40, о которых мы уже говорили выше при обсуждении изотопных методов определения абсолютного возраста минералов в горных породах.

Они относятся к литофильным химическим элементам, имеющим сродство с силикатами (т. е. способным замещать атомы в кристаллических решетках силикатов - легче всего в решетках с наименее плотной упаковкой атомов). Поэтому при дифференциации веществ внутри Земли эти изотопы должны накапливаться там, где образуются наибольшие концентрации силикатов (т. е. кремнекислоты SiO2), меньше всего их должно быть в ядре, лишь очень немного - в плотных ультраосновных породах мантии и больше всего- в сиале коры, особенно в кислых породах. И действительно, установлено возрастание концентрации урана, во-первых, от ультраосновных пород земной коры к основным и кислым (см. с. 8, 9) и, во-вторых, от более плотных минералов к менее плотным (оливин < ортопироксен < клинопироксен < шпинель < гранат).

Исходя из сведений о содержании радиоактивных изотопов в расплавах и кристаллах мантийного вещества, А. Масуда (1965 г.) получил следующие оценки мощности соответствующего тепловыделения в различных слоях современной Земли:

Глубины, км

Удельная мощность тепловыделения, эрг/г ·год

0-37

50

37-103

7

103-500

0.8

500-1700

0.3

1700-2900

0.2

Поскольку радиоактивные вещества со временем распадаются, раньше их было больше, чем теперь (и они, вероятно, сначала были распределены внутри Земли равномерно). Следовательно, они генерировали больше тепла (по имеющимся оценкам, в момент образования Земли - в 4-7 раз больше, чем сейчас). По оценке Е. А. Любимовой [5], за все время существования Земли долгоживущие радиоактивные изотопы выделили 0.9 ⋅ 1038 эрг тепла, что составляет около половины нашей оценки потенциальной энергии, освободившейся при гравитационной дифференциации. Впрочем, мы вынуждены подчеркнуть значительную неопределенность в оценках мощности радиогенного тепловыделения.

Другие энергетические источники внутри Земли, кроме освобождения потенциальной гравитационной энергии и тепловыделения долгоживущих радиоактивных изотопов, имеют, по-видимому, гораздо меньшее значение. Так, например, в природе обнаружены в больших количествах по сравнению с нормой космической распространенности продукты распада 27 короткоживущих радиоактивных изотопов (Al26, Be10, Np237, Fe60, Cl36 и др.), имеющих периоды полураспада меньше, чем сотни миллионов лет. Их тепловыделение могло быть существенным лишь в первые 100-200 млн. лет формирования зародыша Земли из «планетезималей», но это тепло быстро излучалось в космос, как это свойственно небольшим нагретым телам. Выделение тепла внутри Земли вследствие торможения ее вращения приливным трением в настоящее время много энергии дать не может, так как полная кинетическая энергия вращения Земли сейчас составляет всего 2.16 · 1036 эрг. Раньше, когда Земля вращалась быстрее, а приливы были сильнее (так как Луна была ближе), тепловыделение из-за приливного трения было больше, чем теперь, но все же, согласно имеющимся оценкам, его доля в общем тепловыделении внутри Земли за все время ее существования невелика.

Таким образом, учитывая лишь гравитационную дифференциацию и долгоживущие радиоактивные изотопы и пренебрегая другими энергетическими источниками, мы можем оценить суммарное тепловыделение внутри Земли за все 4.6 млрд. лет ее существования цифрой 2.5·1038 эрг. Часть этого тепла была излучена в космос. Как указывалось в гл. 2, сейчас эти теплопотери (геотермический поток тепла) оцениваются цифрой 1.5·10-6 кал./ см2 ⋅ сек., или 9.9·1027 эрг со всей поверхности Земли в год (эти цифры, по-видимому, нужно несколько увеличить, так как при измерении геотермического потока на океанском дне не учитывается возможный вынос тепла из трещин термальными водами). Если эти теплопотери были такими же и в прошлом, то за время своего существования Земля излучила в космос 0.45·1038 эрг.

Менялись ли теплопотери в течение истории Земли, можно пытаться выяснить путем расчетов эволюции распределения температуры в недрах Земли по уравнению теплопроводности, задавая начальное распределение температуры в момент образования Земли и распределения коэффициента теплопроводности и тепловыделения. Но в этих трех пунктах столь много неопределенности, что по одним моделям теплопотери все время нарастали, а по другим проходили максимум на ранних стадиях истории Земли и затем убывали. Все же, по оценкам Е. А. Любимовой [5], суммарные теплопотери Земли не превысили 0.74·1038 эрг.