Данный вопрос можно смело назвать риторическим, наверное, уже никто не сомневается, что в недрах Земли (и других планет) не может быть образований вещества меньшей плотности. Считается очевидным, что по мере углубления от поверхности планеты растёт как давление вещества, образующего внутренние структуры, так и соответственно росту давления растет и плотность вещества. На данном положении основана теория строения Земли, согласно которой внутреннее расположение вещества происходит таким образом, что по мере углубления состав и плотность вещества, а также давление увеличивается. И в самом центре расположено вещество наибольшей плотности – так называемое «ядро».

К сожалению, современный уровень развития техники не позволяет прямо и непосредственно определить физические параметры вещества как внутри нашей планеты Земля, так и других планет. Границы, которые достигнуты при бурении сверхглубоких скважин и при погружении в океан составляют несколько километров, что при сравнении с размерами самой планеты явно недостаточный параметр. Все данные о строении Земли, а также планет и звезд, основаны на теории, которая в свою очередь основывается на известных фактах и расчетах, которые эту теорию подтверждают.

Попробуем привести некоторые рассуждения и расчеты, чтобы попытаться выяснить особенности строения планет и звезд, а также ответить на вопрос – а цельная ли Земля?

Чтобы можно было провести рассуждения и определить зависимость взаимодействия физических параметров, необходимо рассмотреть некоторую «модель», отвлеченную, абстрактную планету или звезду, например с характеристиками, близкими к планете Земля Солнечной Системы (в дальнейшем просто планета). Подобный подход упрощает картину физического строения реальных планет и звёзд, вместе с тем, позволяет определить основные зависимости одних физических параметров от других, и даёт возможность понять основные закономерности, на основании которых можно проводить дальнейший анализ. Все полученные значения и выводы носят примерный, предварительный характер, которые необходимо уточнить более подробным исследованием, с учётом тех значений и свойств, которые выходят за рамки данной статьи.

К основным физическим параметрам, определяющим строение планет, можно отнести такие параметры как сила тяжести, давление и плотность вещества.

Для начала несколько предпосылок, на основании которых можно проводить расчёты. Рассмотрим размерные и геометрические параметры, полагаем, что планета имеет форму, близкую к форме шара и соответственно имеется определённый центр и радиус. Значение всех физических параметров необходимо рассматривать именно в зависимости от расстояния от центра, что и является основной характеристикой строения планеты.

Для определения этих характеристик, то есть зависимости физических параметров от геометрических, необходимо сделать ещё одно предположение - полагаем, что всю область и пространство внутри планеты можно условно разделить на некоторые составляющие части (элементарный объём), в которых физические параметры имеют постоянное значение и меняются при переходе от одной части к другой. Для определения силы тяжести в данном элементарном объёме ого можно рассматривать как физическое тело, то есть применять классические законы притяжения Ньютона для неподвижных тел. Для определения давления в каждом элементарном объёме, полагаем, что вещество внутри планеты находится в жидком состоянии и для него применимы законы гидростатики, с учётом их применения в масштабах планет и звёзд. Такой подход позволяет определить основные физические зависимости интегральным методом, то есть как результат взаимодействия каждого элемента со всеми остальными, кроме того, позволяет учесть взаимную зависимость одних физических параметров от других, то есть является комплексным методом и позволяет учесть множество различных параметров.

Несколько подробнее о каждом из основных параметров.

Плотность рассматривается как масса (элементарная составляющая, масса «физического тела») в единице объёма (элементарного объёма, находящегося на определённом расстоянии от центра), и определяется составом вещества и зависит от давления в данном месте и некоторых других параметров (в частности температуры):

          

или для конкретного элемента: dm=ρdV ,где
ρ - плотность, m – масса, V – объём;

Давление рассматривается как реакция элемента вещества на воздействие со стороны соседних элементов под действием силы тяжести и можно определять по формуле:



или в интегральном виде



где dP – изменение давления в элементарном объёме
a –ускорение свободного падения в данной точке (переменная величина!), основная характеристика силы тяжести.
ρ - плотность вещества.
dh – изменение «глубины» (расстояние от поверхности), для планет и звёзд можно рассматривать как изменение расстояния до центра dr=-dh
     
Определение силы тяжести требует отдельного рассмотрения, для построения модели планеты можно предположить, что масса элементарного объёма рассматривается как масса «физического тела» и к нему применимы законы притяжения для неподвижных тел. Согласно классическим законам притяжения суммарное воздействие силы тяжести на определённое тело со стороны нескольких тел необходимо рассматривать как сумму воздействия каждого тела (элемента) в отдельности. Данная идея является основным положением для определения силы тяжести крупных космических объектов интегральным методом. Подробнее рассмотрено в работе [1] .


Рис. 1. Зависимость основных геометрических параметров
                    
                    

На рисунке 1 схематично обозначено расположение некоторого произвольного элемента в точке Z и с массой dm. Если некоторый контрольный («условный», например m₀ =1 кг) элемент массы, расположить вдоль оси Х в точке А, то можно определить зависимость взаимодействия этих элементов согласно классическому закону притяжения:




Где dF – сила взаимодействия между двумя элементами массы (m₀ и dm =ρdV)
dV – объём элемента находящегося на расстоянии Z от рассматриваемой точки.
Z – расстояние между рассматриваемым (точка А) и произвольным (точка Z) элементами.
G – Гравитационная Постоянная Всемирного Тяготения
     
Суммарная сила притяжения в точке А определяется как векторная сумма (то есть с учётом направления относительно оси Х) сил взаимодействия со всеми остальными элементами (расположенными внутри сферы радиуса r):



где С – постоянная величина (постоянная интегрирования) С= G m₀

Даже для такой, относительно простой, модели получаем довольно сложные зависимости основных физических параметров, которые можно рассматривать только в комплексе и в рамках принятых предпосылок. Более детальный анализ требует учитывать множество различных факторов, в том числе и не полностью известных, и зависящих от других параметров. Предварительно полученный результат можно представить в виде диаграммы структуры, то есть в виде графика:


Рис. 2. Диаграмма примерной структуры планеты, для случая распределения вещества согласно предварительным расчётам



На рис 2 представлена примерная зависимость основных физических параметров. Легко видеть, что в области близкой к центру сила тяжести имеет очень незначительные значения, которые сопоставимы с гравитационным влиянием на планету, как за счёт неравномерного распределения массы, так и влиянием центробежных сил вращения. Кроме того, неизбежно гравитационное влияние со стороны внешних объектов - естественных спутников (Луны) и Солнца. Все эти силы направлены от центра планеты и в центральной области результирующая всех сил направлена наружу (!). Другими словами, если отказаться от некоторых предпосылок об идеальном распределении вещества и учесть внешние факторы, получим, что в центре планеты неизбежно существование определённой области, в которой сила тяжести направлена наружу – так называемой «внутренней сферы». Если применить интегральный метод определения силы тяжести и учесть, что под действием результирующей всех сил вещество неизбежно будет стремиться от центра, тем самым, увеличивая размеры и влияние данной области, то строение планеты должно определяться несколько другими зависимостями основных физических параметров. К сожалению точный и детальный анализ сделать довольно затруднительно, так как комплексный метод подразумевает одновременное определение нескольких значений, которые в свою очередь зависят друг от друга, и, кроме того, даже предварительные расчёты необходимо выполнять для некоторой модели и в рамках определённых предпосылок и ограничений. На рис.3 представлена примерная диаграмма структуры планеты, согласно которой внутри планеты имеется значительная область, внутри которой сила тяжести направлена наружу, а наиболее плотное вещество распределено в среднем сферическом слое, на некотором расстоянии от центра.


Рис. 3. Диаграмма примерной структуры планеты, для случая распределения вещества, определённого интегральным методом



Как видно из диаграммы, распределение вещества идёт не согласуется с классическим представлением о структуре планеты и для дальнейшего рассмотрения необходимо опираться на другую теорию. Если классическую структуру условно назвать «концентрической моделью», то данную теорию можно назвать «эксцентрической». Безусловно, все расчёты и выводы в рамках данной «эксцентрической модели» необходимо подтверждать (либо опровергать) дальнейшим, более детальным анализом, либо фактическими данными или экспериментальными значениями.

Наличие и относительные размеры внутренней сферы, в которой сила тяжести направлена наружу и давление уменьшается по мере приближения к центру, являются одним из факторов при рассмотрении строения планеты. При относительно небольших значениях структуру планеты можно рассматривать с классических («концентрическая модель») позиций, а при значительной величине данный фактор является одним из определяющих.

В качестве примера можно рассмотреть гипотетический случай, когда размер «внутренней сферы» имеет относительно большое значение. В этом случае большая часть массы (наиболее плотного вещества) располагается на значительном удалении от центра, а внутри возможно образование области с очень низкой плотностью (газ), то есть, предполагаем, что некоторая планета (расчётная модель) имеет указанные свойства.

На рис.4 представлена структура примерного расположения вещества для подобного случая, то есть гипотетическая планета имеет внутреннее пространство с незначительной плотностью.


Рис. 4. Диаграмма примерной структуры планеты, для случая распределения вещества при значительных размерах «внутренней сферы»




Очевидно, что подобное образование будет неустойчиво, и обязательно должно разрушиться. Если несколько упростить ситуацию, то можно предположить, что под действием центробежных и внешних сил, а также вследствие неравномерного распределения массы неизбежно возникнет новый центр притяжения и часть (наиболее плотного!) вещества отделится от основной массы с возможным образованием новой планеты-спутника. Можно задаться вопросом – а не является ли подобная структура одним из этапов в развитии звёзд и планет? Таким образом, одним из выводов о расположении вещества внутри планет становится новое предположение о возникновении естественных спутников планет и звёзд. Возможны разные теории, объясняющие структуру и развитие планет и звёзд, а также множество различных до конца необъяснимых явлений, требующих исследования. Возможно приведенные рассуждения позволят по новому взглянуть на проблемы, касающиеся строения планет и звёзд и помогут найти ответ на вопрос – а цельная ли Земля?


Литература:

Стеняшин А.Н. Определение силы тяжести и некоторых физических параметров космических объектов интегральным методом. // «Интеллектуальные системы в производстве». Периодический научно-практический журнал - №2 - 2005


________________________
© Стеняшин Александр Николаевич