Удивительно, но факт. Люди сумели заглянуть в просторы космоса, но о том, что происходит в буквальном смысле у них под ногами, знают лишь приблизительно. Ученые могут рассказать о строении звезд и планет, которые находятся от нас на недосягаемом расстоянии, но наша собственная Земля открыла далеко не все свои секреты. В программе Discovery Channel «Путешествие к центру Земли с Ричардом Хаммондом» ставятся и такие вопросы, на которые ответ найден, и такие, которые все еще остаются тайной за семью печатями.
Зри в корень!
Еще со школьной скамьи мы знаем, что наша Земля - это вовсе не монолитный шарик. Очень приближенно ее можно сравнить, например, с абрикосом: сверху тонкая «корочка» - земная кора, затем солидный слой земной мантии, а в середине - ядро. Но и это лишь приближение. И кора, и мантия, и ядро неоднородны: даже в научно-популярных публикациях говорят о верхней и нижней мантии, о внешнем и внутреннем ядре, а в сугубо научных статьях это деление на слои еще более сложное.
Как ученые получают информацию о строении Земли? Самый древний метод, который взяло на вооружение человечество - изучение вулканической магмы. Она образуется на больших глубинах в коре или в верхней мантии и изливается в виде лавы при извержениях вулканов. Изучая эти процессы, исследователи могут сказать, на какой глубине образовались те или иные породы или драгоценные камни - ведь рождаются они обычно гораздо глубже зоны добычи.
Следующий способ, казалось бы, напрашивается сам собой, но он невероятно сложен: речь идет о бурении. Казалось бы, что уж проще - взять и пробурить глубокую скважину или даже шахту, а потом посмотреть, что же там внизу. Но представьте себе, насколько прочным должно быть оборудование, чтобы выдержать давление, которое с каждым сантиметром будет усиливаться. Представьте, сколько будет весить даже километровый слой земной коры! К давлению добавляется и температура, которая постоянно увеличивается по мере продвижения вниз. Конечно, на тех глубинах, которых удалось достичь людям методом бурения, ни о каких температурах плавления оборудования речи не идет, но если бы удалось проникнуть в мантию, не говоря уже о ядре, то градусов бы хватило с лихвой. Рекордная достигнутая с помощью бура отметка - минус 12 262 метров. Речь идет о Кольской сверхглубокой скважине, но даже она - комариный укус по сравнению с тремя тысячами километров до поверхности ядра.
Учитывая столь серьёзные сложности, основные сведения о строении Земли люди получают с помощью сейсмического метода. Он основан на том, что звуковые или сейсмические волны в разных веществах распространяются с разной скоростью. Для этого ведутся наблюдения за каждым землетрясением, а кроме того устраиваются искусственные взрывы горных пород. Скорость распространения возникающих при этом сейсмических волн фиксируется с помощью сейсмографов. Чем тверже порода, тем эта скорость выше. В результате ученые видят цифры, за которыми стоит вполне подробная картина состава глубинных пород.
Еще один метод, позволяющий раскрыть подземные тайны нашей планеты, появился относительно недавно. Как ни парадоксально, чтобы заглянуть вглубь, приходится взлететь в космос. С помощью искусственных спутников Земли можно определить состав пород по изменению их орбиты. Там, где залегают тяжелые породы, притяжение чуть сильнее, и спутник едва заметно приближается к Земле, а там, где залегают легкие породы, траектория вновь отдаляется. Изменения минимальны, но даже малейшие колебания фиксируются высокочувствительными приборами.
Не толще скорлупы
Земная кора - самый тонкий слой, по сравнению с размерами ядра и мантии. Судите сами - если толщина мантии составляет около 3000 километров, то толщина земной коры колеблется от 5 до 70 километров. Тоньше всего она на океанском дне - иногда даже меньше 5 километров, толще всего под высокими горами. Масса же земной коры составляет удивительно малую величину, чуть менее половины процента от общей массы Земли.
В свете этих цифр земную кору можно сравнить с яичной скорлупой или, как выше, с кожицей абрикоса, но это будет похоже на правду, только если говорить о пропорциях.
Во-первых, строение земной коры неоднородно. Во-вторых, если уж продолжать сравнение со сваренным вкрутую яйцом, то для пущей наглядности это яйцо следовало бы уронить, чтобы скорлупа покрылась мелкими трещинами. Ведь вся земная кора состоит из литосферных плит - отдельных участков, вплотную притертых друг к другу. Эти участки находятся в постоянном движении - абсолютно незаметном в рамках короткой человеческой жизни, (примерно 5 сантиметров в год), но учитывая возраст Земли, это вполне прилично. За миллиарды лет существования материки неоднократно соединялись и разъединялись снова. Этот процесс продолжается и ныне. Силы, которые им движут, действуют в земной мантии - следующем за корой слое Земли.
Твердая жидкость или жидкая твердыня?
На мантию приходится около 83% объема и около 67% массы Земли. Она изучена гораздо хуже, чем кора, и о многом исследователи лишь догадываются. Даже физическое состояние мантии вызывает вопросы - ответ на вопрос, твердая она или жидкая, не так уж однозначен.
Существует определенный тип волн, который неспособен проходить через жидкости, но легко преодолевает жидкие тела: это так называемые поперечные волны. Сейсмографы фиксируют, что мантия не является преградой для поперечных волн - значит, она однозначно твердая? Отнюдь - то, что мантия обладает вязкостью и текучестью - подтвержденный научный факт, а ведь эти характеристики свойственны исключительно жидкостям.
Кстати говоря, именно из-за этих «жидких» свойств мантии и происходит движение литосферных плит земной коры, о которых шла речь выше. Температура в мантии очень высока, и чем ближе к центру Земли, тем выше. Эти более горячие потоки поднимаются наверх, на их место опускаются более холодные. Этот круговорот и движет расположенные на мантии литосферные плиты.
Но все же основная часть вещества мантии находится не в расплавленном, а в другом, особенном состоянии - твердом, но при этом пластичном. Теоретически температура (а она доходит до 2000 градусов Цельсия) позволяет расплавить многое, но этому процессу препятствует чудовищное давление, так что в итоге и получается то самое необычное состояние, - твердое, но с характеристиками жидкости.
Крепкий орешек
О земном ядре мы знаем еще меньше, чем о мантии - его внешняя граница находится на глубине около 2900 метров от поверхности, а радиус равен около 3000 километров. Внешняя часть ядра жидкая, а внутренняя - твердая, её граница начинается на глубине около 5000 метров.
Температура в самом сердце нашей планеты чудовищна - она доходит до 5000 градусов Цельсия. Под стать температуре и давление, которое превышает 3 миллиона атмосфер.
Из чего состоит ядро достоверно неизвестно, но, вероятнее всего, основными его компонентами являются железо и никель.
Еще одна тайна ядра, которую исследователи стремятся разгадать - это происхождение магнитного поля Земли. Признано, что оно обусловлено процессами, происходящими в ядре, -осталось понять, какими именно.
Среди обывателей бытует заблуждение, что все дело лишь в большом количестве железа, но эта версия не выдерживает никакой критики. По всей вероятности, магнитное поле Земли возникает из-за движения потоков расплавленного вещества. Но что это за вещество? Если ядро имеет железно-никелевую природу, то, скорее всего, это жидкий металл. Есть версия о том, что это водород. Некогда даже рассматривалась гипотеза о том, что ядро и в целом состоит из металлического водорода, но она не прошла проверку на прочность - плотность металлического водорода значительно ниже, чем плотность ядерного вещества. Наконец, исследования последних лет сообщают о том, что в ядре может находиться большое количество водорода, но эта версия тоже не является общепризнанным научным фактом.
Мы живем в век, когда технологии развиваются в геометрической прогрессии. Не исключено, что уже в ближайшие годы появятся новые методики, позволяющие добраться до самого сердца нашей планеты и понять, как оно работает.