Ядро земли
В эпоху Возрождения, примерно с середины XIV в., когда в Европе начеши бурно развиваться искусство и наука, представления об окружающей нас природе стали расширяться. Замечательный французский математик Рене Декарт, живший уже позднее, в XVII в., полагал, что Земля образовалась из комка остывшей массы, который сначала был подобен яркому Солнцу. Поэтому в недрах нашей планеты и поныне спрятано горячее ядро. Однако проверить это тогда было ещё невозможно.
Как мы рассказали выше, Ньютон установил (а экспедиции французских учёных подтвердили), что Земля у полюсов сплющена, так что правильным шаром она не является. Французский естествоиспытатель XVIII в. Жорж Луи Бюффон, подхватив эту мысль, пришёл к выводу, что такое возможно только в том случае, если земные недра находятся в расплавленном состоянии. В 1776 г. он предложил гипотезу, согласно которой в незапамятные времена некая комета столкнулась с Солнцем. Она выбила из светила огромный «ком» вещества, который, постепенно остывая, и стал нашей планетой. Её развитие шло так, что первыми затвердевали более тугоплавкие вещества, а из кислорода и водорода образовались океаны и атмосфера; затем появились и континенты...
Догадку Бюффона стали проверять дотошные физики. Известные им законы термодинамики гласят: никакой процесс не идёт бесконечно; как только движущая его энергия исчерпается, он прекращается. В XIX в. британский математик и физик лорд Уильям Кельвин произвёл подсчёты, и оказалось: для того чтобы Земле потерять много энергии, остыть и перестать быть расплавленным шаром, превратившись в нынешнюю «твердь», нужно всего лишь... примерно 100 млн лет.
«Быть того не может — ведь слои горных пород гораздо старше!» — воскликнули геологи. Тем более что в конце XIX в. уже открыли явление радиоактивности и стало ясно: распад элементов требует многих и многих сотен миллионов лет. Недаром ныне, по новейшим оценкам специалистов, возраст Земли «увеличился» по сравнению с прежними представлениями до 4,6 млрд лет.
Измерения показали: при погружении в недра на каждый километр температура вещества возрастает в среднем на 30° С (это называется геотермическим градиентом). Раз так, значит, действительно в сердцевине нашей планеты всё должно быть в расплавленном состоянии. Так и считали специалисты ещё совсем недавно.
В середине XIX столетия французский учёный Габриель Огюст Добре первым «пригласил» геологию в лабораторию и поставил множество экспериментов над самыми различными минералами. Он сделал эту науку экспериментальной. Так геология «побраталась» с геофизикой, с самого начала опиравшейся на опыт. Недаром ещё Леонардо да Винчи говорил: «Науки, которые не родились из эксперимента, этой основы всех познаний, бесполезны и полны заблуждений...» Опыты позволили французскому учёному предположить: Земля по составу отнюдь не однородна, в её глубинах залегают более тяжёлые и твёрдые массы, которые по-разному реагируют на различные температуры и давления.
Затем Добре отметил следующее: Ньютон астрономическими методами вычислил такую плотность нашей планеты, которая куда выше, чем у горных пород, слагающих верхнюю часть земной коры. Вот, например, гранит, который нередко встречается в горах: 1 см
3 этой породы весит всего 2,8 г. Если бы вся Земля состояла из такого материала, её тяготение было бы значительно меньшим, чем определил Ньютон.
Значит, на глубине прячутся от наших глаз намного более плотные породы. Средняя плотность земного вещества побольше, чем у стали.
Сравним это с тем веществом, из которого состоят метеориты. Эти скитальцы космоса могут быть обломками когда-то разрушившихся других планет, вероятно сходных с Землёй. Метеориты бывают разные: есть железные (так они называются, хотя состоят из железоникелевых сплавов), железокаменные, но больше всего среди них просто каменных.
По мнению Добре, столь же разнородно и тело нашей планеты. Только вот железо и никель, как самые тяжёлые, «утонули» в недрах, сконцентрировавшись в самом земном ядре, а оболочку образовали силикаты железа и магния (из этих веществ в основном состоят и каменные метеориты). Эта концепция состава Земли в основе своей жива и по сей день.
Некоторые уподобляли планету гигантскому куриному яйцу: тоненькая твёрдая скорлупка содержит в себе объёмистую жидкую массу.
Астрономам и физикам это сразу не понравилось. По их данным, «твердь» должна быть куда большей, а «жидкость» — меньшей. Но в отсутствие точных данных с такими разногласиями пока приходилось мириться. Выходило, что мы живём как бы над огненным морем, а колебания оболочки — землетрясения — просто волны, бегущие по этому морю, то вздымающие, то опускающие его тонкий твёрдый покров.
Подобная теория просуществовала примерно полвека. Но вот в 1946 г. шотландский учёный Артур Холмс, проанализировав множество записей, полученных сейсмографами чуть ли не всего мира во время самых разных землетрясений, поставил гипотезу под сомнение. Он заметил, что волны, достигая глубины около 2900 км, резко изменяют свою скорость.
Как мы рассказывали выше, сейсмические волны бывают двух видов: продольные и поперечные. Поперечные встречаются только в твёрдых телах. В газах и жидкостях они не распространяются. Эти среды не обладают упругостью, необходимой для движения поперечных волн.
Незадолго до Первой мировой войны немецкий сейсмолог Бено Гутенберг выяснил, что продольные волны, порождённые землетрясением, в земном ядре не бегут, а «плетутся»; поперечные же совсем через него не передаются. Неужели в самом центре планеты находится... жидкость? Бели да, то плотность её очень велика — она соответствует плотности железа с примесью никеля. Но ведь мы уже знаем от астрономов, что из этих же элементов состоят многие метеориты...
Итак, достигнув глубины 2900 км, сейсмические волны «разведали»: там находится внешняя граница земного ядра. Ниже этой поверхности поперечные волны не проникают совсем. От неё вглубь плотность среды резко возрастает — сразу на 80%.
Сейсмические волны свидетельствуют, что жидкой является лишь внешняя часть ядра (недаром же она «не пропускает» поперечную волну). А его внутренняя область, как бы «желток» планеты, состоит из железоникелевого сплава и ведёт себя уже как «твердь». Это обусловлено немыслимо высоким давлением — ведь на внутреннюю область ядра «давит» вес основной части планеты. Даже на верхней границе ядра теоретически рассчитанное давление составляет около 1,3 млн атмосфер, а в его центре оно достигает 3 млн атмосфер. Температура здесь — около 10 000° С. Представим себе: каждый кубический метр вещества земного ядра весит 12—13 т, так что один небольшой ящик, наполненный таким веществом, смог бы увезти разве что мощный грузовик.
Соотношение между размерами разных частей ядра таково: на внутреннюю приходится только 1,7% всей массы планеты, а на внешнюю — около 30%. Очевидно, материал, из которого состоит внешнее ядро, сильно разбавлен чем-то относительно лёгким, скорее всего серой. Некоторые специалисты полагают, что этого элемента здесь содержится до 14%.
Учёные пришли к выводу, что распределение веществ и строение планеты не всегда были такими, как теперь. Когда Земля была ещё совсем молодой, миллиарды лет назад, ядро было расплавленным, но потом оно начало остывать; тогда-то и образовалась его твёрдая внутренняя часть.
До недавнего времени само собой разумеющимся считалось, что ядро Земли — совершенно гладкий правильный шар (наподобие пушечного ядра). Но вот в 80-х гг. XX в. американцы Дон Андерсон и Адам Дзевонский изобрели так называемую сейсмическую томографию. Раньше сеть сейсмических станций регистрировала волны, поступающие из недр при землетрясениях или после взрыва большого заряда, и учёные, рассматривая полученную «кардиограмму» Земли, судили о том, каков состав пород, сквозь которые волна пробежала на своём пути, и какие там существуют физические условия.
Этот метод неплох, но его недостаток в том, что получаемое изображение — как бы «плоское», лишённое объёма, и очень приблизительное, без подробностей. А томография — всё равно что стереозвук по сравнению с обычной музыкальной записью, которая воспроизводит мелодию, но не позволяет услышать всё богатство звуков.
Чтобы достичь объёмного, трёхмерного и подробного изображения недр, учёные и прибегли к сейсмической томографии — стали обрабатывать при помощи новейших компьютеров, которых раньше не было, не десяток-другой сейсмограмм, полученных при землетрясениях и взрывах, а тысячи и даже миллионы их. Вот тут-то и потребовались огромные массивы сейсмической информации о всевозможных сотрясениях, испытанных планетой за многие годы. Они «заговорили», и оказалось...
...Поверхность ядра обладает своеобразным рельефом. Граница между ядром и нижней мантией — не просто геометрически правильная сфера, а целый слой. В одних местах его толщина составляет 150 км, а в других — целых 350 км. В среднем же «погранзона» между нижней мантией и ядром достигает толщины 260 км. Если бы кто-нибудь сумел «путешествовать» в этой зоне (что, конечно, по силам разве только сейсмическим волнам), то ему пришлось бы там то подниматься высоко «в гору», то спускаться з глубокую «долину». Учёные предполагают, что именно в этом «пограничье» происходит перемешивание глубинных веществ, обладающих различным химическим составом, и этим объясняется такая пересечённость этого подземного «рельефа».
Кстати, многие, наверное, читали научно-фантастическую повесть «Плутония», написанную выдающимся русским геологом, академиком Владимиром Афанасьевичем Обручевым. Верно ли там говорится, что внутри Земли находится гигантская полость, по которой и путешествуют герои книги? Под сводом пещерного «неба», при свете подземного «солнца» они встречают древних, давно вымерших животных и людей каменного века.
К сожалению, придётся разочароваться. Теперь установлено, что никакая подобная полость в глубинных недрах Земли существовать не может: она давно бы «захлопнулась» под тяжестью лежащих выше слоев. Дело здесь не в том, что и академики могут ошибаться (или сознательно фантазировать), а в том, что 50—60 лет назад, когда Обручев писал свою фантастическую повесть, этого наука с уверенностью ещё не знала. А на самом деле пещер глубже одного с небольшим километра, по-видимому, в мире нет.
Постоянная ссылка на страницу: http://pochemy.net/?n=997
Случайная статья
