Планета Земля. Познакомьтесь с миром, который мы называем домом

У Отто Лиденброка не было ничего, кроме этой записки, когда он отправился к исландскому вулкану Снайфедльсйёкюдль и оттуда – к центру Земли. Оказавшись в подземном мире, он столкнулся с глубокими океанами, доисторическими существами, грозовыми штормами и гигантскими насекомыми.

Так писал Жюль Верн в 1864 году в «Путешествии к центру Земли». Если бы можно было так просто узнать о том, что творится внутри Земли! Пока нам удалось пробурить только около трети внешней коры планеты. Все остальные знания о внутреннем составе планеты мы получили в основном с помощью анализа волн давления и их пути сквозь породы разной плотности.

Сейсмические волны

По иронии судьбы самым ценным источником волн давления являются самые разрушительные события – землетрясения. Геологи измеряют, сколько времени требуется ударным волнам, чтобы пройти от эпицентра землетрясения до различных точек земного шара. Благодаря таким измерениям и удалось выяснить, что Земля состоит из нескольких слоев и по своему строению напоминает луковицу. Самая внешняя корочка очень тонкая: ее глубину можно сравнить с толщиной почтовой марки, наклеенной на футбольный мяч. Ниже лежит мантия, которая составляет более 82 % объема Земли. Еще глубже – очень плотное и горячее ядро.

Ударные волны от очага землетрясения распространяются во всех направлениях и отражаются или преломляются, встречая на своем пути породы различной плотности. Если породы более плотные, волны давления ускоряются; в менее плотных они замедляются. Определив направление и скорость распространения этих сейсмических волн внутри Земли, геологи могут определить плотность и толщину пород, которые лежат на глубине нескольких тысяч километров под нашими ногами.

Ирландский геофизик Роберт Маллет положил начало науке сейсмологии в конце XIX века. Благодаря этой науке исследователи обнаружили, что землетрясения посылают внутрь планеты два основных типа волн. Первичные волны, или P-волны, подобны звуковым. Они поочередно сжимают и расширяют среду, через которую проходят, и могут распространяться через твердые, жидкие и газообразные вещества. Вторичные волны, или S-волны, заставляют колебаться частицы породы под прямым углом к направлению их распространения. Это означает, что они могут проходить только через твердые вещества – жидкости и газы не имеют жесткости, чтобы поддерживать поперечное перемещение.

Когда югославский геофизик Андрия Мохоровичич проанализировал записи землетрясения, происшедшего в Хорватии в 1909 году, он обнаружил четыре сейсмических импульса. Сейсмографы вблизи эпицентра землетрясения зарегистрировали медленно движущиеся волны типов S и P. Затем медленные волны сменились на более быстрые S- и P-волны.

Мохоровичич предположил, что медленные волны, зарегистрированные сейсмометрами, проходили через верхний слой коры. Более быстрые должны были пройти через нижележащий слой пород поплотнее, которые отклонили и ускорили их. Ученый пришел к выводу, что изменение плотности с 2,9 до 3,3 грамма на кубический сантиметр обозначает границу между земной корой и мантией. Эта граница, которая лежит в среднем на 8 километров ниже дна океанов и на 32 километра ниже уровня континентов, теперь называется границей Мохоровичича или просто границей Мохо.

Тени внутри Земли

Сейсмологи собирали все больше и больше записей о землетрясениях и заметили наличие «теневой» зоны, свободной от ударных волн. Она располагалась на сфере между 105-м и 142-м градусами (см. рис. 3.1) от источника землетрясения, если смотреть от источника по пути следования сейсмических волн. После 142-го градуса волны снова появляются. Единственным объяснением этого явления было предположение о том, что волны перешли из твердого вещества в жидкое, в результате чего S-волны полностью остановились, а P-волны замедлились и преломились. Анализ показал, что происходит изменение плотности от 5,5 до 10 грамм на кубический сантиметр на глубине 2900 километров. Это объяснили существованием границы между мантией и ядром.

Рис. 3.1. Сейсмические волны полностью останавливаются или преломляются слоями различной плотности. Жидкое внешнее ядро отбрасывает тень, которая начинается со 105-го градуса от источника землетрясения.

Позже в теневой зоне ученые обнаружили очень слабые волны. В 1936 году голландский сейсмолог Инге Леманн предположила, что еще одно изменение плотности происходит в ядре – на его глубине, равной примерно 2200 километрам. Это изменение ускоряло Р-волны и искривляло некоторые из них таким образом, что они появлялись в теневой области. Напрашивался вывод: внутри Земли находится внутреннее ядро из очень плотного твердого вещества. По оценкам, плотность внутреннего ядра составляет 12,3–13,3 грамма на кубический сантиметр.