Дорога к центру: каковы условия в самом сердце Земли?

Современная наука утверждает, что она может исследовать объекты, к которым у нее нет доступа. Благодаря точным измерениям мы знаем, что наша планета определенно не полая.

Когда пионер научной фантастики Жюль Верн опубликовал роман «Путешествие к центру Земли» в 1864 году, он осознавал, что это чистая фантазия. Главные герои проникают на несколько километров под поверхность планеты, и научное сообщество уже считало эту идею совершенно нереальной в викторианские времена. И это правильно – даже нынешняя рекордная скважина достигает глубины всего 12 км, а мы находимся более чем в 530 раз дальше от центра Земли, а именно 6 371 км. Итак, как мы можем угадать, что лежит у нас под ногами? Ответ превратился в большую научную головоломку.

Фото: https://spb.lazertag-portal.ru/

Как измерить земной шар

Осознание существования ядра Земли идет рука об руку с верой в то, что Земля круглая. В то же время люди знали эту концепцию очень давно, и остается лишь мифом, что в средние века они думали об обратном. Сомнительная теория возникла в викторианской антирелигиозной пропаганде и была основана на неверном истолковании стилизованных карт того периода. Почти 2300 лет назад греческий математик Эратосфен из Кирены впервые количественно определил периметр меридиана нашей планеты, и с тех пор стало совершенно ясно, что он не плоский.

Однако это не означает, что древние мыслители думали о Земле так же, как мы: по мнению греческих физиков, она состояла из концентрических сфер, соответствующих природным элементам – земле, воде, воздуху и огню. В центре было ядро, которое, по мнению ученых, должно быть твердым, поскольку воздух, окруженный почвой, считался немыслимым. При этом предполагалось, что часть суши, возвышающаяся над поверхностью, образует единый континент. Когда моряки открыли Америку, это был один из первых шагов к опровержению греческого учения.

Идея о том, что Земля полая или что внутри нее есть гигантские пещеры, пользуется большой популярностью в научной фантастике и стала центром многих теорий заговора. Однако, за исключением астронома и математика Эдмунда Галлея, который в 1692 году продвигал теорию полой планеты для объяснения странного поведения компаса, исследователи не восприняли эту идею всерьез. Один из самых важных контраргументов был выдвинут в 1798 году британским эксцентриком Генри Кавендишем. Чудак избегал контактов с людьми и даже общался со слугами только посредством письменных сообщений. Хотя он родился в аристократической семье, он посвятил свою жизнь науке, особенно химии и физике. Его величайшим достижением был план эксперимента по «рассмотрению» нашей планеты: в простом эксперименте он измерил силу притяжения, которую большие сферы в контролируемой среде оказывают на маленьких близких по соседству. Когда он сравнил полученные значения с силой притяжения Земли, он смог определить ее плотность, а также массу, потому что исследователи уже знали размеры планеты в то время.

Солнце в сердце

Современная наука выделяет четыре части недр Земли: чуть ниже поверхности, в диапазоне 5-75 км, находится кора. Далее следует мантия, простирающаяся примерно до 2 900 км, и ядро толщиной примерно 2 200 км. В его центре также находится жидкое внутреннее ядро, образованное смесью никеля и железа: оно имеет радиус 1300 км, а температура 5400 °C близка к условиям на поверхности Солнца. Однако если мы не можем проникнуть на планету, как мы можем быть уверены в информации?

Все наши знания являются косвенными и основаны на сейсмологии, науке о землетрясениях. Во время землетрясений по планете распространяются сейсмические волны, характер и направление которых меняются в зависимости от материала, через который они проходят. И именно на основании данной информации геофизики определили, что лежит в ядре Земли. Сейсмометры работают аналогично телескопам – только вместо того, чтобы смотреть за пределы нашей планеты, они смотрят в нее.

Фото: https://geomix.ru/

В начале 20 века на основе данных сейсмических измерений, а также из-за наблюдаемого повышения температуры глубже под поверхностью предполагалось, что внутренняя часть нашей планеты горячая – достаточно для плавления горных пород и металлов. Ключевое открытие было тогда сделано британским геологом Ричардом Олдхэмом с датским сейсмологом Инге Леманн.

Когда мы говорим «волна», мы обычно подвергаемся нападению со стороны моря и поверхностных волн. Но многие волны, например звуковые, проходят сквозь материал. Хотя разрушительные волны во время землетрясения распространяются по поверхности, два других вида распространяются через недра планеты: первичные p-волны являются продольными и достигают скорости до 14 км/сек в самых плотных частях мантии Земли. Второй тип – поперечные вторичные s-волны: они движутся медленнее и не проходят через жидкости. И только что упомянутая двойная волна стала основой для раскрытия природы ядра Земли.

В тени ядра

Представьте себе сильное землетрясение и волну, пробегающую по планете. Зубцы P будут резко прыгать вперед, а их s-коллеги будут следовать за ними примерно с половинной скоростью. Но там, где волны проходят через ядро ​​на пути к удаленной измерительной станции, будет своего рода серая зона. P-волны проникают через него, и сейсмометры фиксируют их следующее путешествие. Однако S-волны исчезают.

Ричард Олдхэм знал о последствиях открытий еще в 1906 году. Он посвятил большую часть своей жизни геологическим исследованиям в Индии и часто работал в Гималаях. Когда он вернулся в Великобританию в 1903 году, он использовал собранные данные для изучения недр Земли. Он понял, что жидкий центр планеты может объяснить поведение этих двух типов волн: P-волны будут отклоняться жидкостью от их первоначального направления, подобно тому, как мы светим в воду. S-волны, с другой стороны, полностью поглощались бы ядром.

Теория Олдхема привела к более широкому принятию идеи жидкого ядра, но тридцать лет спустя Инге Леманн поняла, что предложенная концепция была слишком упрощенной. Используя новые измерительные приборы, она пришла к выводу, что ядро ​​неоднородно. В ее концепции было твердое внутреннее ядро, окруженное жидкой оболочкой. Сейсмолог опубликовала свои выводы в 1936 году. Два года спустя они были подтверждены Бено Гутенбергом и Чарльзом Рихтером, когда они создали точную модель твердого земного ядра и пришли к выводу, что их эксперименты соответствуют реальным измерениям только тогда, когда они окружены жидкостью.

Фото: https://geomix.ru/

Лучшие сейсмографы также регистрировали более слабые волны в следующие годы: они должны были достичь внешней части ядра в виде p-волн из-за задержки прохождения через серую зону, преобразоваться в s-волны во внутреннем ядре и снова принять форму p во внешнем слое. Теория была подтверждена в 2005 году, но природа внутреннего ядра до сих пор обсуждается. Температуру в центре Земли можно определить только на основе экспериментальных работ, направленных на плавление и затвердевание веществ под высоким давлением. Идея о том, что ядро ​​Земли состоит в основном из железа и никеля, вытекает из частоты встречаемости определенных элементов в нашей части Галактики и из нашего понимания процесса образования голубой планеты.

Между кончиками бриллиантов

Внутри Земли давление в три миллиона раз выше атмосферного, поэтому элементы могут вести себя иначе, чем обычно. Таким образом, хотя ядро, скорее всего, образовано сплавом никеля и железа, оно также может быть чрезвычайно плотной плазменной сферой. Мы еще не знаем правды, потому что мы просто не знаем, как такие экстремальные условия влияют на поведение материи.

Поэтому ученые построили так называемую алмазную наковальню, в которой куски металла раздавливаются между кончиками двух драгоценных камней под давлением, имитирующим условия внутри Земли. Минералы направлены навстречу друг другу миниатюрными шипами, потому что действующая таким образом сила многократно возрастет (представьте себе, что дама наступит вам на ногу каблуком-шпилькой или, наоборот, всей подошвой). С помощью наковальни вы можете достичь вдвое потенциально большего давления в центре нашей планеты. Затем температура моделируется с помощью лазеров. Поведение испытанных металлов показало, что Земля скрывает твердое кристаллическое ядро.

Вероятно, мы никогда не приблизимся к ядру Земли. В условиях огромных температур, разрушительного давления и разрушительной радиоактивности ни один текущий глубинный зонд не выжил бы. Кроме того, сначала потребуется пробурить более 6000 км горных пород и металлов. По сравнению с достижением ядра нашей планеты, миссия на окраину Солнечной системы также является тривиальной задачей. Однако волны, создаваемые Землей, которые затем изучаются такими учеными, как Инге Леманн, позволяют нам исследовать тайны под поверхностью, не имея необходимости видеть ее напрямую.