Наука плоского мира IV: Судный день

Прежде мы думали, что наша планета – чрезвычайно стабильное место и, отправившись в прошлое, в ту эпоху, когда начали разделяться континенты и океаны, мы найдем все на тех же местах, что и сейчас. Нам казалось, что и внутри Земля довольно проста.

Как мы ошибались!

Люди много узнали о поверхности Земли, но куда меньше о том, что у нее внутри. Поверхность изучать несложно, надо просто отправиться в нужное место, – это если, конечно, вам не требуется непременно попасть на вершину Эвереста. Используя специальные устройства, защищающие нежные людские тела от огромного давления, можно спуститься в океанские глубины. Еще можно вырыть в земле норы и послать туда людей. Мы можем получить немного больше информации, пробурив несколько миль земной коры, хотя это лишь тонкая корочка по сравнению со всем остальным объемом планеты. Нам остается лишь догадываться о том, что находится там, внизу, пользуясь косвенными инструментами, главными из которых являются сейсмические волны, генерируемые землетрясениями, лабораторные эксперименты и теоретические выкладки.

В целом поверхность нашей планеты выглядит спокойно, если не считать погоды и кое-каких неприятных эффектов, связанных со сменой времен года. Однако частые извержения вулканов и землетрясения напоминают, что под нашими ногами не все ладно. Вулканы возникают там, где на поверхность поднимаются расплавленные породы и извергаются под большим давлением в сопровождении густых облаков газа и пепла. В 1980 году вулкан Сент-Хеленс в американском штате Вашингтон взорвался, словно скороварка с заклинившей крышкой, и половина горы ушла в небытие. Землетрясения происходят, когда массивы земной коры смещаются вдоль глубинных разломов. Позже мы разберемся, в чем причина того и другого, но вначале взглянем на все это в целом: несмотря на отдельные бедственные участки, поверхность Земли вполне благоприятна для развития и существования жизни уже в течение нескольких миллиардов лет.

Форма Земли близка к сферической: диаметр ее экватора – 7928 миль (12 756 км), тогда как расстояние от полюса к полюсу – 7902 мили (12 714 км). Небольшое расширение на экваторе – это результат действия центробежных сил, связанных с вращением Земли. Они появились еще тогда, когда наша планета находилась в расплавленном состоянии. Земля – самая плотная планета в Солнечной системе: ее средняя плотность в пять с половиной раз больше плотности воды. Когда Земля конденсировалась из первичного газопылевого облака, химические элементы и соединения разделились на два слоя: плотные материалы ушли в глубину, а легкие – всплыли на поверхность, так же как слой легкого масла плавает на поверхности более плотной воды.

В 1952 году американский геофизик Фрэнсис Берч предложил описание общей структуры нашей планеты, которое с тех пор почти не изменилось. Земля внутри очень горячая, и, кроме того, там чрезвычайно высокое давление. Наиболее экстремальные условия в самом ее центре, где температура – около 6000 °C, а давление в 3 миллиона раз выше атмосферного. Обычно от такого жара горные породы и металлы плавятся, однако давление удерживает их в твердом состоянии, то есть имеется комбинация двух противоположных факторов, определяющих жидкую или твердую фазу материи. В центре Земли находится ядро – довольно плотная сфера, состоящая преимущественно из железа, с радиусом примерно 2 220 миль (3500 км). Внутреннее ядро радиусом 600 миль (1000 км) – твердое, тогда как внешняя его часть – расплавлена. Самый верхний слой Земли – это тонкая оболочка, так называемая кора, толщиной всего в несколько миль. Между корой и ядром располагается мантия, в основном состоящая из твердых силикатных пород. Она также делится на внешнюю и внутреннюю часть, граница между которыми проходит на глубине в радиусе 3600 миль (5800 км). Выше этой «переходной зоны» находятся главным образом оливин, пироксены и гранаты, а ниже – их кристаллическая структура уплотняется, образуя такие минералы, как перовскит. Наружный край мантии и соприкасающиеся с ним нижние области коры также могут находиться в расплавленном состоянии.

В коре, толщина которой примерно от 3 до 12 миль (5–20 км), происходит много интересного. Те ее части, которые образуют континенты, состоят в основном из гранита, а под океанским дном в основном залегают базальты, причем этот базальтовый слой продолжается и под материковым гранитом. Таким образом, континенты – это тонкие и обширные пласты гранита, размещающиеся на базальтовой «подложке». Самым заметным свидетельством наличия гранитного слоя на поверхности Земли являются горы. Нам они кажутся ужасно высокими, но их высота не превышает пяти миль (9 км) над уровнем моря, то есть немногим более одной десятой процента – 1/7 от одного процента – земного радиуса. Самая глубокая впадина – Марианская – в северо-западной части Тихого океана достигает 7 миль (11 км) ниже уровня моря. Общее отклонение от идеальной сферы (точнее, сфероида, поскольку полюса приплюснуты) составляет примерно 1/3 процента. Таким образом, отличие Земли от идеальной сферы примерно такое же, как и у баскетбольного мяча, покрытого «пупырышками» для лучшего захвата. В общем, за исключением этих небольших вмятинок и выступов, наша родная планета на удивление круглая и гладкая. Такой она стала под воздействием гравитации. Разве что незначительные, но очень любопытные движения в ее мантии и коре добавили пару-тройку морщинок.

Откуда нам все это известно? В основном благодаря землетрясениям. Когда происходит землетрясение, Земля дрожит, словно колокол, по которому ударили молотком. По ней проходят сейсмические волны, то есть вибрации, вызванные землетрясением. Они преломляются, когда пересекают зоны с различными свойствами и составом, такие, как кора и мантия или верхняя и нижняя мантия. Они отражаются от земной коры и возвращаются вниз. Существует несколько типов сейсмических волн, и распространяются они с разными скоростями; таким образом, короткий и резкий толчок при землетрясении порождает очень сложную волновую картину. Когда сейсмические волны достигают поверхности, их можно зарегистрировать, потом сравнить записи, сделанные в разных местах, и на их основании попытаться сделать выводы о подземной географии нашей планеты.

* * *

Магнитное поле Земли является одним из следствий ее внутренней структуры. Мы знаем, что стрелка компаса указывает примерно на север. Стандартные «враки детям» сводятся к утверждению, что Земля – это такой здоровенный магнит. Что же, давайте попробуем разобраться получше.

Магнитное поле Земли долгое время оставалось загадкой, ведь каменных магнитов не бывает, правда? Но как только вы открываете, что внутри Земли имеется колоссальное количество железа, все вроде бы становится на свои места. Железо не образует «постоянный» магнит вроде прикрепленных к пластиковым поросяткам и медвежаткам, которых мы, сами не зная зачем, покупаем, чтобы прицепить на холодильник. Земные недра больше походят на динамо. Кстати, это так и называется – геомагнитное динамо. Как мы уже упоминали, железо в ядре Земли находится по большей части в расплавленном состоянии, за исключением твердого плотного «шарика» в самом центре. Жидкая часть до сих пор продолжает нагреваться. Прежде это явление объясняли тем, что радиоактивные элементы, будучи плотнее всего остального в химическом составе планеты, погрузились в самый центр, оказавшись запертыми там, а тепло дает излучаемая ими радиоактивная энергия. Современная же теория предлагает совершенно иное объяснение: жидкая часть ядра нагревается, поскольку твердая – остывает. Расплавленное железо на контакте с твердым ядром само понемногу застывает, при этом высвобождается тепло. Это тепло должно куда-то деться, оно не может просто исчезнуть, словно дуновение теплого воздуха, – вокруг тысячи миль сплошной горной породы. Тепло передается расплавленному слою ядра, нагревая его.

Возможно, вас удивит факт, что та часть, которая вступает в контакт с твердым ядром, может охлаждаться и затвердевать и, одновременно с этим, нагреваться в процессе этого затвердевания. Объяснение простое: горячее расплавленное железо поднимается вверх по мере разогрева. Вспомните воздушный шар. Когда вы нагреваете воздух, он поднимается. Это происходит потому, что при нагревании воздух расширяется, становится менее плотным, а менее плотные вещества всплывают над более плотными. Воздушный шар удерживает воздух в огромном шелковом мешке, часто ярко окрашенном и разрисованном эмблемами банков или агентств недвижимости, и поднимается вместе с воздухом. Горячее железо ничем не разрисовано, но поднимается точно так же, как горячий воздух, удаляясь от твердого ядра. Оно медленно всплывает, остывая, а потом, когда становится слишком холодным, точнее сравнительно холодным, начинает снова погружаться в глубину. В результате земное ядро находится в непрерывном движении, раскаляясь внутри и остывая снаружи. Оно не может подняться все разом, то есть одни области ядра всплывают, в то время как другие – заново погружаются. Такой вид циркулирующей теплопередачи называется конвекцией.

По мнению физиков, при соблюдении неких трех условий движущиеся жидкости могут создавать магнитное поле. Во-первых, жидкость должна проводить электрический ток, и железо прекрасно с этим справляется. Во-вторых, изначально должно присутствовать хотя бы небольшое магнитное поле, а есть веские основания полагать, что нашей Земле, тогда еще совсем юной, была присуща некая толика личного магнетизма. В-третьих, что-то должно вращать эту жидкость, искажая исходное магнитное поле, и у Земли такое вращение происходит за счет силы Кориолиса, похожей на центробежную силу, однако действующей более слабо и возникающей в результате вращения Земли вокруг своей оси. Грубо говоря, вращение искажает исходно слабое магнитное поле, закручивая его, как спагетти на вилку. Затем магнетизм поднимается наверх, пойманный всплывающими массами железного ядра. В результате всего этого коловращения магнитное поле становится намного сильнее.

Да, в каком-то смысле можно сказать, что Земля ведет себя так, словно внутри у нее имеется огромный магнит, но на самом деле все гораздо сложнее. Чтобы немного конкретизировать нарисованную картину, напомним, что существуют по меньшей мере семь других факторов, обусловливающих наличие у Земли магнитного поля. Так, некоторые составляющие земной коры могут быть постоянными магнитами. Подобно стрелке компаса, указывающей на север, они постепенно выстроились вдоль более сильного геомагнитного динамо, дополнительно усиливая его. В верхних слоях атмосферы имеется слой заряженного ионизированного газа. До того как были изобретены спутники, ионосфера играла важнейшую роль в обеспечении радиосвязи: радиоволны отражались от заряженного газа, а не уходили в космос. Ионосфера находится в движении, а движущееся электричество создает магнитное поле. На высоте примерно 15 000 миль (24 000 км) течет кольцевой ток – слой ионизированных частиц низкой плотности, образующий огромный тор. Это немного ослабляет силу магнитного поля Земли.

Следующие два фактора – это так называемые магнитопауза и магнитный хвост, возникшие под влиянием солнечного ветра на магнитосферу Земли. Солнечный ветер – это постоянный поток частиц, испускаемых гиперактивным Солнцем. Магнитопауза – это головная волна земного магнитного поля, идущая против солнечного ветра, а магнитный хвост – след этой волны с противоположной стороны планеты, где собственное магнитное поле Земли «утекает» наружу, к тому же разрушаясь под воздействием солнечного ветра. Кроме того, солнечный ветер вызывает своеобразную тягу вдоль орбиты Земли, создавая дополнительное искажение линий магнитного поля, известное как продольный ток в магнитосфере. И, наконец, существуют авроральные потоки. Северное сияние, или aurora borealis, – это восхитительные, таинственные полотнища бледного света, переливающиеся в северном полярном небе. Аналогичный спектакль, aurora australis, можно наблюдать неподалеку от Южного полюса. Полярные сияния создаются двумя полосами электрического тока, текущими от магнитопаузы в магнитный хвост. Это, в свою очередь, создает новые магнитные поля и два электрических потока – западный и восточный.