Когда мы ступаем на твердую землю, мы не осознаем, что под ними находится яростное сочетание сил, жидких материалов и магнитных полей, которые формируют земной шар.
Есть те, кто говорит, и возможно справедливо, что у людей есть научный долг перед планетой, на которой они живут. Увлеченный созерцанием неба, движимый инстинктом всегда выходить «за пределы», человек накопил больше знаний о строении далеких планет, чем о недрах Земли. Настолько, что всего 150 лет назад было даже неизвестно, есть ли в нашем мире бьющееся сердце. Долг начал погашаться в 1890 году, когда появились первые наблюдения о связи между земными породами и гравитационными силами Солнца и Луны, которые позволили установить, что под землей, по которой мы ходим, должна быть сложная конструкция, сделанная из слоев различных материалов.
В 1906 году сейсмолог Ричард Диксон Олдем обнаружил, что сейсмические волны проходят через центральное ядро Земли с меньшей скоростью, чем через кору. Единственное возможное объяснение этого явления состоит в том, что ядро жидкое. Впервые возник образ твердой планеты с горячим сердцем. Со временем изображение совершенствовалось, пока не сформировалось ныне принятое представление о том, что наш мир имеет центральное ядро из кристаллизованного железа и никеля, окруженное другим внешним ядром из жидкого материала. Но новая геологическая концепция не только не развеяла сомнения, но и лишь подняла на поверхность другие вопросы.
Как образовалась эта структура? Какое это имеет отношение к созданию магнитного поля Земли? Какой эволюции она будет следовать на протяжении тысячелетий? Сегодня мы живем в поистине золотой век науки о ядре Земли, поток новых открытий, все более тревожных относительно происхождения, формирования и, прежде всего, судьбы железного сердца планеты. Некоторые из этих открытий даже вдохновили на создание блокбастеров. В прошлом году британский режиссер Джон Амиэль представил триллер «Ядро», в котором предложил научно-фантастический сценарий, основанный на возможном коллапсе ядра Земли и его пагубном влиянии на глобальную стабильность. Фильм не имел особого успеха, но позволил вспомнить некоторые представления о геологической науке.
Ведь, как сказано в работе, ядро Земли находится в постоянном вращении. Железо, из которого оно состоит, является проводящим материалом, и окружающая его жидкая часть испытывает серию конвективных потоков, вызванных движением вверх и вниз горячих и холодных материалов. Эти токи, введенные в обращение благодаря вращению Земли, создают очень мощное магнитное поле, которое окружает нашу планету и защищает ее, в том числе, от воздействия выбросов солнечного ветра и космических лучей. Пока ядро остается горячим и движущимся, магнитное поле будет продолжать существовать, хотя его полярность время от времени меняется, как показали палеомагнитные исследования. Но если сердце Земли остынет и остановится, магнитное поле исчезнет и жизнь в нашем мире станет неустойчивой. И произойдет ли когда-нибудь этот сценарий? Некоторые ученые так думают, и не только это, но и рисуют катастрофическую судьбу, подобную той, которую предлагает «Ядро».
Ядерный реактор со сроком годности
Есть ли в нашем мире быстрая мини-планета?
В начале своей долгой истории у Земли не было ядра. Мало-помалу недра планеты обеспечили сердце веществом, необходимым для затвердевания, образовав огромную сферу из железа и никеля. Этот шар по-прежнему остается коробкой с сюрпризами, и каждый раз, когда наука смотрит на него (конечно, косвенно), она обнаруживает какую-то новую особенность. Например, одна из проблем, которая больше всего удивляет сейсмологов, — это аномальное поведение сейсмических волн, когда они проходят через ядро планеты. Когда происходит землетрясение, упругие волны, которые оно генерирует, движутся с большей скоростью в направлении север-юг, чем в направлении восток-запад. Изучение этой сейсмической анизотропии позволило нам сделать вывод, что ядро на самом деле состоит из нескольких слоев разных материалов и что оно вращается со скоростью, отличной от скорости Земли.
Недавно двум ученым из Колумбийского университета удалось провести более или менее точные измерения этого вращательного движения. Ядро вращается в том же направлении, что и остальная часть земного шара, но делает это немного быстрее. В частности, для завершения вращения требуется на две трети секунды меньше, чем Земле. За последние 100 лет этот выигрыш во времени позволил ей продвинуться на четверть оборота впереди планеты. Хотя это может показаться незначительной скоростью, эта разница в 100 000 раз превышает дрейф континентов. Как можно было вывести эту информацию? Геологи обнаружили, что сейсмические волны не только движутся быстрее, когда они движутся с севера на юг, но внутри этого луча волн существует еще более быстрая ось. Эта сверхбыстрая ось движется в направлении оси вращения Земли. Единственное возможное объяснение такого смещения состоит в том, что центральная часть планеты вращается быстрее, но в том же направлении, что и остальная часть.
Геофизик Марвин Херндон недавно представил свою удивительную теорию по этому поводу. До сих пор наука объясняла нам, что очень высокие температуры, образующиеся внутри планеты, ответственные за жидкое состояние магмы и движение тектонических плит, обусловлены двойным процессом: радиоактивной декантацией изотопов урана, тория и калий, который высвобождает энергию и сохраняет тепло в результате формирования планеты около 4,5 миллиардов лет назад.
Но Херндон предлагает более впечатляющую теорию: на самом деле сердце Земли представляет собой гигантский ядерный реактор, работающий на полную мощность. На глубине 6000 километров под нашими ногами ядерное деление плавит урановый шар диаметром около 8000 километров. Выделяющееся сильное тепло приводит к кипению металлов в сердце Земли и, пока оно не исчерпается, отвечает за движение континентов, вулканическую активность и защитное магнитное поле. Диссертация Херндона, несмотря на то, что она была опубликована в таком престижном журнале, как Proceedings of the National Academy of Science в Вашингтоне, была встречена его коллегами несколько холодно. Многие обвиняют его в том, что он следует логике рассуждений, а не теории, основанной на фактах.
Основная проблема заключается в том, как объяснить, почему уран сконцентрировался в центре Земли до такой степени, что стал таким мощным ядерным топливом. Радиоактивные изотопы имеют тенденцию образовывать связи с силикатами и рассеиваться по мантии Земли. На этот вопрос у Херндона тоже есть ответ: согласно его модели, Земля образовалась в очень бедных кислородом условиях, что препятствовало бы рассеянию урана. Какой тезис является наиболее правильным? На данный момент даже самые традиционные геологи признают, что идея железо-никелевого ядра, окруженного жидкой сферой, является не чем иным, как моделью; Возможно, это лучшее, что у нас есть на данный момент, но это просто модель.
Существует множество инновационных предложений, позволяющих лучше понять суть нашего мира. Некоторые имитируют фантастическое путешествие к центру Земли, которое представлял себе Верн. Именно об этом говорит идея новозеландского физика Дэвида Стивенсона: он хочет создать искусственную трещину в земной коре и отправить через нее исследовательский зонд размером с апельсин, который будет собирать реальные данные о планете. Хотя это может показаться надуманной миссией, сам журнал Nature повторил это в мае прошлого года. Стивенсон намерен произвести управляемый ядерный взрыв, в результате которого образуется трещина шириной около 30 сантиметров и глубиной несколько сотен метров. Сразу же после достижения дыры в нее выльется 100 000 тонн расплавленного железа, в котором будет плавать крохотный зонд. Плотность железа, превышающая плотность мантии Земли, и сила гравитации сделают остальную работу. Адская жидкость продолжит спускаться к верхней части ядра Земли и увлечет за собой зонд, который будет посылать сигналы на протяжении всего своего пути.
Турист в недра планеты
Устройство будет опускаться со скоростью около 16 километров в час, а трещина за ним закроется по мере остывания несущего его материала. Радиоволны не распространяются под землей, поэтому зонду придется совершать небольшие удары, которые деформируют материал, с которым он контактирует, и служат опорой для передаваемой информации.
Какой бы чрезмерной она ни казалась, эта идея не осталась без внимания. Фактически, этим уже заинтересовались некоторые российские геологи, которые годами искали способ отправить бочки с радиоактивными отходами в самое сердце Земли. Пока не наступит такое приключение, которое потребует вложения в течение недели такого количества расплавленного железа, которое производится во всех сталелитейных отраслях мира, ученые могут приближаться к особенностям недр планеты только с помощью дедуктивных моделей. Изучение сейсмических волн и того, как они передаются из одной части Земли в другую, может дать некоторые подсказки о плотности материала, через который они должны пройти.
Но есть более изобретательная модель. Он называется LHDAC (ячейка с алмазной наковальней с лазерным нагревом) и состоит в моделировании условий очень высокого давления в центре Земли для анализа того, как они влияют на металл. Две алмазные головки сжимают металлическую деталь до тех пор, пока давление не достигнет миллиона атмосфер ядра планеты. Затем все нагревается, чтобы довести его до температуры, аналогичной температуре сердца Земли. Таким способом можно изучать изменения в структуре и поведении изучаемого вещества. Совсем недавно подобные симуляции стали проводиться с использованием гораздо более мощных технологий.
Синхротрон на службе геологии
Например, группа ученых из четырех стран (Швеция, Германия, Франция и Россия) использовала возможности европейского синхротрона ESRF в Гренобле, чтобы подвергнуть различные материалы воздействию экстремальных давлений и температурных условий ядра Земли. В частности, повторены значения, которые должны быть найдены не в ядре, а на границе между ним и мантией, то есть в области, разделяющей жидкий слой железа и толстый твердый слой, образованный преимущественно оксидами кремния, магний и алюминий. Взаимоотношения между железом и сложными элементами мантии имеют фундаментальное значение для понимания некоторых геологических процессов, которые до сих пор остаются загадкой, таких как внезапные изменения плотности земного материала, законы, регулирующие электропроводность в этой области, или различные способы какими сейсмические волны распространяются.
В ESRF были повторены условия давления и температуры, аналогичные тем, которые имели место во время формирования планеты, и было обнаружено, что при этих переменных железо и кремнезем реагируют с образованием оксида железа. Но когда давление увеличивается, результатом становится вкрапление почти чистого железа и других материалов с высокой проводимостью. Возможно, эти данные помогут объяснить такое загадочное явление, как земная нутация, то есть тонкие изменения положения оси вращения. Эти изменения имеют большую амплитуду, чем можно было бы получить из приливных сил Солнца и Луны. Возможно, дополнительный импульс происходит из-за большой проводимости, обнаруженной в этой области мантии. Но это лишь еще одна из многих загадок, которые горячее сердце нашей планеты все еще хранит для нас.
