Ее «сердце» все еще хранит огромное количество загадок для ученых, продолжающих выдвигать бессчетные теории о внутреннем строении недр земли.
Земля — не наибольшая, да и не самая малая планетка посреди собственных соседей. Экваториальный радиус ее, равный 6378 км, из-за центробежной силы, создаваемой дневным вращением, больше полярного на 21 км. Давление в центре Земли составляет 3 млн. атм., а плотность вещества — около 12 г/см3.Масса нашей планетки, отысканная методом экспериментальных измерений физической неизменной тяготения и ускорения силы тяжести на экваторе, составляет 6•1024 кг, что соответствует средней плотности вещества 5,5 г/см3. Плотность минералов на поверхности примерно в два раза меньше средней плотности, а означает, плотность вещества в центральных частях планетки должна быть выше среднего значения. Момент инерции Земли, зависящий от рассредотачивания плотности вещества повдоль радиуса, также свидетельствует о значимом увеличении плотности вещества от поверхности к центру. Из земных недр повсевременно выделяется термический поток, а потому что тепло может передаваться только от более жаркого вещества к более прохладному, то температура в глубине планетки должна быть выше, чем на ее поверхности. Глубочайшее бурение показало, что температура с глубиной возрастает приблизительно на 20°С на каждом километре и изменяется от места к месту. Если б повышение температуры длилось безпрерывно, то в самом центре Земли она достигнула бы 10-ов тыщ градусов, но геофизические исследования демонстрируют, что в реальности температура тут должна составлять несколько тыщ градусов.
Толщина земной коры (наружной оболочки) меняется от нескольких км (в океанических областях) до нескольких 10-ов км (в горных районах континентов). Сфера земной коры очень маленькая, на ее долю приходится всего около 0,5% общей массы планетки. Основной состав коры — это окислы кремния, алюминия, железа и щелочных металлов. В составе континентальной коры, содержащей под осадочным слоем верхний (гранитный) и нижний (базальтовый), встречаются более древнейшие породы Земли, возраст которых оценивается более чем в 3 миллиардов. лет. Океаническая же кора под осадочным слоем содержит в главном один слой, близкий по составу к базальтам. Возраст осадочного чехла не превосходит 100—150 млн. лет.
От нижележащей мантии земную кору отделяет почти во всем еще таинственный слой мохо (назван так в честь сербского сейсмолога Мохоровичича, открывшего его в 1909 году), в каком скорость распространения сейсмических волн скачкообразно возрастает.
На долю мантии приходится около 67% общей массы планетки. Жесткий слой верхней мантии, распространяющийся до разных глубин под океанами и материками, вместе с земной корой именуют литосферой — самой жесткой оболочкой Земли. Под ней отмечен слой, где наблюдается некое уменьшение скорости распространения сейсмических волн, что гласит о типичном состоянии вещества. Этот слой, наименее вязкий и поболее пластичный по отношению к выше и ниже лежащим слоям, именуют астеносферой. Считается, что вещество мантии находится в непрерывном движении, и высказывается предположение, что в относительно глубочайших слоях мантии с ростом температуры и давления происходит переход вещества в более плотные модификации. Таковой переход подтверждается и экспериментальными исследовательскими работами.
В нижней мантии на глубине 2 900 км отмечается резкий скачок не только лишь в скорости продольных волн, да и в плотности, а поперечные волны тут исчезают совершенно, что показывает на замену вещественного состава пород. Это наружняя граница ядра Земли.
Земное ядро заинтересовывало ученых с момента его открытия в 1936 году. Получить его изображение было очень тяжело из-за относительно малого числа сейсмических волн, достигавших его и возвращавшихся к поверхности. Не считая того, экстремальные температуры и давления ядра длительное время тяжело было воспроизвести в лаборатории. Новые исследования способны обеспечить более детализированную картину центра нашей планетки. Земное ядро делится на 2 отдельные области: водянистую (наружное ядро) и твердую (внутреннее), переход меж которыми лежит на глубине 5 156 км. Железо — единственный элемент, который близко соответствует сейсмическим свойствам земного ядра и довольно обильно всераспространен во Вселенной, чтоб представить в ядре планетки примерно 35% ее массы. По современным данным, наружное ядро представляет собой крутящиеся потоки расплавленного железа и никеля, отлично проводящие электричество. Конкретно с ним связывают происхождение земного магнитного поля, считая, что, подобно огромному генератору, электронные токи, текущие в водянистом ядре, делают глобальное магнитное поле. Слой мантии, находящийся в конкретном соприкосновении с наружным ядром, испытывает его воздействие, так как температуры в ядре выше, чем в мантии. Местами этот слой порождает большие, направленные к поверхности Земли тепломассопотоки — плюмы.
Внутреннее жесткое ядро не связано с мантией. Считают, что его жесткое состояние, невзирая на высшую температуру, обеспечивается огромным давлением в центре Земли. Высказываются догадки о том, что в ядре кроме железоникелевых сплавов должны находиться и поболее легкие элементы, такие как кремний и сера, а может быть, кремний и кислород. Вопрос о состоянии ядра Земли до сего времени остается дискуссионным. По мере удаления от поверхности возрастает сжатие, которому подвергается вещество. Расчеты демонстрируют, что в земном ядре давление может достигать 3 млн. атм. При всем этом многие вещества вроде бы металлизируются — перебегают в железное состояние. Была даже догадка, что ядро Земли состоит из железного водорода.
Природный «реактор»?
Не так давно южноамериканский геофизик М. Херндон высказал догадку о том, что в центре Земли находится естественный «ядерный реактор» из урана и плутония (либо тория) поперечником всего 8 км. Эта догадка способна разъяснить инверсию земного магнитного поля, происходящую каждые 200 000 лет. Если это предположение подтвердится, то жизнь на Земле может закончиться на 2 миллиардов. лет ранее, чем предполагалось, потому что и уран, и плутоний сгорают очень стремительно. Их истощение приведет к исчезновению магнитного поля, защищающего Землю от коротковолнового солнечного излучения и, как следствие, к исчезновению всех форм био жизни.
Эту теорию откомментировал член-корреспондент РАН В.П. Трубицын: «И уран, и торий — очень томные элементы, которые в процессе дифференциации первичного вещества планетки могут опуститься к центру Земли. Но на атомном уровне они увлекаются с легкими элементами, которые выносятся в земную кору, потому все урановые месторождения и находятся в самом верхнем слое коры. Другими словами если б и эти элементы были сосредоточены в виде скоплений, они могли бы опуститься в ядро, но, по сложившимся представлениям, их должно быть маленькое количество. Таким макаром, для того чтоб делать заявления об урановом ядре Земли, нужно дать более обоснованную оценку количества урана, ушедшего в стальное ядро. Следует также увидеть, что перемещение урана в ядро приводит к уменьшению радиоактивной угрозы, потому что каменная мантия является очень неплохим экраном».
Поглубже не бывает
Осенью 2002 года доктор Гарвардского института А. Дзевонски и его студент М. Исии на основании анализа данных от более чем 300 000 сейсмических явлений, собранных за 30 лет, предложили новейшую модель, согласно которой в границах внутреннего ядра лежит так называемое «самое внутреннее» ядро, имеющее около 600 км в поперечнике. Его наличие может быть подтверждением существования 2-ух шагов развития внутреннего ядра. Для доказательства схожей догадки нужно расположить по всему земному шару еще большее число сейсмографов, чтоб провести более детализированное выделение анизотропии (зависимость физических параметров вещества от направления снутри него), которая охарактеризовывает самый центр Земли.
Эволюция зания
Личное лицо планетки, подобно лику живого существа, почти во всем определяется внутренними факторами, возникающими в ее глубочайших недрах.
Учить эти недра очень тяжело, потому что материалы, из которых состоит Земля, непрозрачны и плотны, потому объем прямых данных о веществе глубинных зон очень ограничен. К их числу относятся: так именуемый минеральный агрегат (большие составные части породы) из природной сверхглубокой скважины — кимберлитовой трубки в Лесото (Южная Африка), который рассматривается как представитель пород, залегающих на глубине порядка 250 км, также керн (цилиндрическая колонка горной породы), поднятый из глубочайшей в мире скважины (12 262 м) на Кольском полуострове. Исследование сверхглубин планетки этим не ограничивается. В 70-е годы XX века научное континентальное бурение выполнялось на на местности Азербайджана — Сааблинская скважина (8 324 м). А в Баварии сначала 90-х годов прошедшего века была заложена сверхглубокая скважина КТБ-Оберпфальц размером более 9 000 м.
Существует много смышленых и увлекательных способов исследования нашей планетки, но основная информация о ее внутреннем строении получена в итоге исследовательских работ сейсмических волн, возникающих при землетрясениях и массивных взрывах. Каждый час в разных точках Земли регится около 10 колебаний земной поверхности. При всем этом появляются сейсмические волны 2-ух типов: продольные и поперечные. В жестком веществе могут распространяться оба типа волн, а вот в жидкостях — только продольные. Смещения земной поверхности регистрируются сейсмографами, установленными по всему земному шару. Наблюдения скорости, с которой волны проходят через Землю, позволяют геофизикам найти плотность и твердость пород на глубинах, труднодоступных прямым исследованиям. Сравнение плотностей, узнаваемых по сейсмическим данным и приобретенным в процессе лабораторных тестов с горными породами (где моделируются температура и давление, надлежащие определенной глубине Земли), позволяет прийти к выводу о вещественном составе недр земли. Новые данные геофизики и опыты, связанные с исследованием структурных перевоплощений минералов, позволили смоделировать многие особенности строения, состава и процессов, происходящих в глубинах Земли.
Еще в XVII веке необычное совпадение очертаний береговых линий западного побережья Африки и восточного побережья Южной Америки наводило неких ученых на идея о том, что материки «гуляют» по планетке. Но только три века спустя, в 1912 году, германский метеоролог Альфред Лотар Вегенер тщательно выложил свою догадку континентального дрейфа, согласно которой относительное положение материков изменялось в протяжении истории Земли. Сразу он выдвинул огромное количество аргументов в пользу того, что в дальнем прошедшем материки были собраны совместно. Кроме сходства береговых линий им были обнаружены соответствие геологических структур, непрерывность реликтовых горных хребтов и тождественность ископаемых остатков на различных материках. Доктор Вегенер интенсивно отстаивал идею о существовании в прошедшем одного суперконтинента Пангея, его расколе и следующем дрейфе образовавшихся материков в различные стороны. Но эта необыкновенная теория не была воспринята серьезно, так как исходя из убеждений тех пор казалось совсем непостижимым, чтоб огромные материки могли без помощи других передвигаться по планетке. К тому же сам Вегенер не сумел предоставить подходящий «механизм», способный двигать материки.
Возрождение мыслях этого ученого вышло в итоге исследовательских работ дна океанов. Дело в том, что внешний рельеф континентальной коры отлично известен, а вот океанское дно, в течение многих веков накрепко укрытое многокилометровой толщей воды, оставалось труднодоступным для исследования и служило неистощимым источником различных легенд и легенд. Принципиальным шагом вперед в исследовании его рельефа явилось изобретение прецизионного эхолота, при помощи которого стало вероятным безпрерывно определять и регистрировать глубину дна по траектории судна. Одним из необыкновенных результатов насыщенного исследования дна океанов стали новые данные о его топографии. Сейчас топографию океанского дна легче картировать благодаря спутникам, с ювелирной точностью измеряющим «высоту» морской поверхности: ее в точности показывают различия уровня моря от места к месту. Заместо плоского, лишенного каких-то особенных воспримет, прикрытого илом дна обнаружились глубочайшие рвы и крутые обрывы, огромные горные хребты и наикрупнейшие вулканы. В особенности явственно выделяется на картах Срединно-Атлантический горный хребет, рассекающий Атлантический океан точно в центре.
Оказалось, что дно океана стареет по мере удаления от срединно-океанического хребта, «расползаясь» от его центральной зоны со скоростью несколько см в год. Действием этого процесса можно разъяснить сходство очертаний континентальных окраин, если полагать, что меж частями расколовшегося материка появляется новый океанический хребет, а океаническое дно, наращиваемое симметрично с обеих сторон, сформировывает новый океан. Атлантический океан, среди которого лежит Срединно-Атлантический хребет, возможно, появился конкретно таким макаром. Но если площадь морского дна возрастает, а Земля не расширяется, то что-то в глобальной коре должно разрушаться, чтоб скомпенсировать этот процесс. Конкретно это и происходит на окраинах большей части Тихого океана. Тут литосферные плиты сближаются, и одна из сталкивающихся плит погружается под другую и уходит глубоко вовнутрь Земли. Такие участки столкновения отмечаются активными вулканами, которые протянулись повдоль берегов Тихого океана, образуя так называемое «огненное кольцо».
Конкретное бурение морского дна и определение возраста поднятых пород подтвердили результаты палеомагнитных исследовательских работ. Эти факты легли в базу теории новейшей глобальной тектоники, либо тектоники литосферных плит, которая произвела реальную революцию в науках о Земле и принесла новое представление о наружных оболочках планетки. Главной мыслью этой теории являются горизонтальные движения плит.
Как рождалась Земля
Согласно современным космологическим представлениям Земля образовалась совместно с другими планетками около 4,5 миллиардов. годов назад из кусков и обломков, вращавшихся вокруг юного Солнца. Она разрасталась, захватывая вещество, находившееся вокруг, пока не достигнула собственного сегодняшнего размера. Сначала процесс разрастания происходил очень бурно, и непрерывный дождик падающих тел был должен привести к ее значительному нагреванию, потому что кинетическая энергия частиц преобразовывалась в тепло. При ударах появлялись кратеры, при этом выбрасываемое из их вещество уже не могло преодолеть силу земного притяжения и падало назад, и чем крупнее были падающие тела, тем посильнее разогревали они Землю. Энергия падающих тел освобождалась уже не на поверхности, а в глубине планетки, не успевая излучиться в место.
Хотя начальная смесь веществ могла быть однородной в большенном масштабе, разогрев земной массы вследствие гравитационного сжатия и бомбардировки ее осколками привел к расплавлению консистенции и возникшие воды под действием тяготения отделялись от оставшихся жестких частей. Постепенное перераспределение вещества по глубине в согласовании с плотностью должно было привести к его расслоению на отдельные оболочки. Более легкие вещества, богатые кремнием, отделялись от более плотных, содержащих железо и никель, и создавали первую земную кору. Спустя приблизительно млрд лет, когда Земля значительно охладилась, земная кора затвердела, превратившись в крепкую внешнюю оболочку планетки. Остужаясь, Земля выкидывала из собственного ядра огромное количество разных газов (как правило это происходило при извержении вулканов) — легкие, такие как водород и гелий, большей частью улетучивались в галлактическое место, но потому что сила притяжения Земли была уже довольно велика, то задерживала у собственной поверхности более томные. Они как раз и составили базу земной атмосферы. Часть водяных паров из атмосферы сконденсировалась, и на Земле появились океаны.
Блуждающие плиты
Тектоника плит — это основной процесс, который в значимой степени сформировывает вид Земли. Слово «тектоника» происходит от греческого «тектон» — «строитель» либо «плотник», плитами же в тектонике именуют кусочки литосферы. Согласно этой теории литосфера Земли образована циклопическими плитами, которые присваивают нашей планетке мозаичную структуру. По поверхности Земли движутся не материки, а литосферные плиты. Медлительно передвигаясь, они увлекают за собой материки и океаническое дно. Плиты сталкиваются вместе, выдавливая земную твердь в виде горных хребтов и горных систем, либо продавливаются вглубь, создавая сверхглубокие впадины в океане. Их могучая деятельность прерывается только короткими трагическими событиями — землетрясениями и извержениями вулканов. Практически вся геологическая активность сосредоточена повдоль границ плит.
То, что плиты передвигаются, полностью подтверждено (при помощи спутников можно точно измерить изменение расстояния меж 2-мя точками на различных плитах и найти скорость их перемещения), но механизм их движения все еще до конца неизвестен. Существующая теория разъясняет движение плит тем, что возникающие в толще мантии жаркие зоны выбрасывают к поверхности нагретое подвижное вещество — плюмы, которые своим напором принуждают материки сдвигаться.
Вопрос о том, когда процессы плитовой тектоники появились в первый раз, дискуссируется посреди профессионалов уже более 3-х десятилетий. Поначалу числилось, что они сравнимо молоды — всего несколько сот миллионов лет, но в связи с новыми данными их возраст может быть «отодвинут» глубоко в архейскую эру. Если это предположение подтвердится, то придется признать, что приблизительно 2,5 миллиардов. годов назад Земля выделяла термическую энергию на поверхность таким же образом, как и сейчас.
К огорчению, теория тектоники плит не разъясняет, как движение плит связано с процессами, происходящими в глубине планетки, потому нужна другая теория, описывающая не только лишь строение и передвижение литосферных плит, да и внутреннее строение самой Земли, и те процессы, которые происходят в ее недрах. Но разработка таковой теории связана с большенными трудностями, потому что просит совместных усилий геологов, геофизиков, физиков, химиков, математиков и географов. И все же пробы ее сотворения не прекращаются.
Глубинное тепло
Весной 2001 года Алессандро Форте из института Западного Онтарио и Джерри Митровица из института Tоронто в Канаде представили свою модель, согласно которой большие потоки жаркой породы (плюмы) размером с материк, медлительно поднимающиеся из глубочайших недр земли, являются настоящей движущей силой для дрейфа материков, землетрясений, извержений вулканов и даже конфигураций климата. Первым толчком для сотворения этой модели послужили изображения внутренней структуры Земли, приобретенные при помощи сейсмической томографии (многолучевого просвечивания Земли сейсмическими волнами от огромного числа землетрясений, принимаемых сетью сейсмостанций).
Изумительные изображения мантии, от подошвы земной коры до границы «мантия—ядро», демонстрировали, что на окраинах Тихого океана, глубоко под его дном, имеются две необъятные дугообразные области, где скорости сейсмических волн растут, а под центральной частью Атлантического океана и под Африкой имеются две такие же большие струеобразные области, в каких скорости сейсмических волн уменьшаются. Потому что окраины Тихого океана являются зонами, где прохладные плотные части тектонических плит опускаются в Землю, «быстрые» зоны верно отметили эти области, где плиты тяжеленной материи опущены в Землю в направлении ее ядра.
Согласно принятому воззрению «медленные» области являются просто большими инертными вкраплениями, которые остались, по существу, постоянными с момента формирования Земли. Но Форте и Митровица обосновали, что эти выделяющиеся особенности в реальности подымаются к поверхности, подобно баллонам с жарким воздухом. Для обоснования собственной модели они использовали результаты бессчетных исследовательских работ: от маленьких вариантов вращения Земли и гравитационного поля до драматических прогибов континентальных областей, таких как Южная Африка, которая сейчас находится на 1 000 м выше, чем Северная. Согласно их догадке жесткая Земля «вспенивается» типичным 4-поршневым термическим движком (с 2-мя большими опускающимися прохладными плитами и с 2-мя такими же большими поднимающимися жаркими потоками), который, фактически, и передвигает материки, и «управляет» землетрясениями, и даже оказывает влияние на конфигурации климата.
И хотя ученым предстоит еще много поработать, чтоб выведать все потаенны недр земли, уже сейчас мы знаем, что наша планетка активна и оживленна, что она изменялась и развивалась с момента собственного образования и до сего времени не обнаруживает признаков спокойствия.
Работа для неразлучных
Очень принципиальные сведения о Земле дают измерения силы тяжести в разных точках земного шара, также измерения силы и направления ее магнитного поля. Ученые считают, что анализ гравитационных полей поможет осознать, как идет процесс восстановления планетки после ледникового периода, также предпосылки увеличения уровня Мирового океана. Для сбора очень четких данных о гравитационном поле два полностью схожих спутника были выведены в 2002 году на совсем однообразные орбиты на высоте 500 км над Землей. Расстояние меж ними составляет 220 км. Во время движения над поверхностью Земли спутники испытывают воздействие гравитации, то ускоряющей, то замедляющей их движение. Подразумевается, что приобретенные таким макаром данные будут в 1 000 раз поточнее современных. Когда расстояние меж аппаратами малость изменяется, конфигурации фиксируют микроволновым дальномером с точностью до тысячных толикой мм. Спутники GRACE будут нести свою службу в течение 5 лет. Не считая сбора данных о гравитационном поле Земли в их задачку будет заходить исследование полярных областей и внутреннего строения нашей планетки.
Людмила Князева
