Экстремальные условия внутренней Земли делают невозможным исследование. Но сейсмические волны во время землетрясений, извержений вулканов и световых волн от Солнца - все это помогло раскрыть завораживающие представления о мантии, коре и ядре нашей планеты.
Последняя граница - это не пространство: Это сама Земля. Мы отправили людей на Луну, роботов на Марс и космический зонд "Новые горизонты" в 3,26 миллиарда миль от Земли, чтобы сфотографировать Плутон, в то время как всего лишь 4000 миль под нашими ногами, непостижимая жара и давление удерживают центр Земли манящей в недоступном месте. Но ученым удалось разгадать, что внутри Земли, включая оливково-зеленые кристаллы и море расплавленного железа, изучив метеориты, извержения вулканов и сейсмические волны от землетрясений.
"Мы ходим и исследуем другие планеты, но во многих отношениях, войдя в Землю и выяснив, что внутри нее, на самом деле технологически сложнее, чем отправиться в космос", - говорит Ведран Лекич, сейсмолог из Университета Мэриленда.
На Земле есть четыре основных слоя: кора, мантия, внешнее и внутреннее ядро, а также зоны перехода между этими слоями. Мир, который мы знаем, лежит на тектонических плитах, составляющих земную кору, толщина которых варьируется от трех миль до более 40. Под земной корой лежит мантия, слой горной породы, составляющий 84 процента от объема Земли. Скалы в верхней мантии белоснежные, но если бы их можно было охладить до комнатной температуры, они были бы крапчато оливково-зеленые благодаря минеральному оливину - вы могли бы знать его как августовский перидот камня рождения. "Я думаю, что верхняя мантия была бы великолепна, потому что она была бы оливково-зеленой, на 60 процентов, и в ней также были бы гранаты, эти прекрасные красные кубические минералы", - говорит Венди Мао, физик-минералог из Стэнфордского университета.
Глубже в мантии тепло и давление перенастраивают атомы, составляющие оливин, на два новых минерала - бриджманит и ферропериклаз, которые при комнатной температуре являются коричневато-оранжевыми и желтыми. Под каменистой мантией находится внешнее ядро вспенивающегося жидкого железа (и немного никеля), окружающее внутреннее ядро твердого железа (опять же с некоторым количеством никеля), которое примерно на 70 процентов больше размера Луны. Центр Земли почти так же горяч, как поверхность Солнца, около 9800 градусов по Фаренгейту, с давлением, которое делает сжимающие силы на дне океана похожими на детскую игру.
Но мы не были ни в одном из этих мест внутри Земли. Мы их не видели. Мы не посылали камеры или зонды, чтобы вернуть образцы железа, светящегося как угольные угли. Так откуда мы знаем, что там?
Землетрясения Раскрытие структуры
Когда тектонические плиты, составляющие земную кору, проходят мимо друг друга, они иногда ловят и ломаются. Этот разрыв вместе с волнами энергии, которые идут с ним, называется землетрясением. Сейсмические волны развязываются, звуковые волны слишком низкие, чтобы мы могли их услышать, перемещаются далеко от источника и могут сказать ученым, когда и где произошло землетрясение.
Обнаружение сейсмических волн не ново. Китайский ученый Чжан Хэн построил ранний сейсмометр почти 2000 лет назад. Но в 1889 году ученые сделали прорыв в их использовании, чтобы понять нашу планету. Тогда немецкий исследователь недалеко от Берлина обнаружил землетрясение, но возникла проблема: в тот день поблизости не было землетрясений. Оказывается, было землетрясение - в Японии, и его сейсмические волны достигли Германии более чем через час после удара. Это стало поворотным моментом в современной сейсмологии.
Лекич сравнивает сейсмологию с тем, как мы используем рентгеновские лучи, чтобы видеть внутри человеческого тела - разная плотность наших мышц, органов и костей означает, что рентгеновские лучи проходят через них (или отклоняются ими) по-разному. "Мы не можем посылать рентгеновские снимки через Землю, потому что рентгеновские снимки не пройдут через нее весь путь", - говорит он. "Вместо этого мы используем сейсмические волны".
Землетрясения посылают наземные вибрации по всей нашей планете, и они распространяются по всему миру по-разному. Сейсмометры регистрируют эти вибрации, что может дать представление о том, что находится внизу, объясняет Лекич: "Мы можем использовать компьютерное моделирование, чтобы попытаться сделать изображения того, что находится внутри Земли, и эти изображения, по сути, говорят нам о том, как быстро сейсмические волны проходят через различные части Земли".
Сейсмологи интерпретируют данные землетрясений и даже моделируют сейсмическую активность с помощью воздушных пушек и взрывов, и их работа показала, что в недрах Земли есть различные слои, некоторые из которых пропускают сейсмические волны легче, чем другие. Они даже могут сказать нам о плотности этих слоев. Затем другая ветвь ученых, называемая физиками-минералами, взяла ее оттуда, чтобы определить, что же на самом деле составляет эти слои.
Чтение минералов
"Существуют астрономические и космические химические ограничения для понимания того, что является вероятными строительными блоками нашей планеты", - говорит Эндрю Кэмпбелл, физик-минералог из Чикагского университета. В принципе, распределение элементов на Земле должно приблизительно совпадать с распределением элементов, присутствующих в метеоритах и на Солнце.
"Материал, который мы имеем в Солнечной системе, из которого мы могли бы сделать планету, должен быть таким же, как на Солнце", - объясняет Кэмпбелл. Это происходит потому, что химические реакции внутри звезд порождают элементы, из которых состоят планеты, подобные Земле. Глядя на длины волн света, которые излучает Солнце, и сравнивая эти длины волн со светом, отскакивающим от известных элементов, ученые могут получить химический состав Солнца".
Свет показывает, что есть много кремния, кислорода, магния и железа, наряду с другими элементами, такими как калий и кальций, говорит Кэмпбелл. Относительное количество элементов на Солнце похоже на то, что мы видим в некоторых примитивных метеоритах, добавляет он, что "усиливает наше понимание того, что эти примитивные метеориты представляют собой строительные блоки, из которых мы можем собирать земные планеты". И это включает в себя Землю".
Эти подсказки из-за пределов Земли могут дать нам представление о ключевых игроках в составе планеты, как и вулканические породы, которые содержат куски земной мантии. Затем физики-минералы, такие как Кэмпбелл и Мао, выясняют, как эти элементы должны быть распределены, чтобы данные сейсмологии сложились.
"Я бы утверждал, что именно так мы понимаем, что ядро Земли богато железом, а не каким-то другим тяжелым элементом", - говорит Кэмпбелл. Сейсмология говорит нам, что Земля имеет твердое, плотное ядро. Так как Солнце и метеориты содержат больше железа, чем другие тяжелые элементы, такие как кобальт, никель или хром, он говорит: "Мы знаем, что железо - это действительно большая часть строительных блоков, из которых мы собираемся".
Физики-минералы также находят способы имитировать условия внутри Земли, которые влияют на материалы, из которых она состоит. Например, Мао проводил исследования, чтобы узнать, как железо в ядре Земли могло осесть там уже давно, медленно прокладывая свой путь через скалистую мантию. Для моделирования интенсивного давления внутри Земли она использует так называемую алмазную наковальню. "Мы берем два бриллианта, а затем, в основном, отсекаем кончик, берем ту небольшую площадь поверхности, помещаем между ними маленький образец, а затем сжимаем спины", - говорит она. Так как сила сосредоточена на такой небольшой площади поверхности, примерно равной ширине человеческого волоса, то ее составной частью является давление, сопоставимое с давлением в глубине планеты".
"Одна из самых захватывающих, но в то же время и разочаровывающих частей этих исследований заключается в том, что мы не можем опуститься на такую глубину", - говорит Мао. "Есть теория, которая имеет смысл, которая согласуется с экспериментальными данными, потому что мы можем попытаться подражать тому, что мы думаем, что условия, хотя и микронного размера".
И поскольку ученые не нашли способа добраться до центра Земли, сотрудничество между этими различными дисциплинами имеет решающее значение для понимания того, что лежит у нас под ногами. "Без совместной работы, - говорит Лекич, - вы не сможете по-настоящему понять планету".
