Глубоко под нашими ногами, на расстоянии 5180 километров от поверхности, вращается раскаленный железный шар размером почти с Луну. Его температура сравнима с поверхностью Солнца — около 5400 градусов Цельсия. Это внутреннее ядро Земли, и оно только что совершило нечто удивительное: замедлило вращение настолько, что теперь движется в обратном направлении относительно поверхности планеты.
Открытие прозвучало как сюжет научно-фантастического романа, но речь идет о вполне реальном явлении, которое ученые наблюдали, изучали и наконец подтвердили после двух десятилетий споров.
Невидимый мир
Никто никогда не видел внутреннее ядро Земли. Никакая буровая установка не способна проникнуть сквозь тысячи километров раскаленных пород. Никакая камера не выдержит чудовищного давления в 3,6 миллиона атмосфер — это в три миллиона раз больше, чем давление воздуха на уровне моря.
О существовании твердого ядра человечество узнало лишь в 1936 году благодаря датскому сейсмологу Инге Леманн. Она заметила, что сейсмические волны от землетрясений ведут себя странно, словно проходят сквозь что-то плотное в самом центре планеты. Так было открыто твердое железо-никелевое ядро, окруженное жидкой металлической оболочкой.
Но как изучать то, что невозможно увидеть? Ученые нашли способ — они превратили землетрясения в своеобразный рентген планеты.
«Мы изучаем внутреннее ядро примерно так же, как врачи изучают человеческое тело с помощью рентгена — не вскрывая пациента», — объясняет принцип исследований современная геофизика.
Момент истины: 2023 год
В январе 2023 года китайские ученые Сяодун Сун и И Ян из Пекинского университета опубликовали исследование, которое перевернуло представления о глубинных процессах Земли. Проанализировав сейсмические волны от землетрясений с 1960-х годов, они обнаружили поразительную закономерность.
Траектории волн, проходящих через внутреннее ядро, изменились. До 2009 года волны демонстрировали устойчивый паттерн, указывающий на вращение ядра в одном направлении. Но затем изменения в волнах замедлились, почти остановились, а к 2020 году данные говорили: ядро начало вращаться в противоположную сторону.
«Мы видим убедительные доказательства того, что внутреннее ядро вращалось быстрее поверхности, но около 2009 года оно почти остановилось, — заявил Сяодун Сун. — Теперь оно постепенно движется в противоположном направлении».
Ученые предположили: это не аномалия, а циклический процесс. Внутреннее ядро движется как качели с периодом около 70 лет, меняя направление каждые 35 лет. Последний раз подобный разворот, по их расчетам, произошел в начале 1970-х годов.
Битва гипотез
Научное сообщество отреагировало неоднозначно. Исследование вызвало волну дискуссий, которые не утихают до сих пор.
Джон Видейл, профессор наук о Земле из Университета Южной Калифорнии, признал работу китайских коллег превосходной, но его собственные данные рисовали другую картину. В 2022 году он опубликовал результаты анализа сейсмических волн от ядерных испытаний конца 1960-х, которые показывали: ядро колеблется гораздо быстрее, меняя направление каждые 6 лет, а не 70.
Австралийский геофизик Хрвойе Ткалчич предложил третью версию: полный цикл движения ядра занимает 20-30 лет. По его мнению, значительные изменения происходили только с 2001 по 2013 год, после чего ядро оставалось относительно неподвижным.
Некоторые ученые вообще оспаривали идею независимого вращения ядра. Лянсин Вэнь из Университета Стоуни-Брук утверждал, что изменения в сейсмических волнах вызваны не вращением, а изменениями формы поверхности ядра — своего рода «оползнями» или поднятиями на сотни метров.
«У нас были разные идеи, и мы просто пытались выяснить: колеблется ли ядро? — говорил Видейл. — Мы спорили об этом 20 лет».
Подтверждение: 2024 год
Прорыв наступил в июне 2024 года, когда команда Джона Видейла опубликовала новое исследование в журнале Nature. На этот раз данные были неопровержимы.
Ученые проанализировали 121 пару повторяющихся землетрясений у островов Южный Сэндвич в Южной Атлантике в период с 1991 по 2023 год. Они также использовали данные советских ядерных испытаний 1971-1974 годов и французско-американских тестов.
Результат был однозначен: внутреннее ядро действительно замедлилось около 2010 года и начало двигаться назад относительно мантии Земли. Изменения следовали 70-летнему циклу.
«Когда я впервые увидел сейсмограммы, указывающие на эти изменения, я был озадачен, — признался Видейл. — Но когда мы нашли еще два десятка наблюдений, демонстрирующих тот же паттерн, результат стал неоспоримым. Внутреннее ядро замедлилось впервые за много десятилетий».
Дополнительное подтверждение пришло в феврале 2025 года, когда та же команда обнаружила, что ядро не просто вращается по-другому — оно еще и меняет форму.
«Впервые мы видим, что оно деформируется, — заявил Видейл. — Почти научная фантастика — представить, что происходит на поверхности внутреннего ядра».
Почему ядро меняет направление?
Что заставляет массивный железный шар размером с Луну менять направление вращения?
Ответ кроется в сложной игре сил. Внутреннее ядро находится в постоянном перетягивании каната между двумя могущественными игроками: магнитным полем и гравитацией.
Магнитное поле. Жидкая металлическая оболочка внешнего ядра находится в постоянном движении. Это бурлящий океан расплавленного железа и никеля, температура которого достигает 4500-5500 градусов. Движение проводящей жидкости генерирует электрические токи, а те, в свою очередь, создают магнитное поле Земли — защитный щит, оберегающий планету от смертоносной солнечной радиации.
Это же магнитное поле тянет за внутреннее твердое ядро, заставляя его вращаться. Когда характер движения жидкости во внешнем ядре меняется, меняется и воздействие на внутреннюю часть.
Гравитационное влияние. Каменная мантия Земли неоднородна. В ней есть более плотные и менее плотные области. Эти неоднородности создают гравитационные вариации, которые тянут за внутреннее ядро, словно пытаясь притянуть его к определенному положению.
Внутреннее ядро постоянно ищет гравитационное равновесие, но поскольку и мантия, и внешнее ядро не стоят на месте, это равновесие постоянно смещается.
«Толкание и притягивание этих сил на протяжении многих десятилетий вызывают вариации в скорости вращения ядра», — объясняет Видейл.
Небольшой дисбаланс между электромагнитными и гравитационными силами может замедлить и даже обратить вращение ядра. Когда одна сила временно перевешивает другую, ядро замедляется, останавливается и начинает двигаться в обратную сторону.
Последствия для жизни на поверхности
Может ли то, что происходит на глубине пяти тысяч километров, повлиять на нашу повседневную жизнь?
Длительность суток
Самый прямой эффект — изменение продолжительности дня. Когда внутреннее ядро замедляется или ускоряется, это влияет на общую скорость вращения Земли через перераспределение углового момента.
В 2022 году был зафиксирован самый короткий день за всю историю инструментальных наблюдений — 29 июня Земля совершила оборот на 1,59 миллисекунды быстрее обычного. Ученые связывают подобные аномалии с процессами в ядре.
«Изменение может составлять тысячные доли секунды, почти теряющиеся в шуме от движения океанов и атмосферы», — отмечает Видейл.
Для человека эти изменения незаметны. Но для высокоточных систем — GPS, спутниковой навигации, синхронизации телекоммуникационных сетей — даже доли секунды имеют значение. Инженерам приходится периодически добавлять «високосные секунды», чтобы компенсировать изменения в скорости вращения Земли.
Исследования показали наличие нескольких циклических колебаний в длительности суток: 5,9-летние осцилляции, 8,6-летний цикл с возрастающей амплитудой и 70-летний мультидекадный цикл — именно тот, который связан с вращением внутреннего ядра.
Магнитное поле Земли
Более тревожная перспектива касается магнитного поля планеты. Хотя прямая роль внутреннего ядра в генерации поля до конца не ясна, ученые полагают, что изменения в его вращении могут влиять на поведение магнитного щита.
Магнитное поле не статично. Магнитный северный полюс постоянно дрейфует — в последние десятилетия он ускорил движение от Канады к Сибири, проходя около 55 километров в год вместо прежних 10-15.
Кроме того, поле периодически ослабевает. За последние 170 лет оно потеряло около 10% своей силы. А в более отдаленном прошлом происходили полные инверсии — магнитные полюса менялись местами. Последняя инверсия случилась около 780 тысяч лет назад.
«Может ли замедление ядра повлиять на магнитное поле? Это вполне вероятно, — говорит Видейл. — Это немного нарушает нашу навигацию».
Исследования 2020 года обнаружили тесную связь между 8,6-летними колебаниями продолжительности дня и геомагнитными рывками — резкими изменениями магнитного поля. Оба явления, по-видимому, происходят от одного источника: быстрых экваториальных волн, распространяющихся на поверхности внешнего ядра.
Сейсмическая активность и климат
Некоторые ученые идут еще дальше, предполагая, что циклы вращения ядра могут коррелировать с долгосрочными изменениями в сейсмической активности, уровне мирового океана и даже климатическими флуктуациями.
70-летний цикл вращения ядра удивительным образом совпадает с мультидекадными колебаниями, обнаруженными в данных о глобальном уровне моря, температуре поверхности и даже дипольном моменте магнитного поля.
«Это указывает на резонирующую систему с мультидекадным периодом, от внутреннего ядра до поверхности», — пишут китайские исследователи.
Земля оказывается не набором изолированных слоев, а единой динамической системой, где изменения в одной части влекут за собой последствия в других — от глубин в 5000 километров до атмосферы.
Живая планета
Февральское исследование 2025 года добавило еще один уровень сложности. Анализ около 200 пар землетрясений показал: поверхность внутреннего ядра не просто вращается — она меняет форму.
Сейсмические волны выявили деформации на границе между твердым внутренним и жидким внешним ядром — там, где условия настолько экстремальны, что железо ведет себя иначе, чем где-либо еще во Вселенной.
«Возможно, топография поднимается и опускается. Возможно, происходят своего рода оползни, — размышляет Видейл. — Наиболее вероятно, что внешнее ядро просто толкает внутреннее ядро и немного перемещает его».
Граница между двумя ядрами может быть более пластичной, чем думали ранее. Под воздействием бурлящих потоков жидкого железа внешнего ядра, твердая поверхность внутреннего может деформироваться, образуя временные возвышения и впадины.
Этот процесс напоминает то, как приливные силы Луны деформируют земную кору, создавая приливы и отливы в океанах. Но здесь речь идет не о воде, а о раскаленном железе под давлением миллионов атмосфер.
Что дальше?
Несмотря на прорывы последних лет, вопросов остается больше, чем ответов.
Прогноз на будущее. Если 70-летний цикл реален, то ядро должно продолжить обратное вращение еще около 20 лет, а затем снова остановиться и начать ускоряться в прежнем направлении. Видейл и его коллеги прогнозируют, что ускорение начнется в период с 2030 по 2035 год.
«Мы думаем, что ядро движется относительно поверхности Земли в одном направлении, а затем в другом, как качели», — объясняют Сун и Ян.
Механизмы. Точные механизмы, управляющие этим циклом, остаются неясными. Как именно взаимодействуют электромагнитные и гравитационные силы? Почему период составляет именно 70 лет, а не 50 или 100? Какова роль внутреннего ядра в генерации магнитного поля?
«Танец внутреннего ядра может быть еще более живым, чем мы знаем на данный момент», — говорит Видейл.
Структура ядра. Внутреннее ядро неоднородно. Сейсмические волны распространяются через него с разной скоростью в зависимости от направления — явление, называемое анизотропией. Это говорит о сложной внутренней структуре, возможно, с выровненными кристаллами железа или слоистостью.
Ядро медленно растет по мере остывания планеты — примерно на 0,5-1 миллиметр в год. За время своего существования (1-1,5 миллиарда лет) оно увеличилось до нынешних размеров. Но растет ли оно равномерно? Или процесс кристаллизации железа из внешнего ядра происходит неравномерно, создавая структурные неоднородности?
Методы исследования. Будущее изучения ядра связано с новыми технологиями. Ученые надеются на более плотные сети сейсмических станций, более совершенные алгоритмы обработки данных и, возможно, принципиально новые методы «просвечивания» планеты.
Некоторые предлагают использовать нейтрино — элементарные частицы, которые свободно проходят сквозь материю. Нейтринные детекторы могли бы дать совершенно новый взгляд на состав и структуру ядра.
Зачем это важно?
Может показаться, что вращение ядра — экзотическая тема, не имеющая практического значения. Но это не так.
Понимание планеты. Изучение внутреннего ядра помогает понять, как формировалась Земля, как эволюционировала ее внутренняя структура, как взаимодействуют различные слои планеты.
«Мы надеемся, что наше исследование мотивирует ученых разрабатывать и тестировать модели, рассматривающие Землю как интегрированную динамическую систему», — пишут авторы исследования 2023 года.
Магнитное поле. Без магнитного поля жизнь на Земле в ее нынешнем виде была бы невозможна. Солнечный ветер — поток заряженных частиц от Солнца — разрушил бы атмосферу, как это произошло на Марсе миллиарды лет назад.
Понимание того, как работает геодинамо, как ядро генерирует и поддерживает магнитное поле, критически важно для долгосрочного будущего цивилизации.
Предсказание изменений. Если ученые научатся точно моделировать поведение ядра, они смогут предсказывать изменения в магнитном поле, геомагнитные рывки, вариации в продолжительности суток.
Это важно для навигационных систем, спутников связи, электрических сетей, которые уязвимы к геомагнитным бурям.
Другие планеты. Понимание динамики земного ядра поможет в изучении других планет. У Меркурия есть магнитное поле, хотя планета крошечная. У Венеры нет, хотя она почти близнец Земли по размеру. Почему?
Марс когда-то имел магнитное поле, но потерял его. Что произошло? Может ли подобное случиться с Землей?
Тайна, которая остается
После почти столетия изучения, после тысяч землетрясений, проанализированных сейсмических волн, десятков исследований и жарких научных дебатов, внутреннее ядро Земли остается одним из самых загадочных мест в Солнечной системе.
Мы отправили зонды к границам Солнечной системы, сфотографировали черные дыры, обнаружили гравитационные волны. Но до сих пор не можем с уверенностью сказать, что именно происходит в пяти тысячах километров под нашими ногами.
Внутреннее ядро остается недоступным — горячее, как поверхность Солнца, сжатое под давлением миллионов атмосфер, скрытое под слоями раскаленных пород. Никакой инструмент не сможет туда проникнуть. Мы можем только слушать эхо землетрясений и пытаться расшифровать послания, которые шлет нам железное сердце планеты.
«Мы все еще пытаемся выяснить, как внутреннее ядро меняется со временем, — говорит Видейл. — Нам нужно разобраться в этом. Это наша обязанность».
И пока где-то там, глубоко внизу, железный шар размером с Луну продолжает свой медленный танец — вращается, замедляется, останавливается и начинает новый цикл. Цикл, который длится дольше человеческой жизни. Цикл, от которого зависит магнитное поле, защищающее все живое на поверхности. Цикл, который мы только начинаем понимать.