Большую часть того, что мы знаем о внутренней структуре Земли, нам дала сейсмология – наука о том, как упругие колебания, например звуковые волны, распространяются в недрах Земли. Но мы не можем позволить себе такую роскошь, как проведение сейсмических измерений на других планетах. Пока только на Луне имеется несколько активных сейсмометров, оставленных астронавтами программы «Аполлон», несколько сейсмометров будут доставлены на Марс в рамках будущей миссии InSight. Не густо, но пока это все, что у нас есть. Поэтому нам необходимы другие способы наблюдений. Основной способ – взвесить планету и потом вычислить ее массу. На Земле мы можем с легкостью это сделать, поместив нужный нам объект на весы. Вес объекта – это взаимное притяжение между массой Земли и массой объекта. Таким образом, мы измеряем не только вес объекта, находящегося на Земле, но и вес Земли, находящейся на объекте (если можно так выразиться). Зная также окружность и радиус Земли, которые были впервые рассчитаны древнегреческим философом Эратосфеном, мы можем вычислить массу нашей планеты, а также ее плотность и таким образом произвести приблизительную оценку ее состава. Средняя плотность Земли составляет около 5,5 г/см³, что можно сравнить с плотностью воды (1 г/см³), или камешка, который можно подобрать на дороге (2–3 г/см³), или с большинством металлов, чья плотность составляет около 10 г/см³ (железо – около 8 г/см³, золото – около 20 г/см³). Таким образом, Земля обладает большей плотностью, чем большинство горных пород, но она легче, чем большинство металлов, хотя мы также знаем, что плотность Земли становится выше, чем обычно, в глубине ее недр, где наблюдается экстремальное давление.
Массу других планет можно вычислить путем измерения того, как гравитация планеты влияет на движение проходящего рядом с ней спутника; например, мы можем взвесить Землю, зная орбитальный период Луны (лунный цикл) и расстояние до ее орбиты (с помощью некоторых астрономических измерений: сегодня это в основном метод лазерной локации Луны). Мы также можем узнать чуть больше о внутренних слоях и структуре планеты, наблюдая за осью вращения планеты, которая крутится подобно волчку (это явление называется прецессией). Эта информация может сообщить нам, есть ли в центре планеты плотное ядро. У Земли такое ядро есть, как и у большинства других планет земной группы, за исключением, вероятно, Луны, о чем говорилось в предыдущей главе. Другие измерения со спутников дают более подробные данные, а горные породы, излитые в виде магмы из вулканов, информируют о химическом составе некоторых внутренних областей Земли (подробнее поговорим об этом ниже).
И все же большую часть информации о структуре Земли мы получаем именно с помощью сейсмологии. Для этого необходимо, чтобы мощный источник звука, вроде взрыва, создавал достаточно сильные волны, которые проходят планету насквозь и выходят с другой стороны. Из‑за тектоники плит, про которую мы поговорим совсем скоро, часто происходят сильные землетрясения, которые и служат источником звука. Эти звуковые волны проходят через все более глубокие слои со всевозрастающей (обычно) скоростью звука и доходят до различных сейсмографов на сейсмических станциях по всему миру с разными средними скоростями – в зависимости от того, насколько глубоко они проходили (в более глубоких слоях волны, как правило, движутся быстрее). Эти волны, зарегистрированные на разных сейсмических станциях, затем используются для создания карты, точнее, инфразвуковой картины глубинных слоев Земли.
Благодаря сейсмологии мы смогли узнать о многих слоях, лежащих под поверхностью нашей планеты, но три из них наиболее примечательны: сравнительно тонкая кора, состоящая из легких осадочных горных пород (которые в некоторых частях стали толще с течением времени по мере разрастания материков; более подробно об этом ниже); очень плотная мантия, состоящая из более тяжелых пород и занимающая почти половину радиуса Земли, и, наконец, еще более плотное, в основном состоящее из железа ядро, на долю которого приходится вторая половина радиуса Земли. Но так как мантия «обернута» вокруг ядра, ее объем намного больше объема ядра. Действительно, мантия составляет более 80 % общего объема Земли. (Этот факт определяется простой геометрией: объем шара пропорционален кубу его радиуса, так что если ядро составляет половину радиуса Земли, то, соответственно, это одна восьмая часть ее объема, значит, около семи восьмых объема будет приходиться на мантию.)
Для измерения плотности слоев Земли сейсмологи используют различные виды упругих волн, проходящих через внутреннюю часть планеты. Наиболее быстро движущиеся сейсмические волны – звуковые волны – вызваны сжатием и расширением, которые происходят в любой среде. Причиной появления еще одних быстрых волн является сгибание (деформирование) и разгибание вещества, подобно тому как образуются волны на натягиваемой нитке. Эти волны могут проходить только через твердые тела, так как жидкости не могут «разогнуться» сами по себе, если они были деформированы. Скорость этих двух типов волн может быть использована, чтобы узнать, насколько легко вещество подвергается сжатию под действием сильного давления, и, исходя из этого, уже можно вычислить его плотность. (Есть еще два типа сейсмических волн, которые являются более медленными и передаются только по поверхности Земли. Эти волны вызывают сотрясение грунта и его сдвиги и таким образом приводят к разрушительным последствиям землетрясений.)
Используя эти волны, сейсмологи пришли к выводу, что массивное ядро Земли состоит в основном из жидкости, обладая плотностью, характерной для таких металлов, как железо. В частности, так как чистые «изгибные» волны, которые рождаются от землетрясений по всей планете, не могут пройти через ядро Земли, это означает, что оно жидкое. Тем не менее более детальные исследования показали, что внутри этого жидкого железного ядра находится твердое внутреннее ядро, которое также состоит из железа и, скорее всего, медленно остывает и твердеет – как замерзающее озеро, только перевернутое вверх ногами. На самом деле существуют еще более детальные измерения, которые показывают, что и мантию Земли, и земную кору следует делить на разные слои, но мы не будем на этом останавливаться и двинемся дальше.
Сейсмология позволяет нам взглянуть на структуру Земли с точки зрения физики. Например, мы можем определить плотность слоев или узнать, что одни части мантии Земли могут быть горячее или холоднее, чем другие. Но сейсмология не дает сведений о химических свойствах. Химический состав земных недр в основном определяется путем исследования поверхностных горных и вулканических пород, которые были извержены из недр Земли, а также метеоритов и даже Солнца, которое отражает исходный химический состав всей Солнечной системы. Средний химический состав Земли – это то, что мы могли бы вычислить, если бы все слои планеты были однородно перемешаны. Вероятно, это было бы нечто вроде неизмененных
