Как найти ядро земли

Люди заполнили Землю. Мы завоевывали земли, летали по воздуху, ныряли в глубины океана. Мы даже побывали на Луне. Но мы никогда не были в ядре планеты. Мы даже и близко к нему не подобрались. Центральная точка Земли находится в 6000 километрах внизу, и даже самая дальняя часть ядра находится в 3000 километрах под нашими ногами. Самая глубокая дыра, которую мы сделали на поверхности — это Кольская сверхглубокая скважина в России, да и то она уходит вглубь земли на жалкие 12,3 километра.

Все известные события на Земле происходят близко к поверхности. Лава, которая извергается из вулканов, сначала плавится на глубине нескольких сотен километров. Даже бриллианты, которым необходимо чрезвычайное тепло и давление для образования, рождаются в породах на глубине не более 500 километров.

Все, что ниже, окутано тайной. Кажется недостижимым. И все же мы знаем довольно много интересного о нашем ядре. У нас даже есть некоторое представление о том, как оно сформировалось миллиарды лет назад — и все без единого физического образца. Как же нам удалось узнать так много о ядре Земли?

Для начала нужно хорошо подумать о массе Земли, говорит Саймон Редферн из Кембриджского университета в Великобритании. Мы можем оценить массу Земли, наблюдая за эффектом гравитации планеты, который она оказывает на объекты на поверхности. Выяснилось, что масса Земли составляет 5,9 секстиллиона тонн: это 59 с двадцатью нулями.

Но на поверхности нет признаков такой массы.

«Плотность материала на поверхности Земли намного ниже, чем средняя плотность всей Земли, что говорит нам о том, что есть что-то более плотное, — говорит Редферн. — Это первое».

По существу, большая часть земной массы должна быть расположена по направлению к центру планеты. Следующим шагом будет выяснить, из каких тяжелых материалов состоит ядро. И оно состоит почти полностью из железа. 80% ядра — это железо, однако точную цифру еще придется выяснить.

Главным доказательством этого является огромное количество железа во Вселенной вокруг нас. Это один из десяти самых распространенных элементов в нашей галактике, который также часто встречается в метеоритах. При всем этом на поверхности Земли намного меньше железа, чем можно было бы ожидать. Согласно теории, когда Земли образовалась 4,5 миллиарда лет назад, много железа утекло вниз к ядру.

Там сосредоточена большая часть массы, а значит, и железо должно там быть. Железо также относительно плотный элемент при нормальных условиях, а под сильным давлением в ядре Земли оно будет еще плотнее. Железное ядро могло бы объяснить всю недостающую массу.

Но погодите. Как железо вообще там оказалось? Железо должно было каким-то образом притянуться — в буквальном смысле — к центру Земли. Но сейчас этого не происходит.

Большая часть остальной Земли состоит из горных пород — силикатов — и расплавленное железо с трудом через них проходит. Подобно тому, как вода на жирной поверхности образует капли, железо собирается в небольших резервуарах, отказываясь растекаться и разливаться.

Возможное решение было обнаружено в 2013 году Венди Мао из Стэнфордского университета и ее коллегами. Они задались вопросом, что происходит, когда железо и силикат подвергаются сильному давлению глубоко в земле.

Плотно сжимая оба вещества при помощи алмазов, ученым удалось протолкнуть расплавленное железо через силикат. «Это давление существенно изменяет свойства взаимодействия железа с силикатами, — говорит Мао. — При высоком давлении образуется «сеть плавления».

Это может говорить о том, что железо постепенно проскальзывало через породы Земли в течение миллионов лет, пока не достигло ядра.

В этот момент вы можете спросить: откуда мы, собственно, знаем размер ядра? Почему ученые считают, что оно начинается в 3000 километрах? Ответ один: сейсмология.

Когда происходит землетрясение, оно посылает ударные волны по всей планете. Сейсмологи записывают эти колебания. Будто бы мы бьем по одной стороне планеты гигантским молотом и прислушиваемся к шуму на другой стороне.

«В 1960-х годах произошло землетрясение в Чили, которое дало нам огромное количество данных, — говорит Редферн. — Все сейсмические станции по всей Земле записывали толчки этого землетрясения».

В зависимости от маршрута этих колебаний, они проходят через разные участки Земли, и это влияет на то, какой «звук» они издают на другом конце.

В начале истории сейсмологии стало очевидно, что некоторые колебания пропали без вести. Эти «S-волны» ожидали увидеть на другом конце Земли после происхождения на одном, но не увидели. Причина этому простая. S-волны реверберируют через твердый материал и не могут проходить через жидкость.

Должно быть, они столкнулись с чем-то расплавленным в центре Земли. Составив карту путей S-волн, ученые пришли к выводу, что на глубине примерно 3000 километров породы становятся жидкими. Это также говорит о том, что все ядро расплавленное. Но у сейсмологов был и другой сюрприз в этой истории.

В 1930-х годах датский сейсмолог Инге Леман обнаружила, что другой тип волн, P-волны, неожиданно прошли через ядро и были обнаружены на другом конце планеты. Сразу последовало предположение, что ядро разделено на два слоя. «Внутреннее» ядро, которое начинается в 5000 километрах внизу, были твердым. Расплавлено только «внешнее» ядро.

Идея Леман была подтверждена в 1970 году, когда более чувствительные сейсмографы показали, что P-волны действительно проходят через ядро и, в некоторых случаях, отражаются от него под некоторыми углами. Неудивительно, что в конце концов они оказываются на другой стороне планеты.

Ударные волны через Землю отправляют не только землетрясения. На самом деле, сейсмологи многим обязаны развитию ядерного оружия.

Ядерный взрыв тоже создает волны на земле, поэтому государства обращаются за помощью к сейсмологам во время испытания ядерного оружия. Во время холодной войны это было чрезвычайно важно, поэтому сейсмологи вроде Леман получили большую поддержку.

Конкурирующие страны узнавали о ядерном потенциале друг друга и параллельно с этим мы узнавали все больше и больше о ядре Земли. Сейсмология до сих пор используется для обнаружения ядерных взрывов сегодня.

Теперь мы можем нарисовать примерную картину строения Земли. Есть расплавленное внешнее ядро, которое начинается примерно на полпути к центру планеты, а внутри него расположено твердое внутреннее ядро с диаметром примерно 1220 километров.

Вопросов от этого не становится меньше, особенно на тему внутреннего ядра. К примеру, насколько оно горячее? Выяснить это оказалось не так-то просто, и ученые долгое время ломали голову, говорит Лидунка Вокадло из Университетского колледжа Лондона в Великобритании. Мы не можем засунуть туда термометр, поэтому единственный возможный вариант — это создать нужное давление в лабораторных условиях.

При обычных условиях железо плавится при температуре 1538 градусов

В 2013 году группа французских ученых произвели лучшую оценку на сегодняшний день. Они подвергли чистое железо давлению в половину того, что имеется в ядре, и отталкивались уже от этого. Температура плавления чистого железа в ядре составляет примерно 6230 градусов. Присутствие других материалов может немного снизить точку плавления, до 6000 градусов. Но это все равно горячее, чем на поверхности Солнца.

Будучи своего рода поджаренной картошкой в мундире, ядро Земли остается горячим, благодаря теплу, оставшемуся от образования планеты. Оно также извлекает тепло из трения, возникающего по мере движения плотных материалов, а также распада радиоактивных элементов. Остывает оно примерно на 100 градусов по Цельсию каждый миллиард лет.

Знать эту температуру полезно, поскольку она влияет на скорость прохождения колебаний через ядро. И это удобно, потому что в этих вибрациях есть что-то странное. P-волны проходят неожиданно медленно через внутреннее ядро — медленнее, чем если бы оно состояло из чистого железа.

«Скорости волн, которые сейсмологи измерили в землетрясениях, значительно ниже, чем показывает эксперимент или компьютерный расчет, — говорит Вокадло. — Никто пока не знает, почему так».

Очевидно, к железу примешивается другой материал. Возможно, никель. Но ученые посчитали, как сейсмические волны должны проходить через железо-никелевый сплав, и не смогли подогнать расчеты под наблюдения.

Вокадло и ее коллеги в настоящее время рассматривают возможность присутствия в ядре других элементов, например, серы и кремния. Пока никто не смог придумать теорию состава внутреннего ядра, которая удовлетворила бы всех. Проблема Золушки: туфелька никому не подходит. Вокадло пытается экспериментировать с материалами внутреннего ядра на компьютере. Она надеется найти комбинацию материалов, температур и давления, которые будут замедлять сейсмические волны на правильную величину.

Она говорит, что секрет может скрываться в том факте, что внутреннее ядро находится почти в точке плавления. В результате этого точные свойства материала могут отличаться от тех, что принадлежали бы совершенно твердому веществу. Также это могло бы объяснить, почему сейсмические волны проходят медленнее, чем ожидалось.

«Если этот эффект реален, мы могли бы примирить результаты минеральной физики с результатами сейсмологии, — говорит Вокадло. — Люди пока не могут этого сделать».

Существует еще много загадок, связаных с ядром Земли, которые еще предстоит решить. Но не имея возможности погрузиться на эти невообразимые глубины, ученые совершают подвиг, выясняя, что находится в тысячах километров под нами. Скрытые процессы недр Земли чрезвычайно важно изучать. У Земли есть мощное магнитное поле, которое генерируется благодаря частично расплавленному ядру. Постоянное движение расплавленного ядра порождает электрический ток внутри планеты, и он, в свою очередь, генерирует магнитное поле, которое уходит далеко в космос.

Это магнитное поле защищает нас от вредного солнечного излучения. Не будь ядро Земли таким, каким оно является, не было бы магнитного поля, а мы бы серьезно от этого страдали. Вряд ли кто-нибудь из нас сможет увидеть ядро своими глазами, но хорошо просто знать, что оно там есть.

Существование твердого ядра внутри нашей планеты было обнаружено, благодаря отражению от него сейсмических волн. Чувствительные приборы сейсмографов зафиксировали волны, оттолкнувшиеся от границ внутренней твердой поверхности земного ядра. Впервые об этом стало известно в 1936 году, от Инги Леманн, исследовательницы из Дании, а впоследствии граница была названа ее именем. Вскоре после обнаружения твердой внутренней структуры планеты, появилась гипотеза о высоком содержании в ядре железа, что было научно доказано в 1971 году.

Как изучают ядро Земли?

Практически любой шарообразный космический объект может иметь внутри ядро, иногда с простой, а чаще всего — с многослойное структурой. Внутри громадных небесных тел молекулы различных металлов могут значительно изменять наиболее свойственные им признаки, разрастаясь в кристаллы гигантских размеров. Одновременно они могут превращаться в жидкие формы, активно генерирующие электрическую энергию. Для астрофизической науки подобные метаморфозы внутреннего и внешнего ядер планеты представляются аномальными явлениями. Однако, без всех этих превращений внутри Земли, жизнь на ней могла и не возникнуть.

Изучать внутреннее устройство Земли, располагая современными техническими возможностями, представляется непростой задачей. Удалось измерить расстояние от его верхней оболочки до поверхности планеты, оно составляет 2,9 тысячи километров. Геологическая разведка пока не может бурить скважины до подобных глубин. Кроме того, температура раскаленного ядра проникает в нижние слои породы. Зонд, опущенный в Кольскую скважину, на глубине 12-ти километров показал значение, несовместимое с жизнью человека, которое равно 220-ти градусам выше нуля. Пока технологически сложно изготавливать чувствительную аппаратуру, которая может не только точно работать при таких температурах, но и возвращаться из скважин в первоначальной сохранности.

Обнадеживающие перспективы по устройству сверхглубоких скважин наталкиваются на необходимость преодоления литосферы, за которой лежит раскаленная мантия. Она состоит из металлов, расплавленных до пластичного состояния. Совсем недавно рассматривался научный проект, который предлагал небольшому зонду, размером с футбольный мяч, добраться до середины Земли. Если бы удалось изобрести материал, выдерживающий на протяжении какого-то времени температуру вулканической массы, расплавленной до показателей в +2-3 тысячи градусов, то такой аппарат мог бы всего за несколько дней попасть в ядро, вместе с потоком пластичного металла. Однако технологии производства супер материалов пока не достигли таких возможностей, и проект остался на бумаге.

Совершенствование методов изучения земного ядра по-прежнему остается в ведении сейсмологов. Любые сильные колебания поверхностного слоя Земли, такие как землетрясения, вулканическая деятельность или испытания мощных бомб, сначала расходятся по верхней оболочке планеты, а затем достигают глубоких недр. Подобно преломлению волн света, при их прохождении через стекло, колебания преодолевают твердую оболочку ядра. По характерным показателям силы и направления сейсмических волн, ученые в настоящее время могут рассчитывать величину и плотность ядра с достаточной точностью.

Существуют и побочные геологические признаки состояния земного ядра. Так, по состоянию магнитного поля планеты можно проследить динамику вращения ее плазменной сердцевины. Такая возможность случайно представилась, когда в работе телескопа Хаббл, находящегося на околоземной орбите, возникли перебои. При этом астрофизики смогли обнаружить изменения в направлении расплавленных потоков, оказывающих влияние на положение магнитных полюсов планеты.

Строение ядра Земли

Желание знать о собственном космическом доме как можно больше информации заставляет ученых находить методы изучения невидимого ядра Земли. На сегодняшний момент известно, что внутренняя масса планеты занимает около 15 % от всего объема. При этом, его масса определена в количестве 30 % от земной, что говорит о большой плотности вещества, из которого состоит ядро. Диаметр внутреннего тела составляет 7 тысяч километров, превосходя не только спутник, но даже соседнюю планету Марс. Ядро не однородно по своему составу, в нем имеется внутренняя часть, вращение которой происходит в обратном направлении, по отношению к его внешней оболочке.

Современные представления о структуре ядра позволяют видеть его, как взаимное динамичное вращение внутренней и внешней частей, которые двигаются в противоположных направлениях вокруг земной оси. Одно из них происходит с востока на запад, а другое, соответственно, навстречу. Температуру внутри планетарного ядра ученые оценивают близкой к 6-ти тысячам градусов. Высокая энергия, поддерживающая большую раскаленность ядра, примерно такую же, как у светила, обеспечивается не только ядерными реакциями, но и большой силой гравитационного сжатия. Известно, что оно может превышать давление в атмосферных слоях в 3,5 миллиона раз. В свою очередь, сила сжатия в ядре служит ускорителем для большей продуктивности ядерных реакций.

Внешнее ядро

Прямо под мантией находится внешний слой планетарного ядра, занимающего пространство на глубинах от 2,3 до 2,9 километров. Оно состоит из такого же расплавленного металла, как и более глубокие субстанции. Высокая температура и недостаточная плотность для образования металла позволяют ему оставаться в виде огромных жидких кристаллов. В этой внешней структуре происходит закручивание энергетических потоков, действующих под воздействием вращения планеты вокруг своей оси.

Оказалось, что Земле очень повезло с существованием у нее жидкой верхней оболочки ядра, так как она отвечает за состояние магнитного поля. Оно служит самым важным условием поддержания жизни всех биологических организмов на планете, потому что представляет собой своеобразный щит, способный задерживать солнечный ветер и другие космические частицы с опасными зарядами. Оказалось, что главной причиной выживания организмов стала работа магнитного поля, порожденного динамикой частиц железа и никеля внутри планеты. Периодический выход вулканических пород происходит в результате перегрева восходящих потоков расплавленной магмы, находящихся во внешней оболочке ядра.

Внутреннее ядро

Самой плотной частью ядра является его внутренняя часть, которая представляет собой сильно сжатую сердцевину, с диаметром 1220 километров. Огромная плотность густого металла превышает концентрацию молекул железа в 2 раза. Вещество раскалено здесь до 5-6 тысяч градусов, что сопоставимо с температурой на поверхности Солнца. Несмотря на высокие температуры, превышающие точки плавления многих металлов, вещество все-таки твердеет из-за огромного давления среды. В результате образуются достаточно устойчивые и сложные по форме кристаллы вещества. Моделирование строения внутренней полости планеты позволило японским исследователям утверждать, что густой лес из многочисленных кристаллов в ядре имеет строгое направление верхушек с южной стороны на север.

Самое «внутреннее» ядро

Гравитационные взаимодействия между планетами, Солнцем и спутниками вызывают различные колебания в направлении кристаллов ядра. Некоторые из них могут быть направлены с востока на запад, составляя еще одно внутреннее ядро. Такие выводы были сделаны с помощью геологических наблюдений за сейсмическими сигналами, которые иногда показывали отклонения от обычных данных. Также на выводы повлияла особенность строения планеты, имеющей эллиптическое расширение в области экватора.

Как формировалось ядро Земли?

Солнечным сердцем наделены все планеты системы, от карликовых до крупных газовых гигантов. Процентное соотношение ядра к внешней оболочке меняется в зависимости от возраста и величины небесного тела. Их возникновение начинается в среде туч из газа, которые сопровождают звезды. Газовые сгустки поначалу скапливаются вокруг ледяных или каменных глыб, притягивая все больше космической пыли. По мере нарастания объема нового космического объекта, увеличивается его гравитация, под воздействием которой к центральной части начинают собираться наиболее тяжелые вещества, выталкивая газы на поверхность. Таким образом, никель, железо и другие металлы оказываются внутри, а кислород — в наружной атмосфере. Глобальное перемещение химических веществ в рамках гравитации вызывает образование энергии, раскаляющей ядро до состояния плазмы и придающей небесному телу все более сферический облик. Многослойный шар, рожденный солнечной энергией, путем динамики веществ и гравитации, в итоге превращается в защищенную и теплую планету.

Мы добрались до поверхности другого небесного тела полвека назад, а вглубь своей планеты до сих пор не ушли дальше 13-го километра — и вряд ли еще углубимся в ближайшие годы. Но кое-какие сигналы снизу до нас доходят. В прошлом месяце китайские ученые сообщили, что 11 лет назад земное ядро замедлило свое вращение. Редакция N + 1 попросила геофизика Сергея Тихоцкого, директора Института физики Земли имени Шмидта, рассказать, откуда мы получаем сведения о процессах в центре Земли и какой поворот принимает геофизическая история нашей планеты в свете новых данных.

Около 90 процентов всей информации о земных недрах, которой мы располагаем сегодня, получены благодаря сети сейсмостанций. Конечно, ученые пытались забраться глубже — помимо Кольской сверхглубокой скважины, в 1960-е годы, например, был запущен проект Mohole, инициаторы которого рассчитывали пробурить относительно тонкую океаническую кору (в океане толщина литосферы около 5-10 километров против 30 километров на материках) и добраться до верхней границы мантии. Но он не достиг своей цели и был свернут — из-за перерасхода средств и технических сложностей, связанных с бурением скважин в море. К моменту закрытия проекта удалось пробурить несколько тестовых скважин, из которых самая глубокая была лишь 183 метра.

Он и другие подобные проекты получили много данных о геохимических характеристиках, о тепловых потоках из недр — но только землетрясения, а точнее порождаемые ими сейсмические волны, могут осветить нам внутренность земли. В прошлом на роль такого фонаря претендовали ядерные взрывы: Советский Союз взорвал десятки ядерных устройств именно для геофизических исследований (читайте о них в нашем материале «Бомба в хозяйстве»), но вряд ли кто-то будет отменять мораторий на ядерные испытания ради геофизиков.

Как слышно

Слушать землю это примерно то же самое, что и смотреть на звезды. Звезды испускают свет, который поглощается, преломляется, отражается и рассеивается по дороге к Земле. Точно так же сейсмические волны замедляются, ускоряются, преломляются, отражаются в недрах Земли — и если у вас достаточно наблюдательных пунктов в разных точках планеты, вы можете что-то понять о том, что же там вдали происходит.

В 1909 году сейсмолог Андрей Мохоровичич обнаружил странный эффект: на станции в 200 и больше километрах от эпицентра сигнал от землетрясения приходил несколько раньше, чем должен был. Словно после этой отметки сейсмические волны ускорялись.

Это, собственно, и происходило: сейсмические волны, распространяясь под землей на определенной глубине, попадали в мантию. Там плотность вещества выше, оттого и скорость волн возрастала. Так была открыта поверхность Мохоровичича — граница между земной корой и мантией, которая проходит на глубине от 20 (под океанами) до 90 километров.

А через несколько лет американский сейсмолог Бено Гутенберг выяснил, что у мантии есть и нижняя граница — на глубине около 2,9 тысячи километров. Дальше начинается уже ядро.

Причем ядро оказалось жидким.

Доказательство жидкости

Волны, которые распространяются в толще твердого вещества, могут быть продольными или поперечными.

Продольные волны или P-волны (pressure wave) — это волны сжатия-разрежения, колебаний давления. Частицы вещества, в котором распространяется такая волна, движутся вдоль направления распространения такой волны. Так, например, распространяется звук — мы слышим благодаря сжатию и разрежению воздуха, то есть колебаниям, которые действуют на барабанные перепонки. И если сейсмические P-волны добираются до поверхности (и попадают в слышимый диапазон частот), мы можем услышать звук землетрясения. Продольные волны самые быстрые и распространяется во всех средах — и в твердых, и в жидких.

А поперечные волны — S-волны (shear wave, сдвиговые волны) — связаны не со сжатием вещества, а с его упругой деформацией. В отличие от продольных, здесь колебания частиц направлены не вдоль, а перпендикулярно к направлению волны. Если мы посмотрим на кубик вещества, сквозь который проходит S-волна, мы увидим, что он периодически меняет свою форму, сохраняя объем. Для этого нужно, чтобы среда могла удерживать форму — поэтому ни в жидкостях, ни в газах поперечные волны не распространяются.

Всякий раз, когда волна доходит до границы сред, как например между ядром и мантией, P-волна расщепляется и возникает две новых: одна продольная, другая поперечная (кроме ситуации, когда она двигается строго перпендикулярно границе).

Но если среда, по которой волна собирается бежать дальше, не твердая, то поперечной волны не возникает. А когда эхо оригинальной P-волны достигает поверхности на другом конце земного шара и оставляет «автограф» на сейсмограмме, мы видим, через какие превращения она прошла, и по ним можем восстановить характеристики среды, через которую она двигалась.

Для измерений, помимо пространственных параметров, важно еще и время. Сейсмологи фиксируют, как быстро приходят волны, прошедшие разными маршрутами, как запаздывают разные типы волн относительно друг друга.

В 1913 году Гутенберг обнаружил, что на глубине между отметкой 2900 и 5150 километров не проходят поперечные волны, их следов нет ни на одной сейсмограмме. Из этого следует, что вещество на этой глубине — жидкое.

Минорный диссонанс

Когда стало понятно, что твердая часть ядра отделена от мантии и коры, можно было допустить, что его вращение не синхронно со вращением всей планеты. Что внутреннее ядро может вращаться с собственной скоростью, как яблоко в кастрюле с водой. Более того, целый ряд косвенных признаков указывали на дифференциальное вращение мантии и внутреннего ядра.

Первый из этих признаков — это колебания скорости вращения Земли, вариации продолжительности суток. Это очень небольшие вариации, они не превышают миллисекунд, однако они систематически фиксируются астрономами с середины XIX века, а эпизодические измерения были еще в XVII веке (о них подробнее — в материале «Наши дни становятся короче»).

График этих колебаний — многосоставный, в нем есть колебания сезонные, годовые, пятилетние и колебания с циклом в несколько десятилетий. Сезонные вариации легко объяснялись сезонными же изменениями в циркуляции атмосферы. Более долгопериодические связали с Эль-Ниньо и другими колебательными процессами в океане и атмосфере с периодом в 5-10 лет. Но долгопериодические колебания с периодом в 70-80 лет оставались необъяснимыми.

Быстрее всего за историю наблюдений Земля вращалась в 1870-1880 годах, когда продолжительность суток была примерно на 3 миллисекунды меньше. А в 1920-х годах Земля наоборот, замедлялась: сутки были на 4 миллисекунды длиннее, чем сейчас.

Поведение вращающегося тела всегда подчиняется закону сохранения углового момента. Это используют, например, фигуристы, когда прижимают локти к телу во время вращения — и таким образом начинают крутиться быстрее. У Земли, конечно, нет рук, чтобы столь же значительно перераспределять массу и влиять на свой момент инерции. Но если ее поверхность начала двигаться быстрее, значит, что-то другое начало вращаться медленнее.

Можно было предположить, что такими руками планете служат полюса. Расстояние от центра планеты до полюсов примерно на 21 километр меньше, чем от центра до экватора. И если бы Земля еще сильнее сплюснулась (то есть увеличила эту разницу), она стала бы вращаться еще медленнее. Но нет, ученые не наблюдают заметных изменений этого параметра: эксцентриситет планеты никуда не меняется.

И если дело не во влиянии атмосферы (колебания ее состояния происходят гораздо чаще), и не в изменении формы планеты, то искать причину колебаний остается только в недрах.

Процессы в мантии можно было исключить сразу же — она состоит из вязкого вещества с плотностью, сопоставимой с плотностью стали, и изменения в ней занимают не десятки, а миллионы лет. А значит это что-то, связанное с ядром. И, конечно, первым кандидатом было дифференциальное вращение ядра и мантии.

Полифония недр

Но для того, чтобы всерьез говорить о разности скоростей вращения внутреннего ядра и мантии, косвенных свидетельств и рассуждений об их природе было мало. Нужны были доказательства — сейсмические. Одна из первых работ, в которой они были приведены, была опубликована в 1996 году. Ее авторы, Сяодун Сун (Xiaodong Song) и Пол Ричардс (Paul Richards) из университета Колумбии, пытались определить, не меняется ли со временем скорость прохождения сейсмических волн по одному маршруту, проходящему через внешнее и внутреннее ядро.

Для этого нужно, чтобы сейсмостанция ловила волны с противоположного края планеты — которые по пути бы проходили и внешнее ядро, и внутреннее. Подходящей мишенью для этого оказались ядерные испытания — потому что координаты точки, где происходит ядерный взрыв, известны очень точно.

Ученые изучили старые бумажные сейсмограммы с сейсмостанции в Антарктиде и посмотрели, менялась ли за все время наблюдений скорость сейсмических волн от ядерных испытаний СССР на Новой Земле (1955–1990 годы, 132 взрыва, из них 42 подземных).

И действительно, на старых бумажных лентах было видно, что волны от ядерных взрывов за десять лет ускорялись примерно на 0,2 секунды. Тогда ученые добавили к ядерным сейсмограммам данные землетрясений: в районе Южных Сандвичевых островов, которые фиксировали сейсмостанции на Аляске, в Канаде и в Южной Америке, а также землетрясения в Чили, волны которых выходят на поверхность в Казахстане и на Курилах. И снова обнаружили заметное расхождение.

Ученые на тот момент уже знали, что внутреннее ядро Земли анизотропно — то есть его структура такова, что сейсмические волны будут проходить через него в разных направлениях за разное время. Об этом говорили измерения 1980-х годов, которые показывали, что волны, которые двигались вдоль оси вращения планеты, распространялись быстрее остальных.

Поэтому ускорение сейсмических волн, прошедших по тому же маршруту спустя десятилетие, могло означать только то, что свойства вещества на этом маршруте изменились. Иначе говоря, внутреннее ядро провернулось относительно мантии и литосферы, и сейсмические волны прошли, через другую его зону.

Сяодун Сун и Пол Ричардс пришли к выводу, что внутреннее ядро вращается быстрее, чем кора и мантия, примерно на 1 градус в год.

Контрапункт

Теперь тот же Сяодун Сун, перебравшийся в университет Пекина, и его коллега И Ян (Yi Yang) проанализировали данные наблюдений с 1964 по 2021 год, чтобы уточнить, как менялась эта разница в скорости.

Метод был тот же, что и в 1996-м: ученые взяли и сравнили между собой все записи волновых форм землетрясений из одного очага, за все годы наблюдений на одних и тех же сейсмостанциях. Конечно, во всех случаях нужно было ввести поправку на мантию и на механизмы очага — для этого использовались те волны, которые идут почти по той же траектории, но не попадают во внутреннее ядро.

Сяодун Сун и И Ян сравнивали ряды данных, собранных сейсмостанциями на Аляске и в других регионах, используя интегральный показатель сходства.

Они обнаружили, что если с конца 1970-х до 2009 года форма волн, проходивших через внутреннее ядро, менялась от года к году, то после 2009 года эта разница исчезает — то есть внутреннее ядро и мантия теперь вращаются, по-видимому, синхронно.

Возможно, эта аномалия периодична — и мы имеем дело с колебательным процессом, который занимает 60-70 лет. То есть в период с конца 1970 годов до конца 2000-х ядро вращалось то быстрее мантии, то медленнее, а после 2009 года они синхронизировались. Причем наиболее старые данные, имеющиеся в нашем распоряжении, относятся к периоду 60-х — 70-х годов XX века — и их анализ позволяет предположить, что тогда вращение внутреннего ядра и мантии тоже было синхронным. То есть ничего принципиально нового прямо сейчас не происходит: напротив, китайским ученым удалось показать, что изменения в дифференциальном вращении внутреннего ядра и мантии земли происходили где-то около 40 лет.

Причем длительность этой аномалии укладывается в цикл колебаний продолжительности дня — он тоже занимает 60-70 лет. То есть ядро у нас постепенно ускорялось, а поверхность планеты замедлялась, и полный момент оставался неизменным. Возможно, через некоторое время ядро начнет отставать от мантии или наоборот, начнет ускоряться — для этого нужно проследить весь цикл.