Представь лифт с четырьмя кнопками: «Кора», «Мантия», «Внешнее ядро» и «Внутреннее ядро». Последняя остановка находится почти в 6371 километре под ногами. Ни один человек туда не спускался — и всё же мы довольно хорошо знаем, что внутри Земли. Как это возможно?
Что внутри Земли?
Внутреннее строение Земли обычно делят на четыре главных слоя: кору, мантию, внешнее ядро и внутреннее ядро.
Мы живём на самой тонкой наружной оболочке — земной коре. Под ней почти 2900 километров тянется мантия. Ещё глубже начинается металлическое ядро: сначала жидкое внешнее, а в самом центре — твёрдое внутреннее.
Получается любопытная последовательность:
твёрдая кора → в основном твёрдая мантия → жидкое внешнее ядро → твёрдое внутреннее ядро.
И сразу разрушим один популярный миф: внутри нашей планеты нет гигантского океана лавы.
Какие слои у Земли?
Если двигаться от поверхности к центру, мы последовательно пересечём четыре основные области.
- Земная кора — тонкая твёрдая оболочка, на которой находятся материки и океаны.
- Мантия — огромный слой горячей породы толщиной около 2900 км.
- Внешнее ядро — жидкий слой, состоящий главным образом из железа и никеля.
- Внутреннее ядро — твёрдый металлический шар в самом центре планеты.
Школьная картинка часто делает эти слои примерно одинаковыми по ширине, чтобы подписи было удобно читать. В действительности кора невероятно тонкая по сравнению с размерами всей планеты.
Земная кора — насколько она тонкая?
Кора — самый тонкий из главных слоёв Земли.
Под материками её средняя толщина составляет около 30 километров, хотя под крупными горными системами она может быть заметно толще.
Под океанами кора намного тоньше — примерно 5 километров.
На ней помещается буквально весь знакомый нам мир: города, леса, горы, поля, океаны и все человеческие путешествия.
Если представить Землю яблоком, кора действительно будет напоминать тонкую кожицу.
Как глубоко человек смог проникнуть в Землю?
Даже самая глубокая научная скважина не добралась до мантии.
Кольская сверхглубокая скважина на северо-западе России достигла глубины 12 262 метра.
Это примерно 12,3 километра — потрясающее инженерное достижение, но радиус Земли составляет около 6371 километра.
Если уменьшить планету до шара радиусом один метр, Кольская скважина проникла бы в него менее чем на два миллиметра.
Что находится в мантии Земли?
Мантия состоит главным образом из горячих твёрдых горных пород.
Это важно: несмотря на высокую температуру, мантия не является жидким океаном магмы.
Однако на больших промежутках времени её породы способны очень медленно деформироваться и течь. Масштаб времени здесь огромен — тысячи и миллионы лет.
Верхняя часть мантии вместе с корой участвует в движении тектонических плит. В отдельных местах часть пород мантии может плавиться — тогда образуется магма, способная питать вулканы.
Почему внутри Земли так горячо?
Под землёй ничего не «горит» в обычном смысле этого слова.
Высокая температура имеет другое происхождение.
Часть внутреннего тепла сохранилась со времени формирования Земли около 4,5 миллиарда лет назад. Когда вещество молодой планеты сталкивалось, сжималось и разделялось по плотности, выделялось огромное количество энергии.
Дополнительное тепло продолжает образовываться при радиоактивном распаде некоторых естественных элементов внутри Земли.
Поэтому вопрос «что горит внутри Земли?» лучше заменить другим: откуда берётся внутреннее тепло планеты?
Что находится в ядре Земли?
Ядро Земли состоит главным образом из железа с примесью никеля и других элементов.
Но ядро не однородно.
Его наружная часть жидкая. Она начинается примерно на глубине 2900 километров и имеет толщину около 2300 километров.
В центре находится твёрдое внутреннее ядро радиусом примерно 1220 километров.
И вот здесь возникает замечательная загадка: если чем глубже, тем горячее, почему внешнее ядро жидкое, а внутреннее снова твёрдое?
Почему внешнее ядро жидкое, а внутреннее твёрдое?
Главная причина — колоссальное давление в центре Земли.
Температура внутреннего ядра может достигать примерно 5400 °C — почти как на поверхности Солнца.
При обычном давлении железо при такой температуре было бы расплавленным.
Но на внутреннее ядро давит масса почти всей планеты. Огромное давление повышает температуру плавления вещества настолько, что железный сплав остаётся твёрдым.
Во внешнем ядре давление меньше, поэтому при высокой температуре металл остаётся жидким.
Что находится в центре Земли?
В самом центре находится твёрдое внутреннее ядро — металлическая область главным образом из железа и никеля.
Это не пустота, не пещера и не раскалённое подземное море.
Радиус внутреннего ядра составляет около 1221 километра.
Получается удивительно: если начать путь на поверхности и идти к самому центру, то после тысяч километров твёрдых пород и огромного жидкого металлического слоя мы снова попадём в твёрдое вещество.
Как ядро создаёт магнитное поле Земли?
Жидкое внешнее ядро постоянно движется.
Горячий электропроводящий металл перемешивается, а вращение Земли упорядочивает часть этих движений.
Так возникают электрические токи, которые создают магнитное поле планеты. Этот механизм называют геодинамо.
Именно благодаря ему работает компас, а Землю окружает огромная магнитосфера.
Так что невидимый магнитный щит, уходящий далеко в космос, начинается почти в трёх тысячах километров под нашими ногами.
Как узнали, что внутри Земли?
Главный инструмент учёных — сейсмические волны от землетрясений.
Когда в земной коре происходит землетрясение, по всей планете распространяются волны. Сейсмические станции в разных странах регистрируют, когда они пришли и как двигались.
Разные вещества меняют скорость и направление волн.
Поэтому внутренности Земли можно исследовать примерно так же, как врач исследует тело при помощи волн, не разрезая пациента.
Что P- и S-волны рассказали о ядре?
Есть два особенно важных типа сейсмических волн.
P-волны способны проходить и через твёрдые вещества, и через жидкости.
S-волны через жидкость не проходят.
Учёные обнаружили, что S-волны от землетрясений исчезают там, где их путь должен был бы пройти через внешнее ядро.
А P-волны, входя в ядро, резко меняют скорость и направление.
Так появилась одна из важнейших улик: внешнее ядро Земли жидкое.
Значит ли это, что вся карта внутри Земли построена только по землетрясениям?
Нет. Сейсмические волны — главный, но не единственный источник информации.
Учёные также изучают:
- гравитационное поле Земли;
- магнитное поле;
- поток тепла из глубины;
- состав горных пород;
- метеориты;
- поведение минералов при огромных давлениях и температурах в лабораториях.
Особенно убедительной научная модель становится тогда, когда разные независимые методы приводят к одной и той же картине.
Почему нельзя просто пробурить Землю до центра?
Проблема не только в расстоянии.
С глубиной резко растут температура и давление. Породы начинают вести себя иначе, оборудование работает в экстремальных условиях, а сама скважина стремится деформироваться и закрываться.
Кольская сверхглубокая показала это на практике: уже на глубине около 12 километров условия оказались намного тяжелее, чем ожидалось.
А до центра Земли оставалось ещё больше шести тысяч километров.
Что было бы, если бы мы могли разрезать Землю пополам?
Мы увидели бы не пещеру и не пустую оболочку, а почти полностью заполненный породой и металлом шар.
Самый знакомый нам слой — кора — оказался бы едва заметной плёнкой.
Почти весь объём заняли бы мантия и ядро.
Именно поэтому настоящий центр Земли, пожалуй, интереснее многих фантастических подземных миров: твёрдые породы медленно текут, жидкий металл создаёт магнитное поле, а раскалённый центр остаётся твёрдым благодаря давлению.
Проверь масштаб Земли сам
Можно провести очень простой опыт с бумагой.
- Нарисуй круг диаметром 20 сантиметров.
- Представь, что его радиус 10 сантиметров соответствует 6371 километру.
- Граница ядра окажется примерно на расстоянии 4,5 сантиметра от центра.
- Внутреннее ядро займёт круг радиусом всего около 1,9 сантиметра.
- А среднюю континентальную кору в этом масштабе пришлось бы рисовать линией толщиной меньше половины миллиметра.
Вот тогда становится особенно заметно, насколько тонка оболочка, на которой проходит вся наша жизнь.
Что внутри Земли — короткий ответ
Земля состоит из коры, мантии, жидкого внешнего ядра и твёрдого внутреннего ядра.
Кора очень тонкая. Мантия толщиной около 2900 километров состоит главным образом из горячей твёрдой породы, способной медленно деформироваться.
Внешнее ядро состоит в основном из жидкого железа и никеля, а внутреннее ядро остаётся твёрдым из-за огромного давления.
Люди никогда не добирались до этих глубин напрямую. Основную информацию о строении планеты учёные получили по сейсмическим волнам, которые проходят через разные слои Земли по-разному.
Получается, что мы умеем исследовать место, куда никто никогда не попадал: сама Земля рассказывает о своих глубинах каждый раз, когда по ней проходят волны землетрясения.
Читайте также
- Почему Земля круглая?
- Как устроен вулкан?
- Почему происходит землетрясение?
- Что такое северное сияние и как оно появляется?
- Почему идёт дождь?
Источники
- NASA Science — Facts About Earth
- NASA Space Place — Make a Fan with Earth’s Layers
- U.S. Geological Survey — The Interior of the Earth
- U.S. Geological Survey — P-wave and S-wave paths through the Earth
- NASA Science — Earth’s Magnetosphere and the Geodynamo
- Popov et al. — New geothermal data from the Kola Superdeep Well SG-3