Глава седьмая. Как изучают внутреннее строение Земли

Пожалуй, я не ошибусь, если скажу, что создание модели внутреннего строения Земли – одно из самых больших достижений науки нашего, XX столетия. Конечно, создавались модели и раньше. Но они основывались на догадках и на сравнительно небольшом количестве достоверных фактов. Больше было предположений. Нельзя сказать, чтобы сегодня все в строении Земли было бы ученым ясно и понятно. Недра таят огромный запас загадок. Но в принципе, я думаю, можно сказать, что современная модель уже вряд ли когда‑нибудь существенно изменится так, как менялись модели прошлых, например, веков.

Но как же удалось построить ее ученым. Может быть, люди прорыли шахту до центра Земли и исследовали каждый метр глубины? Такую работу не то что проделать – представить себе невозможно. Нам бы еще многие годы пришлось гадать о строении недр, если бы к середине прошлого столетия не наметился новый подход к проблеме.

Ученые стали рассматривать Землю как физическое тело в целом. Стали изучать физические процессы, которые происходят в твердой, жидкой и газообразной оболочках Земли. Заинтересовались тем, как реагирует наша планета на притяжение Луны с Солнцем, как воздействует на Землю межпланетная среда.

Специалисты вплотную занялись изучением химического состава земной коры.

Окончательно сформировалась наука геофизика, отдельные разделы которой были заложены еще в прошлые столетия.

Что же вошло в состав геофизики – комплекса физических наук, изучающих, нашу планету? Прежде всего – гравиметрия, наука о поле силы тяжести Земли, о том, как это поле изменяется. Именно методы гравиметрии позволили нашим ученым изучить и построить сложную фигуру геоида, выяснить строение тех глубинных слоев, куда уже не добраться с помощью шахт и скважин, а также изучить упругие деформации – изменения размеров и формы Земли под воздействием притяжения Луны и Солнца.

Методы гравиметрии сегодня широко применяются для поиска полезных ископаемых, главным образом нефти, газа, угля и некоторых рудных тел, плотность которых отличается от плотности прилегающих пород.

Следующий раздел новой науки – сейсмология – наука о землетрясениях. Она изучает причины и условия возникновения этих страшных бедствий, а также то, как распространяются волны упругих колебаний в земной толще.

Наблюдая распространение этих волн, ученые составили сейсмическую модель внутреннего строения Земли, которой мы пользуемся в настоящее время.

Методы сейсмологии, основанные на создании искусственных микроземлетрясений, которые вызывают геологи мирными взрывами, находят тоже применение для поисков полезных ископаемых, а также в инженерно‑геологических изысканиях, когда намечают трассы дорог, строят водохранилища и плотины.

Третий раздел самый молодой. Пожалуй, лишь в наше время, уже в самые последние годы, он принял часть исследовательского груза на свою спину. Я имею в виду учение о земном магнетизме. Заложенное еще в начале XVII века, оно недавно вошло равноправным партнером в группу наук, занятых изучением глобальных вопросов строения и эволюции Земли.

Сегодня к физике Земли относят еще электрометрию, которая изучает естественное и искусственные электрические поля в Земле; радиометрию, исследующую излучения, испускаемые естественными радиоактивными элементами, содержащимися в горных породах, изучающую тепловую историю нашей планеты и современное тепловое состояние ее недр. Есть и другие отрасли знаний, обслуживающие современную науку о Земле.

Тот, кто выберет себе в дальнейшем специальность, связанную с изучением нашей планеты, познакомится еще со множеством разделов науки о Земле. Потому что никто не представляет для нас такого интереса, как история и жизнь планеты, на которой мы с вами живем.

Пойди туда, не знаю куда, принеси то, не знаю что…

Пожалуй, изучение внутреннего строения Земли лучше всего определяется именно известной сказочной формулой, вынесенной в заголовок. Ну в самом деле: ни того, что там находится, ни того, в каком порядке это неизвестное распределяется по недрам, люди не знают. Так на что же надеются?

Правда, у нас уже есть примеры того, как, не объезжая Землю кругом, мудрый Эратосфен измерил планету. А европейские ученые сумели определить плотность Земли или, иными словами, «взвесили» планету без весов. Теперь осталось доказать, что плотность распределяется именно так, как предполагалось, то есть что в центре Земли имеется тяжелое плотное ядро…

Конечно, легко сказать, что плотность вещества Земли должна увеличиваться с глубиной, приводить разные цифры, уверяя, что они получились в результате «теоретических расчетов», утверждать, что в центре Земли есть плотное ядро… А вот как это все проверить, если никто до центра планеты не добирался да вряд ли и доберется в обозримое время? Может быть, Земля вся насквозь состоит из вещества одинаковой плотности и никакого ядра в ней нет?..

Есть у хитроумных физиков один способ, позволяющий узнать распределение тяжелых масс в теле по тому, как оно движется. Изобрести этот способ было непросто. Начало ему положил немецкий математик и астроном Фридрих Бессель. В 1844 году он заметил, что в равномерном движении звезды Сириус наблюдаются странные отклонения. Будто кто‑то невидимый кружится вокруг звезды и сбивает ее своим притяжением с пути то в одну сторону, то в другую. Примерно так же веселый щенок на поводке, бегая вокруг своего хозяина, не дает тому выдерживать строго определенное направление.

Такой же характер движения наблюдался и у некоторых других звезд. «А не летают ли рядом с ними тяжелые, но невидимые спутники?» – подумал математик. Но доказать ничего не смог.

Прошло восемнадцать лет. Астрономы построили новые телескопы. И однажды увидели рядом с ярким Сириусом крохотную звездочку, еле заметную в ослепительных лучах главной звезды.

Прав был Бессель – значит, система из звезды со спутником движется в пространстве немножко по другим законам, чем звезда без спутника. Даже если эта последняя и имеет ту же массу.

Опыт с шарами.

А вот еще пример. Если вы летали в самолетах, то, наверное, замечали: когда пассажиров немного, стюардессы рассаживают их так, чтобы они не сбивались в кучу, а распределялись, уравновешивая багаж и топливо. И это правильно. Потому что иначе самолет может потерять равновесие при взлете и упасть. Здесь тоже движение зависит от распределения масс, но уже внутри одного тела – самолета.

Теперь представьте себе, что у вас есть два шара. Размеры их одни и те же. Массы, средние плотности – все точь‑в‑точь одинаково. Но вы знаете, что первый шар отлит сплошным из одного металла, а у другого тяжелое ядро окружено более легкой оболочкой. Снаружи они ничем не отличаются. Как же все‑таки выяснить, не вскрывая, у какого из них есть ядро.

Вот тут‑то на помощь и приходит физика. Оказывается, если положить оба шара на наклонную доску и скатывать их, как на гонках, то один будет всегда чуть‑чуть отставать от другого. Это и есть сплошной шар. Его момент инерции больше, чем у шара с тяжелым ядром и легкой оболочкой.

Момент инерции как раз и есть та характеристика, которая зависит от распределения масс в системе тел или в одном теле. Зная его, можно судить о том, как устроено тело, не забираясь в его середину.

Наша Земля тоже не одиночка. Рядом с нею летает Луна. И ученые умеют определять моменты инерции подобных систем.

Интересно отметить, что после всех расчетов момент инерции нашей планеты оказался на 17 процентов меньше, чем он должен быть у сплошного шара массой и размерами равного Земле. Значит, у нашей планеты обязательно должно быть тяжелое ядро.

Ну как не восхититься находчивостью человеческого ума, который нашел решение такой, казалось бы, неразрешимой задачи?!