Краткая история почти всего на свете - Билл Брайсон

Итак, что мы знаем о недрах Земли? Очень мало. В целом ученые сходятся во мнении, что мир под нами состоит из четырех слоев — твердой внешней коры, мантии из горячей вязкой породы, жидкого внешнего ядра и твердого внутреннего ядра*.

---

* (Для тех, кто жаждет более подробно представить картину земных глубин, приводим приблизительные размеры разных слоев. От 0 до 40 км — земная кора. От 40 до 400 км — верхняя мантия. От 400 до 650 км — промежуточная зона между верхней и нижней мантиями. От 650 до 2700 км — нижняя мантия. От 2700 до 2890 км — слой «D». От 2890 до 5150 км — внешнее ядро, а от 5150 до 6370 км — внутреннее ядро.)

Известно, что на поверхности преобладают силикаты; они относительно легкие и их недостаточно, чтобы обеспечить наблюдаемую среднюю плотность Земли в целом. Следовательно, внутри должно находиться более тяжелое вещество. Известно, что для образования нашего магнитного поля где-то внутри должен существовать плотный пояс металлических элементов в жидком состоянии. Это то, что является общепризнанным. Но почти все сверх того — как взаимодействуют слои, что определяет их поведение, как они поведут себя в будущем — представляется по крайней мере неопределенным, а чаще крайне неопределенным.

Даже видимая нами часть земного шара — кора, и та является предметом довольно громких споров. Почти во всех трудах по геологии говорится, что земная кора достигает от 5 до 10 км под океанами, около 40 км под материками и 65–95 км под крупными горными цепями, но в рамках этих обобщенных данных наблюдается множество озадачивающих отклонений. Кора под горами Сьерра-Невады, например, имеет толщину всего 30–40 км, и никто не знает почему. По всем законам геофизики Сьерра-Невада должна опускаться, словно уходить в зыбучий песок. (Некоторые считают, что, возможно, так оно и есть.)

Как и когда Земля обрела свою кору — вопрос, разделяющий геологов на два больших лагеря: на тех, кто считает, что это произошло внезапно в начале истории Земли, и тех, кто считает, что это происходило постепенно и несколько позднее. Теорию раннего внезапного возникновения в начале 1960-х годов выдвинул Ричард Армстронг из Йельского университета, посвятивший остаток своей научной деятельности борьбе с теми, кто не был с ним согласен. Он умер от рака в 1991 году, но незадолго до смерти «разразился бранью в адрес своих критиков на страницах австралийского геологического журнала, обвинив их в увековечивании вымыслов», писал о нем журнал Earth («Земля») в 1998 году. «Он умер озлобленным», — рассказывал один из его коллег.

Кора и часть наружной мантии вместе называются литосферой (от греческого «lithos», означающего «камень»), которая, в свою очередь, плавает на слое более мягкой породы, называемом астеносферой (от греческих слов, означающих «лишенный силы»). Но подобные термины никогда полностью не отвечают смыслу. Например, говорить, что литосфера плавает на поверхности астеносферы, — значит подразумевать определенную степень плавучести, что не совсем правильно. Подобным же образом неправильно представлять горные породы текучими, наподобие жидкостей на поверхности. Горные породы являются текучими, но лишь в том смысле, в каком текуче стекло. Этого, может быть, не видно глазом, но все стекло на Земле под неослабным влиянием силы тяжести стекает книзу. Выньте из рамы очень старое стекло в окне европейского собора, и оно окажется заметно толще внизу, чем вверху. Вот о такой «текучести» мы ведем речь. Часовая стрелка движется в десять тысяч раз быстрее «текучих» пород мантии.

Движения происходят не только по горизонтали, как перемещаются земные плиты по поверхности, но также вверх и вниз, как поднимаются и опускаются горные породы в вихревом процессе, известном как конвекция. Конвекцию как процесс впервые ввел в оборот эксцентричный граф фон Румфорд в конце восемнадцатого века. Шестьдесят лет спустя английский приходской священник Осмонд Фишер высказал предположение, что содержимое земных недр вполне может быть достаточно текучим, чтобы перемещаться. Но прошло очень много времени, прежде чем его идея обрела поддержку.

Примерно в 1970 году геофизики испытали изрядное потрясение, осознав, что там, внутри, происходят бурные, беспорядочные процессы. Как пишет в своей книге «Нагая Земля: Новая геофизика» Шавна Фогель:[204] «Было похоже на то, будто ученые десятки лет изучали земную атмосферу — тропосферу, стратосферу и так далее, — а потом вдруг узнали о ветре».

С тех пор не утихают споры вокруг того, какой глубины достигает процесс конвекции. Одни говорят, что он начинается на глубине 650 км, другие — глубже 3 тысяч км. Проблема, как заметил Джеймс Трефил, заключается в том, что «имеются две группы данных из двух разных дисциплин, которые невозможно примирить». Геохимики говорят, что некоторые элементы не могут попасть на поверхность планеты из верхней мантии, а должны подняться из более глубоких недр Земли. Поэтому вещества верхней и нижней мантий должны, по крайней мере, периодически смешиваться. Сейсмологи же говорят, что этот тезис не находит подтверждений.

Итак, можно лишь утверждать, что, двигаясь к центру Земли, в какой-то не совсем определенный момент мы покидаем астеносферу и погружаемся в чистую мантию. Если учесть, что мантия составляет 82 % объема Земли и 65 % ее массы, она не удостаивается излишнего внимания, главным образом потому, что интерес ученых, да и вообще читателей лежит либо гораздо глубже (как в случае с магнетизмом), либо ближе к поверхности (землетрясения). Известно, что до глубины примерно 150 км в составе мантии преобладает вид горной породы, известной как перидотит, но чем заполнены остальные 2650 км, точно не известно. Согласно сообщению в журнале Nature, не похоже, чтобы это был перидотит. Ничего больше нам не известно[205].

Ниже мантии находятся два ядра — твердое внутреннее и жидкое внешнее. Не приходится и говорить, что наши представления о природе этих ядер носят косвенный характер, однако ученые способны сделать некоторые обоснованные предположения. Им известно, что давление в центре Земли весьма высоко — примерно в три с лишним миллиона раз больше, чем на поверхности, — достаточно, чтобы сделать любую породу твердой. Из истории Земли (а также по косвенным признакам) известно, что внутреннее ядро очень хорошо держит тепло. Хотя это лишь чуть более чем предположение, считается, что за четыре с лишним миллиарда лет температура ядра упала не больше чем на 110 градусов Цельсия. Никто точно не знает, насколько горячим является ядро Земли, но оценки колеблются от 4000 до более 7000 градусов Цельсия — это почти так же горячо, как на поверхности Солнца.

Внешнее ядро во многих отношениях изучено еще меньше, хотя все сходятся во мнении, что оно жидкое и что там находится источник магнетизма. В 1949 году Э. С. Буллард из Кембриджского университета выдвинул теорию, согласно которой эта жидкая часть земного ядра вращается таким образом, что, по существу, превращает его в электродвигатель, создающий магнитное поле Земли. Предполагается, что конвекционные потоки жидкости внутри Земли создают эффект наподобие тока в проводах. Что именно происходит — неизвестно, но довольно определенно полагают, что это связано с вращением ядра и с тем фактом, что оно жидкое[206]. Тела, не имеющие жидкого ядра, например Луна и Марс, магнетизмом не обладают.

Известно, что напряженность магнитного поля Земли время от времени меняется: в эпоху динозавров она была в 3 раза выше, чем теперь. Также известно, что в среднем примерно каждые 500 тысяч лет оно меняет полярность, хотя за этим средним скрывается чудовищная степень непредсказуемости. Последняя перемена имела место около 750 тысяч лет назад. Иногда полярность остается неизменной миллионы лет — похоже, самый продолжительный промежуток составлял 37 миллионов лет, — а в другое время полярность менялась всего через 20 тысяч лет. Всего за последние 100 миллионов лет она менялась около 200 раз, и у нас фактически нет никакого представления почему. Факт этот назван «самым большим остающимся без ответа вопросом в геофизической науке».

Возможно, как раз в наши дни мы переживаем смену полярности. Магнитное поле только за последнее столетие ослабло примерно на шесть процентов. Всякое ослабление магнетизма, скорее всего, плохая новость, потому что магнетизм кроме крепления записок к холодильникам и надежной работы компасов играет важнейшую роль в поддержании нашей жизни. Во Вселенной полно опасных космических лучей, которые, не будь магнитной защиты, пронзали бы наши тела, превращая большинство наших ДНК в негодные лоскутья. Когда действует магнитное поле, эти лучи надежно отгоняются от поверхности Земли и собираются в стадо в двух зонах околоземного пространства, названных поясами Ван Аллена. Они также взаимодействуют с частицами в верхних слоях атмосферы, создавая чарующие световые завесы, известные как полярные сияния[207].