Гэвин Претор-Пинни - Занимательное волноведение. Волненя и колебания вокруг нас

Если брать планетарные масштабы, то Земля также содержит в себе твердое «тело», окруженное более мягкой «тканью». Выройте ямку глубиной примерно в 5 000 км — это где-то три четверти пути до центра Земли, — и вы на него наткнетесь.

О строении Земли нам известны удивительные вещи. Внешний слой состоит из твердой земной коры, примерно 30 км толщиной; за ней идет верхняя мантия — слой твердых пород, который уходит на глубину около 60 км, за верхней мантией — мантия из очень вязкого вещества. На глубине без малого 3 000 км начинается внешнее ядро — слой из расплавленного железа и никеля; считается, что потоки внутри них обусловливают земной магнетизм. Прямо посреди этой жидкости располагается твердое внутреннее ядро около 2 500 км в поперечнике. Это почти три четверти диаметра Луны; внутреннее ядро состоит из твердого железа и никеля (а вовсе не сыра, как когда-то думали про Луну).

Но откуда мы все это знаем, если до сих пор забирались не глубже 12,3 км? (Скважину именно такой глубины пробурили русские на Кольском полуострове.) От ударных волн — тех, что вызываются землетрясениями.

Всемирная стандартизированная сейсмологическая сеть станций, создание которой завершилось в 1961 году, представляет собой глобальную систему измерительных устройств, улавливающих раскаты ударных волн от ядерных взрывов. Эта сеть должна была обеспечивать выполнение Договора о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний, заключенного в 1963 году между США, Британией и СССР. Согласно этому договору, запрещались любые наземные испытания ядерного оружия.

Но со временем сеть начали использовать и для высокоточного определения землетрясений. Каждое землетрясение засекалось с помощью метода триангуляции — сравнивалось время прибытия сейсмических волн, зафиксированных приборами в разных местах. Впервые стало ясно, что расположение эпицентров землетрясений — точек на поверхности, находящихся прямо над подземными источниками колебаний — далеко не случайно — большая их часть концентрируется вдоль хорошо заметных геологических разломов. Это открытие перевернуло наши представления о земной коре, подтвердив теорию о тектонике плит, согласно которой земная поверхность состоит из огромных плит твердых пород, постепенно перемещающихся относительно друг друга. Землетрясения в основном происходят на границах плит — при резком разрыве пород с их взаимным смещением накопленная энергия, освобождаясь, вызывает волновые колебания поверхности земли, то есть землетрясения. Смещение тектонических плит порождает ударные волны, реверберирующие по всей планете. И хотя каждый день в мире происходит около пятидесяти землетрясений, лишь малая их часть порождает колебания достаточно мощные для того, чтобы их могли уловить приборы в самых разных точках земного шара. {93} 93 Shearer, Peter M., Introduction to Seismology (Cambridge: Cambridge University Press, 1999).

Под землей землетрясение порождает огромное количество самых разных волн, каждая из которых ведет себя по-своему. Сейсмические волны подразделяются на две основные группы, в зависимости от способа распространения: внутри земли или вдоль поверхности.

Волны внутри земли распространяются быстрее волн, идущих вдоль поверхности. По ним сейсмологи определяют местонахождение землетрясения — сравнивают данные о времени прибытия волн, регистрируемые разными наблюдательными станциями. Самые быстрые, приходящие первыми — первичные волны, или Р-волны; они проносятся через землю со скоростью 8-13 км/с. {94} 94 Holmes, A., and Duff, D., Holmes'Principles of Physical Geology (London: Routledge, 1993). Р-волны относятся к продольным волнам и представляют собой сжатие-разрежение недр Земли. Другими словами, это волны плотности, волны сжатия-растяжения, которые распространяются посредством колебаний земного вещества вдоль направления движения волны. Р-волны — это ударно-волновая версия других волн сжатия-разрежения, а именно акустических волн. Мы слышим звуки, как под водой, так и через стену — от соседей; точно так же Р-волны проходят как через жидкие среды, так и через твердую материю Земли. От других акустических волн их отличает резко выраженный, мощный фронт волны и интенсивность колебаний.

Находящийся в тысячах километров от эпицентра мощного землетрясения сейсмограф сначала зарегистрирует Р-волны. Несколькими минутами позже до него дойдут волны другого типа, также относимые к упругим сейсмическим волнам — вторичные волны, или S-волны. Они распространяются в недрах Земли медленнее — их скорость составляет всего 60% от скорости Р-волн, то есть от 4 до 12 км в секунду. {95} 95 Там же. S-волны — поперечные: земная порода колеблется из стороны в сторону, или вверх-вниз относительно направления распространения волн.

Благодаря тщательному анализу сейсмических волн, тут же следующих за землетрясением (тип волн, расстояние, на котором они были зарегистрированы, скорость распространения), удалось составить довольно точное представление о недрах нашей планеты.

К примеру, на стороне земного шара, противоположной точке землетрясения, S-волн никогда не бывает. Эта гигантская «тень» — только не волн света, а сейсмических волн — свидетельствует о том, что в центре планеты находится вещество, препятствующее распространению S-волн сквозь Землю. Судя по размерам «тени», блокирующая область чуть больше Марса. Благодаря «тени» геологи определили, что находящийся под мантией Земли следующий слой, внешнее ядро, пребывает в жидком состоянии. Как они догадались? Дело в том, что поперечные волны, те самые, что колеблются из стороны в сторону, как S-волны, через жидкости не распространяются.

Но почему? А потому, что в отличие от твердых веществ, жидкость при движении из стороны в сторону не пружинит. Она не оказывает сопротивления движению по надвигам, в ней не возникают силы упругости, при наличии которых поперечная волна двигается в среде. S-волна может распространяться только через твердое вещество, поскольку оно оказывает сопротивление движению по надвигам. Твердая порода, возвращаясь в ту точку, откуда начала движение, когда возникло колебание в одну сторону, пружинит — то есть волновые вибрации через нее распространяются. А вот жидкость под воздействием вибраций из стороны в сторону не пружинит — она их поглощает, перетекая туда и обратно. Получается, что именно жидкое вещество преграждает поперечным S-волнам путь в недрах Земли, отбрасывая «тень» на противоположную сторону планеты.