В Глухов - На суше и на море

Когда происходит землетрясение (по-гречески «сейсмос»), от его центра во все стороны расходятся колебания (волны), называемые сейсмическими. Они улавливаются очень чувствительными приборами — сейсмографами. Существует несколько видов сейсмических волн. Стремительно — от 5 до 13 км/сек — бегут продольные волны (рис. 1). Это волны растяжения и сжатия, при которых частицы вещества колеблются по направлению движения волн, а само вещество то сжимается, то растягивается (то есть происходит изменение его объема). Близкие по характеру к звуковым продольные волны проходят через газообразные, жидкие и твердые тела.

Рис. 1

Медленнее, чем продольные, распространяются поперечные волны, при которых частицы вещества колеблются перпендикулярно к направлению движения волны (рис. 2). Прохождение поперечных волн связано с деформацией, изменением формы тела, жидкости же и газы не оказывают сопротивления изменению формы. Поэтому-то поперечные волны могут проходить лишь в твердых телах.

Рис. 2

В разных горных породах, в различных слоях сейсмические волны идут с разными скоростями. Исследовав скорости распространения волн, их преломление и отражение, ученые установили существование в недрах Земли нескольких основных оболочек (слоев). На определенной глубине, там, где скорость продольных волн возрастает скачком с 6,5 до 8 км/сек, проходит граница, называемая поверхностью Мохоровичича. Она разделяет два земных слоя; части Земли, лежащие выше поверхности Мохоровичича, называются земной корой. Ее толщина достигает 60 и даже 70 километров под горными хребтами и уменьшается до пяти километров под океанами (рис. 3).

Рис. 3

Та часть земного шара, которая расположена между поверхностью Мохоровичича и границей на глубине 2900 километров, называется мантией. Скорость продольных волн в этой оболочке — если идти от поверхности к центру Земли — все время возрастает и у нижней границы мантии достигает 13,6 км/сек. Здесь же, на глубине 2900 километров, скорость продольных волн вдруг скачком уменьшается до 8,1 км/сек, а поперечные волны вообще затухают.

Эта резкая граница отделяет мантию от следующей оболочки — земного ядра; его точные размеры были определены лишь в начале XX века. Перед второй мировой войной было выделено еще и внутреннее ядро. Теперь часть земного шара от 2900 до 5000 километров называют внешним ядром, а от 5000 километров до центра планеты — внутренним ядром.

Наша Земля — сплошное тело, в котором пустоты встречаются лишь в тонком поверхностном слое. В глубоких частях земного шара их не может быть из-за колоссального давления вышерасположенных слоев. На поверхности земного шара на нас давит лишь слой воздуха, и давление здесь невелико — примерно одна атмосфера (1 кг/см 2). В глубинах океана давят уже воздух плюс толща воды, и давление там поднимается до 1000 атмосфер. Но даже эта внушительная цифра бледнеет перед давлениями в глубоких недрах нашей планеты, где кроме воздуха и воды давит вся масса земного вещества. На границе мантии и ядра давление достигает 1,4 миллиона атмосфер, а в центре земного шара превышает 3,5 миллиона атмосфер!

Необходимость добывать полезные ископаемые заставляла людей все глубже и глубже зарываться в землю. При этом было замечено, что с глубиной довольно быстро возрастает температура. Так, в шахтах Донбасса на глубине 800–950 метров она достигает 27–30°, а в одной из нефтяных скважин в США 244° (на глубине 7136 метров).

Ученые произвели многочисленные измерения и установили, что на каждые 100 метров температура вначале повышается на 1–3°, затем — с глубиной — рост ее замедляется. Изучение вулканической лавы и теоретические расчеты приводят к выводу, что на глубине 100 километров температура не выходит за пределы 900–1500°. Температура же более глубоких слоев точно неизвестна, но большинство ученых придерживается таких цифр, как 3000–6000°.

Наша Земля в целом — твердое, упругое тело. Об этом неопровержимо свидетельствуют приливы. Причина их возникновения — сила притяжения Луны и Солнца. Приливы наблюдаются не только в Мировом океане, но и в земной коре. В океанах высота приливной волны достигает 16 метров, в твердой же оболочке Земли — лишь 0,5 метра. Ученые рассчитали, что такие же приливы были бы и в стальном шаре величиной с Землю. Значит, наша планета обладает в целом твердостью стали.

На первый взгляд тут определенное противоречие: только что говорилось, что температура на глубине 100 километров достигает 1500°, а вслед за этим утверждается, что Земля — твердая. Известно, что при 1500° плавятся все горные породы. Почему же остается твердым вещество в земных недрах?

Объясняется это тем, что в глубинных частях Земли вещество находится под высоким давлением. Точка же плавления зависит от давления: чем оно выше, тем большая температура нужна для того, чтобы вещество перешло в жидкое состояние. Так, железо, которое в обычных условиях плавится при 1500°, с увеличением давления до 96 тысяч атмосфер может расплавиться лишь при температуре 1740°. В мантии температура, видимо, растет медленнее, чем давление, и вещество расплавиться не может. Находящееся под большим давлением сильно разогретое вещество уже на глубине 15–20 километров, как считает профессор Г. П. Горшков, приобретает свойство пластичности.

Примером вещества, обладающего пластичностью, на поверхности Земли может служить вар. При ударе он колется; оставленный на ровном месте — растекается. Таким образом, вар соединяет в себе некоторые свойства как твердых, так и жидких тел.

Обладающее пластичностью вещество в земных недрах медленно, но непрерывно перемещается, что и является причиной горообразования, землетрясений и извержений вулканов.

Таковы самые общие сведения о внутреннем строении нашей планеты. Как видите, вещество в земной коре и мантии находится в твердом состоянии. В каком же состоянии находится вещество в ядре Земли?

Вспомним, что скорость продольных волн — если идти от поверхности Земли к центру — на границе мантии и ядра падает, а поперечные волны через внешнее ядро вообще не проходят. Так как поперечные волны не распространяются в газообразных и жидких телах, то приходится сделать вывод, что внешнее ядро находится или в газообразном, или в жидком состоянии. Но газообразным оно не может быть: температура в ядре для этого мала. Остается предположить, что внешняя часть ядра Земли находится в жидком состоянии. Видимо, рост температуры во внешнем ядре — в отличие от мантии — обгоняет рост давления, и вещество плавится.