и, которые были впервые рассчитаны древнегреческим философом Эратосфеном, мы можем вычислить массу нашей планеты, а также ее плотность и таким образом произвести приблизительную оценку ее состава. Средняя плотность Земли составляет около 5,5 г/см³, что можно сравнить с плотностью воды (1 г/см³), или камешка, который можно подобрать на дороге (2–3 г/см³), или с большинством металлов, чья плотность составляет около 10 г/см³ (железо – около 8 г/см³, золото – около 20 г/см³). Таким образом, Земля обладает большей плотностью, чем большинство горных пород, но она легче, чем большинство металлов, хотя мы также знаем, что плотность Земли становится выше, чем обычно, в глубине ее недр, где наблюдается экстремальное давление.
Массу других планет можно вычислить путем измерения того, как гравитация планеты влияет на движение проходящего рядом с ней спутника; например, мы можем взвесить Землю, зная орбитальный период Луны (лунный цикл) и расстояние до ее орбиты (с помощью некоторых астрономических измерений: сегодня это в основном метод лазерной локации Луны). Мы также можем узнать чуть больше о внутренних слоях и структуре планеты, наблюдая за осью вращения планеты, которая крутится подобно волчку (это явление называется прецессией). Эта информация может сообщить нам, есть ли в центре планеты плотное ядро. У Земли такое ядро есть, как и у большинства других планет земной группы, за исключением, вероятно, Луны, о чем говорилось в предыдущей главе. Другие измерения со спутников дают более подробные данные, а горные породы, излитые в виде магмы из вулканов, информируют о химическом составе некоторых внутренних областей Земли (подробнее поговорим об этом ниже).
И все же большую часть информации о структуре Земли мы получаем именно с помощью сейсмологии. Для этого необходимо, чтобы мощный источник звука, вроде взрыва, создавал достаточно сильные волны, которые проходят планету насквозь и выходят с другой стороны. Из‑за тектоники плит, про которую мы поговорим совсем скоро, часто происходят сильные землетрясения, которые и служат источником звука. Эти звуковые волны проходят через все более глубокие слои со всевозрастающей (обычно) скоростью звука и доходят до различных сейсмографов на сейсмических станциях по всему миру с разными средними скоростями – в зависимости от того, насколько глубоко они проходили (в более глубоких слоях волны, как правило, движутся быстрее). Эти волны, зарегистрированные на разных сейсмических станциях, затем используются для создания карты, точнее, инфразвуковой картины глубинных слоев Земли.
Благодаря сейсмологии мы смогли узнать о многих слоях, лежащих под поверхностью нашей планеты, но три из них наиболее примечательны: сравнительно тонкая кора, состоящая из легких осадочных горных пород (которые в некоторых частях стали толще с течением времени по мере разрастания материков; более подробно об этом ниже); очень плотная мантия, состоящая из более тяжелых пород и занимающая почти половину радиуса Земли, и, наконец, еще более плотное, в основном состоящее из железа ядро, на долю которого приходится вторая половина радиуса Земли. Но так как мантия «обернута» вокруг ядра, ее объем намного больше объема ядра. Действительно, мантия составляет более 80 % общего объема Земли. (Этот факт определяется простой геометрией: объем шара пропорционален кубу его радиуса, так что если ядро составляет половину радиуса Земли, то, соответственно, это одна восьмая часть ее объема, значит, около семи восьмых объема будет приходиться на мантию.)
Для измерения плотности слоев Земли сейсмологи используют различные виды упругих волн, проходящих через внутреннюю часть планеты. Наиболее быстро движущиеся сейсмические волны – звуковые волны – вызваны сжатием и расширением, которые происходят в любой среде. Причиной появления еще одних быстрых волн является сгибание (деформирование) и разгибание вещества, подобно тому как образуются волны на натягиваемой нитке. Эти волны могут проходить только через твердые тела, так как жидкости не могут «разогнуться» сами по себе, если они были деформированы. Скорость этих двух типов волн может быть использована, чтобы узнать, насколько легко вещество подвергается сжатию под действием сильного давления, и, исходя из этого, уже можно вычислить его плотность. (Есть еще два типа сейсмических волн, которые являются более медленными и передаются только по поверхности Земли. Эти волны вызывают сотрясение грунта и его сдвиги и таким образом приводят к разрушительным последствиям землетрясений.)
Используя эти волны, сейсмологи пришли к выводу, что массивное ядро Земли состоит в основном из жидкости, обладая плотностью, характерной для таких металлов, как железо. В частности, так как чистые «изгибные» волны, которые рождаются от землетрясений по всей планете, не могут пройти через ядро Земли, это означает, что оно жидкое. Тем не менее более детальные исследования показали, что внутри этого жидкого железного ядра находится твердое внутреннее ядро, которое также состоит из железа и, скорее всего, медленно остывает и твердеет – как замерзающее озеро, только перевернутое вверх ногами. На самом деле существуют еще более детальные измерения, которые показывают, что и мантию Земли, и земную кору следует делить на разные слои, но мы не будем на этом останавливаться и двинемся дальше.
Сейсмология позволяет нам взглянуть на структуру Земли с точки зрения физики. Например, мы можем определить плотность слоев или узнать, что одни части мантии Земли могут быть горячее или холоднее, чем другие. Но сейсмология не дает сведений о химических свойствах. Химический состав земных недр в основном определяется путем исследования поверхностных горных и вулканических пород, которые были извержены из недр Земли, а также метеоритов и даже Солнца, которое отражает исходный химический состав всей Солнечной системы. Средний химический состав Земли – это то, что мы могли бы вычислить, если бы все слои планеты были однородно перемешаны. Вероятно, это было бы нечто вроде неизмененных хондритовых метеоритов из Главного пояса астероидов (мы рассматривали их ранее), хотя ученые еще не пришли к согласию, какой точно тип хондритов это был бы. Имея некоторое представление об исходном химическом составе Земли и предполагая, каким образом эта «смесь» разделяется на различные слои, которые либо остаются на плаву, либо проваливаются вниз в зависимости от их плотности, можно дать вполне обоснованную оценку состава основных слоев Земли. Можно сделать вывод, что ядро состоит в основном из железа с некоторым количеством никеля и легких элементов, таких как сера, которые легко растворяются в расплавленном железе и переносятся в ядро. Мантия состоит из минералов, в основном из железа, кремния и кислорода, которые, как вы помните, были созданы во время слияния ядер гелия внутри гигантских звезд (посредством альфа‑процесса). Кора также состоит из минералов, в ней даже больше кремния и кислорода и более широкое сочетание легких металлов (помимо магния и железа), включая кальций, калий, алюминий, натрий и т. д. (Я не буду перечислять названия всех горных пород и минералов, потому что вряд ли сам их все вспомню.) Главной причиной разделения всех этих компонентов из однородной массы стало плавление, и это ведет нас к еще одной истории.
Легко представить себе, что после того столкновения с небесным телом, в результате которого сформировалась Луна, Земля стала в значительной степени расплавленной. Однако наша планета могла быть расплавлена и до этого столкновения, в общем‑то большой разницы здесь нет, если только это не повлияло на сам процесс столкновения. Хотя последующие геологические процессы стерли все следы того расплавленного состояния Земли, есть доказательства того, что оно существовало на Луне, где можно найти остатки раннего океана магмы – океана расплавленных горных пород. Вопрос, был на Земле этот океан магмы или же нет, все еще открыт, но, учитывая драматический характер планетных столкновений и аккреции, магматическое начальное состояние – гипотеза, которая хорошо объясняет то, что произошло потом.
Многие крупные планетезимали, столкнувшиеся с аккрецирующей Землей, могли иметь собственные железные ядра. Возможно, на этих небесных телах было значительное количество свободного железа. Его тяжелые бесформенные сгустки провалились к центру Земли на ранней стадии ее формирования и образовали протоядро до столкновения, в результате которого образовалась Луна и которое способствовало накоплению большего количества железа в ядре при плавлении Земли (снова).
Получившийся в результате океан магмы мог составлять значительную часть всего объема Земли. Остывая и затвердевая, он продолжал разделять компоненты Земли, так как различные элементы смеси расплавленных горных пород, называемой магмой, затвердевают при разной температуре и по мере кристаллизации тонут и разделяются. Любой избыток железа, еще растворенного в магме, остался бы в расплавленном состоянии до конца (как и при формировании планетезималей), и в итоге, когда богатая железом магма стала бы достаточно тяжелой, спустился бы к ядру. Бóльшая часть затвердевшего слоя горных пород составила бы мантию, а более легкие компоненты в конечном итоге всплыли бы к поверхности, образовав тонкую земную кору. Океан магмы также мог разделиться пополам по мере затвердевания: более легкие расплавы остались бы в верхней части, более тяжелые, сжатые до высокой плотности в нижней части океана магмы, опустились бы к основанию мантии. Следы этого «нижнего океана магмы» сохранились до наших дней – сейсмологи до сих пор обнаруживают вкрапления магмы в нижней части мантии.
Если океан магмы действительно существовал, то затвердел он очень быстро (по крайней мере та часть, которая не ушла в нижнюю часть мантии). Это могло занять от нескольких десятков миллионов до нескольких сотен миллионов лет, по геологическим меркам – весьма быстро. Фактически с этого времени начинается геологическая история Земли, которая запечатлена в горных породах. Считается, что образование Солнечной системы произошло примерно 4,6 млрд лет назад, но эта информация получена по метеоритам, а не по горным породам Земли. Древнейшим породам на Земле всего около 4 млрд лет, вероятно, они сохранились с тех времен, когда океан магмы окончательно затвердел. (В некоторых местах Земли были найдены крошечные кристаллы циркона, которые на несколько сотен миллионов лет старше, но породы, в которых они содержатся, не такие старые.) Таких древних пород сохранилось очень мало, потому что бóльшая часть коры, которая поднялась к поверхности океана магмы, была размыта и «переварена» последующими геологическими процессами. Также возможно, что она была уничтожена астероидами, частые столкновения с которыми продолжались несколько сотен миллионов лет и прекратились около 4 млрд лет назад. Таким образом, 4 млрд лет назад фактически началась геологическая эра, называемая археем, в которой уже существовали современные горные породы и которая занимает огромный отрезок геологического времени (около 2 млрд лет из общих 4,6 млрд). Эра до архея, когда, вероятно, существовал океан магмы, называется катархей или гадей, в честь Гадеса (Аида), древнегреческого бога подземного ца