Альфред Вегенер (слева) с исследователем Гренландии Расмусом Виллумсеном во время экспедиции 1930 года в центральную часть Гренландии. Оба погибли в течение месяца после того, как был сделан этот снимок, не выдержав условий арктической зимы.
Метаморфические породы
В 1912 году британский геолог определил новый тип породы в земной коре — метаморфический. Так появился третий процесс в цикле горообразования, в котором высокое давление и температура изменяют состав твердых пород.
На карте Джорджа Барроу, опубликованной в 1912 году, изображен Северо-Шотландский разлом.
Это открытие сделал геолог Джордж Барроу, талантливый уроженец Лондона, преуспевший в математике и естественных науках. Выбрав своей специализацией геологию, в 1890-х годах Барроу начал составлять карту напластований Северо-Шотландского нагорья. После 20 лет кропотливой работы он представил метаморфизм Барроу, или метаморфизм с промежуточным тепловым градиентом. Карта Барроу показывала, что в зависимости от поступающих минералов горные породы могут быть разделены на отдельные слои. Финский геолог Пентти Эскола дал этому объяснение в последующее десятилетие.
В 1921 году финский геолог Пентти Эскола описал зоны, называемые метаморфическими фациями, где различные комбинации давления и температур создают определенный набор минералов. Затем они объединяются в метаморфическую породу. Фации метаморфизма: 1) цеолитовая, 2) роговиковая, 3) сандинитовая, 4) пренит-пумпеллиитовая, 5) зеленосланцевая, 6) глаукофановых сланцев, 7) амфиболитовая, 8) гранулитовая, 9) эклогитовая.
Метаморфизм Барроу был самой простой формой метаморфического изменения, которое включает в себя повышение температуры и давления с увеличением глубины. Эти меняющиеся показатели создают физико-химические изменения в минералах, первоначально составляющих исходную породу (протолит). Если минералы меняются, меняется и порода, и в результате мы имеем ряд новых пород, которые различаются лишь создавшими их силами. Градиенты Барроу (или перепады температур) типичны для зон орогенеза, где породы зажаты глубоко под землей. Другие метаморфические зоны расположены вблизи магматических очагов и вулканических расселин, где преобладает тепло, а не давление. Ко всему прочему, удары метеоритов могут создать небольшие зоны метаморфических пород. Магматические и осадочные породы — это связанные друг с другом метаморфы. Например, известняки становятся мрамором, глинистые сланцы — шифером, а песчаники образуют кварциты. Происхождение других метаморфических пород, таких как сланцы и гнейсы, более стандартное.
В процессе метаморфизма минералы в горных породах превращаются в листы, это явление называется слоистостью. Степень расслоения помогает определить градус метаморфизма, при каком давлении и температуре происходило превращение.
Дендрохронология
Каждый год деревья прибавляют новый слой древесины, создавая годичные кольца, легко узнаваемые на срубе дерева. По ним можно не только определить его возраст, но и изучить климат.
В центре ствола находятся самые старые кольца, а самые свежие — с краю. Деревья были свидетелями многих событий в истории человечества и могут рассказать об изменении климата и атмосферы в далеком прошлом.
Дендрохронология (dendron переводится с греческого как «дерево») строится на идее подсчета колец на стволе дерева с целью определить его возраст. Первым ее высказал Леонардо да Винчи. Он знал, что летом дерево растет быстрее, и в его стволе остается полоска бледной мягкой древесины. Зимой рост замедляется и полоска соответственно темная и узкая. Вместе эти кольца составляют один год, а на стволах больших деревьев их сотни. Да Винчи даже знал, что после холодного года остаются отдельные кольца более темного цвета, таким образом ствол «записывал информацию» о климате прошлого. Это знание не приносило особой пользы и служило лишь для забавы на протяжении веков, пока в 1920 году американский астроном Э. Э. Дуглас не нашел ему применение. Он нашел связь между климатическими моделями, отраженными в кольцах деревьев, и циклом активности солнечных пятен, который осветляет и затемняет Солнце каждые 11 лет. Сегодня специалисты дендроклиматологии по кольцам хвойных долгожителей могут воссоздать картину глобальных и региональных климатических условий за последние 7000 лет.
Шкала Рихтера
Землетрясения — это, пожалуй, самая разрушительная сила на поверхности планеты. Их последствия, часто смертоносные, ощутимы по всему земному шару. В 1935 году была разработана система для измерения силы землетрясений.
Землетрясение, обрушившееся 22 мая 1960 года на Вальдивию (город в Чили) было самым мощным за всю историю человечества, иногда его называют Великим чилийским землетрясением. Оно продолжалось примерно 10 минут и оценивается в 9,6 балла по шкале Рихтера. Волны возникшего цунами обрушились не только на южную часть Чили, но и, стремительно продвигаясь по Тихому океану, затронули Гавайи, Японию, Филиппины, Новую Зеландию, Австралию и Алеутские острова. Эпицентр землетрясения находился под Андами, довольно далеко от старого колониального города Вальдивии, которому был нанесен серьезный урон.
Самое смертоносное землетрясение в истории случилось в 1556 году недалеко от провинции Шэньси в центральной части Китая. Его сила оценивается примерно в 7,9 балла по шкале Рихтера (прямых измерений, естественно, не было). В результате землетрясения, произошедшего в ночь на 23 января, по общим оценкам погибло 830 000 человек. Это землетрясение стало самым страшным стихийным бедствием в истории. Причина шокирующего числа погибших кроется в залежах лёсса, очень мягкой осадочной породы, которой богат регион. Местные жители обитали в лёссовых домах, яодунах — это вырытые прямо в скалах пещеры (используются по сей день, см. на фото). Из-за землетрясения дома-пещеры обрушились, и все спящие жители погибли. В считанные минуты численность местного населения сократилась на 60 %.
Шкала Рихтера, разработанная Чарльзом Рихтером в 1935 году, измеряет энергию, выделяющуюся при землетрясении. Человек, застигнутый врасплох землетрясением, думает совсем не о силе толчков, а о том, когда они прекратятся. После землетрясения остается разруха и опустошение, а сила, ответственная за него, уже не имеет большого значения для уцелевших. Однако это имеет значение для сейсмологов, потому что землетрясения для них — основной источник данных. Землетрясения создают сейсмические волны, которые прокатываются по всей планете. Волны образуются, когда подземных сил достаточно, чтобы разрушить горные породы. Когда напряжение спадает, породы смещаются под землю. Миллиарды тонн твердых пород, внезапно пришедших в движение, создают волны давления, которые, словно круги на воде, расходятся во всех направлениях. Достигая поверхности земли, они заставляют ее сотрясаться или качаться из стороны в сторону. Большинство зданий плохо приспособлены к силам такого рода, поэтому они могут дать трещину или обвалиться.
Землетрясения с наибольшей вероятностью происходят там, где уже есть трещины в земной коре. Однако до сих пор невозможно предсказать, когда и где они произойдут. С каждым толчком меняется баланс силы продольных толчков, действующих на систему разлома. Однажды это опять произойдет в новом месте, и тогда вся система снова сместится. Сейсмологи продолжают поиски надежного способа прогнозирования землетрясений — так они смогут спасти множество жизней (и сэкономить миллиарды долларов). Изобретение шкалы Рихтера стало первым шагом в этом направлении.
Землетрясение с магнитудой выше 5 баллов может нанести урон зданиям. Землетрясение с магнитудой выше 9 баллов разрушит все до основания.
До Рихтера лучшие сейсмологи могли лишь определить, насколько далеко распространяются волны от землетрясения. Эффективность этих измерений возросла с изобретением надежных сейсмографов в 1920-х годах. Сейсмологи доказали, что одновременно с силой землетрясения увеличивается амплитуда сейсмической волны. Рихтер, опираясь на работу других, разработал способ преобразования наблюдаемых амплитуд в простую логарифмическую шкалу. Он установил магнитуду 1 как едва ощутимую человеком, а каждая последующая магнитуда была в 33 раза сильнее предыдущей. В то время как в официальных сообщениях о землетрясениях приводят данные по шкале Рихтера, сегодня исследователи Земли используют похожую систему под названием «шкала моментных магнитуд».
Железное ядро Земли
В 1774 году астроном Невил Маскелайн измерил «притяжение» отвеса горы Шихоллион в Шотландии и использовал эти данные для вычисления плотности Земли. Его вычисления показали, что глубоко внутри планеты есть что-то твердое.
Инге Леманн получила за свое открытие много премий и наград. И у нее было много времени, чтобы насладиться своим успехом, — она прожила 104 года.
Общая плотность планеты гораздо больше средней плотности пород, выходящих на поверхность. Предполагалось, что дополнительный вес дает тяжелое ядро, скорее всего представляющее собой смесь железа и никеля. В 1926 году британский геофизик Гарольд Джеффрис представил этому точное доказательство. Судя по тому, что сейсмические волны блокировались ядром, он предположил, что ядро состоит из горячего расплавленного металла. В 1930 году датский сейсмолог Инге Леманн воспользовалась возможностью изучить крупное землетрясение в Новой Зеландии, произошедшее годом ранее, чтобы тщательно проанализировать, что же находится внутри Земли. Леманн увидела в данных сейсмограмм, что некоторые сейсмические волны отражаются от чего-то находящегося внутри жидкого ядра. Радиус жидкого ядра по Джеффрису составлял около 6800 км. Леманн предположила, что в жидком ядре существует внутреннее ядро радиусом около 2800 км. (Она определила размер ядра довольно точно, по данным на сегодня его радиус равен 2442 км.)