Планета Земля. Познакомьтесь с миром, который мы называем домом

С одной из тайн, окружающих ядро, удалось снять покровы. Ученые заметили, что через восточную часть ядра сейсмические волны распространяются быстрее, чем через западную, но никто не мог понять, почему так происходит. Моделирование помогло найти ответ. Скорее всего, это явление связано с турбулентностью жидкого железа во внешнем ядре, в результате чего более холодное вещество затягивается туда из пограничных районов между ядром и мантией. Затем оно попадает на твердое внутреннее ядро и формирует на нем своеобразную «нашлепку». В течение последних 300 миллионов лет большая часть вихревых движений в железном ядре приходилась на территорию под Азией, в результате чего внутреннее ядро с восточной стороны подросло и стало примерно на 100 километров толще, чем с западной.

Это же могло повлиять и на магнитное поле Земли, которое, по мнению большинства исследователей, создается конвекцией в жидком внешнем ядре. Из-за турбулентности, вызванной ростом внутреннего ядра, магнитное поле со временем может стать менее стабильным; северный и южный магнитные полюсы Земли могут даже меняться местами (см. главу 4).

В случае, если это произойдет, – как уже случалось в прошлом – планета временно останется незащищенной от солнечного ветра – потока высокоэнергетических частиц, исходящих от Солнца. Результат его воздействия может быть катастрофическим. В лучшем случае сгорит все наше электронное оборудование, а в худшем – мы лишимся атмосферы Земли, обеспечивающей условия для жизни. Никто, правда, не знает, когда произойдет смена полюсов; а уж хорошая это новость или плохая, зависит от вашей точки зрения.

Невидимый экран

Считается, что магнитное поле Земли создается самыми фундаментальными физическими процессами. Электроны, текущие через жидкое ядро, генерируют электрический ток, который, в свою очередь, создает магнитное поле. Другими словами, ядро – это гигантское самоподдерживающееся динамо.

Просто, да не совсем. В последние годы появились указания на то, что это динамо должно быть сравнительно «свежим» явлением. При этом само по себе магнитное поле существует на протяжении большей части истории Земли, как об этом свидетельствует палеомагнетизм древних пород. Налицо кажущийся парадокс, который заставляет переосмыслить явления, происходящие внутри нашей планеты.

Мы уже говорили о том, что по мере охлаждения планеты плотное железо медленно погружалось в землю по направлению к центру, где оно плавилось под действием высоких температур. Затем включилась тепловая конвекция – процесс, при котором горячая жидкость поднимается и охлаждается, а плотная жидкость тонет. Это движение и привело в действие динамо.

Но здесь возникает одна сложность. В какой-то момент Земля достаточно остыла, чтобы часть жидкого железа в ядре могла затвердеть. При экстремальных температурах и давлениях внутри планеты ядро начало замерзать изнутри. Согласно распространенным оценкам, этот процесс начался 1,5 миллиарда лет назад. Сегодня внутреннее ядро представляет собой сплошной железный шар с радиусом более 1200 километров и все время растет по мере того, как охлаждается Земля.

К счастью, замерзание ядра вызвало еще один эффект, который поддерживал магнитное динамо в рабочем состоянии. По мере роста внутреннего ядра из него вытесняются легкие элементы. Подобное явление происходит, когда замерзает соленая вода: соль не может встроиться в кристаллическую структуру льда и выталкивается из него, поэтому пресноводный лед плавает поверх очень соленой воды.

Похожим образом устроено и твердое внутреннее ядро Земли, которое почти полностью состоит из железа. Его окружает железо-никелевая жидкость с примесью серы, кислорода и других более легких элементов. Благодаря наличию этих дополнительных ингредиентов жидкость, окружающая внутреннее ядро, становится менее плотной и устремляется вверх. Вдали от внутреннего ядра более тяжелое вещество, содержащее много железа, тонет; во внешнем ядре начинается бурление – запускается процесс композиционной конвекции.

Сейчас преобладает такая точка зрения, что тепловая и композиционная конвекции могли вместе поддерживать динамо на протяжении большей части истории Земли. Но именно здесь и возникают основные трудности. В последнее время исследователи начали задаваться вопросом: а происходила ли вообще когда-либо тепловая конвекция? А если она и происходила, то с достаточной ли силой, чтобы обеспечить функционирование магнитного поля планеты?