"Капсула времени". Ученые выяснили, что находится в самом центре Земли

МОСКВА, 1 мар — РИА Новости, Владислав Стрекопытов. Внутри земного ядра находится твердый металлический шар радиусом около 650 километров — к такому выводу пришли ученые, анализируя скорость сейсмических волн от землетрясений. Это вносит существенные коррективы в представления о том, как устроена планета.

Волновое "просвечивание"

Практически все данные о строении земных недр специалисты получают из наблюдений за распространением сейсмических волн. Анализ изменений их скорости позволил в свое время установить, что планета состоит из нескольких концентрических слоев — от коры до ядра, верхняя кромка которого находится на глубине около 2900 километров от поверхности.

Объемные сейсмические волны, используемые в геофизических наблюдениях, делятся на продольные P-волны, в которых упругие механические колебания совершаются вдоль направления распространения, и поперечные S-волны с перпендикулярными колебаниями. Любой сейсмический импульс запускает сразу оба типа волн, но они по-разному преломляются на границах сред с разной плотностью. Если Р-волны проходят через любые материалы, то S-волны, которые еще называют сдвиговыми, распространяются только в твердых телах.

В 1936-м датский геофизик Инге Леманн предположила, что ядро Земли не однородно, а состоит из двух оболочек — внешней расплавленной и внутренней твердой. Последующие исследования подтвердили: в ядре на глубине около 5100 километров от поверхности действительно есть граница раздела двух сред. Это помогло установить толщину жидкого внешнего ядра, в котором гасли сдвиговые волны. Радиус внутреннего ядра, таким образом, — около 1300 километров. Однако у ученых долгое время не было однозначного мнения о его фазовом строении.

Загадка внутреннего ядра

С одной стороны, характер преломления и отражения продольных волн указывал на то, что внутреннее ядро в основном твердое. Да и при тех давлениях, которые существуют на этих глубинах, — около 3,8 миллиона бар — вряд ли можно представить другое состояние вещества. Но для подтверждения версии требовалось зафиксировать распространение сдвиговых волн, что было весьма проблематично: волны этого типа практически не проходят через окружающую жидкую оболочку внешнего ядра.

Для маркировки волн разных типов в земных слоях геофизики используют буквенные обозначения: P — продольные волны в мантии; S — сдвиговые волны в мантии; K — продольные волны во внешнем ядре; I — продольные волны во внутреннем ядре; J — сдвиговые волны во внутреннем ядре.

Волнам от конкретного сейсмического импульса, прошедшим сквозь различные оболочки и зафиксированным сейсмографами на выходе, присваивают определенный код. Например, если и в мантии, и во внешнем ядре проявились продольные колебания, а во внутреннем — поперечные, код будет PKJKP. А если во внутреннем ядре колебания не фиксируются вообще — PKIKP.

© Инфографика

Пример прохождения сейсмических волн в недрах Земли

Первоначальная задача заключалась в том, чтобы найти J-составляющую в составе PKJKP-волн. Впервые это удалось в 2018-м. Ученые-геофизики из Австралийского национального университета Хрвое Ткальчич и Тхань Сон Фам применили особый прием для обнаружения сверхслабых волн — метод корреляционных волновых полей. В его основе — принцип сопоставления прямых и отраженных сигналов от одного и того же землетрясения, поступающих на пары сейсмографов в противоположных частях планеты.

При этом авторы намеренно отбрасывали первые три часа сейсмограмм, исключив таким образом сильные волновые сигналы, и рассматривали только интервал от трех до десяти часов после землетрясения. Метод позволил определить скорость поперечных волн во внутреннем ядре Земли: 3,42 километра в секунду на границе с внешним ядром и 3,58 — в центре.

Эти значения оказались несколько ниже, чем должны быть в случае твердого тела, состоящего из чистого железа или сплавов на его основе. Для объяснения ученые выдвинули несколько гипотез. Прежде всего предположили, что внутреннее ядро не абсолютно твердое, а обладает определенной пластичностью, как некоторые металлы, например золото или платина. Наблюдаемым параметрам также соответствует сплав железа, кремния и углерода.

Пониженные скорости J-волн можно объяснить и другой причиной — наличием во внутреннем ядре небольшого количества расплава, заключенного в пространстве между кристаллами твердого вещества. Возможен и третий вариант — внутреннее ядро само по себе неоднородно. На это, в частности, указывает разница скоростей сейсмических волн на его границе и в центре.

Метод пинг-понга

Для нового исследования Ткальчич и Фам отобрали 200 землетрясений магнитудой шесть и более, произошедших за последние десять лет. Внимание сосредоточили на волнах типа PKIKP. Обработав с помощью специальной программы данные большого количества датчиков со всей планеты, для каждого из сейсмических событий ученые построили изображения волновых полей, покрывающие всю поверхность Земли, — глобальные коррелограммы.

Разработанный авторами метод усиления сигналов позволил восстановить маршруты и скорость сейсмических волн с беспрецедентной детализацией. В отдельных случаях удалось отследить до пяти ревербераций — отражений от поверхности и обратных прохождений волн сквозь недра Земли.

"Это похоже на мячик для пинг-понга, который прыгает туда-сюда", — приводит слова Тхань Сон Фам журнал Nature.

Каждой реверберации требуется около 20 минут, чтобы перейти с одной стороны планеты на другую, и с каждым разом сигнал становится все слабее. Ранее фиксировали не более одного подобного "отражения".

© Drew Whitehouse, Son Phạm and Hrvoje Tkalčic

Пятикратная реверберация сейсмических волн от землетрясения на Аляске

Открытие мини-ядра

Полученные данные подтвердили существование в самом центре планеты горячего и плотного металлического шара диаметром около 1300 километров. Он, как и все внутреннее ядро, предположительно, состоит из кристаллического железа с небольшой примесью никеля.

Интересно, что характер замедления волн, проходящих через "ядрышко", не совпадает с картиной в окружающей оболочке. По мнению ученых, это связано с особенностями упаковки атомов железа или преимущественной ориентацией растущих кристаллов при различных температурах и давлениях.

"Кристаллы железа в центральной части, вероятно, организованы иначе, чем во внешнем слое", — отмечает Ткальчич.

Различия наблюдаются на уровне анизотропии железо-никелевого сплава, слагающего обе зоны внутреннего ядра. Обнаружить их удалось благодаря анализу изменений скорости сейсмических волн при вхождении в мини-ядро под разными углами. В одних случаях волны замедлялись, в других — наоборот, ускорялись.

Металлический шар в центре Земли составляет не более одного процента от ее общего объема, но его открытие чрезвычайно важно для понимания процесса эволюции планеты в целом.

"Внутреннее ядро ​​похоже на капсулу времени, — говорит ученый. — Это окаменелая запись, которая открывает ворота в прошлое Земли".

Теперь ясно, что на раннем этапе геологической истории произошло какое-то глобальное событие, которое привело к значительной перестройке кристаллической структуры ядра. И это, возможно, сыграло не последнюю роль в появлении у Земли магнитного поля, без которого развитие сложных форм жизни было бы невозможным.