Метеоры, киты и ядро Земли

Земля состоит из железоникелевого ядра и мантии. Граница между ними делит планетную толщу примерно пополам. В свою очередь, ядро, открытое столетие назад, также разделяется пополам на внешнее жидкое и внутреннее твердое. От сферы внутреннего ядра радиусом в 1211 км, вверх, через океан жидкого металла поднимаются его конвективные потоки, охлаждаются у границы с мантией и возвращаются назад. По современным представлениям, именно эти течения ответственны за магнитное поле, которое защищает Землю от влияния космических частиц.

Как образовалось и изменялось со временем твердое ядро, ученые пока точно не знают. В геологии господствуют представления о рождении планеты при слипании так называемых планетезималей. Геофизики предполагают, что тяжелое железо этих мелких каменных астероидов со временем опускалось к центру Земли и кристаллизовалось там. Такие идеи позапрошлого века, навеянные плавкой металлов в доменной печи, иногда не выдерживают критики, но пока остаются общепринятыми.

В 1996 году ООН организовала на Земле систему контроля за соблюдением международного договора о запрещении ядерных испытаний. Ее основой стала сеть приборов, которые отслеживали взрывы в атмосфере, в океанах, на поверхности планеты и под ней. Сеть дала ученым колоссальный научный материал, который уже позволил исследовать метеорные взрывы, обнаружить колонию маленьких синих китов, прояснить процесс образования айсбергов и улучшить предсказание погоды.

Сейсмометры сети расположены на двадцати полях, разбросанных по земному шару. Каждое поле — это множество приборов, которые вмонтированы в твердые горные породы на глубине до десяти метров. Поле действует как чуткая параболическая антенна и улавливает сейсмические волны, отраженные от неоднородностей толщи планеты. Эти волны порождают и естественные землетрясения, и искусственные взрывы.

Сейсмологи давно определили, что твердое ядро отнюдь не гомогенно. Однако это явление описано далеко не полно. Группа геофизиков из Университета Юты под руководством профессора Кейта Копера (Keith Koper) недавно доказала, что негомогенность характерна для всей толщи твердого ядра по всему его объему, а не только для его приповерхностных слоев.

Ученые даже выяснили характер ее изменения с толщиной. Для этого они обработали сейсмические данные 2455 землетрясений с магнитудой выше 5,7 за все 27 лет существования сети.

Продольные сейсмические волны, отраженные от различных частей внутреннего ядра, позволили в деталях построить его трехмерную модель с разрешением в километры. Задача эта была нелегкой, так как некоторые сигналы приводят лишь к нанометровым смещениям горных пород. Также оказалось, что пористость внутреннего твердого ядра растет в разы по мере продвижения к его центру до глубин 500—800 км.

Геофизики рассматривают внутренне ядро как результат кристаллизации расплавленного железа в разных режимах, в результате чего образовались блоки кристаллов железа разного размера. Ученые полагают, что сначала в ядре началось зародышеобразование при высоких давлениях, затем происходила кристаллизация. Поначалу она шла быстро, но со временем замедлилась. И похоже, что ядро до сих пор содержит включения расплавленного металла. Статья о работе опубликована в журнале Nature.