Феликс Зигель - Путешествие по недрам планет
Уран и Нептун представляют собой промежуточные тела между «полузвездами», именуемыми нами Юпитером и Сатурном, и планетами земного типа.
НАША УДИВИТЕЛЬНАЯ ПЛАНЕТА
Мы живем точно во сне неразгаданном
На одной из удобных планет…
Игорь СеверянинДолгое время господствовало убеждение, что в Солнечной системе Земля — лишь одна из обитаемых планет. Фантазия неселяла разумными обитателями не только Марс, но и Венеру и даже планеты-гиганты. Космонавтика положила конец этим иллюзиям. Сегодня уже никто не сомневается в том, что мы, люди, одиноки в Солнечной системе и в этом отношении Земля уникальна. Больше того, оказалось, что остальные планеты разительно отличаются от нашей и ни на одной из них человек не смог бы существовать без искусственных средств жизнеобеспечения.
Этот факт, несомненно, связан с особенностями формирования Земли и ее эволюции как планеты. Мы живем на поверхности Земли, и это обстоятельство очень облегчает не только познание ее недр, но и выяснение всех деталей ее истории. Зарождение биосферы и ее роль в геологической истории Земли — события, определившие нынешний облик нашей планеты. Вот почему недра Земли тесно связаны с историей всех ее оболочек до атмосферы включительно. Лишь в конце этого раздела мы постараемся взглянуть на Землю извне.
Что там, внутри?
Непосредственное изучение земных недр имеет пока весьма ограниченный характер. Самая глубокая из проектируемых шахт достигает глубины всего 2 км. Ясно, что такой способ исследования недр может дать сведения лишь о самых поверхностных слоях земной коры.
Но существуют различные методы изучения недр Земли. Как известно, период колебания маятника определяется формулой T = 2π(l/g)1/2, где l — длина маятника; g— ускорение свободного падения, которое зависит от расстояния маятника до центра Земли и от центробежной силы в данной точке земного шара. Так как Земля представляет собой сплюснутый у полюсов шар, или, точнее, сфероид, его полюсы на 21 км ближе к центру Земли, чем точки экватора. Точные измерения показывают, что ускорение свободного падения на северном полюсе составляет 983,234 см/с2, а на экваторе оно на 5,2 см/с2 меньше. Около 2/3 этой величины вызвано вращением Земли, а 1/3 — ее сплюснутостью.
Отсюда следует, что маятник в принципе позволяет изучать форму Земли по величине ускорения свободного падения в разных точках ее поверхности. Этим занимается специальная наука — гравиметрия, в распоряжении которой есть высокоточные маятниковые приборы. Следует заметить, что ныне маятниковый метод применяется лишь для решения некоторых специальных задач. Абсолютные же измерения ускорения g выполняют методом свободного падения тел в вакууме. Так как при таких измерениях используют лазерные интерферометры и кварцевые часы, точность их весьма высока — средняя квадратическая погрешность не превышает 10-7 м/с2.
Гравиметрия позволяет измерить сжатие Земли (1/298,3), а также ее безразмерный момент инерции (0,331), что очень важно для построения модели внутреннего строения нашей планеты. Но гравиметрия способна и на нечто большее. Представьте себе два одинаковых маятника А и В. Под первым из них находятся породы повышенной плотности, например руды, под маятником В — пустота (скажем, пещера). Ясно, что маятник А будет сильнее притягиваться Землей, чем маятник В, а значит, и колебаться быстрее. Таким образом, гравиметрические приборы могут успешно выступать в роли разведчиков полезных ископаемых. С их помощью удается выяснить и некоторые детали строения земной коры.
Методами, позволяющими проникнуть в Землю до любых глубин, т. е. иначе говоря, до ее центра, располагает другая наука — сейсмология. Она изучает распространение в твердом теле Земли волн, вызванных землетрясениями — естественными или искусственными. Чтобы разобраться в причинах и следствиях землетрясений, надо вспомнить кое-что об упругости и волнах.
Если тело после снятия внешней нагрузки принимает первоначальную форму, то его называют упругим. В этом случае говорят об упругой деформации тела. Если же внешние силы необратимо меняют форму тела, то его деформация будет неупругой. Примером безусловно упругого тела является резина — недаром ее используют в различных амортизаторах. Такими же упругими свойствами обладают струна гитары, стальная пружина и ряд других твердых тел. Кусок мягкой глины или замазки может, наоборот, служить типичным примером неупругого тела.
Процесс распространения колебаний в упругой среде реализуется в виде волн, т. е. периодических перемещений частиц среды. При этом каждая из частиц колеблется около некоторого среднего положения равновесия. Когда говорят о фронте волны, подразумевают поверхность, отделяющую колеблющиеся частицы от тех частиц, которые еще не вовлечены в колебательное движение. Если фронт волны является плоскостью, то волна называется плоской, если фронт волны представляет собой сферу, то волна называется сферической. Различают волны двух типов — продольные и поперечные. В первом случае колебания отдельных частиц происходят в направлении распространения волны. В поперечных волнах частицы колеблются в плоскостях, перпендикулярных к направлению волны. В сущности, продольная волна — это чередование сгущений и разрежений упругой среды. Продольные волны возможны в газах, жидкостях и твердых телах. Что касается поперечных волн, то они наблюдаются или в твердых телах, или на границе раздела двух жидкостей, либо жидкости и газа (например, на поверхности воды). Если колебания распространяются вдоль прямой, эту прямую называют лучом. Колебания могут распространяться и вдоль кривых.
После этого краткого экскурса в область элементарной физики обратимся к тем так называемым сейсмическим волнам, которые возникают при землетрясениях, т. е. при сотрясениях земной коры, вызванных разными причинами. Самые грозные из землетрясений — тектонические, порожденные смещением отдельных участков земной коры. При этом происходит разрыв пород, образуются большие и малые трещины, часть которых выходит на поверхность Земли. Разрывы и смещения пород, слагающих земную кору, вызывают подземные толчки, отдающиеся на земной поверхности. Каждый такой толчок рождает сейсмические волны, достигающие наибольшей силы в очаге землетрясения, называемом сейсмическим очагом. В сейсмическом очаге различают гипоцентр, т. е. глубинную зону, где, собственно, и зарождается землетрясение, и эпицентр — область наибольшей силы сейсмической волны на земной поверхности. Расстояние между эпицентром и гипоцентром характеризует глубину сейсмического очага. Глубина очага тектонических землетрясений чаще всего 50—100 км, хотя бывали случаи, когда такого рода землетрясения зарождались на огромной глубине — до 800 км!
В районе действующих вулканов земная кора также сотрясается, что вызывается прорывами газов и лавы в подводяшем канале вулкана. Нередко вулканические землетрясения предшествуют извержению вулкана, однако по мощности они, как правило, уступают тектоническим землетрясениям. Еще более грозны обвальные землетрясения, порождаемые обвалом больших масс горных пород. Наконец, при искусственных взрывах под землей, на земной поверхности и невысоко в атмосфере возникают искусственные землетрясения.
Каждый очаг землетрясения — это область внутри Земли, из которой распространяются упругие волны разных типов. Некоторые из этих волн поверхностные, распространяющиеся вблизи земной поверхности, и их свойства, очевидно, тесно связаны со строением земной коры и подстилающих ее сравнительно неглубоких слоев. Гораздо интереснее, пожалуй, пронизывающие почти всю Землю объемные волны, к которым относятся продольные, или Р-волны (от латинского «прима», что значит «первые»), и поперечные, или S-волны (от латинского «секунда», т. е. «вторые»). Продольные волны распространяются быстрее поперечных, поэтому первыми приходят на сейсмические станции. По существу и те, и другие представляют собой звуковые волны очень низких частот. При очень сильных землетрясениях вся Земля начинает колебаться, и эти собственные колебания огромной планеты можно сравнить со звучанием исполинского колокола.
Беда в том, что ни одно ухо не воспринимает это «звучание» Земли, так как все сейсмические колебания рождают инфразвуки. Тем не менее землетрясения позволяют узнать нечто удивительное — строение земных недр, совершенно недоступных иным средствам исследования. Тот факт, что внутри Земли на больших глубинах распространяются упругие волны (рис. 4), свидетельствует о том, что большая часть земного шара находится в твердом состоянии.
