Наука Плоского Мира - Терри Пратчетт

Форма Земли близка к сфере: диаметр вдоль экватора составляет 7928 миль (12 756 км), а между полюсами — 7902 мили (12 714 км). Небольшое расширение в области экватора — результат воздействия центробежной силы из-за вращения Земли, и появилось еще в то время, когда планета была расплавлена. Земля — это самая плотная планета в Солнечной системе: ее средняя плотность в 5,5 раз больше плотности воды. Когда Земля образовалась из исходного пылевого облака, составляющие ее химические элементы и соединения разделились на несколько уровней: более плотные вещества ушли вглубь, ближе к центру Земли, а более легкие поднялись на поверхность — подобно тому, как масло плавает на поверхности более плотной воды.

В 1952 году американский геофизик Френсис Берч описал общую структуру планеты, которая к настоящему моменту претерпела лишь небольшие изменения. Внутри Земли высокая температура и огромное давление — особенно в центре, где температура достигает 6000°, а давление в три миллиона раз превышает атмосферное. Под действием тепла горные породы и металлы плавятся, но давление удерживает их в твердом состоянии, поэтому состояние вещества определяется сочетанием этих факторов. Центр Земли представляет собой неоднородное сферическое ядро, преимущественно состоящее из железа и имеющее радиус около 2220 миль (3500 км). Внутренняя часть ядра с радиусом примерно 600 миль (1000 км) находится в твердом состоянии, в то время как толстый внешний слой расплавлен. Верхние слои Земли образуют тонкую кожицу, или Земную кору, глубиной в несколько миль. Между корой и ядром находится преимущественно твердая мантия, которая состоит из силикатных горных пород. Мантия также делится на внутренний и внешний слои, граница между которыми проходит на глубине около 3600 миль (5800 км). Выше этой «переходной зоны» мантия состоит, главным образом, из оливина, пироксенов и гранатов. Ниже кристаллическая структура становится более плотно упакованной, и образуются минералы типа перовскита. Внешние слои мантии, а также примыкающие к ним нижние слои коры находятся в расплавленном состоянии.

Толщина земной коры варьируется от 3 до 12 миль (от 5 до 20 км), и в ней можно обнаружить много интересного. Фрагменты коры, образующие континентальные массивы, состоят в основном из гранита, в то время как кора, лежащая в основании океанов, — это преимущественно базальт, причем базальтовый слой продолжается и под материковым гранитом. Таким образом, материки представляют собой обширные тонкие гранитные пласты на поверхности базальтовой кожицы. На поверхности Земли самым очевидным проявлением гранитных слоев являются горы. Самые высокие из них кажутся нам весьма внушительными, но их высота не превышает 5 миль (9 км), что составляет всего лишь 1/7 процента радиуса Земли. Самое глубокое место в океане, Марианская впадина в северо-западной части Тихого океана, достигает глубины 7 миль (11 км) ниже уровня моря. Общее отклонение Земли от идеально сферической формы (или, точнее — сфероида из-за сплющенных полюсов) находится в пределах одной трети процента — примерно так же отличается от сферы форма баскетбольного мяча, на поверхности которого находятся выступы для улучшения сцепления. Наша планета, с поправкой на немного сплюснутую форму, исключительно круглая и удивительно гладкая. Такой она стала и остается благодаря гравитации, хотя слабые, но интересные движения мантии все же проявляются в виде немногочисленных складок в Земной коре.

Откуда нам это известно? В основном, благодаря землетрясениям. Когда случается землетрясение, вся планета отзывается, как колокол, по которому ударили молотком. Ударные волны, или вибрации, вызванные землетрясением, перемещаются сквозь Землю. Они преломляются на границах «переходных зон» между различными типами материалов, например, между ядром и мантией, между верхней и нижней мантией. Волны отражаются от земной коры и возвращаются обратно. Есть несколько разновидностей волн, каждая из которых перемещается с различной скоростью. Таким образом, короткий резкий удар землетрясения приводит к возникновению очень сложной картины волн. Когда ударная волна достигает поверхности, ее можно обнаружить и зафиксировать, а затем сравнить данные, полученные из нескольких различных мест. Опираясь на записанные сигналы мы можем вывести некоторое количество информации о подземной географии нашей планеты.

Одним из следствий внутренней структуры Земли является ее магнитное поле. Стрелка компаса указывает примерно на север. Общепринятая «ложь для детей» состоит в том, что Земля — это гигантский магнит. Попробуем дать объяснение на более высоком уровне.

Магнитное поле Земли долгое время оставалось загадкой, поскольку каменные магниты обычно не встречаются, однако если учесть, что внутри Земли находится колоссальная масса железа, все становится на свои места. Железо не образует «постоянный» магнит, вроде тех, которые вы покупаете, чтобы прикрепить пластиковых поросят и медвежат на холодильник; оно больше похоже на динамо. Собственно говоря, это явление и называется геомагнитным динамо. Как уже было сказано, железо в ядре в основном находится в жидком состоянии — за исключением твердой круглой массы в центре. Жидкий слой все еще продолжает нагреваться — раньше это объясняли тем, что радиоактивные элементы, будучи более плотными, чем другие вещества в составе планеты, погрузились в сердцевину Земли и остались там, а энергия их радиоактивного распада проявляется в виде тепла. Современная теория объясняет это явление иначе: жидкое ядро нагревается, потому что твердое ядро остывает. Расплавленное железо, находящееся в контакте с твердым ядром, само начинает затвердевать и в результате теряет тепловую энергию. Эта энергия не может бесследно исчезнуть, как теплый ветерок, потому что ядро находится в тысячах миль под землей. Тепло переходит в жидкое ядро, и оно нагревается.

Вам, наверное, интересно, как слой, примыкающий к твердому ядру, может одновременно охлаждаться, переходя в твердое состояние, и в то же самое время нагреваться в результате затвердевания. Объясняется это тем, что горячее железо поднимается вверх, стоит ему только нагреться. Можно провести аналогию с горячим воздушным шаром: когда воздух нагревается, шар поднимается вверх, поскольку при нагревании воздух расширяется и становится менее плотным, а менее плотные вещества всплывают в более плотной среде. Шар удерживает горячий воздух в огромном матерчатом мешке, который обычно раскрашивают в яркие цвета и украшают рекламой банков и агентств недвижимости, и благодаря этому движется вместе с воздухом. Горячее железо, так же как и воздух, поднимается вверх и покидает твердое ядро. По мере подъема оно медленно охлаждается и в какой-то момент становится настолько холодным (в сравнении с температурами внутри Земли, конечно же), что снова начинает погружаться. В результате Земное ядро движется по кругу, нагреваясь внизу и снова охлаждаясь в верхних слоях. Вся масса железа не поднимается вверх одновременно, то есть одни области ядра поднимаются вверх, в то время как другие опускаются вниз. Такой круговорот, связанный с распределением тепла, называется конвекцией.

Как утверждают физики, движущаяся жидкость может создать магнитное поле, если выполнены три условия. Во-первых, жидкость должна проводить электричество — железо с этим отлично справляется. Во-вторых, хотя бы небольшое магнитное поле должно присутствовать изначально — и у нас есть довольно веские основания полагать, что у ранней Земли уже было собственное магнитное поле. В-третьих, некое воздействие должно деформировать жидкость, искажая исходное магнитное поле — в случае Земли такая деформация возникает благодаря силе Кориолиса, которая, как и центробежная сила, вызвана вращением Земли вокруг своей оси, но менее заметна. Проще говоря, деформация запутывает изначальное слабое поле, как спагетти, намотанные на вилку. Затем, благодаря восходящим потокам в железном ядре, магнитное поле «всплывает» наверх. В результате этих движений происходит значительное усиление исходного магнитного поля.

Так что да, Земля действительно ведет себя так, будто у нее внутри спрятан огромный магнитный стержень, хотя на самом деле все намного сложнее. Если углубиться в подробности, то можно обнаружить по меньшей мере семь дополнительных факторов, которые вносят вклад в магнитное поле Земли. Некоторые вещества в земной коре могут образовывать постоянные магниты. Подобно стрелке компаса, указывающей на север, они выстраивают свое поле вдоль более сильного поля Земли и тем самым еще больше увеличивают его. В верхних слоях атмосферы находится ионизированный газ, который обладает электрическим зарядом. До изобретения спутников эта «ионосфера» играла важную роль в радиосвязи, поскольку радиоволны отражаются от заряженного газа и не уходят в космическое пространство. Ионосфера находится в движении, а движущийся электрический заряд создает магнитное поле. На высоте примерно 15 000 миль (24 000 км) находится кольцевой ток — разреженное скопление ионизированных частиц в форме огромного тора. Этот ток немного ослабляет собственное магнитное поле планеты. Еще две составляющих, магнитопауза и магнитный хвост, связаны с взаимодействием магнитного поля Земли и солнечного ветра — непрерывного потока частиц, испускаемых нашим сверхактивным Солнцем. Магнитопауза представляет собой «головную волну» магнитного поля при его столкновении с солнечным ветром, а магнитный хвост — это вихревой след на противоположной стороне планеты, где собственное поле Земли «утекает» в окружающее пространство и еще больше рассеивается после контакта с солнечным ветром. Кроме того, солнечный ветер смещает линии магнитного поля вдоль Земной орбиты и создает так называемые «продольный ток магнитосферы». Наконец, свой вклад вносят и авроральные течения. «Северные сияния» (лат. aurora borealis) — впечатляюще сверхъестественные переливы и мерцания тусклого света, которые можно увидеть в небе вблизи полярных широт. Вокруг южного полюса можно наблюдать похожие «южные сияния» (лат. aurora australis). Полярные сияния возникают благодаря двум слоям заряженных частиц, находящимся между магнитопаузой и магнитным хвостом. В свою очередь, они образуют западное и восточное авроральные течения со своими магнитными полями.