Планета Земля. Познакомьтесь с миром, который мы называем домом
Арктическая тепловая волна (55 миллионов лет назад)
В течение предыдущих нескольких миллионов лет на Земле постепенно становилось все жарче и жарче и планету начала охватывать тепловая волна, уникальная в своем роде. В Арктике стояла влажная жара и росли пальмы. Это было время палеоцен-эоценового термического максимума.
Даже до того, как ртутный столбик поднялся до своего максимума, было довольно тепло. Полюса были практически свободны ото льда, в самых глубоких слоях океанов температура была на 8 °C выше, чем сегодня, уровень моря примерно на 70 метров превышал сегодняшний, а в Северном Ледовитом океане плавали крокодилоподобные хампсозавры. Факт их прекрасного самочувствия при столь близком нахождении к Северному полюсу означает, что температура воды должна была быть не ниже 5 °C, даже в условиях постоянной зимней темноты. (Сегодня средние зимние температуры на Северном полюсе колеблются в районе –34 °C.) Похожие на гиппопотамов корифодоны скрывались в теплых болотистых лесах вдоль океанских побережий.
Перенесемся на несколько миллионов лет вперед. К этому времени уже появились пресноводные черепахи. Это могло бы показаться странным, но вспомним, что Арктический бассейн был почти полностью окружен сушей. Речная вода, вытекающая с суши в море, покоилась на более тяжелой соленой воде, образуя одно из самых больших озер, которые когда-либо видела планета. Вода имела комфортную температуру 23 °C. На другом краю Земли также была приятная температура, вполне пригодная для купания. На пике термического максимума в Антарктиде появились папоротники, то есть там было очень тепло, как отмечает Кейт Литтлер из Эксетерского университета (Великобритания).
Такая теплая погода явилась результатом значительного повышения концентрации парниковых газов в атмосфере, хотя никто не знает, за счет чего она повысилась. Одна из возможных причин – интенсивная вулканическая активность; другая причина может заключаться в том, что отложения твердого метана, находящиеся на дне моря, растаяли и выплеснулись на поверхность в виде большого газообразного извержения. Не исключено также, что оттаяла вечная мерзлота Антарктиды, выделив при этом большую порцию углекислого газа. Как бы то ни было, температура постепенно увеличивалась в течение нескольких миллионов лет, а потом вдруг внезапно подскочила – как минимум на 5 °C всего за 20 000 лет.
Для жизни на морском дне это было трудное время, там продолжалось вымирание. На суше, напротив, жизнь процветала. В густых лесах Юго-Восточной Азии появились приматы – новый класс млекопитающих. Они были немного похожи на долгопятов или галаго, питались насекомыми и были очень далекими предками единственного вида животных, который ныне заполонил все уголки планеты, – людей. Наш вид также – единственный, способный вызвать явление, по масштабу превосходящее палеоцен-эоценовый термический максимум: мы можем стать причиной аналогичного потепления, но в сто раз быстрее (см. главу 10).
Создание Средиземноморья (5,33 миллиона лет назад)
Если встать на мысе Тарифа (или мысе Марроки), самой южной точке материковой Европы, то можно ясно увидеть горы в Марокко через Гибралтарский пролив. Этот участок воды, занимающий в ширину всего 14 километров, является очень оживленным местом и служит воротами между Атлантическим океаном и Средиземным морем; он отделяет Африку от материковой Европы.
Однако 5,4 миллиона лет назад картина была совсем другой. Средиземного моря еще не было, только один Атлантический океан. На месте Средиземного моря находился обширный бассейн, блистающий от кристаллов соли и пестреющий озерами со сверхсоленой водой. Самая низкая точка этой впадины была на 2,7 километра ниже уровня моря. Зрелище было довольно захватывающим; для сравнения: уровень воды в бассейне нынешнего Мертвого моря находится на 430 метров ниже уровня моря.
В разгар Мессинского пика солености тектонические движения закрыли Гибралтарский пролив, полностью отрезав Средиземное море. В жарком и сухом климате понадобилось около 1000 лет, чтобы вода в море почти полностью испарилась. Следы того времени все еще можно найти сегодня под морским дном, а вдоль берегов находятся толстые залежи соли и гипса. Бассейн недолго оставался обезвоженным. С течением времени климат становился все более прохладным и влажным, и реки, впадающие в бассейн, превратили его в болотистую местность – ни озеро, ни море. Но на западе назревал катаклизм.
Примерно 5,33 миллиона лет назад тектоническое опускание, эрозия и повышение уровня моря начали открывать проем в Атлантику. Занклийское наводнение, – названное по имени геологического века, в который оно произошло – вероятно, началось медленно и постепенно заполнило 10 % бассейна за несколько тысяч лет. Все это закончилось библейским потопом – так считает Даниэль Гарсия-Кастелланос из Института наук о Земле Хауме Альмера в Барселоне (Испания). Скорость притока внезапно возросла, и вода полностью заполнила бассейн за несколько месяцев; уровень Средиземного моря поднимался примерно на 10 метров в день. Каждую секунду в море низвергался целый миллиард кубометров воды – в 5000 раз больше, чем выливает сегодня Амазонка. Это было жуткое зрелище.
Удивительно то, что такой сценарий может повториться. Реки, втекающие в Средиземное море, не могут обеспечить его достаточным количеством воды, чтобы компенсировать испарение: ему требуется Атлантика, чтобы поддерживать уровень воды. Если тектонические силы перекроют пролив, Средиземное море в конце концов снова высохнет.
Затопленный рай (10 000 лет назад)
С викторианского пирса в Кромере на восточном побережье Англии Северное море выглядит унылым и непривлекательным. Но стоит переместиться назад на 10 000 лет, и пейзаж полностью изменится. На заре голоценовой эпохи, после того как закончился последний ледниковый период, уровень моря был на много метров ниже, чем сегодня, а Британия соединялась с материковой Европой плодородной равниной, простирающейся на восток вплоть до Дании. Эта область получила название Доггерленд.
Доггерленд был историческим раем с обилием болот, озер и рек. И людей. В 2008 году археолог Винсент Гаффни из Брэдфордского университета и его коллеги использовали данные сейсмических исследований, собранные норвежской нефтяной компанией, чтобы восстановить очертания этого затерянного мира. В результате получилась карта, охватывающая 23 000 квадратных километров, по площади примерно равная размеру Уэльса.
На южной оконечности Доггерленда находилось озеро Внешняя серебряная скважина; сейчас это впадина на дне Северного моря, с востока заполненная водами реки Рейна, а с запада – реки Темзы. Люди жили на берегах Доггерленда, ловили рыбу, охотились и собирали ягоды. Гаффни описывает эту территорию как «недвижимость класса люкс для охотников-собирателей». В наши дни траулеры Северного моря время от времени извлекают с морского дна следы деятельности этих людей – например, наконечник копья, изготовленный из кости оленя. Но помимо этого об этих людях почти ничего не известно.
Вот то, что мы знаем о них доподлинно: они стали жертвами изменения климата. По мере того, как планета нагревалась и ледники таяли, уровень моря повышался примерно на 2 метра в столетие, постепенно охватывая низменные районы. За несколько тысяч лет Доггерленд превратился в архипелаг. Затем, около 8150 лет назад, произошло мегацунами, вызванное мощным подводным оползнем у побережья современной Норвегии. Эта катастрофа получила название «оползень Стурегга». По оценкам исследования, выполненного в 2014 году, 3000 кубических километров отложений в одночасье рухнули – вероятно, вследствие землетрясения. В результате возникло гигантское цунами, которое захлестнуло все, что осталось от Доггерленда. Во всяком случае, так считает Джон Хилл из Имперского колледжа Лондона, который руководил исследованием.
Все острова, оставшиеся от Доггерленда, были затоплены; Хилл и другие исследователи считают, что Стурегга прозвучала как похоронный марш для народа, жившего в Доггерленде. Так несколько тысяч лет назад произошло отделение Британии от материковой части Европы.
Глава 3. Внутри и снаружи
Планета Земля подобна луковице: можно снимать с нее слой за слоем, пока не доберешься до железного ядра. Большинство из этих слоев физически недоступны, но это нас не останавливает. Изобретательность, экспериментальные работы и все более глубокое понимание законов природы позволили нам увидеть невидимое.
Вниз, вниз, все глубже вниз
Спустись, смелый странник, в кратер ледника Снейфелл, который тень Скартариса ласкает перед июльскими календами, и ты достигнешь центра Земли. Это я совершил.
Арне Сакнуссем
У Отто Лиденброка не было ничего, кроме этой записки, когда он отправился к исландскому вулкану Снайфедльсйёкюдль и оттуда – к центру Земли. Оказавшись в подземном мире, он столкнулся с глубокими океанами, доисторическими существами, грозовыми штормами и гигантскими насекомыми.
Так писал Жюль Верн в 1864 году в «Путешествии к центру Земли». Если бы можно было так просто узнать о том, что творится внутри Земли! Пока нам удалось пробурить только около трети внешней коры планеты. Все остальные знания о внутреннем составе планеты мы получили в основном с помощью анализа волн давления и их пути сквозь породы разной плотности.
Сейсмические волны
По иронии судьбы самым ценным источником волн давления являются самые разрушительные события – землетрясения. Геологи измеряют, сколько времени требуется ударным волнам, чтобы пройти от эпицентра землетрясения до различных точек земного шара. Благодаря таким измерениям и удалось выяснить, что Земля состоит из нескольких слоев и по своему строению напоминает луковицу. Самая внешняя корочка очень тонкая: ее глубину можно сравнить с толщиной почтовой марки, наклеенной на футбольный мяч. Ниже лежит мантия, которая составляет более 82 % объема Земли. Еще глубже – очень плотное и горячее ядро.
Ударные волны от очага землетрясения распространяются во всех направлениях и отражаются или преломляются, встречая на своем пути породы различной плотности. Если породы более плотные, волны давления ускоряются; в менее плотных они замедляются. Определив направление и скорость распространения этих сейсмических волн внутри Земли, геологи могут определить плотность и толщину пород, которые лежат на глубине нескольких тысяч километров под нашими ногами.
Ирландский геофизик Роберт Маллет положил начало науке сейсмологии в конце XIX века. Благодаря этой науке исследователи обнаружили, что землетрясения посылают внутрь планеты два основных типа волн. Первичные волны, или P-волны, подобны звуковым. Они поочередно сжимают и расширяют среду, через которую проходят, и могут распространяться через твердые, жидкие и газообразные вещества. Вторичные волны, или S-волны, заставляют колебаться частицы породы под прямым углом к направлению их распространения. Это означает, что они могут проходить только через твердые вещества – жидкости и газы не имеют жесткости, чтобы поддерживать поперечное перемещение.
Когда югославский геофизик Андрия Мохоровичич проанализировал записи землетрясения, происшедшего в Хорватии в 1909 году, он обнаружил четыре сейсмических импульса. Сейсмографы вблизи эпицентра землетрясения зарегистрировали медленно движущиеся волны типов S и P. Затем медленные волны сменились на более быстрые S- и P-волны.
Мохоровичич предположил, что медленные волны, зарегистрированные сейсмометрами, проходили через верхний слой коры. Более быстрые должны были пройти через нижележащий слой пород поплотнее, которые отклонили и ускорили их. Ученый пришел к выводу, что изменение плотности с 2,9 до 3,3 грамма на кубический сантиметр обозначает границу между земной корой и мантией. Эта граница, которая лежит в среднем на 8 километров ниже дна океанов и на 32 километра ниже уровня континентов, теперь называется границей Мохоровичича или просто границей Мохо.
Тени внутри Земли
Сейсмологи собирали все больше и больше записей о землетрясениях и заметили наличие «теневой» зоны, свободной от ударных волн. Она располагалась на сфере между 105-м и 142-м градусами (см. рис. 3.1) от источника землетрясения, если смотреть от источника по пути следования сейсмических волн. После 142-го градуса волны снова появляются. Единственным объяснением этого явления было предположение о том, что волны перешли из твердого вещества в жидкое, в результате чего S-волны полностью остановились, а P-волны замедлились и преломились. Анализ показал, что происходит изменение плотности от 5,5 до 10 грамм на кубический сантиметр на глубине 2900 километров. Это объяснили существованием границы между мантией и ядром.
Рис. 3.1. Сейсмические волны полностью останавливаются или преломляются слоями различной плотности. Жидкое внешнее ядро отбрасывает тень, которая начинается со 105-го градуса от источника землетрясения.
Позже в теневой зоне ученые обнаружили очень слабые волны. В 1936 году голландский сейсмолог Инге Леманн предположила, что еще одно изменение плотности происходит в ядре – на его глубине, равной примерно 2200 километрам. Это изменение ускоряло Р-волны и искривляло некоторые из них таким образом, что они появлялись в теневой области. Напрашивался вывод: внутри Земли находится внутреннее ядро из очень плотного твердого вещества. По оценкам, плотность внутреннего ядра составляет 12,3–13,3 грамма на кубический сантиметр.
Экстремальные условия
Строение Земли в современном представлении – это серия концентрических слоев, которые становятся все более плотными к центру (см. рис. 3.2). На плотность этих слоев влияют два противоположных фактора.
Во-первых, температура. Под ее влиянием породы размягчаются и плавятся. Внутренние слои Земли разогреваются под действием энергии, поступающей от распада радиоактивных элементов, содержащихся в породах. В центре Земли температура может достигать 3000 °C; затем она постепенно падает до 375 °C на границе между мантией и корой. Второй фактор, влияющий на плотность, – давление. Под его действием породы затвердевают и уплотняются. Чем глубже слой, тем больше вес вышележащих пород и тем выше давление в этом слое.
Рис. 3.2. Сейсмические исследования дали нам хорошее представление о слоистой структуре Земли. Состав коры определяется с помощью химического анализа.
Породы, прилегающие к поверхности, температура которой невысока, являются в основном твердыми и хрупкими. Такова литосфера – слой, состоящий из земной коры и верхней мантии; она простирается вглубь Земли на 60 километров. В этой точке сейсмические волны замедляются, что указывает на снижение плотности. Это происходит в астеносфере – слое пониженной прочности, где радиоактивное тепло не в состоянии быстро рассеиваться и породы плавятся. По консистенции этот слой напоминает тянучку; он простирается вниз почти на 200 километров.
Ниже астеносферы сейсмические волны движутся сначала с высоким ускорением, а затем, на протяжении 2100 километров, с более низким. Этот слой называется мезосферой; здесь давление борется с растущей температурой в попытке сделать породы более жесткими – они хоть и могут перемещаться, но очень медленно. На границе между мантией и ядром S-волны ослабевают; температура вначале достаточно высока, чтобы противодействовать огромному давлению, поэтому внешнее ядро является жидким на протяжении примерно 2200 километров. Но ближе к центру давление снова начинает преобладать, формируя твердое внутреннее ядро радиусом 1270 километров.
Таинственная мантия
Одно дело – знать о физическом состоянии внутренних частей Земли, совсем другое – знать, из чего они состоят. Что касается коры, то можно сделать ее анализ. В континентальных областях мы в обилии находим кремний и алюминий; в сочетании с кислородом эти минералы составляют наиболее распространенную породу – гранит. Под океанским дном и ниже слоя гранита на материках мы находим базальтовые породы, в которых преобладают кремний, железо и магний.
На этом наша уверенность заканчивается. Мантия, составляющая около двух третей массы Земли, до сих пор остается для нас terra incognita. Мы не можем добыть чистых образцов пород непосредственно из мантии. Породы, попадающие иногда на поверхность из-под коры, являются загрязненными. Например, при извержениях вулканов изредка выбрасываются сгустки мантии, которые состоят из оливина и пироксена. Эти уникальные породы образуются только при высоком давлении. Они содержат мало силикатов, зато в них много магния и железа.
Кое-где на дне океана лежат в обнаженном виде породы, которые когда-то были частью мантии, но контакт с морской водой резко изменил их первоначальный состав. Без свежих образцов геологи не могут даже точно сказать, из чего именно состоит мантия, как она образовалась и каково ее участие в процессах, происходящих внутри Земли.
Из-за невозможности взять образцы мантии ученым приходится строить разные гипотетические предположения о ее составе, используя косвенные доказательства и сведения, полученные из лабораторных экспериментов. Результаты показали, что хотя кремний, магний и железо входят в состав оливина и пироксена, которые присутствуют в верхней мантии, при давлениях, существующих в более глубоких слоях, атомы перестраиваются таким образом, что образуются более компактные «минералы высокого давления» и состав пород изменяется. В нижней мантии минералы могут распадаться на простые окислы.
Дополнительные подсказки о составе мантии получены при изучении метеоритов, которые были созданы из того же космического мусора, что и наша планета. Каменные метеориты, вероятно, представляют собой вещество, из которого может состоять мантия, а железные метеориты – ядро. Эти упавшие на нашу планету металлические снаряды содержат в основном железо, сернистое железо, никель, платину и следы иридия.
Посланники из преисподней
Зная состав мантии, мы могли бы значительно улучшить наши представления о химическом составе Земли и понять, при каких условиях она сформировалась. Мантию можно исследовать с помощью нейтрино – нейтральных, практически безмассовых частиц. Эти частицы – точнее, разновидность антивещества, называемая электронными антинейтрино, – выделяются в огромных количествах в результате радиоактивного распада урана, тория и других радиоизотопов в породах глубоко под землей.
Подобно железу, кремнию и некоторым другим элементам, уран и торий присутствовали, хотя и в меньших количествах, в солнечной туманности, из которой образовалась Земля, и конденсировались в различных количествах при разных температурах. Если бы мы знали количество урана и тория, которое пошло на создание Земли, то поняли бы, каковы были изначальные условия, и смогли бы оценить количество остальных элементов, содержащихся внутри планеты. Выяснив, как распределяются уран и торий в мантии – равномерно, вперемешку с другими элементами в отдельных участках или в виде слоев, – мы также можем изучить динамику внутренних слоев нашей планеты.
Нет лучшего подхода к ответам на все эти вопросы, чем подсчитать геонейтрино, которые производят различные радиоактивные изотопы. Эти частицы почти не взаимодействуют с обычным веществом и фактически беспрепятственно проходят сквозь недра Земли; за счет этого детекторы, установленные почти на поверхности, как минимум могут их фиксировать. В реальности эти частицы с таким же успехом проходят и через детекторы «непойманными». Охота на геонейтрино требует умения и большого терпения.
Ученые потратили более десяти лет на разработку таких детекторов. Жидкосцинтилляционный детектор антинейтрино, расположенный в шахте Камиока вблизи японского города Хида (англ. Kamioka Liquid-Scintillator Antineutrino Detector, KamLAND), начал работать в 2002 году. Он состоит из 1000 тонн прозрачной жидкости, которая при попадании нейтрино излучает вспышку света. Детектор расположили на глубине 1 километра под поверхностью земли, чтобы защитить его от мюонов космических лучей, чьи сигналы имитируют сигналы нейтрино.
В 2005 году KamLAND зафиксировал первый слабый сигнал от электронных антинейтрино из недр Земли, но он буквально утонул в гвалте антинейтрино, производимых расположенными рядом атомными электростанциями. Конструкцию детектора улучшили, одна из крупнейших атомных станций была на время отключена, и в результате в 2007 году удалось «просветить» планету насквозь. К концу 2009 года KamLAND зарегистрировал 106 электронных антинейтрино с энергетическими характеристиками, которые говорили о том, что эти античастицы родились от распада урана и тория внутри Земли.
В другом эксперименте, который называется «Борексино», тоже были обнаружены слабые вспышки. Более маленький детектор, расположенный в Национальной лаборатории Гран-Сассо в центре Италии, предназначен для сбора нейтрино от ядерных процессов на Солнце. После объединения результатов двух экспериментов были получены первые конкретные геофизические данные о геонейтрино: распад урана и тория в мантии и коре обеспечивает порядка 20 тераватт того тепла, которое выделяется из недр Земли.
Эта оценка поможет в изучении лежащих под нами слоев Земли. Поверхность нашей планеты излучает около 46 тераватт тепла, которое вырабатывается двумя источниками. Один из источников – это радиоактивные распады, образующие «радиогенное» тепло; второй – «первичный» источник тепла, который остался со времени образования Земли, когда происходили многочисленные столкновения частиц и железо постепенно погружалось в ядро. Если мы измерим тепловой поток на поверхности от каждого из этих источников, то сможем воспроизвести довольно точную картину строения Земли.
Например, если скорость конвективных потоков вещества в мантии невысока или отдельные слои таких потоков в мантии почти не обмениваются теплом, из недр Земли на поверхность будет переноситься только незначительное количество первичного тепла. Если это так, то львиная доля теплового потока Земли – 30 тераватт или более – должна иметь радиогенное происхождение. Из нейтринных экспериментов следует, что реальная величина все-таки ниже, то есть мантия перемешивается довольно тщательно.