Наша планета (об образовании и строении Земли)

ВЕЧНЫЕ ВОПРОСЫ

   От самой седой древности люди стремились узнать и понять, как произошёл, как устроен окружающий мир.
   На заре человеческой культуры ответы были просты. Человек ещё так мало знал тогда! Именно поэтому всё непонятное, всё неизвестное, всё, что не подчинялось его власти, он объяснял действием чудесных, сверхъестественных сил. Мир для людей древности был населён сказочными существами и управлялся сказочными силами.
   Ясноликий Феб-Аполлон мчался по небу в огненной колеснице, Эол, повелитель ветров, выпускал их на прогулку из своей таинственной пещеры, хромоногий Гефест громыхал в подземной кузнице, и пламя его горна светилось над вершинами вулканов. Духи камней, ручьёв, деревьев мерещились человеку на каждом шагу. Не зная законов природы, он простодушно представлял себе мир таким, каким видел его. Он думал, что плоскую, как блин, Землю, окружённую кольцом океана, покрывает твёрдый свод неба, а на этом небе, как гвоздики в обивке мебели, блестят звёзды. Казалось, такой сравнительно несложный мир не очень уж трудно было устроить, особенно если предположить, что этим занимается высшая, сверхъестественная сила.
   И вот в Иудее, на Аравийском полуострове, у племени первобытных пастухов и земледельцев возникла наивная легенда о сотворении мира. Трудясь с утра до вечера шесть дней, иудейский бог Ягве создал всё существующее. Сначала – свет, потом отделил сушу от наполнявшей мир воды, потом, когда Земля была приведена в некоторый порядок, он с небольшим опозданием создал источники света – Солнце и звёзды.
   Как ни прост был мир в представлении древних, первобытных пастухов, им всё же показалось, что управиться с его созданием за шесть дней – работа не лёгкая.
   Иудейская легенда утверждает, что всемогущий и всесильный Ягве в конце концов устал и на седьмой день вынужден был устроить себе отдых.
   Шли века и тысячелетия. Люди шаг за шагом разгадывали тайны природы, постигали её законы. Знания, завоёванные человеком, всё шире раздвигали перед ним рамки окружающего мира. И вот оказалось, что Земля не лепёшка, а огромный вертящийся шар, вместо хрустального свода неба открылись безграничные просторы Вселенной с мириадами гигантских солнц, сверкающих в невообразимом отдалении.

   Вот так представляли себе Землю и небесный свод над нею три с лишним тысячи лет назад в древнем Вавилоне.

   Человек давно отобрал молнию у Зевса и Перуна. Её могучую силу он заключил и провода электропередач. Он постиг законы, которые управляют невидимым миром атома, полётом птицы и движением планет. Но старая легенда, перейдя из иудейской религии в христианскую, дожила до нашего века. И не так уж давно – в дореволюционной школе мальчики и девочки, только что от учителя физики узнавшие о законе всемирного тяготения, а от учителя географии о том, как на протяжении миллионов лет образовывались на земном шаре горы и моря, на следующем уроке в тех же классах, за теми же партами должны были слушать рассказы священника о сотворении мира в шесть дней.
   Сегодня в школе учат тому, что открыто наукой, свободной от суеверий. И сами вопросы, которые интересуют наших школьников, показывают, что им уже многое понятно и знакомо. Мальчик, спрашивающий, как образовалась Земля, по-видимому, уже представляет себе, что её никто не сотворил сразу такой, как она есть, что она развивалась и изменялась долго и постепенно.
   Тот, кто спрашивает, разогревается ли земной шар, наверняка кое-что уже слышал о теории происхождения земного шара. Но ребятам хочется узнать обстоятельнее: какова же наша планета Земля?
   Об этом мы и поведём здесь рассказ.

ТРЕТЬЯ ПЛАНЕТА

   Третья по счёту от Солнца планета, удалённая от него на сто сорок девять миллионов километров, мчится по своей орбите со скоростью тридцати километров в секунду. Это и есть наша Земля. Маленькая в сравнении с дальними планетами-великанами, она по человеческим масштабам всё же огромна.
   Человек многое уже узнал о Земле: он измерил и самые высокие горы, и глубочайшие океаны, и толщу земной атмосферы, и протяжённость земных равнин. Он пересёк пустыни и горные кряжи, спустился в кратеры вулканов, проник в морские глубины, поднялся за облака.
   Но вглубь Земли человек почти не проник. Самые глубокие шахты и рудники уходят в Землю на два с половиной километра, самые глубокие нефтяные скважины просверлили её на двенадцать километров. А ведь дальше вглубь, к центру Земли, лежат еще шесть с лишним тысяч километров.

   В XVII веке существовало мнение, что в центре нашей планеты пылает огонь, а вокруг него в толще Земли скрыты озёра и реки, от которых берут начало наши моря и океаны.

   Что же там, в этих глубинах, в самом сердце нашей планеты? В фантастической повести французского писателя Жюля Верна профессор Лиденброк спускается в кратер исландского вулкана Геклы и после многих приключений возвращается на поверхность Земли. Подземные вулканические силы выбрасывают его наружу. Но он оказывается уже не на севере, не в Исландии, а на юге, в Сицилии, в кратере другого вулкана – Этны.
   Плохо пришлось бы бедному профессору, если бы он действительно попал во внутренние части Земли! Плохо потому, что, как вы сейчас увидите, условия там не очень-то подходящие для прогулок.
   Наружная оболочка Земли состоит из сравнительно лёгких каменистых пород. Её называют земной корой. Земная кора не везде одинаковой толщины: тридцать-сорок километров на материках, до семидесяти километров в горных областях, от десяти до пятнадцати километров на дне океанов.
   Но по сравнению со всей громадой нашей планеты земная кора так же тонка, как яблочная кожура по сравнению с яблоком. Земная кора имеет слоистое строение. Самый верхний слой составляют осадочные породы, образовавшиеся из отложений на дне морей.
   Под осадочными породами лежит слой гранита. Он образует толстую, тяжёлую подкладку под всеми материками и океанами, за исключением самых глубоких впадин морского дна. Под гранитным слоем лежит слой базальта. Он ещё тяжелее, ещё массивнее.
   Ниже базальта начинается внутренняя оболочка Земли – мантия. Она простирается на глубину в две тысячи девятьсот километров. Дальше уже начинается область, называемая ядром.
   Земное ядро так велико, что оно само по себе могло бы быть планетой вполне приличных размеров. Его диаметр на десять километров больше диаметра Луны. Ядро состоит из того же вещества, что и мантия, но только оно гораздо плотнее.

ВЕРЛИОКА

   Тут мне приходится на время прервать рассказ, потому что со мной вступает в спор нетерпеливый читатель.
   – Ну хорошо, – говорит он. – И это всё, что известно о строении Земли?
   – Нет, – отвечаю я. – Учёные выяснили ещё многое. Они знают, какова плотность вещества в этих недоступных глазу глубинах, какие там царят давления, в каком состоянии находится вещество в этих необычных, никогда не встречающихся на поверхности Земли условиях. Например...
   – Погодите, – перебивает читатель, – вы же сами говорили, что человек даже в толщу земной коры проник всего лишь на шестую или восьмую долю её глубины. Никто никогда не видел ни мантии, ни ядра. Откуда же всё известно?
   – Есть народная сказка про Верлиоку. Верлиока мог видеть землю насквозь и благодаря этому выручал своего друга, героя сказки. Учёные, исследующие строение земного шара, тоже имеют Верлиоку, который помогает им видеть Землю насквозь, но это не сказка, это быль. Своего Верлиоку они называют сейсмографом.
   Сейсмограф – очень точный прибор, который чувствует и записывает подземные колебания. Каждый день и даже каждый час где-нибудь на Земле, в результате сдвигов в недрах Земли, происходит землетрясение. Мы замечаем сильные, а сейсмограф отмечает даже самые слабые, даже те, что произошли за тысячи километров. В том месте, где случилось землетрясение, возникают упругие волны. Они расходятся во все стороны – и вширь и вглубь. Некоторые из них пересекают на своём пути и мантию и ядро, а потом, где-нибудь в другом полушарии, проникают в кору.
   Эти волны похожи на те, которыми распространяется звук. Выходит, что наш Верлиока-сейсмограф не видит, а "слышит" Землю насквозь. Его чувствительный механизм чертит волнистые линии, с поразительной точностью показывающие силу, и частоту подземных колебаний. Эти записи рассказывают учёным, где проходили волны, в каком месте, на какой глубине они попали в более плотную и упругую среду, сколько десятков и тысяч километров они в ней прошли.
   Именно сейсмограф и показал, что на глубине 2 900 километров начинается граница плотного ядра, где каменистое вещество под влиянием больших давлений резко меняет свои свойства и становится похожим на металл.
   Конечно, у исследователей, кроме Верлиоки, есть и другие союзники. Эти союзники – знания, накопленные многими поколениями учёных: физиков, химиков, математиков, астрономов, географов, геологов.

В ЗЕМНЫХ ГЛУБИНАХ

   Учитель даёт вам на уроке физики задачу: взвесить какой-нибудь предмет, измерить его объём и потом по объёму и весу вычислить удельный вес или плотность вещества, из которого сделан предмет.
   Такую же задачу пришлось решать математикам, астрономам и географам, но она была несравнимо труднее и сложнее. Ведь измерять и взвешивать им приходилось не мраморный кубик, не латунную гирьку, а Землю, целую планету. Её не положишь на чашку весов, не опустишь в мензурку с водой. Вес земного шара вычисляли с помощью математических формул на основе законов всемирного тяготения.
   Чтобы выяснить размеры Земли, учёные нескольких стран одновременно производили сложные измерения кривизны земной поверхности в различных местах планеты.
   Теперь известно, что радиус земного шара – 6 380 километров, а её вес в тоннах выражается огромным числом из двадцати двух цифр. И вот каждая из этих тонн давит вниз, к центру земли...
   Представьте себе поленницу дров. Взять одно из верхних поленьев не составит никакого труда. Если вы захотите достать полено из второго сверху ряда, это будет уже потруднее, потому что на него давят своей тяжестью верхние поленья. А попробуйте вытащить полено из самого нижнего ряда. Сколько бы вы ни бились, это вам не удастся: слишком велик груз, который давит сверху.
   Но ведь это всего лишь поленница дров. Подумайте, какой же силы должно быть давление в нижних, внутренних областях Земли!
   Расчёты, сделанные геофизиками, говорят, что уже на глубине в двести пятьдесят километров давление достигает ста тысяч атмосфер; на глубине в две тысячи девятьсот километров, у нижней границы мантии, давление – почти полтора миллиона атмосфер, а в самом центре Земли оно больше трёх миллионов атмосфер.
   А температура? Она тоже увеличивается с глубиной, и это заметно даже в верхних слоях земной коры. В шахтах на каждые сто метров глубины столбик термометра поднимается на три градуса. Дальше внутрь земного шара повышение температуры идёт медленнее, и всё же в земном ядре она доходит до нескольких тысяч градусов.
   На поверхности Земли все горные породы плавятся при температуре, меньшей, чем полторы тысячи градусов.
   Так что же, значит, внутренние части Земли должны быть в расплавленном, огненно-жидком состоянии?

   На этом рисунке показана схема строения Земли, как её представляет современная наука. Здесь вы видите, как возрастает давление от поверхности к центру и как увеличивается при этом плотность земного вещества, как распространяются сейсмические волны, как области медленного перемещения тяжёлых и лёгких масс (геосинклинали) чередуются с платформами, областями равновесия.

   Прежде почти все учёные так и думали, но они не учитывали чудовищных давлений в земных недрах. Под такими давлениями даже при температуре в две-три тысячи градусов вещество не может расплавиться. Оно не твёрдое и не жидкое, оно в особом состоянии: в одних случаях ведёт себя, как твёрдое, упругое тело, вроде стали, а в других случаях – как очень вязкая, густая, тягучая масса.
   Например, сейсмические волны, возникающие при землетрясении, распространяются в земных глубинах так, будто Земля – стальной шарик, а вращение вокруг оси, длящееся миллиарды лет, постепенно сплющило Землю у полюсов так, словно она из вязкой, тягучей смолы.
   – Ну ладно, – говорит читатель, – почему внутри Земли возникло такое высокое давление, это понятно. Про силу тяжести мы и в школе проходим. Но вот откуда взялась температура в тысячи градусов? Может, Земля раньше была раскалённой, а потом остыла снаружи?

   Извержение вулканов – одно из проявлений грозных подземных сил. Память о больших извержениях сохраняется столетиями. На этом рисунке, сделанном художником XVIII века, изображено страшное извержение на одном из Молуккских островов. Гора при этом извержении раскололась на куски, которые упали в море.

   – Нет. Сначала Земля не была раскалённой, потому что она образовалась из мириадов твёрдых холодных частиц, огромным роем окружавших Солнце. Высокая температура в тысячи градусов возникла внутри холодной планеты позже, и вот каким образом.
   Среди других веществ в Земле есть вещества, которые медленно, атом за атомом, превращаются в тяжёлый металл свинец и лёгкий газ гелий. К таким веществам относятся уран, торий, актиний, радий и другие. Хотя бы в малых количествах они рассеяны во всех горных породах на земле. При этом превращении выделяется тепло. Из глубин земного шара оно не может уйти в пространство, и тепла постепенно скопляется всё больше и больше. Говорят, из капелек океан собирается. Хотя радиоактивные превращения идут очень медленно, всё же за миллиарды лет тепла скопилось столько, что оно разогрело Землю изнутри на тысячи градусов.

ЗЕМЛЯ РАЗВИВАЕТСЯ ДАЛЬШЕ

   В твёрдом и в то же время не твёрдом веществе Земли происходят изменения, медленно действуют могучие внутренние силы. Отзвуки того, что происходит внутри планеты, доходят из глубины и до нас, на поверхность. Наблюдения, которые ведутся учёными из года в год, показывают, что в одних местах земная кора медленно, едва заметно опускается, а в других – поднимается.
   Поднимается, например, Скандинавский полуостров, опускаются Северная Германия, Бельгия, Голландия. Если бы голландцы не вели непрерывной борьбы с морем, ограждая сушу крепкими плотинами, на большей части их страны гуляли бы морские волны, потому что Голландия уже опустилась ниже уровня моря. На дне Северного моря учёные нашли впадины. Это бывшие русла Рейна и других больших рек, протекавших здесь в те времена, когда здесь была ещё суша. "Затонувшие" русла рассказали нам много интересного. Например, – что острова Великобритании были прежде частью материка и Темза впадала в Рейн.
   Бросьте кусочек сахара в чашку с водой. Он сразу же пойдёт на дно. Бросьте тот же кусочек сахара в чашку с киселём или с жидкой кашей. Он тоже в конце концов потонет, если у вас хватит терпения ждать и вы не потопите его ложкой.
   Вязкое вещество земного шара имеет сложный состав, в нём перемешано множество различных веществ, тяжёлых и лёгких. По законам физики тяжёлые вещества должны опускаться вниз, лёгкие– всплывать. Это и происходит, хотя и невообразимо медленно, в недрах Земли. Там, где скопилось больше лёгких веществ, они поднимаются и давят снизу на земную кору. Там, где "тонет" скопление тяжёлых веществ, земная кора прогибается и оседает. От этих подъёмов и опусканий в ней образуются трещины, сдвиги, разломы. Иногда под такой трещиной ослабевает давление. Раскалённое вещество в этом месте сразу же из вязкого становится жидким, более текучим и подвижным. И тогда соседние, по-прежнему сжатые участки мантии выдавливают его вверх, в трещины. Там оно застывает, кристаллизуется и образует те разнообразные минералы, которые мы встречаем на Земле.
   Это показывает, что наша планета, питаемая своими собственными источниками энергии, продолжает развиваться и преображаться. В земной коре и сейчас происходят изменения: она формируется, растёт, утолщается. Из недр планеты в неё и сейчас поступают запасы вещества, из которых вновь образуются горные породы, рождаются полезные ископаемые.
   Конечно, ещё не до конца разгаданы тайны земных глубин, но наука идёт вперёд, неотступно и постепенно она будет проникать всё больше в эти тайны, расширяя знания людей о недрах нашей планеты.

Рисунки С. Пивоварова.