Как сейсмографы открыли ядро Земли и почему учёные им не верили
До конца XIX века человечество понятия не имело, что находится под поверхностью Земли. Одни учёные считали, что внутри Земли находится лишь холодная порода, другие верили в безбрежный океан магмы, а третьи и вовсе предполагали наличие гигантских пустот. Споры оставались теорией, пока случайное наблюдение в Германии не перевернуло науку. Рассказываем, как астрономическая ошибка открыла жидкое сердце планеты и почему учёным пришлось годами учиться отличать землетрясение от проезжающей кареты.
Шок 1889 года
Всё началось не с геологии, а с астрономии. 17 апреля 1889 года в Потсдаме (Германия) астроном Эрнст фон Ребер-Пашвиц следил за своим прибором — горизонтальным маятником. Он хотел измерить, как гравитация Луны и других планет влияет на наклон земной поверхности.
В 17:21 по местному времени маятник сошёл с ума. Он начал совершать сильные ритмичные колебания, которые длились около часа. Ребер-Пашвиц был озадачен: никаких причин для тряски в тихой Германии не было. Разгадка пришла спустя несколько месяцев, когда он увидел заметку в научном журнале Nature. Оказалось, что за несколько часов до странных колебаний в Потсдаме произошло мощное землетрясение в Японии.
Сейсмограмма, полученная Ребером-Пашвицом в Потсдаме
Это стало сенсацией. Астроном понял, что его прибор зафиксировал не местную тряску, а волны, пришедшие сквозь всю планету с расстояния 9000 километров. Но главное открытие для учёных того времени было в том, что Земля не «рыхлая» и не пористая. Она повела себя как единое упругое тело, передавшее удар с одного края на другой.
Почему данным не верили
Казалось бы, открытие сделано — нужно расставлять приборы и слушать пульс планеты. Но научное сообщество отнеслось к данным скептически. Проблема крылась в самих первых сейсмографах: они были слишком чувствительными и «глупыми».
Приборы конца XIX века реагировали буквально на всё. Они писали одну и ту же кривую линию, когда:
- на другом конце света сдвигалась тектоническая плита;
- мимо обсерватории проезжала карета с лошадьми;
- дул сильный ветер, давивший на стены здания;
- волны прибоя били о берег за сотни километров.
Отделить «голос планеты» от шума города было невероятно сложно. Экипажи создавали вибрации, которые на бумаге выглядели как слабые землетрясения. К тому же у маятников не было демпфирования — своего рода тормоза, замедляющего движение. Один раз качнувшись, прибор продолжал дрожать по инерции долгое время, превращая сейсмограмму в хаотичную мазню. Только в 1898 году немецкий физик Эмиль Вихерт догадался использовать вязкое демпфирование, которое гасило лишние колебания. Это позволило наконец увидеть чёткую структуру волн.
Секретный шифр
Когда приборы научились фильтровать шум, учёные увидели, что землетрясение — это не один удар, а последовательность разных волн. Британец Ричард Олдхэм, изучая катастрофу в Индии, в 1899 году выделил три типа сигналов:
- P-волны (Primary) — самые быстрые. Это продольные волны сжатия, похожие на звук. Они первыми доходят к сейсмографу.
- S-волны (Secondary) — вторичные волны сдвига. Они медленнее и раскачивают породу поперек своего движения.
- Поверхностные волны — идут только по корке Земли, самые медленные и разрушительные.
Разница между первыми двумя типами стала ключом к разгадке строения Земли.
Загадка «Теневой зоны»
В начале XX века сейсмографы уже стояли по всему миру — от Иркутска до Америки. В 1906 году Ричард Олдхэм нанёс данные с них на карту и обнаружил странную аномалию. Если землетрясение происходило на Северном полюсе, то станции на экваторе его прекрасно видели. Но приборы, расположенные на расстоянии от 103 до 142 градусов (примерно 11–15 тысяч км от эпицентра), молчали.
Рисунок Ричарда Олдхэма, иллюстрирующий передачу сейсмических волн под воздействием ядра Земли
Волны просто исчезали. В этой «теневой зоне» прямые P-волны меняли траекторию, а S-волны исчезали совсем и больше не появлялись нигде — даже на обратной стороне Земли. Олдхэм понял: волны во что-то врезаются. В центре Земли есть гигантское препятствие, которое работает как линза, преломляя быстрые волны и отбрасывая их в сторону. Так было открыто ядро Земли.
Жидкое или твёрдое?
Открытие ядра породило новый конфликт. Сейсмологи видели, что S-волны — волны сдвига — не проходят сквозь ядро. Вывод был однозначен: внешнее ядро — жидкое, так как поперечные S-волны не могут распространяться в жидкости. Жидкость не может передавать сдвиг, она просто течёт.
Но поверить в «жидкую Землю» было страшно. Авторитетнейший физик того времени лорд Кельвин утверждал, что Земля обязана быть твёрже стали. По его расчётам, если бы внутри планеты была жидкость, притяжение Луны деформировало бы её так сильно, что на Земле наблюдались бы чудовищные «наземные приливы», а океаны не могли бы существовать.
Этот парадокс разрешили только к 1926 году. Оказалось, правы оба лагеря: у Земли твёрдая каменная мантия, как считал Кельвин, и жидкое металлическое ядро, как показывали сейсмографы. Границу между ними с точностью до километра вычислил Бено Гутенберг — она проходит на глубине 2900 км. Там камень сменяется расплавленным железом.
Твёрдое сердце
Последнюю деталь в этот пазл добавила датчанка Инге Леманн в 1936 году. До неё считалось, что ядро полностью жидкое. Но Леманн заметила на сейсмограммах слабые отголоски P-волн там, где их быть не должно, — в самом центре «теневой зоны». Она поняла, что эти волны от чего-то отражаются. Внутри жидкого металла скрывается ещё одно ядро — внутреннее и твёрдое.
Не только Земля
Благодаря тем первым, порой несовершенным приборам, точно известно: человечество живёт на тонкой корке. Под ней — тысячи километров твёрдого, но пластичного камня мантии. Ещё глубже — океан расплавленного металла. А в самом центре — раскалённое твёрдое железное ядро.
Эти знания помогли не только лучше понять Землю, но и предсказать внутреннее строение других планет. Подповерхностные океаны Европы и Энцелада, ядро из металлического водорода у Юпитера и железная сердцевина Марса — обо всём этом науке известно именно благодаря открытиям, сделанным первыми сейсмографами.