Внутри Земли нет огромной пустоты или единого океана магмы. Планета состоит из нескольких оболочек: тонкой твёрдой коры, почти полностью твёрдой, но медленно текущей мантии, жидкого внешнего ядра и твёрдого внутреннего ядра. С глубиной растут давление и температура, вещества меняют свойства, а очень медленные перемещения пород и металлов поддерживают движение плит, вулканизм и магнитное поле.
Почему нельзя просто пробурить Землю насквозь
Радиус Земли составляет около 6371 километра, а самая глубокая скважина проникла лишь немного глубже 12 километров. Это меньше двух десятых процента радиуса планеты. Уже там температура и давление становятся серьёзной технической проблемой, поэтому прямых образцов из мантии и ядра у геологов нет.
Главный способ увидеть недра без бурения дают сейсмические волны. Они возникают при землетрясениях и распространяются сквозь планету. Скорость и направление волн зависят от плотности, упругости и состояния вещества. Одни волны проходят и через твёрдое, и через жидкое, другие не распространяются в жидкости. Сопоставляя время прихода колебаний на станциях по всему миру, учёные получают подобие томографического снимка Земли.
Дополнительные сведения дают масса и средняя плотность планеты, её гравитационное и магнитное поля, поток внутреннего тепла, лабораторные опыты с минералами при огромном давлении. Все эти независимые данные должны согласовываться с одной моделью. Поэтому строение Земли известно не по догадке, а по множеству измерений.
Кора и литосфера
Кора образует самую тонкую внешнюю оболочку. Под океанами она обычно имеет толщину около 5–10 километров и состоит преимущественно из базальтовых пород. Континентальная кора легче и толще, часто 30–50 километров, а под крупными горами ещё больше. Именно на коре находятся океаны, материки и вся привычная нам поверхность.
Кора вместе с самой верхней, холодной частью мантии образует литосферу. Это не сплошная скорлупа, а набор больших и малых плит. Под ними лежит более пластичная область верхней мантии. Разобраться, что такое литосферные плиты и почему они движутся, удобнее после знакомства со следующей оболочкой.
Мантия твёрдая, хотя способна течь
Мантия начинается под корой и простирается примерно до глубины 2900 километров. На неё приходится большая часть объёма Земли. Слово «течь» здесь не означает, что мантия представляет собой жидкую лаву. Сейсмические волны показывают, что в основном это твёрдая порода. Однако при высокой температуре и на протяжении миллионов лет она деформируется, словно чрезвычайно вязкое вещество.
В верхней мантии есть астеносфера, где породы особенно пластичны. Глубже давление меняет кристаллическую структуру минералов, а в нижней мантии вещество снова становится жёстче. Медленные восходящие и нисходящие потоки переносят тепло. Холодные части океанических плит погружаются в недра, а более горячий материал поднимается. Источники энергии этого процесса подробно разобраны в статье о том, откуда в недрах Земли берётся тепло.
Почему внешнее ядро жидкое
На глубине около 2900 километров свойства вещества резко меняются. Там начинается ядро, состоящее главным образом из железа с примесью никеля и более лёгких элементов. Сейсмические поперечные волны через внешнее ядро не проходят, а продольные замедляются и преломляются. Это главный признак жидкого состояния.
Жидкое внешнее ядро простирается примерно до глубины 5150 километров. Горячий электропроводящий металл движется из-за охлаждения планеты, вращения и различий в составе. Эти потоки действуют как гигантский природный генератор. Так возникает геодинамо, благодаря которому у Земли есть глобальное магнитное поле. Оно не образует непроницаемый щит, но существенно влияет на движение заряженных частиц около планеты. Отдельно узнать, почему возникло магнитное поле Земли, можно в связанном материале.
Как внутреннее ядро остаётся твёрдым
В центре температура сопоставима с температурой поверхности Солнца, однако внутреннее ядро твёрдое. Причина в колоссальном давлении: атомы железа настолько сильно сжаты, что вещество кристаллизуется, несмотря на жар. Внутреннее ядро имеет радиус около 1220 километров и постепенно растёт по мере того, как Земля медленно остывает и часть внешнего ядра затвердевает.
Граница между внутренним и внешним ядром не видна напрямую. Её положение и свойства вычисляют по тонким различиям в прохождении сейсмических волн. Исследования также указывают, что внутреннее ядро может быть неоднородным и не во всех направлениях проводить волны одинаково. Это активная область науки, поэтому детали модели уточняются.
Что связывает недра и поверхность
Внутренние оболочки не изолированы друг от друга. Земля теряет тепло через мантию, движение мантии связано с перемещением литосферных плит, а на границах плит возникают многие землетрясения, вулканы и горные системы. Внешнее ядро поддерживает магнитное поле, а его постепенное затвердевание выделяет энергию для движения металла.
Эти процессы происходят в разных масштабах времени. Землетрясение длится секунды, извержение может продолжаться дни или годы, плита сдвигается на сантиметры за год, а крупный океан открывается сотни миллионов лет. Поэтому поверхность кажется устойчивой только в пределах человеческой жизни.
Строение Земли лучше представлять не как набор неподвижных слоёв, а как связанную систему. Твёрдые оболочки способны медленно деформироваться, жидкий металл создаёт магнитное поле, а уходящее из недр тепло перестраивает поверхность. Это первый шаг маршрута «От земного ядра до будущих материков», в котором одно внутреннее явление постепенно выводит к современной и будущей карте планеты.
