Граница Мохо

Древние люди издавна знали, что колебание земли возвещает о грядущей беде. Однако к середине XIX века новая наука сейсмология смогла заглянуть внутрь Земли благодаря использованию волн (подобных тем, что вызывают землетрясения).

Сегодня исследователям внутреннего строения Земли известны три границы. Граница Мохоровичича (A) отделяет толстую континентальную кору (1) и тонкую океаническую (2) от верхней мантии (3). Граница Гутенберга (B) отделяет нижнюю мантию (4) от внешнего жидкого ядра (5), в то время как граница Леманн (C) обозначает внешнюю границу твердого внутреннего ядра (6).

Ирландский геолог Роберт Маллет ввел термин «сейсмология» в 1857 году. Используя взрывчатые вещества, погруженные в землю, он создал собственные сейсмические волны, разрабатывая устройство для обнаружения естественных волн. Он хотел проверить, как волны проходят сквозь разные породы. В 1897 году физик-экспериментатор Эмиль Вихерт ненадолго превратился в геофизика-теоретика. Он сравнил общую плотность Земли со средней плотностью горных пород на ее поверхности. Плотность Земли оказалась ниже, из чего он сделал вывод, что Земля внутри состоит из двух слоев: железного ядра и окружающего его покрытия – камневидной оболочки из силикатных минералов. В 1906 году Ричард Диксон Олдхэм подкрепил этот вывод, доказав, что плотное ядро блокирует или преломляет сейсмические волны.

Первый сейсмограф

В 132 году н. э. китайский инженер Чжан Хэн изобрел «флюгер землетрясений» (сейсмоскоп). Он представлял собой бронзовую урну с маятником внутри. Под воздействием движения земли маятник качался и выбивал один из восьми шаров из пасти драконов, которые равномерно располагались вокруг устройства. Шарик падал в распахнутый рот жабы и указывал направление земных толчков.

Виды волн

Сейсмология основана на поведении сейсмических волн, которые отражаются или преломляются подобно звуковым волнам или кругам на воде. Сейсмографы по всему миру занимаются улавливанием волн, достигающих поверхности Земли. Это дает представление о том, как волны перемещаются внутри, а также о характере среды, через которую они проходят глубоко под землей. В 1909 году хорватский ученый Андрия Мохоровичич заметил, что скорость волн меняется на глубине около 20 км под континентами и 5 км под океаном: сначала волны двигались через твердую толщу, а ниже находился плотный слой. Граница между ними стала известна как поверхность Мохоровичича (сокращенно Мохо), она показывает, где мантия Земли переходит в третий тонкий наружный слой, называемый корой.

Кембрийский взрыв

Обилие окаменелостей, найденных в сланцевых породах Канадских Скалистых гор, показало, что сложные формы жизни – виды, до сих пор существующие на Земле, – ворвались в историю планеты примерно 500 млн лет назад.

Маотяньшаньские сланцы

Это горное образование в Китае очень похоже на найденное в Канадских Скалистых горах, с той лишь разницей, что китайское на 10 млн лет старше. При раскопках в 1980-х годах в Маотяньшаньских сланцах был обнаружен схожий с канадским двойником набор окаменелостей, включая вымерший род Jianfengia (на иллюстрации), – это преследующие добычу членистоногие хищники с жесткими отростками на голове. Китайские окаменелости показали, что 520 млн лет назад жизнь на Земле уже развивалась и менялась.

Горная формация получила название сланцы Бёрджес, в конце 1890-х годов там нашли большое количество окаменелостей. Однако настоящий клад обнаружил в 1910 году американский палеонтолог Чарльз Дулиттл Уолкотт, незадолго до этого покинувший управление Геологической службы США. Поиск окаменелостей стал семейным занятием, в этом Чарлзу во время походов в горы помогали его дети, трое сыновей и дочь. Жена Чарльза, Елена, умерла в 1911 году, но уже к 1914 году он заново женился на известной художнице-натуралистке Мэри Во, которая отлично дополнила их команду. К 1924 году Уолкотты нашли свыше 65 000 образцов, все они были взяты на территории древнего морского дна и относились к кембрийскому периоду, с которого началась палеозойская эра. Само слово «кембрий» происходит от названия горных образований, впервые найденных в Уэльсе. Во времена Уолкотта возраст пород пытались определить наугад, но сегодня достоверно известно, что кембрийским породам между 541 и 485 млн лет. Сланцам Бёрджеса, например, 508 лет.

Чарльз Дулиттл Уолкотт отдыхает от поиска окаменелостей в сланцах Бёрджеса, а слева от него изображена окаменелость брахиопода, разновидность моллюсков, некогда населявшая Кембрийские моря, но теперь встречающаяся куда реже.

Вся жизнь перед глазами

Уолкотт не справился с масштабом задачи и смог провести анализ окаменелостей только в 1960-е годы. До этого они пылились без дела в Смитсоновском институте. Уолкотт сделал вывод, что почти каждый филюм (или подцарство) животных, населяющих планету, представлен в окаменелостях. Это касается членистоногих, насекомых и пауков, разнообразных видов червей, медуз и даже крошечных рыбоподобных существ. Ископаемые находки говорят о том, что событие, называемое кембрийским взрывом, за несколько миллионов лет привело от отсутствия видимой жизни к буйному многообразию видов.

Радиометрическое датирование

В самом начале XX века открытия в области радиоактивности дали возможность определять возраст горных пород по их атомам. Что сможет рассказать о возрасте Земли эта новая технология?

Радиоуглеродный анализ

Космические лучи, сталкиваясь с азотом в верхних слоях атмосферы, образуют радиоактивный изотоп углерода – углерод-14. Все живые существа содержат в себе небольшое количество углерода-14, пополняемое в течение жизни. Когда организм умирает, углерод-14 начинает распадаться. По любым остаткам живых существ – волосам, костям, древесине, хлопку – можно определить возраст, исходя из содержащегося в них количества углерода-14. Метод работает для любых артефактов и останков, но не старше 50 000 лет, как, например, эта 400-летняя китайская статуя из дерева.

В начале 1900-х годов два физика, Эрнест Резерфорд и Фредерик Содди, доказали, что радиоактивность – это процесс распада нестабильных атомов, высвобождение энергии и материала и образование новых элементов. (Элемент – это вещество с определенной структурой атомов. Радиоактивность меняет эту структуру, поэтому один элемент преобразуется в другой.) Резерфорд и Содди доказали невозможность предсказать радиоактивный распад отдельных атомов. Однако они придерживались схемы полураспада, что означает, что время, необходимое для распада половины радиоактивного материала, – величина постоянная. Сегодня мы знаем о крайне нестабильных радиоактивных веществах, период полураспада которых составляет миллионные доли секунды, хотя в породах чаще встречаются торий и уран, у которых период полураспада измеряется миллионами лет. Если вы знаете первичное количество этих металлов – сколько их было при формировании породы, – тогда по их количеству в текущий момент можно будет узнать возраст этой породы.