Наша Земля тектонически активна. Ее сотрясают мощные землетрясения, извержения вулканов засыпают пеплом целые города. Всегда ли так было, и что будет потом? Случается ли такое на других планетах? Связана ли тектоническая активность с формированием и развитием жизни? Что случится, если она вдруг прекратится? Об этом рассуждают ученые из Института физики Земли имени О. Ю. Шмидта.
Фото: Анна Акельева, Коммерсантъ
Фото: Анна Акельева, Коммерсантъ
Тамара Гудкова, главный научный сотрудник лаборатории «Происхождение, внутреннее строение и динамика Земли и планет» ИФЗ РАН, доктор физико-математических наук, считает: хотя землетрясения наносят ущерб, иногда огромный, людям, но еще — и большую пользу для науки: с их помощью можно изучать строение Земли.
Землетрясения — это исход естественных процессов. В коре и мантии накапливаются напряжения, и в какой-то момент они сбрасываются, возникают подземные толчки. Ученых землетрясения интересуют, поскольку они позволяют заглянуть в недра планеты и увидеть, что там находится. Только у Жюля Верна можно было спуститься до ядра и посмотреть, из чего состоит Земля. А на самом деле все, чего удалось достичь человечеству,— это Кольская сверхглубокая скважина всего в 12 км. В то время как ядро находится почти в 3 тыс. км от поверхности.
Именно сейсмические данные дают наибольшую информацию о внутреннем строении планеты. Мы практически ничего не знали (да и сейчас много чего не знаем) о том, что находится у нас под ногами, пока в конце XIX века не было впервые научно зарегистрировано сейсмическое событие на нашей планете. Лишь в 1906 году благодаря сейсмическим данным выяснили, что Земля имеет ядро, а в 1910-м — кору.
Луну тоже трясет
До недавнего времени Луна была единственным космическим телом, помимо нашей родной планеты, для которого существовали сейсмические данные. Еще в начале 1970-х годов на Луне была установлена сеть сейсмометров «Аполло», благодаря чему было получено много важных данных.
Сегодня мы знаем, что Луна тоже сейсмически активна. Эти данные до сих пор обрабатываются, потому что компьютеры становятся мощнее, а методы обработки совершеннее. В 2011 году американка Рене Вебер обнаружила из данных «Аполло», что у Луны есть жидкое ядро, внутри которого содержится еще одно, твердое ядро.
Что мы сегодня знаем о лунотрясениях? Они слабее, чем на Земле, но зато там легче записывать события: из-за отсутствия атмосферы там нет помех и человеческих шумов. Кроме всего прочего, на Луне фиксируется множество метеоритных ударов — опять же, из-за отсутствия атмосферы ничто не мешает небольшим небесным телам свободно падать на поверхность.
Лунотрясения разделяются на мелкофокусные и глубокофокусные. Мелкофокусные связаны с остыванием литосферы. Совсем поверхностные происходят за счет потрескивания коры: днем идет нагрев, ночью — остывание. Но есть глубокофокусные лунотрясения, связанные с приливами, которые являются триггером глубоких лунотрясений.
Планеты и спутник
- Венера — вторая по счету планета Солнечной системы, ее средний радиус — 0,95 земного, объем — 0,86 земного, а масса — 0,82 земной.
- Марс — четвертая планета Солнечной системы, его средний радиус — 0,53 земного, объем — 0,151 земного, а масса — 0,107 земной.
- Луна — спутник Земли, его средний радиус — 0,27 земного, объем — 0,02 земного, а масса — 0,012 земной.
Одноплитная Красная планета
Совсем недавно появились сейсмические данные для Марса. В 2018 году начался сейсмический эксперимент: на Марсе был установлен сейсмометр, который непрерывно проработал четыре года, вплоть до декабря 2022-го. Запись прерывалась лишь на небольшое время, когда нужно было почистить солнечные батареи: на Марсе, как мы знаем, сильные пылевые бури, а сейсмометру нужна подпитка.
Проблема в том, что в работе находился всего лишь один сейсмометр; на Луне их было четыре, а на Земле — сотни. Одного, конечно, мало, однако, согласно данным этого сейсмометра, Марс тоже сейсмичен. Первые зафиксированные события были не очень сильными — магнитудой 3,5–3,7. Под конец эксперимента, в прошлом году, было зафиксировано достаточно сильное событие магнитудой 4,7. Но это оказалось пределом для марсианской активности.
Почему же более сильных событий на Марсе не зафиксировали? На Земле самые сильные землетрясения происходят у границ плит, где одна плита двигается под другую. На Марсе же, как считают ученые, нет тектоники плит, это одноплитная планета, как другие планеты Солнечной системы. Поэтому лунотрясения, марсотрясения соответствуют таким земным трясениям, которые происходят не на стыке, а внутри плит. На Земле это не очень сильные события.
Сейсмометр SEIS на поверхности Марса (рисунок)
Фото: NASA
Сейсмометр SEIS на поверхности Марса (рисунок)
Фото: NASA
Жарко, душно и сильно давит
На Венере оценка сейсмической активности делается по геологическим разломам. После того как мы выяснили, какова геология Луны, после получения сейсмической информации с Марса стали возможными теоретические оценки для Венеры.
Пока там не было зарегистрировано событие, которое мы назвали бы «венеротрясением». Когда-то там работали два сейсмометра на советских станциях «Венера-13» и «Венера-14», которые были установлены в 1982 году, но первый не сработал, а второй записал слабые микросейсмы, природа которых не была ясна. Данные оказались не очень «чистыми», поэтому не удалось выяснить природу колебаний.
Сейчас готовится сейсмоэксперимент на Венере, он запланирован на конец этого десятилетия. Это российско-американская программа «Венера-Д». В ходе этой программы планировалась установка двух долгоживущих платформ на Венере, где должен находиться сейсмометр.
В чем проблема исследования Венеры? Температура на поверхности там 750 градусов, давление — 90 бар. Ни один обычный земной прибор больше двух часов в таком аду не проработает.
Американцы сейчас сконструировали устройство, которое сможет работать на поверхности Венеры два земных месяца. Это прекрасная новость, и его запуск станет большим событием. Вот и узнаем наконец, трясет ли Венеру и с какой силой.
Но это не единственный вариант. Альтернативой для Венеры может быть регистрация сейсмических событий в атмосфере и ионосфере: есть работы в этом направлени. Поверхностные смещения производят акустические волны, которые усиливаются, проходя через атмосферу, и это тоже возможно измерить.
Что можно сказать о других планетах — например, о газовых гигантах? Возможна ли там сейсмическая активность? Ожидается, что собственные колебания у этих планет могут быть измерены. Такие работы проводятся по резонансу колец Сатурна. Все это говорит о том, что планеты не статичны, а динамичны.
На других посмотреть, себя понять
Зачем вообще нужно изучать сейсмическую активность других планет, устанавливать там сейсмометры? По словам Тамары Гудковой, это дает возможность узнать, как устроены планеты изнутри. Сейсмический эксперимент «просвечивает» недра других планет, а изучая недра других планет, мы лучше узнаем нашу собственную — ее эволюцию в древности и то, как она будет развиваться в будущем.
Скажем, Венера и Земля очень близкие планеты по массе, по плотности, но условия на поверхности совсем разные. На Земле есть тектоника плит, на Венере ее нет. Как случилось, что они родились одинаковыми, как сестры, но эволюционный путь был разным? Чтобы это понять, нужно изучать внутреннюю структуру планет.
«Мы занимаемся моделированием внутреннего строения планет и расчетом прогностических величин для будущих сейсмических экспериментов,— говорит Тамара Гудкова.— В частности, занимались расчетом напряженного состояния Марса. Если сейчас взять карту напряженного состояния этой области, где происходили марсотрясения, она совпадает с нашими предсказаниями. Мы показали, что в этом районе могут быть марсотрясения — там проходит зона высоких растягивающих и касательных напряжений».
По сейсмическим данным ученые, например, уточнили радиус ядра Марса. До этого было известно, что оно жидкое, а радиус не был четко определен. Сейсмоданные показали, что радиус ядра Красной планеты составляет около 1830 км. Те же данные рассказали о структуре коры под сейсмометром, также удалось получить границу фазового перехода оливина в шпинель.
На Земле эта граница, где происходит скачок плотности и сейсмических скоростей, находится на уровне 430 км, а на Марсе — около 1000 км. Определение этой границы важно тем, что дает возможность зафиксировать температуру на этой глубине. Теперь мы можем сопоставить давление на границе, взять фазовые диаграммы веществ предполагаемого состава и по этим диаграммам понять, какая температура может быть на этой глубине. Таким образом, анализ сейсмических данных привел к улучшению нашего понимания недр физики Марса. Эти данные продолжают обрабатываться.
По известным параметрам — массе планеты, моменту инерции, приливному числу Лява, которое характеризует отклик планеты на приливное воздействие, можно создать модель внутреннего строения и определить границы ядра и границу перехода оливина в шпинель для предполагаемого химического состава. Ученые рассчитали это теоретически, а сейчас эти данные уточнены.
Тектоника — это не навсегда
Почему же наша планета такая уникальная — у нас литосфера разбита на плиты, а на других планетах литосферная плита всего одна? У нее есть тектоника плит, а на других планетах такого нет?
Роман Веселовский, заместитель директора ИФЗ РАН, профессор РАН, считает: дело в том, что мы не обнаруживаем этого явления сейчас, но это не означает, что такой тектоники на других планетах никогда не было. Имеются свидетельства того, что тектоника плит была, но закончилась гораздо раньше, чем на Земле. В первую очередь это объясняется размером планет: чем меньше планета, тем быстрее она остывает и тем быстрее на ней заканчивается тектоническая активность.
Так, считается, что для Луны окончание тектонической активности — около 3 млрд лет назад, то есть чуть более 1 млрд лет после ее образования. Венера по размеру такая же, как Земля, и на ней известны проявления тектонической активности — разломы, складки, вулканы, но тектоники литосферных плит, подобной таковой на Земле, там нет.
А когда закончится у нас? По оценкам, осталось еще примерно столько же, сколько Земля еще существует — то есть около 4–5 млрд лет. Время у нас еще есть. Активность будет потихоньку затухать, приобретать другие формы, но будет сохраняться еще довольно долго.
Земля остынет, но нескоро
Всегда ли на Земле присутствовала тектоника литосферных плит или появилась со временем? По словам Романа Веселовского, современные представления говорят нам о том, что тектоника литосферных плит на ранней Земле присутствовала, но отличалась от того, что мы видим сейчас.
Дело в том, что Земля тогда была более горячая — предполагается, что мантия Земли 4 млрд лет назад была горячее на 300–350 градусов, чем сейчас. Это определяло гораздо более активную конвекцию в мантии Земли, и то, что тогда происходило, мы называем тектоникой малых плит.
Сейчас литосферные плиты достигают в поперечнике тысячи и десятки тысяч километров, а тогда за счет активной конвекции плиты были гораздо меньше — их поперечник достигал не более сотни километров. Это были островки континентальной коры. По мере остывания Земли с течением времени они стали объединяться в более крупные плиты — так появились современные континенты. В настоящее время каждый континент состоит из некоторого количества тех малых плит (они называются кратонами), которые сформировались в архее — от 4 до 2,5 млрд лет назад.
В связи с этим тектонические события обрели иные формы. Если бы мы перенеслись на 4 млрд лет назад, то не увидели бы на Земле таких геодинамических обстановок, как, например, субдукция — там, где сейчас одна литосферная плита погружается под другую, находятся глубоководные желоба и возникают сильнейшие землетрясения на Земле. Та тектоника плит, которую мы сейчас наблюдаем, начала формироваться 1,5–2 млрд лет назад. Исходя из общих соображений тектоническая активность Земли потихоньку ослабевает и со временем станет еще меньше, хотя надеться, что землетрясений из-за этого станет меньше, не приходится.
Трясти меньше не будет
Почему? Хотя Земля постепенно остывает и тектоническая активность на ней, возможно, когда-то обретет другие формы, происходит это настолько медленно с точки зрения человеческой жизни, что ни мы, ни наши потомки на протяжении многих поколений не заметим изменений в тектонической активности Земли. Землетрясения как были, так и будут случаться.
И это скорее хорошо, чем плохо. Тектоническая активность — признак того, что планета живая. Если тектоника затихнет, жизнь в нынешних формах окажется под большим вопросом.
Казалось бы, какая связь? Одно из самых ярких проявлений тектоники — вулканизм. В ходе извержения вулканы выделяют большое количество парниковых газов, и парниковый эффект просто не дает нам замерзнуть. Если не будет парникового эффекта, на Земле сразу станет очень холодно. Так уже случалось в истории планеты около 700 млн лет назад, когда температура опускалась до отметки минус 50 градусов Цельсия. В случае такого катаклизма выжить смогут далеко не все. Поэтому нам повезло, что Земля имеет механизм, который позволяет выпутываться из подобных неприятных ситуаций.