Когда и как образовалось ядро Земли? Каково в нем соотношение химических элементов? Почему оно не однородное? Какая там температура? Где источник энергии? И главное, почему ядро вообще сформировалось внутри планеты? По каждому из этих и множеству других вопросов есть немало гипотез.

Внутри каждого космического объекта, который смог приобрести шарообразную форму, находится ядро – причем иногда не простое, а многослойное. На громадной глубине даже самые привычные вещества вроде железа приобретают необычные свойства разрастаются в гигантские кристаллы, становятся жидкими или начинают генерировать электрический ток. Внешнее и внутреннее ядро Земли прекрасно демонстрирует все эти аномалии – а еще оно стало первым в истории защитником жизни на планете.

Изучать ядро достаточно непросто – поверхность Земли и его верхнюю кромку разделяют 2900 километров. Непросто пробуриться на такие глубины – чем ниже опускаться под землю, тем выше растет температура. В Кольской скважине, которая пока остается самой глубокой, на глубине в 12 километров накал достигал 220°C! Уже при таких температурах сложно работать не только электронике, но и самой аппаратуре – ведь ее надо как-то опустить в скважину, а потом вынуть обратно.

И даже преодолев литосферу, надо как-то пробиться сквозь раскаленную пластичную мантию. В двухтысячных годах был рассчитан проект, позволяющий зонду размером с небольшую дыню достичь ядра. Правда, в нем есть пара слабых мест – для того, чтобы добраться до ядра, нужно было взорвать несколько ядерных бомб, залить туда море раскаленного металла и изобрести такой материал, который мог бы выдержать температуру в 2–3 тысячи градусов по Цельсию!

Но на бумаге все выглядело чудесно: вместе с потоком раскаленного железа зонд мог бы достичь ядра Земли всего за неделю. Однако в ученых остался метод, позволяющий достаточно точно рассчитать плотность и объем ядра Земли – сейсмография. Колебания, исходящие от поверхностных слоев планеты – вибрации землетрясений или импульсы ядерных взрывов – распространяются не только по поверхности Земли, но и уходят глубоко в недра. Там они преломляются, увеличивая свою скорость прохождения – как преломляются световые волны, проходя через стекло или воду. Именно по тому, как изменяется сейсмическая волна при прохождении через планету, ученые сумели получить точные физические параметры ядра.

Помогают геологам также различные косвенные признаки. Например, наблюдение за магнитным полем Земли позволяет отслеживать динамику вращения ядра. Ценные подсказки порой дает даже то, что совсем не предназначено для исследования глубин. Был случай, когда сбои в работе орбитального телескопа «Хаббл» позволили выявить изменение направления потоков в жидком внешнем ядре Земли, служащих причиной сдвига магнитных полюсов.

Путь к знаниям долгий и тернистый, но плоды их сладки. На сегодняшний день достоверно известны следующие физические характеристики ядра Земли:
• Температура ядра Земли в центральной точке может доходить до 6000 градусов Цельсия – это столько же, как на поверхности Солнца! Но в отличие от светила, энергией глубины питают не ядерные реакции, а гравитация. Точнее, ее сжатие – давление в ядре превышает атмосферное в 3,5 миллиона раз, достигая отметки в 360 гигапаскаль. Хотя процессы атомного распада в глубинах Земли происходят, их вклад не столь большой. Да и без громадного сжатия они были бы вялотекущими и не столь продуктивными.
• Ядро Земли достигает 7000 километров в поперечнике – это больше не только Луны, но и Марса! Оно занимает не так много места внутри нашей планеты – около 15% объема – но зато его масса в 1,932 × 10^24 килограмм составляет 30% от всей массы Земли.
• Оказывается, что разные слои ядра вращаются в разные стороны. Сегодня считается, что внешнее жидкое ядро вращается вокруг своей оси с востока на запад, а внутреннее – с запада на восток, при этом еще и быстрее Земли. Впрочем, разница не очень значительная – за год оно опережает планету всего на четверть градуса.

Кроме того, новейшие исследования говорят о том, что внутри внутреннего ядра Земли лежит еще одно – «самое» внутреннее ядро, которое вращается вообще по другой оси. Давайте рассмотрим его и другие составляющие земного ядра подробнее.

Внешнее ядро

Самый первый слой ядра, который непосредственно контактирует с мантией – это внешнее ядро. Его верхняя граница находится на глубине 2,3 тысячи километров под уровнем моря, а нижняя – на глубине 2900 километров. По составу оно ничем не отличается от нижележащих оболочек – давления гравитации попросту недостаточно для того, чтобы раскаленный металл затвердел. Зато его жидкое состояние является главным козырем Земли в сравнении с другими внутренними планетами Солнечной системы. Дело в том, что именно жидкая часть ядра ответственна за возникновение магнитного поля Земли. Как наверняка известно читателю, магнитосфера служит щитом планеты против заряженных частиц открытого космоса и солнечного ветра. Они даже более опасны, чем излучение – частицы способны вывести из строя не только живые организмы, но и электронику. Биологи считают, что именно активное магнитное поле стало залогом выживания первобытных одноклеточных существ. Как именно генерируется магнитное поле? Его порождает вращение жидкого железа и никеля в ядре. Магнитные свойства металлов тут ни при чем – это исключительно динамический эффект. А еще внешнее ядро подогревает мантию – причем в отдельных местах настолько сильно, что восходящие потоки магмы достигают даже поверхности, вызывая извержения вулканов.

Внутреннее ядро

Внутри жидкой оболочки находится внутреннее ядро. Это твердая сердцевина Земли, диаметр которой составляет 1220 километров – такой же размер у Харона, спутника-напарника Плутона. Эта часть ядра очень плотная – средняя концентрация вещества достигает 12,8–13 г/куб.см, что в два раза больше густоты железа, и горячая – накал достигает знаменитых 5–6 тысяч градусов по Цельсию. Высокое давление в центре Земли заставляет металл затвердевать при температурах, превышающих точку его кипения. При этом формируются необычные кристаллы, которые отличаются устойчивостью даже в обычных условиях. Считается, что внутреннее ядро представляет собой лес из многокилометровых кристаллов железа и никеля, которые направлены с юга на север. Для того чтобы проверить эту теорию, японские ученые потратили десять лет на создание особой алмазной наковальни – только в ней можно добиться такого давления и температуры, как в центре нашей планеты.

Еще во время начальных исследований ядра при помощи сейсмических волн, геологи заметили необычное отклонение колебаний внутри ядра по направлению с востока на запад. Так как из-за своего вращения Земля шире на экваторе, чем на полюсах, сперва на это не обратили внимание. Но последующее изучение выявило, что центральная часть ядра может быть всего лишь очередной оболочкой. Что представляет собой «внутреннее» внутреннее ядро? Скорее всего, оно состоит из тех же металлических кристаллов – но направленных уже не на север, а на запад. Пока что неясно, что вызывает такое расслоение. Однако ориентация кристаллов указывает на то, что тут не обошлось без гравитационных взаимодействий с Солнцем или Луной.

Ядром обладают все планеты Солнечной системы, как и полноценные, так и карликовые – от величественного газового гиганта Юпитера до отдаленной и холодной Седны. Параметры ядра разнятся от объекта к объекту – так, у Меркурия ядро занимает 60% массы и 80% объема планеты, когда радиус ядра Луны составляет скромные 350 километров от 1735 километров общего радиуса спутника.

Тем не менее создание ядра любого космического тела, даже звезды, обязано одному интересному гравитационному явлению – дифференциации недр. Когда планеты только начинают формироваться из газовых туч вокруг молодой звезды, их вещество собирается вокруг первичных ядер: больших камней, сгустков льда или пыли. Когда молодая планета набирает достаточную массу, в действие вступает гравитация, втягивающая массивные элементы вроде железа к центру объекта – тем самым более легкие вещества, как вот кремний или кислород, выталкиваются на поверхность.

Во время этих перемещений выделяется громадное количество энергии, из-за которой планета расплавляется, а гравитация придает ей характерную сферическую форму. Тем самым процесс перемещения тяжелых веществ ускоряется. Астероиды, масса которых недостаточна для плавления, так и остались кучками пыли и камней, сбитыми вместе.

А все тяжелые элементы, которые ушли вглубь – в первую очередь железо и никель – сформировали центр планеты. Ядро Земли прошло весь долгий путь от пыли на орбите новорожденного Солнца до многослойного металлического шара – и сегодня оно греет и защищает нашу планету изнутри.

Информации, связанной с описанием ядра, известно немного, даже после проведения многочисленных наблюдений. Ядро Земли было обнаружено Генри Кавендишем. Именно он предположил, что у планеты, вероятно, имеется область, где наблюдается повышенное значение плотности. Этот специалист также занялся работами по вычислению массы, средней плотности, которая оказалась намного выше, нежели у поверхности. Официальное подтверждение эта теория получила в 1897 году силами немецкого сейсмолога Э. Вихерта. Но тогда ничего не было известно о глубине залегания. Данные о ней появились только в 1910 г. с помощью американского геофизика Б. Гутенберга.

Аналогично никакой информации не было известно и доступно об образовании ядерной части планеты. Только в 1922 г. основоположником геохимии В. М. Гольдшмидтом было сделано открытие. Оно связано с тем, что образование ядра произошло вследствие гравитационной дифференциации первичной Земли на этапе её роста или позднее. Альтернативная версия была предложена в 1960-1970 гг. Её разработкой занимался Е. Орован, а также советский гений А. П. Виноградов. В итоге было получено заключение о том, что ядро появилось в протопланетном облаке.

В 2016 г. британские и американские учёные смогли создать условия, приближённые к ядру. Это позволило понять, что ядро и мантия обладают схожим химическим составом, а на их границе наблюдается серьёзный перепад давления и консистенции веществ. В 2015 г. были получены сведения о том, что в жидкой области присутствует третий слой.

Ядро Земли, как и любой другой объект, имеет определённый состав, однако данных о нём немного. Об этом имеются лишь косвенные сведения, которые были получены различными путями. Вероятнее всего, наиболее близкий состав имеют метеориты из железа, это своего рода элементы астероидных ядер. Однако они не могут обеспечить детальное представление о веществе, из которого земное ядро состоит. Ведь образование их произошло в значительно меньших телах и иных условиях.

Наряду с этим были проведены сейсмические исследовательские работы. В рамках их организации учёные смогли получить наиболее точную информацию о размерных характеристиках ядра, а также о плотности. Всё это наложило дополнительные ограничения на состав. Дело в том, что ядерная плотность на 5-10% ниже, нежели идентичный показатель сплавов из железа и никеля. Однако наиболее вероятны следующие вещества: кислород; сера; углерод; кремний; водород; фосфор; другие материалы с похожими свойствами и характеристиками.

Наряду с этим ядро Земли, а точнее его состав, может быть оценён в соответствии с геохимическими и космохимическими предпосылками. Если бы была возможность определения первичного состава Земли и вычисления доли элементов, приходящихся на прочие геосферы, возникли бы шансы на построение схем состава ядра. Помощь и поддержку в этом направлении обеспечивают эксперименты, связанные с распределением элементов между железными материалами и фазами силикатов.

Ядро Земли тесно связано с её магнитным полем, которое формируется за счёт внутренних структур планеты. Среди учёных есть заблуждение, связанное с тем, что оно формируется вследствие активности материалов из внутреннего ядра по принципу магнита. Общепринятая версия получила название ГЕОДИНАМО. В соответствии с ней образование магнитного поля произошло вследствие движения электропроводящей среды в зоне внешнего ядра.

Наша планета имеет форму шара, но она не идеально круглая, а скорее это сплюснутый эллипсоид. А значит расстояние до ядра Земли от поверхности в разных участках будет разной. Давайте высчитаем средний размер.

Как мы уже и говорили, наша Голубая планета имеет неидеальную форму шара. Но почему? А всё из-за вращения вокруг своей оси, которое и создаёт экваториальную выпуклость. Наш Мир приплюснут и разница диаметров между экваториальным и полярным будет целых 43000 метров.

Но также на нашей планете есть горы и впадины, самой высокой горой считается Эверест, высота которого достигает 8848 метров. А самая глубокая впадина – это Марианская, глубиной 10994 метров. Из всего этого следует, что земная кора нашего Мира неидеальная, расстояние до центра везде будет разной.

Чтобы ответить на заданный вопрос, нам надо знать средний радиус Земли, который соответствует 6371,0 км. Также мы знаем радиус ядра – это примерно 3500 км. Делаем нехитрые вычисления, округляем и получаем, что расстояние до ядра Земли от поверхности примерено 2900 км.

Конечно надо понять, что это всё весьма приблизительные цифры, первое, наша Мир имеет неровную поверхность, но также и то, что размыта грань, между ядром и мантией.

Человек ничто перед силами природы, нам кажется, что мы можем и знаем всё. Но это не так, даже живя в нашем прекрасном Мире, он до конца не изучен. Наука, и технический прогресс не может объяснить процессы, которые происходят глубоко в центре, а тем более добраться. Но, то что вчера было невозможно, сегодня это уже реальность.

Относительно недавно британскими учёными была разработана и пояснена схема процессов, в соответствии с которыми ядро планеты Земля остаётся горячим. Ранее считалось, что оно постепенно остывает. Но в настоящее время выяснено, что, наоборот, в некоторых местах оно нагревается.

Вещество, находящееся в центральной части нашей планеты, представляет собой субстанцию, окружённую большим количеством загадок. Всё это связано с тем, что ни одному учёному не довелось подержать в руках его образец. Даже с учётом развития технологий добыть его невозможно, т. к. глубина залегания составляет 2900 км от поверхности Земли, а учёные смогли добраться вглубь только на 12 км 290 м. Так что современные знания о ядре несовершенны и противоречивы.

Есть распространённое мнение о том, что ядерная часть включает в себя железоникелевый сплав, а также комплекс других веществ, имеющих «родство» с железом. Учёные полагают, что на такой глубине условия невероятны: температура составляет 5000 градусов, плотность – 12,5 тонн на кубический метр, а уровень давления достигает отметки в 361 ГПа. Несмотря на это, планета, являющаяся нашим домом, и продолжает изучаться до сих пор.

Учёные всегда считали, что ядро Земли возникло 4,5 миллиардов лет тому назад. Сначала оно считалось раскалённым, а потом случилось его медленное остывание, что продолжается до настоящего момента времени. При этом выделяемое тепло способно подниматься через мантию до коры вследствие процесса конвекции. Именно эти потоки обеспечивают «подпитку» ядерной части планеты и формированию магнитного поля. Однако эти исследования так и не позволили найти ответ на вопрос, почему ядро Земли горячее.

В соответствии с более современной моделью в ядерной части может происходить обратный процесс, который влечёт за собой не только остывание, но и нагревание/плавление. Такой вывод был сделан с учётом явления конвекции, а также анализа базовых сейсмических данных. В результате сложилась уникальная картина: на границе ядра и мантии могут протекать различные процессы, которые зависят от вышележащего слоя мантии. Они отчасти и определяют ситуацию у поверхности планеты.

Ядро нашей планеты – одна из самых больших загадок современной геологии. Ученые до сих пор не могут получить прямых данных о его составе, поэтому информацию приходится добывать косвенными методами – путем изучения сейсмограмм и близких по составу метеоритов. Тем не менее полученные сведения уже очень ценны: на огромной глубине привычные вещества приобретают невероятные свойства – становятся жидкими, генерируют электрический ток или кристаллизуются. А самое главное – именно ядро защищает жизнь на планете.

Но как же ученые получили сведения, которыми мы сегодня располагаем? С помощью сейсмографии! Исследователи используют редкие сейсмические волны от землетрясений или ядерных испытаний, которые проникают во внутреннее ядро или отражаются от него. Проходя через недра планеты, колебания преломляются. Изучая эти колебания, ученые могут установить параметры и даже состав ядра.

В начале 1930-х гг. датский сейсмолог Инге Леманн выяснила, что ядро Земли не полностью жидкое, как считалось ранее. Изучая волны давления, она поняла, что у Земли есть твердое внутреннее ядро, пропускающее S-волны, в отличие от внешнего жидкого.

Исследованиям внутреннего строения Земли на удивление способствовали испытания термоядерных бомб, которые почти одновременно проводились в 1969–1974 гг. на подземных полигонах Советским Союзом на Новой Земле и США на острове Амчитка. Военный сейсмограф LASA в штате Монтана зафиксировал резонанс от взрывов, колебания которых достигли внутреннего ядра Земли и отразились назад. Ученые использовали эти данные для оценки скорости и направления вращения ядра нашей планеты.

В 1990-х гг. специалисты проанализировали материалы ядерных испытаний и выяснили, что ядро вращается быстрее планеты. Долгое время эти результаты считали основополагающими, пока сотрудники Университета Южной Калифорнии не представили новое исследование. Специалисты под руководством Джона Видале пересмотрели результаты и поняли, что ситуация с вращением намного сложнее: ядро действительно опережает вращение самой планеты, но иногда отстает от него. «Наши последние наблюдения показывают, что внутреннее ядро вращалось немного медленнее с 1969 по 1971 г., а затем двигалось в другом направлении с 1971 по 1974 г.», – утверждает исследователь.

Выяснилось, что помимо скорости внутреннее ядро может менять направление вращения. При этом разные слои ядра вращаются в разные стороны: внешнее жидкое ядро вращается вокруг своей оси с востока на запад, а внутреннее – с запада на восток.

На сегодня можно выделить следующие физические характеристики ядра: радиус сферы составляет 3,5 тыс. км и делится на твердое внутреннее ядро и жидкое внешнее. Ядро составляет всего 15% объема, а масса – 30% всей Земли (1,932⋅1024 кг).

Представить состав ядра можно методами изучения близких по составу материалов, например железных метеоритов, представляющих собой фрагменты ядер астероидов.

Ученым удалось определить, что примерно на 85% ядро состоит из железа, на 10% – из никеля. Состав остальных 5% установить пока не представляется возможным, но исследователи предполагают, что это может быть углерод или кислород.

Внутренне ядро – самый центр Земли диаметром 1,3 тыс. км, размером с Плутон. Это очень плотный и горячий шар, состоящий в основном из железа плотностью 12,8–13 г/куб.см. Температура внутреннего ядра достигает 6000 градусов и значительно превышает точку кипения, но из-за высокого атмосферного давления ядро не плавится и остается твердым.

В 2015 г. группа геологов под руководством профессора Сяодуна Суна из Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне пришла к неожиданному открытию: стало известно, что внутреннее твердое ядро двойное – в нем находится еще одно, в два раза меньше. Исследователи полагают, что состав третьего ядра не железно-никелевый, а какой-то другой. А его кристаллы повернуты не с севера на юг, вдоль магнитного поля Земли, а с запада на восток.

Что касается внешнего ядра, оно располагается на глубине 2,3 тыс. км под уровнем моря и имеет толщину 2,2 тыс. км. Внешнее ядро состоит из железа и никеля, как и внутреннее, но в жидком состоянии – давления гравитации недостаточно для затвердевания раскаленного металла. Жидкость находится в постоянном движении и образует магнитное поле, которое защищает планету от космического излучения.

Течение жидкого металла во внешнем ядре порождает хаотические электрические токи, образующие магнитное поле. Оно появилось одновременно с зарождением нашей планеты и наравне с атмосферой помогло защитить первобытных одноклеточных существ от губительного космического излучения, заряженных частиц открытого космоса и солнечного ветра.

Однако оно не всегда «работало» регулярно, 565 млн лет его напряженность резко понижалась до 10% от современного уровня. Удивительно, но всего за несколько десятков миллионов лет напряженность магнитного поля восстановилась, как раз незадолго до зарождения жизни на планете. Поэтому можно сказать, что нашим существованием мы обязаны в том числе внешнему ядру Земли.

Японские ученые полагают, что им удалось определить элемент химического состава ядра Земли, который исследователи пытаются идентифицировать уже много лет. По своей доле в химическом составе центра нашей планеты элемент занимает третье место после никеля и железа, однако ученые до сих пор не могут точно его назвать.

Эксперимент исследователей из университета Тогоку был проведен в условиях высокой температуры и давления, чтобы как можно точнее симулировать реальную обстановку в центре Земли. По его итогам ученые пришли к выводу, что скорее всего искомым элементом является кремний. Это открытие может помочь нам получить более ясное понимание того, как формировалась наша планета.

Чтобы установить состав оставшихся 5% ядра, команда Эйдзи Отани смешала железно-никелевый сплав с кремнием. После этого смесь подвергли воздействию высокой температуры и давления, таким образом создав условия близкие к условиям центра Земли. Как обнаружили ученые, показатели искажения волн при проходе через эту смесь полностью совпадали с поведением сейсмических волн, проходящих через ядро планеты.

Впрочем, по словам Охани, окончательно присутствие и долю кремния в ядре еще предстоит подтвердить, а открытие не отменяет наличия в составе ядра новых элементов.

Если, как следует из исследования японских ученых, в ядре было большое количество кремния, это может означать, что в окружающей ядро мантии было относительно много кислорода.

Однако если в ядре найдут кислород а не кремний, это будет значить, что при формировании планеты он перетекал из мантии в ядро, а значит четыре с половиной миллиарда лет назад уровень кислорода в мантии Земли был крайне низок.

Возможно, самые глубокие недра нашей планеты находятся одновременно в жидкой и твердой фазах: тяжелые элементы образуют кристаллическую решетку, а легкие свободно текут между ними.

Многие загадки, связанные с внутренним ядром Земли, могут быть связаны с тем, что оно находится в особой суперионной фазе. Тяжелые железо и никель остаются твердыми, а легкие элементы более или менее свободно движутся по их кристаллической решетке, меняя характер проходящих сквозь них сейсмических волн. Такую картину подтвердили авторы новой работы, опубликованной в журнале Nature.

Подобные работы показали, что внутреннее ядро Земли не так плотно, как можно было ожидать от железа и никеля при огромной температуре (5400 град.C) и давлении (около 350 гигапаскалей). По-видимому, оно содержит немалую примесь более легких элементов. В их числе могут быть кремний, сера, углерод, кислород и водород, но какие именно, в каких количествах и форме присутствуют там, неясно. В любом случае их наличие влияет не только на плотность, но и на температуру плавления, теплопроводность ядра, характер прохождения через него сейсмических колебаний.

Как показывают измерения сейсмографов, движение сквозь внутреннее ядро замедляет распространение поперечных S-волн, которые колеблются в плоскости, перпендикулярной направлению их распространения. Ни чистое железо, ни железо-никель в разных комбинациях так вести себя не должны.

Поэтому в 2021 году Джон Бродхольт (John Brodholt) и его коллеги связали эту особенность с тем, что внутреннее ядро находится в «суперионном» состоянии, подобно воде в форме льда XVIII. В нем ионы кислорода образуют кристаллическую решетку, как в твердой фазе, а ионы водорода подвижно текут между ними, как в жидкости.

Сходно может быть устроено внутреннее ядро: тяжелые ионы железа и никеля находятся в твердой фазе, а частицы легких элементов движутся сравнительно свободно. Такую картину подтвердила новая работа Юя Хэ (Yu He) и его коллег из Китайской академии наук.

Ученые смоделировали поведение структуры из 64 атомов, включая никель, железо и набор легких элементов, при температуре и давлении, которые считаются характерными для внутреннего ядра. И хотя они использовали другую комбинацию легких элементов, нежели Бродхольт с соавторами, удалось вновь получить суперионное состояние вещества, в котором свободное движение легких ионов вызывает замедление S-волн.

Это может объяснить еще одну особенность внутреннего ядра – тот факт, что его влияние на сейсмические колебания меняется со временем. По одному из предположений, это может быть связано с тем, что скорость его вращения отличается от общей скорости вращения планеты. Но если внутреннее ядро действительно находится в суперионном состоянии, то к тем же результатам может приводить просто постоянное течение жидкой фазы в нем.

Существует и другая загадка сейсмических колебаний, проходящих сквозь внутреннее ядро: в направлении от полюса к полюсу они перемещаются быстрее, чем в экваториальной плоскости. По мнению Юя Хэ и его коллег, это, вероятно, связано с неравномерным распределением легких «жидких» элементов. Если они сконцентрированы в основном ближе к самому центру планеты и образуют там уплощенную с полюсов сферу, то могут приводить к анизотропному распространению сейсмических волн. Но как и почему эта жидкость собирается в такую «линзу», неизвестно.

Обработав сейсмограммы ядерных испытаний на рубеже 1970-х годов, ученые показали, что период вращения внутреннего ядра Земли изменяется циклически.

Все космические тела вращаются вокруг своей оси. Твердые тела, к которым относится наша Земля, вращаются как единое целое и, как правило, весьма равномерно. Поэтому секунда, ранее определявшаяся как одна 86400-я доля земных суток, долго служила эталоном единицы времени. В любой точке поверхности Земли результат ее измерения окажется одним и тем же.

Гигантские планеты и звезды, не обладающие твердостью, проявляют дифференциальное вращение: период обращения вокруг оси различен для разных участков тела. На солнечном экваторе вещество совершает один оборот вокруг оси за 25 суток, а близ полюсов – за 34.

При более точном рассмотрении все оказывается не столь однозначно. Если в недрах небесного тела с твердой поверхностью есть расплавленные слои, движение жидкости в них может влиять на вращение всего тела. На вращение Земли влияют многие процессы, связанные с перераспределением массы в атмосфере и в глубине планеты, из-за чего продолжительность земных суток колеблется с амплитудой в несколько миллисекунд. Также она увеличивается на 2,3 миллисекунды за столетие из-за торможения вращения Земли приливными силами.

Внутреннее ядро Земли, состоящее из твердого железа, отделено от остальной массы планеты толстым слоем расплавленного железа, и ученые давно предполагали, что его вращение может отличаться от суточного. В частности, логично ожидать, что оно «не поспевает» за приливным замедлением и вращается чуть быстрее земной поверхности (это называется суперротацией). Первые сейсмические исследования показывали, что так оно и есть, но попытки уточнения разницы скорости вращения привели к противоречивым результатам: от 0,1 до одного градуса в год.

В новой работе ученые из Университета Южной Калифорнии (USC) во главе с Джоном Видалем (John Vidale) уточнили параметры вращения внутреннего ядра Земли и обнаружили более сложную картину: оно то опережает вращение самой планеты, то отстает от него. Полные результаты их работы опубликованы в открытом виде здесь.

Каким образом вообще можно узнать, что происходит с внутренним ядром Земли, если оно находится примерно в 5200 километрах под нашими ногами? Тем же методом, которым было открыто его существование, – сейсмологией. Проходящие через Землю волны отражаются и преломляются на границах слоев, а также рассеиваются и отклоняются неоднородностями внутри самих слоев.

Изучение сейсмограмм позволило открыть области пониженной скорости распространения сейсмических волн в нижней мантии Земли и даже рассмотреть в них структуру толщиной всего пару десятков километров. При вращении внутреннего ядра его неоднородности смещаются, что выражается в изменяющемся сдвиге сейсмических волн, обогнувших центр Земли с разных сторон.

Измерение волн, прошедших через внутреннее ядро – очень сложная задача: приходится выделять из шума и анализировать слабые и многократно искаженные сейсмические сигналы. Здесь ученым помогли подземные ядерные испытания 1960-х и 1970-х годов. Землетрясения формируют сложные волны с распределенным в пространстве источником (гипоцентром). Даже неопределенность положения источника в несколько километров сравнима с вычисляемой разностью хода сейсмических волн и способна сильно затруднить анализ сейсмограмм. Напротив, подземный ядерный взрыв – «идеальный» источник зондирующих волн. Он обладает точно известными координатами и амплитудой, и к тому же он точечный и однократный, а не протяженный в пространстве и во времени.

Ранее ученые из той же группы проанализировали сейсмические волны от ядерных испытаний на Новой Земле в 1971 и 1974 годах. В свою новую работу они включили анализ волн от двух других ядерных испытаний достаточной мощности, которые были проведены на острове Амчитка на Аляске в 1969-м и 1971 году. Обрабатывать их оказалось гораздо сложнее, поскольку рядом с местом испытаний расположена Алеутская зона субдукции, сильно рассеивающая сейсмические волны. Когда ученые убедились, что выделили искомые сигналы на всех сейсмограммах, они обнаружили следующую картину.

С 1969 по 1971 год ядро сдвинулось на 0,05 градуса против вращения Земли, а с 1971 по 1974 год оно, наоборот, повернулось вперед на 0,25 градуса. Для дополнительного подтверждения они сопоставили полученные данные с продолжительностью земных суток и нашли, что ее изменения в тот же период подтверждают их результаты.

Таким образом, на суперротацию внутреннего ядра накладываются колебания с периодом около шести лет, которые связаны с обменом угловым моментом между ним и верхними оболочками Земли. Задержка между кривыми на графиках обусловлена продолжительностью процессов, вызывающих этот обмен. Механизм, вызывающий колебания, скорее всего, связан с конвективными потоками во внешнем ядре, но его детали еще предстоит изучить.