Апокалипсис в раю
Что (и почему) происходит на канарском острове Ла-Пальма
19 сентября 2021 года в 15:13 по местному времени (или в 17:13 по московскому) на вулканической гряде Кумбре-Вьеха в южной части острова Ла-Пальма началось извержение. Сначала одна трещина начала выбрасывать из себя лаву и пепел, через час к ней присоединилась уже вторая. За 10 дней потоки лавы добрались до побережья, уничтожив по пути лес, посевы, здания и дороги. Тысячи людей были вынуждены сняться с мест, когда эта раскаленная река двинулась к океану. А вулкан пока не собирается утихомириваться. Рассказываем, что происходит на Кумбре-Вьехе — и под ней.
Базальтовые
реки, пепловые берега
Это видео было снято 1 ноября специалистами из Службы воздушных работ Геологического и горного института Испании (IGME), облетевшими район извержения с аварийно-спасательной командой. Оно позволяет охватить взглядом грозный пейзаж: протяженная трещина, пар, дым, лавовые трубки и потоки, все склоны вулканической гряды засыпаны толстым слоем пепла. До 19 сентября здесь рос сосновый лес.
Ученые называют извержение Кумбре-Вьехи стромболианским. Это значит, что мощность взрывов сравнительно невелика, а объемы выбросов умеренны. По восьмибалльной шкале вулканической активности (VEI) таким извержениям присваивается индекс VEI-2, они выбрасывают от 10–3 до 10–2 кубических километров материала. Впрочем, извержение на Ла-Пальме затянулось, и по объему выбросов уже превысило эти рамки — поэтому 20 ноября вулканологи сообщили о его переходе в класс VEI-3 (0,01–0,1 кубических километра).
В октябре 2021 произошло еще одно событие, которое вулканологи тоже назвали стромболианским — взрыв японского вулкана Асо. Но это извержение не залило базальтом все окрестности, подобно тому как продолжается до сих пор на юго-западе Ла-Пальмы. Почему так?
Характер извержения и тип вулканических продуктов определяет магма, которая питает вулкан, ― ее температура, состав, насыщенность летучими компонентами (так называемым флюидом). А эти показатели во многом зависят от геодинамической обстановки, в которой развился тот или иной магматический очаг.
Асо, подобно другим вулканам Японских островов, создан субдукцией ― погружением одной литосферной плиты под другую. Здесь небольшая Филиппинская океаническая плита ныряет под юго-восточный край континентальной Амурской плиты. Цепочка местных вулканов идет над областью, в которой плавится в мантии участок литосферы. Плита несет много воды, понижающей точку плавления пород — это приводит к образованию магматических резервуаров. Магма в них богата водой, а строение подводящих ее каналов таково, что она застаивается и успевает дифференцироваться, провзаимодействовать с вмещающими породами и частично раскристаллизоваться. В верхней части очага она становится вязкой и более кислой по составу — там собираются относительно легкие соединения, обогащенные кремнеземом (SiO2). Но от такой магмы труднее отделяться флюиду, и при подъеме к жерлу вулкана, когда падает внешнее давление, он высвобождается взрывообразно, а магма превращается в пирокластические продукты. К счастью для жителей окрестностей Асо, их вулкан извергается часто. Если бы это происходило реже, взрывы были бы гораздо сильнее.
Активность Кумбре-Вьехи выглядит иначе. Хотя при высвобождении летучих компонентов вулкан тоже выбрасывает много пирокластики (пепел, лапилли и вулканические бомбы), существенная доля его продуктов ― это лава довольно высокой текучести. Она горячее и беднее кремнекислотой, и ее так много, что она уже залила весь склон к западу от места извержения, дотекла до океана и к началу декабря 2021 года погребла под собой уже больше 11 квадратных километров. Этот вулкан питает совсем не такая магма, как та, что скрывается под кальдерой Асо. Кумбре-Вьеху породила не субдукция, а другое явление ― внутриплитный магматизм.
На горячей точке
Канарский архипелаг целиком и полностью порожден вулканами. Ученые полагают, что эти острова сформировались по ходу движения Африканской литосферной плиты над горячей точкой (hotspot) — районом интенсивного магматизма, который питается плюмом, горячим восходящим потоком мантийного вещества. Африканская плита смещается в направлении восток-северо-восток, так что Ла-Пальма, расположенная на западе архипелага, соответственно, один из самых молодых канарских островов.
Раньше всего сформировалась северная часть Ла-Пальмы. Возраст базального комплекса (древнейших пород, ставших зародышем будущего острова) геологи оценивают примерно в три–четыре миллиона лет. Позднее он поднялся над уровнем моря и был перекрыт щитовыми вулканами, которые сформировались в период от 1,7 до 0,4 миллиона лет назад. Эрозия этих вулканических построек привела к их обрушению и образованию 10-километровой кальдеры Табуриенте, где сейчас расположен национальный парк.
Но мантийный плюм никуда не делся, и около 125 тысяч лет назад — совсем недавно по геологическим меркам — начала расти южная часть острова, которая целиком образована сложной вулканической системой Кумбре-Вьеха. В ней излившаяся в разное время лава переслаивается пирокластическими отложениями и шлаковыми конусами. Вулканическая гряда длиной 25 километров поднимается над уровнем моря почти на 2 километра. Ее субаэральная площадь составляет 220 квадратных километров, а предполагаемый объем — около 125 кубических километров.
Геологи полагают, что под грядой Кумбре-Вьеха есть два уровня накопления и дифференциации магмы. Более глубокий располагается непосредственно под границей Мохо, в верхней мантии, в 14–25 километрах от поверхности. А на глубине от 6 до 14 километров, в нижнем слое коры, находится второй уровень. Это целая система магматических резервуаров, которые частично изолированы друг от друга и поэтому не проявляют активность одновременно.
Все вулканы Кумбре-Вьехи активны до сих пор. В историческое время извержения здесь случались в 1585, 1646, 1677–78, 1712, 1949 и 1971 годах. Первым звоночком к началу нового извержения стали вертикальные смещения поверхности в районе вулканической гряды, которые регулярно обнаруживались в течение полутора последних десятилетий средствами спутникового наблюдения. В 2017–2020 годах местные станции мониторинга неоднократно регистрировали усиление сейсмической активности. С новым всплеском активности, о приближении которого ученые сообщили еще в начале 2021 года, Кумбре-Вьеха, наконец, проснулась.
Предвестники
О своем пробуждении Кумбре-Вьеха недвусмысленно заявила 9 сентября — серией подземных толчков на глубине от 5 до 13 километров. Через два-три дня случился новый рой землетрясений небольшой магнитуды (от 0,8 до 2,0). Еще через неделю сейсмическая активность усилилась до магнитуды 4,2. Власти объявили о введении второго уровня опасности (желтого) по четырехбалльной шкале, а вулканологи перешли на режим усиленного мониторинга. Вскоре число землетрясений перевалило за 25 тысяч, 1450 из них удалось локализовать: так стало ясно, что очаги землетрясений мигрируют к северо-западу и смещаются все ближе к поверхности.
Данные мониторинга с помощью спутников Sentinel-1 и сети GPS показали, что с 14 по 19 сентября поверхность в самых сейсмически активных районах поднялась на 13,5 сантиметра. Этот подъем был вызван ростом давления магмы, которая заполняла резервуар объемом около 11 миллионов кубических метров на глубине от шести до семи километров. Затем очаги землетрясений начали сдвигаться — магма двинулась вверх.
Осень вулкана
19 сентября Кумбре-Вьеха выбросила первые фонтаны лавы.
Это произошло в районе Кабеса-де-Вака, на территории муниципалитета Эль-Пасо. Первое, что увидели свидетели — взрыв, выбросивший пирокластический материал, и пепло-газовый шлейф от него. Две двухсотметровые трещины открылись с интервалом около часа в направлении север–юг на расстоянии приблизительно 200 метров друг от друга. На начальном этапе извержения ученые насчитали в пределах этих трещин семь вулканических жерл, фонтанирующих лавой. На видеозаписях было видно, как ее потоки текут по горным склонам со скоростью до 700 метров в час, поглощая сельхозугодья и жилые дома. Температура лавы достигала 1075 градусов.
Власти острова заблаговременно отдали приказ об эвакуации всех близких к опасному району деревень, но уже через два часа после начала извержения выяснилось, что угроза нависла не только над ними. За два дня с начала извержения было эвакуировано 5700 человек.
В первую неделю извержения лава
площадь 2,37 квадратных километра и уничтожила 513 строений. Сильнее всего пострадал городок Тодоке, расположенный к западу от места извержения — он оказался прямо на пути схода лавовых потоков. Их мощность дополнительно возросла после того, как на главном конусе открылись фланговые кратеры. Распространялись эти потоки в разном темпе. На северном фланге сравнительно жидкая лава устремилась к океанскому побережью со скоростью около 200 метров в час, а на южном она оказалась более вязкой и образовала глыбовый поток с высотой кромки 4–6 метров, который медленно (до двух метров в час) пожирал дома Тодоке и северной окраины еще одного города, Лас-Манчас.
Высота пепло-газового столба над вулканам колебалась в пределах трех–пяти тысяч метров. По оценкам ученых, в первый день извержения в атмосферу попало от шести до девяти тысяч тонн диоксида серы, а во второй — от восьми до десяти с половиной тысяч тонн.
27 сентября вулкан взял паузу на несколько часов, а после новые потоки жидкой, подвижной лавы устремились вниз. К ночи следующего дня она достигла берега и обрушилась в Атлантический океан с высоты 100 метров в районе Плайя-Нуэва, или, как его ещё называют, пляжа Лос-Гиррес.
Океан в этом районе побережья неглубок, поэтому ученые предсказали, что появится лавовая платформа. И оказались правы: всего за 45 минут ее высота превысила 50 метров, а вскоре Ла-Пальма обзавелась новым полуостровом, площадь которого 30 сентября была уже больше 20 гектаров.
В этот же день российский космонавт Олег Новицкий опубликовал в своем твиттере фотографию Ла Пальмы, сделанную с борта МКС.
14 октября вулканолог Висенте Солер (Vicente Soler) из Высшего совета научных исследований Испании (CSIC) рассказал о том, что в продуктах извержения Кумбре-Вьехи обнаружены шлаковые фрагменты смешанного состава и текстуры. Они оказались похожи на рестинголиты — обломки пемзоподобной породы, найденные в 2011 году, во время подводного извержения Эль-Йерро, другого вулкана на западе Канарского архипелага.
Внутренняя часть рестинголитов пористая и легкая, как пемза. Она отличается кислым составом (обогащенным кремнеземом SiO2), а внешняя оболочка представляет собой плотную базальтовую корку (то есть основного, более низкокремнеземистого состава). Ученый предположил, что условия образования рестинголитов и выброшенных Кумбре-Вьехой фрагментов шлака были похожи. Эти куски породы могут происходить из отложений подводного вулкана, действовавшего на месте современной Ла-Пальмы около двух миллионов лет назад.
Вот инфографика, которую опубликовала организация «Вулканы Канарских островов», которая моделирует развитие вулканических жерл Кумбре-Вьехи по состоянию на 18 октября:
За месяц лава разлилась потоком 2,9 километра шириной и покрыла территорию площадью около 7,8 квадратного километра. Она повредила более 50 километров дорог и 1956 строений, уничтожила почти 2,3 квадратных километра сельскохозяйственных угодий. Было эвакуировано около 6400 человек.
На видео от 22 октября — вулканологи за работой. Группа ученых впервые подходит вплотную к трещине, чтобы определить характеристики вулканических продуктов:
Весь октябрь Кумбре-Вьеха сотрясалась от взрывов, выбрасывая пепел и вулканические бомбы. Например, такие, как эта, снимок которой опубликовала в своем твиттере ирландский геолог Фрэнсис Диган (Frances Deegan) 28 октября:
Лава продолжала заливать западный склон вулкана и захватила городок Ла-Лагуна, уничтожив десятки домов, школу и церковь. Вулканический конус продолжал расти, в нем несколько раз происходили обрушения, открылись новые жерла. Одно из таких событий произошло 25 октября и привело к обширному разливу лавы.
В конце октября пресса заговорила о наплыве туристов на Ла-Пальму в выходные дни. Местных жителей, которым извержение принесло в лучшем случае неприятности и убытки, а в худшем — пагубно отразилось на здоровье, лишило жилищ и хозяйств, туристический ажиотаж раздражает. Но желающих увидеть извергающийся вулкан это не остановило, тем более что Кумбре-Вьеха, словно решив показать себя во всей красе, не успокоилась и в ноябре.
9 ноября лава снова добралась до побережья в районе Лос-Гиррес. Вскоре на месте бывшего пляжа в океан падало уже несколько магматических потоков — все это изменило береговую линию в этой местности до неузнаваемости.
А 22 ноября еще один лавовый язык добрался до берега двумя километрами севернее, в районе пляжа Ла-Винья, и там тоже сошел в море.
Юг острова до сих пор непрерывно сотрясают сейсмические толчки. Их очаги располагаются на глубинах 30–38 и 12–15 километров, и это указывает на активность в районе первичного (глубинного) и вторичного магматических резервуаров.
Наиболее интенсивные толчки магнитудой 5,0 с гипоцентрами на глубине около 35 километров случились 30 октября и 3 ноября. 19 ноября под Кумбре-Вьехой тряхнуло на 5,1, а 29-го — на 5,0. На видео ниже запечатлен один из пиков сейсмической активности вечером 25 ноября — землетрясение магнитудой 4,8.
16 ноября испанские вулканологи опубликовали результаты подсчета энерговыделения при извержении Кумбре-Вьехи: 286,2 тераватт-часа. Это в 35,9 раза превышает энергопотребление Канарских островов за 2020 год и в 1158,7 раза — энергопотребление одного только острова Пальма за тот же период.
Вот уже два с лишним месяца Кумбре-Вьеха постоянно меняет свой облик. Так, эффузивная активность, то есть излияние лавы, смещается в новые жерла, которые открываются все ниже по склонам главного конуса. При этом старые центры извержения, расположенные выше, начинают выбрасывать в основном пирокластику и вулканические газы. Видеоролик, опубликованный 28 ноября, показывает развитие лавового потока, изливающегося из нового жерла на северо-восточном склоне.
Маленькие истории большого извержения
Извержение Кумбре-Вьехи состоит из множества эпизодов. Иные из них полны драматизма: множество людей утратили кров над головой и вынуждены смириться с резкими переменами в жизни. А некоторые уже стали неотъемлемой частью истории этих горячих недель и надолго запомнятся современникам.
Один из таких эпизодов случился в самом начале извержения и связан с домом, который целую неделю оставался невредимым среди потоков лавы. 21 сентября в твиттере журналиста Хесуса Эспиносы (Jesus Espinosa) появилась фотография чудом уцелевшего среди потоков лавы домика.
Испанское издание El Mundo выяснило, что дом уже 30 лет принадлежит датской семейной паре — пенсионерам Инге и Райнеру Кокам (Inge, Rainer Cocq). 80-летние супруги, которые купили этот дом, впечатлившись красотой вулканических пейзажей в округе, не выезжали из Дании с начала пандемии. Вилла стала мировым символом счастливого спасения, но, увы, ненадолго. 28 сентября стало известно, что вулкан не пощадил спасшийся поначалу дом: лава до него все-таки добралась.
Героями другой истории стали собаки. Уже в начале извержения стало ясно, что оно станет угрозой для людей и животных, их срочно эвакуировали. Однако 7 октября оказалось, что ушли из опасной зоны не все.
Жителям города Тодоке
на сборы лишь час. Поэтому в одном из домов остались шесть охотничьих собак. Псы спрятались в пустом бассейне у дома — там их нашли дроны. Борзые сильно исхудали, поэтому беспилотники начали доставлять им еду.
Через какое-то время, даже несмотря на кормежку, одна из собак погибла. Тогда их решили вывозить на летательных аппаратах. Но 21 октября собаки куда-то пропали, а вместо них в бассейне, где прятались борзые, появилась простыня с надписью «Держись, Ла-Пальма. Собаки в порядке».
Ответственность за спасение животных взяла на себя таинственная «Команда А» (Team A). Кто именно спас собак и где они находятся, пока неизвестно, однако местное СМИ сообщило, что жизни животных уже ничто не угрожает. Правда, их спасители не изъявили желания обнародовать свои имена, поскольку доступ в зону бедствия запрещен и карается штрафом в 180 евро.
Есть и другая история о помощи пострадавшему животному. Капрал Хуан Карлос Нуньес (Juan Carlos Núñez) из подразделения по чрезвычайным ситуациям UME во время 15-дневной командировки на Ла-Пальму обнаружил истощенного и потерявшего сознание кота. Военный реанимировал животное и передал ветеринарам, а после увез кота с собой.
На видео Нуньес делает коту искусственное дыхание с помощью пластикового фильтра и массаж сердца. Своего нового питомца он назвал Лагуной в честь пострадавшего от извержения городка.
Затянувшийся кошмар
К концу ноября из окрестных городов эвакуировано около семи тысяч человек, почти 2200 из них потеряли свои жилища. Есть на счету вулкана и человеческая жизнь —72-летний житель города Лос-Льянос-де-Аридане скончался после уборки вулканического пепла с крыши своего дома.
Разбушевавшийся вулкан уничтожил больше 2700 зданий, опустошил свыше 1100 гектаров плодородной земли, стер с лица земли несколько банановых плантаций. Периметр территории, занятой лавовыми полями, составляет 52 километра.
27 ноября Геологический и горный институт опубликовал видеоролик с панорамой местности, в которой еще два с небольшим месяца назад кипела жизнь:
По данным спутникового мониторинга, к концу первого месяца активности Кумбре-Вьеха выбросила в атмосферу уже до полумиллиона тонн диоксида серы — это делает его одним из 50 крупнейших событий по уровню выбросов SO2 с момента начала спутниковых наблюдений за вулканами в 1978 году. Тем не менее, Кумбре-Вьеха пока еще отстает в этом рейтинге от некоторых других извержений XXI века, например, Килауэа (Гавайи) в 2018 году и Холухрёйна (Исландия) в 2014 году.
За Ла-Пальмой сейчас тянется длинный шлейф вулканических газов и пепла, направление которого непрерывно меняется. Он регулярно дотягивается до территорий Северо-Западной Африки и Западной Европы, однако, по словам ученых, этот шлейф достаточно рассеян, поэтому его влияние на качество воздуха минимально. Невелик будет и его вклад в кислотные дожди по сравнению с местными источниками загрязнения атмосферы. После пикового выброса в 50 тысяч тонн 23 сентября, ежедневный уровень поступления диоксида серы в атмосферу
в широких пределах — от 0,9 до 32 тысяч тонн. А после активизации извержения в конце ноября он вновь
до 30–50 тысяч тонн в сутки.
Из-за пепла авиасообщение с островом несколько раз прерывалось. Последний раз аэропорт Ла-Пальмы, который находится всего в 10 километрах от вулкана, закрывался на несколько дней в 20-х числах ноября.
Частицы пепла угрожают также телескопам
, что расположена в 16 километрах к северу от места извержения. Из-за того, что купол Большого Канарского телескопа GTC очень трудно очищать от пепла, ученые
ограничить его работу. Опасен пепел и для гамма-телескопов MAGIC, которые стоят под открытым небом. После мощного выброса в начале ноября их
спешно укрывать с помощью пластиковых пакетов и скотча.
За два месяца извержения площадь первой лавовой платформы, возникшей у берега Ла-Пальмы, достигла 53 гектаров. Вторая, которая чуть позже появилась в двух километрах от нее, выросла уже до пяти гектаров. Лава продолжает прибывать.
Главный конус Кумбре-Вьехи, для которого предложено собственное имя Tajogaite (на языке гуанчей оно означает «Треснувшая гора»), активен уже больше двух месяцев. Это одно из самых продолжительных извержений в истории Ла-Пальмы. В XX веке на вулканической гряде Кумбре-Вьеха извержения продолжались 24 дня (Тенегия, 1971 год) и 47 дней (Сан-Хуан, 1949 год). Дольше нынешнего они были только несколько веков назад: в 1646 году конус Мартин производил лаву и пепел 82 дня, а самое длительное извержение, о котором есть исторические свидетельства, шло 84 дня — это было в 1585 году. Известно, что Кумбре-Вьеха извергалась и в XV веке, где-то между 1430 1440 годами, но длительность этого события не определена.
Ученые полагают, что у нынешнего извержения есть все предпосылки для того, чтобы стать местным рекордсменом по продолжительности. Пока нет признаков, которые говорили бы о спаде его интенсивности. Напротив, сейсмическая активность на глубине показывает, что вулкан, видимо, еще не готов успокоиться.
Винера Андреева, Юлли Улетова
Как в 2009 году замедлилось ядро Земли и почему мы узнали об этом в 2023-м
Мы добрались до поверхности другого небесного тела полвека назад, а вглубь своей планеты до сих пор не ушли дальше 13-го километра — и вряд ли еще углубимся в ближайшие годы. Но кое-какие сигналы снизу до нас доходят. В прошлом месяце китайские ученые сообщили, что 11 лет назад земное ядро замедлило свое вращение. Редакция N + 1 попросила геофизика Сергея Тихоцкого, директора Института физики Земли имени Шмидта, рассказать, откуда мы получаем сведения о процессах в центре Земли и какой поворот принимает геофизическая история нашей планеты в свете новых данных. Около 90 процентов всей информации о земных недрах, которой мы располагаем сегодня, получены благодаря сети сейсмостанций. Конечно, ученые пытались забраться глубже — помимо Кольской сверхглубокой скважины, в 1960-е годы, например, был запущен проект Mohole, инициаторы которого рассчитывали пробурить относительно тонкую океаническую кору (в океане толщина литосферы около 5-10 километров против 30 километров на материках) и добраться до верхней границы мантии. Но он не достиг своей цели и был свернут — из-за перерасхода средств и технических сложностей, связанных с бурением скважин в море. К моменту закрытия проекта удалось пробурить несколько тестовых скважин, из которых самая глубокая была лишь 183 метра. Он и другие подобные проекты получили много данных о геохимических характеристиках, о тепловых потоках из недр — но только землетрясения, а точнее порождаемые ими сейсмические волны, могут осветить нам внутренность земли. В прошлом на роль такого фонаря претендовали ядерные взрывы: Советский Союз взорвал десятки ядерных устройств именно для геофизических исследований (читайте о них в нашем материале «Бомба в хозяйстве»), но вряд ли кто-то будет отменять мораторий на ядерные испытания ради геофизиков. Как слышно Слушать землю это примерно то же самое, что и смотреть на звезды. Звезды испускают свет, который поглощается, преломляется, отражается и рассеивается по дороге к Земле. Точно так же сейсмические волны замедляются, ускоряются, преломляются, отражаются в недрах Земли — и если у вас достаточно наблюдательных пунктов в разных точках планеты, вы можете что-то понять о том, что же там вдали происходит. В 1909 году сейсмолог Андрей Мохоровичич обнаружил странный эффект: на станции в 200 и больше километрах от эпицентра сигнал от землетрясения приходил несколько раньше, чем должен был. Словно после этой отметки сейсмические волны ускорялись. Это, собственно, и происходило: сейсмические волны, распространяясь под землей на определенной глубине, попадали в мантию. Там плотность вещества выше, оттого и скорость волн возрастала. Так была открыта поверхность Мохоровичича — граница между земной корой и мантией, которая проходит на глубине от 20 (под океанами) до 90 километров. А через несколько лет американский сейсмолог Бено Гутенберг выяснил, что у мантии есть и нижняя граница — на глубине около 2,9 тысячи километров. Дальше начинается уже ядро. Причем ядро оказалось жидким. Доказательство жидкости Волны, которые распространяются в толще твердого вещества, могут быть продольными или поперечными. Продольные волны или P-волны (pressure wave) — это волны сжатия-разрежения, колебаний давления. Частицы вещества, в котором распространяется такая волна, движутся вдоль направления распространения такой волны. Так, например, распространяется звук — мы слышим благодаря сжатию и разрежению воздуха, то есть колебаниям, которые действуют на барабанные перепонки. И если сейсмические P-волны добираются до поверхности (и попадают в слышимый диапазон частот), мы можем услышать звук землетрясения. Продольные волны самые быстрые и распространяется во всех средах — и в твердых, и в жидких. А поперечные волны — S-волны (shear wave, сдвиговые волны) — связаны не со сжатием вещества, а с его упругой деформацией. В отличие от продольных, здесь колебания частиц направлены не вдоль, а перпендикулярно к направлению волны. Если мы посмотрим на кубик вещества, сквозь который проходит S-волна, мы увидим, что он периодически меняет свою форму, сохраняя объем. Для этого нужно, чтобы среда могла удерживать форму — поэтому ни в жидкостях, ни в газах поперечные волны не распространяются. Всякий раз, когда волна доходит до границы сред, как например между ядром и мантией, P-волна расщепляется и возникает две новых: одна продольная, другая поперечная (кроме ситуации, когда она двигается строго перпендикулярно границе). Но если среда, по которой волна собирается бежать дальше, не твердая, то поперечной волны не возникает. А когда эхо оригинальной P-волны достигает поверхности на другом конце земного шара и оставляет «автограф» на сейсмограмме, мы видим, через какие превращения она прошла, и по ним можем восстановить характеристики среды, через которую она двигалась. Для измерений, помимо пространственных параметров, важно еще и время. Сейсмологи фиксируют, как быстро приходят волны, прошедшие разными маршрутами, как запаздывают разные типы волн относительно друг друга. В 1913 году Гутенберг обнаружил, что на глубине между отметкой 2900 и 5150 километров не проходят поперечные волны, их следов нет ни на одной сейсмограмме. Из этого следует, что вещество на этой глубине — жидкое. Минорный диссонанс Когда стало понятно, что твердая часть ядра отделена от мантии и коры, можно было допустить, что его вращение не синхронно со вращением всей планеты. Что внутреннее ядро может вращаться с собственной скоростью, как яблоко в кастрюле с водой. Более того, целый ряд косвенных признаков указывали на дифференциальное вращение мантии и внутреннего ядра. Первый из этих признаков — это колебания скорости вращения Земли, вариации продолжительности суток. Это очень небольшие вариации, они не превышают миллисекунд, однако они систематически фиксируются астрономами с середины XIX века, а эпизодические измерения были еще в XVII веке (о них подробнее — в материале «Наши дни становятся короче»). График этих колебаний — многосоставный, в нем есть колебания сезонные, годовые, пятилетние и колебания с циклом в несколько десятилетий. Сезонные вариации легко объяснялись сезонными же изменениями в циркуляции атмосферы. Более долгопериодические связали с Эль-Ниньо и другими колебательными процессами в океане и атмосфере с периодом в 5-10 лет. Но долгопериодические колебания с периодом в 70-80 лет оставались необъяснимыми. Быстрее всего за историю наблюдений Земля вращалась в 1870-1880 годах, когда продолжительность суток была примерно на 3 миллисекунды меньше. А в 1920-х годах Земля наоборот, замедлялась: сутки были на 4 миллисекунды длиннее, чем сейчас. Поведение вращающегося тела всегда подчиняется закону сохранения углового момента. Это используют, например, фигуристы, когда прижимают локти к телу во время вращения — и таким образом начинают крутиться быстрее. У Земли, конечно, нет рук, чтобы столь же значительно перераспределять массу и влиять на свой момент инерции. Но если ее поверхность начала двигаться быстрее, значит, что-то другое начало вращаться медленнее. Можно было предположить, что такими руками планете служат полюса. Расстояние от центра планеты до полюсов примерно на 21 километр меньше, чем от центра до экватора. И если бы Земля еще сильнее сплюснулась (то есть увеличила эту разницу), она стала бы вращаться еще медленнее. Но нет, ученые не наблюдают заметных изменений этого параметра: эксцентриситет планеты никуда не меняется. И если дело не во влиянии атмосферы (колебания ее состояния происходят гораздо чаще), и не в изменении формы планеты, то искать причину колебаний остается только в недрах. Процессы в мантии можно было исключить сразу же — она состоит из вязкого вещества с плотностью, сопоставимой с плотностью стали, и изменения в ней занимают не десятки, а миллионы лет. А значит это что-то, связанное с ядром. И, конечно, первым кандидатом было дифференциальное вращение ядра и мантии. Полифония недр Но для того, чтобы всерьез говорить о разности скоростей вращения внутреннего ядра и мантии, косвенных свидетельств и рассуждений об их природе было мало. Нужны были доказательства — сейсмические. Одна из первых работ, в которой они были приведены, была опубликована в 1996 году. Ее авторы, Сяодун Сун (Xiaodong Song) и Пол Ричардс (Paul Richards) из университета Колумбии, пытались определить, не меняется ли со временем скорость прохождения сейсмических волн по одному маршруту, проходящему через внешнее и внутреннее ядро. Для этого нужно, чтобы сейсмостанция ловила волны с противоположного края планеты — которые по пути бы проходили и внешнее ядро, и внутреннее. Подходящей мишенью для этого оказались ядерные испытания — потому что координаты точки, где происходит ядерный взрыв, известны очень точно. Ученые изучили старые бумажные сейсмограммы с сейсмостанции в Антарктиде и посмотрели, менялась ли за все время наблюдений скорость сейсмических волн от ядерных испытаний СССР на Новой Земле (1955–1990 годы, 132 взрыва, из них 42 подземных). И действительно, на старых бумажных лентах было видно, что волны от ядерных взрывов за десять лет ускорялись примерно на 0,2 секунды. Тогда ученые добавили к ядерным сейсмограммам данные землетрясений: в районе Южных Сандвичевых островов, которые фиксировали сейсмостанции на Аляске, в Канаде и в Южной Америке, а также землетрясения в Чили, волны которых выходят на поверхность в Казахстане и на Курилах. И снова обнаружили заметное расхождение. Ученые на тот момент уже знали, что внутреннее ядро Земли анизотропно — то есть его структура такова, что сейсмические волны будут проходить через него в разных направлениях за разное время. Об этом говорили измерения 1980-х годов, которые показывали, что волны, которые двигались вдоль оси вращения планеты, распространялись быстрее остальных. Поэтому ускорение сейсмических волн, прошедших по тому же маршруту спустя десятилетие, могло означать только то, что свойства вещества на этом маршруте изменились. Иначе говоря, внутреннее ядро провернулось относительно мантии и литосферы, и сейсмические волны прошли, через другую его зону. Сяодун Сун и Пол Ричардс пришли к выводу, что внутреннее ядро вращается быстрее, чем кора и мантия, примерно на 1 градус в год. Контрапункт Теперь тот же Сяодун Сун, перебравшийся в университет Пекина, и его коллега И Ян (Yi Yang) проанализировали данные наблюдений с 1964 по 2021 год, чтобы уточнить, как менялась эта разница в скорости. Метод был тот же, что и в 1996-м: ученые взяли и сравнили между собой все записи волновых форм землетрясений из одного очага, за все годы наблюдений на одних и тех же сейсмостанциях. Конечно, во всех случаях нужно было ввести поправку на мантию и на механизмы очага — для этого использовались те волны, которые идут почти по той же траектории, но не попадают во внутреннее ядро. Сяодун Сун и И Ян сравнивали ряды данных, собранных сейсмостанциями на Аляске и в других регионах, используя интегральный показатель сходства. Они обнаружили, что если с конца 1970-х до 2009 года форма волн, проходивших через внутреннее ядро, менялась от года к году, то после 2009 года эта разница исчезает — то есть внутреннее ядро и мантия теперь вращаются, по-видимому, синхронно. Возможно, эта аномалия периодична — и мы имеем дело с колебательным процессом, который занимает 60-70 лет. То есть в период с конца 1970 годов до конца 2000-х ядро вращалось то быстрее мантии, то медленнее, а после 2009 года они синхронизировались. Причем наиболее старые данные, имеющиеся в нашем распоряжении, относятся к периоду 60-х — 70-х годов XX века — и их анализ позволяет предположить, что тогда вращение внутреннего ядра и мантии тоже было синхронным. То есть ничего принципиально нового прямо сейчас не происходит: напротив, китайским ученым удалось показать, что изменения в дифференциальном вращении внутреннего ядра и мантии земли происходили где-то около 40 лет. Причем длительность этой аномалии укладывается в цикл колебаний продолжительности дня — он тоже занимает 60-70 лет. То есть ядро у нас постепенно ускорялось, а поверхность планеты замедлялась, и полный момент оставался неизменным. Возможно, через некоторое время ядро начнет отставать от мантии или наоборот, начнет ускоряться — для этого нужно проследить весь цикл.
