Серия «Система Земли»

Глядя на горы, кажется, что эти структуры будто застыли во времени: стоят себе неизменно с незапамятных времен, "царапают" небеса, переживают рассветы и падения империй и будто бы вообще не меняются. Но это лишь вопрос масштаба: для Земли горы — живые структуры, которые могут расти, трескаться, разрушаться, проседать и снова подниматься.

Так что да, многие горы все еще растут и будут расти. Однако происходит это не так, как растет дерево или человек. Горы тянутся ввысь благодаря движению тектонических плит. Когда огромные участки земной коры сталкиваются, одна плита начинает давить на другую, приводя к сминанию, разломам и подъему пород. Это постепенно и ведет к формированию горной системы.

Ярчайший пример — Гималаи. Эта высочайшая горная система Земли является продуктом столкновения Евразийской и Индийской плит. И это столкновение продолжается по сей день: Индийская плита движется на север со скоростью около пяти сантиметров в год, поэтому регион Гималаев все еще испытывает мощное сжатие и подъем пород. В геологическом масштабе это очень молодые горы, которые продолжают расти. Их возраст оценивается в 40-55 миллионов лет.

Но важно понимать разницу между ростом горной системы и ростом конкретной вершины.

Горная область может подниматься, но при этом отдельная вершина не обязательно становится выше. Связано это с механизмами естественного разрушения: ветер, ледники, реки, грунтовые воды, дожди, сезонные перепады температур и обвалы. Кроме того, росту вершин мешают и землетрясения, которые могут приводить не только к подъему участков земной коры, но и к разрушению склонов, меняя высоту горы за считанные минуты.

Получается такая своеобразная борьба. С одной стороны, тектоника поднимает горы вверх, а с другой — эрозия разрезает их долинами, уносит породы вниз и сглаживает острые пики. Поэтому высота гор — это результат нескончаемого перетягивания каната между этими силами.

Именно поэтому молодые горы обычно высокие и с заостренными вершинами, так как эрозия еще не успела сделать свое дело. Кроме того, они продолжают расти за счет запаса тектонической энергии, как Гималаи. Старые же горы обычно ниже и "мягче" по рельефу. Например, Уральские горы когда-то были гораздо выше, но за сотни миллионов лет их сильно "потрепала" эрозия. Сегодня они представляют собой древнюю горную систему возрастом около 350–420 миллионов лет, которая уже практически не растет.

Так что горы кажутся застывшими декорациями на лике нашей планеты только потому, что человеческий век слишком короток. Их жизненный цикл измеряется сотнями миллионов лет. И если смотреть на горы в масштабе Земли, то они продолжают неустанно эволюционировать: одни растут, другие разрушаются, третьи медленно превращаются в холмы.

На обратной стороне Луны есть место, представляющее собой след одной из самых мощных катастроф в истории Солнечной системы. Речь о бассейне Южный полюс — Эйткен, огромной ударной структуре с диаметром около 2 500 километров.

Проще говоря, бассейн является продуктом столкновения Луны с крупным небесным телом. Но самое интересное — не поверхностный "шрам", а то, что скрыто под ним.

В 2019 году под бассейном Южный полюс — Эйткен была выявлена огромная массовая аномалия. То есть участок недр, где вещества больше или оно плотнее, чем в среднем по земному спутнику.

Открытие было сделано на основе данных миссии NASA GRAIL, в ходе которой два аппарата летали вокруг Луны один за другим и с беспрецедентной точностью измеряли расстояние между собой. Когда они проходили над областью с чуть более сильным притяжением, их движение менялось, и по этим крошечным отклонениям ученые составили гравитационную карту Луны.

Но чтобы карта была максимально достоверной, одной гравитации мало. Нужно еще учитывать рельеф: где горы и где впадины, где толстая, а где тонкая кора. Поэтому данные GRAIL были сопоставлены с топографическими данными Луны, собранными орбитальным аппаратом NASA Lunar Reconnaissance Orbiter. И вот тут появилась странность: под гигантским бассейном скрывается огромная масса, которую нельзя объяснить только формой поверхности.

Оценка получилась впечатляющей: минимум около 2,18 × 10^18 килограмма. Это в несколько раз больше массы крупнейшего острова Гавайского архипелага. То есть перед нами масса планетарного масштаба, сосредоточенная в локальной структуре и, судя по моделям, находящаяся на глубине более 300 километров.

Одно из самых интригующих и при этом наиболее аргументированных объяснний гласит, что под обратной стороной Луны находится металлическое вещество древнего ударника — того самого тела, которое миллиарды лет назад врезалось в Луну и сформировало бассейн Южный полюс — Эйткен.

Если ударник был богат металлом, то часть его плотного вещества могла не испариться и не разлететься на мелкие фрагменты, а уйти глубоко в лунную мантию. По сути, внутри Луны может находиться остаток небесного тела.

Но это не значит, что под бассейном Южный полюс — Эйткен покоится цельная металлическая глыба, которую можно просто выкопать. После такого столкновения вещество ударника и лунные породы должны были расплавиться, перемешаться и частично уйти в глубину.

Есть и другая версия.

Массовая аномалия может оказаться не остатком ударного тела, а плотными породами и оксидами, связанными с эволюцией самой Луны. На заре Солнечной системы, когда молодой спутник Земли был горячим и частично расплавленным, его внутренние слои постепенно разделялись по плотности. Более тяжелые вещества погружались в недра — поэтому у планет и формируются металлические ядра. Но так как Луна остывала быстрее, избыточная масса могла застрять на пути к центру.

Именно поэтому находка так интересна. Она не дает простого ответа, но в очередной раз напоминает, что ближайшее к нам небесное тело хранит загадки, над решением которых будет биться еще не одно поколение ученых.

Наука — это увлекательнейшее путешествие из пункта "вопрос" в пункт "ответ".

Солнце кажется символом абсолютного, запредельного жара. На него невозможно долго смотреть без защиты, его свет нагревает планеты и поддерживает жизнь на Земле, а внутри него уже около 4,6 миллиарда лет непрерывно идут термоядерные реакции.

Поэтому фраза "ядро Земли горячее поверхности Солнца" может показаться ошибочной.

Однако ошибки тут нет.

Видимая поверхность Солнца — фотосфера — имеет температуру около 5 500 °C. А температура в центре Земли составляет примерно 6 000 °C. То есть самые глубокие области нашей планеты действительно горячее солнечной поверхности.

Ключевое слово здесь — "поверхность". Солнце не одинаково горячее во всех слоях. Его фотосфера — это лишь внешняя видимая оболочка, и она относительно "холодная". А вот в солнечном ядре температура достигает 15 миллионов градусов, что не идет ни в какое сравнение с температурой ядра нашей планеты.

И все же вопрос, озвученный в заголовке, остается интересным. Объем Земли примерно в 1,3 миллиона раз меньше объема Солнца — так откуда у небольшой каменной планеты в центре такая температура?

Часть тепла Земля хранит с момента своего рождения. Около 4,54 миллиарда лет назад наша планета начала формироваться из пыли, слипшихся фрагментов и обломков планетезималей, которым повезло меньше, чем будущей Земле. Столкновения в процессе формирования были чудовищными: энергия ударов превращалась в тепло, а молодая Земля постепенно разогревалась.

Позже тяжелые вещества, прежде всего железо и никель, начали опускаться к центру планеты. Так формировалось металлическое ядро. Этот процесс тоже выделял энергию и сделал внутренние области Земли еще горячее.

Но древнее тепло — не единственный источник. В недрах планеты продолжают распадаться радиоактивные элементы, такие как уран, торий и калий. Их распад сопровождается высвобождением энергии, которая пополняет тепловой запас земных глубин.

При этом наша планета, разумеется, остывает, но делает это очень неохотно: тысячи километров горных пород работают как мега-эффективная теплоизоляция. Солнечная система прекратит свое существование раньше, чем недра нашей планеты остынут до хоть сколько-нибудь ощутимых значений.

Не менее интересен и тот факт, что внутреннее ядро Земли остается твердым. На первый взгляд это странно: температура огромная, железо должно плавиться. Но на глубине более 5 000 километров давление достигает миллионов атмосфер. Оно настолько сильно сжимает атомы железа, что им трудно свободно смещаться относительно друг друга. А плавление — это как раз переход в состояние, при котором атомы могут двигаться гораздо свободнее. При таком давлении для плавления нужна намного более высокая температура, поэтому внутреннее ядро остается твердым даже при экстремальном нагреве.

Выше находится внешнее ядро — оно жидкое. Здесь давление ниже, чем во внутреннем ядре, поэтому железо-никелевый расплав сохраняет подвижность. Движение этой проводящей жидкости участвует в создании магнитного поля Земли.

Раскаленное ядро — не странный пережиток прошлого, а "сердце" всей планеты. Оно хранит тепло древней Земли, поддерживает внутреннюю динамику и помогает создавать магнитный щит, без которого на нашей планете никогда не было бы всего того разнообразия флоры и фауны, что мы наблюдаем сегодня.

Предвкушая заявления "экспертов во всех областях науки" о том, что есть только Кольская сверхглубокая и никто глубже 12 километров не был, заранее отвечаю: температуру земного ядра ученые определяют косвенными методами.

Они изучают, как сейсмические волны от землетрясений — а в прошлом и от подземных ядерных испытаний — проходят сквозь планету. Скорость этих волн меняется в зависимости от плотности, температуры и состояния вещества. По этим изменениям можно понять, что происходит в глубинах Земли. Для подтверждения оценок используют и экспериментальный способ: ученые берут железо и никель, сжимают их до давлений, сопоставимых с давлением в земном ядре, и нагревают, чтобы определить, при какой температуре металл начинает плавиться.

Так оценки температуры ядра опираются не на фантазии, а на сейсмологию и физику вещества в экстремальных условиях.

Хотите больше науки в вашей жизни? Тогда приглашаю вас в мои каналы — новый материал выходит каждые четыре часа:

▪ VK: https://vk.com/thespaceway

▪ Telegram: https://t.me/thespaceway

Внутри нашей планеты могут скрываться фрагменты другого мира. И хотя это звучит как фантастика, за этой идеей стоит вполне серьезная научная гипотеза.

Речь идет о Тейе — гипотетической протопланете размером примерно с Марс. Согласно общепринятой версии, около 4,5 миллиарда лет назад она столкнулась с протоземлей — Землей на очень ранней стадии развития. Удар был настолько мощным, что часть вещества оказалась выброшена на орбиту, а затем из этих обломков сформировалась Луна.

Но возникает важный вопрос: если Тейя действительно столкнулась с Землей, куда делась основная часть ее вещества? В конце концов, Луна почти вдвое меньше Марса.

Две гигантские аномалии в глубине Земли

Геофизики давно знают, что в нижней мантии Земли есть две огромные аномальные области. Одна находится под Африкой, другая — под Тихим океаном. Их называют крупными областями с низкой скоростью сдвиговых волн — LLSVP (от англ. Large Low-Shear-Velocity Provinces).

LLSVP представляют собой гигантские скопления вещества у границы внешнего ядра и мантии, залегающие на глубине около 2 900 километров под поверхностью. Через эти области сейсмические волны проходят заметно медленнее, чем через окружающую мантию, поэтому ученые видят их косвенно — по данным землетрясений.

Поскольку сейсмографы размещены в разных уголках планеты и работают непрерывно, накопленные данные позволяют визуализировать то, что скрыто от прямого наблюдения, — этакий "рентген" планетарного масштаба. По оценкам, общий объем LLSVP составляет около 6% от объема всей Земли.

Следы Тейи под нашими ногами

В 2023 году международная команда исследователей предложила любопытное объяснение: эти глубинные аномалии могут быть остатками вещества Тейи — той самой протопланеты, столкновение с которой привело к формированию Луны.

Моделирование показало: если мантия Тейи была немного плотнее мантии протоземли и богаче железом, часть ее вещества после столкновения могла не перемешаться полностью с земной мантией. Вместо этого она погрузилась глубже и со временем оказалась у границы ядра и мантии — там, где сегодня находятся LLSVP. Авторы исследования прямо называют эти структуры возможными "погребенными реликтами" вещества Тейи, сохранившимися после гигантского удара.

Эта гипотеза прекрасна тем, что связывает сразу две загадки: происхождение Луны и существование гигантских структур в недрах Земли. Если она подтвердится, наш естественный спутник окажется не единственным следом древнего столкновения. Второй след может находиться глубоко под нашими ногами.

Почему это не вольная фантазия

Уже предвижу диванно-экспертную реакцию в духе: "Есть только Кольская сверхглубокая скважина", "никто не знает, что глубже 12 километров", "все это просто догадки", "никто этого своими глазами не видел" и так далее.

Но для того, чтобы обнаружить заболевание внутренних органов, человека не вскрывают на операционном столе в рамках диагностики. Врачи используют УЗИ, МРТ, КТ, анализы и другие методы, позволяющие увидеть то, что скрыто внутри тела. Исследование недр Земли с помощью современной сейсмологии, геодинамического моделирования и сравнительного анализа работает похожим образом — только в планетарном масштабе.

Существование LLSVP — факт. А вот их происхождение — не доказанная истина, а сильная научная модель.

Если авторы исследования правы, наша планета окажется не просто телом, пережившим древнее столкновение, а миром, внутри которого до сих пор хранятся фрагменты погибшей протопланеты.

И если однажды у нас появятся технологии для получения образцов этих фрагментов, мы сможем лучше понять не только процесс формирования Луны, но и то, как гигантские столкновения влияли на внутреннее строение планет Солнечной системы, определяя их дальнейший эволюционный путь.

Возможно, именно такие события, которые сегодня мы бы сочли катастрофическими, играли важную роль в создании обитаемых миров, обеспечивая их колоссальным запасом энергии.

Хотите больше науки в вашей жизни? Тогда приглашаю вас в мои каналы — новый материал выходит каждые четыре часа:

▪ VK: https://vk.com/thespaceway

▪ Telegram: https://t.me/thespaceway

9 февраля 1971 года экипаж "Аполлона-14" доставил на Землю один из самых известных лунных образцов — камень, прозванный "Большая Берта" и зарегистрированный в каталоге под номером 14321. Его нашли 6 февраля 1971 года во время второй внекорабельной активности у кратера Конус (англ. Cone).

"Большая Берта" — это почти 9-килограммовая брекчия: горная порода, сложенная из угловатых обломков, сцементированных вместе. Такие породы могут образовываться в результате осадочных, вулканических, тектонических или ударных процессов.

Долгое время "Большую Берту" считали просто интересным лунным образцом, но, как и многие другие находки программы "Аполлон", берегли до лучших времен — когда появятся более совершенные методы анализа, способные извлечь новые данные.

Но в 2019 году команда ученых изучила один светлый мелкозернистый фрагмент внутри "Большой Берты" и обнаружила в нем циркон, кварц и другие признаки гранитоподобной породы. Возраст циркона оценили примерно в четыре миллиарда лет, а его химический состав оказался гораздо ближе к породам, сформированным в земной коре, чем к типичным лунным образцам.

Это позволяет предположить, что "Большая Берта" может быть не просто лунным камнем, а обломком ранней Земли, выбитым в космос мощным астероидным ударом. Оказавшись на спутнике, он мог пережить новые удары, оказаться погребенным в лунной породе, а затем вновь выйти на поверхность в результате очередного ударного события — там его в итоге и нашли астронавты "Аполлона-14".

В ранней Солнечной системе разрушительные ударные события были распространенным явлением. Поэтому в межпланетном пространстве могло оказаться огромное количество фрагментов Земли, часть которых в итоге попала на Луну. А поскольку на Луне нет дождей, рек, океанов, тектоники плит и активной эрозии, она способна сохранять древние обломки нашей планеты лучше, чем сама Земля.

И тут возникает крайне интересный вопрос: если земные камни действительно попадали на Луну, могли ли вместе с ними туда попасть следы древней жизни?

Теоретически — да. Удар мог выбить с Земли не только минералы, но и органические молекулы, микроскопические включения, а если жизнь к тому времени уже существовала — возможно, и фрагменты биологического материала. Поэтому Луна может быть чем-то вроде естественного архива ранней Земли. Древние живые организмы мы там, конечно, не найдем, но теоретически можем обнаружить химические и минеральные следы древней биосферы.

И тут возникает второй, не менее интересный вопрос: можно ли найти ДНК древней жизни на Луне и воскресить ее?

Это маловероятно. ДНК — молекула очень хрупкая. В земных "тепличных" условиях ДНК достаточно быстро — в геологических масштабах — распадается, а самые древние надежно прочитанные образцы измеряются миллионами лет, но никак не миллиардами.

Лунная поверхность, которая по сей день подвержена постоянным ударным воздействиям, тоже не похожа на идеальное хранилище для генетического кода. Там вакуум, жесткая радиация и резкие перепады температур. Эксперименты показывают, что некоторые микроорганизмы и отдельные клетки могут переживать космическую среду в течение нескольких лет, особенно если надежно защищены с помощью современных материалов. Но это, определенно, не те временные рамки, о которых идет речь.

Так что интрига не в том, что на Луне можно найти сохранившуюся ДНК древнего земного обитателя и воскресить его, а в том, что на нашем естественном спутнике могут храниться многочисленные разновозрастные обломки Земли из эпох, от которых на самой Земле не осталось ни следа. В них могут сохраниться минералы, изотопные следы, органика и химические признаки условий, в которых зарождалась и эволюционировала земная жизнь.

Хотите больше науки в вашей жизни? Тогда приглашаю вас в мои каналы — новый материал выходит каждые четыре часа:

▪ VK: https://vk.com/thespaceway

▪ Telegram: https://t.me/thespaceway

12 декабря 1972 года астронавты миссии "Аполлон-17" Харрисон Шмитт и Юджин Сернан работали в районе лунного кратера Шорти, когда Шмитт внезапно остановился и воскликнул:

"Я вижу оранжевый грунт!"

Это событие стало одной из самых громких геологических находок всей программы "Аполлон" и дало начало научной дискуссии, которая продолжается до сих пор.

"Откровенно говоря, когда Джек [Харрисон Шмитт] сказал, что видит оранжевый грунт, я начал задаваться вопросом, не сказалось ли на нем длительное пребывание на Луне. Однако потом я увидел все сам", — вспоминал Юджин Сернан.

Оранжево-коричневый цвет грунта на фоне серого ландшафта настолько выбивался из привычной картины лунного пейзажа, что Шмитт — единственный профессиональный геолог среди астронавтов программы "Аполлон" — сразу понял: перед ними нечто исключительное. Он предположил, что астронавты обнаружили следы вулканической активности, и если бы она оказалась относительно недавней по геологическим меркам, это означало бы, что Луна не полностью мертвый мир.

Образцы оранжевого грунта собрали, упаковали и доставили на Землю. Первые исследования показали, что это не типичная лунная пыль, а масса микроскопических стеклянных шариков и их обломков — пирокластический материал, выброшенный на поверхность во время древних взрывных извержений. Это подтвердило предположение Шмитта о том, что вулканизм действительно имел место, но не в недавнем прошлом, а около 3,6 миллиарда лет назад, когда Луна еще сохраняла заметную геологическую активность.

Специфический цвет оранжевого грунта был связан с присутствием железа и титана. Шарики же по сути представляют собой капли лунной магмы, выброшенные в ходе фонтанирующих извержений, застывшие и осевшие на поверхность подобно вулканическому пеплу в безвоздушной среде.

Однако настоящий сюрприз ждал ученых десятилетия спустя. В 2008 году, когда в их распоряжении появились более совершенные инструменты, вулканическое стекло изучили более чувствительными методами. В итоге внутри частиц обнаружили следы летучих компонентов, включая гидроксильные группы и молекулярную воду, "впечатанные" в структуре стекла.

Это открытие стало одним из самых сильных ударов по старому представлению о Луне как о полностью "сухом" мире. Исследования показали, что содержание воды в источнике этих магм могло составлять от 260 до 745 частей на миллион — величину, сопоставимую с некоторыми земными базальтовыми магмами.

Позднейшие исследования показали, что значительная часть лунной воды имеет "земное происхождение". Это говорит о том, что вода изначально присутствовала в веществе, из которого сформировались и Земля, и Луна. Кроме того, данное открытие является весомым аргументом в пользу гипотезы ударного формирования Луны, предполагающей, что около 4,5 миллиарда лет назад протоземля столкнулась по касательной с протопланетой, примерно вдвое меньшей ее. И, что особенно интересно, это катастрофическое столкновение не испарило всю воду — часть ее сохранилась в глубинах спутника.

Обнаружение оранжевого грунта — один из тех случаев, когда случайное наблюдение приводит к последствиям, которые невозможно было предсказать заранее. Астронавты увидели необычный цвет и зафиксировали его. Затем собрали образцы и доставили их на Землю. После этого исследователи первого поколения поняли природу материала. Ученые следующих поколений, вооруженные уже совсем другими технологиями, извлекли из тех же образцов новую информацию, изменившую представления о внутреннем строении Луны и истории ее формирования.

Так работает наука. И это — прекрасно.

Сегодня оранжевый грунт "Аполлона-17" остается одним из самых ценных лунных материалов на Земле. Эти крошечные стеклянные шарики позволили заглянуть в далекое прошлое Луны, лучше понять формирование системы Земля-Луна и показали, что когда-то на нашем естественном спутнике действовали вулканы, а в его недрах до сих пор сохраняются летучие вещества — немые свидетели катастрофических событий ранней истории.

Хотите больше науки в вашей жизни? Тогда приглашаю вас в мои каналы — новый материал выходит каждые четыре часа:

▪ VK: https://vk.com/thespaceway

▪ Telegram: https://t.me/thespaceway

В ходе пилотируемой миссии NASA "Артемида-2" был сделан впечатляющий снимок лунного затмения, который озадачил многих. Все дело в том, что темный диск Луны усеян множеством ярких точек, создающих впечатление, будто на ее поверхности горят огни — если не целых городов, то как минимум баз постоянного присутствия людей. Но все куда прозаичнее.

На самом деле эти светящиеся точки — не реальные источники света на Луне. Это так называемые горячие пиксели — артефакты, возникающие на матрице цифровой камеры. Чтобы получить качественный снимок затмения в условиях крайне низкой освещенности, камеру настроили на высокую светочувствительность. Большое значение параметра ISO, определяющего чувствительность сенсора к свету, позволило запечатлеть детали в темноте, но одновременно усилило цифровой шум — случайные светлые точки, появляющиеся на изображении.

Однако в космосе на фотосъемку влияет еще один фактор, с которым люди на Земле почти не сталкиваются, — космические лучи. Это потоки высокоэнергетических частиц, главным образом протонов и ядер атомов, которые непрерывно пронизывают космическое пространство. Часть из них приходит от Солнца, часть рождается при вспышках сверхновых и других мощных процессах далеко за пределами Солнечной системы. Пройдя через корпус космического корабля "Орион" и матрицу камеры, они оставили энергетические следы на сенсоре. Каждый такой след выглядит как яркая точка на снимке.

Для аппаратуры это в основном источник незначительных помех и редких сбоев, а для человека при длительном воздействии — серьезный фактор риска: космическое излучение повреждает клетки и ДНК, повышает вероятность рака, катаракты и может приводить к нарушениям в работе нервной и сердечно-сосудистой систем. Кстати, фантазеры, рассуждающие о колониях на Луне, Марсе и у черта на куличках, почему-то этот фактор обходят стороной.

Мы, живя на Земле, защищены от большей части космических лучей благодаря плотной атмосфере и магнитосфере. Поэтому астрофотографы с подобной проблемой почти не сталкиваются. Но в открытом космосе высокоэнергетические частицы воздействуют на аппаратуру гораздо сильнее. Чем дольше выдержка и выше светочувствительность камеры, тем заметнее этот эффект. Именно поэтому на снимке затмения от "Артемиды-2" оказалось так много ложных световых точек.

Таким образом, этот кадр, несмотря на всю его эстетическую привлекательность, служит важным напоминанием о том, насколько суровы и опасны условия за пределами нашей родной планеты.