У землетрясений, по крайней мере, теоретически не бывает верхней границы. И нижней, впрочем, тоже. Шкала просто служит мерой силы, но ничего не говорит о разрушениях. Землетрясение магнитудой 7 баллов глубоко в земной мантии, скажем, на глубине 650 км, возможно, не причинит никаких разрушений на поверхности, тогда как значительно более слабое, но на глубине 6–7 км может вызвать огромные разрушения. Многое также зависит от характера залегания пород, продолжительности землетрясения, частоты и серьезности толчков, следующих за главным толчком, и от физического состояния пораженной землетрясением территории. Из всего этого вытекает, что самыми страшными не обязательно бывают самые сильные землетрясения, хотя сила, несомненно, значит очень много.
Звание крупнейшего после создания шкалы оспаривают землетрясение, случившееся в марте 1964 года в заливе Принца Уильяма на Аляске, которое оценивали магнитудой 9,2 балла, и то, что произошло в 1960 году в Тихом океане у побережья Чили, которому первоначально приписали магнитуду 8,6 балла, но позднее некоторые авторитетные органы (включая Геологическую службу США) пересмотрели ее в сторону повышения до небывалой величины в 9,5 балла.
Нужно иметь в виду, что измерение землетрясений не всегда отличается точностью, особенно когда приходится оценивать данные, полученные из отдаленных мест. Во всяком случае, оба землетрясения были чудовищными. Землетрясение 1960 года не только произвело обширные разрушения вдоль всего южноамериканского побережья, но и вызвало гигантскую волну цунами, которая прокатилась почти 10 тыс. миль по Тихому океану и смыла городок Хило на Гавайских островах: там было уничтожено более 500 зданий и погибло более 60 человек. Еще больше жертв унесли волны в Японии и на Филиппинах.
Однако самым разрушительным за весь период письменной истории было землетрясение, полностью разрушившее столицу Португалии 1 ноября 1755 года - в день всех святых. Около десяти часов утра Лиссабон потряс косой удар силой 9 баллов; жуткая тряска продолжалась семь минут. Сила толчков была такова, что вода отхлынула из порта и вернулась волной высотой более 15 м, еще больше усугубив разрушения. Когда наконец колебания прекратились, оставшиеся в живых получили всего три минуты покоя, после чего последовал второй удар, лишь чуть слабее предыдущего. В итоге погибло не 60, а 60 тыс. человек (!), и были разрушены практически все здания на много миль вокруг. Для сравнения: землетрясение 1906 года в Сан-Франциско, которое оценивается по шкале Рихтера в 7,8 балла, продолжалось менее тридцати секунд.
Землетрясения - явления довольно обычные. Ежедневно где-нибудь в мире происходит пара землетрясений силой в 2 балла и больше - достаточных, чтобы находящиеся поблизости люди это почувствовали. Хотя землетрясения имеют тенденцию группироваться в определенных местах - особенно в поясе, окружающем Тихий океан, - они случаются почти всюду. Самым распространенным типом землетрясений является возникающее в месте встречи двух тектонических плит. По мере того как плиты напирают друг на друга, давление нарастает. Вообще говоря, чем дольше интервал между землетрясениями, тем сильнее сдерживаемое давление и тем больше вероятность, что встряска будет действительно сильной.
Особая причина для беспокойства есть у Токио. "Город, ожидающий гибели", - так выразился по поводу японской столицы один сейсмолог. Токио стоит на стыке трех тектонических плит, к тому же в стране, уже известной своей сейсмической нестабильностью. В 1995 году город Кобэ, находящийся почти в 500 км к востоку от столицы, поразило землетрясение силой 7,2 балла. Тогда погибло 6394 человека, а ущерб оценивался в 99 млрд долларов. Но это почти ничто по сравнению с тем, чего можно ожидать в Токио. И ведь этот город уже пострадал от одного из самых разрушительных землетрясений нашего времени. 1 сентября 1923 года перед полуднем город подвергся землетрясению, более чем в десять раз превосходившему землетрясение в Кобэ. Погибло 200 тыс. человек. С тех пор в Токио наблюдается смешанное со страхом спокойствие; а давление плит под поверхностью уже 80 лет нарастает. В конечном счете оно обязательно вырвется наружу. В 1923 году население Токио составляло около 3 млн человек. Сегодня это 30 млн. Никто не строит прогнозы, сколько людей может погибнуть, но оценка возможных экономических потерь достигает 7-10 трлн долларов.
Еще более тревожные из-за своей необъяснимости сигналы подают редкие толчки, известные как внутриплитные землетрясения. Они происходят далеко от краев плит, что делает их совершенно непрогнозируемыми. Поскольку они зарождаются на куда более значительной глубине, им свойственно распространяться на более обширные области. Такое землетрясение произошло зимой 1811–1812 годов в маленьком американском городке Нью-Мадриде, штат Миссури. Около полуночи 16 декабря людей разбудил рев напуганного до смерти скота (известно и научно подтверждено, что животные чувствуют приближение землетрясения, хотя все еще неизвестно, почему). Затем из недр земли раздался могучий, разрывающий душу гул. Выбегавшие из домов обитатели городка увидели, как земля перекатывается метровыми волнами, обнажая трещины в несколько метров глубиной. Воздух наполнился едким запахом серы. Все это продолжалось четыре минуты, вызывая разрушения. Землетрясение распространялось так активно, что разрушило дымовые трубы в Цинциннати на расстоянии 600 км, повредило суда в гаванях восточного побережья США и даже повалило строительные леса вокруг Капитолия в Вашингтоне. 23 января и 4 февраля последовали дальнейшие землетрясения сравнимой силы. С тех пор в Нью-Мадриде жители спят спокойно - просто потому, что такого рода эпизоды никогда не повторяются в одном и том же месте. Но, с другой стороны, такой толчок непредсказуем, как удар молнии. У специалистов нет никаких предположений, что служит причиной этих огромных разрывов в середине плит. Что-то происходит в недрах Земли - и больше мы сказать не можем! Что ж, выглядит очень по-человечески. Мы не знаем, что происходит и какие тайны скрыты в подвале нашего собственного дома…
Под землей
Итак, мы все-таки отваживаемся, берем светильник и спускаемся в наш подвал. Под землю. То есть, "под Землю". В целом ученые согласны, что подземный, теургический мир под нами состоит из четырех слоев: твердой внешней коры, мантии из горячей вязкой породы, жидкого внешнего ядра и твердого внутреннего ядра. Приблизительные размеры разных слоев таковы. От 0 до 40 км вглубь планеты - земная кора. От 40 до 400 км - верхняя мантия. От 400 до 650 км - промежуточная зона между верхней и нижней мантиями. От 650 до 2700 км - нижняя мантия. От 2700 до 2890 км - "слой D". От 2890 до 5150 км - внешнее ядро, а от 5150 до 6370 км - внутреннее ядро. Снаружи - более легкие слои. Внутри - более тяжелое вещество. Известно, что для образования нашего магнитного поля где-то внутри должен существовать плотный пояс металлических элементов, который находится в жидком состоянии. Это то, что общепризнано. Но то, как взаимодействуют слои, что определяет их поведение, как они поведут себя в будущем - совершенно неясно. Даже видимая нами часть земного шара - кора, и та является даже по сию пору предметом жарких споров. Во всех исследованиях по геологии отмечается, что земная кора достигает от 5 до 10 км под океанами, около 40 км под материками и 65–95 км под крупными горными цепями. Но дело в том, что в рамках этих обобщенных данных наблюдается множество озадачивающих отклонений.
Как и когда Земля сформировала свою кору - вопрос, разделяющий геологов на два больших лагеря: на тех, кто считает, что это произошло быстро, в начале истории Земли, и тех, кто считает, что это происходило постепенно и несколько позднее. Кора и часть наружной мантии вместе называются литосферой (от греч. "камень"), и она плавает на слое более мягкой породы, называемом астеносферой (от греч. "лишенный силы"). Подобные термины никогда полностью не отвечают смыслу. Неправильно, к примеру, представлять горные породы мягкими и текучими, наподобие жидкостей на поверхности. Горные породы являются текучими, но лишь в том смысле, в каком текуче стекло. Этого, может быть, не видно глазом, но все стекло на Земле под неослабным влиянием силы тяжести стекает книзу. Выньте из рамы очень старое стекло в окне готического собора и вы обнаружите, что оно заметно толще внизу, чем вверху. Часовая стрелка движется в 10 тыс. раз быстрее "текучих" пород мантии. Движения происходят не только по горизонтали, как перемещаются земные плиты по поверхности, но также вверх и вниз, как поднимаются и опускаются горные породы в вихревом процессе, известном как конвекция.
В 70-х годах прошлого века эти факты произвели настоящий фурор в геологической науке. Ученые пришли в замешательство, определив, что внутри Земли происходят бурные, беспорядочные процессы. "Было похоже на то, - сравнивает один геолог, - будто ученые десятки лет изучали земную атмосферу - тропосферу, стратосферу и так далее, - а потом вдруг узнали о ветре". С тех пор не утихают споры вокруг того, какой глубины достигает процесс конвекции. Одни полагают, что он начинается на глубине 650 км, другие - что глубже 3 тыс. км. Геохимики говорят, что некоторые элементы не могут попасть на поверхность планеты из верхней мантии, а должны подняться из более глубоких недр Земли. Поэтому вещества верхней и нижней мантий должны, по крайней мере, периодически смешиваться. Сейсмологи же говорят, что этот тезис не находит подтверждений.
Итак, можно лишь утверждать, что, двигаясь к центру Земли, в какой-то не совсем определенный момент мы покидаем астеносферу и погружаемся в чистую мантию. Мантия составляет 82 % объема Земли и 65 % ее массы, но она не удостаивается излишнего внимания ученых, главным образом потому, что их интерес лежит либо гораздо глубже (как в случае с магнетизмом), либо ближе к поверхности (землетрясения). Известно, что до глубины примерно 150 км в составе мантии преобладает горная порода перидотит, но чем заполнены остальные 2650 км, точно не известно.
Температура в центре Земли может составлять до 7500 °C. Это выше, чем температура на поверхности Солнца. Давление там достигает 3,6 млн атмосфер и полностью отсутствует гравитация.
По мере продвижения в глубину недр туман нашего незнания становится практически непроглядным. Ниже мантии находятся два ядра - твердое внутреннее и жидкое внешнее. Наши представления о природе этих ядер носят косвенный и опосредованный характер, однако ученые способны сделать некоторые обоснованные предположения. Им известно, что давление в центре Земли очень-очень высоко - в несколько миллионов раз больше, чем на поверхности. Этого вполне достаточно, чтобы стиснуть любую породу до отвердения. Из истории Земли (а также по косвенным признакам) известно, что внутреннее ядро очень хорошо держит тепло. Хотя это лишь чуть более чем предположение, считается, что за 4 млрд лет температура ядра упала не больше чем на 110 °C. Никто точно знает, насколько горячим является ядро Земли, но оценки колеблются от 4000 до более 7000 °C - это почти такой же жар, как на поверхности Солнца. Внешнее ядро во многих отношениях изучено еще меньше, хотя все сходятся во мнении, что оно жидкое и что там находится источник магнетизма.
В 1949 году появилась гипотеза, согласно которой эта жидкая часть земного ядра вращается таким образом, что, по существу, превращает его в электродвигатель, создающий магнитное поле Земли. Предполагается, что конвекционные потоки жидкости внутри Земли создают эффект наподобие тока в проводах. Что именно происходит - неизвестно, но довольно определенно полагают, что это связано с вращением ядра и с тем фактом, что оно жидкое. Тела, не имеющие жидкого ядра, например Луна и Марс, магнетизмом не обладают. Известно, что напряженность магнитного поля Земли время от времени меняется: в эпоху динозавров она была втрое выше, чем теперь. Также известно, что в среднем примерно каждые 500 тыс. лет оно меняет полярность, хотя за этим средним скрывается чудовищная степень непредсказуемости. Последняя перемена имела место около 750 тыс. лет назад. Иногда полярность остается неизменной миллионы лет - похоже, самый продолжительный промежуток составлял 37 млн лет, - а в другое время полярность менялась всего через 20 тыс. лет. Всего за последние 100 млн лет она менялась около 200 раз, и у нас нет никакого представления почему. Факт этот назван "самым большим остающимся без ответа вопросом в геофизической науке".
Возможно, как раз в наши дни происходит смена полярности. Магнитное поле только за последнее столетие ослабло примерно на 6 %. Всякое ослабление магнетизма, скорее всего, плохая новость, потому что магнетизм, кроме крепления записок к холодильникам и надежной работы компасов, играет важнейшую роль в поддержании нашей жизни. Во Вселенной полно опасных космических лучей, которые, не будь магнитной защиты, пронзали бы наши тела, превращая большинство наших ДНК в негодные лоскутья. Когда действует магнитное поле, эти лучи надежно отгоняются от поверхности Земли и собираются в стадо в двух зонах околоземного пространства, названных поясами Ван Аллена. Они также взаимодействуют с частицами в верхних слоях атмосферы, создавая удивительные световые эффекты - то, что называется полярными сияниями.
И все-таки они движутся!
Во Вторую мировую войну геолог из Принстонского университета Гарри Хесс был направлен на военно-транспортный корабль США "Кейп Джонсон". На борту был новый сложный эхолот, предназначенный для облегчения прибрежного маневрирования при десантных операциях. Но Хесс не выключал его никогда, даже в открытом море и в пылу сражения. Он стал использовать аппарат в научных целях и скоро получил впечатляющий результат, обнаружив совершенно неожиданную вещь. Если ложе океана, как все полагали, очень древнее, то оно должно быть покрыто толстым слоем осадочных пород, как дно рек и озер илом. Однако измерения показали, что ложе океана - это что угодно, только не сглаженная мягкая поверхность из древних илистых отложений. Оно всюду изрезано глубокими ущельями, впадинами и трещинами, усеяно подводными вулканическими плоскими горами с крутыми округлыми склонами (которые Хесс назвал гайотами по имени работавшего ранее в Принстоне геолога Арнольда Гайота). Все это было загадочным. Но шла война, и ученый отложил обдумывание на потом.
После войны Хесс вернулся к преподаванию в Принстоне, однако тайны океанского ложа продолжали занимать его мысли. Тем временем на протяжении 1950-х годов океанографы проводили все более и более сложные обследования океанского дна. Среди прочего было установлено, что самый мощный и протяженный горный хребет на Земле находится большей частью под водой! Он тянется сплошными полосами по морским ложам всего мира, подобно узору линий на теннисном мяче. Если начать с Исландии и двигаться к югу, то можно дойти до середины Атлантического океана, обогнуть с юга Африку, пересечь Индийский и Южный океаны и чуть южнее Австралии под углом войти в Тихий океан, пересечь его в направлении Калифорнии, повернуть затем налево и вдоль западного побережья Соединенных Штатов добраться до Аляски. Кое-где его наиболее высокие пики возвышаются над водой в виде островов или архипелагов, например Азорских и Канарских островов в Атлантическом океане или Гавайских в Тихом, но в большинстве случаев они невидимы и спрятаны под тысячами метров воды. Если сложить вместе все его отроги, система в целом протянется на 75 тыс. километров.
Самая высокая гора на Земле вовсе не Эверест. Если измерять высоту от земной коры до вершины, то вулкан Мауна-Кеа на Гавайях окажется выше - более 10 км. Однако только 4245 м из всего его роста находятся над поверхностью океана.
Кое-что об этом уже было известно раньше. Те, кто в XIX веке прокладывал по дну Атлантического океана кабели, судя по их поведению, знали о существовании там горных образований. Однако наличие хребта, сплошного от начала до конца, явилось сногсшибательной неожиданностью. Более того, в нем обнаружили физические аномалии, которые невозможно было объяснить. Посередине атлантической части хребта расположился рифт - разлом земной коры - шириной до 20 км и длиной 19 тыс. км! Создавалось впечатление, что Земля напоминает скорлупу грецкого ореха и намеревается лопнуть по швам. Это была нелепая, тревожная картина, но так говорили факты, а факты, как известно, не переспоришь.
Затем в 1960 году изучение кернов показало, что ложе океана у хребта в середине Атлантики довольно молодое, а к востоку и западу от него постепенно становится более старым. Гарри Хесс понял, что это может означать лишь одно: по обе стороны срединного разлома образуется новая океаническая кора, и, по мере появления свежей коры, она расталкивается в стороны. Ложе Атлантики фактически представляет собой две конвейерные ленты - одна несет кору в сторону Северной Америки, другая - в сторону Европы. Процесс этот стали называть спредингом морского дна. Когда кора достигала конца пути на границе с материками, она снова погружалась в глубины Земли. Это явление - подход одной тектонической плиты под другую - называется субдукцией.
Субдукция ответила на вопрос о том, куда деваются осадочные породы: возвращаются в недра планеты. Она также объясняла, почему ложе океана всюду сравнительно молодо: нигде не находили пород старше 175 млн лет, что было загадкой, потому что породы, составляющие материки, часто насчитывали миллиарды лет. Теперь Хесс смог понять, почему океанические породы существовали ровно столько, сколько им требовалось, чтобы достичь берега. Это была великолепная теория, объясняющая множество вещей. Однако научное сообщество просто проигнорировало выводы Гарри Хесса. В науке тоже бывают предубеждения.
Между тем, еще в 1906 году французский физик Бернар Брюн обнаружил, что магнитное поле планеты время от времени меняет полярность и что свидетельства таких переполюсовок навсегда фиксируются в определенных горных породах в момент их зарождения. Крошечные вкрапления железной руды в породах указывают туда, где находились магнитные полюса во время их формирования, и потом неизменно указывают это направление после остывания и затвердевания пород. По сути, они "запоминают", где во время их образования находились магнитные полюса. Многие годы это было просто диковинкой, но в 1950 году Патрик Блэкетт из Лондонского университета и Стэнли Кейт Ранкорн из Нью-касльского университета, изучая магнитные структуры древних британских горных пород, были поражены, обнаружив следы того, что в отдаленном прошлом Британия, словно сорвавшись с якоря, повернулась вокруг собственной оси и продвинулась на некоторое расстояние к северу. Более того, оказалось, что если положить рядом карты магнитных структур Европы и Америки, относящиеся к одному периоду, они совпадают, как две половинки разорванного листа бумаги. Что-то сверхъестественное! Но на их открытия научный мир тоже не обратил внимания.