Веселая часть теоретической физики (а по мнению некоторых, лучшая ее часть) заключается в том, что вы можете задать глупый вопрос и рассчитать ответ (иногда тоже глупый). К примеру, что будет, если вы пробурите отверстие через центр Земли и прыгнете через него? «Да кто вообще может сделать такую глупость?» - спросите вы. Очевидно, никто. Такой поступок убьет вас весьма изощренно и расщепит миллионы раз. Но. Давайте допустим, что какой-нибудь смельчак решился на это ради науки? Что может произойти, теоретически?
Во-первых, давайте констатируем очевидное: вы не можете просверлить отверстие через центр Земли. Сказать, что нам не хватит технических возможностей, чтобы осуществить это знаменательное действие, будет очень и очень большим преувеличением. Но, конечно, мы можем сверлить дыры в Земле в принципе. Как глубоко мы зашли?
На сегодняшний день самым глубоким отверстием на планете является Кольская сверхглубокая скважина. Ее бурение началось в 1970-х и закончилось примерно 20 лет спустя, когда бурильщики достигли глубины 12 262 метров. Это примерно 12 километров. Но это даже не волосок по сравнению с диаметром Земли. Почему мы остановились? По мере приближения к центру Земли все ощутимо нагревается. Это потому, что ядро Земли состоит из жидкого металла и разогрето до 5400 градусов по Цельсию. И уже на глубине 12 километров бурильщики столкнулись с температурой в 170 градусов по Цельсию.
Думаю, вам известно, что при такой температуре вы долго не проживете.
Но если вам удастся каким-то образом погрузиться еще глубже, на глубине 48 километров вы найдете магму. В этот момент вы будете испепелены.
И даже если предположить, что вам удалось преодолеть это неловкое неудобство, если вы разработали какую-то трубу, которая позволяет вам безопасно проходить через жгучую магму, вас убьет сам воздух. Точнее, давление воздуха. Точно так же, как вы чувствуете давление, погружаясь глубоко в воду, вы чувствуете давление, когда над вами много воздуха (поэтому толстая атмосфера Венеры сплющит вас в лепешку). На нашей собственной планете вам нужно погрузиться на глубину 50 километров, прежде чем давление в трубе станет таким же высоким, как на дне океана.
Поэтому если ваша цель заключается не в самоуничтожении, не стоит пребывать на таких глубинах.
Но даже если вам удалось сделать трубу, которая позволила вам проникнуть через магму, решить вопросы с воздухом и скафандр облегчил вам участь, остаются проблемы. Например, вращение планеты. На полпути к центру Земли вы будете двигаться в сторону примерно на 2400 километров в час быстрее, чем стенки вашей трубы. Это не очень хорошо для вашего здравия. Вы можете удариться о стенку трубы, ну и умереть, получается.
Хорошо, если этот вопрос мы тоже решили (и несколько других, о которых даже не стали упоминать), если смогли прыгнуть через Землю, ваш импульс позволит вам двигаться и по другую сторону ядра. Как долго это будет продолжаться?
- Это ответ на все вопросы, как нам известно. 42 минуты.
Но на этом веселье не заканчивается. Из-за мощной гравитации Земли и вашего мощного импульса, как только вы окажетесь на другой стороне, вы снова начнете падать на Землю. И проделаете весь путь сначала. Вы будете колебаться туда и обратно по синусоиде, как такое себе йо-йо.
Рассмотрим падение с точки зрения физики. Пренебрежем сопротивлением воздуха (и его существованием) и трением о стенки тоннеля. Будем считать плотность Земли однородной, хотя в реальности это, конечно, не так)
Мы выяснили, что ваше падение будет подобно движению в гармоническом маятнике и вычислили время, за которое вы пролетите Землю. Разумеется, потом вам придется это делать снова и снова. Хотя из-за сопротивления воздуха и стенок и неоднородности Земли когда-нибудь ваше падение прекратится, и вы застрянете у центра Земли.
Теперь про то, что вы увидите и почувствуете. Предположим, что во время этого маленького путешествия вы не умрете от температуры, давления или перегрузок и сможете следить за изменением окружающей среды. Картинка сильно зависит от точки, в которой вы начали падать. Вероятно, вы находились на континенте. В таком случае вначале вы пролетаете примерно 30 км земной коры. Тут следует указать, что, в принципе, все наши знания о строении Земли и ее глубинных условиях гипотетичны и основаны на геофизических данных, вроде изменения скорости прохождения волн через различные слои. Так вот. Толщина континентальной коры будет зависеть от тектонических условий. Наибольшей она будет в горах (до 70-75 км), наименьшей - на территориях, подвергнутых растяжению, на океанических окраинах и во впадинах морей. В первую очередь вы пролетите слой, состоящий из осадков и осадочных пород, если он присутствует. Затем идет слой из гнейсов и других метаморфических пород. В них заметны внедрившиеся граниты. Под этим слоем будут сильно метаморфизованные базальты, превратившиеся в амфиболиты и гранулиты. Все это время давление и температура будут неуклонно возрастать. Тут можно вспомнить про такую штуку, как геотермический градиент, который показывает, насколько температура растет с глубиной. Он сильно зависит от тектонических условий и будет максимальным под горами.
Если вы по какой-то причине начали свое падение с океанического острова или океана, то сначала вы пройдете осадочные слои, затем - базальтовые подушечные лавы и подводящие к ним дайки. Их подстилают интрузии габбро. Наконец, вы доходите до мантии. Толщина океанической коры будет составлять километров семь. Вообще, увиденная вами картина может быть весьма необычной и зависит от тектонического региона, в котором вы пробурили дыру.
Разделом мантии и коры служит граница Мохо. Мантия состоит из перидотитов, содержащих оливин (Mg,Fe)2SiO4 и пироксен (Mg, Fe)2Si2O6. При погружении они будут переходить в более устойчивые полиморфные модификации. Это будет заметно на глубинах около 410 и 660 км. Двигаясь вниз от границы Мохо через довольно твердую мантию, вы достигнете слоя, который покажется вам более вязким и текучим. Дело в том, что материал этого слоя, астеносферы, подвергнут частичному плавлению. Плавится примерно 1-5% вещества (количество сильно зависит от тектонических условий). Полностью расплавиться ему мешает высокое давление, создаваемое вышележащими слоями. Получившийся расплав обволакивает зерна минералов и обеспечивает текучесть вещества. Тут же могут образовываться очаги основной и ультраосновной магмы, поднимающейся вверх. Все те относительно твердые и упругие слои выше астеносферы - это литосфера. Разделенная на плиты, напоминающие арбузные корки, она скользит по астеносфере и совершает вертикальные движения, плавая на поверхности этого вязкого слоя. Ниже астеносферы и границей в 410 км выделяется более вязкая мезосфера. На этой отметке оливин переходит в модификацию со структурой шпинели.
С глубины в 660 км начинается нижняя мантия. Вероятно, она сложена минералами со структурой перовскита (Mg,Fe)SiO3 и магнезиовюститом. В нижней мантии в составе минералов содержатся огромные запасы воды. Вся мантия, через которую вы проходили была твердой, потому что наряду с высокими температурами подвергалась и высоким давлениям. Конвективные токи в мантии имеют слишком малую скорость, чтобы их заметить.
Наконец, вы доходите до границы Гутенберга, разделяющей ядро и нижнюю мантию. От поверхности вас отделяют 2900 км. Эту границу покрывает кладбище гор погрузившихся и частично расплавившихся литосферных плит.
С 2900 до 5120 км вы погружаетесь сквозь жидкое внешнее ядро, состоящее из железо-никелевого сплава с примесями серы, водорода и некоторых других элементов. Тут происходит интенсивное перемешивание вещества, создающие магнитное поле Земли, но из-за малой скорости вы вряд ли его увидите. До глубины 6370 км простирается твердое внутреннее ядро, продукт постепенного охлаждениия и затвердевания внешнего. Оно имеет схожий состав и сложено железом, серой и никелем.
Рассмотрим падение с точки зрения физики. Пренебрежем сопротивлением воздуха (и его существованием) и трением о стенки тоннеля. Будем считать плотность Земли однородной, хотя в реальности это, конечно, не так)
Мы выяснили, что ваше падение будет подобно движению в гармоническом маятнике и вычислили время, за которое вы пролетите Землю. Разумеется, потом вам придется это делать снова и снова. Хотя из-за сопротивления воздуха и стенок и неоднородности Земли когда-нибудь ваше падение прекратится, и вы застрянете у центра Земли.
Теперь про то, что вы увидите и почувствуете. Предположим, что во время этого маленького путешествия вы не умрете от температуры, давления или перегрузок и сможете следить за изменением окружающей среды. Картинка сильно зависит от точки, в которой вы начали падать. Вероятно, вы находились на континенте. В таком случае вначале вы пролетаете примерно 30 км земной коры. Тут следует указать, что, в принципе, все наши знания о строении Земли и ее глубинных условиях гипотетичны и основаны на геофизических данных, вроде изменения скорости прохождения волн через различные слои. Так вот. Толщина континентальной коры будет зависеть от тектонических условий. Наибольшей она будет в горах (до 70-75 км), наименьшей - на территориях, подвергнутых растяжению, на океанических окраинах и во впадинах морей. В первую очередь вы пролетите слой, состоящий из осадков и осадочных пород, если он присутствует. Затем идет слой из гнейсов и других метаморфических пород. В них заметны внедрившиеся граниты. Под этим слоем будут сильно метаморфизованные базальты, превратившиеся в амфиболиты и гранулиты. Все это время давление и температура будут неуклонно возрастать. Тут можно вспомнить про такую штуку, как геотермический градиент, который показывает, насколько температура растет с глубиной. Он сильно зависит от тектонических условий и будет максимальным под горами.
Если вы по какой-то причине начали свое падение с океанического острова или океана, то сначала вы пройдете осадочные слои, затем - базальтовые подушечные лавы и подводящие к ним дайки. Их подстилают интрузии габбро. Наконец, вы доходите до мантии. Толщина океанической коры будет составлять километров семь. Вообще, увиденная вами картина может быть весьма необычной и зависит от тектонического региона, в котором вы пробурили дыру.
Разделом мантии и коры служит граница Мохо. Мантия состоит из перидотитов, содержащих оливин (Mg,Fe)2SiO4 и пироксен (Mg, Fe)2Si2O6. При погружении они будут переходить в более устойчивые полиморфные модификации. Это будет заметно на глубинах около 410 и 660 км. Двигаясь вниз от границы Мохо через довольно твердую мантию, вы достигнете слоя, который покажется вам более вязким и текучим. Дело в том, что материал этого слоя, астеносферы, подвергнут частичному плавлению. Плавится примерно 1-5% вещества (количество сильно зависит от тектонических условий). Полностью расплавиться ему мешает высокое давление, создаваемое вышележащими слоями. Получившийся расплав обволакивает зерна минералов и обеспечивает текучесть вещества. Тут же могут образовываться очаги основной и ультраосновной магмы, поднимающейся вверх. Все те относительно твердые и упругие слои выше астеносферы - это литосфера. Разделенная на плиты, напоминающие арбузные корки, она скользит по астеносфере и совершает вертикальные движения, плавая на поверхности этого вязкого слоя. Ниже астеносферы и границей в 410 км выделяется более вязкая мезосфера. На этой отметке оливин переходит в модификацию со структурой шпинели.
С глубины в 660 км начинается нижняя мантия. Вероятно, она сложена минералами со структурой перовскита (Mg,Fe)SiO3 и магнезиовюститом. В нижней мантии в составе минералов содержатся огромные запасы воды. Вся мантия, через которую вы проходили была твердой, потому что наряду с высокими температурами подвергалась и высоким давлениям. Конвективные токи в мантии имеют слишком малую скорость, чтобы их заметить.
Наконец, вы доходите до границы Гутенберга, разделяющей ядро и нижнюю мантию. От поверхности вас отделяют 2900 км. Эту границу покрывает кладбище гор погрузившихся и частично расплавившихся литосферных плит.
С 2900 до 5120 км вы погружаетесь сквозь жидкое внешнее ядро, состоящее из железо-никелевого сплава с примесями серы, водорода и некоторых других элементов. Тут происходит интенсивное перемешивание вещества, создающие магнитное поле Земли, но из-за малой скорости вы вряд ли его увидите. До глубины 6370 км простирается твердое внутреннее ядро, продукт постепенного охлаждениия и затвердевания внешнего. Оно имеет схожий состав и сложено железом, серой и никелем.
Задача проекта Chikyu - пробурить земную кору насквозь. До сих пор это никому не удавалось. Проект японских ученых уже успели сравнить с полетом на Луну.
Вблизи Японских островов собираются осуществить эксперимент, который уже успели сравнить с полетом на Луну. Эксперимент, впрочем, предполагает путешествие на более скромные расстояния - немногим больше десятка километров, причем все живые участники проекта будут оставаться на своих местах, а "грязной" работой займется техника. Так или иначе, группа специалистов собирается углубиться дальше, чем кто-либо другой, в земную кору: на дне океана просверлят самую глубокую скважину. В скважине одинаково заинтересованы геологи, биологи и геофизики. В отличие от астронавтов, способных предварительно посмотреть на место будущей высадки в телескоп, здесь ученые вынуждены действовать большей частью вслепую. В их распоряжении - данные о прохождении сквозь Землю сейсмических волн и довольно скромные результаты предыдущих попыток. А они показывают, что "подземные" прогнозы, в отличие от "небесных", редко оказываются верными.
Самая глубокая (до сих пор) скважина была выкопана на Кольском полуострове советскими естествоиспытателями. Работы начались еще в 1970 году. В тот момент земную кору все еще представляли себе как "простую" двуслойную структуру - сначала граниты, затем базальт. Ниже, согласно расчетам, располагалась граница жидкого и твердого - "поверхность Мохоровичича", или "Мохо". Еще ниже - мантия, то есть расплавленный слой, на который приходится большая часть массы планеты. Продвинувшись за 22 года на 12 с небольшим километров, копать перестали - не в последнюю очередь из-за того, что ожидания не оправдывались. Буры так и не смогли добраться до мантии, а замеры температуры показывали, что добиться этого имеющимися средствами не удастся вовсе. Оборудование неоднократно ломалось, из-за чего в земной коре пришлось сделать намного больше дыр, чем было запланировано.
Как это будет
Японские исследователи пошли другим путем - подводным. Под материками граница мантии расположена глубже 30 километров, а на дне океана земная кора намного тоньше. Эти соображения лежали в основе самого первого проекта сверхглубокой скважины, придуманного в 1957 году и известного под названием Mohole (Mohorovicic hole - "дыра Мохоровичича"). Тогда, однако, удалось сделать всего 5 небольших отверстий на дне у побережья Мексики. Несмотря на перспективный замысел, сверхъестественных высот (точнее, глубин) в его осуществлении не добился никто: самая длинная скважина уходит сейчас всего на 2111 метров ниже уровня дна. Ее пробурил американский корабль JOIDES Resolution, переоборудованный из нефтедобывающего судна, на востоке Тихого океана. До недавнего времени он был единственным инструментом для решения таких задач. "Расстановку сил" изменил построенный в Японии Chikyu.
Корабль водоизмещением 57 тысяч тонн и длиной 210 метров на треть больше своего предшественника. На Chikyu есть посадочная площадка для вертолета, вмещающего 30 человек, и собственная "железная дорога", чтобы подвозить оборудование к 121-метровой вышке. Именно она и будет осуществлять главную работу - бурить океаническое дно. Во время этого процесса корабль должен оставаться "привязан" к оси скважины, поэтому ему предписывается уточнять свое положение с помощью нескольких GPS-спутников. С дном океана корабль будут соединять, помимо сверел, 4 километра толстых труб - система, которой не пользовались раньше. Предполагается, что с этим оборудованием на борту он успеет проделать семикилометровое отверстие в океаническом дне примерно за полгода-год.
Все это время корабль со 150 членами экипажа проведет в 60 километрах от побережья Японии, а вспомогательные суда будут доставлять туда материалы, воду и пищу. Однако главные сложности связаны вовсе не с этим. Чем ближе будет подходить сверло к поверхности Мохоровичича, тем больше будут разогреваться приборы. Температуры в несколько сотен градусов Цельсия достаточно, чтобы вывести из строя электронику. Кроме того, на глубине в тысячи метров давление достигает тысяч атмосфер. Поэтому трубы решили заполнять изнутри "искусственной грязью": за счет циркуляции она будет охлаждать сверла и датчики, поддерживать "баланс сил", а заодно - вымывать обломки породы.
Зачем это нужно
С точки зрения геологов, главная цель эксперимента - добыть вещество мантии и доставить его на поверхность. Кроме вулканов, которые (в виде лавы) выводят его из недр, никаких других приспособлений для его добычи до сих пор не было. (Важно отметить, что магма, то есть будущая вулканическая лава, вообще говоря, не совпадает по составу с веществом мантии - она может состоять из минералов коры, расплавленных под действием высоких температур.) Некоторые небезосновательно сопоставили это с "лунным проектом Apollo" - хотя правильнее было бы вспомнить доставку на землю первых лунных минералов советским аппаратом "Луна-16".
Разумеется, ученых интересует и многое из того, что может встретиться по пути к мантии. В частности, они не исключают, что наткнутся на месторождение нефти или газа, хотя об этом говорится скорее как об опасной для процедуры бурения перспективе. Впрочем, комментаторы сходятся во мнении, что в ресурсозависимой Японии нефть едва ли воспримут как неприятный сюрприз. Однако исследование преследует и другие практические цели. "Узкое место" земной коры в 600 километрах от Токио, куда направят корабль, лежит на границе двух тектонических плит - Филиппинской и Евроазиатской. Это означает, что именно там возникают землетрясения - а по подсчетам сейсмологов, в окрестностях Японии случается каждое пятое из сильных землетрясений. Современные теории объясняют большую часть катаклизмов скопившимися на краях плит механическими напряжениями, "снятие" которых заставляет плиты сдвигаться. Однако измерить напряжения удаленно практически невозможно, и теперь за ними хотят понаблюдать вблизи.
Еще одно обстоятельство сближает подземную миссию с космическими: биологи намерены найти под океаническим дном жизнь. Прежде было принято думать, что микроорганизмы населяют тонкий слой подводного грунта, однако в прежних скважинах удавалось обнаружить бактерий на глубине больше километра. Всех их, ввиду экзотических условий обитания - избыточных температуры и давления, относят к экстремофилам. Известно, что белки, выделенные из первых таких организмов, оказалось возможно "привить" растениям, чтобы сделать их устойчивее. Ученых, впрочем, интересуют не только приложения. Глубина, на которой обнаружат последнее живое существо, будет автоматически считаться нижней границей биосферы - а со сдвигом границы должны измениться и оценки количества биоматерии на планете.
Как и попытки освоить космос, сверхглубокие изыскания не оставляют равнодушными и людей, традиционно далеких от науки. Ряд религиозных сайтов называет это намерением "раскопать ад". Так, со ссылкой на советского ученого Аццакова (вероятно, при переводе на английский фамилию исказили), который "участвовал в создании скважины в Сибири" (имеется в виду Кольская скважина), они сообщают о "криках и стенаниях", зафиксированных микрофонами на глубине.
"Раскопки ада" японский корабль начнет в сентябре 2007 года. В начале декабря он собрал первые пробы и продемонстрировал, что работоспособен. Будет ли "полноразмерный" эксперимент удачным и сколько он продлится - сказать с уверенностью нельзя. Однако такой способ "докопаться до сути" свою состоятельность уже доказал.
Как сообщила Lenta.Ru , успешно завершился первый этап самого масштабного проекта глубокого бурения земной коры, сообщило Японское агентство морских и наземных исследований и технологий (JAMSTEC) в своем пресс-релизе.
Задача эксперимента Chikyu - пробурить земную кору насквозь (до сих пор это никому не удавалось), пробурив шести-семикилометровую скважину.
Японские ученые решили бурить морское дно: несмотря на дополнительные сложности подводного бурения, это в целом упрощает задачу: земная кора на дне океана гораздо тоньше. Основным инструментом проекта является судно Chikyu, которое соединяется с дном системой бурильных инструментов и труб. Проект преследует сразу несколько целей: добыть вещество мантии и доставить его на поверхность, разведать залежи полезных ископаемых, измерить напряжение на границе тектонических плит около Японии, часто приводящее к землетрясениям, уточнить нижнюю границу биосферы.
С 21 сентября по 15 ноября велось бурение дна Нанкайской впадины (на глубинах от двух до четырех километров). Всего было пробурено 12 скважин на шести участках. Работы затрудняло сильное течение Куросио (скорость до четырех узлов) и особенности региона бурения: сильная деформация структур на стыках плит. Нижняя часть одной из бурильных установок неожиданно отломилась, в результате чего были потеряны буровая коронка и измерительная аппаратура.
Ученые применяли метод каротажа во время бурения, проводя нужные измерения непосредственно во время продвижения долота в скважине, поэтому уже получены ценные геологические данные. Несмотря на сложности, первый этап проекта завершился успешно. 16 ноября немедленно начался второй.