Математическая модель Земли
Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком
В Массачусетсом технологическом институте под руководством доктора Франка Пресса ведутся работы по созданию математической модели твердого тела Земли. Специальная программа была запрограммирована на оценку так называемым методом Монте-Карло 5 млн. различных моделей: известные параметры поступали в случайном наборе; получаемые величины рассматривались с точки зрения соответствия их математической структуры реальным параметрам Земли. Из 5 млн. только шесть моделей соответствовали фактам и лишь три из них признаны вполне правдоподобными.
Все шесть отобранных моделей свидетельствуют о том, что ядро Земли имеет большие размеры, чем обычно считают. Внешнее жидкое ядро можно отождествить со сплавом железа и кремния (кремния 15-—25%), а внутреннее твердое ядро — со сплавом железа и никеля (никеля 20—50%).
Такие факты, как химическая неоднородность мантии и существование обширной переходной зоны между верхней и нижней мантией, были известны давно. Проведенные теперь вычисления показали, что в верхней мантии существуют также большие флуктуации плотности.
В использовавшихся до сих пор моделях предусматривали плавный структурный переход от мантии к земной коре. Кроме того, стали привычными следующие предположения: большие участки мантии, за исключением переходной зоны на глубинах от 400 до 100 км, однородны и не являются источниками ни тепла, ни воды; для верхней мантии начальная плотность, соответствующая специфическому химическому составу, может быть предсказана по результатам анализа пород; скорости сейсмических волн связаны с плотностью, причем эта связь (может быть описана уравнениями, полученными на основе лабораторных экспериментов с различными материалами и породами.
Теперь же Ф. Пресс высказывает мнение, что эти исходные предположения обладают различной степенью правдоподобия. Новая модель Земли построена вне зависимости от этих предположений.
Каждая из 5 млн. моделей была сопоставлена с массой Земли, моментом инерции, временем прохождения сейсмических волн и резонансом колебаний. Так как эти модели должны были отвечать всей Земле в целом, «кора» была принята сферически симметричной, основанной на средних величинах океанической и континентальной коры. Три из первоначально отобранных моделей были отвергнуты вследствие того, что им в области соприкосновения ядра и мантии соответствовали неправдоподобные температуры.
Согласно всем трем оставшимся моделям, радиус ядра Земли должен быть на 18-22 км больше, чем принимаемая обычно величина — 1280 км. Они также указывают на значительно большую плотность внутреннего ядра, чем считалось до сих пор.
Пресс также сделал вывод, что начальные плотности в верхней части жидкого ядра находятся в пределах между 9,4 и 10,0 г/см3 (верхний предел близок к ранее существовавшим моделям). Для мантии (на глубине более 1000 км) полученные результаты соответствуют ее составу, т. е. смеси окислов, находящихся под высоким давлением, с постоянным содержанием железа.
Переходная зона всегда считалась областью высокого давления. Состав ее изменяется от жидкого и до твердого состояния, и скорость сейсмических волн также подвержена большим изменениям. Это мнение теперь подтверждается, причем изменения в плотности оказываются еще большими, чем предполагалось.
Все три новые модели верхней мантии свидетельствуют о весьма больших флуктуациях плотности. Доктор Пресс высказывает мнение о столь значительной вертикальной и горизонтальной неоднородности верхней мантии, которую ранее считали невероятной. Это указывает на нестабильное состояние и существование различных динамических процессов в верхней мантии: вулканизма, сейсмической активности, вариаций теплового потока, движения полюсов Земли.