Архимед. Он верил в могущество рычага.
Не случайно оговорился Архимед насчет точки опоры. Он знал, что Земля — шар. Найти возле нее в космосе надежную точку опоры мудрено.
Столетиями операция по взвешиванию планеты казалась абсолютно невыполнимой. Мыслимо ли землянам взвесить шар, на котором они сами живут! Не похожа ли такая затея на подвиг барона Мюнхаузена, вытащившего себя и лошадь из болота за собственную косичку?
И все же Землю удалось взвесить. Впервые это было сделано при помощи… отвеса.
Любой отвес, как известно, ориентирован вертикально вниз, к центру Земли. Но действуют на него и другие, куда более мелкие тела, расположенные поблизости. Например, горы.
Из чего состоит гора, можно узнать. Достаточно тщательно осмотреть ее со всех сторон, исследовать горные породы, ее слагающие.
В 1774 году шотландцы Гюттон и Маскелин взвесили гору Шехаллин: измерили ее объем, помножив полученную цифру на средний удельный вес местных горных пород.
После этого ученые пришли к горе с отвесом. Возле горы он, повинуясь закону тяготения, отклонился от вертикали. Угол отклонения был крохотный. Его определили с максимальной точностью. Этот угол, как и углы треугольников Эратосфена, сказал несравненно больше правды о Земле, чем все предыдущие рассуждения.
Зная массу горы, расстояние от центра ее до отвеса, а также расстояние до центра Земли (радиус земного «шара») и величину отклонения отвеса от вертикали, можно вычислить и массу Земли.
Значительно более точный расчет был проведен в самом конце XVIII века. Англичанин Кавендиш ухитрился обнаружить и даже измерить силу взаимного притяжения двух свинцовых шаров. (В возможность проведения столь тонкого эксперимента не верил сам Ньютон.) Кавендиш использовал крутильные весы (с помощью их позже Лебедев «взвесил» солнечные лучи).
А затем стали для определения веса планеты использовать и маятники, и особые весы, чаши которых расположены на разной высоте (то есть на разном расстоянии от центра Земли).
Вы и сами можете взвесить Землю. Для этого достаточно сделать несложный расчет.
Как известно, по закону Ньютона, сила взаимодействия между двумя телами равна: F = KmM/R2, где R — расстояние между центрами этих тел, m и M — массы тел, а K — коэффициент, вычисленный при многочисленных лабораторных проверках закона притяжения (например, опытами Кавендиша), он равен 6,65·10–8.
Представим себе шар массой в 1 грамм, лежащий на поверхности земли. Сила его взаимодействия с Землей выражается формулой Ньютона. При этом масса шара (m) известна — 1 грамм. Известно и то, что масса эта притягивается к Земле (и соответственно, притягивает Землю) с силой, равной 980 динам. Значит,
980 = 6,65·10–81·M/R2.
Отсюда можно приближенно (без учета второстепенных показателей) найти массу Земли, зная ее радиус (R ≈ 6,37·108 см):
M = 980·(6,37·108)2/1·6,65·10–8.
Трудно усмотреть поэзию в опытах ученых. Почти невозможно представить себе массу Земли — цифра тянет за собой длиннейший ряд нулей: 6·1021 тонн. Но именно эти скучные на первый взгляд цифры открывают нам путь в мир действительный, а не созданный одним лишь нашим воображением. Они позволяют ощутить величие Вселенной.
От массы нетрудно перейти к средней плотности (к удельному весу). Для Земли это выразится формулой: M = 4/3πR3 (объем земного шара) × D (средняя плотность). Отсюда D = 3·M/4πR3.
Остается только заменить буквы цифрами.
Сейчас средний удельный вес Земли (ее плотность) принимается равным 5,52 г/см3. Средняя плотность горных пород, распространенных у поверхности, менее 3 г/см3.
Опущенное в море на глубину в несколько километров дерево под давлением воды уплотняется настолько, что не может уже плавать. Оно тонет в воде, как металл.
А в глубинах Земли давление больше, чем на дне океана, в тысячи, в сотни тысяч раз!
Под этим давлением неузнаваемо изменяются свойства вещества Земли. А это, в свою очередь, приводит к совершенно неожиданным последствиям.
Подземный эхолот
На суше, как и в океанах, главным помощником людей стало эхо. Да еще землетрясения — извечные наши недруги. Сила разума даже такого страшного врага обратила в помощника.
Ученые ловят отзвуки ударов. Для этой цели служат сейсмографы — приборы, отмечающие и записывающие малейшие колебания земли. Перо сейсмографа непрерывно чертит полосу на бумаге. Вздрогнет земля, и чуткое перо тотчас метнется, рисуя зигзаг на движущейся бумажной ленте. Чем сильнее толчок, тем резче взмах пера.
Сейсмические волны бывают двух типов. Первые — самые быстрые — продольные волны. Они похожи на колебания пружины: это волны сжатия и растяжения.
Другие волны — поперечные. Они колеблют частички вверх-вниз, как волны воду.
Сейсмические волны ведут себя по-разному. Поперечные не распространяются в жидкой среде, они там «вязнут», быстро угасая. Поэтому границу ядра Земли определить легко: ниже ее нет доступа поперечным волнам. А волны продольные ядро Земли собирает в пучок, словно круглая линза. Но вместе с тем существуют участки, куда никакие волны не достигают: область сейсмической тени.
Итак, при сильных землетрясениях вся планета чуть приметно вздрагивает, колеблется.
Пройдя сложный путь под землей, сейсмические волны достигают поверхности планеты в самых разных местах. Тут их ловят сейсмографы.
Обрабатывая данные сейсмических станций, разбросанных повсюду на земном шаре, ученые прослеживают подземные пути и продольных и поперечных колебаний.
На границе двух каменных сфер упругие подземные волны частично отражаются на поверхность, а частично преломляются. По существу, они ведут себя так же, как звуковые волны или световые лучи.
Отклонения сейсмических волн точно измеряются. В массе цифр, в графиках и картах постепенно вырисовываются показатели свойств недоступных глазу глубин.
Основываясь главным образом на данных об изменении плотности вещества Земли, геофизики выделили три главные сферы планеты.
С поверхности до глубин порядка десяти — восьмидесяти километров (тоненькая пленка планеты вроде кожуры яблока) залегает земная кора (плотность около 3, то есть в три раза больше плотности воды).
Ниже, до глубины 2900 километров, расположена мантия (плотность 3–6).
Самая обширная область планеты, которую обволакивает мантия, называется ядром (плотность более 9). Начинается оно с глубины 2900 километров. В нем обычно выделяют еще внутреннее ядро или ядрышко, расположенное в центре планеты ниже глубины 5100 километров (плотность более 12).
Вот какие действительные сферы располагаются под нашими ногами.
Неведомые земли за границей «Мохо»
Граница мантии и коры отбивается достаточно четко. Известна она с 1909 года, когда ее обнаружил югослав Мохоровичич. Ее так и назвали: поверхность Мохо.
Наблюдая отзвуки Балканского землетрясения, Мохоровичич отметил на глубине первых десятков километров резкое увеличение скорости подземных волн. Значит, породы там тверже, плотнее. Значит, оттуда начинается новый каменный слой.
Возле поверхности Мохо горные породы нередко
