Откуда мы это знаем: сейсмические волны

Ни одна скважина не достигла мантии. И всё же мы знаем, что внешнее ядро жидкое: один из видов волн землетрясения никогда не достигает противоположной стороны планеты.

Два вида волн

При смещении по разлому волны расходятся по всей планете. Самые быстрые, P-волны, называют первичными. Они сжимают и растягивают породу в направлении распространения, подобно импульсу в растянутой пружине, и проходят через твёрдые тела, жидкости и газы. Следом приходят S-волны, вторичные. Они колеблют породу из стороны в сторону, под прямым углом к направлению распространения. Жидкость не сопротивляется такому поперечному сдвигу, поэтому S-волны вообще не могут через неё проходить.

Оба вида волн ускоряются в более глубоких и жёстких породах. Поэтому волна, идущая наклонно вниз, преломляется, подобно свету в воде, и по изогнутому пути возвращается к поверхности. Тысячи сейсмометров по всему миру фиксируют время прихода волн. По задержкам на разных расстояниях сейсмологи определяют скорость волн на каждой глубине, а резкие изменения скорости указывают на границы слоёв. Британская геологическая служба сравнивает это с преломлением света в стеклянной призме.

Зоны тени

Отсчитывай угловое расстояние по Земле от землетрясения: противоположная точка находится на 180°. Прямые S-волны регистрируются примерно до 104°, а затем полностью исчезают. Что-то между мантией и центром их задерживает. Поскольку S-волны останавливаются только в жидкости, этот слой должен быть жидким. P-волны ведут себя иначе. Они тоже исчезают за пределами примерно 104°, но появляются снова начиная примерно со 140°. USGS объясняет это преломлением в жидком ядре. При входе во внешнее ядро P-волны резко замедляются: в жидком железе они идут медленнее, чем в жёсткой породе выше. Поэтому они сильно отклоняются к центру и выходят далеко от очага. В пояс поверхности между 104° и 140° прямые P-волны не попадают.

Это видно в модели. Следи за часами: P-волны достигают противоположной стороны Земли примерно за 20 минут, а S-волны не достигают её никогда. Передвинь ползунок «Очаг», и зоны тени сдвинутся вместе с землетрясением. Значит, их причина внутри Земли, а не в особенностях какого-то участка поверхности. В этой упрощённой модели последний P-луч, проходящий мимо ядра, выходит примерно на 97°. Реальные волны также огибают край ядра, поэтому слабые P-волны доходят немного дальше.