Як звичайний шторм «просвічує» ядро ​​Землі та допомагає вивчати інші планети

Уявіть собі лють зимового шторму десь у Північній Атлантиці. Вітер завиває, гігантські хвилі обрушуються на водну гладь, кораблі шукають укриття. Здається, що це стихія, обмежена поверхнею нашої планети. Але що, якщо я скажу вам, що відлуння цієї бурі, невидимі й нечутні для нас, несуть безцінну інформацію прямо із самого серця Землі? Звучить як наукова фантастика? А ось і ні! Вчені з Австралійського національного університету (АНУ) нещодавно показали, як саме це відбувається, і їхні висновки відкривають захоплюючі перспективи не лише для вивчення нашої планети, а й для заглядання в надра далеких світів.

Коли океан «говорить» із ядром: що таке PKP-хвилі?

У центрі цього дослідження — явище, яке сейсмологи називають «мікросейсмічним шумом». Здавалося б, шум — це перешкода, те, чого намагаються позбутися. Але в цьому випадку цей «шум» — справжній Клондайк інформації. Народжується він від взаємодії бурхливого океану із твердою земною корою. Уявіть: колосальні маси води тиснуть, ударяють, створюють вібрації, які, подібно до брижів на воді, поширюються вглиб планети.

Але найцікавіше починається, коли ці вібрації сягають певних умов.

• P — хвиля проходить через мантію Землі (це первинна, або поздовжня, хвиля, найшвидша).
• K — потім вона входить у зовнішнє рідке ядро ​​планети (тут вона теж поводиться як P-хвиля).
• І знову P — пройшовши крізь ядро, хвиля знову виходить в мантію і прямує до поверхні.

Тобто, PKP-хвилі — це свого роду сейсмічні «кур’єри», які доставляють нам звістку прямо з центру Землі, пройшовши шлях через її ядро! І австралійські вчені навчилися ці «послання» ловити.

Австралійський «слух»: як зловити шепіт із надр?

А чому саме Австралія? Справа в тому, що для реєстрації таких слабких сигналів потрібні особливі умови. По-перше, «тиша»: віддалені від міської метушні та промислової активності місця. По-друге, географічне положення: Австралія знаходиться на протилежному боці земної кулі від Північної Атлантики, що робить її ідеальним «приймачем» для хвиль, що пройшли через центр планети.

Команда АНУ під керівництвом професора Хрвоє Ткалчича та аспіранта Абхая Пандея підійшла до справи з винахідливістю. Вони розгорнули дві унікальні системи — спіральні ґрати сейсмометрів розміром 50 на 50 кілометрів у віддалених куточках Квінсленду та Західної Австралії. Уявіть собі не просто один датчик, а цілу мережу, хитромудро розташовану у вигляді спіралі. Така конфігурація значно підвищує чутливість і дозволяє фільтрувати потрібні сигнали від загального фону.

І це спрацювало! Під час австралійського літа, коли в Північній Атлантиці вирують зимові шторми, ці грати змогли зафіксувати ті самі PKP-хвилі, народжені океанською люттю за тисячі кілометрів звідти. Вчені змогли навіть точно визначити «гарячі точки» їхнього зародження — південний край Гренландії та глибоководні райони Північної Атлантики.

«Сигнали крихітні, часто нижчі від порога виявлення одиночного сенсора, — пояснює Абхай Пандей. — Але наша інфраструктура та методи аналізу даних дозволяють їх виловити». І це не просто спортивний інтерес. Розуміючи, як ці хвилі поширюються, ми отримуємо новий інструмент для картографування внутрішньої будови Землі під Австралією.

Не лише Земля: планетарна сейсмологія без землетрусів?

І ось тут починається найцікавіше. Якщо ми можемо «слухати» ядро ​​Землі за допомогою штормів, то чому б не застосувати цей метод до інших планет? Адже далеко не на кожному небесному тілі є землетруси або активні тектоніка плит, які є традиційними джерелами сейсмічних хвиль для вивчення надр.

Професор Ткалчич малює воістину фантастичну картину: «Якщо ми зможемо доставити грати сейсмометрів на поверхню невеликої планети, де немає землетрусів, наш метод може стати у нагоді для сканування її надр, використовуючи атмосферні або приховані океанічні (якщо вони є) сигнали, подібні до тих, що ми вивчаємо.

Подумайте тільки! Це відкриває шлях до дослідження планет, які вважалися сейсмічно мертвими. Можна буде визначати наявність у них ядра, його розміри та стан, навіть якщо на поверхні немає вулканів, ні слідів руху літосферних плит. А це ключова інформація для розуміння еволюції планети, її потенційної життєдіяльності та магнітосфери (якщо вона є). Крижані супутники Юпітера чи Сатурна, які, можливо, приховують підлідні океани? Їх теж можна буде «прослухати» у такий спосіб, якщо там є якісь аналоги «штормів» чи інші джерела вібрацій.

Складнощі та нюанси «штормової сейсмології»

Звичайно, все не так просто. На шляху від шторму до сейсмометра сигнал зазнає багатьох впливів:

• Інтенсивність самого циклону: чим потужніший буря, тим сильніший сигнал.
• Глибина океану і рельєф дна: вони впливають те що, як енергія хвиль передається твердої Землі.
• Відстань до джерела: що далі, то слабкіший сигнал.
• Частотний діапазон: дослідники з АНУ зосередилися на періодах хвиль від чотирьох до шести секунд — саме в цьому діапазоні сигнали від штормів є найбільш інформативними для їх цілей.

До того ж, Північна Атлантика хоч і сейсмічно активна, але землетруси там зазвичай не настільки сильні, щоб їх хвилі можна було ефективно використовувати для вивчення найглибших верств Землі з іншого боку планети.

Робота австралійських учених — яскравий приклад того, як нестандартний погляд на відомі явища може призвести до проривів. Вони, по суті, перетворили «шум» на корисний сигнал, відкривши нове вікно не лише на надра нашої власної планети, а й, потенційно, на таємничі глибини інших світів Сонячної системи.

Цей метод, звичайно, вимагатиме подальшого розвитку та адаптації для позаземних умов. Потрібні будуть надчутливі прилади, здатні працювати в екстремальних умовах інших планет і складні алгоритми для аналізу даних. Але перспектива зазирнути всередину планети, не чекаючи її власного «чиха» як землетрусу, воістину надихає. Хто знає, які секрети приховують надра Марса, Венери чи далеких крижаних гігантів, і, можливо, саме «шепіт бур» допоможе нам їх якось почути.