Из-за невозможности взять образцы мантии ученым приходится строить разные гипотетические предположения о ее составе, используя косвенные доказательства и сведения, полученные из лабораторных экспериментов. Результаты показали, что хотя кремний, магний и железо входят в состав оливина и пироксена, которые присутствуют в верхней мантии, при давлениях, существующих в более глубоких слоях, атомы перестраиваются таким образом, что образуются более компактные «минералы высокого давления» и состав пород изменяется. В нижней мантии минералы могут распадаться на простые окислы.
Дополнительные подсказки о составе мантии получены при изучении метеоритов, которые были созданы из того же космического мусора, что и наша планета. Каменные метеориты, вероятно, представляют собой вещество, из которого может состоять мантия, а железные метеориты – ядро. Эти упавшие на нашу планету металлические снаряды содержат в основном железо, сернистое железо, никель, платину и следы иридия.
Посланники из преисподней
Зная состав мантии, мы могли бы значительно улучшить наши представления о химическом составе Земли и понять, при каких условиях она сформировалась. Мантию можно исследовать с помощью нейтрино – нейтральных, практически безмассовых частиц. Эти частицы – точнее, разновидность антивещества, называемая электронными антинейтрино, – выделяются в огромных количествах в результате радиоактивного распада урана, тория и других радиоизотопов в породах глубоко под землей.
Подобно железу, кремнию и некоторым другим элементам, уран и торий присутствовали, хотя и в меньших количествах, в солнечной туманности, из которой образовалась Земля, и конденсировались в различных количествах при разных температурах. Если бы мы знали количество урана и тория, которое пошло на создание Земли, то поняли бы, каковы были изначальные условия, и смогли бы оценить количество остальных элементов, содержащихся внутри планеты. Выяснив, как распределяются уран и торий в мантии – равномерно, вперемешку с другими элементами в отдельных участках или в виде слоев, – мы также можем изучить динамику внутренних слоев нашей планеты.
Нет лучшего подхода к ответам на все эти вопросы, чем подсчитать геонейтрино, которые производят различные радиоактивные изотопы. Эти частицы почти не взаимодействуют с обычным веществом и фактически беспрепятственно проходят сквозь недра Земли; за счет этого детекторы, установленные почти на поверхности, как минимум могут их фиксировать. В реальности эти частицы с таким же успехом проходят и через детекторы «непойманными». Охота на геонейтрино требует умения и большого терпения.
Ученые потратили более десяти лет на разработку таких детекторов. Жидкосцинтилляционный детектор антинейтрино, расположенный в шахте Камиока вблизи японского города Хида (англ. Kamioka Liquid-Scintillator Antineutrino Detector, KamLAND), начал работать в 2002 году. Он состоит из 1000 тонн прозрачной жидкости, которая при попадании нейтрино излучает вспышку света. Детектор расположили на глубине 1 километра под поверхностью земли, чтобы защитить его от мюонов космических лучей, чьи сигналы имитируют сигналы нейтрино.
В 2005 году KamLAND зафиксировал первый слабый сигнал от электронных антинейтрино из недр Земли, но он буквально утонул в гвалте антинейтрино, производимых расположенными рядом атомными электростанциями. Конструкцию детектора улучшили, одна из крупнейших атомных станций была на время отключена, и в результате в 2007 году удалось «просветить» планету насквозь. К концу 2009 года KamLAND зарегистрировал 106 электронных антинейтрино с энергетическими характеристиками, которые говорили о том, что эти античастицы родились от распада урана и тория внутри Земли.
В другом эксперименте, который называется «Борексино», тоже были обнаружены слабые вспышки. Более маленький детектор, расположенный в Национальной лаборатории Гран-Сассо в центре Италии, предназначен для сбора нейтрино от ядерных процессов на Солнце. После объединения результатов двух экспериментов были получены первые конкретные геофизические данные о геонейтрино: распад урана и тория в мантии и коре обеспечивает порядка 20 тераватт того тепла, которое выделяется из недр Земли.
Эта оценка поможет в изучении лежащих под нами слоев Земли. Поверхность нашей планеты излучает около 46 тераватт тепла, которое вырабатывается двумя источниками. Один из источников – это радиоактивные распады, образующие «радиогенное» тепло; второй – «первичный» источник тепла, который остался со времени образования Земли, когда происходили многочисленные столкновения частиц и железо постепенно погружалось в ядро. Если мы измерим тепловой поток на поверхности от каждого из этих источников, то сможем воспроизвести довольно точную картину строения Земли.