Радіус нашої планети перевищує 12 700 км, а найглибша свердловина, яку людству вдалося пробурити (Кольська надглибока свердловина), має глибину всього лише 12,2 км, тобто в тисячу разів менше. Вчені мають менше інформації про глибини Землі, ніж про далекий космос. Однак це не заважає їм будувати свої теорії про її будову. З яких же шарів складається Земля?
Обсяг планети можна порахувати, знаючи її радіус. Її масу можна розрахувати на основі величини сили тяжіння, орбіті Землі і її взаємодії з іншими небесними тілами. Знаючи обсяг і масу, можна оцінити і щільність земної кулі, яка виявляється рівною 5515 кг/куб. м. При цьому середня щільність речовини на поверхні планети значно нижче (3000 кг/куб. м), тому можна припускати істотне збільшення цього показника на великих глибинах.
Вчені при аналізі структури Землі і спираються на дані наукових експериментів, в ході яких моделюються умови в центрі планети (високий тиск і щільність). Так, щільність залізо при тиску в мільйон атмосфер збільшується в 1,3 рази за рахунок більш щільного розташування атомів в кристалічній решітці.
Ще одним джерелом інформації про будову планети є аналіз сейсмічних хвиль під час землетрусів. У 1909 році геофізик Мохоровичич виявив, що при неглибоких землетрусах утворюється не один, а кілька акустичних сигналів, що дозволило припустити існування різкої межі між корою і мантією, відомої як поверхня Мохоровичича.
Під час вивержень вулканів з глибин Землі на поверхню потрапляють цінні для дослідження зразки матеріалу. Нарешті, навіть дослідження інших планет земної групи (Меркурій, Венера, Марс) допомагають краще зрозуміти процеси, що проходять в наших надрах, адже ці планети і Земля формувалися в результаті схожих процесів.
Верхній шар планети називають земною корою. Її товщина варіюється від 5 до 35 км, причому під океанами вона істотно тонше. Існують оцінки, згідно з якими її товщина може доходити і до 70 км Під нею розташовується верхня мантія, яка простягається до глибини 60 км. Нижня ж частина мантії доходить до позначки 2890 км. Окремо геофізики виділяють шар, який називається астеносферою (100-200 км).
Під мантією, розташовується ядро. Його поділяють на зовнішню рідку частину (до глибини 5150 км) і внутрішню тверду.
Вважається, що у Венери і Марса (але не у Меркурія) також є верхній шар кори, схожий з земним. Однак на Землі виділяють два види кори: континентальний і океанічний. Континентальна кора значно давніша, вік її порід може досягати мільярдів років. Вона складається з трьох шарів. Верхній утворений гірськими породами, середній – гранітами і так званими гнейсами, а внизу розташовуються грануліти і подібні їм породи.
Океанічна кора постійно оновлюється. Вона утворюється в центрах сучасних океанів в місцях, які називають серединно-океанічними хребтами. Переміщаючись звідти в різних напрямках, вона зникає в зонах субдукції, розчиняючись в мантії. Вік океанічної кори не перевищує 140-150 мільйонів років. Також її товщина значно нижче і, за деякими оцінками, становить 5-10 км. Саме тому перша спроба пробурити земну кору була зроблена 1961-1966 р. в Тихому океані (проект «Мохол»).
Цікаво, що більшу частину земної кори утворює незначну кількість елементів. Найпоширенішими з них є:
На інші елементи сумарно припадає приблизно 1% речовини земної кори.
Вважається, що в деяких місцях мантія залягає на глибинах всього в 30 км, проте досягти її досі не вдалося. Кордон між мантією і корою називають поверхнею Мохоровичича. В ній фіксує різке зростання швидкості сейсмічний хвиль, а також там має відбуватися і такий же різкий ріст щільності речовини.
Мантію поділяють на верхню і нижню. Межа між ними проходить на глибинах 410-670 км і носить назву шар Голіцина. У ньому спостерігається структурна перебудова речовини мантії.
Мантія знаходиться в рідкому агрегатному стані, проте це не означає, що вона схожа на воду. Вона відрізняється величезною в’язкістю, в квадрильйон раз перевищує в’язкості піску. На мантію, що тягнеться до глибини 2900 км, припадає приблизно 80% обсягу Земної кулі. Також вона відрізняється від земної кори хімічним складом. Частка алюмінію в ній нижче, а магнію значно вище. Основними елементами в ній є:
У верхній мантії виділяють шар астеносфери, який більш пластичний, ніж інша частина мантії. Також в ньому нижче швидкість поширення сейсмічних хвиль і вище електропровідність. Саме в ній відбувається переміщення літосферних плит земної кори, що часом викликає землетрусу. За різними оцінками, астеносфера може починатися на глибинах близько 50 км і доходити до позначки 350 км.
Існування ядра було доведено ще в 1897 р. Честь цього відкриття належить Йогану Вихерту. Складається ядро з двох шарів рідкого зовнішнього і твердого внутрішнього, проте в 2015 р. геолог Сяодунь Сун обґрунтував версію, що в зовнішньому ядрі можна виділити третій шар.
У зовнішньому ядрі температура змінюється від 4400°С на глибині 2900 км до 6100°С на глибині 5150 км В ньому протікають вихрові електричні струми, що веде до утворення у Землі магнітного поля, яке виникає із-за ефекту, відомого як геодинамо.
У внутрішньому ядрі тиск може досягати 375 ГПа, тому що знаходиться там речовина просто не може стати рідиною, незважаючи на величезну температуру в 6400°. Ця частина структури планети виникла не відразу, а 2 млрд (за деякими оцінками, тільки 500 млн років тому. Це пов’язано з поступовим охолодженням Землі. Згодом внутрішнє ядро збільшується в розмірах.
Хімічний склад ядра сильно відрізняється від мантії. Близько 85% його маси припадає на залізо, 6% – на кремній, ще 5% – на нікель. Це приблизні цифри, так як точний склад визначити неймовірно складно. Можливо, що в ядрі присутні значні частки сірки, кисню, вуглецю, фосфору і водню.
Передбачається, що Земля утворилася з безлічі протопланет, які із-за сили тяжіння поступово притягувалися один до одного. Спочатку вона була повністю рідкою. При цьому в ній відбувалися характерні для рідини процеси – більш важкі елементи занурювалися глибше, а більш легкі піднімалися на поверхню. Так, за приблизно 10 млн років утворилося залізне ядро Землі. Існує версія, що раніше там було значно більше радіоактивних металів, але вони розпалися з часом. Після закінчення активної фази планетообразования Земля почала повільно остигати, в результаті чого верхній шар затвердів, і утворилася земна кора.