Ударят часы на башне
Игрушечного Кремля,
И вспомнит свой день вчерашний
Планета-музей - Земля...
Ю.Н.
Спокойного
не ведал Солнца я
ни в ледниковые века, ни позже. Нет!
В волдырях,
в ожогах,
в сползшей коже жил эту жизнь,
летя вокруг тебя.
Семён Кирсанов
Земля удалена от Солнца в среднем на 149 600 000 км. Это расстояние называется астрономической единицей (а.е.). Свет, имея скорость 299 792 км/с, преодолевает это расстояние за 500 секунд, то есть примерно за 8 минут. Значит, с Земли мы видим события, происходящие на Солнце, с опозданием на 8 минут.
Орбита Земли почти круговая (эксцентриситет - 0,017). И всё же северной зимой Земля находится на 3,3% ближе к Солнцу, чем южной зимой. Облучение интенсивней северной зимой на 6,9%
Земля движется по этой орбите со скоростью 29,79 км/с и проходит путь вокруг Солнца за один год (365,26 суток).
Плоскость земной орбиты называется плоскостью эклиптики и примерно соответствует усреднённой плоскости Солнечной системы (большинство планет отклоняются от этой плоскости только на 1 - 3 градуса, и только Меркурий и Плутон вносят разнообразие - 7 и 17 градусов).
Период обращения Земли вокруг оси составляет 23 часа 56 минут, но из-за движения Земли по орбите от одного до другого солнечного восхода проходит 24 часа, причём не точно 24 часа, а в среднем 24 часа, так как орбита Земли не строго круговая.
Полярная ось Земли наклонена к эклиптике на 23,5 градуса. Поэтому характерна смена времён года.
Диаметр Земли - 12 756 км. Масса принята за единицу (5,98*1021 тонн). Плотность - 5,52 г/см3 (во столько раз тяжелее воды).
В центре Земли при температуре 5800 градусов Цельсия находится твёрдое железное ядро с относительно тонкой оболочкой из жидкого железа на расстоянии 3 000 км от центра планеты [Блоксхам, Габбинз, 1990]. Наличие жидкого ядра доказывается тем, что эта область Земли не пропускает поперечные сейсмические волны, то есть волны сдвига, а продольные сейсмические волны, или волны сжатия, здесь резко замедляются [Жарков, 1983]. Из-за быстрого вращения планеты железный океан течёт, и из-за этого течения возникает мощное магнитное поле нашей планеты (самоподдерживающийся механизм: получая энергию от тепловых ядерных реакций и вращения Земли, железо течёт в уже существующем магнитном поле; от этого рождается электрический ток, который рождает магнитное поле, усиливающее магнитное поле всей планеты). Течения в ядре вызываются конвекцией: более горячее и лёгкое вещество всплывает и по инерции начинает отставать от вращения планеты, то есть дрейфовать на запад. Скорость дрейфа должна составлять примерно 1 мм в год [Жарков, 1983].
Над ядром находится мантия из твёрдого, но достаточно пластичного вещества, которое способно медленно течь, образуя мантийные струи (1320 - 1360 градусов Цельсия в верхней части). Мантия жидка для тысячелетних нагрузок и тверда для сейсмических волн и приливов. Сейсмически выявлены несколько слоёв мантии с разными свойствами.
Ещё выше находится отделённая поверхностью Мохоровича земная кора из относительно лёгких пород. Земная кора не текуча, но способна под действием или мантийных струй, или прочих причин разрываться в каких-то местах и сминаться в складки в других местах, образуя горы. Под материками толщина земной коры составляет 30 - 70 км, под океанами - 3 - 10 км [Энциклопедический словарь, т.1, 1963]. Земная кора состоит из верхней осадочной оболочки, под которой лежат гранитный слой (отсутствует в океанических впадинах) и более плотный базальтовый слой. Земную кору ещё называют литосферой [Энциклопедический словарь, т.1, 1963], но в сводке В.Н.Жаркова [1983] эти термины не рассматриваются в качестве синонимов: континентальная литосфера с корой примерно в 35 км составляет в толщину 200 км, а океаническая литосфера с корой в среднем в 6 км составляет в толщину 80 км, то есть литосфера - это более широкое понятие, чем земная кора, и включает также подкорковую зону.
Из-за тонкой твёрдой коры, вязкой мантии, жидкого ядра и эллипсоидальной формы Землю иногда образно сравнивают с яйцом, сваренным всмятку.
Земля - единственная планета Солнечной системы, где в большом количестве имеется жидкая вода (а не только в виде льда или пара). Вода пребывает в непрерывном движении и круговороте (океанические течения, испарение, дожди, течение рек).
Земля окружена атмосферой из азота (77 %) и кислорода (21 %). Два процента приходятся на водяные пары и другие газы, в том числе углекислый, который убивает жизнь в больших количествах, но необходим в малых количествах. Углекислый газ участвует в теплорегуляции земной атмосферы за счёт парникового эффекта. Важна также примесь в верхних слоях атмосферы озона, задерживающего опасные для всего живого ультрафиолетовые лучи. Воздух находится в непрерывном движении (циклоны, антициклоны, пассаты, муссоны и т.п.).
В атмосфере различаются тропосфера (8 - 9 км у полюсов, 11 км в умеренных широтах, 17 - 18 км в тропиках), тропопауза, стратосфера, стратопауза, мезосфера (50 - 30 км, озоносфера), ионосфера (до 300 км, метеоры, полярные сияния), экзосфера с двумя радиационными поясами - внутренним (500-10000 км, опасней, но пересекается космическими кораблями за 30 минут, что не опасно), внешний (до 100 000 км) [Улубеков, 1984 и др.]. Магнитные пояса состоят из заряженных частиц солнечного ветра (протонов и электронов), схваченных магнитным полем Земли и образующих структуру в виде двух "бубликов". Часть частиц отклоняется к полюсам Земли, где они вызывают полярные сияния и т.п. явления. При ослаблении магнитного поля Земли эти частицы начинают бомбить всё живое на планете (как и ультрафиолетовые лучи, с которыми их, однако, никак нельзя путать). Солнечный ветер (поток заряженных частиц, летящих от Солнца) сильно влияет на магнитосферу Земли и во время усиления солнечной активности частично "сдувает" её на противоположную от Солнца сторону планеты в виде длинного "хвоста". Озоносфера особенно тонка близ полюсов, где иногда образуются озоновые "дыры" (вследствие промышленного загрязнения атмосферы и естественных причин, в том числе извержений вулканов; попавшие в атмосферу химически активные частицы взаимодействуют с озоном). В образовании озоновых "дыр" в какой-то степени могут быть повинны сверхзвуковые самолёты и даже обычные лайнеры арктических рейсов [Самолёт - враг озоносферы, 1998], а также ракеты [Ракеты "дырявят" озоносферу, 1998]. Рассматриваются и возможные естественные причины "дыр" - образование обособленных "воронок" холодного воздуха [Стратосферный озон, 1993; Естественные причины возникновения озонной дыры, 1998]. Возникать эти "дыры" могут только над холодными частями планеты. Они особенно характерны для Антарктиды, но небольшая "дырочка" недавно найдена над Гренландией [Озоносфера..., 1989; "Озонная дыра"..., 1992].
Атмосферные явления нашей планеты мы до конца не знаем. Например, недавно были открыты вспышки на высоте 60 км фронтом по ширине от 10 до 50 км над Африкой и Тихим океаном. Они бывают примерно 100 раз в год. Радиоизлучение этих вспышек в 10 000 раз мощнее молний. Лётчики и раньше сообщали о них, но им не верили. Вспышки открыты американским спутником, предназначенным для регистрации ядерных взрывов (Открыто новое атмосферное явление, 1994). С недавних пор различаются три типа высотных вспышек: "феи" (иначе - "домовые"), "эльфы" и "синие струи" ["Эльфы", "феи"..., 1997], причём речь, кажется, идёт о вспышках вне Африки и Тихого океана. "Феи" бывают на высоте 50 - 90 км. Они мгновенные и красные. Возможно, связаны с космическими лучами, возмущающими ионосферу. "Эльфы" характерны для высот в 85 - 105 км. Они тоже красные, но кольцеобразные. Обычно бывают после вспышек молний в грозовых тучах под ними, но иногда наблюдаются вместе с "феями". Связаны со всплесками радиоволн, вызванными молниями и т.п. явлениями. Это словно круги от камешков на поверхности пруда, но радиоволновой природы. Механизм свечения "фей" и "эльфов", видимо, сходен: радиоимпульс в ионосфере ускоряет электроны, которые сталкиваются с молекулами азота и заставляют их излучать красный свет. "Синие струи" ниже других подобных явлений, они как бы стекают с грозовых туч, но это не молнии. Интересно, что какие-то вспышки наблюдались и на Венере, но природа их не была понята (см. выше). Наверное для того, чтобы понимать происходящее на других планетах, надо сначала досконально изучить Землю.
Мы же пока до конца не поняли даже наши "родные" полярные сияния. Ещё в 1900-х годах участники полярных экспедиций отмечали, что эти сияния часто повторяют линию побережий, но им не верили, так как объяснить это было трудно. В 1996 г. американский спутник "Polar" подтвердил существование явления, но причина его по-прежнему не ясна [Полярное сияние повторяет линию побережий, 1998].
Огромные светящиеся объекты (так называемые НЛО) наблюдались и в нижних слоях атмосферы. Например, в 4 часа утра 20-го сентября 1977 г. над Петрозаводском по направлению к Ладожскому озеру по сложной траектории проплыла "звезда" из ярко-белой центральной оболочки и менее яркой голубоватой области. Она была видна от Эстонии до Мурманска в течение 20 минут. Из центра вырывались снопы света. Излучение пульсировало и сменило цвет от зелёного к голубому и далее к красноватому. Интересно, что как раз в 4 часа утра вблизи этих мест с космодрома Плесецк был запущен спутник Земли "Космос-955", а на Солнце наблюдалась уникальная по силе вспышка, и, значит, на Земле была магнитная буря. Аналогичное сочетание событий было и в случае с некоторыми другими НЛО. Высказывается предположение, что подобные НЛО - это плазменные образования солнечно-магнитосферного происхождения, стимулированные техногенным воздействием, а кажущаяся немотивированность их движения связана с тем, что человек не ощущает скачкообразных изменений направленности и напряжённости электромагнитного поля [Авакян, Ковалёнок, 1992].
Не до конца изучены и "простые" молнии. Только недавно, например, выяснилось, что 85% молний разряжаются над сушей, которая занимает далеко не большую часть поверхности планеты. Эти данные получены японо-американским спутником "TRMM" в ноябре 1997 г. [Спутник считает молнии, 1999]. Грозы характерны для летнего периода, а летом суша значительно теплее моря. Большие перепады температур способствуют мощным конвективным течениям атмосферы. Ветер поднимает заряженные ледяные кристаллики, чем способствует появлению электрически заряженных участков атмосферы.
Атмосфера тесно связана с планетой в целом. Так, например, через каждые 3 - 5 минут по всему Земному шару, как по гудящему колоколу, пробегает волна, которая регистрируется современными чуткими сейсмографами. Оказалось, что землетрясения к этому явлению не причастны, и волну создаёт трение движущихся воздушных потоков о поверхность планеты [Земля "звенит", 1998]. Свободные сейсмические колебания возникают из-за изменений атмосферного давления и имеют годичные вариации с пиком интенсивности в июле-августе. Имеется резонанс между колебаниями поверхности и свободными акустическими колебаниями атмосферы [Колебания недр Земли и её атмосферы, 2000].
В железный океан на поверхности ядра вонзаются перевёрнутые горы относительно твёрдого мантийного вещества, из-за которых движение жидких железных струй усложняется, становится неравномерным [Блоксхам, Габбинз, 1990]. Это приводит к непрерывным изменениям напряжённости магнитного поля, к отклонениям магнитной оси от оси вращения планеты, а также к блужданию магнитных полюсов. Изменения магнитного поля особенно хорошо изучены за последние 300 лет [Блоксхам, Габбинз, 1990]. Известно также, что магнитное поле за долгую историю нашей планеты неоднократно ослабевало до нуля и меняло знак. По вмороженным в горные породы силовым линиям магнитного поля вроде бы даже установили, что магнитное поле меняло знак с периодичностью в 285 и 34 миллиона лет, с чем пытались связывать периоды массового вымирания живых существ на планете из-за космических лучей (эти губительные для всего живого лучи способны достигать земной поверхности только в моменты отсутствия у Земли магнитного поля). Один из этих периодов даже попытались связать с периодом обращения Солнечной системы вокруг центра Нашей Галактики [Спор об обращениях магнитного поля Земли, 1989]. Тем не менее, есть публикации, в которых утверждается, что смена магнитных полюсов происходит нерегулярно, хаотично, в интервалы от 100 тысяч лет до 1 миллиона лет. Есть указания, что продолжительность эпох одной полярности в новейшее геологическое время составляла 200 000 лет, а в древнее время - 1 000 000 - 10 000 000 лет [Жарков, 1983], но какие-то из древних изменений могли быть не замечены. В общем, этот вопрос нельзя считать решённым. Чередующиеся геомагнитные эпохи различаются по преобладающей направленности геомагнитного поля, а внутри эпох выделяются эпизоды с противоположной полярностью.
Важны не только полные повороты магнитного поля, но и колебания его мощности. Примерно с середины 19-го века мощность уменьшается на 0,05% в год, и, если тенденция сохранится, поле должно исчезнуть через 2000 лет [Жарков, 1983]. Но вероятно, этого не произойдёт, так как мы имеем дело с какими-то постоянными колебаниями магнитного поля. Обычно поле менялось вокруг средней величины, близкой к современной. Вроде бы выявлены периоды таких колебаний: 550, 700, 1200, 1800, 7000, 8000 лет...
Магнитное поле Земли может меняться не только от "перевёрнутых" мантийных гор. Есть, например, предположение, что даже крупный метеорит может его изменить [Земля..., 1990]. В случае падения такого метеорита поднимается облако пыли. Да ещё пожары начинаются на целом континенте. Пыль и дым заслоняют солнце, и происходит похолодание на всей планете. Тогда на полюсах намерзает много льда, и Земля, согласно закону сохранения количества движения, начинает вращаться ускоренно. Жидкое железо на поверхности ядра отстаёт от ускорившейся планеты, из-за чего увеличивается хаотичность движения железных струй. А это ослабляет магнитное поле, и, как указывают авторы гипотезы, изменение поля может произойти вплоть до его поворота.
Земной шар на несколько километров сплюснут у полюсов, то есть это, строго говоря, не шар, а эллипсоид вращения (или ещё точнее - геоид). Сплюснутость выражается и в ширине атмосферных слоёв (см. выше). Есть и другого рода отличия от строгой шарообразности. Так, например, почти половина поверхности Земного шара занята Тихим океаном, а материки сконцентрированы, в основном, на противоположном полушарии.
Температура на поверхности Земли бывает в интервале от минус 88,3 градусов Цельсия (Антарктида) до плюс 57,8 градусов Цельсия (Мексиканское нагорье). Очень низкие температуры зафиксированы также в Оймяконе (-77,8) и Верхоянске (-67,8) (обе точки в России), очень высокие - в Долине Смерти в США (56,7) и на плато Стюарт в Австралии (55).
Температура в недрах Земли гораздо выше. Энергия выделяется при распаде атомных ядер радиоактивных элементов. Накопившееся тепло постепенно выходит наружу, вызывая движение мантийных струй и материков [Хауэлл, 1986; Хаин, 1995; Пущаровский, 1995]. Дело в том, через тонкую океаническую кору (6 - 7 км) внутреннее земное тепло легче покидает планету, чем через материковую кору (порядка 50 км). Средний тепловой поток в океанах - 1,51 мккал/(см2.с), на континентах - 1,41 мккал/(см2.с) [Жарков, 1983]. Тепло скапливается под самыми большими материками. При нагревании вещество мантии под материком расширяется и становится легче, чем было. Поэтому оно начинает медленно подниматься вверх, всплывать. Возникает восходящая мантийная струя (скорость всплывания вещества порядка нескольких сантиметров в год или даже меньше). Мантийная струя "бьётся" о материковую кору и начинает растекаться под материком во все стороны, увлекая за собой и материковую кору. Материк раскалывается, и его фрагменты начинают постепенно расходиться в разные стороны, а между ними раскрываются новые океаны. Интересно, что тепловыделение Земли на 40% определяется радиоактивным распадом в самой коре, а более глубокое тепло за прошедшие миллиарды лет ещё не успело выйти наружу, и Земля за всё время в среднем остыла только на 800 градусов Цельсия [Жарков, 1983]. Впрочем, из-за открытия конвективного переноса тепла эти цифровые данные, возможно, будут пересмотрены. В той же сводке В.Н.Жаркова [1983] есть указание, что теплопоток из коры составляет 40 % лишь на материках, а в океанах почти всё тепло поступает из мантии.
Материки движутся вместе с какой-то частью океанического дна, образуя единую литосферную плиту [Пущаровский, 1995 и др.]. Сейчас на Земном шаре можно насчитать от 7 до 11 - 12 литосферных плит, если пренебрегать или не пренебрегать несколькими "маленькими" самостоятельно действующими блоками - Аравией, Центральной Америкой и др.
Африканская плита практически покоится. Большинство плит движутся со скоростью 2 см в год, то есть относительно медленно (Северо-Американская, Евразийская, Аравийская, Южно-Американская, Антарктическая и, возможно, Карибская?). Со скоростью 6 - 9 см в год движутся плиты с протяжёнными границами субдукции, то есть частично утонувшие плиты (Кокос, Наска, Филиппинская, Индийская) ["Скоростная" тектоническая плита, 1997]. Индостанская и Евразийская плиты сейчас сталкиваются со скоростью 5,5 см/год [Самая высокогорная обсерватория, 2002]. Наиболее быстрое движение свойственно в настоящее время Тихоокеанской литосферной плите в районе острова Пасхи - 15 см/год ["Скоростная" тектоническая плита, 1997].
Можно сделать ряд обобщений:
чем большая площадь плиты занята материком, тем медленнее движется плита относительно мантии;
чем больше относительная длина границ поглощения, тем больше их скорость;
чем ближе плита к экватору, тем она быстрее движется, то есть вращение Земли тоже имеет значение в механизме тектоники плит [Жарков, 1983].
Расходящиеся "обломки" материков когда-то и где-то (например, на противоположной стороне Земного шара) вновь собираются вместе. Возникает новый большой материк или даже сверхматерик, собранный из всех материков, и процесс повторяется снова. Цикл занимает примерно 500 миллионов лет (200 - движения материков друг к другу, 100 - существования единого сверхматерика Пангеи, 200 - расхождения материков). Достоверно, что материки на Земном шаре не менее двух раз собирались воедино (Пангея-I и Пангея-II) [Хаин, Божко, 1989; Мерфи, Нанс, 1992]. Есть и нисходящие мантийные струи, или противоструи (под океаном или под недавно "собравшимся" большим материком, пока тепло ещё не накопилось под ним). В настоящее время (последние 200 с лишним миллионов лет) восходящая мантийная струя "бьётся" в Африку, куполообразно вспучивая этот континент. Поэтому в Африке (особенно в её центре - посмотрите в географический атлас!) почти нет длинных горных хребтов вроде Анд или Гималаев, но зато вся она приподнятая. Африка - центр бывшего сверхматерика Пангея-II. 180 миллионов лет назад Пангея-II раскололась, сначала образовались Гондвана (южный сверхматерик) и Лавразия (северный сверхматерик), которые потом тоже раскололись, и во все стороны разбежались современные материки и их части: Южная Америка, Австралия, Антарктида, Индия (части южного сверхматерика), Северная Америка, Восточная Европа и Сибирь (части северного материка) [Хаин, Божко, 1989]. Они всё ещё продолжают разбегаться в разные стороны, а сама Африка всё ещё продолжает раскалываться. Новые трещины - пролив у Мадагаскара, Красное море, разлом с озёрами Танганьика и Ньяса. Старые трещины - Атлантический и Индийский океаны. В их срединных частях находятся подводные хребты (срединные океанические хребты). Это швы, вблизи которых рождается новая земная кора. Расходящиеся материки обладают спокойным берегом, который обращён к Африке, и бурным противоположным берегом. Там дымят вулканы, растут горы (Кордильеры и Анды в Америке), часто происходят землетрясения. Из-за надвижения материков сокращается и как бы закрывается Тихий океан, опоясанный Тихоокеанским вулканическим кольцом (местом столкновения литосферных плит). Где-то под Тихим океаном или под юго-восточной частью Евразии имеется нисходящая струя [Хаин, 1995]. Здесь сталкиваются обломки материков. Сравнительно недавно отколовшаяся от Африки Индия, закрыв океан Тетис и раскрыв часть Индийского океана, столкнулась с Евразией и продолжает вдавливаться в этот новый сверхматерик. В результате этого образуется складка - постоянно растущие горы Гималаи. При столкновении материков более тяжёлый из них тонет и в 2 этапа уходит в глубины мантии к ядру Земли (холодная литосферная плита погружается на 570 км до границы верхней и нижней мантии, задерживается здесь на 100 - 400 миллионов лет, а потом быстро тонет до границы мантии и ядра), а более лёгкий материк выпячивается вверх в виде горного хребта [Хаин, 1995]. В Азии много вытянутых горных систем (Саяны, Алтай, Тянь-Шань, Алай, Нань-Шань, Куньлунь и другие). Всё это следы столкновения материковых пар, из которой один материк (или огромный материковый остров вроде направившегося вслед за Индией Мадагаскара) утонул, погрузился в глубины мантии. Аравийский полуостров, отколовшийся от Африки позднее Индии, сейчас со скоростью 3 см в год вдавливается в Азию, и от этого растёт Кавказ, происходят землетрясения. Многие более мелкие "кусочки" пересекли Средиземное море (остатки океана Тетис) и образовали горные складки в Европе [Казьмин, 1989]. Одна из самых молодых складок - Альпийская (Альпы, Карпаты, Крым, а также упоминавшийся Кавказ). Отголоски землетрясений в Карпатах мы иногда ощущаем и в Москве в виде толчков силой 1 - 3 балла [Никонов, 1997]. Атлантический океан между Африкой и Америкой открылся 180 миллионов лет назад (открыто Вегенером в 1912 г.) и по прогнозам будет расти ещё 20 миллионов лет (до возраста в 200 миллионов лет), а потом начнёт закрываться. За последние 2 миллиарда лет могло возникнуть и исчезнуть около 20 океанов [Хауэлл, 1986]. Материки разрываются также из-за быстрого вращения планеты, хотя это и не главная причина [Мерфи, Нанс, 1992]. В общем, мы обитаем на геологически бурной планете, лик которой непрерывно преображается. Скорость этого преображения значительно больше, чем на Венере.
В движении материков, наряду с упорядоченностью, наблюдается и хаотичность из-за того, что во многом хаотичны конвективные струи горячего и холодного вещества в мантии, то есть многие геодинамические процессы нелинейны [Пущаровский, 1998]. Восходящая и нисходящая струи могут быть и не в строго противоположных частях планеты (первая под Африкой, вторая под Азией). За счёт этого, возможно, поддерживается асимметрия планеты: в одном полушарии - Тихий океан, в другом - материки; на севере больше материков, на юге - воды и т.д.
Движение мантийных струй - не единственный механизм тектоники плит. Тяжёлая и частично утонувшая часть плиты может увлекать за собой всю остальную плиту и даже приводить в движение мантию. В местах столкновения материковых и океанических плит ожидали обнаружить силу сжатия, а оказалось растяжение [Жарков, 1983]. Значит, важна сила тяги холодного и тяжёлого погружающегося в мантию блока. Остальные же плиты просто расталкиваются тонущими соседями. Этим объясняется качественная разница в скоростях движения двух групп плит. Получается, что отодвинувшаяся от срединного океанического хребта и остывшая литосфера, которая тонет, - это основная движущая сила тектоники плит [Жарков, 1983]. Автору этой работы думается, однако, что речь всё-таки идёт о деталях механизма тектоники плит, а не об основной движущей силе, и прежние авторы, указывая на тепловую конвекцию в мантии, были ближе к истине. Так можно в мыльной воде создать рукой сложную структуру вертикальных и горизонтальных течений, при которой будут области быстрых течений ("океаническая кора") и тихие области, где скопились мыльные пузыри ("материки"), быстрые струи будут обладать некоторой инерцией и влиять на тихие области, формируя их, но движущей силой будет рука, а не тонущие быстрые струи.
Погружающаяся плита сначала быстро "падает", а потом тормозится на глубине порядка 700 км и испытывает сжатие [Жарков, 1983].
Тектонические перемещения материков - не единственные крупномасштабные движения поверхностного вещества на Земле. Так, например, в конце 1990-х годов был открыт гигантский оползень на дне Чёрного моря [Казанцев, Кругляков, 1998]. Блок площадью 200 км2 и толщиной 200 м (примерно 40 кубических километров) переместился на 22 км с глубины 1500 - 1950 м на глубину 1950 - 2050 м. Видимо, такое перемещение произошло не мгновенно (а то было бы сильнейшее землетрясение с цунами), но всё же за ограниченное число лет, то есть гораздо быстрее, чем перемещаются материки. Не сходное ли перемещение вещества описано на Венере как не имеющее аналога на Земле?
Горы на Земле имеют различную природу. Они воздымаются в виде плоскогорий в местах, где вверх "бьёт" мантийная струя (в Африке), выпячиваются в местах столкновения материков и материковых островов (Гималаи, Кавказ, Карпаты, Альпы, а в далёком прошлом - Урал, Аппалачи), возникают в виде складки на переднем краю движущегося материка (Анды и Кордильеры в Америке, Большой Водораздельный хребет и Австралийские Альпы в Австралии), оконтуривают разломы "трескающихся" материков (вблизи озёр Ньяса и Танганьика в Африке), вырастают с океанического дна в виде срединных океанических хребтов (например, в Атлантическом океане). Они имеют самый разный облик, в том числе в виде параллельных хребтов (как иногда на Венере). Средняя скорость роста гор - 0,6 мм/год, рекордная - 9 мм/год (Гималаи) [Никонов, 1988]. Есть, правда, указание, что плато Путорана в Сибири растёт со скоростью 11 мм/год [Пармузин, 1988].
Притяжение не везде на Земле абсолютно одинаковое. Есть небольшие отклонения, вызванные флуктуациями плотности в коре и мантии. Интересно, что горы не вызывают подобных отклонений, то есть не притягивают больше, чем равнины. Это объясняется тем, что горы скомпенсированы уменьшением плотности под ними. То есть горы как бы плавают в коре, как айсберги, имея уходящие вглубь "корни" [Жарков, 1983]. Отсюда можно сделать вывод, что выветривание, которое переносит горный материал в понижения, должно нарушать сложившееся равновесие, а поэтому горы из-за выветривания могут слегка подрастать, как бы всплывать. Если перенести эти рассуждения на возвышенности и низменности, то станет понятным, почему, например, Теплостанской возвышенности в Москве соответствует прогиб фундамента и почему эта возвышенность, подтачиваемая рекой Москвой и другими реками, продолжает слегка расти относительно окружающей местности (предположения автора).
С движением материков, то есть с тектоникой литосферных плит, тесно связан карбонатно-силикатный геохимический цикл, имеющий значение в масштабах всей планеты [Кастинг и др., 1988]. Из-за "неисправностей" этого цикла на Венере, например, нет жизни. Суть карбонатно-силикатного цикла в круговороте углерода и поддержании в земной атмосфере постоянного процентного содержания углекислого газа, который необходим для жизни в малых количествах и смертельно ядовит в больших количествах. Кроме того, углекислый газ, когда он в больших количествах, вызывает перегрев планеты из-за парникового эффекта (солнечные лучи на 20% всё же проникают к твёрдой поверхности Венеры, а приносимое ими тепло почти не может покинуть планету и накапливается). Излишки углекислого газа непрерывно вымываются из земной атмосферы дождями (углекислый газ растворяется в дождевых каплях, превращаясь в угольную кислоту) [CO2 + H2O -> H2CO3]. Угольная кислота, падающая с неба, разрушает кальциево-силикатные горные породы [CaSiO3 + 2 H2CO2 -> Ca++ + 2 HCO3- + H2O + SiO2]. Ионы кальция и гидрокарбоната (известь) смываются грунтовыми водами, ручьями и реками в море. Там известь усваивается морскими живыми организмами, строящими из неё свои раковины и внутренние скелеты [Ca++ + 2 HCO3 -> CaCO3 + вода + растворённый в воде углекислый газ]. При отмирании живых организмов их известковые раковины и скелеты падают на дно, образуя карбонатные осадочные породы (известняки или доломиты, если есть примесь ионов магния). Если бы не было жизни, известь сама бы оседала на дне морей, но это происходило бы при чуть более высокой её концентрации в морской воде. Далее эти известковые породы при столкновении материков попадают на большие глубины, где при высоких температурах соединяются с кремнезёмом и образуют силикаты и углекислый газ [CaCO3 + SiO2 -> CaSiO3 + CO2]. Углекислый газ через срединные океанические хребты (где возникает молодая кора) и через вулканы по краям литосферных плит выход наружу в атмосферу. Карбонатно-силикатный цикл поддерживает умеренную температуру воздуха на планете.
Механизм буферного эффекта температуры воздуха:
ниже температура воздуха - меньше испарение влаги - меньше облаков и туч - меньше дождей - углекислый газ не вымывается из атмосферы - парниковый эффект - выше температура воздуха;
выше температура воздуха - больше испарение влаги и т.д.
Интересно, что температуру воздуха на Земле теперь может поднять не только дополнительный углекислый газ, выделяемый заводами, фабриками и котельными, но и фтороформ, образующийся в процессе производства. По парниковому эффекту он в 10 000 раз превосходит углекислый газ (Фтороформ - мощный парниковый газ, 1999), по другим данным - в 22000 раз [Ещё один опасный..., 2001]. К числу парниковых газов относится и метан, концентрация которого в атмосфере за два последних века всё время увеличивалась, хотя в последнее время темпы накопления снизились [Поступление метана в атмосферу замедлилось, 2000]. Другие парниковые газы - N2O, SF5CF3 (трифторметилпентафторид серы) [Ещё один опасный, 2001].
Возможные "поломки" карбонатно-силикатного цикла:
нет тектоники плит, и известь не превращается в углекислый газ атмосферы, вся сосредоточена в горных породах (Марс, переохлаждение);
нет воды, которая смывает углекислый газ из атмосферы, и он накапливается в атмосфере (Венера, перегрев).
Из-за тектоники плит климат на Земле постоянно меняется. Так, например, тектонический подъём Тибета и гор на западе Америки сделал климат 40 миллионов лет назад контрастнее, чем до этого. Юг стал ещё теплее, а Север ещё холоднее [Роддимен, Куцбах, 1991]. Выпавший на севере снег отразил солнечное тепло обратно в Космос, и на всей планете похолодало [Межледниковое потепление началось и закончилось внезапно, 1998]. Имело значение также увеличение площади тундры по сравнению с вечнозелёным хвойным лесом, который зимой хуже отражает лучи в Космос [Новая модель начала оледенения, 1997]. В сочетании с другими причинами (опреснение Северного Ледовитого океана реками, поворот океанических тёплых и холодных течений из-за изменения солёности воды) это привело к оледенению Северного полушария. Но повернувшие вспять сибирские реки (они не смогли преодолеть ледники и потекли через Аральское, Каспийское и Чёрное моря) дали возможность Северному Ледовитому океану опять осолониться, его холодные солёные струи в виде Лабрадорского течения смогли опять поднырнуть под тёплые струи Северо-Атлантического течения, и оно пошло по поверхности к берегам Скандинавии, и это привело к таянию ледников [Карнаухов, Карнаухов, 1997]. Процесс повторился не менее 5 - 6 раз за последние 700 - 800 тысяч лет [Москвитин, 1964].
Возможен ещё один механизм смены ледниковых эпох межледниковьями. С 1970-х годов известно, что в порах донных окенанических осадков сохраняется большое количество метана в виде газогидратов (метан выделяется при разложении органического вещества в осадочных породах). Газогидраты в 10 раз прочней льда при низких температурах и высоких давлениях, т.е. на глубинах более 500 м, а на поверхности сразу же разлагаются на воду и метан. В разгар оледенения уровень Мирового океана упал примерно на 120 м, что могло привести к освобождению большого количества метана и увеличению парникового эффекта. Бурение ледников Гренландии и Антарктиды показало, что повышение температуры в конце ледникового периода и рост концентрации парниковых газов (метан, диоксид углерода) шли параллелльно друг другу [Газогидраты и конец ледникового периода, 2000]. Таким образом, наша планета обладает различными механизмами обратной связи для поддержания климатического постоянства, но не все из этих механизмов действуют так быстро, чтобы не возникало ледниковых эпох. Есть указание, что на планете существовал 100 000-летний цикл с 20 ледниковыми эпохами и десяти - пятнадцатитысячелетними межледниковьями [Реферативный журнал, биология, общие проблемы, 1994, № 5].
Совокупность гипотез, описанных выше, кажется автору наиболее убедительным объяснением ледниковых периодов. Цикличность ледников обусловлена какими-то внутренними ритмами планеты, а не ритмами Солнца и Солнечной системы. Чтобы, однако, не было иллюзии, что этот взгляд разделяется всеми, приведу цитату из недавно опубликованного обзора по палеонтологии [Рич и др., 1998]:
"Цикличный характер четвертичного периода, возможно, связан с регулярными, незначительными изменениями в форме орбиты Земли относительно Солнца. Это вызывает изменения в количестве и распределении получаемого солнечного тепла. Колебания достаточно большие, чтобы существенно уменьшить количество растаявшего льда... Хотя изменения в форме орбиты Земли могут объяснить, почему ледники наступали и отступали в течение четвертичного периода, они не объясняют, что послужило толчком к первому оледенению... Возможно, в течение кайнозоя температура Земли снизилась... Для объяснения снижения температуры Земли в течение кайнозоя было выдвинуто несколько гипотез. Одна из них основана на сокращении количества тепла, выделяемого Солнцем. К сожалению, никто не придумал, как проверить это предположение. Другая гипотеза основывается на том, что кайнозой и особенно поздний кайнозой - время интенсивного горообразования. Обширная область Земли в этот период была поднята выше, в более холодные климатические зоны [пояса], и это привело к всеобщему понижению температуры. Сторонники третьей теории предполагают, что поскольку континенты переместились в результате тектоники плит, то изменилась циркуляция воздушных и океанических потоков. При уменьшении потока тепла от тропиков к высоким широтам можно ожидать глобальное похолодание климата. Кроме того, изменяющиеся относительные количества суши и моря в различных широтах повлияли на понижение температуры всей Земли. В частности, уменьшилось соотношение отражённой и поглощённой энергии в сторону увеличения отражённого количества. Возможно, все эти факторы вызвали последний ледниковый период." (с.575).
С циклическими изменениями орбиты Земли нет полной ясности, хотя другие планеты и, в особенности, Юпитер должны как-то менять эту орбиту, причём циклически. Указания на то, что орбита нашей планеты когда-то была более вытянутой, а земная ось меньше наклонена, часты в литературе [Новая модель начала эпохи оледенения, 1997]. Согласно гипотезе Миланковича, существуют следующие циклы:
22 тысячи лет - земная ось описывает круг;
41 тысяча лет - наклон земной оси меняется в пределах от 65 до 68 градусов;
100 тысяч лет - смена соотношения длинной и короткой оси эллипса орбиты.
Вроде бы считается, что в последние несколько сотен тысяч лет эти циклы подтверждаются, но есть и противники данной гипотезы [Гипотеза Миланковича оспаривается, 1993].
Последнее оледенение в Северном полушарии спустилось до рек Огайо и Днепр, но некоторые предыдущие могли быть ещё мощнее. Так изучались ледниковые отложения в Южной Африке, поверх которых лежат лавы ледникового периода, и по магнитной ориентации зёрен в лавах установлено, что в протерозое этот район был в 11 градусах от экватора (от магнитного экватора?). Делается вывод, что ледники охватывали Землю от полюсов до экватора. Как же планета освобождалась ото льда, ведь лёд, отражая солнечное тепло обратно в Космос, способствует дальнейшему охлаждению планеты? Предполагается, что главную роль в освобождении ото льда сыграли катастрофы: чрезвычайно мощные извержения вулканов, удары комет, подъём метана со дна. При всех этих явлениях в атмосферу выбрасывается огромное количество углекислого газа, и возрастает парниковый эффект [К истории оледенений Земли, 1998].
Мысль о влиянии на климат внезапных выбросов метана впервые была высказана в 1997 г. австралийским палеоокеанографом Дж. Диккенсом. Сначала из-за небольшого повышения температуры с океанического дна из-за разложения газогидратов выделяется небольшое количество метана. Это приводит к нарушению залегания донных осадков, подводным оползням и выходу наружу значительного объёма метана, что резко повышает температуру на планете и усиливает выброс метана. Такая катастрофа могла произойти 55,5 млн. лет назад, когда вдруг появились виды и роды млекопитающих, сходные с современными. Могло выделиться 15 триллионов тонн метана, который окислился и превратился в углекислый газ. Следы оползней того времени недавно найдены ["Метановая революция"..., 2000].
Так или иначе, но климат всё время судорожно меняется. Например, в Гренландии по колонкам льда установлено, что 8200 лет назад за один год (резко!) на 200 лет наступило похолодание в среднем на 4 градуса Цельсия [Климатические "скачки" прошлого, 1996]. А уже почти в "наши дни" с 1500-го года и по конец XIX века был "малый ледниковый период", когда в Голландии замёрзли каналы, были хуже урожаи и "разбухли" северные ледники, приготовившись к наступлению на юг. Но в конце XIX века почему-то опять потеплело, и новое оледенение не состоялось [Пауэлл, 1992]. Считается, что с глобальным потеплением связано учащение Эль-Ниньо - периодического стремительного потепления вод центральной и восточной областей Тихого океана и атмосферы над ним, сопровождающегося снижением силы пассатов и изменением направления морских течений на обратное, что приводит к штормам в восточной части Тихого океана и засухам в Восточной Африке. Последний приход Эль-Ниньо закончился в 1995 г. и продолжался 5 лет. Он самый долгий в XX веке и, возможно, за 2 тысячи лет [Эль-Ниньо..., 1997]. Механизм Эль-Ниньо следующий: перегрев тропических областей Тихого океана увеличивает испарение воды и ведёт к осолонению верхнего слоя океана, из-за этого растёт плотность воды; когда течение выносит плотную воду из экваториальных широт, океан "опрокидывается", то есть тёплые струи тонут, а холодная вода всплывает вверх [Бялко, 1998]. В России за последние 24 года тоже потеплело [Меняется ли климат России? 1996]. В сторону потепления изменяют климат и вулканы. За 120 лет после почти всех крупных извержений температура на планете повышалась на 0,2 градуса в течение 2 лет, что связано с выбросами углекислого газа и увеличением парникового эффекта [Вулканы изменяют погоду, 1997]. Из-за потепления уровень Мирового океана сейчас повышается в среднем на 1 - 3 мм в год [Угроза затопления..., 1996] и с 1880 по 1985 г. повысился на 2 - 5 см [Мировой океан расширяется, 1988]: происходит тепловое расширение воды и таяние ледников [Уровень Мирового океана поднимается, 1989]. Интересно, что эта тенденция имеет долгую историю: Берингов пролив открылся лишь 11 тысяч лет назад, так как уровень Мирового океана был тогда на несколько десятков метров ниже. Тем не менее, мы не знаем, живём ли мы действительно в послеледниковую эпоху или в одно из кратких межледниковий. Так как межледниковья несколько раз продолжались по 10 тысяч лет, то высказывались предположения, что в третьем тысячелетии после нашей эры льды опять двинутся на юг [Рич и др., 1998]. Есть мнение, что именно ледниковые эпохи заставили человека научиться думать. В "Каменной книге" [Рич и др., 1998] имеется подзаголовок, в котором человек называется продуктом ледникового периода.
В связи с глобальным потеплением площадь плавучих льдов в Северном Ледовитом океане в 1958 - 1978 гг. сокращалась на 3% за 10 лет. При таком темпе воды полностью откроются через 350 лет. Но на самом деле это произойдёт через несколько десятилетий, т.к. мощность льда уменьшается на 7% за 10 лет, толщина льда уже упала с 3,1 до 1,8 м, за 30 лет потеряно 40% объёма льда. Ледовитый океан перестанет отражать свет обратно в Космос, что вызовет дальнейшее потепление [Ледовитый океан - без льдов? 2000].
Из-за глобального потепления горные ледники сейчас во многих местах, как это ни удивительно, наступают: стало теплее и открылась большая поверхность океана, возросло испарение, в результате этого снега выпадает больше, и он не успевает растаять за лето. Кроме того, глобальное потепление, в основном, затрагивает зиму, а не лето. Получается, что на начальной стадии парниковый эффект и глобальное потепление должны привести к росту ледников на суше [Поповнин, 2000]. Реки в такой ситуации будут сбрасывать в тот же Северный Ледовитый океан больше воды, сильнее опреснять его, а это, возможно, приводит к повороту морских течений и внезапному резкому похолоданию (см. выше). Не исключено, таким образом, что резкое потепление предшествует новому ледниковому периоду. В общем, мы не знаем всех последствий резкого изменения температуры на планете, и лучше было бы не выводить природу из равновесия...
Теория тектоники плит появилась только в 1960-е годы XX века, сменив идею геосинклинальных циклов (идею чередования подъёмов и опусканий земной коры в качестве главных её движений). Суть этой теории - преобладание горизонтальных перемещений вещества над вертикальными, то есть материки движутся, а подъёмы и опускания тех или иных участков земной коры происходят из-за бокового давления литосферных плит одна на другую в качестве следствия. Вскоре теория тектоники плит была дополнена концепцией экзотических блоков: материки не цельны, а состоят из отдельных "кусочков", и у каждого из них своя геологическая история [Хауэлл, 1986]. Сейчас появились идеи глобальной геодинамики (материки не только сходятся и расходятся, но также возникают вновь и тонут, погружаясь до ядра планеты), то есть мы живём на планете, где вещество перемешивается и движется во всех направлениях - и вертикально, и горизонтально [Хаин, 1995]. От бурных геологических событий мы защищены только краткостью нашей жизни.
Земля - не обособленный мир и во многом зависит от других небесных тел. Особенно от Солнца, обогревающего Землю, дающего энергию для жизни на этой планете и вызывающего циркуляцию атмосферы (ветры). На Землю влияют также лунные и солнечные приливы, постепенно притормаживающие вращение планеты вокруг оси. Как выяснилось по изучению горных пород-ритмитов в прибойно-приливной зоне, в Протерозойскую эру 900 миллионов лет назад в году был 481 день, и земные сутки длились 18,2 часа, но потом Луна приостановила Землю [День удлиняется, Луна удаляется, 1997]. Приливы охватывают и сушу: раз в сутки Луна приподнимает нас вместе с нашим материком на 30 см. Во время солнечных затмений резко усиливается облачность, иногда начинается дождь [Сурдин, 1999а]. На Землю должно влиять также попадание при её движении по орбите в различные полушария солнечной магнитосферы [Бреус, 1998]. Влияют и вспышки на Солнце, вызывающие магнитные бури и полярные сияния. В дни больших магнитных бурь количество инфарктов миокарда возрастает на 13%, инсультов головного мозга - на 7,5% [Бреус, 1998]. Землю бомбят метеориты, вызывая иногда массовое вымирание тех или иных групп живых существ. Лёгкие газы (водород, гелий) хоть и медленно, но покидают атмосферу планеты. Зато метеоры и метеориты приносят новое вещество. Каждый год Земля получает из Космоса примерно 3000 тонн метеорной и т.п. пыли [Органический "дождь"..., 1992], по другим данным - 10000 тонн. В периоды сближения Солнца с другими звёздами такая "бомбёжка" усиливалась во много раз (см. главу об облаке Оорта). На формирование Земли и других планет в значительной мере повлиял также Юпитер, оттянувший часть исходного вещества.
Одна из важнейших особенностей Земли - жизнь. Жизнь преобразует планету. Благодаря живым организмам (фотосинтезирующим растениям) в атмосфере Земли имеется свободный кислород. На других планетах этот химически активный элемент присутствует, в основном, в виде химических соединений. Кислород создаёт "пожароопасную" обстановку, при которой в любое время могут идти реакции горения и медленного окисления (дыхание, гниение), но именно эта обстановка способствует процветанию жизни. Состоящий из трёх атомов кислорода озон поглощает ультрафиолетовые лучи, предохраняя от них живые организмы.
Недавно следы жизни на Земле были обнаружены в гранитных трещинах на глубине 200 м (следы древних бактерий) [Глубинная биосфера, 1998]. Это нужно учесть при поисках жизни на Марсе, где на глубине может быть теплее, чем на поверхности.
Всё большее значение приобретает разумная жизнь на Земле, которая меняет Землю и вскоре начнёт менять всю Солнечную систему. Тем не менее, пока следы разумной земной жизни из Космоса было бы трудно заметить. Из результатов человеческой деятельности с Марса, например, в телескоп были бы видны только искусственные водохранилища вроде Рыбинского, свечение ночных городов да Великая Китайская стена, но их наличие вполне можно было бы объяснить естественными причинами (озёра, грозы, вспышки вулканов, трещины). Марсианин вполне мог бы воскликнуть: "Да разве может быть жизнь на планете, где такая большая сила тяжести, где недра раскалены из-за ядерных реакций, где всё может загореться и сгореть от малейшей искры, где с неба падает вода, извергаются вулканы, происходят землетрясения, сверкают молнии, гремит гром, проносятся смерчи, и вещество пребывает в постоянном движении, проваливаясь почти до центра планеты!" Однако, именно бурная геологическая и метеорологическая жизнь Земли породили жизнь биологическую и способствовали непрерывной эволюции живых существ, всё время испытывая их на прочность и приспособленность.
|
