Текст книги "Планета Земля. Познакомьтесь с миром, который мы называем домом"

Деградация почв в мире – это медленно надвигающаяся катастрофа. Ученые уже несколько десятилетий предупреждают нас об этом. И постепенно мы начинаем осознавать всю важность проблемы. Ведь почва – это не только площадка для выращивания нашей еды. Один грамм почвы может содержать 100 миллионов бактерий, 10 миллионов вирусов и 1000 грибков. Эта микроскопическая животноводческая ферма является источником почти всех наших антибиотиков и может стать главной надеждой в борьбе с бактериями, устойчивыми к ним. Ухоженная почва может, например, подавлять рост патогенных бактерий.

Почва также может стать нашим неожиданным союзником в борьбе против изменения климата. Нематоды и микроорганизмы, живущие в почве, переваривают останки мертвых животных и растений и блокируют содержащийся в них углерод. Оценки показывают, что почвы мира – даже те, которые находятся в деградированном состоянии, – содержат в три раза больше углерода, чем вся атмосфера. К достоинствам почвы также относятся фильтрация и хранение воды; к сожалению, при деградации почва теряет эти свойства. Согласно отчету правительства Великобритании за 2012 год, деградация почв обходится стране в 233 миллиона фунтов стерлингов в год. Такой ущерб наносится наводнениями, которые происходят по причине этой самой деградации.

Неудивительно, что экологи беспокоятся по поводу находящегося в опасности почвенного слоя на Земле. Хуже всего обстоит дело с сельским хозяйством. Когда разлагаются растения в дикой природе, питательные вещества возвращаются в почву, обогащая ее гумусом. Люди имеют тенденцию не возвращать в почву неиспользованные части собранного урожая; соответственно, питательные вещества в почве не восполняются.

Для того чтобы восполнить потерю питательных веществ, были придуманы разные методы. Например, поля оставляют под паром или при посевах чередуют посевные культуры: разные культуры нуждаются в различных питательных веществах, и тем самым поддерживается баланс почвы. При выращивании гороха и бобов можно даже обогатить землю азотом; корневые клубеньки этих культур содержат специальные клубеньковые бактерии, которые захватывают атмосферный азот и превращают его в легко поглощаемые нитраты.

Но эти методы перестали работать, когда население сильно выросло и сельское хозяйство было механизировано. В начале XX века благодаря процессу Габера – Боша было налажено промышленное производство аммиачной селитры, которая с тех пор стала основным азотным удобрением, применяемым для обработки полей.

Вначале это новшество приветствовалось, но за последние несколько десятилетий ажиотаж вокруг этого удобрения сильно поутих. Химические удобрения выделяют закись азота, которая загрязняет атмосферу. Кроме того, удобрения частично смываются влагой и попадают в реки, где азот может вызвать массовый рост водорослей и цветение воды. Совсем недавно было обнаружено, что непродуманное использование удобрений наносит вред самой почве, которая становится кислой и соленой. Удобрения также подавляют симбиоз между грибами и корнями растений и могут даже обратить полезные бактерии друг против друга.

Таким образом, во многих случаях удобрения способствуют вырождению той самой почвы, которую они должны питать. Они хороши для выращивания растений, но при этом скрывают характер и степень деградации почвы. Что еще хуже, когда почва начинает терять свои плодородные качества, фермеры, как правило, добавляют в нее еще больше удобрений.

Методы борьбы с деградацией почвы

Маловероятно, что для спасения почв повсеместно удастся вернуться к старинному способу оставления полей под паром. Что еще можно сделать в такой ситуации?

Один из способов – помочь удобрениям «поумнеть». Пусть растения «сообщают» о необходимости в азоте микробам, которые будут освобождать его из органических веществ в нужный момент. В 2011 году Карлос Монреаль из Карлтонского университета в Оттаве (Канада) и его коллеги нашли пять соединений, которые выделяют растения, когда нуждаются в азоте.

Исследователи создали удобрение, которое начинает работать только в присутствии этих химических соединений. Оно воспринимает их как своеобразные сигналы. Главную роль здесь играют аптамеры – короткие участки ДНК, которые связываются со специфическими химическими веществами подобно антителам. Ученые выстроили содержащую аптамеры клеточную матрицу (каркас) вокруг крошечного узелка с удобрениями. В присутствии одного из соединений-сигналов аптамеры связываются с ним, разрушают каркас и высвобождают его содержимое.

Другое направление предполагает, что мы должны полностью отказаться от искусственных удобрений и начать поощрять восполнение почвы за счет ее микробных ресурсов – микробиома. Пионером в этой области является Пиус Флорис. Занимаясь уходом за деревьями в Нидерландах, он понял, что лучший способ обеспечить деревьям пышный рост – заботиться о почве. Поэтому Флорис разработал «универсальный рецепт», в который вошли полезные бактерии, микоризные грибы и гумус; эта смесь прилипает к корням растений и помогает им извлекать питательные вещества.

Были проведены эксперименты. Смесь Флориса была добавлена в почву на испытательных безжизненных делянках. На них выросли растения со здоровой листвой и корнями. Те немногие растения, которые росли на контрольных участках и удобрялись традиционными пестицидами и удобрениями, выросли маленькими и чахлыми. Это, конечно, новаторские меры, в лучшем случае они внесут только небольшой вклад в борьбу с глобальной проблемой деградации почвы. Нужно принимать более масштабные меры. Ученые должны бить тревогу, широко оповещать о проблеме правительства разных стран и общественность. Памела Часек из Международного института по устойчивому развитию – научно-исследовательского центра, расположенного в Виннипеге (Канада), – и ее коллеги предложили практичную цель, к которой все должны стремиться. Они назвали ее «нейтральный баланс деградации земель». Как и идею углеродной нейтральности, эту цель легко понять; она может помочь сформировать наши ожидания и поощрить к конкретным действиям. Под этим знаменем могут сплотиться проекты Монреаля и Флориса.

Глава 4. Плиты, землетрясения и извержения

Тектоника плит – одна из тех идей, которая кажется простой до очевидности. Потому удивительно, что она была принята на вооружение только в 1960-х годах – в результате она изменила геологию так же, как эволюция Дарвина изменила биологию. Все вокруг вдруг обрело свой смысл.

Принципиально новая идея

Основная часть вещества Земли содержится в вязкой мантии, на которой плавает несколько жестких плит, постоянно трущихся друг о друга. В этом заключена суть тектоники плит.

Сама по себе идея проста, но она влечет за собой далеко идущие выводы. На ее основе выстроена теория эволюции Земли, которая описывает, как перестраивались очертания океанов, вздымались и разрушались горы, соединялись и снова рассыпались на части целые материки. Тектоника плит подсказывает, где извергались вулканы, а где происходили землетрясения – и почему. В результате движения плит появилось много месторождений нефти, газа и минералов. Они дошли до нужной кондиции под действием больших давлений и температур, и теперь мы пользуемся этими полезными ископаемыми там, где геологическая разведка сумела их найти.

Очень важно, что именно при взаимодействии плит происходит круговорот воды и углерода, поддерживается постоянный климат и создается окружающая среда, благоприятная для жизни. Благодаря теории о тектонике плит геология превратилась из учения о сборе, классификации и каталогизации пород в такую науку, которая позволяет делать прогнозы и проверять их.

Сложный пазл

В XVII веке английский философ Фрэнсис Бэкон заметил, что очертания восточных частей Северной и Южной Америк и западного края Африки таковы, что если их пододвинуть друг к другу, то они сойдутся, как кусочки гигантской головоломки.

В последующие столетия поселенцы Нового Света обнаружили огромные залежи угля на американском континенте. Эти залежи по своему местоположению также соответствовали месторождениям в Европе. Ученые обнаружили окаменелые останки идентичных видов растений и животных на обеих сторонах Атлантического океана. Так постепенно возникло мнение о том, что континенты, возможно, когда-то были единым материком, а потом разошлись.

В 1912 году немецкий геофизик Альфред Вегенер назвал это «континентальным дрейфом». Но он не мог предложить механизм, который бы заставил континенты двигаться, из-за чего вначале его идея подверглась насмешкам. Затем в 1928 году Артур Холмс, профессор геологии из Даремского университета (Великобритания), допустил, что в верхней мантии могут существовать конвекционные потоки.

Американский геолог Гарри Хесс расширил эту идею, создав концепцию движений морского дна. Он предположил, что в результате конвекции расплавленный базальт, то есть магма, набухает и прорывает длинные трещины в вышележащей океанской коре. Магма вытекала из этих пробоин, охлаждалась и распространялась в разные стороны, создавая огромные горные хребты, раскинувшиеся в глубине океанских вод.

Ученые не соглашались с этой гипотезой до 1960-х годов и приняли ее только после того, как были проведены исследования магнитных свойств Срединно-Атлантического хребта. Результаты этих исследований показали, что породы на дне океана намагничены в переменных направлениях в виде ряда полос, идущих параллельных гребню. Их узор оказался одинаковым с обеих сторон от хребта.

Для объяснения этой закономерности была предложена следующая гипотеза: когда магма затвердевала на дне океана, минералы, содержащиеся в ней, стали намагничиваться в направлении преобладающего магнитного поля Земли. Затем произошло более позднее извержение магмы, вызвавшее появление вдоль верхней полосы затвердевшего базальта трещины, которая расколола ее пополам. Если в результате направление магнитного поля Земли поменялось на противоположное, то понятно, почему новая полоса базальта оказалась намагничена в направлении, противоположном предыдущему.

Этот вывод, совместно с тем фактом, что чем дальше горные породы находятся от хребта, тем выше их возраст, вполне укладывается в концепцию раскола некогда единых континентов, «разбежавшихся» в разные стороны. За счет активности срединно-океанических хребтов новое вещество все время образовывалось на дне океанов, которые пролегли между этими вновь образовавшимися материками.

Рис. 4.1. Вулканы и зоны землетрясений помогают определить границы тектонических плит Земли.

В 1965 году канадский геофизик Джон Тузо Вильсон объединил две идеи – о континентальном дрейфе и о расширении площади морского дна – в единую концепцию подвижных поясов и жестких плит. В 1967 году американские геофизики внесли свой вклад в теорию о тектонике плит, предложив идею «пододвигания», или «субдукции», когда один кусок коры подтягивается под другой (см. главу 1). Из всех этих идей выросла современная теория тектоники плит: внешняя поверхность Земли, литосфера, состоит из семи больших плит и нескольких малых, которые движутся поверх горячей, частично расплавленной астеносферы. При этом движении происходит смещение океанов, а вместе с ними и плит.

Предсказания тектоники плит

В 1967 году хиппи устроили в Сан-Франциско лето любви – праздник контркультуры. В это же время на юге Калифорнии один молодой геолог работал над идеей, которая произвела настоящую революцию в науках о Земле. Дэн Маккензи провел лето любви, разрабатывая математические аспекты тектоники плит.

Маккензи, который сейчас работает в Кембриджском университете (Великобритания), тогда посетило внезапное озарение: плиты должны быть жесткими. Казалось бы, что тут такого особенного? На самом деле, если взять за основу, что плиты жесткие, появляется возможность обращаться с ними как с геометрическими фигурами. Можно даже «мостить» ими сферу, как булыжником – мостовую. Маккензи и его коллега Боб Паркер увидели, что относительное движение между двумя плитами можно рассматривать как вращение вокруг неподвижной точки. Это позволило применить к движению плит теорему вращения Леонарда Эйлера – швейцарского математика XVIII века.

Пользуясь теоремой Эйлера, ученые рассчитали относительное движение плит в северной части Тихого океана и обнаружили, что оно точно соответствует активности землетрясений в регионе. Это подтвердило их расчеты: движение плит действительно должно иметь место, более того, оно является вероятной причиной землетрясений.

Последняя деталь головоломки встала на свое место. Ученые поняли, что плиты не только смещаются, но и двигаются относительно друг друга. Вся поверхность Земли покрыта жесткими плитами, которые, будучи прижатыми друг к другу, все же находятся в движении. Маккензи и Паркер сумели взглянуть на проблему под совершенно новым углом.

Они, конечно, не единственные ученые, которых посетила новая идея. Джейсон Морган из Принстонского университета не был знаком с Маккензи и его работами, но пришел к точно такому же выводу и выступил с докладом о нем в начале 1967 года. Морган даже смог выделить три разных типа границ у плит: гребни, где образуется новая кора, желобы, где кора исчезает, и разломы, где кора не исчезает и не появляется.

Историки науки делят пальму первенства в создании этой теории между Маккензи и Морганом, который в настоящее время является приглашенным научным сотрудником в Гарвардском университете. Но сам Маккензи говорит, что у Моргана в этом деле приоритет: «Морган говорил об этом еще до того, как я в принципе подумал».

Все плиты являются жесткими и деформируются только по краям. На этих границах плиты расходятся, сходятся или скользят мимо друг друга, но внутри них происходит очень мало изменений. Фактически именно границы плит ответственны за наиболее динамичные особенности Земли, такие как землетрясения и вулканы.

В районе срединно-океанических хребтов плиты расходятся по мере формирования новой океанской коры. Плиты напоминают ленты транспортера, перемещающие гребни всегда по направлению к океанским берегам. Сами гребни похожи на непрерывно тянущиеся вулканы. Их распространению часто сопутствуют неглубокие (на глубине менее 50 километров) землетрясения.

Зоны, в которых две плиты скользят мимо друг друга, часто являются ареной неглубоких землетрясений, иногда с большой магнитудой. Разлом Сан-Андреас в Калифорнии, где Американская платформа движется на юг навстречу Тихоокеанской платформе, направляющейся в противоположную сторону, – наглядный тому пример.

Самые драматические события происходят, когда две плиты сходятся и сталкиваются друг с другом. В этом месте рушатся скалы и взлетают на воздух горы. Образуется глубокий желоб и одна из плит – почти всегда это бывает более плотная океаническая кора – втягивается вниз, в астеносферу. Так океаническая кора, образованная в срединно-океаническом хребте, вновь поглощается Землей; продолжительность ее существования редко достигает 400 миллионов лет (см. главу 5).

Океаническая кора в начале погружения в горячую мантию еще холодная – по мере своего движения и перегибания она деформируется под действием коротких резких толчков. От этого возникают землетрясения, которые могут происходить даже на глубине, достигающей 700 километров. Они будут продолжаться до тех пор, пока спускающаяся плита не нагреется в достаточной степени. Если раньше она раскалывалась на куски, то теперь начинает течь.

Но не все вещество, которое погружается в зону субдукции, проходит свой путь до самого низа. Край континента может действовать как лезвие рубанка, срезая огромные массы отложений с вершины океанической плиты во время ее спуска. Некоторая часть этой «стружки» накапливается, образуя области суши – как, например, в случае островов Японии.

Нисходящие отложения одними из первых реагируют на повышение температуры. Летучие компоненты, такие как вода и углекислый газ, поднимаются вверх, в мантию, и меняют ее состав таким образом, что она начинает плавиться. Образуется магма, которая движется наверх и может оказаться на поверхности при извержении вулканов. Японские вулканы действуют именно по этому принципу.

Познакомьтесь со своим вулканом

Вулканы в зоне субдукции образуют линию, идущую над опускающейся плитой, в которой плавится мантия, параллельно границам между плитами. Большинство вулканов огненного кольца, которое окружает Тихий океан, созданы путем субдукции под океанической или континентальной корой. Над зоной субдукции в океане появляется дуга из цепочки вулканических островов. Классическим примером островной дуги являются Алеутские острова, простирающиеся к югу от полуострова Аляска (см. рис. 4.2).

В основном вулканы группируются на границах плит, но из этого правила есть исключения. Иногда можно встретить изолированные цепи вулканических островков посреди океана. Гавайи – только один из примеров старых вулканических островов, протянувшихся в Тихом океане с северо-запада на юго-восток. Еще более старые вулканы расположены в продолжении Гавайского хребта – Императорских горах, которые в настоящее время находятся под водой.

Считается, что такие вулканы возникают, когда плита движется над струей горячей магмы, поднимающейся из глубины мантии. Представьте себе лист бумаги, скользящий над свечой: вулканы – это как следы от ожогов на бумаге (см. главу 5). Эти цепи островов указывают на то, какими были скорость и направление движущейся плиты. В горячих точках под континентами также могут рождаться и одиночные экземпляры.

У разных вулканов извержения происходят по-разному. Некоторые из них, например Этна на острове Сицилия, в основном дымят и выбрасывают пар, лишь изредка извергая потоки измельченных камней. На Гавайях после извержений часто остаются лавовые озера, а в Исландии есть вулканы, выбрасывающие фонтаны огня, которые поднимаются в воздух на много метров.

Рис. 4.2. Океаническая кора образуется в срединно-океанических хребтах и разрушается в зонах субдукции. Если она протягивается под другим куском океанической коры, то получается дуга, состоящая из вулканических островов.

Взрывные извержения превращают породы – и твердые, и расплавленные – в пепел, крошечные осколки камня и стекла. Иногда образуются и более крупные обломки скальных пород и пемзы, которые в совокупности называются пирокластическими отложениями. Большие взрывы могут происходить по разным причинам. Одна из них заключается в том, что вода, проникающая в горячие породы, быстро испаряется, из-за чего давление увеличивается и «взрывает» окружающие породы. Такой же взрыв может произойти при проникновении внутрь пород разных газов, которые легко растворяются в расплавленных породах глубоко под землей, где давление высокое. При поднятии магмы на поверхность давление падает, и газы выходят наружу, образуя пузырьки – точно так же пузырьки появятся в бутылке газированного напитка, если открутить крышку.

Очень большие взрывы происходят там, где восходящая магма наиболее вязкая. Такая магма способна поглотить большой объем возникающего газа, в результате чего давление в ней сильно возрастает – расплавленная порода в конце концов взрывается, превращаясь в мельчайшую пыль. Больше всего этому способствуют породы, богатые силикатами. Минералы на основе кремнезема соединяются и формируют молекулярные цепочки и целые слои, которые при нагревании пород делают расплав более вязким. В целом именно вулканы в зоне субдукции производят вязкую лаву с высоким содержанием кремнезема и имеют тенденцию взрываться, выбрасывая большое количество пепла. В противоположность им, вулканы в срединно-океанических хребтах или горячих точках обычно производят относительно жидкую базальтовую лаву с низким содержанием кремнезема. К ним относятся вулканы в Исландии и на Гавайях. В такой горячей и жидкой магме пузырьки газа поднимаются на поверхность или замерзают внутри породы по мере ее затвердевания.

Можно ли предсказать извержения вулканов?

Мы постепенно учимся прогнозировать извержения вулканов и уже добились в этом деле определенных успехов. Удачная расшифровка некоторых предупреждающих знаков способствует своевременной эвакуации жителей из зоны риска. Например, за три месяца до драматического извержения вулкана Пинатубо на Филиппинах в июне 1991 года ученые зафиксировали колебания почвы на его склонах. Вскоре после этого вулкан начал дымиться и испускать облака пепла. Поскольку активность вулкана возросла, правительство приказало эвакуировать 60 000 человек. Аналогичная ситуация произошла в ноябре 2017 года в Индонезии на острове Бали, когда благодаря зафиксированным первым толчкам и появлению облаков пепла из вулкана Агунг вовремя эвакуировали 40 000 человек. Таким образом были спасены тысячи жизней.

К сожалению, не все вулканы дают четкие сигналы о своем пробуждении. Но теперь даже самые незначительные признаки могут использоваться для предсказания извержений. Набухание магмы под вулканами стало гораздо проще измерять с помощью чувствительных измерителей наклона и датчиков GPS. Едва заметные изменения в звучании океана помогли успешно спрогнозировать извержения вулкана Питон-де-ла-Фурнез на острове Реюньон в Индийском океане в июле 2006 года и в апреле 2007-го. Ученые, наблюдающие за низкочастотными сейсмическими волнами, которые генерируют колебания океанического дна, заметили, что если акустические волны замедляются при прохождении через вулканический очаг, то извержение неизбежно. На основании этого местные жители были эвакуированы за несколько дней до извержения.

Даже наблюдения за погодой могут помочь нам предсказывать извержения. Действующий вулкан Павлова на Аляске наиболее активен осенью и зимой. Объяснить такое поведение могут штормы, вызывающие в это время года повышение уровня воды вокруг вулкана, из-за которого магма выдавливается из жерла вулкана, как зубная паста из тюбика.