Текст книги "Концепции современного естествознания. Часть 2. Биология и геология"

«Образование поднятий при поступлении к коре аномальной мантии на океанах и континентах увеличивает потенциальную энергию, запасенную в верхних слоях Земли. Кора и аномальная мантия стремятся растечься в стороны, чтобы сбросить этот излишек энергии. В результате в литосфере возникают большие добавочные напряжения, от нескольких сотен бар до нескольких килобар. С этими напряжениями связаны различные типы тектонических движений земной коры.

Разрастание дна океана и дрейф материков происходят вследствие одновременного расширения срединно-океанических хребтов и погружения в мантию плит океанической литосферы. Под срединными хребтами расположены крупные массы сильно нагретой аномальной мантии (см. рис. 12.6). В осевой части хребтов они находятся непосредственно под корой мощностью не более 5– 7 км. Мощность литосферы здесь резко сокращена и не превышает мощности коры. Аномальная мантия растекается из области повышенного давления – из-под гребня хребта в стороны. При этом она легко разрывает тонкую океаническую кору, после чего в окружающих хребет океанических областях в литосфере возникает сжимающая сила Σ_ХР – 10⁹ бар•см. Под действием этой силы возможно перемещение плит океанической литосферы в стороны от оси хребта. Разрыв, образующийся в коре на оси хребта, заполняется базальтовой магмой, выплавляющейся из аномальной мантии. Застывая, она образует новую океаническую кору. Таким образом происходит разрастание дна океана.

Вязкость аномальной мантии под срединными хребтами из-за ее высокой температуры сильно понижена. Она может достаточно быстро растекаться, и поэтому разрастание дна океана происходит с высокой скоростью, в среднем от нескольких сантиметров до десяти сантиметров в год. Океаническая астеносфера также обладает сравнительно низкой вязкостью. При скорости движения литосферных плит ~10 см/год вязкое трение между литосферой и астеносферой под океанами практически не препятствует разрастанию дна океана и слабо влияет на напряжения в литосферном слое…

Литосферные плиты движутся по направлению от хребтов к зонам погружения. Если эти области расположены в одном и том же океане, то движение литосферы по астеносфере, имеющей низкую вязкость, происходит с высокой скоростью. В настоящее время такая ситуация характерна для Тихого океана.

Когда разрастание дна имеет место в одном океане, а компенсирующее его погружение – в другом, то происходит дрейф расположенного между ними континента в сторону области погружения. Вязкость астеносферы под континентами много выше, чем под океанами. Поэтому вязкое трение между литосферой и континентальной астеносферой оказывает заметное сопротивление движению, снижая скорость расширения дна, если оно не компенсируется погружением литосферы в мантию в том же океане. В результате, например, разрастание дна в Атлантическом океане происходит гораздо медленнее, чем в Тихом.

На границе между континентальной и океанической плитами в области погружения последней в мантию действует сила сжатия ~ 10⁹ бар•см. Быстрое относительное перемещение плит вдоль этой границы в условиях сжимающих напряжений приводит к часто повторяющимся сильным землетрясениям». При этом «общей причиной движения коры и мантии является стремление Земли достичь состояния с минимальной потенциальной энергией» [Артюшков, с. 294–296, 299].

12.6. Гидросфера и атмосфера

«Согласно современным представлениям, атмосфера и гидросфера возникли в результате дегазации магмы, выплавляющейся при вулканических процессах из верхней мантии и создающей земную кору. Атмосфера и гидросфера состоят из легких летучих веществ (соединений водорода, углерода и азота), содержание которых на Земле в целом очень мало… Причина такого дефицита состоит в том, что эти летучие вещества были «вымыты» еще из протопланетного облака солнечным ветром (т. е. потоками солнечной плазмы) и давлением света. В момент образования Земли из протопланетного облака все элементы ее будущей атмосферы и гидросферы находились в связанном виде, в составе твердых веществ: вода – в гидроокислах, азот – в нитридах (и, возможно, в нитратах), кислород – в окислах металлов, углерод – в графите, карбидах и карбонатах.

Современные вулканические газы примерно на 75 % состоят из паров воды и на 15 % – из углекислого газа, а остаток приходится на метан, аммиак, соединения серы (H₂S и SO,) и «кислые дымы» (НС1, HF, HBr, HI), а также инертные газы; свободный кислород полностью отсутствует. Изучение содержимого газовых пузырьков в древнейших (катархейских) кварцитах Алданского щита показало, что качественный состав этих газов полностью соответствует тому, что перечислено выше. Поскольку эта первичная атмосфера была еще очень тонкой, температура на поверхности Земли равнялась температуре лучистого равновесия, получающейся при выравнивании потока солнечного тепла, поглощаемого поверхностью, с потоком тепла, излучаемым ею; для планеты с параметрами Земли температура лучистого равновесия равна примерно 15 °C.

В итоге почти весь водяной пар из состава вулканических газов должен был конденсироваться, формируя гидросферу. В этот первичный океан переходили, растворяясь в воде, и другие компоненты вулканических газов – большая часть углекислого газа, «кислые дымы», окиси серы и часть аммиака. В результате первичная атмосфера (содержащая – в равновесии с океаном – водяные пары, СО₂ СО, СН₄, NH₃, H₂S, инертные газы и являющаяся восстановительной) оставалась тонкой и температура на поверхности планеты не отклонялась сколь-нибудь заметно от точки лучистого равновесия, оставаясь в пределах существования жидкой воды. Это и предопределило одно из главных отличий Земли от других планет Солнечной системы – постоянное наличие на ней гидросферы.

Как же изменялся объем гидросферы на протяжении ее истории? В расплавленном базальте (в астеносфере) при температуте 1 000 °C и давлении 5– 10 тыс. атмосфер растворено до 7–8% Н₂О: именно столько воды, как установлено вулканологами, дегазируется при излиянии лав. Большая часть этой воды (имеющей, таким образом, мантийное происхождение) пополняла собою гидросферу, но часть ее поглощалась обратно породами океанической коры (этот процесс называется серпентинизацией). Расчеты геофизиков показывают, что в катархее и архее воды в океанских впадинах было мало и она еще не прикрывала срединно-океанические хребты… В начале протерозоя уровень океанов достиг вершин срединно– океанических хребтов, но на протяжении всего раннего протерозоя практически весь объем поступавшей в океаны воды поглощался породами океанической коры. К началу среднего протерозоя процессы серпентинизации закончились и океаническая кора обрела современный состав. С этого времени объем океанов вновь начал нарастать. Это будет продолжаться (с постепенным замедлением), пока на Земле не прекратятся вулканические процессы…

Соленость океана имеет совершенно иную природу, чем соленость внутриконтинентальных конечных водоемов стока (вроде озера Эльтон, снабжающего нас поваренной солью, благодаря тому, что вода испаряется, а соль остается). Дело в том, что вода первичного океана имела различные примеси. Одним источником этих примесей были водорастворимые атмосферные газы, другим – горные породы, из которых в результате эрозии (как на суше, так и на морском дне) вымываются различные вещества. «Кислые дымы», растворяясь в воде, давали галогеновые кислоты, которые тут же реагировали с силикатами (основным компонентом горных пород) и извлекали из них эквивалентное количество металлов (прежде всего щелочных и щелочноземельных – Na, Mg, Ca, Sr, К, Li). При этом, во-первых, вода из кислой становилась практически нейтральной, а во– вторых, соли извлеченных из силикатов элементов переходили в раствор; таким образом, вода океана с самого начала была соленой. Концентрация катионов в морской воде совпадает с распространенностью этих металлов в породах земной коры, а вот содержание основных анионов (Сг, Br, SO₄», HCO₃») в морской воде намного выше того их количества, которое может быть извлечено из горных пород. Поэтому геохимики полагают, что все анионы морской воды возникли из продуктов дегазации мантии, а все катионы – из разрушенных горных пород.

Главным фактором, определяющим кислотность морской воды, является содержание в ней углекислого газа (СО – водорастворим, сейчас в океанах его растворено 140 трлн т – против 2,6 трлн т, содержащихся в атмосфере). В океанах существует динамическое равновесие между нерастворимым карбонатом кальция СаСО₃ и растворимым бикарбонатом Са(НСО₃)₂: при недостатке СО₂ «лишний» бикарбонат превращается в карбонат и выпадает в осадок, а при избытке СО₂ карбонат превращается в бикарбонат и переходит в раствор. Карбонатно-бикарбонатный буфер возник в океане на самом начальном этапе его существования, и с тех пор он поддерживает кислотность океанской воды на стабильном уровне.

Что касается атмосферы, то ее состав стал меняться в протерозое, когда фотосинтезирующие организмы начали вырабатывать (в качестве побочного продукта своей жизнедеятельности) свободный кислород; сейчас считается твердо установленным, что весь свободный кислород планеты имеет биогенное происхождение. Кислород, в отличие от углекислого газа, плохо растворим в воде (соотношение между атмосферным и растворенным в воде СО₂ составляет, как мы видели, 1:60, а для О оно составляет 130:1), и потому почти весь прирост кислорода идет в атмосферу. Там он окисляет СО и СН₄ до СО₂, H₂S – до S и SO₂, a NH₃ – до N₂; самородная сера, естественно, выпадает на поверхность, углекислый газ и сернистый ангидрид растворяются в океане, и в итоге в атмосфере остаются только химически инертный азот (78 %) и кислород (21 %). Атмосфера из восстановительной становится современной, окислительной...

Помимо кислорода и азота, в атмосфере содержится небольшое количество так называемых парниковых газов – углекислый газ, водяной пар и метан. Составляя ничтожную долю атмосферы (менее 1 %), они, тем не менее, оказывают важное влияние на глобальный климат. Все дело в особых свойствах этих газов: будучи сравнительно прозрачными для коротковолнового излучения, поступающего от Солнца, они в то же время непрозрачны для длинноволнового – излучаемого Землею в космос. По этой причине вариации в количестве атмосферного СО₂ могут вызывать существенные изменения теплового баланса планеты: с ростом концентрации этого газа атмосфера по своим свойствам все более приближается к стеклянной крыше парника, которая обеспечивает нагрев оранжерейного воздуха путем «улавливания» лучистой энергии, – парниковый эффект» [Еськов, с. 32–34].

Сегодня Земля обладает обширной водной оболочкой – гидросферой, включающей в себя все взаимосвязанные, находящиеся в постоянном кругообороте подземные воды, воды суши, рек и озер (0,65 %), морей и океанов (97,2 %), водяной пар атмосферы и запасы снега и льда (2,15 %). Ледники и вечные снега занимают площадь 14000 км²; внутриконтинентальные водоемы 2000 км².

Мировой Океан объединяет 4 крупнейших океана: Тихий, Атлантический, Индийский и Северно-Ледовитый, общей площадью 361 млн. км², и все моря – части океанов, вдающиеся в сушу и отделенные от нее островами, полуостровами или подводными хребтами. Средняя глубина Мирового Океана 3704 м, наибольшая 11022 м (Марианская впадина). Дно морей и океанов имеет сложный, хотя и менее расчлененный, нежели суша, рельеф, в котором выделяют: 1. Шельф – мелководную материковую отмель, равнину глубиной до 500 м и шириной до 1500 м, занимающую 8 % площади Мирового Океана. Дно шельфа скрывает огромные запасы полезных ископаемых осадочного происхождения (нефти, газа и т. д.). 2. Материковая отмель обладает крутыми ступенчатыми склонами; на глубине до 3–5 км, на дне, – горы, каньоны, котловины, в которых залегают колоссальные запасы железомарганцевых полиметаллических руд (12 % площади океанов). 3. Абиссаль – ложе океана на глубине 8–10 км (80 % площади), расчлененное на крупные котловины и впадины мощными подводными хребтами длиной до 6000 км, шириной до 400 км и высотой в несколько километров (высочайшие вершины выступают над водой вулканическими островами). Вдоль и поперек хребтов лежат разломы – рифты, на дне которых залегают базальты, схожие по составу с породами мантии.

Гидросфера аккумулирует и перераспределяет солнечное тепло. В районе экватора вода, согреваясь, поднимается из глубин и разносится морскими течениями (рис. 12.7) шириной от 10 до 100 км и глубиной до 1 км, со средней скоростью движения 2–3 км/ч, в умеренные широты и далее, к полюсам, где остывает, становится плотнее и опускается вниз. Вращение планеты отклоняет течения до 45^о вправо в Северном, влево – в Южном полушариях. На течения влияют также надводный рельеф и пассаты, которые тоже связаны с вращением Земли. Приливы тормозят вращение Земли вокруг оси.

Различие в теплоемкости воды и горных пород ведет к тому, что зимой океан теплее суши, а летом – наоборот, что порождает мощные устойчивые воздушные потоки – муссоны, дующие в нижних слоях тропосферы между областями высокого давления на широтах 30^о– 35^о северного и южного полушарий в пределах основных сезонов года: зимой воздух переносится с материков, где при понижении температуры растет атмосферное давление, в океан; летом ветер дует с океана на материк, над которым при повышении температуры атмосферное давление снижается (рис. 12.8).

Рис. 12.7. Океанические течения 88
  Рисунки 12.7–12.9 pfbvcndjdfys с Веб-страницы <http:// www.fcenter.ru/online.shtml?articles/software/education/ 6463>


[Закрыть]

На границе раздела теплых и холодных воздушных масс разность температур приводит к образованию турбулентных потоков, завихрений воздуха. В области пониженного давления более теплый воздух поднимается, стремится к ее центру, закручиваясь против часовой стрелки… Так возникают циклоны. В областях повышенного давления воздух растекается от центра к краям, закручиваясь по часовой стрелке, порождая антициклон.

Размеры этих атмосферных образований достигают 1–2 тысяч километров, высота от 2 до 20 км, разность давлений от центра к периферии 3–30 ×10³ Па, скорость ветра 30– 40 км/ч. Время существования циклона зависит от скорости вытеснения теплового воздуха из воронки и достигает нескольких суток; антициклоны более устойчивы. Циклоны возникают и развиваются в основном над океанами, антициклоны – над материками. Антициклоны приносят летом жаркую, зимой – морозную безоблачную погоду; циклоны приносят дожди и ненастье, снегопады зимой.

В зависимости от характера изменения температуры с высотой атмосфера делится на следующие слои (рис. 12.9). Тропосфера – от поверхности Земли на высоту от 8– 9 км до 16– 17 км. Стратосфера – от 8–17 до 50– 55 км. Мезосфера – от 50–55 до 80 км, ее ионизированная солнечным излучением часть называется ионосферой. Термосфера – от 80 до 600–800 км. Экзосфера – выше 800 км. В тропосфере заключена подавляющая часть газовых компонентов атмосферы, а также почти весь водяной пар и твердые частицы. Среднегодовая температура основания тропосферы составляет +15^оС. С высотой температура в тропосфере линейно понижается. На верхней границе тропосферы температура воздуха снижается до -58–60 ^оС в полярных областях и -80– 85 ^оС в экваториальной области. В тропосфере зарождаются облака, выпадают осадки, формируются циклоны и антициклоны, ураганы и смерчи. Углекислый газ и водяные пары здесь поглощают большую часть солнечной радиации, особенно инфракрасную, и вместе с тем удерживают почти все излучаемое Землей тепло (парниковый эффект). В тропосфере возникает планетарная конвекция воздушных масс из-за неравномерного нагрева Солнцем земной поверхности. Таким образом происходит теплообмен между низкими и высокими широтами.

Рис. 12.8. Взаимодействие атмосферы и гидросферы

На 1 м² площадки, перпендикулярной падению солнечных лучей за пределами земной атмосферы, падает 1,36 кВт солнечной энергии. Поверхность Земли поглощает 40 % падающей на нее энергии солнечных лучей и еще 8 % из предварительно рассеянных в атмосфере. Потере энергии препятствует описанный выше парниковый эффект.

Рис. 12.9. Слои атмосферы

Парниковый эффект тем мощнее, чем плотнее атмосфера, чем выше атмосферное давление у поверхности планеты и чем выше концентрация способных поглощать инфракрасное излучение молекул СО₂, Н₂О, SO₂, NH₃ и других. Благодаря парниковому эффекту (естественному, а не техногенному) средняя температура Земли на 40 К выше эффективной температуры, обусловленной потоком солнечной энергии и тепловым излучением Земли. Без парникового эффекта в атмосфере температура на поверхности Земли составляла бы около -24 ^оС99
  Т.е. за миллиарды лет, отделяющие нас от времен «первичной атмосферы» эта температура понизилась на 40 ^оС


[Закрыть] и жизнь стала бы невозможной.

Парниковый эффект сглаживает суточные перепады температур до 15 К.

12.7. Взаимодействие геосфер и надземных оболочек

Процессы в гидросфере находятся в сложном взаимодействии с процессами в атмосфере и литосфере Земли и наряду с ними формируют климат и погоду: так, морские течения вызываются постоянно дующими в одном направлении ветрами – пассатами, наклоном уровня моря и т. д. В свою очередь океанские течения влияют на воздушные потоки и климат.

Многолетний режим погоды – климат – характерная для данной местности совокупность последовательных смен состояний погоды за десятки лет является результатом равновесия взаимодействий атмосферы, гидросферы и поверхности Земли, которое устанавливается в результате длительного времени. Это очень тонкое равновесие. Поэтому техногенное воздействие человека, меняя значение какой-либо компоненты этой сложной системы нелинейных связей на проценты может нарушить это равновесие и вызвать резкие и сильные климатические изменения в атмосфере, а то и в гидросфере (из-за таяния ледников).

Отметим, что эта сложная система, состоящая из литосферы, гидросферы и атмосферы, взаимодействует с биосферой (деятельностью биосферы во многом определяется химический состав атмосферы и океана (Ж. Лавлок) и даже, как показал В. Вернадский, литосферы). И со всеми ними интенсивно взаимодействует ноо-техносфера.

Далее Солнце не только является источником тепла и света, но через более тонкие известные (солнечный ветер, состоящий из потока заряженных частиц, воздействие на ионосферу) и еще неизвестные механизмы воздействует на биосферу и психику людей [Чижевский].

К этой системе следует присоединить, с одной стороны, более глубокие оболочки Земли и их взаимодействие с Солнцем и планетами. Не говоря о том, что источником магнитного поля Земли – чрезвычайно важного фактора для всего живого на Земле –является внешнее ядро Земли, которое подвержено приливным воздействиям со стороны Луны и Солнца, система внутренних оболочек земли может быть восприимчивой и к очень слабым гравитационным воздействиям планет. Так согласно теории Ю.В. Баркина [Баркин], все оболочки Земли обладают эксцентричностью и относительной подвижностью. Их центры масс не совпадают. Спектр колебаний этой сложной системы столь разнообразен и чувствителен, что эта система резонансно отзывается на многие малые воздействия, возможно даже на столь слабые, каковыми являются гравитационные воздействия планет. Поэтому оболочки испытывают периодические колебания в результате действия внутренних и внешних космических факторов (возмущающего гравитационного воздействия Солнца, Луны и планет). Следствиями является предполагаемое смещение центра масс Земли со скоростью 6,47 см в век и многообразные мощные геодинамические и геофизические процессы (активность мантийных плюмов, сейсмичность, вулканизм, горообразовательные процессы, поднятия и опускания суши и т.д.).

Кроме того, в [Бородзич; Беспрозванный] указывается на возможные механизмы усиления слабых гравитационных воздействий идущих из глубин Земли (по описанным Артюшковым каналам), оказывающих сложное воздействие на процессы в литосфере (образование оврагов и русел рек, смещений грунта (с характерными временами в сутки), могущему приводить к обрушению зданий и оползням), гидросфере (заболачивание, пересыхание, резкое изменение уровня грунтовых вод), атмосфере (рождение циклонов и антициклонов).

То есть Земля оказывается очень сложной и чувствительной системой нелинейных связей. Это очень важно сознавать, при учете уровня воздействия ноотехносферы на эту тонкую систему.

Использованные источники и литература

Артюшков Е.В. Геодинамика М.: Наука, 1979.

Баркин Ю.В. (1999) Глобальные свойства структуры, эволюции и взаимодействий литосферы и других оболочек Земли. // «Взаимодействие в системе литосфера– гидросфера-атмосфера». Т.2, М.: Изд-во физ. фак-та МГУ, с. 46–60.

Беспрозванный П.А., Муравьев В.В. Внимание: Геодинамика! // Наука в России, 1992, №3, с. 82–88.

Бородзич Э.В. Воздействие короткоживущих подкоровых локальных возмущений на лито-, гидро– и атмосферу //Гагаринские научные чтения по космонавтике и авиации 1989 г. М., Наука, 1990.

Вернадский В. И. Химическое строение биосферы Земли и ее окружения, М., 1965;

Его же, Избр. соч., т. 5 [Биосфера-Статьи], М., 1960; его же, Биосфера, М., 1967.

Геология на пороге новой научной революции // Природа. 1995. № 1. С.33–51.

Грачев А.Ф. Мантийные плюмы и геодинамика // Труды теоретического семинара Отделения «Проблемы глобальной геодинамики и металлогении» (Институт физики Земли РАН, г. Москва).

Еськов К.Ю. История Земли и жизни на ней: от хаоса до человека. М., 2004.

Жарков В.Н. Внутреннее строение Земли и планет. М., Наука, 1986.

Кадик А.А., Кусков О.Л. Внутреннее строение Земли // Архив Программ Александра Гордона – запись беседы с докторами геолого-минералогических наук Олегом Львовичем Кусковым и Арнольдом Арнольдовичем Кадиком <http://www.ntv.ru /gordon /archive /11370/>

Куликов К. А., Сидоренко Н. С., Планета Земля, М., 1972.

Люстих Е. Н. Земля (планета) // БСЭ, (http://www.bse.chemport.ru/zemlya_(planeta).shtml)

Магницкий В.А. Внутреннее строение и физика Земли. М.: «Недра», 1965 г.

Резанов И.А. Эволюция представлений о земной коре. М., 2002.

Рикитаки Т. Электромагнетизм и внутреннее строение Земли. М, 1968.

Рингвуд А.Е. Состав и происхождение Земли. М., 1981.

Румянцев А. Ю. «Планета Земля» Твердые оболочки Земли: земная кора, мантия, ядро. // Астронет < http://www.astronet.ru/db/msg/1177040/chapter6_03.html>.

Стейси Ф. Физика Земли. М., Мир, 1972.

Хаин В. Е. Cовременная геодинамика: достижения и проблемы // Природа. 2002. № 1.

Хаин В. Е. // SciTecLibrary.ru <http://www. sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/972.html>, дата публикации: 22 января 2001.

Хаин В.Е., Рябухин А.Г. История и методология геологических наук. М., МГУ, 1997.

Чижевский А.Л. Земное эхо солнечных бурь – М., Мысль, 1976.

Шолпо В.Н. Структура Земли упорядоченность или беспорядок? М., 2005.

Вопросы

Что такое «естественная история»?

В чем состоит типологическое отличие наук о Земле от физики и химии?

Какова связь между геологией, физикой и химией?

Каково внутреннее строение Земли?

Каковы источники тепловой энергии Земли?

Что такое астеносфера?

Каковы основные положения теории тектоники литосферных плит?

Каковы модели вертикального и горизонтального движения литосферы?

Каковы модели происхождение гидросферы и атмосферы?

Что Вы можете сказать о взаимодействии геосфер и надземных оболочек?

Рекомендуемая литература

Геология на пороге новой научной революции // Природа. 1995. № 1. С. 33–51.

Еськов К.Ю. История Земли и жизни на ней: от хаоса до человека. М., 2004.

Кадик А.А., Кусков О.Л. Внутреннее строение Земли // Архив Программ Александра Гордона – запись беседы с докторами геолого-минералогических наук Олегом Львовичем Кусковым и Арнольдом Арнольдовичем Кадиком <http://www.ntv.ru /gordon/archive /11370/>

Хаин В. Е. Cовременная геодинамика: достижения и проблемы // Природа. 2002. № 1.