Текст книги "100 великих загадок географии"

Куда ведёт гипсометрическая кривая?

Мы привычно считаем геометрию разделом абстрактной науки математики. Хотя этот термин в переводе с греческого означает «землемерие». Таким было начальное предназначение геометрии. Из практической области знаний она перешла в теоретическую.

2200 лет назад греческий математик Евклид создал логичную чёткую систему геометрии, которую назвали евклидовой. Она считалась единственно возможной, а её законы – применимыми везде и всегда.

Есть, скажем, теорема: сумма углов треугольника равна двум прямым, 180°. Она доказывается убедительно. Можно для проверки на практике подсчитать, чему равна сумма углов треугольников. И тут выяснится, что многое зависит от того, каковы размеры данных фигур.

Если вычертить на ровной поверхности Земли треугольник длиной в сотни километров и точно измерить его углы, то сумма их окажется меньше 180°. Это понятно: углы треугольника искажены, потому что вычертили его не на плоскости, а на поверхности шара. Надо чертить фигуры на плоской поверхности.

Но почему надо принимать за основу плоскую поверхность? В природе таких поверхностей мало. Любая прямая линия или плоскость являются частными случаями кривой линии или плоскости.

Эту мысль положил в основу своей геометрии Н.И. Лобачевский. Он воспользовался «подсказкой», которую дала ему шарообразная форма Земли. Так геометрия после долгого перерыва вновь обрела непосредственную связь с природой.

Во времена Лобачевского учёные считали, что космическое пространство евклидово, а путь луча света – идеальной прямой. Однако Лобачевский предложил эту гипотезу «проверить, подобно другим физическим законам», и провести соответствующие «Астрономические наблюдения» (так писал он – с заглавной буквы).

В ту пору почти никто не принял его предложение всерьёз. А в XX веке выяснилось, что Лобачевский был прав. Недаром он утверждал, что в основании математики должны лежать понятия, «приобретаемые из природы». Оказывается, луч света может отклоняться от прямой линии, например, когда пролетает мимо массивных небесных тел.

История с геометрией Лобачевского показывает, что география помогает познавать мир и совершать открытия в разных областях знаний. И другой вывод: надо уметь переходить от абстрактных понятий математики к реальной природе. Показательный пример – гипсометрическая кривая (от греческих слов «гипсос» – «высота» и «метрос» – «измерение»). Она изображает обобщённый рельеф Земли.

Гипсометрическая кривая ведёт нас от высоких гор до океанских глубин. На ней видны две отчётливые ступени: океаническая и материковая равнины. Абстрактная гипсометрическая кривая показывает фундаментальную особенность земного рельефа.

На карте земной поверхности площадь Мирового океана значительно больше площади суши. Гипсометрическая кривая показывает то, что с поверхности не увидишь: если к территории континентов добавить площадь шельфа и материкового склона (что вполне логично), то в сумме они будут немногим меньше площади дна океана. Что бы это значило?

Гипсометрическая кривая (сплошная линия) и рельеф дна Мирового океана

Гипсометрическая кривая превращается в вопросительный знак, если несколько иначе нарисовать профиль дна Мирового океана, приблизив его к реальности. Взглянем на окраины Тихого океана. Там перед горными хребтами Анд и Кордильер островными дугами зияют впадины глубоководных желобов.

Гипсометрическая кривая с учётом расположения глубоководных впадин и горных систем. Высоты и глубины в километрах

У меня есть свой вариант гипсометрической кривой, отражающий эту закономерность: высокие горы расположены сравнительно близко к океанам. Такова ещё одна географическая загадка. График наводит на мысль о возможности существования круговорота литосферы на границе континента и океана. Эту идею нам ещё предстоит обсудить.

…Географы давно перешли от описания Земли к её изучению. Принято считать, что в их ведении находятся процессы, происходящие на земной поверхности, в почве, морях и океанах, в атмосфере, а каменную плоть планеты исследуют геологи.

В действительности не получается так просто. Извергаются вулканы, сотрясается земная поверхность, врываются на берег цунами. Невозможно постичь такие явления, не учитывая то, что происходит в недрах планеты. А геологи, обдумывая динамику каменной тверди, подчас забывают о том, что она может зависеть от процессов, происходящих на земной поверхности.

Так сложилось исторически. Первые геологи были горняками, минералогами, палеонтологами. Они исследовали каменную твердь, оставляя жизнь земной поверхности в распоряжении географов. А те, в свою очередь, мало интересовались жизнью земной коры, предоставив это занятие геологам. Отчасти так продолжается до сих пор.

Гипсометрическая кривая вынуждает задуматься: почему поверхность Земли ступенчатая? Почему рельеф дна Мирового океана как бы зеркально отражает рельеф суши? Почему на планете нет гор выше 9 км? Почему наиболее глубок океан на границах с континентами или островными дугами? Почему глубоководные желоба не заполнены осадками?..

Внешность нашей планеты выразительна и загадочна.

Почему различны полушария Земли?

Признаки геологической активности Земли ослабевают ниже 500–600 км, редко больше (менее чем на десятой доле радиуса планеты). Это неудивительно, если учесть действие гравитации. Глубины Земли как будто показывают явное стремление к равновесию, к радиальной симметрии.

Если бы в приповерхностных зонах господствовали глубинные или космические силы, то диссимметрия Земли не должна была бы проявляться резко, а отклонения от равновесия определялись вращением или космическим положением планеты.

Иная ситуация на земной поверхности и в земной коре. На одном полушарии планеты преобладает океан, на другом – континенты. Почти всегда на противоположной стороне планеты против океана находится континент (или прибрежная шельфовая зона и континентальный склон, части его). На Северном полюсе – океан, а на южном – континент. В Северном полушарии преобладает суша, а в Южном – акватория.

Устойчивое нарушение симметрии (диссимметрия) характерно для живых организмов. Геометрически законченная, близкая к совершенству структура кристалла не предполагает дальнейшего развития. Как говорил французский физик Пьер Кюри: «Диссимметрия творит явления». Другой выдающийся физик Эрвин Шрёдингер называл живой организм апериодичным (незавершённым) кристаллом, а потому способным к развитию. В этом наша планета подобна живому существу.

Какая сила сохраняет диссимметрию Земли? По мнению В.И. Вернадского – живое вещество, которое вводит «в физико-химические процессы земной коры световую солнечную энергию». Поэтому «слои планеты – глубже 1000 км… никоим образом не проявляются в каких бы то ни было геологических явлениях».

Диссимметричен и наш мозг: одно полушарие преимущественно рассудочное, другое – эмоциональное (в упрощённой схеме). На планете системой памяти и активной переработки информации являются континенты. Хотя и в мозге, и на планете функции полушарий частично перекрещиваются.

Континентальная кора более мощная, пёстрая по составу, разбитая разломами на сравнительно небольшие подвижные глыбы и блоки. Океаническую кору можно разделить на огромные, более или менее плоские, сравнительно однородные плиты. Гигантская масса осадочных горных пород и их производных (в частности, гранитов), а также месторождений полезных ископаемых на континентах связаны с деятельностью живых организмов. Именно они устойчиво поддерживают диссимметрию, насыщая континентальную каменную оболочку солнечной энергией. Мировой океан тоже поглощает солнечную энергию. Но она идёт почти исключительно на нагревание воды и воздуха, то есть на самые простые нужды. Так распределяются функции полушарий Земли. Почему так получилось?

Океаническое и континентальное полушария Земли.

На графике показана доля океанов и континентов на разных широтах.

Внизу – двойники кристаллов. Кристаллы бывают «правыми» и «левыми», их количество в земной коре одинаково; у них, в отличие от живых организмов, отсутствует диссимметрия, устойчивое нарушение симметрии

Есть несколько вариантов. Одни считают, что сначала всюду был океан, затем появились зародыши континентов. Другие утверждают, что прежде преобладала суша, а океаны появились около 160 миллионов лет назад. Есть версия, что все океаны сравнительно молоды, имеют разный возраст, а возникли в результате движения литосферных плит.

Не исключено, что впадина Тихого океана возникла, когда при формировании Земли под действием центробежных сил от неё отделилась огромная масса вещества, образовав Луну. Гипотезу обосновал сын Чарлза Дарвина астроном Джордж Говард Дарвин в 1878 году. Она пережила период популярности, затем критики. Но когда выяснилось сходство пород Луны и верхней мантии Земли, её снова реабилитировали.

Каждая из этих идей более или менее убедительно обоснована и так же раскритикована. В науках о Земле так бывает нередко. Одна из причин в том, что земная природа индивидуальна во всех своих проявлениях, от отдельного кристалла или цветка до горных систем и ландшафтов. Все регионы своеобразны по строению, истории, геохимии. Они изменчивы и в пространстве, и во времени.

Восстановить и сопоставить этапы развития разных регионов нелегко. Слои осадочных пород не только накапливаются, но и разрушаются, морской режим много раз сменяется континентальным, на месте впадин начинают воздыматься холмы и горы.

Представители «точных» наук имеют дело с типовыми объектами и явлениями. Можно провести опыты, подтверждающие или опровергающие гипотезу. В таких случаях математический метод работает отлично, результаты получаются более или менее однозначными.

В жизни Земли решающую роль играют химические процессы. Так жизнедеятельность организма лишь в самой примитивной схеме можно изобразить в математической форме. Ведь речь идёт о сложнейших – вплоть до квантового уровня – химических реакциях и превращениях. То же относится и к процессам в области жизни – Биосфере, – где живые организмы выполняют важнейшие функции.

В науках о Земле многое зависит от региона, который берётся за основу исследования. У специалистов, изучающих континенты, складывается система взглядов не всегда совпадающая с идеями исследователей океана. Отсюда и противоречивые взгляды на природу. К тому же она временами преподносит сюрпризы исследователям.

До середины прошлого века учёные были уверены, что Мировой океан не менее древнее образование, чем континенты. Бурение дна океана неожиданно показало: здесь нет осадочных слоёв старше 160 миллионолетий! Неужели океан так молод? Хотя, по материалам палеогеографии, он существовал многие сотни миллионов лет.

Странная ситуация. Нет сомнений, что Мировой океан существовал более миллиарда лет. В монографии отечественных специалистов по палеогеографии «Климат в эпохи крупных биосферных перестроек» (2004) сказано: «Тихий океан представлял собой в раннем мелу обширный глубоководный бассейн по размерам несколько больше современного». В книге даны географические карты разных геологических эпох. Там везде присутствует Мировой океана, а материки временами объединяются или расходятся в разные стороны.

Не менее убедительны сведения об осадочных породах, полученные драгированием и бурением дна Мирового океана. Сравнительно молодые (по геологическим масштабам времени) осадки залегают на древнем базальтовом основании. Как совместить эти факты?

Другая особенность дна океана: здесь нет гранитного слоя, распространённого на континентах. В.И. Вернадский объяснил: «Причину отсутствия гранитной оболочки под Тихим океаном нужно искать не в глубинных проявлениях планеты, не в связи с… движениями дна Тихого океана, не в связи с историей Луны… как некогда входившей в состав вещества Земли на месте Тихого океана, как думают астрономы, но надо искать причину этого явления в геологической истории континентов».

Можно по-разному относиться к подобным высказываниям пусть даже весьма авторитетных учёных. Но в данном случае есть о чём задуматься. Литосфера континентов несравненно сложней по составу и структуре, чем подобная плитам тонкая кора дна океана. Почему на базальтовом ложе Мирового океана залегают осадки, но не образовалась хотя бы тонкая корочка гранитных пород, столь характерных для континентов?

По моему мнению, главная причина в том, что дно океана закрыто от воздействия лучей Солнца мощным пластом воды. Вдали от берегов глубины океана пустынны. Животный и растительный мир здесь скуден.

Именно лучистая энергия движет геохимические круговороты, которые активно преобразуют поверхность континентов. В эти круговороты вовлечены атмосфера, природные воды, живые организмы. Происходит не просто разрушение горных пород. Они дробятся, перерабатываются, насыщаются энергией, обогащаются химическими элементами. Погружаясь в недра Земли, они испытывают сложные превращения (метаморфизм разных видов), а затем снова выходят на поверхность для нового цикла переработки.

Существующие теории Земли не дают сколько-нибудь убедительных объяснений диссимметрии нашей планеты и обособления со временем континентов и океанов. Хотя некоторые идеи на этот счёт имеются. Например, на основе модной в наше время глобальной тектоники плит литосферы (ГТП). Но это – тема спорная, и её следует изложить подробно. Сначала постараемся ответить на простой вопрос:

Чем объяснить разнообразие рельефа?

Почему существуют возвышенности и низменности? Почему горы вытягиваются грядами, а реки текут в определённых направлениях? Почему на суше есть впадины озёр и морей, а в океане – глубоководные желоба?

Такие вопросы задавали себе люди с древнейших времен. Легенд придумано много. По мнению ненцев, бог Нум сотворил землю ровной. Но великан Мамонт рыл её своими клыками, продавливал своими тяжеленными ступнями. Накопал множество холмов и впадин. Бог Нум рассердился на Мамонта и поселил его навеки под землю.

Греческий философ Аристотель два с половиной тысячелетия назад высказал мудрую мысль: «Море приходит туда, где прежде была суша; суша вернётся туда, где теперь мы видим море». Римский географ Страбон отметил колебания земли медленные, охватывающие острова и даже континенты, и быстрые, сотрясающие земную твердь.

В Средние века философы предпочитали обходить эту тему, чтобы не войти в противоречие с библейскими преданиями. Редкие мыслители высказывали трезвые мнения, выработанные в результате пристального изучения природы. Леонардо да Винчи считал, что земная поверхность временами оседает – то там, то тут. Оставшиеся части и есть горы.

Немецкий горняк и геолог Агрикола придавал большое значение разрушительной деятельности рек. Флорентиец Николаус Стено был убеждён, что после ухода моря в недрах суши образуются пустоты. В них проваливаются горные породы, изгибаясь и трескаясь. Затем снова наступает море, отлагая ровные слои, и снова, после его ухода, слои обрушиваются в подземные пустоты.

Немецкий философ и учёный-энциклопедист Лейбниц предполагал: раскалённая в прошлом Земля застывает неравномерно. Горы – будто морщины планеты. Как сохнущее яблоко, как лицо старика, как шар, испускающий воздух, Земля постепенно сжимается, покрывается всё новыми складками, коробится всё новыми хребтами.

Эволюция геосинклинали (сверху вниз)

…Двести пятьдесят лет назад академик Паллас путешествовал по России, изучая её растительность, воды, земли и полезные ископаемые. На берегу Волги, возле Самары, ему рассказали любопытную историю.

По преданию, некогда здесь, среди лесистых холмов и серых береговых обрывов, проходило неисчислимое войско. Устроил полководец привал. И велел каждому воину принести и ссыпать в одно место полную шапку земли. Вырос огромный холм. Прозвали его «Царёв Курган».

Паллас решил проверить сказку. Пошёл на гору, осмотрел её. И высказал своё мнение: «Она, к опровержению сей небылицы, состоит из таких больших диких камней, которые ни в какую шапку не вместятся и никакой воин их нести не сможет». Округлость холма, будто нарочито приданная ему, объясняется просто: «Сей холм бесспорно от прочих гор отделён рекой Соком и сделался круглым от наводнений».

Да что там говорить о суевериях неграмотных крестьян! Известный философ и писатель Вольтер находки раковин вдали от моря, в горах, объяснял тем, что это – сувениры и украшения, которые приносили с собой паломники из святой земли. С помощью этой небылицы Вольтер хотел опровергнуть священные легенды.

Продуманные обоснованные ответы на происхождение рельефа Земли удалось найти сравнительно недавно, в XVIII веке. До этого наиболее популярной идеей была катастрофическая: прокатился по земле Всемирный потоп, где-то нагромоздив горы, а где-то промыв долины. Моря и озёра – это следы, оставшиеся от него.

Однако одним потопом всего не объяснишь. В вулканических районах можно наблюдать, как меняется облик гор после извержений вулканов, как вырываются из недр камни и чёрные облака пыли, изливается огнедышащая лава. Мощные землетрясения тоже свидетельствуют о том, что на земную поверхность воздействует не только вода, но и внутренний жар планеты.

Какая из этих двух сил преобладает? Естествоиспытатели разделились на два противоборствующих лагеря: на нептунистов, сторонников Всемирного потопа, и плутонистов, сторонников подземных огненных сил.

В середине XVIII века М.В. Ломоносов одним из первых (если не первый) предположил, что существование Земли исчисляется миллионами лет и за такие сроки даже медленные изменения её поверхности могут иметь значительные последствия. Но он высказал только самые общие соображения, которые тогда никто не принял во внимание. Более определённо он не мог утверждать, ибо по церковным канонам от Сотворения мира прошло немногим больше шести тысячелетий.

Во Франции в начале XIX века Жорж Кювье доказывал существование катастрофических эпох на Земле, когда резко меняются климатические зоны, быстро воздымаются горы, вымирают многие виды животных и растений. В то же время он отметил, что происходят и медленные подъёмы и опускания земной коры, в результате которых моря то накатываются на сушу, то отступают.

В Англии Чарльз Лайель предложил обходиться без гипотезы катастроф. Он подчеркнул: многие из тех, кто пытался объяснить происхождение земного рельефа, заблуждаются от того, что недооценивают огромную длительность геологических эпох. События, растянутые на сотни миллионов лет, они пытаются уложить в считаные тысячелетия, а потому вынуждены выдумывать невиданные катастрофы.

Лайель доказал, что на планете преобладают вертикальные движения земной коры. Он упомянул и о возможности горизонтальных перемещений материков. Только так, по его мнению, можно объяснить существование на Земле тёплых и ледниковых эпох.

Но почему земная кора не остаётся в спокойном состоянии? Чем вызваны её движения? Французский учёный Эли де Бомон разработал гипотезу контракции, сжатия Земли от общего охлаждения. При этом, как на поверхности высыхающего яблока, должны образоваться «морщины», складки. Такую мысль ещё раньше высказывал Жорж Бюффон, исходя из своей гипотезы первоначально раскалённой планеты.

В середине XIX века австрийский геолог Зюсс чётко разделил горизонтальные и вертикальные движения земной коры и создал учение о геосферах и их взаимодействии.

Американский учёный Джемс Дэна разработал учение о геосинклиналях – зонах устойчивых прогибов земной коры. Когда слои горных пород погружаются на значительную глубину, они начинают сминаться и раскалываться под действием высоких температур и огромных давлений, образуя горы. Дана считал, что происходит это из-за контракции. Другой американский учёный, Джемс Холл, предположил, что кора прогибается под тяжестью накапливаемых осадков.

Идея геосинклиналей появилась потому, что в таких зонах было установлено скопление толщ осадочных пород большой мощности, смятых в складки и прорванных вторжениями (интрузиями) магматических пород. Мысль парадоксальная: горы возникают там, где прогибалась земная кора.

Устойчивые территории между геосинклиналями получили название платформ. Здесь активные движения коры закончились сотни миллионов лет назад. С той поры преобладали спокойные поднятия и опускания на сравнительно небольшую высоту, подобные волнам, движущимся необычайно медленно.

Австрийский географ и геофизик Альфред Вегенер в начале ХХ века обосновал оригинальную теорию перемещения континентов по горизонтали на тысячи километров. Её назвали теорией дрейфа (пассивного плавания) материков. Движение происходит по ослабленному пластичному слою астеносферы и напоминает перемещение айсбергов. Теорию геосинклиналей Вегенер признавал.

Чуть позже немецкий учёный Хильгенберг выдвинул гипотезу расширения Земли. Она объясняла причины загадочного перемещения материков, хотя оставляла открытой ещё более таинственную проблему: почему планета раздувается, как растущий плод?

Советский учёный Б.Л. Личков развивал катастрофическую гипотезу Кювье и теорию Вегенера. Он подчёркивал важную роль космических сил, изменяющих фигуру Земли (при вращении нашей Галактики).

Ответить на вопрос о разнообразии земного рельефа можно в общем виде так: сказывается действия внутренних сил планеты и внешних не только действующих на её поверхности, но и космических. Впрочем, последние могут влиять главным образом на фигуру Земли.

В середине XX века группа американских геофизиков предложила гипотезу горизонтального перемещения не материков, а гигантских плит литосферы. Идею подхватили сначала некоторые специалисты, а затем популяризаторы науки. Сейчас эту теорию изучают в школах и институтах, называя глобальной тектоникой плит (плитотектоникой). На схемах она выглядит просто, наглядно и убедительно.

Другая привлекательная черта: возможность объяснить многие явления одной причиной (так было с гипотезой Всемирного потопа). Почему громоздятся горы? Потому что здесь сталкиваются плиты литосферы. Почему существуют подводные горы и ущелья между ними? Потому что здесь растягивается и лопается земная кора из-за движения плит. Почему глубоководные желоба находятся на океанических окраинах, а не в центре океанов? Потому что здесь одна плита подползает под другую…

Возникают вопросы: почему движутся плиты литосферы? Почему они наползают одна на другую или ныряют в мантию Земли? Почему в одних случаях при столкновении плит возникают высокие горы, а в других – глубокие впадины? Убедительных ответов нет. Есть дополнительные гипотезы. Хотя если в научной концепции много гипотез, её приходится принимать на веру.

Проблема движения материков (по другой версии – плит литосферы) важна для многих наук о Земле. Это геотектоника («тектос» по-гречески – «строение»), изучающей структуру и динамику земной коры; геоморфология, изучающая формы рельефа и их происхождение; палеогеография (историческая геология). Ещё в середине ХIХ века Чарльз Лайель полагал, что глобальные изменения климатов Земли можно объяснить перемещением материков.