Jump to Navigation

js

Опасные природные процессы как закономерность космических законов

ЗЕМЛЯ ВО ВСЕЛЕННОЙ

 

Гигантская мегасистема мира состоит из множества как бы вложенных друг в друга или соседствующих и иерархически упорядоченных сложных подсистем: сверхгалактик, галактик, звездных систем, планетарных систем. Земля также является сложной системой и содержит такие подсистемы, как магнитосфера, атмосфера, гидросфера, биосфера, литосфера, мантия, ядро. Все составляющие Вселенной развиваются за счет взаимодействия друг с другом и усложнения сво­ей структуры. То же относится к нашей Солнечной системе и непосредственно к Земле. Взаимодействия Земли имеют внешний и внутренний характер, они раз­личны по спектру связей, интенсивности, масштабу и продолжительности. В экс­тремальных случаях такие природные процессы проявляют опасный характер. Наша задача — понять, как при эволюции и взаимодействии сложных систем рождаются опасные природные процессы.

 

Структура и эволюция Вселенной

 

В 80-е годы многие астрономы считали, что в боль­ших масштабах Вселенная практически однородна, полагая, что сгущения вещества, такие, как скопле­ния галактик, распределены по пространству рав­номерно. Наблюдения последних лет показали, что видимое вещество собрано в образования, имеющие несколько различных форм. Были обнаружены сверх­скопления галактик, сосуществующие со столь же ги­гантскими пустотами, в которых видимого вещества крайне мало. Возник естественный вопрос о проис<хождении этих структур В поисках ответа были объединены усилия астро­номов, физиков по элементарным частицам и космологов. Роль астроно­мов заключалась в поиске и картографировании очень больших структур и определении их обших характеристик. Физики должны были попять суть законов, управлявших процессами в ранней Вселенной и влиявших на формирование ранних структур. Космологам предстояло выяснить пути эволюции этих структур к современным формам.

С помощью специальной обработки были обнаружены 102 предпола­гаемых сверхскопления галактик и 29 пустот (для сфер радиусом 160 млн световых лет). Наиболее интересный результат: открытие вытянутого во- юкна, состоящего из галактик и скоплений, в области созвездий Персей и Пегас общей длиной более 1 млрд световых лет. Это волокно окружают три пустые области, каждая из которых имеет диаметр примерно 300 млн све­товых лет, не содержит богатых скоплений и относительно свободна от яр­ких галактик (рис. 2.1).

 



Рис. 2.1. Трехмерная карта сектора метагалактики; видимая фигура — скопле­ние галактик в созвездии Волосы Вероники [Бернс Д.О.. 1986]

 
 

Особенности Нашей Галактики

Галактики — это гравитационно связанные систе¬мы множества звезд, квазаров, «черных дыр», газа, пыли, темного вещест¬ва и излучения (электромагнитного и корпускулярного). Они являются строительными блоками мегаструктуры Вселенной. Свечение большинства галактик обусловлено общим свечением десятков или сотен миллиардов составляющих их звезд. Большинство галактик собрано в различные ан¬самбли, которые называются группами, скоплениями и сверхскоплениями. В группу может входить 3—4 галактики, в скопление — около 50 галактик, в сверхскопление — до тысячи или несколько десятков тысяч. Наша Галак¬тика, Туманность Андромеды и еще более 1000 объектов входит в Местное сверхскопление. Существует множество различных видов галактик. Они раз¬личаются по форме, размеру, массе и излучаемой энергии. Первая классификация галактик, опубликованная в 1925 г., принадлежит Эдвину Хабблу. В несколько модифицированном виде эта классификация используется и поныне. Введены следующие основные морфологические классы галактик: эллиптические (Е). спиральные (S), спиральные с перемычкой (SB), линзообразные (So), неправильные (1г) и пекулярные (рис. 2.3, 2.4). На самом деле существует множество галактик, не укладывающихся в эту схему.

Рис. 2.3. Морфологическая классификация галактик

Наша Галактика — гигантская звездная система, состоящая из 100 млрд звезд, в число которых входит и наше Солнце. Она является галактикой про­межуточного типа — Sb или Sa. В нашей Галактике есть спиральные рукава, диск, центральное утолщение, корона. Размер Галактики в поперечнике — 100 000 световых лет. Центральная выпуклость занимает пространство 20 000 световых лет в поперечнике и 3 000 световых лет в толщину. Гало простирается на 150 000 световых лет. Масса Галактики в пределах объема радиуса 15 килопарсек — около 15 х 10'" масс Солнца. Земляне видят диск «с ребра», поэтому огромное количество дальних звезд сливается в одну по­лосу, которая видна в ночном небе как Млечный Путь (galacticos — млеч­ный). Диск Галактики состоит из спиральных рукавов. Наша Галактика по­хожа на галактику 2997 (рис. 2.5).

Солнечная система сейчас находится в зоне коротации между рукава­ми Персея и Стрельца и движется в сторону рукава Персея со скоростью около 220 км/с. Ее период обращения, или галактический год, составляет примерно 200 млн лет. Время пребывания между рукавами оценивается в 7,8      млрд лет. В спиральных рукавах происходят вспышки «сверхновых» звезд, поэтому спокойный период Солнечной системы начался после ухо­да ее из места своего рождения (рукав Стрельца) и вхождения в межрукав- ное пространство.

Стрелец А — объект в самом центре Галактики — является источни­ком самого сильного излучения. Его размер около 1,2 млрд км (размер ор­биты Юпитера). Энергия его гамма-излучения составляет 511 тыс. эВ (энергия фотона видимого света — 2 эВ), что соответствует аннигиляции огромного количества антивещества (около 10 млрд т позитронов в 1 с). Интенсивность излучения сильно варьирует. Все это говорит о необычно­сти источника излучения. Такое излучение может генерироваться вблизи очень плотных объектов типа нейтронных звезд или «черной дыры»

 

Солнечная система. Активность Солнца

 

В современной планетарной космологии представле­ние о совместном происхождении Солнца и планет из единой вращающей­ся туманности сочетается с идеей О.Ю. Шмидта об образовании планет в околосолнечном протопланетном облаке путем аккреции (аккумуляции) твердых частиц и тел. Установлено [Сафронов и др., 1982], что первона­чально однородная и равномерно вращающаяся протосолнечная туман­ность коллапсирует в звезду солнечного типа, окруженную протопланет- ным диском, при величине момента количества движения 1(Г2—10"'' г см2 / с. При меньших значениях момента образуется одиночная звезда, а при боль­ших — двойная звезда. Чтобы коллапс завершился образованием Солнца и вращающегося вокруг него газопылевого диска, необходим эффективный перенос углового момента из центральной области наружу. В современных моделях главная роль в этом процессе отводится турбулентной вязкости. Согласно расчетам, за 10'— 106 лет масса центральной части становится доста­точной для начала реакций термоядерного синтеза и составляет около 1027 г (масса Юпитера). Для удержания и развития ядерного горения нужна масса не менее 10™ г (масса самых маленьких звезд).

В протосолнечном диске химическая дифференциация управлялась в ос­новном магнитным, гравитационным и тепловым полями. В этих условиях нейтральные молекулы газов оттеснялись тепловым полем молодой звезды к периферии диска, а ионизированные радикалы и атомы тяжелых элементов стремились к внутренней части диска. Более ранние центры аккреции внут­ри диска разрастались быстрее. Совместное действие всех механизмов приве­ло к сепарированию вещества и образованию планет с разным химическим составом и, следовательно, различной плотностью, которые закономерно расположились в пространстве по направлению от внутренних, более плот­ных, к внешним, менее плотным. В Солнечной системе образовалось 9 пла­нет, 2 пояса астероидов (Койпера и «Фаэтона») и 1 облако комет (Оорта). Большинство планет имеют спутники.

Все 9 планет вращаются вокруг Солнца по орбитам примерно в одной плоскости (рис. 2.8). Солнце медленно вращается вокруг своей оси с запада на восток, и в ту же сторону вращаются все планеты, кроме Венеры и Урана. Венера вращается в обратную сторону, а ось вращения Урана находится в пло­скости его орбиты.

Четыре планеты — Меркурий, Венера, Земля и Марс — относятся к вну­тренним планетам, а Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон — к внешним планетам-гигантам. Внутренние и внешние планеты разделены поя¬сом астероидов.

Рис. 2.8. Схема строения Солнечной системы и траектория кометы Галлея

 

Солнце — это ближайшая к нам звезда. В сообществе звезд Солнце отно­сится к классу желтых карликов и классифицируется как G2V. Звезды, подоб­ные Солнцу, и сегодня образуются в плотных молекулярных облаках. Макси­мальные размеры звездообразующих облаков — 100 парсек, масса — до 105 масс Солнца, плотность частиц — от 10’ до 107 см \ температура — 10—60 К. Облака состоят из газа (99%) и межзвездной пыли (1%).

Рис. 2.9. Схема строения Солнца [Гибсон Э., 1977]

 
 

Строение Земли

 

Земля является сложной открытой системой. По данным А.И. Войцеховского (1990), как открытая система она ежегодно по­лучает из космоса 5 х 104 т метеорной пыли и примерно 1500—2000 т метео­ритов. На Земле установлено около 156 метеоритных кратеров, свидетельст­вующих о крупномасштабной бомбардировке из космоса. Общая энергия электромагнитного и корпускулярного излучения, получаемого от Солнца, составляет 2 х 1075 Дж. Земля испытывает гравитационные воздействия Га­лактики, Солнца и планет Солнечной системы.

Одновременно Земля отдает в окружающее космическое пространство легкие газы (водород, гелий, диоксид углерода, азот, инертные газы и др.), поэтому накопления газов в атмосфере не происходит, несмотря на непре­рывно идущий процесс дегазации недр. Земля отражает и излучает длин­новолновую радиацию. В последние годы значительно выросла доля ра­диоизлучения планеты по техническим причинам.

Сложность системы Земля состоит в том, что в процессе ее эволюции возник ряд сложных подсистем, таких, как магнитосфера, ионосфера, ат­мосфера, гидросфера, литосфера, мантия и ядро (жидкое и твердое), ак­тивно и нелинейно взаимодействующих друг с другом.

 

Форма Земли

Мы живем на огромном шаре. Об этом говорил еше Пифагор в VI в. до н.э., хотя многие считали нашу Землю плоской, как блин. Сегодня наукой доказано, что Земля имеет шарообразную фор­му. Математик Архимед предложил термин «сфероид» — это фигура, близ­кая к сфере, но не совсем идеальный шар.

Сейчас известно, что наша планета сплющена с полюсов, поэтому ее экваториальный радиус больше, чем у идеального шара, а вдоль оси вра­щения радиус Земли меньше, чем у правильной геометрической сферы, и ее форма близка к эллипсоиду.

Однако в связи с многообразием конфигураций рельефа действитель­ная форма Земли является более сложной, чем эллипсоид. Учитывая эти особенности, немецкий физик Листинг в 1873 г фигуру Земли назвал геоидом
 
Геоид — некоторая воображаемая уровенная поверхность, которая оп-ределяется тем, что направление силы тяжести к ней всюду перпендику¬лярно. Это достаточно сложная поверхность, неудобная для математиче¬ского моделирования. В настоящее время в России в геофизике и космонавтике использует¬ся эллипсоид Ф.Н. Красовского. Площадь поверхности Земли около 510 млн км2, из которых 70,8% за¬нимает Мировой океан, а 29,2% — суша. В Северном полушарии соотно¬шение суши и океана составляет 39 и 61%, а в Южном — 19 и 81%. Изучение внутреннего строения Земли производится различными мето¬дами. Около 120 лет назад австрийский геолог Эдуард Зюсс скорее догадал¬ся, чем доказал: планета по своему строению подобна луковице. Она состо¬ит из концентрических (имеющих общий центр) слоев, уплотняющихся по мере приближения к центру. На основании метода исследований скоростей распространения сейс¬мических волн австралийский сейсмолог К. Буллен разделил Землю на ряд зон и дал им буквенные обозначения в определенных усредненных интер¬валах глубин, которые используются с некоторыми уточнениями до насто¬ящего времени. Выделяют три главные области Земли.
Земная кора (слой А) — верхняя оболочка Земли, мощность которой изменяется от 6—7 км под глубокими частями океанов до 35—40 км под платформенными территориями континентов и до 50—70 км под горными сооружениями. В 1909 г. югославский сейсмолог А. Мохоровичич при изу¬чении балканских землетрясений впервые установил нижнюю границу зем¬ной коры. Эту границу сокращенно называют границей Мохо или М.
Мантия Земли — расположена ниже границы Мохо и распространяется до глубин 2900 км. В ее пределах, по сейсмическим данным, выделяются: верхняя мантия (слой В) — глубиной до 670 км, средняя мантия (слой С) — до глубины 800—1000 км и нижняя мантия (слой D) — до глубины 2700 км с переходным слоем D' — от 2700 до 2900 км.
Ядро Земли — подразделяют на внешнее ядро (слой Е) — в пределах глубин 2900—4980 км, переходную оболочку (слой F) — от 4980 до 5120 км и внутреннее ядро (слой G) — до 6971 км. Границы между этими областями называются разделами первого по¬рядка (рис. 2.19). Земная кора отделяется от слоя самой верхней мантии резким скачком скорости. Высокоскоростной твердый слой верхней мантии совместно с земной корой называют литосферой. Второй резкий раздел совпадает с переходом от нижней мантии к внешнему ядру, где наблюдается скачкообразное падение скорости про¬дольных волн с 13,6 до 8,1 км/с. а поперечные волны гасятся. Дело в том, что на этом рубеже резко меняются физические свойства вещества.
 

СТРОЕНИЕ И ДИНАМИКА СФЕР ЗЕМЛИ

В процессе своей эволюции Земля разделилась на ряд подсистем и стала слож­ной системой. Первыми возникли твердое и жидкое ядра, затем выделилась маг­нитосфера, мантмя и литосфера. И лишь позднее образовались атмосфера, гид­росфера и биосфера. С появлением человека социального некоторые ученые (Тейяр де Шардена и В.И. Вернадский) стали выделять еще и ноосферу (сферу разума). Однако этот вопрос до настоящего времени является дискуссионным. Для нас наиболее важным представляется вопрос о строении, эволюции и взаи­модействии прежде всего магнитосферы, атмосферы, гидросферы и литосферы с космосом.

Строение и динамика магнитосферы Земли

Магнитосфера — это самая внешняя оболочка Зем­ли. Ее существование и строение обусловлены взаи­модействием солнечного ветра с дипольным маг­нитным полем Земли. Если бы Земля была одинока в космическом пространстве, силовые линии маг­нитного поля планеты располагались бы таким же образом, как и силовые линии обычного магнита, т.е. в виде симметричных дут, протянувшихся от юж­ного магнитного полюса к северному (рис. 3.1, а). Плотность линий (напряженность магнитного по­ля) падала бы с удалением от планеты.

Однако магнитное поле Земли находится во взаимодействии с магнит­ными полями Солнца, планет и потоков заряженных частиц, испускаемых в изобилии Солнцем (рис. 3.1, б).

Рис. 3.1: а — дипольное магнитное поле; б — магнитное поле Земли, транс­формированное потоком солнечного ветра [Гальпер А.М., 1999 ]

Если магнитным влиянием самого Солнца и тем более планет из-за их удаленности можно пренебречь, то потоки частиц (солнечный ветер) необ­ходимо учитывать. Солнечный ветер представляет собой потоки мчащих­ся со скоростью около 500 км/с частиц, испускаемых солнечной атмосфе­рой. Такие потоки несут сильные магнитные поля, для которых магнитное поле Земли служит препятствием. Поскольку скорость потока значительно выше скорости звука в солнечном ветре (сверхзвуковое обтекание препятст­вия), в соответствии с законами гидродинамики перед магнитосферой обра­зуется ударная волна, фронт которой имеет форму параболоида (рис. 3.1, б). Солнечная плазма, проходя через ударную волну, уплотняется, замедляет свое движение, нагревается и обтекает магнитное поле. Магнитное поле от воздействия сжимается и приобретает форму вытянутой полости — магни­тосферы. Ее граница называется магнитопаузой. Расстояние до лобовой точки магнитопаузы при скорости солнечного ветра 500 км/с и плотности 2,5 частиц/см1 оценивается примерно в 10 земных радиусов. На «подветрен­ной» стороне возникает «хвост» магнитосферы диметром до 40 радиусов Зе­мли и длиной несколько сотен радиусов. При вспышках на Солнце скорость солнечного ветра возрастает до 1000 км/с, и деформация усиливается.

 

Строение и динамика ионосферы Земли

 

Ионосфера — второй защитный слой, простираю­щийся от верхней границы стратосферы до высоты 1000 км. Причиной та­кой толщины является различная проникающая способность волнового и корпускулярного излучения на фоне снижения плотности атмосферы с вы­сотой. Название этого слоя связано с повышенным содержанием положи­тельных ионов и свободных электронов. Образование ионов на высотах от 80—85 до 400 км происходит за счет диссоциации нейтральных молекул под действием ультрафиолетовой, рентгеновской и корпускулярной радиа­ции Солнца. Температура в ионосфере с подъемом повышается и на высо­те около 120 км равна примерно +150°С

В пределах ионосферы солнечная энергия преобразуется в другие виды энергии. В ионосфере текут интенсивные электрические токи, сила которых измеряется десятками тысяч ампер. Напряженность электрического поля ме­жду ионосферой и поверхностью Земли достигает 300 000 вольт. Поэтому на все изменения в ионосфере чугко реагируют земные (теллурические) токи.

 

Установлено, что с высотой в ионосфере плавно изменяются состав и концентрация ионов и электронов. На высотном профиле имеются макси­мумы концентрации. Их условно называют ионосферными областями — FI, F2, Е, D.

Ионизация — это процесс, в котором отрицательно заряженные элект­роны «отнимаются» (или присоединяются) от нейтральных атомов или мо­лекул для образования положительно (или отрицательно) заряженных ио­нов и свободных электронов.

Исследования последних лет показали, что формирование погоды так¬же тесным образом связано с корпускулярным излучением Солнца и по¬ведения ионосферы. Было установлено, что под действием внедряющихся в атмосферу высоких широт заряженных частиц происходит разогрев по¬лярной ионосферы, изменяются содержание озона (до 14%), электриче¬ский потенциал ионосферы и происходит возбуждение планетарных волн, которые затем распространяются к средним и низким широтам. Возника¬ющие вследствие этого эффекты влияют на погодные условия. Вариации степени ионизации из-за изменения солнечной активности приводят к изменению концентрации ионов и электронов, что сопровож¬дается изменением планетарного электрического сопротивления и ионо¬сферного потенциала. В результате изменяется суммарный планетарный электрический ток. Глобальная электрическая сеть является замкнутой и чутко реагирует на любые изменения. При ионосферной буре баланс на¬рушается — возникает гроза. Электрический потенциал ионосферы регу- тируется совокупной активностью всех гроз на Земле.

Строение и динамика нейтральной атмосферы

Атмосфера — это область между ионосферой и по-верхностью Земли, представленная нейтральными молекулами и атомами воздуха и пара. Масса земной атмосферы — 5.15 х 10г т, она давит на по¬верхность 510,2 млн км2 и создает удельное давление 1,033 кг/см . Вследст¬вие уменьшения плотности воздуха с высотой 90% массы атмосферы заклю¬чено в слое до высоты 16.3 км и 99% — до 31,2 км. Поток лучистой энергии на земную атмосферу составляет 1,36 х 10’ Вт/м2 (солнечная постоянная). В атмосфере до высоты около 106 км содержатся хорошо перемешанные течениями воздуха газы (азот — 78%, кислород — 21, аргон — 0,9, углекис- ]ый газ — 0,03 и около 0,003% — смесь неона, гелия, криптона, ксенона, окислов азота, метана и озона). Эти соотношения остаются неизменными на протяжении нескольких десятков километров в высоту. В атмосфере иногда присутствуют некоторые летучие органические вещества, промышленный дым, выхлопные газы, окись углерода, сернистый газ и хлор (из вулканов).
Кроме того, присутствуют ионизированные радикалы, пары воды, пыль и аэрозоли, что и определяет оптическую прозрачность атмосферы или про¬пускную способность солнечной и галактической радиации. Состояние ат¬мосферы может меняться при изменении содержания пыли и газов. Важной составной частью атмосферы является водяной пар, хотя на его долю приходится только 3% ее объема. Большая часть пара содержится в воздухе ниже высоты 3000 м. Количество пара в атмосфере изменяется в за¬висимости от температуры. В холодном воздухе могут содержаться доли про¬цента водяного пара. В воздухе некоторых жарких тропических областей его количество может достигать 4%. Высокая влажность воздуха — один из фа¬кторов. объясняющих меньшую величину суточных и сезонных колебаний температуры в тропиках по сравнению с очень сильными колебаниями температуры в пустынях.

Атмосфера состоит из тропосферы (8—16 км), стратосферы (до 50 км), мезосферы (до 82 км), термосферы (106 км), ионосферы (до 10 000 км) (рис. 3.6).

Рис. 3.6. Схема строения атмосферы [Дроздов О.А.. Васильев В.А. и др., 1989]

Толщина тропосферы достигает от 8 км у полюсов до 16 км у эквато­ра. По мере подъема над поверхностью Земли уменьшается температура тропосферы на 6,5 К на I км. Тропосфера неустойчива и охвачена силь­ными горизонтальными и вертикальными движениями. Тепловая энергия в ней быстро преобразуется в кинетическую. В тропосфере выделяют плане-тарный пограничный слой 1—1,5 км, где скорость течений ослаблена из-за трения о земную поверхность. Здесь идет интенсивный обмен количеством движения, теплом и водяным паром между атмосферой и поверхностью Земли и океана, формируется облачная система, в которой скрытое тепло конденсации помогает развиваться сильным атмосферным возмущениям В тропосфере из-за перепада толщины имеются ограничения на меридио¬нальные движения. Над тропосферой имеется переходный слой — тропо¬пауза. которая определяет тропосферу от стратосферы. Далее расположена стратосфера, отличающаяся незначительным гради¬ентом температуры и малыми сезонными его колебаниями. В стратосфере до 34—36 км температура увеличивается слабо. Стратосфера холоднее над тро¬пиками (—80°С), где она служит как бы ловушкой, вымораживающей водя¬ной пар. Поэтому влажность там мала и облаков не бывает. В стратосфере существуют 26-месячные колебания температуры и зональные составляющие ветра С высоты 34—36 км температура в стратосфере быстро возрастает до стратопаузы (50 км и Т = 270 К). Над стратопаузой находится мезосфера, где температура понижается до 180 К в верхней части. Здесь изредка образуются мезосферные, или сере¬бристые, облака, есть волны и даже вихри. Переходный слой мезопаузы на высоте 82 км отделяет мезосферу от ле¬жащей выше термосферы, где температура растет с высотой до 1400 К (на 250 км), а с дневной стороны в периоды активности Солнпа — намного больше. Это самая теплая часть атмосферы. В стратосфере движение воздуха происходит не только в зональном, но и в меридиональном направлении. Атмосфера не только поглощает, но и отдает тепло. Потери тепла происходят в результате излучения термосферы, из-за перехода энергии УФ-излучения при диссоциации молекул в энергию столкновений и излучения. Воздух термосферы сильно поглощает УФ, Rx и корпускулярную со-ставляющую радиации Солнца и космоса. В ней тормозятся и сгорают ме¬теориты. Это щит биосферы. Выше уровня 106 км (турбопауза) состав воздуха меняется, исчезают углекислота и водяной пар, появляется ионизированный кислород и сво¬бодные электроны. Возникает ионосфера. Ее отличают высокая температу¬ра и зависимость движения от ее магнитодинамических сил. В ней разви¬ваются магнитные бури. Состояние атмосферы определяет метеоусловия на Земле. Существует глобальная система наблюдений — Всемирная службы погоды, которая вклю¬чает 3,5 тыс. наземных метеостанций, 700 наземных астрономических стан¬ций, метеоспутники и около 5 000 точек на транспортных и научно-исследо¬вательских судах и в аэропортах.
 

Чтобы прогнозировать погоду, нужно знать многое о состоянии атмосфе­ры, прежде всего тропосферы. Атмосферная циркуляция обусловлена непре­рывным потоком солнечной радиации, и сама атмосфера подобна гигантской тепловой машине. Нагревателем служат тропики, а холодильником — поляр­ные области. Лучистая энергия превращается в кинетическую энергию дви­жения воздуха. На границу атмосферы за 1 с поступает 17 х 10' Дж лучистой энергии. Часть энергии за счет атмосферного отражения (альбедо) рассеи­вается. Поверхности Земли достигает поток в 1,23 х I017 Дж/с.

Строение и динамика гидросферы Земли

Гидросфера (от греч. hydor — вода и sphaira — шар) — это непрерывная оболочка Земли, включающая всю воду в жидком, твер­дом, газообразном, химически и биологически связанном состоянии. Един­ство гидросферы определяется не только ее непрерывностью, но и посто­янным водообменом между ее частями и переходом из одного состояния в другое.

Формирование водной оболочки Земли было тесно связано с процесса­ми дифференциации мантии. Гидросфера играет ключевую роль в форми­ровании химической и физической среды, климата и погоды, в возникно­вении жизни на Земле и ее развитии.

Следы гидросферы можно найти во всех геосферах нашей планеты. Так, следы подземных вод могут достигать глубин 100 км [Павлов, 1977] и встречаться в верхних слоях атмосферы. В земной коре может находиться около 1,9 х 109 kmj воды. Часть подземных вод (200—500 тыс. км1) законсер­вирована в подземных льдах вечной мерзлоты.

Объем Мирового океана достигает 1342 млн км\ причем около 30 тыс. км^ приходится на айсберги.

Третье место по объему вод занимают ледники на земной поверхности. В настоящее время они покрывают 16,2 млн км2 суши. Общий объем лед­никового покрова Земли оценивается в 30 млн км2 [Котляков, 19791, что составляет 56% запасов вод континентов.

 

Ежегодно на Земле выпадает около 1,7 х 10' т снега (17 тыс. км1 воды). Количество воды, поступающее в атмосферу, оценивается в 12—14 тыс. км! что составляет слой 25 мм на всю поверхность. Если сравнить эту цифру с количеством осадков (600 мм за сутки), выпавших в Швейцарии летом 2000 г. в течение шторма, становится ясным, насколько нелинейны процессы кру¬говорота воды на Земле (рис. 3.7). Другой важной особенностью является резкое изменение альбедо (от-ражательной способности) на Земле из-за вариаций плотности облачности и площади снежно-ледового покрова, что существенно влияет на погодно-климатические условия планеты. В периоды оледенений на Земле, когда значительная часть поверхности континентов была покрыта ледниками, слишком большое количество солнечного тепла отражалось обратно, и на Земле долго удерживались суровые климатические условия.

Рис. 3.7. Круговорот воды на Земле [Аллисон А.. Палмер Д., 1984]

 

Строение и геодинамика литосферы

Литосфера (от греч. литое — камень) — верхняя твердая оболочка Земли, имеющая большую прочность и переходящая без определенной резкой фаницы в лежащую ниже астеносферу (от греч асте- но — слабый), прочность вещества которой относительно мала. Литосфера включает земную кору, т е. верхнюю сиалическую оболочку Земли, и отде­ленную от нее границей Мохоровичича жесткую верхнюю часть верхней мантии Земли предположительно оливин-пироксенового состава. Лежащая ниже часть литосферы сложена ультраосновными породами. Сверху лито­сфера ограничена атмосферой и гидросферой, которые частично в нее про­никают. Мощность литосферы колеблется от 5—10 км под рифтовыми зона­ми океана до 250 км под горными сооружениями континентов.

Движения земной коры

Мы привыкли считать, что живем на неподвижной поверхности Земли. Однако эта самая незыблемая Земля, а точнее, твердая оболочка планеты — земная кора, испытывает вертикальные и горизонталь­ные перемещения. Только мы замечаем это редко или не замечаем вовсе. Земная кора медленно где-то опускается, где-то поднимается. Материки перемещаются по планете, растут горы, расширяются границы океана.

Геодезическое нивелирование позволяет измерять высоту точек с боль­шой точностью. Таким образом, благодаря измерениям с помощью уровня и повторного нивелирования удалось установить что огромная террито­рия Северной Европы медленно (со скоростью до 1 см в год) поднимает­ся. Со времен А. Цельсия (1701 — 1744), который первым доказал, что уро­вень Балтийского моря понижается, Фенноскандия поднялась на 2,5 м. Остатки последнего ледникового покрова растаяли 8 тыс. лет назад, а под­нятие все продолжается. Это эффект релаксации после снятия ледовой на­грузки, назван учеными гляциоизостазией.

Максимально земная кора прогибалась в ледниковые эпохи на 700 м, а время релаксации (т.е. восстановления положения после снятия нагруз­ки) может длиться десятки тысяч лет.

Однако в Голландии. Дании, Литве, Польше низменные участки под­топляются, т.е. происходит опускание земной поверхности. Средневековые замки, построенные в нескольких километрах от моря, теперь подмывают­ся водами Балтийского моря, а фундаменты разрушенных сооружений об­наруживаются под водой на глубине до 1,5 км. Опускание происходит со скоростью от долей до нескольких сантиметров в год.

В пределах Восточно-Европейской платформы скорость современных движений составляет от десятых долей до нескольких миллиметров в год. Венеция в Италии погружается со скоростью 3 мм в год.

Широко развиты вертикальные перемещения поверхностных и припо­верхностных слоев за счет процессов в рыхлых отложениях. Такие процессы имеют короткое время «жизни».

Растут ли горы? На этот вопрос можно ответить «да», но лишь для мо­лодых гор. Нивелирование, проводимое в Швейцарских Альпах в течение по­следних 50 лет, показали, что горы растут со скоростью 1,5 мм в год. За 700— 1000 лет они поднимутся на 1 м. Гималаи растут быстрее — со скоростью 0,5—1 см в год. В то же время Уральские горы относятся к древним и. по­степенно разрушаясь, опускаются.

 

Однако земная кора, а вернее литосфера, испытывает не только верти­кальные движения. Современные геологические исследования позволили установить, что поверхность Земли состоит из плит. Плиты движутся отно­сительно друг друга в горизонтальном отношении. Так, согласно космогео­дезическим данным. Саудовская Аравия надвигается на евроазиатский кон­тинент в районе Загрос со скоростью около 1 см в год. С помощью методов математического моделирования на основе палеонтологических и палеомаг- нитных данных установлено, что в зонах океанических рифтов происходит раздвигание плит, причем наивысшая скорость горизонтальных перемеще­ний достигает 12—14 см в год.

Тектоника литосферных плит и ОПП

В 1910—1912 гг. немецкий метеоролог Альфред Ве­генер высказал предположение, что когда-то существовал один крупный материк, названный им Пангея. Этот суперматерик раскололся, и конти­ненты стали дрейфовать, удаляясь друг от друга, однако местами они, наобо­рот, сталкивались, образуя горные хребты. А.Вегенер был не первым, кто об­ратил внимание на поразительное сходство береговых очертаний Африки и Южной Америки, Европы и Северной Америки. Но он был первым, кто обосновал горизонтальные перемещения материков разнообразными геоло­гическими и геофизическими материалами. Однако эти материалы, особен­но касающиеся глубинного строения земной коры и мантии, были столь скудны, что не могли убедительно обосновать механизм движения конти­нентов. И гениальная догадка была практически забыта, но не всеми.

Реанимация гипотезы А. Вегенера произошла в 60-е годы XX в. благо­даря прогрессу в геологических и геофизических исследованиях. Особое значение имели:

палеомагнитные исследования, составление детальной карты рельефа океанского дна, обнаружение глобальной системы срединно-океанских хребтов с рифтами в осевой части и поперечными разломами, выраженны­ми глубокими ущельями; выявление линейного и знакопеременного хара­ктера магнитных аномалий океанского дна, резко отличных от континен­тальных аномалий; линейность распределения эпицентров землетрясений по границам литосферных плит; установление наклонных сейсмофокаль- ных зон Беньофа, маркирующих зоны поддвига литосферных плит, и оп­ределение смещений в очагах (гипоцентрах) землетрясений, что дало воз­можность выявить ориентировку поля напряжений.

 

Основная идея теперь уже не гипотезы, а теории тектоники литосфср- ных плит заключается в признании делимости верхней оболочки земной коры — литосферы, располагающейся над более пластичным и, возможно, частично расплавленным (до 2%) слоем астеносферы, на отдельные плиты. Вся толща литосферы замкнута вокруг земной поверхности, поэтому каж­дое движение любой литосферной плиты, вызванное вариациями раздви- говых процессов в рифтовых зонах или столкновениями континентов, меняет всю картину литосферных напряжений. В настоящее время выделяет­ся 7 больших и несколько мелких плит, между которыми различают три типа основных границ (рис. 3.14).

Условные обозначения: 1 — границы подвига; 2 — границы раздвига (рифты); 3 — границы материков; 4 — направление движения литосферных плит

Рис. 3.14. Схема движения литосферных плит
 
 

Взаимодействие систем космоса и Земли — основной источник ОПП

Наиболее динамичными, а следовательно, отклика­ющимися на внешние воздействия, зонами являются верхние оболочки Зе­мли: магнитосфера, атмосфера, гидросфера и литосфера. Но самой измен­чивой является биосфера, так как она проникает в три последние указанные оболочки. Действительно, мы наблюдаем, как ежедневно меняется погода, которая обусловлена взаимодействием океана, атмосферы и космоса, так как он одновременно влияет на климат и погоду. Это достаточно хорошо замет­но во время солнечных вспышек. Землетрясения и вулканы также являют­ся дирижерами погоды и климата и, в свою очередь, подчинены гравита­ционным влияниям Луны и Солнца. Состояние поверхности моря целиком зависит от атмосферной деятельности. Обвалы, сели, лавины зависят от обилия атмосферных осадков, состояния и характера грунта, наличия спу­сковых толчков (землетрясений, промышленных взрывов и др.). Наводне­ния зависят от обилия осадков, инфильтрационных возможностей грунта и уровня грунтовых вод. Можно и дальше продолжать список различных ситуаций. Суть состоит в том, что именно в пограничных зонах происхо­дит наложение ритмов и влияний различных систем. Поэтому здесь быст­рее достигается состояние сильной неравновесности, возникают ситуации параметрического нелинейного резонанса в локальных подсистемах или просто осуществляются экстремальные воздействия на них. Следствием, как правило, являются ситуации возникновения ОПП. Верхние части ли­тосферы и биосфера как раз и являются такой пограничной зоной — по­лигоном совместных воздействий различных подсистем Земли и систем кос­моса. На рис. 3.25 представлена схема взаимодействия космоса и различных сфер Земли. Из нее видно, что зоны биосферы и верхней части земной ко­ры являются наиболее динамичными, так как здесь происходит суммирова­ние многих процессов.

Рис. 3.25. Схема взаимодействия систем Земли и космоса |Иванов О.П., 1991]

Вход на сайт



about seo