100 великих загадок географии

С таким названием ситуация юмористическая. Как оно переводится? «Землевидный» или «землеподобный». Выходит, Земля «землеподобна»! Прямо по Чехову: «Какое правительство в Турции? Известно какое – турецкое!»

Эллипсоид вращения и геоид. Вне масштаба, сильно искажено

Впрочем, определённый смысл в названии «геоид» имеется. Оно показывает, что у нашей планеты облик индивидуальный. Это не «марсоид» или «луноид», а именно геоид. Ни с чем не спутаешь. Хотя в общем у всех планет и у звёзд форма безусловно шарообразная.

Если бы учёные были сторонниками учения Пифагора, они вряд ли бы усомнились в том, что Земля – идеальный шар. Но по верному замечанию французского писателя Жюля Ренара: «Учёный – это человек, который в чём-то почти уверен». Любознательность и умение сомневаться – необходимые качества любого умного человека.

О том, что форма Земли не идеальна, учёные предположили задолго до космических полётов и обмеров планеты извне. По мнению физиков Ньютона и Гюйгенса, наша планета от вращения должна быть немножко сплюснутой у полюсов. Почему твёрдое небесное тело может менять свою форму? Конечно же, под влиянием гравитации. Она сминает каменные массы, как пластилиновые.

Оставалось провести наблюдения, которые подтвердили бы гипотезу «приплюснутой» Земли. В 1735 году от берегов Франции отошло в просторы Атлантики судно, держа курс к экватору, к равнинам Перу. Там надо было измерить «отрезок земного меридиана». Год спустя другая экспедиция Французской академии отправилась на север Европы, в холодную болотистую Лапландию, с той же целью.

Измерения показали, что длина одного градуса меридиана в Перу равна 110 868 м, а в Лапландии – 112 992 м. Значит, у экватора земная поверхность более круто изогнута, чем у полюса, и наша планета действительно приплюснута у полюсов.

Казалось бы, всё прояснилось: Земля имеет форму так называемого эллипсоида вращения – фигуры, получающейся, если достаточно быстро вращается вокруг своей оси шарообразное пластичное тело. Однако учёные продолжали добывать и обдумывать новые факты. Очередной сюрприз преподнёс им простой прибор – маятник.

В конце ХVIII века в Парижской академии наук обсуждались неожиданные сведения. Маятник, перенесённый из средних широт на экватор, замедлял свои качания на 2,5 секунды в сутки. Значит, его вес уменьшался. Это можно было объяснить тем, что Земля сплюснута у экватора (имеет форму лимона).

Французских академиков такая версия не устроила. Они решили иначе: под влиянием центробежных сил, вызванных вращением планеты. Но и на этом исследователи не успокоились. Чтобы окончательно избавиться от сомнений, проводили всё новые опыты. Планету измеряли вдоль и поперёк; в разных её пунктах изучали частоту колебания маятника.

Вновь природа преподнесла сюрприз: маятник на Бонинских островах Тихого океана делал в сутки на 14,2 качания больше, чем предполагалось по расчётам, основанным на эллипсоидной форме Земли! На острове Святой Елены число «лишних» качаний составило 10,3. И так – почти на всех океанических островах.

Теория не вязалась с фактами. В таких случаях либо уточняют факты, либо меняют теорию. Форма нашей планеты оказалась более всего похожей на двуосный эллипсоид вращения, с дополнительными искажениями.

Океаническая поверхность (включая острова) расположена ближе к центру планеты, чем это предполагалось раньше. И хотя отклонения от идеального шара невелики, учёные во имя точности решили не называть фигуру Земли шаром. В 1873 году немецкий математик и физик Иоганн Листинг предложил название – «геоид». Оно, по сути, ничего не объясняет, кроме того, что планета имеет индивидуальную и неидеальную фигуру. Термин этот прижился.

Из-за вращения Земля немножко сплюснута у полюсов. Расстояние от центра до экватора – 6378 км, а до полюсов – 6357 км (другие отклонения от идеального шара значительно меньше). Северный полюс планеты чуть приподнят по отношению к южному полюсу. Получается фигура, напоминающая рисунок сердца. Так появилось новое название: «кардиоид» (сердцеподобный).

Кроме сил вращения, на нашу планету воздействуют силы притяжения Луны и Солнца. Оригинальный советский географ и геолог Б.Л. Личков предполагал более дальние космические влияния, вызванные вращением нашей Галактики. Но до сих пор нет убедительного объяснения формы геоида-кардиоида.

Чтобы объяснить отклонения формы Земли от идеала, надо учитывать, вдобавок ко всему движение материков, а в ледниковые периоды перемещение воды в виде льда на материки и понижение уровня Мирового океана на десятки метров. Всё это влияет на колебания оси и скорость вращения планеты.

Под влиянием притяжения Луны и Солнца вращение Земли становится меньше, а значит, в масштабе миллионов лет наша планета должна приближаться к форме шара. Высокая вязкость каменной плоти планеты приводит к тому, что изменения в её форме проявляются за долгие сроки.

По данным палеогеографии, в разные геологические эпохи очертания суши и моря менялись, порой все континенты составляли единое целое, раскалывались, расходились и снова сближались. Мы сейчас наблюдаем один из многих вариантов лика Земли. Название «геоид» имеет в виду ещё и её неопределённую форму, изменчивую со временем.

Почти наверняка, будь у нашей планеты всегда идеальная форма шара (так же как во всей Вселенной было бы всё в идеальном порядке), эволюция живых организмов если бы и происходила, то чрезвычайно медленно, а то и вовсе замерла на первоначальной стадии. Ведь изменения – стимул к развитию. Вряд ли случайно самая быстрая эволюция мозга за всю геологическую историю была у предков человека за последние два-три миллиона лет, в ледниковый период.

Почему Земля тёплая?

С глубиной температура земных недр обычно повышается. Только в зонах вечной (многолетней) мерзлоты она может быть отрицательной до полукилометровой глубины, но затем начинает возрастать.

В туннелях и на станциях метро глубокого заложения круглый год тепло. В глубоких шахтах жарко и работать трудно. В Кольской сверхглубокой скважине на глубине 7 км температура достигла 120 °C, а через 5 км возросла ещё на 100 градусов. На больших глубинах плоть Земли раскалена до нескольких тысяч градусов.

Нет никакой возможности измерить приборами температуру глубоких недр. Геофизики определяют её косвенным путём, исходя из некоторых предположений и допущений. Ведь мы не знаем химический состав глубоких недр. Например, предполагается, что ядро планеты состоит из железа. В таком случае его температура, согласно расчётам, может составлять от 2500 до 6000°.

На земной поверхности жар Земли выделяется в зонах действующих вулканов и выходов горячих подземных вод. Энергия глубин разряжается во время землетрясений; она вызывает перемещения крупных участков (блоков) земной коры и целых континентов.

Казалось бы, при столь высокой температуре земных недр наша планета должна излучать много энергии. Но как показывают замеры, тепловой поток, выходящий из глубин на поверхность планеты, невелик, примерно в десять тысяч раз меньше поступающей извне лучистой солнечной энергии.

Это чрезвычайно важный факт. В наше время многие авторитетные специалисты в науках о Земле его недооценивают. Пытаясь понять, какие силы сминают в складки и разрывают горные породы, колеблют земную поверхность и движут материки, геофизики ссылаются на энергию земных глубин. На этом основана популярная ныне глобальная тектоника литосферных плит. Впрочем, о ней у нас будет особый разговор.

Два века назад преобладало мнение специалистов, что ниже сравнительно тонкого слоя твёрдых горных пород, который назвали земной корой, клокочет кипящая магма. В действительности, несмотря на высокие температуры, глубинное вещество планеты находится преимущественно в твёрдом и пластичном состоянии из-за высоких давлений. Как установили физики, температура плавления растёт с увеличением давления.

Разрез через Японское море до глубины 500 км.

Внизу – профиль теплового потока. Оконтурена зона глубинных разломов и эпицентров землетрясений (по японским авторам)

По этой причине на тех участках земной поверхности, где по какой-то причине снижается нагрузка на земную кору, при повышении температуры горных пород они могут переходить в текучее состояние.

Откуда берётся тепло Земли?

Для ответа на этот вопрос можно обратиться к фундаментальной работе «Земля» группы американских учёных во главе с Дж. Ферхугеном. Там ясно сказано: «Многое ещё в проблеме земного тепла остаётся неопределённым». Несмотря на то что с той поры, как был сделан такой вывод, прошло четыре десятилетия, ничего не прояснилось.

В познании жизни Земли остаются зияющие пробелы. Исследователям предоставлено обширное поле деятельности, поисков и открытий. А мы обратимся к некоторым фактам, проблемам и гипотезам.

Долгое время считалось, что Земля сохраняет тепло с момента своего рождения. Это возможно в том случае, если она возникла из плазмы при «горячем варианте» образования Солнечной системы или как выброс солнечного вещества.

Если Земля сформировалась в результате гравитационного притяжения холодных частиц, при этом должно было выделяться огромное количество энергии. Но она уходила бы в основном в космическое пространство. Если часть её сохранилась, это не имеет принципиального значения, ибо нет никаких данных о том, что наша планета за последние 3–4 миллиарда лет охлаждалась. Бывали ледниковые эпохи, но они охватывали только земную поверхность.

Принято считать основным источником внутренней тепловой энергии планеты распад радиоактивных элементов. Значительно меньше сказывается ротационная энергия, связанная с гравитационным воздействием Луны и Солнца, что приводит к замедлению вращения Земли.

Более проблематично влияние перераспределения масс вещества в ядре и мантии планеты, а также физико-химических процессов, происходящих в глубоких недрах.

У всех этих гипотез, исключая ротационную, общее уязвимое место. По всем законам термодинамики внутреннее тепло Земли как замкнутой системы должно со временем уменьшаться. При этом интенсивность геологических процессов должна слабеть. Ничего подобного не наблюдается. Напротив, есть данные, что за геологическую историю возрастала активность накопления осадочных горных пород.

Наиболее насыщенные радиоактивными элементами горные породы, в частности граниты, находятся преимущественно в земной коре континентального типа; их почти нет в земной коре дна Мирового океана.

Логично предположить, что тепловой поток из недр на континентах будет значительно выше, чем в океанах. К изумлению геофизиков, измерения показали, что ничего подобного нет.

Как же так? Ротационные силы действуют на всю массу планеты. Физико-химические процессы и радиоактивный распад наиболее активно идут в земной коре континентов. Чем же объяснить равенство тепловых потоков на континентах и в океанах?

По данным японских учёных Ли и Уэды, в океанических бассейнах тепловой поток в среднем на 20–25 % выше, чем на устойчивых древних континентальных щитах (платформах), где преобладают граниты и метаморфические породы с высоким содержанием радиоактивных минералов.

Как объясняют специалисты подобные тепловые аномалии? Насколько мне известно, никаких убедительных объяснений нет. Есть только предположения. Мол, это зависит от неоднородного состава мантии: под океанами в ней больше радиоактивных атомов, чем под континентами.

Как пишут авторы упомянутой выше работы «Земля», «в сущности, этот подход сводится к допущению, что уран, торий и калий перемещаются вместе с другими элементами (кремнием, алюминием, натрием и т. п.), которыми кора континентов значительно обогащена по сравнению с мантией».

Получается допущение, основанное на предположении. И нет другого варианта объяснения. Это особенно странно. Почему геофизики предлагают только одну гипотезу?

С тех пор как в науках о Земле господствует глобальная тектоника плит литосферы, геофизики стараются толковать факты так, чтобы они подходили под эту идею. Для этого надо каким-то образом показать, что в сверхплотной мантии планеты возможны круговые потоки вещества.

Можно ли как-то иначе объяснить равенство потоков земного тепла под континентами и океанами? Есть ещё одна закономерность: самые мощные потоки геотермальной энергии – в наиболее молодых вулканических областях; немногим меньше – в молодых активных горных системах. Что бы это значило?

На мой взгляд, наиболее вероятна такая гипотеза. Под высоким давлением в ядре и мантии Земли деформируются кристаллические решётки минеральных масс, высвобождая энергию. Она излучается относительно равномерно. Поэтому общий поток тепла под континентами и океанами одинаков.

Почему возникают температурные контрасты? Потому что на земную поверхность поступает мощный поток солнечной энергии, в тысячи раз превышающий поток тепла из недр. Взаимодействие воздушной, водной и каменной оболочек планеты при участии живых организмов определяет процессы, происходящие в земной коре, – геохимию и геофизику ландшафта.

В самом общем виде суть в том, что дробление, перенос, химическая обработка, накопление и погружение в земную кору минеральных масс сопровождается аккумуляцией лучистой солнечной энергии. Она «разряжается» в каменной оболочке Земли там, где эти процессы идут наиболее активно.