100 великих тайн Земли

Тем любопытнее работа, которую опубликовали недавно Деррик Хэстерок и Дэвид Чепмен из университета штата Юта на страницах Journal of Geophysical Research.Ее название – «Континентальная термальная изостазия. – Часть первая: методы и чувствительность». Как правило, научная статья под таким заголовком не избалована вниманием широкой публики. И даже среди геологов немногие зачитываются такого рода теоретическими рассуждениями. Поэтому, чтобы пробудить интерес к своей работе Чепмен и Хэстерок нашли любопытный ход. Они сопроводили сугубо научный материал увлекательным приложением под заголовком «Часть вторая: применительно к Северной Америке», где живописали картину далекого будущего.

Под Колорадо температура недр на глубине 30км составляет около 650°С, в то время как под Великими равнинами– 500°С

Как оказалось, земная кора под Северной Америкой разогрета сильнее, чем ожидали. В принципе, недра Земли напоминают… очень вязкую кашу, которая варится на костре. Тепло, притекающее из глубины планеты, а также выделяющееся при распаде радиоактивных элементов, не дает этому «костру» погаснуть. Благодаря конвективным потокам «варево» постоянно, хоть и очень медленно перемешивается. Этот перенос тепла из недр Земли к поверхности – основной мотор тектоники плит; кроме того, данный процесс еще и определяет облик континентов.

Ученых особенно поразило то, что картина температурных перепадов в недрах Северной Америки точно соответствует рельефу материка. Чем сильнее разогреты породы (прежде всего, за счет распада радиоактивных элементов), тем выше рельеф в этой части Америки. Так, под Колорадо температура недр на глубине 30 километров составляет около 650 °С, в то время как под Великими равнинами – 500 °С. Поэтому плотность пород, слагающих земную кору под Колорадским плато, заметно ниже, «и она, подобно пробке, всплывает», – образно поясняет Хэстерок. Слои земной коры вспучились, образовав на поверхности плоскогорье. «А вот на севере Канады ничего похожего не наблюдается. Возраст земной коры там составляет 3 миллиарда лет, и потому она давно остыла».

В принципе, геологи еще несколько десятилетий назад, изучая процессы, протекающие на дне океанов, осознали, что температура верхних слоев мантии и нижней части земной коры играет важную роль в тектонике.Для литосферных плит, слагающих дно океанов, этот эффект хорошо известен. Ведь по дну тянутся срединно-океанические хребты высотой в несколько тысяч метров. Однако, если обратиться к традиционной схеме тектонических процессов, подобный рельеф никак не мог возникнуть, поскольку при движении плит земная кора растягивается и горы могут образоваться лишь там, где две плиты сталкиваются друг с другом. Так что ученым пришлось искать другое объяснение. И они нашли его, обратив внимание на то, что в районе подводных хребтов к поверхности земли поднимаются потоки раскаленной магмы, создавая новые участки земной коры. Их плотность мала; они вспучиваются, образуя подводные горы.

Однако геология континентов гораздо сложнее, и до сих пор ученые почти не принимали во внимание температурные эффекты, анализируя особенности рельефа.Между тем, как явствует из расчетов Чепмена и Хэстерока, если бы не влияние температуры, то большая часть Северной Америки скрылась бы под водой. Например, Атланта находилась бы на глубине 430 метров, Чикаго – почти в 700 метрах ниже уровня моря, а Лас-Вегас опустился бы даже на глубину 1300 метров. Лишь Скалистые горы, Сьерра-Невада и Каскадные горы на северо-западном побережье США островками выглядывали бы над поверхностью океана.

В своей работе Чепмен и Хэстерок поделили США на «тектонические провинции», то есть районы, лежащие на слоях породы одинаковой толщины и одного и того же состава. «Такой подход позволил исключить влияние этих характеристик земной коры из наших расчетов и оценить, как влияет температура нижележащих слоев породы на высоту той или иной местности», – подчеркивает Чепмен. Очевидно, плавучая сила, удерживающая континенты, лишь на 50 % обусловлена составом пород, слагающих земную кору, и на 50 % – температурой, к такому выводу пришли ученые.

Дело осталось за малым – за научным прогнозом. Чепмен и Хэстерок обратились к справочным данным – положению крупнейших городов Америки над уровнем моря – и вычли из этих цифр влияние температуры, предположив, что всюду под Северной Америкой земная кора остыла точно так же, как и на севере Канады. Сразу же географическая карта этой части мира стала выглядеть совершенно иначе. На месте третьего по величине континента Земли отныне пролегала лишь узкая полоска суши, покрытая горами, и несколько небольших островов, омываемых водами Тихого и Атлантического океанов. Где-то на дне – тайной двух океанов – упокоились Нью-Йорк (434 метра ниже уровня моря) и Новый Орлеан (– 730 метров), Бостон (– 555 метров) и Лос-Анджелес (– 1145 метров), или что там от них осталось.

Особый случай представляет северо-западное побережье США. Здесь под континентальную Северо-Американскую плиту «подныривает» плита Хуан-де-Фука. Последняя давно мешает притоку тепла из недр к поверхности Земли, а потому земная кора здесь очень охлаждена. Так что эта часть США непременно поднимется над уровнем моря, когда температура недр на всей территории страны выравняется. Если сейчас Сиэтл лежит на уровне моря, то после мысленного эксперимента, который проделали над ним ученые, он оказался в горах – на высоте 1800 метров.

Подводим итоги: Америка до сих пор не утонула! Обетованная земля, воспарившая на гребне незримого огня…

Если же без шуток, то геологи из Юты сделали важный шаг на пути к созданию целостной картины динамических процессов, протекающих в недрах нашей планеты. Можно лишь сожалеть, что результаты, полученные ими для Северной Америки, невозможно применить к другим континентам, ведь геология каждого из них уникальна, и всякий раз ученым придется заново описывать процессы, происходящие в недрах Земли, и измерять температуру слоев, лежащих на границе мантии и земной коры.

Как возникает магнитное поле Земли?

Если бы у Земли не было магнитного поля, то и сама она, и мир живых организмов, населяющих ее, выглядели бы совсем иначе. Магнитосфера, словно громадный защитный экран, оберегает планету от космического излучения, которое беспрерывно обрушивается на нее. О мощности потока заряженных частиц, исходящего не только от Солнца, но и от других небесных тел, можно судить по тому, как деформировано магнитное поле Земли. Например, под напором солнечного ветра силовые линии поля с той его стороны, что обращена к Солнцу, прижаты к Земле, а с противоположной стороны развеваются, словно кометный хвост. Как показывают наблюдения, магнитосфера простирается на 70—80 тысяч километров в сторону Солнца и на многие миллионы километров в противоположном от него направлении.

Надежнее всего этот экран выполняет свои функции там, где он менее всего деформирован, где он располагается параллельно поверхности Земли или слегка наклонен к ней: в районе экватора или в умеренных широтах. А вот ближе к полюсам в нем обнаруживаются изъяны. Космическое излучение проникает к поверхности Земли и, сталкиваясь в ионосфере с заряженными частицами (ионами) воздушной оболочки, порождает красочный эффект – сполохи полярного сияния. Если бы этого экрана не было, космическая радиация беспрерывно бы проникала к поверхности планеты и вызывала мутации генетического наследия живых организмов. Лабораторные эксперименты показывают также, что отсутствие земного магнетизма отрицательно сказывается на формировании и росте живых тканей.

Загадки магнитного поля Земли тесно связаны с его происхождением. Наша планета вовсе не напоминает собой стержневой магнит. Ее магнитное поле устроено гораздо сложнее. Есть разные теории, объясняющие, почему Земля обладает этим полем. Ведь для того, чтобы оно существовало, необходимо, чтобы было выполнено одно из двух условий: либо внутри планеты располагается громадный «магнит» – некое намагниченное тело (долгое время ученые так и считали), либо там протекает электрический ток.

В последнее время наиболее популярна теория земной «динамо-машины». Еще в середине 1940-х годов ее предложил советский физик Я.И. Френкель. На 90 с лишним процентов магнитное поле Земли генерируется за счет работы этой «динамо-машины». Оставшуюся его часть создают намагниченные минералы, содержащиеся в земной коре.

Компьютерная модель магнитного поля Земли

Как же возникает магнитное поле Земли? На расстоянии примерно 2900 километров от ее поверхности начинается земное ядро – та область планеты, до которой никогда не удастся добраться исследователям. Ядро состоит из двух частей: твердого внутреннего ядра, спрессованного под давлением 2 миллиона атмосфер и содержащего в основном железо, а также расплавленной внешней части, которая ведет себя очень хаотично. Этот расплав железа и никеля постоянно пребывает в движении. Магнитное поле и создается за счет конвективных потоков во внешнем ядре. Эти потоки поддерживаются благодаря заметному перепаду температур между твердым внутренним ядром и мантией Земли.

Внутренняя часть ядра вращается быстрее внешней и играет роль ротора – вращающейся части электрогенератора, в то время как внешняя – роль статора (его неподвижной части). В расплавленном веществе внешнего ядра возбуждается электрический ток, который, в свою очередь, порождает мощное магнитное поле. Это и есть принцип динамо-машины. Иными словами, земное ядро представляет собой громадный электромагнит. Силовые линии созданного им магнитного поля начинаются в районе одного полюса Земли и заканчиваются в районе другого полюса. Форма и интенсивность этих линий варьируются.

Зародилось же магнитное поле Земли, как полагают ученые, еще в ту пору, когда только шло формирование планеты. Возможно, решающую роль сыграло Солнце. Оно запустило эту природную «динамо-машину», которая продолжает свою работу и теперь.

Ядро окружено мантией. Ее нижние слои находятся под большим давлением и разогреты до очень высоких температур. На границе, разделяющей мантию и ядро, протекают интенсивные процессы теплообмена. Перенос тепла играет ключевую роль. К более холодной мантии притекает тепло из раскаленного ядра Земли, и это сказывается на конвективных потоках в самом ядре, меняет их.

В зонах субдукции, например, участки морского дна опускаются в глубь Земли, почти достигая границы, разделяющей мантию и ядро. Эти куски литосферных плит, «отправленные» на переплавку в недра планеты, заметно холоднее той части мантии, где оказались. Они охлаждают окружающие их области мантии, и сюда начинает перетекать тепло со стороны ядра Земли. Процесс этот очень длительный. Расчеты показывают, что порой лишь по прошествии сотен миллионов лет температура охлажденных областей мантии выравнивается.

В свою очередь, раскаленное вещество, поднимаясь в виде громадных струй от границы, разделяющей мантию и ядро, достигает поверхности планеты. Этот круговорот вещества, эти сложные процессы перетекания вверх-вниз, на «лифте Земли» то раскаленного, то очень холодного вещества, несомненно, влияют на работу природной «динамо-машины». Рано или поздно она сбивается с привычного ритма, и тогда создаваемое ею магнитное поле начинает меняться. Компьютерные модели показывают, что время от времени все может кончиться сменой магнитных полюсов.

В этой смене полюсов нет ничего необычного. В истории нашей планеты такое происходило часто. Однако были эпохи, когда смена полюсов прекращалась. Например, в меловом периоде они не менялись местами на протяжении почти 40 миллионов лет.

Пытаясь объяснить этот феномен, французские исследователи во главе с Франсуа Петрели обратили внимание на положение континентов относительно экватора. Оказалось, чем больше континентов лежит в одном из полушарий Земли, тем чаще ее магнитное поле меняет свое направление. Если же, наоборот, континенты располагаются симметрично относительно экватора, то на протяжении многих миллионов лет магнитное поле остается стабильным.

Так, может быть, положение континентов влияет на конвективные потоки во внешней части ядра? В таком случае это влияние осуществляется через зоны субдукции. Когда почти все континенты находятся в одном из полушарий, там будет и больше зон субдукции. Массивная, холодная кора будет всё опускаться к границе, разделяющей мантию и ядро, и скапливаться там. Образовавшиеся заторы, несомненно, нарушат тепловой обмен между мантией и ядром. Компьютерная модель показывает, что конвективные потоки во внешнем ядре из-за этого тоже смещаются. Теперь уже и они асимметричны относительно экватора. Очевидно, при таком их расположении земную «динамо-машину» легче вывести из равновесия. Она, словно человек, вставший на одну ногу и готовый потерять равновесие от легкого толчка. Вот и магнитное поле внезапно «переворачивается».

Итак, весьма вероятно, что на смену магнитных полюсов влияют тектонические процессы, протекающие на нашей планете, и, прежде всего, движение континентов. Прояснить это могут дальнейшие палеомагнитные исследования, В любом случае ученые обнаруживают все больше фактов, которые свидетельствуют о том, что между движением литосферных плит на поверхности Земли и «динамо-машиной», создающей магнитное поле Земли и расположенной в самом центре планеты, есть определенная связь.

К чему приведет смена магнитных полюсов?

Мощное магнитное поле – отличительная особенность нашей планеты. Земля представляет собой один громадный магнит. Это кажется чем-то незыблемым, неизменным. Но впечатление обманчиво. Не раз в истории Земли магнитное поле необъяснимым образом ослабевало, а затем его полюса менялись местами. Лишь после этого незримый экран, защищающий планету от космического излучения, вновь восстанавливался.

Чем объяснить подобные метаморфозы? Как они сказывались на судьбах всего живого? Эти вопросы имеют не только теоретическое значение. Магнитное поле Земли постепенно становится слабее и сейчас. За последние полтора века его полюса заметно сместились. Неужели нас ждет катастрофа?

Долгое время магнитное поле Земли и впрямь считалось символом стабильности. Однако с начала 1960-х годов геологи стали обнаруживать «неправильно намагниченные минералы». Как известно, многие минералы сохраняют магнитные характеристики, приобретенные в момент своего формирования. И вот, судя по ним, в далеком прошлом магнитные полюса Земли располагались иначе. «Доисторический компас» указывал не на север, а на юг. На протяжении всей земной истории полюса менялись местами. Два с небольшим миллиарда лет Северный магнитный полюс оставался «северным» и примерно столько же времени был «южным».

Земля как магнитный диполь

То же подтверждали и исследования, проводившиеся в окрестности вулканов. Лава, застывавшая в разные эпохи, надежно передавала особенности магнитного поля Земли – служила «магнитным календарем». Чтение его страниц помогло ученым детально воссоздать картину геомагнитных инверсий.

Как же происходит смена магнитных полюсов? Чем это грозит нашей планете? И такой ли беззащитной окажется на какое-то время Земля? Или космическая радиация все же не будет проникать к ее поверхности?

Модель, которую разработали американские геофизики Гэри Глацмайер и Пол Робертс, показывает, что все начинается с того, что магнитное поле Земли понемногу ослабевает. Проходит 500—1000 лет, и его привычная двухполюсная структура внезапно меняется. Поле становится хаотичным. Если сейчас его силовые линии начинаются в районе одного полюса и заканчиваются в окрестности другого, то во время инверсии они расположатся в полном беспорядке. На какое-то время возникнет три, четыре, а то и больше магнитных полюсов. Наконец, после этой стадии «всеобщей сумятицы» поле снова стабилизируется. Восстановится его прежняя структура с двумя магнитными полюсами, но теперь Северный полюс расположится там, где был Южный, и наоборот. Геологические исследования свидетельствуют, что смена полюсов продолжается в среднем около 7000 лет, причем в районе экватора магнитное поле стабилизируется уже через 2000 лет, а в окрестности полюсов – через 11 тысяч лет.

Следует отметить, что в минувшем десятилетии появились компьютерные модели, показывающие, что при отсутствии магнитного поля, создаваемого земным ядром, в верхних слоях атмосферы нашей планеты, на расстоянии 350 километров от ее поверхности, генерируется «запасное» магнитное поле. Оно защитит жизнь на Земле так же надежно, как и обычное магнитное поле. Поэтому космическая радиация по-прежнему не будет проникать к поверхности планеты. Причиной появления этого «запасного» поля становятся сами космические лучи. Они электризуют воздушную оболочку планеты, и это приводит к возбуждению магнитного поля. Такую модель разработал, например, немецкий астрофизик Харальд Леш.

Наблюдения палеонтологов и геологов косвенно подтверждают эту гипотезу. В слоях отложений на дне Атлантического океана, соответствующих периодам смены магнитных полюсов, не замечено следов повышенной радиоактивности. У животных, населявших нашу планету в эти эпохи, не обнаружено возросшей частоты мутаций.

Теперь, когда сценарий грядущей геомагнитной инверсии хотя бы отчасти понятен, напрашивается вопрос: когда ее ждать? Что могут сказать об этом ученые?

Для начала отметим, что в последний раз смена полюсов происходила очень давно – около 750—780 тысяч лет назад. Даже по геофизическим меркам это целая вечность. Ведь за последние 100 миллионов лет магнитные полюса менялись в среднем через каждые 200—500 тысяч лет. Новая смена полюсов запаздывает. Так скоро ли она наступит?

Систематические наблюдения за магнитным полем Земли ведутся с середины XIX века. За это время положение его полюсов заметно изменилось. Так, начиная с 1841 года Северный магнитный полюс (следует отметить, что с физической точки зрения этот полюс является «южным», поскольку притягивает северный полюс стрелки компаса. – А. В.) преодолел 1100 километров, а Южный – 1300 километров. Сейчас Северный магнитный полюс все быстрее перемещается по Арктике. Большую часть ХХ века скорость его дрейфа составляла около 10 километров в год, но начиная с 1983 года он стал передвигаться быстрее. В 1983—1994 годах скорость его движения составляла 15 километров в год, а теперь достигла 50 километров в год. Сейчас он располагается менее чем в 500 километрах от географического Северного полюса, к северу от побережья Канады. Если он продолжит двигаться с той же скоростью и в том же направлении, то примерно к 2020 году достигнет географического Северного полюса, а уже к 2050 году – берегов Сибири.

Ученые пока не знают, почему полюс так стремительно перемещается из Канады в Россию. Возможно, причина кроется в изменении конвективных потоков во внешней части земного ядра. В истории планеты подобное происходило обычно перед сменой полюсов, когда магнитное поле Земли заметно ослабевало. Вот и сегодня множатся признаки близящейся инверсии, отмечалось в 2012 году на страницах журнала Nature Geoscience.

Чем беспокойнее ведут себя магнитные полюса, тем слабее становится поле. Сейчас его напряженность уменьшается примерно на 5 % за столетие. Простой расчет показывает, что через 2000 лет она станет равна нулю. Иными словами, магнитное поле исчезнет? Но эта гипотеза с научной точки зрения никак не обоснована. Мы не можем точно сказать, будет ли магнитное поле Земли в ближайшие века меняться так же стремительно, как и в последние 100 лет. В истории нашей планеты напряженность магнитного поля не раз заметно колебалась, но смены полюсов при этом не происходило.

Отнюдь не новы и странные блуждания Северного магнитного полюса. Возможно, в конце концов он вернется из Сибири в Канаду. Подобные события уже не раз повторялись за последние 2000 лет, отмечает Джозеф Стонер из Орегонского университета. Стонер и его коллеги исследовали отложения в некоторых арктических озерах. Эти отложения интересны тем, что содержат минералы, в которых имеется железо, а потому они могут поведать о том, каким было магнитное поле много веков назад. Как выяснилось, каждые 500 лет всего лишь за одно-единственное столетие Северный магнитный полюс перемещается на несколько тысяч километров. Всего с начала нашей эры он трижды предпринимал подобные спурты.

Так что причин для паники нет. Смена магнитных полюсов не станет катастрофой для нашей планеты. Только за последние 400 миллионов лет Земля уже несколько сотен раз переживала смену полюсов, но это не привело к гибели всего живого. Наоборот, жизнь на Земле становилась все сложнее и разнообразнее. Палеонтологи не нашли свидетельств массового вымирания животных в те эпохи, когда магнитные полюса менялись местами.

Суша

Тайга: исчезновение естественного рая?

Бесконечное море деревьев… Трескучий мороз… Безлюдная лесная даль… Такой воображается тайга тому, кто ни разу там не бывал. Однако она гораздо интереснее наших представлений о ней.

Сами размеры тайги вводят нас в заблуждение. Бореальные (boreal переводится с латыни как «северный») хвойные леса охватывают территорию от горных районов Аляски до атлантического побережья Северной Америки, от Скандинавии до Тихого океана. Общая площадь, занимаемая тайгой, составляет 14 миллионов квадратных километров. Она кажется неприступной крепостью, на тверди которой человек как будто способен оставить только щербины. Громадная полоса хвойных лесов простирается от 50 до 70° северной широты. Около 13 % всей суши покрыто тайгой. Но нам, когда мы слышим это слово, непременно припоминается Сибирь. Площадь, занимаемая здесь тайгой, составляет около 5,5 миллиона квадратных километров.

В Южном полушарии нет ничего похожего на тайгу. Ведь там, в высоких широтах, нет громадных материков, где мог бы установиться континентальный климат, который необходим для нее.

Часто тайгу называют «зеленым морем», но тот, кто ожидал увидеть нечто подобное, при первой встрече с ней будет обманут в ожиданиях. Тайга многолика. Непрестанную круговерть деревьев нередко рассекают просторные поляны, заросшие травой, или болота (ими покрыта пятая часть территории, занятой тайгой). По весне, когда тают снега, она и впрямь превращается в море. Здешняя почва скована мерзлотой, а потому талая вода не может просочиться вглубь и растекается по лесу. В летние месяцы зеленое марево иногда вспыхивает огнем – начинаются лесные пожары. Когда же приходит зима, то на 6—7 месяцев тайга, занесенная без конца и без края снегами, словно погружается в сон.