Катастрофы в природе: Земля меняет кожу. Лавины, обвалы, оползни, провалы

Вместе с тем ожидать, что спутниковые системы решат все проблемы исследования Земли пока ожидать не приходится. Их создание трудоёмко и очень затратно. Всегда остаются вопросы детальности и непрерывности съёмки. А оборудование для записи видео уступает по разрешению фотосъёмке, и охватывает сравнительно небольшую площадь поверхности планеты.

С другой стороны, изучение процессов протекающих на земной поверхности ограничено периодом семидесятых годов прошлого столетия – времени начала получения спутниковых изображений. Иными словами на 2016 год период фотолетописи не всей, а только отдельных участков составляет менее пятидесяти лет. И если для быстротекущих процессов в атмосфере можно получить сведения о её динамике, то для изучения рельефообразующих факторов на поверхности, с учётом низкой степени разрешения ранее использовавшейся техники, он недостаточен.

Современные цифровые технологии привнесли в изучение планеты детальность, масштабность и оперативность. Стало возможным заглянуть в самые отдалённые уголки планеты, наблюдать процессы на морском дне, изучать полярные льды и ледники на неприступных вершинах. Благодаря сетевым технологиям и совершенству техники визуализации возможности учёных по сравнению с прошлым столетиям многократно возросли.

Орбитальная группировка космических аппаратов NASA для исследования Земли (NASA, 2016).

Цифровые технологии многократно повысили детализацию исследований позволив наблюдать приводящие к природным и техногенным катастрофам процессы на больших пространственно-временных масштабах. Вкупе с наземными наблюдениями и измерениями они открыли возможность обнаруживать признаки развития опасных геологических и геофизических процессов. Это особенно актуально на современном этапе, когда рост мирового населения и сосредоточение его большей части в городах, расширение и усложнение критической инфраструктуры увеличивает риск больших потерь от природных и техногенных катастроф.

Происходящие в горах оползни, обвалы скальных пород, сели, снежные лавины, прорывы подпрудных озер, пульсации ледников, резкие повышения уровня горных рек угрожают жизни и хозяйственной деятельности человека. Уменьшение ущерба от этих явлений невозможно без всестороннего изучения их причин.

В прежние времена, когда не было чёткого подразделения науки по предмету исследования, изучение Земли дополнялось астрономическими наблюдениями. Благодаря новым инструментам современные астрономы стали неогеографами, описывающими и разгадывающими тайны других планет не только в Солнечной системе, но и в других звёздных систем.

Пустыни Марса и метановые моря на Титане, раскалённая поверхность Венеры и замороженный Плутон стали объектами изучения и открытий. Новая картина мироздания пишется в наши дни, а развитые поколениями натуралистов – естествоиспытателей методы и инструменты применяются для познания космических объектов в бесконечном океане вакуума.

Изменчивый лик Земли

Природа не может создать деревья очень больших размеров, так как ветки под действием собственного веса будут обламываться и подать на землю; так же, как не могут существовать люди, лошади и другие животные с очень большими костями; для осуществления своих функций материал, из которого сделаны кости, должны быть значительно прочнее, или сечение костей необходимо увеличить во много раз, т.е. изменяя при этом их форму.

Галилео Галилей, 1637 год

Земная поверхность представляет собой совокупность разновысотных объектов различающихся по занимаемой площади, форме, физическому составу, химическим свойствам, расположенных на суше, на дне морей и океанов. Они имеют различную выраженность в рельефе лучше всего воспринимаемую через такие антонимы как: горы – низины, пустыни – поймы рек, суша – водная гладь и т. д. Вкупе они образуют сложившийся к настоящему времени рельеф земной поверхности с разнообразными ландшафтами.

Лик Земли никогда не остаётся постоянным. Он меняется с течением времени, и был иным миллион, миллиард и в момент образования планеты более четырёх миллиардов лет назад. Причин тому много, но главная определена полем тяготения Земли и её вращением.

Гравитационное поле является главной рельефообразующей силой на планете. Ему она обязана своей формой, она определяет характер происходящих в её недрах, на поверхности, в морских глубинах и в атмосфере гравитационных процессов и физико-химических превращений земного вещества. Некоторые из них протекают чрезвычайно медленно, другие, такие как обвалы, оползни и лавины очень быстро, ежегодно принося страдания десяткам тысяч человек на планете.

Только с появлением точных наук удалось разгадать тайну образования Солнечной системы. Их краеугольным камнем стало учение Исаака Ньютона о всемирном тяготении, согласно которому сила тяготения универсальна и проявляется между любыми материальными телами независимо от их конкретных свойств. Сформулированные Ньютоном законы классической механики позволили объяснить происходящие в недрах Земли, её атмосфере и гидросфере динамические процессы. Такие как приливы и отливы в океанах, прецессию земной оси, особенности движения Луны, сжатие Юпитера и многие другие.

Современная наука исходит из положения о том, что в начальной стадии своего существования земное вещество находилось в расплавленном состоянии. По мере остывания произошло расслоение веществ. Самые лёгкие компоненты образовали атмосферу, а более тяжелые стали материалом для железоникелевого ядра планеты.

Самый верхний слой – земная кора состоит из осадочных пород сформированных переработкой горных и вулканических пород внешними, т.н. экзогенными процессами (температура, осадки, выветривание и т.п.). Он и верхняя часть мантии образуют литосферу – твёрдую оболочку Земли, простирающуюся на глубину до ста километров. Она разбита на крупные блоки – литосферные плиты способные перемещаться по поверхности мантии и на них расположены материки.

Земная кора это один процент от радиуса планеты составляющего 6370 километров. Она состоит из блоков называемыми платформами, если образующие слоистые толщи горные породы залегают почти горизонтально. Другие места, где это не так, получили наименование складчатых поясов. Различают континентальный и океанический типы земной коры. Толщина континентальной коры в среднем 30—40 километров, но доходит под горными массивами до 75—80 километров, а толщина океанической коры около десяти километров.

В свою очередь, на дне Мирового океана расположены срединно-океанические хребты общей протяженностью до шестидесяти тысяч километров и занимающих примерно 10% от всей поверхности планеты. В своей центральной части они имеют понижения – здесь происходит генерация магматических пород, которые выплавляются в верхних частях литосферы, и через разломы в земной коре поступают на морское дно.

У берегов океанов, в первую очередь Тихого, возникли нисходящие струи конвективных течений и здесь океаническая кора пододвигается под континентальную. Подобные явления происходят не только под океанами, конвективные течения имеются и под континентами. Это приводит к тому, что земная кора постоянно находятся в напряженном состоянии.

Под земной корой расположены твердые слои верхней мантии. С земной поверхности до них простираются зоны тектонических разломов, подвижки в которых приводят к землетрясениям. Вещество внешней части верхней мантии находится в расплавленном и полурасплавленном состоянии. Из-за огромного давления и высокой температуры на геологических масштабах времени вещество мантии пластично и подвержено конвекции. Циркуляция мантийного расплава перемещает литосферные плиты и формирует облик земной поверхности.

Схема строения земной коры и литосферы.

Мощность мантии доходит до трёх тысяч километров. Это недоступная глубина для инструментальных исследований и её изучение стало возможным только с начала прошлого века благодаря наблюдениям за землетрясениями. Сейсмические волны «просвечивают» вещество мантии и по их характеристикам можно оценить её строение и физико-химическое состояние.

Циркуляция мантийного расплава является причиной образования гор, вулканизма и различных сейсмических процессов вдали от краёв тектонических плит как это происходит в районе Гавайских островов. В состоящей из силикатных расплавов мантии происходит перенос тепла из центра Земли к поверхности, и время от времени возникают т.н. мантийные плюмы. Это пробивающие литосферу к дневной поверхности раскалённые струи мантийного вещества.

Ниже мантии находится сложенное из тяжелых металлов, преимущественно железа, земное ядро. Здесь плотность вещества и температура значительно увеличиваются. Так, температура пограничного слоя между земным ядром и мантией на глубине 2700 километров составляет 2200 градусов по Цельсию, а мощность теплового потока из ядра Земли в нижние слои мантии оценена примерно в тринадцать тераватт.

В центре Земли температура выше, чем на поверхности Солнца, поскольку при распаде радиоактивных элементов излучается тепло. Оно и сохранившийся с момента формирования планеты жар служат основными источниками энергии для перемещения вещества внутри и на поверхности планеты.

Одним из крупных достижений современной науки является создание теории тектоники плит создавшей основу для понимания целого ряда геофизических и геологических явлений. Ещё в XVII веке совпадение очертаний береговых линий западного побережья Африки и восточного побережья Южной Америки наводило на мысль о том, что континенты перемещаются.

В 1620 году английский философ Франсис Бэкон в трактате «Novum Organum scientiarum» (Новый Органон) первым обратил внимание на поразительное сходство береговой линии континентов по разные стороны Атлантики.

Иллюстрация из книги Антонио Снидера-Пеллегрини«La Crеation et ses myst?res dеvoilеs» (Мироздание и его разоблачённые тайны, 1858) с положением континентов до и после возникновения Атлантического океана.

В 1858 году итальянский географ Антонио Снидер-Пеллегрини соединил в один пять континентов. Он предположил, что Америка есть не что иное, как отколовшаяся от Африки и Европы легендарная Атлантида о которой сообщал Платон.

В 1912 году немецкий учёный приват-доцент Марбургского университета Альфред Лотар Вегенер выдвинул гипотезу континентального дрейфа, по которой относительное положение континентов менялось на протяжении истории Земли. В опубликованной в журнале «Geologische Rundschau» статье «Die Entstehung der Kontinente» (Происхождение континентов, 1912) и книге «Die Entstehung der Kontinente und Ozeane» (Возникновение материков и океанов, 1915) Вегенер привел аргументы в пользу того, что в далеком прошлом континенты были одной структурой. Тем не менее, научное сообщество отвергло его теорию и только в шестидесятых годах прошлого века идея Вегенера о движениях в твердой оболочке Земли (мобилизм) снова возродилась.

К 1960 году составлена карта рельефа дна Мирового океана. Она показала, что в центре океанов расположены срединно-океанические хребты, возвышающиеся в среднем до двух километров над покрытыми осадками абиссальными равнинами.

В 1962—1963 годах американские геологи Роберт Дитц (Robert Sinclair Dietz) и Гарри Хесс (Harry Hammond Hess) выдвинули гипотезу спрединга – геодинамического процесса раздвигания литосферных плит под воздействием нагнетаемого снизу магматического расплава в области рифтов срединно-океанических хребтов.

Последующими исследованиями рельефа и палеомагнетизма океанического дна было доказано существование процессов расширения (явление спрединга) океанической коры и пододвигания одних частей коры под другие (явление субдукции). Оказалось, что остывание вынесенных на поверхность горных пород и движение вещества привели к тому, что со временем твёрдая оболочка Земли оказалась раздробленной на большие и малые фрагменты – литосферные плиты. Эти мегаобазования и вместе с ними материки как бы «плавают» на поверхности раскаленной и вязкой астеносферы – верхней части мантии.

В современную геологическую эпоху литосферу планеты образуют восемь мегаплит, десятки меньшего размера и множество мелких. Свыше 90% земной поверхности занимают мегаплиты, и на их границах сосредоточена основная магматическая, сейсмическая и тектоническая активность на планете.

Тепловая конвекция в астеносфере является основной причиной движения литосферных плит. За миллионы лет под воздействием гравитационных и ротационных сил они совершают сложные движения. Плиты разворачиваются, и отрываются друг от друга. Одна плита может погружаться под другую, и перемещаться на значительные расстояния. Например, в Красном море со скоростью двух-пяти сантиметров в год расходятся Аравийская и Африканская литосферные плиты.

Континент Австралия смещается в год примерно на семь сантиметров в северо-западном направлении. За шесть лет он сдвигается на метр, а за шестьдесят лет на десять метров. Из-за этого время от времени производится корректировка долготы и широты на местных картах. Это достаточно важно, поскольку данные глобальных навигационных спутниковых систем вступают в противоречие с локальными координатами, которые не передвигаются вместе с континентами. С 1994 года Австралия «переехала» примерно на полтора метра к северу.

Инструментально доказано, что скорость перемещения литосферных плит может достигать более десяти сантиметров в год. Казалось бы, это немного, но если принять горизонтальный размер одной плиты примерно около одной тысячи километров, то время её существования составит примерно десять миллионов лет. Иными словами, вся история вида Homo sapiens несопоставима с временным масштабом тектонических процессов на Земле.

Как происходит циркуляция вещества в земной мантии, хорошо иллюстрирует открытие сейсмологов из университета Калифорнии в Санта-Крузе. По преломлению сейсмических волн от землетрясений на глубине 2900 километров под Центральной Америкой они обнаружили тонущую в земной мантии тектоническую плиту. Некогда она была частью поверхности планеты, но примерно пятьдесят миллионов лет назад начала погружаться в мантию увлекая за собой соприкасающееся с ней вещество мантии со скоростью несколько сантиметров в год. Этот кусок земной поверхности на 700 градусов остаётся холоднее окружающего ее расплава, нагретого до 2,5 тысяч градусов Цельсия.

Под воздействием глубинных процессов т.н. эндогенных и внешних – экзогенных воздействий происходит кругооборот вещества планеты. Осадочные породы опускаются в земные недра, где преобразуются в магму, а затем вновь поднимаются тектоническими процессами на поверхность. Они непрерывно изменяют лик земной поверхности. Появляются и исчезают горы, на месте морей образуются равнины, а реки со временем исчезают, уступая место пустыням и каньонам.

Трансформация земной поверхности от Архея до современности и через пятьдесят миллионов лет. Она сопровождается глобальными изменениями рельефа земной поверхности.

Эндогенными называются протекающие в земных недрах процессы. Это магматизм, метаморфизм, тектоника и сейсмичность. Эндогенные процессы черпают свою энергию из земных недр, извлекая ее из атомных, молекулярных и ионных реакций, внутреннего давления и др. Они обуславливают тектонические движения земной коры, под влиянием которых формируются крупные формы её рельефа, т.н. морфоструктуры – равнины, горные системы с хребтами, нагорьями и плоскогорьями.

Экзогенными называются внешние факторы обусловленные денудацией. Это выветривание, дефляция, оползни, обвалы, карсты, эрозия, экзарация, морская и озёрная абразии и др. Они связанны с древними оледенениями, работой текучих вод и ветра, перепадами температур и новым фактором – антропогенной (человеческой) деятельностью.

Геологическая работа экзогенных процессов в основном сводится к разрушению горных пород, переносу обломков и отложению их в виде осадков. Итогом является формирование на месте горного рельефа пенеплена – «предельной равнины» или слабохолмистой местности с плоскими столовыми водораздельными частями.

Формирование рельефа происходит в сложном взаимодействии земной коры с биологической, водной и воздушной оболочками Земли. Они иные, чем для остальных планет Солнечной системы, соответственно различающихся по своим формам рельефа и характеру протекания физико-химических и гравитационных процессов.

Великий архитектор Вселенной – гравитация. Вверху пирамиды Гизы в Египте (XXVI—XXIII века до н.э.), внизу рельеф в провинции Сальта (Аргентина). В обоих случаях природой и человеком выбраны наиболее эффективно сопротивляющиеся действию силы тяжести конусообразные формы.

Рельеф занимает в строении Земли особое место, являясь поверхностью раздела и одновременно поверхностью взаимодействия оболочек земного шара – атмосферы, биосферы, гидросферы и литосферы. Одной из его важных характеристик является уклон. С ним связано возникновение обвалов, оползней и лавин в горной местности. Чем больше крутизна склона, тем он опаснее с точки зрения возможности их возникновения.

В силу различных причин ослабление сцепления каменно-земляных масс породы нарушает их равновесие, и приводит к движению вниз. Именно этим обстоятельством обусловлена форма гор и возвышенностей. В поле силы тяжести Земли они приобретают наиболее устойчивую, условно конусообразную форму, позволяющей эффективно распределять давление их огромного веса на основание. Наиболее древние сооружения человека – египетские пирамиды сконструированы схожим образом просуществовав уже более четырёх тысяч лет.

В простой схеме для появлении гор их формирование должно происходить со скоростью превышающей скорость распада связей в образующем их материале – т.н. явление денудации. Это совокупность процессов сноса и переноса водой, ветром, водой и льдом в поле земного тяготения, продуктов разрушения горных пород в пониженные участки земной поверхности.

Особенно быстро всё это происходит в горах, где большие уклоны земной поверхности способствуют гравитационному сносу горных пород, а снижающие их прочность физико-химические факторы действуют наиболее интенсивно. Под действием ветровой и водной эрозии, перепадов температуры и усталостных процессов непрерывно происходит нивелирование рельефа земной поверхности, снижение абсолютных и относительных высот.