100 великих загадок географии

Такова гипотеза, основанная на учении о Биосфере. Она открывает новые горизонты познания геотермальной энергии. Окончательного ответа на загадку земного тепла нет. Для успешных научных исканий необходимо прежде всего избавиться от предвзятых мнений и обдумывать разные варианты решения загадок природы.

Глобальный солнечный двигатель

Солнечная лучистая энергия одухотворяет Землю. Не только потому, что насыщает энергией живые организмы. Она определяет обмен веществ в организме нашей планеты, проникая в литосферу.

Как могут солнечные лучи, падающие на земную поверхность, достичь земных глубин? Благодаря подвижности земной коры. Она постоянно живёт, разрушаясь и обновляясь. В понижениях осадочные породы, накапливаясь, погружаются в недра. А там, где воздымается земная кора, горные породы срезаются эрозией, обнажая древние пласты. Поэтому на земную поверхность выходят горные породы самого разного, порой весьма почтенного возраста – более трёх миллиардов лет.

Вместе с осадочными толщами погружается в недра нашей планеты и солнечная энергия, накопленная на земной поверхности. Такие минералы, горные породы называют геохимическими аккумуляторами. Люди научились создавать искусственные солнечные батареи. В природе они действуют не так активно, зато без дополнительных затрат материалов, труда и энергии, распространяясь на огромные территории.

Геофизическим пассивным аккумулятором солнечной энергии является Мировой океан. Вода «поглощает» почти все отвесно падающие лучи, хотя при большом угле падения почти полностью их отражает. Она служит системой «водяного отопления» земной поверхности.

Наиболее мощно действуют биохимические аккумуляторы: прежде всего растения и бактерии, а на их основе – грибы, животные. Растения поглощают примерно 5 % солнечной энергии, поступающей на Землю. Это значительно больше, чем энергия землетрясений и вулканов вместе взятых. Она воплощается в сложные органические соединения, которые участвуют в круговоротах земных веществ, накапливаются в осадочных горных породах.

Наиболее сложная ситуация с геохимическими аккумуляторами. В середине прошлого века советские учёные кристаллографы академик Н.В. Белов и В.И. Лебедев предположили, что солнечная энергия может аккумулироваться в «кристаллическом веществе Земли», например в глинистых минералах. При этом в кристаллических решётках увеличивается расстояние между атомами. Погружаясь в зону больших давлений, кристаллические решётки деформируются, выделяя энергию…

Проверка этой гипотеза показала, что всё значительно сложней. Не вдаваясь в детали, отметим: одно уже то, что при эрозии образуются тонкие глинистые частицы, коллоиды, резко увеличивает химическую активность вещества. Минералы насыщаются водой, образуя сложные структуры. Огромную роль играет биохимическая энергия.

В книге «Геохимия ландшафта» советский учёный А.И. Перельман писал: «Глинистые минералы выступают в роли своеобразных “горючих ископаемых”, отдающих заключённую в них энергию при высоких температурах плавления пород (чтобы получить энергию из угля, его тоже надо нагреть, хотя и до менее высокой температуры)…

Круговороты горных пород в Биосфере

Известно, что вопрос об источнике энергии эндогенных (внутренних, глубинных) процессов (горообразование, магматизм и др.) не является решённым. Радиоактивный распад не объясняет многие особенности этих процессов».

Гипотезу геохимических аккумуляторов разрабатывают до сих пор, но так и не удаётся превратить её в убедительно доказанную теорию. В отличие от так называемых точных дисциплин (математика, физика, химия) науки о Земле комплексные, они используют сведения из этих дисциплин и осуществляют синтез разнообразных, порой противоречивых фактов.

Огромные трудности познания связаны с тем, что многие важные геохимические процессы длятся тысячи, а то и миллионы лет, преобразуя минералы и горные породы. А о происходящем в глубоких недрах приходится догадываться, не имея возможности воссоздать процессы в полном объёме.

Как говаривал Михаил Васильевич Ломоносов, «велико есть дело достигать во глубину земную разумом, куда рукам и оку досягнуть возбраняет натура; странствовать размышлениями в преисподней, проникать рассуждением сквозь тесные расселины, и вечною ночью помрачённые вещи и деяния выводить на солнечную ясность».

…Люди создали отрасль промышленности – гелиоэнергетику, которая преобразует и использует солнечную энергию. Техногенные аккумуляторы разнообразны, многочисленны и отлично работают. Так уж повелось: практические свершения нередко опережают теоретическую мысль. Не исключено, что изучение тайн глубинной энергии Земли наведёт учёных на новые идеи о сути энергии вообще.

Понятие энергия (в переводе с греческого – «действие, деятельность») ввёл в философию и физику Аристотель. (Он же ввёл слово «физика», предполагая под этим познание природы; от греческого «фюзис» – «природа».) В Средние века энергию олицетворяла стихия огня. Теперь энергию определяют как единую меру различных форм движения и взаимодействия материи. Но это ничего не говорит о сути этой субстанции.

То, что это мера чего-то, спору нет. Но хотелось бы знать: мера чего?

С увеличением давления вещества меняются: газ может превратиться в жидкость, а жидкость – в твёрдое тело.

Выскажу своё мнение. Известен лишь один процесс получения «чистой» энергии в соответствии с формулой E = mc2. (По недоразумению её приписывают А. Эйнштейну, хотя она была выведена задолго до него.) Это – аннигиляция, соединение частицы с античастицей, например электрона с позитроном. Материальные частицы, обладающие массой покоя, исчезают. При определённых условиях они могут появиться вновь. Откуда? Из всеобщей энергетической среды. Сначала её называли эфиром, затем вакуумом (в переводе с греческого – «ничто»).

Дадим волю фантазии. Предположим, в материальных телах присутствуют частицы и античастицы – носители отрицательного и положительного электрического заряда (в этом нет ничего невероятного). При радиоактивном распаде атомов некоторые из них освобождаются и взаимодействуют, излучая энергию вакуум-эфира.

Во всех телах, если они не охлаждены до абсолютного нуля, движутся атомы, элементарные частицы. Некоторые из них могут на больших скоростях сталкиваться и превращаться в энергию. Чем сильней сжато вещество при ударе или давлении, тем больше вероятность таких столкновений, а значит, больше выделяется тепла…

Это не более чем предположение. В современной физике, чтобы избавиться от противоречий, придумана мнимая частица фонон. По форме это удобно, а по сути ничего не объясняет. Тоже – всего лишь предположение…

Итак, у земной поверхности взаимодействуют воздух, вода, твёрдые минералы, коллоиды, живые организмы. Они объединёнными усилиями «впитывают» лучистую энергию Солнца, переводя её в земные процессы. Наиболее подвижна атмосфера, менее подвижны природные воды, наиболее «медлительна» земная кора. Но и она благодаря своим движениям получает долю этой энергии, разряжая её на значительных глубинах под огромным давлением.

Из всех видов энергии, действующих на Земле (радиоактивный распад, замедление и ускорение вращения планеты, космические лучи) абсолютное первенство остаётся за лучистой энергией Солнца.

Земная кора или…

В науках немалую путаницу вносят неточные названия. Некоторые из них сохраняются с далёкого прошлого и противоречат современным знаниям. Слово «атом» переводится с греческого как «неделимый», хотя давно известно, что это не так. Есть сложная система частиц, называемых элементарными, но из них только фотон можно считать элементарным, да и то это скорее часть волны света, а не частица. Выделяют частицы и античастицы, хотя они совершенно одинаковы, отличаясь только знаком электрического заряда.

Издавна земная кора считалась, на первый взгляд бесспорно, твёрдой надёжной опорой под ногами. В нашем восприятии воздух и вода подвижны, а земля – нечто косное, инертное, застывшее. С поверхности она покрыта более или менее толстым слоем рыхлых осадков, почв, ила. Ниже находятся прочные скалы, которые в некоторых местах выступают на земную поверхность или взрезаны речными долинами, ущельями.

Однако жители сейсмических или вулканических районов знают на собственном опыте, что впечатление о незыблемой каменной тверди обманчиво. Она способна дрожать или извергать из своих недр массы пара, пыли, расплавленной магмы.

Многие учёные прошлого предполагали, что ниже нескольких десятков километров горные породы становятся расплавленными, вязкими или пластичными. Сверху эти раскалённые расплавленные массы покрыты застывшей коркой. Отсюда и пошло название: земная кора.

Это предположение не подтвердилось. С помощью сейсмографов (от греческого «сейсмос» – «колебания») геофизики стали исследовать свойства глубинных горных пород, улавливая отражённые от них колебания при землетрясениях или взрывах. Выяснилось, что на больших глубинах залегают чрезвычайно плотные и прочные каменные массы, а не расплавы.

Интересные сведения были получены при сейсмическом зондировании земных недр. Плотность горных пород с глубиной сначала растёт, затем уменьшаться, снижается и вязкость. Этот слой назвали астеносферой (от греческого «астенос» – «слабый»). Он располагается, местами прерываясь, в интервале глубин от 50—100 км (кровля) до 150–250 км (подошва).

О существовании астеносферы геологи догадывались ещё в начале ХХ века, и термин появился до того, как доказали существование этого слоя. Залегающие выше его кристаллические толщи по-прежнему именуют земной корой. Вместе с астеносферой земная кора образует литосферу (в переводе – каменную оболочку).

И это название тоже не вполне отвечает реальности: каменные массы находятся и глубже, в мантии планеты. По своей плотности они ещё более «каменисты», прочны, чем земная кора. Но так уж принято, термин вошёл в научный обиход, и с этим приходится считаться.

Наиболее напоминают инертную заскорузлую кору давно сформированные континентальные участки пониженной геологической активности (платформы). Здесь астеносфера тонка и залегает глубоко. Под геологически активными зонами она расслаивается на несколько частей и поднимается выше к земной поверхности. Под океанами астеносфера наиболее мощная (в особенности под срединно-океаническими хребтами).

Наиболее подвижна, изменчива именно та каменная оболочка, которую принято называть земной корой. Здесь постоянно накапливаются осадочные породы, поднимаются горы, работают вулканы, перемещаются моря, идёт химическое преобразование горных пород, сминаются в причудливые складки слоистые толщи.

Разве это кора? Нет, «земная кожа» («литодерма», если употреблять греческие слова). Возможен другой вариант: «литомембрана». Но и это не вполне подходит… Создать удачный научный термин – задача непростая. Над ней могли бы задуматься специалисты.

Короче говоря, на кору эта каменная оболочка планеты не похожа. В ней идёт активный обмен веществ с участием природных вод, воздуха и живых организмов. Полный круговорот веществ в литосфере по нашим обыденным меркам происходит чрезвычайно медленно, в масштабах миллионолетий. Для планеты, существующей миллиарды лет, такие сроки невелики.

Какими бы ни были убедительными наши доводы, вряд ли надо настаивать на том, чтобы земную кору переименовали в земную кожу. Точность точностью, но приходится уважать традиции.

Представлена земная кора осадочными слоями, магматическими и метаморфическими (преобразованными в горниле недр) толщами. Плотность её 2–3 т/м

; толщина под океанами – 5—15 км, под континентальными равнинами – 30–40 км, а в горных странах – до 85 км.

Границу коры и лежащей ниже мантии открыл в 1909 году югославский геофизик Мохоровичич, наблюдая отзвуки Балканского землетрясения. С тех пор она называется поверхностью Мохо (Мохоровичича). Подстилается земная кора, как мы знаем, слоем пониженной вязкости – астеносферой. Вместе с земной корой она образует литосферу, залегающую до глубин 200 км.

Одна из схем строения литосферы

Ниже поверхности Мохо приборы отмечают резкую смену плотности или удельного веса каменных масс: с 3,2 до 4,6 т/м

. Отсюда начинается мантия Земли. Земная кора состоит преимущественно из кремния (силициума) и алюминия. Её кратко называют – сиаль. В мантии преобладают, как предполагается, кремний и магний (сима).

Температура мантии около двух тысяч градусов. Плотность её увеличивается с глубиной четырьмя ступенями, позволяющими выделить четыре слоя. Мантия – обширнейшая область высоких давлений и температур.

С глубины 2900 км плотность пород быстро меняется от 11,54 до 14,2. Отсюда начинается ядро Земли, в котором выделяют ещё центральное ядрышко плотностью более 17 (в 17 раз плотней воды). У него есть свойство жидкости: в нём угасают продольные волны, которые возникают при сжатии и расширении, как это бывает с пружиной. (Поперечные волны подобны волнам на море.)

Из чего состоит земное ядро – остаётся загадкой. Оно сдавлено со всех сторон чудовищными силами гравитации. Поэтому плотнейшая внутренняя часть планеты становится текучей, как жидкость.

Из-за равных и направленных к центру гравитационных сил все внутренние сферы стремятся к равновесию, покою. В них вряд ли идут активные химические реакции.

В последние десятилетия популярна гипотеза о круговоротах вещества в мантии. Это весьма сомнительно. Там вещество необычайно плотное и находится под равномерным давлением со всех сторон. Его перемещения не могут быть значительными, а тем более сопоставимыми по скорости с движениями литосферы.