книги / Опасные природные процессы. Вводный курс

Гшва 3. Строение и динамика сфер Земли

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 Солнца — намного больше. Это самая теплая часть атмосферы.

Встратосфере движение воздуха происходит не только в зональном, но

ив 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 упекислота 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 побальная 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.

111

Раздел /. Принципы эволюции и взаимодействия сложных систем

Чтобы прогнозировать погоду, нужно знать многое о состоянии атмосфе­ ры, прежде всего тропосферы. Атмосферная циркуляция обусловлена непре­ рывным потоком солнечной ратиации, и сама атмосфера подобна гигантской тепловой машине. Нагревателем служат тропики, а холодильником — поляр­ ные области. Лучистая энергия превращается в кинетическую энергию дви­ жения воздуха. На границу атмосферы за 1с поступает 17 х 10' Дж лучистой энергии. Часть энергии за счет атмосферного отражения (альбедо) рассеи­ вается. Поверхности Земли достигает поток в 1,23 х 1017Дж/с.

3.4

Строение и динамика гидросферы Земли

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

Формирование водной оболочки Земли было тесно связано с процесса­ ми дифференциации мантии. Гидросфера играет ключевую роль в форми­ ровании химической и физической среды, климата и погоды, в возникно­ вении жизни на Земле и ее развитии.

Следы гидросферы можно найти во всех геосферах нашей планеты. Так, следы подземных вод могут достшать глубин 100 км [Павлов, 1977] и встречаться в верхних слоях атмосферы. В земной коре может находиться около 1,9 х 10у км 5воды. Часть подземных вод (200—500 тыс. кмя) законсер­ вирована 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 км2суши. Общий объем лед­ никового покрова Земли оценивается в 30 млн км2 [Котляков, 1979], что составляет 56% запасов вод континентов.

Ежегодно на Земле выпадает около 1,7 х 101 т снега (17 тыс. км"1воды). 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

112

систем сложных взаимодействия и эволюции Принципы .I Раздел

Гшва 3. Строение и динамика сфер Зе и ш

что снизу вверх фации по составу меняются от ультраосновных до основ­ ных пород и постепенно уменьшается плотность.

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 горизонтатьные 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 боль­ шой точностью. Таким образом, благодаря измерениям с помощью уровня и повторного нивелирования удалось установить, что огромная террито­ рия Северной Европы медленно (со скоростью до 1 см в год) поднимает­ ся. Со времен А. Цельсия (1701 — 1744), который первым доказал, что уро­ вень Балтийского моря понижается, Фенноскандия поднялась на 2,5 м. Остатки последнего ледникового покрова растаяли 8 тыс. лет назад, а под­ нятие все продолжается. Это эффект релаксации после снятия ледовой на­ грузки, назван учеными гляциоизостазией.

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

Однако в Голландии. Дании. Литве, Польше низменные участки под­ топляются, т.е. происходит опускание земной поверхности. Средневековые замки, построенные в нескольких километрах от моря, теперь подмывают­ ся водами Балтийского моря, а фундаменты разрушенных сооружений об­ наруживаются 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 припо­ верхностных 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 мо­ лодых гор. Нивелирование, проводимое в Швейцарских Альпах в течение по­ следних 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. по­ степенно разрушаясь, опускаются.

Однако земная кора, а вернее литосфера, испытывает не только верти­ кальные движения. Современные геологические исследования позволили

119

Раздел I. Принципы эволюции и взаимодействия с южных систем

установить, что поверхность Земли состоит из плит. Плиты движутся отно­ сительно друг друга в горизонтальном отношении. Так, согласно космогео­ дезическим данным, Саудовская Аравия надвигается на евроазиатский кон­ тинент в районе Загрос со скоростью около 1см в год. С помощью методов математического моделирования на основе палеонтологических и палеомагнитных данных установлено, что в зонах океанических рифтов происходит раздвигание плит, причем наивысшая скорость горизонтальных перемеще­ ний достигает 12—14 см в год.

Тектоника литосферных плит и ОПП

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

Реанимация гипотезы А. Вегенера произошла в 60-е годы XX в. благо­ даря прогрессу в геологических и геофизических исследованиях (рис. 3.13). 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, выраженны­ ми глубокими ущельями; выявление линейного и знакопеременного хара­ ктера магнитных аномалий океанского дна, резко отличных от континен­ тальных аномалий; линейность распределения эпицентров землетрясений по границам литосферных плит; установление наклонных сейсмофокальных зон Беньофа, маркирующих зоны поддвига литосферных плит, и оп­ ределение смещений в очагах (гипоцентрах) землетрясений, что дало воз­ можность выявить ориентировку поля напряжений.

Основная идея теперь уже не гипотезы, а теории тектоники литосфер­ 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 каж­ дое движение любой литосферной плиты, вызванное вариациями раздвиговых процессов в рифтовых зонах или столкновениями континентов, ме-

120