Физика Земли - геологическое строение, состав Земли

До недавнего времени геология, как область естествознания, представляла собой просто огромное собрание сведений о поверхности Земли и ее приповерхностных частях. Но буквально за какое-то десятилетие между 1960 и 1970 гг. картина резко изменилась благодаря появлению двух гипотез. Одной из них явилась гипотеза спрединга, согласно которой близ срединно-океанических хребтов литосферные плиты наращиваются за счет вещества, поднимающегося из недр, и расходятся в стороны, а другой – теория дрейфа материков.

Правда, история геологии знает такие концепции, как нептунизм, плутонизм, теория катастроф, униформизм, которые в различное время служили инструментом этой науки. До настоящего времени какое-то значение сохранили лишь теория катастроф и униформизм. Теория катастроф сложилась на основании изучения катаклизмов, происходивших на Земле в прошлые эпохи. Их происхождение оставалось загадочным, но они порождали интересные умозаключения. Так, согласно одной из гипотез резкие изменения в эпоху кембрия произошли в период наибольшего сближения Луны с Землей, что вызвало подъем гигантских приливно-отливных волн и обусловило большие изменения в океане и атмосфере. Одни теории объясняли климатические изменения и массовое исчезновение биологических видов флуктуация ми солнечной энергии, связанными либо с внутренними процессами на Солнце, либо с периодическим прохождением его сквозь поглощающие облака космической пыли. Другие – периодическим усилением конвекции под мантией Земли, вызванным избытком тепла, генерируемого радиоактивностью. Однако теперь наиболее вероятной представляется гипотеза, известная как «новая глобальная тектоника», которая включает в себя спрединг океанического дна и дрейф материков и способна объяснить многие из этих изменений.

Что касается униформизма, то он вполне согласуется с гипотезой новой глобальной тектоники. Согласно концепции униформизма, геологические силы, которые мы видим действующими вокруг нас в настоящее время – речная, ветровая и волновая эрозии, вулканизм, осадкообразование и т. п., – действовали непрерывно на протяжении всего геологического прошлого Земли, за исключением моментов катастроф. Однако ученые подсчитали, что тогда за 10 млн. лет эрозия материков могла бы дать количество осадков, достаточное для заполнения всего Мирового океана, но этого, как мы видим, не произошло. Более существенную поддержку теории униформизма оказывают палеомагнитные исследования, основанные на изучении магнитных свойств горных пород и истории магнитного поля Земли.

Появлению теории дрейфа материков способствовало развитие новой области геологии – морской геологии. Вполне очевидно, что, пока геология ограничивалась наблюдениями над материками, обилие информации о происходящих на них огромной сложности процессах складчатости и коробления земной коры, эрозии и размыва заслоняло истину. И это в то время, когда изучение ложа океанов было (и все еще остается) сопряжено с такими трудностями, что здесь удавалось заметить лишь наиболее крупные и простые особенности.

Импульсом для развития морской геологии послужило создание средств борьбы с подводными лодками во время второй мировой войны. Первые же подученные данные оказались захватывающе интересными. Одновременное изучение подводного осадкообразования, сейсмических данных, теплового потока и магнетизма привело к построению теории дрейфа материков, подтвержденной в ходе первого плавания корабля «Гломар Челленджер» – прекрасно оборудованного по тем временам океанографического судна. Об этой экспедиции подробно рассказано в настоящем томе. Морское дно сравнимо с магнитной записью на бесконечной ленте. Прокрути такую запись вспять, и современные материки сольются в единый континент, существовавший около 200 млн. лет назад. В частности, Южно-Американская и Африканская плиты сомкнулись бы наилучшим образом.

Современная геология рисует достаточно динамичную картину, и это позволяет поставить ряд интересных вопросов. Что происходит на активных окраинах материков, где на континентальном основании накапливаются мощные осадки, которые преобразуются под воздействием температуры, давления и эрозия? Какова природа тех процессов циркуляции в верхней мантии Земли, которые вызывают экструзивную деятельность, наблюдаемую вдоль греблей срединно-океанических хребтов, и какие характерные особенности присущи этим процессам? Окажет ли новая теория помощь в обнаружении горячих вод, пригодных для использования в качестве источника дешевой геотермальной энергии? Как в свете новых данных решаются старые вопросы о природе земного магнетизма и непериодических изменений направления магнитного поля Земли?

В рамках современной геологии все эти, как и многие другие, важные вопросы могут обсуждаться более уверенно.

Океаны и океанография

Ученые способны объяснить лишь весьма малую долю своих наблюдений над океанами. Существует предание, будто Аристотель в отчаянии потому, что не может дать теоретического объяснения приливам, бросился в море и утонул. Для нас, очевидно, что все познания Аристотеля об океанах ограничивались Средиземным морем, а это место, крайне не подходящее для изучения приливов, поскольку Гибралтарский пролив на многих участках гасит приливо-отливные колебания до нескольких сантиметров.

Океанография ныне подразделяется на ряд дисциплин. Прежде всего, это физическая океанография. Она занимается изучением температуры, солености и плотности различных вод, в том числе свойств и режимов, видимых океанических течений мира, а также исследованием гораздо более слабых движений водяных масс, в частности придонных. Однако многолетние труды в этой области пока не дают вполне удовлетворительного объяснения большинству движений. Слишком большое число факторов оказывает на них влияние. Это роднит физическую океанографию с метеорологией, которая имеет дело с другой областью геофизики. Несмотря на неуклонный прогресс своей науки, метеорологи тоже никак не могут постичь всего многообразия действующих здесь факторов.

Второй большой раздел океанографии составляет биологическая океанография. В ее современном понимании она могла бы вновь принять свое первоначальное название – экология, так как первые серьезные попытки создать описание экологической модели были предприняты применительно к пищевой цепи в океане. Морская рыба, как источник белков, всегда имела важное значение для человека, а сейчас ее улов достиг почти 80 млн. т. в год, то есть вплотнуою приблизился к уровню, отвечающему максимальному расчетному улову в Мировом океане. В этих условиях особенно необходимо добиться полного понимания взаимосвязей океана с населяющими его живыми организмами. К несчастью, для прилегающих к материкам прибрежных зов океанов, которые служат основными районами рыбного промысла, характерна едва ли не самая высокая плотность населения в мире. Преднамеренный слив сточных вод и отработанных химических продуктов, равно как и непреднамеренный сброс вредных веществ – например, за счет смыва пестицидов типа ДДТ, применяемых в сельском хозяйстве, создает угрозу рыболовству, которая сравнима с превышением установленных квот отлова рыбы.

Одна из ветвей физической океанографии, все больше приобретающая значение самостоятельной дисциплины, изучает взаимодействие атмосферы и моря. Она находится на стыке метеорологии и океанографии. В истории Земли неоднократно повторялись суровые климатические изменения. Лучше других нам известно самое недавнее из них – последний ледниковый период. Однако теперь выяснилось, что в возникновении более краткосрочных изменений климата, которые оказывали влияние на жизнь людей на нашей планете на протяжении последних 2000 лет, первостепенную роль играют океаны.

Промышленная эксплуатация морских ресурсов находится в противоречии с использованием моря как источника наслаждения и отдыха. Наиболее остро оно обнаруживается при морской добыче нефти и прибрежном строительстве, что никак не согласуется с желанием сохранить живописную красоту морских ландшафтов и возможность заниматься плаванием, ужением рыбы или катанием на лодках.

Одно из наиболее ценных достояний человека – пляжи. Однако во многих районах мира они исчезают с быстротой, которая не может не вызывать тревогу. Главная причина этого – сооружение на реках плотин для гидроэлектростанций, систем орошения и дамб для борьбы с наводнениями. А ведь именно реки восполняют смыв песка на пляжах.

Океаны могут стать важным источником энергии, правда, пока это носит гипотетический характер. Несомненный интерес здесь представляет использование силы приливов, однако вряд ли оно отвечает глобальным энергетическим потребностям. Более притягательным представляется использовать разность температур верхнего (толщиной 200-300 м) и нижнего слоев океанских вод. Для большинства океанов мира эта разница составляет около 15°С. Предложения по использованию этого долговременного энергетического источника, предусматривающие применение современной технологии, кажутся осуществимыми, причем предполагается, что таким образом можно будет полностью удовлетворить мировые энергетические потребности за пределами начала XXI столетия. Еще одним заманчивым источником энергии, содержащим огромные ее запасы, являются океанские волны. О его масштабах дает представление тот факт, что мощность морской волны средней величины, имеющей ширину грузового судна, в десять раз больше мощности, требуемой для движения этого судна.

Сельскохозяйственные науки

Сельскому хозяйству как особому роду человеческой деятельности всего лишь около 10 тыс. лет. И вместе с тем оно представляет собой чудо нашего времени. Человечеству уже не раз предсказывалась катастрофа, вызванная глобальной нехваткой продовольствия, но объединенные усилия людей, занятых в сельском хозяйстве, науке, промышленности, предотвращали один кризис за другим: каждая эпоха достигала нового, все более высокого уровня производства сельскохозяйственной продукции.

Однажды оценив оседлый образ жизни, человек сознательно выбрал для разведения некоторые растения и животных и постепенно улучшал их путем селекция, скрещивания и выведения новых сортов и пород. (Одним из технических приемов современной сельскохозяйственной науки стоял терпеливый «обратный отбор» с целью преобразования нынешних высокогибридизированных зерновых растений в формы, более близкие к их исходным видам, первоначально использовавшимся человеком.) Но даже такое примитивное грубое земледелие должно было оказаться экономически более выгодным, чем кочевая охота, и оно стало отправной точкой дальнейшего быстрого развития человечества. Накопление запасов сельскохозяйственных продуктов позволяло сглаживать колебания в снабжении продовольствием и экономить затраты труда, что в свою очередь высвобождало время для развития других направлений человеческой деятельности.

Успешное развитие земледелия зависит от четырех факторов: от отбора надлежащих культур, от возделывания почвы, от наличия воды и, наконец, от климата. Со временем человек научился управлять первыми тремя факторами, но последний пока еще ускользает от его власти и по мере успешного овладения первыми становится все более опасным. Благодаря развитию генной инженерии биологи теперь в состоянии создавать сорта, устойчивые против новых вредителей, и увеличивать выпуск сельскохозяйственной продукции, как посредством расширения посевных площадей, так и путем повышения урожайности. Столь же важны и современные достижения, связанные с повышением питательности сельскохозяйственной продукции.

С самого начала характер сельского хозяйства в той или иной области определяло наличие воды. Во многих районах оно изначально зависело от орошения. Однако вскоре обнаружилось, что одного орошения мало, важную роль играет и состояние почвы, ее пригодность для поливного земледелия. Человек понял, что интенсивное возделывание истощает почву. И только некоторые особо благоприятные районы, такие, как долина Нила, где сезонные наводнения приносили с собой не только воду, но и плодородный ил, избежали истощения. Истощение почвы вызывало массовые переселения народов, как это произошло, например, с майя. Но во многих районах человек овладел практикой севооборота и выяснил, что некоторые растения, фиксирующие азот, способны обогащать почвы. Возделывание многих сельскохозяйственных культур включает в себя систематический возврат питательных веществ в почву.

Человек мог обходиться столь простыми методами хозяйствования в условиях, когда численность населения Земли ощутимо ограничивалась болезнями, прежде всего эпидемическими. Прогресс медицины в XIX в. привел к быстрому росту населения, потребность в продуктах питания возросла. Решить эту задачу можно было путем расширения посевных площадей, выведением новых, более урожайных сортов растений (так называемая «зеленая революция») и более продуктивных пород домашних животных. Однако для реализации программы выведения новых сортов и осуществления зеленой революции необходимы большие количества искусственных удобрений. Чтобы достигнуть максимальной эффективности, стали использовать какую-то одну наиболее оптимальную для данных климатических условий культуру, даже какой-то определенный ее сорт. Такой монокультурой засеваются обширные участки в сотни квадратных километров. Современная агротехника, основанная на специализации, способна прокормить все население мира с учетом грядущих поколений. Площадь пахотных земель может быть удвоена. Более эффективно может использоваться вода. Получение дополнительных растительных белков компенсирует потребность в животных белках. Такая технология может применяться и в развивающихся странах.

В то же время современная агротехника, способная удовлетворить потребности растущего населения земного шара, обнаруживает и свои уязвимые стороны. Прежде всего, это зависимость от генофонда диких растений, используемых для выведения новых сортов сельскохозяйственных культур. Техника монокультуры подвергает весь урожай опасности со стороны новых вредителей – даже какой-нибудь один из них способен вызвать опустошение, так как его распространению не препятствуют естественные барьеры разнородных культур. Если вредители не поддаются химическому или биологическому контролю, приходится выводить новые сорта растений.

Но наибольшую тревогу вызывает климат, который все еще не поддается нашему контролю. Даже кратковременные климатические отклонения могут повлечь за собой существенные изменения в мировом продовольственном снабжении, тем более что разница между потребностью и производством продуктов питания всегда минимальна (имеющегося запаса хватает в лучшем случае на несколько месяцев) и можно постоянно ожидать угрозы продовольственного кризиса. В этом смысле мало что изменилось. Вопреки замечательным успехам земледелия, происшедшим за десять тысячелетий мы все еще, подобно древним майя, живем под угрозой нехватки пищи, только природа этой угрозы теперь иная.