Текст книги "100 великих тайн Земли"

Автор книги: Александр Волков

сообщить о нарушении

Текущая страница: 5 (всего у книги 34 страниц) [доступный отрывок для чтения: 13 страниц]

Каким будет мир через сотни миллионов лет?

Через каждые полмиллиарда лет все континенты сходятся воедино. Впрочем, до сих пор неясно, где произойдет их очередная «встреча». За последние десятилетия ученые весьма точно определили скорость и направление перемещений, которые потихоньку совершают континенты. Но позволит ли это понять, как будет выглядеть мир через сотни миллионов лет?

По одной из гипотез суперконтиненты неизменно образуются в одной и той же области нашей планеты. В свое время Атлантический океан возник после того, как вначале Пангея, а потом и ее обломок, Гондвана, распались на отдельные части. Сейчас Африка и Южная Америка неуклонно дрейфуют, каждый год отдаляясь друг от друга еще на несколько сантиметров. Но если когда-нибудь они повернут вспять, то со временем снова сомкнутся, расположившись там же, где когда-то простиралась Пангея.

Будущая Земля может быть такой

Эта гипотеза лежит, например, в основе модели, которую несколько лет назад представил геофизик Кристофер Скотезе из Техасского университета. По его расчетам, через 40 миллионов лет Австралия столкнется с Юго-Восточной Азией. В последующие 25—75 миллионов лет она, сместившись поначалу в сторону Индонезии и Малайзии, повернется против часовой стрелки, надвинется на Филиппины и окончательно сольется с Азией.

Африка расколется на две части. Восточная ее часть сольется с Индией, а весь остальной континент поплывет на север. Примерно через 50—60 миллионов лет Африка и Европа соединятся. Их столкновение породит новую горную систему, Средиземноморские горы – такие же высокие, как Гималаи. Само Средиземное море исчезнет, а на карте появится новый континент – Афразия. Кстати, в результате этой коллизии современная Евразия немного повернется по часовой стрелке. Так что Сибирь будет располагаться южнее, чем теперь.

Антарктида же начнет перемещаться на север, постепенно теряя льды. За 100 миллионов лет она пересечет Индийский океан и еще через 50 миллионов лет вклинится между Мадагаскаром и Индонезией. После этих «перестановок» Индийский океан станет «внутренним морем». Таяние ледяного щита Антарктиды приведет к тому, что уровень Мирового океана повысится метров на сто. Под водой скроются дельты всех современных рек. Будет затоплена Амазонская низменность.

Вообще же будущее Америки предсказать сложно. Сейчас эта часть света каждый год удаляется от Европы и Африки еще на несколько сантиметров. Однако Скотезе полагает, что через 50 миллионов лет Америка развернется и начнет дрейфовать в сторону Афразии, поскольку на западной окраине Атлантического океана образуется зона разлома, которая протянется с севера на юг. Примерно через 200 миллионов лет с Африкой столкнется Ньюфаундленд, а через некоторое время и Бразилия примкнет к Южной Африке. Южноамериканский континент повернется вокруг мыса Доброй Надежды, словно гимнаст, выполняющий упражнение на перекладине, и своими «ногами» – Патагонией – дотянется до Индонезии.

Пройдет еще 50 миллионов лет, и почти все части суши сольются воедино. Возникнет новый суперконтинент. По гипотезе Скотезе, он будет напоминать собой огромный бублик, поскольку материки, соединившись, образуют кольцо. Ученый дал ему название Pangдa Proxima, «Пангея Следующая». Расстояние от Пекина до Буэнос-Айреса сократится вдвое. Нигерия окажется рядом с США. Австралия, по одной версии, расположится возле Южного Китая, а по другой версии, соединится с Антарктидой и окажется чуть в стороне от суперконтинента, к югу от него.

А может быть, никакого поворота материков (в частности, Америки) и не произойдет? Место их встречи перемещается по поверхности планеты, а потому обломки распавшейся некогда Пангеи, совершив оборот вокруг Земли, снова соберутся воедино уже на другом ее конце. В таком случае Атлантический океан продолжит расширяться, а Америка – двигаться в сторону Азии.

Эта гипотеза лежит в основе моделей будущего, которые представили австралийский геофизик Сергей Писаревский, а также Рой Ливермор из Кембриджского университета и Пол Хофман. В их расчетах Америка и впредь будет двигаться в том же направлении, что и теперь. В конце концов, это приведет к тому, что Тихий океан исчезнет. Северная и Южная Америка достигнут Азии и сольются с ней, образовав новый огромный континент – Амазию. Австралия переместится на север. Антарктида, по сценарию Писаревского и Хофмана, останется на том же месте, что и теперь. Ливермор же полагает, что она станет частью нового суперконтинента, который он назвал «Новопангея».

В 2012 году журнал Natureопубликовал еще одну гипотезу, предвещающую судьбу всех материков. Как полагает американский исследователь Росс Митчелл, новый суперконтинент будет располагаться под углом примерно 90° по отношению к своему предшественнику. Его центр окажется где-нибудь в Тихом океане. Зато Карибское море и Северный Ледовитый океан исчезнут.

В принципе, ученым известно не так много о том, где находились древнейшие суперконтиненты. Так, анализируя магнитные характеристики минералов, Митчелл и его коллеги пришли к выводу, что Пангея располагались почти перпендикулярно по отношению к существовавшей до нее Родинии. По их мнению, такая необычная конфигурация вызвана тем, что через каждую пару сотен миллионов лет меняется характер движения твердого вещества в мантии нашей планеты, а именно оно и является тем транспортом, который перемещает континенты.

Уже сейчас вовсю идет строительство нового суперконтинента: Северная и Южная Америка надвигаются друг на друга, а остатки громадного южного континента – Гондваны – сближаются с Евразией. Некогда Индия состыковалась с ней, Африка стремится слиться с Европой, да и Австралия перемещается теперь на север.

Многое, конечно, может вмешаться в расчеты ученых, нарушить их. Что, если одна из плит когда-нибудь разломится, как это и происходит сейчас с Африканской плитой, и ее обломки будут сталкиваться с другими плитами или сливаться с ними, перечеркивая скрупулезные выкладки геофизиков? Эти обломки могут даже изменить свое направление движения и вернуться туда, откуда и прибыли.

В любом случае появление нового суперконтинента разительно изменит климат нашей планеты. В «Пангее Предыдущей» климат был резко континентальный. Лето в умеренных широтах стояло очень жаркое, а зимой воцарялись 20—30-градусные морозы. В зимние месяцы Пангея утопала в снегах, а с приходом весны обширные области суши скрывались под водой.

Наконец, еще одна гипотеза переносит нас на миллиард с лишним лет вперед – в ту эпоху, когда на нашей планете уже успеют распасться два-три не рожденных пока суперконтинента. К этому времени недра Земли заметно остынут, вещество мантии будет все хуже перемешиваться, а значит, стихнет и движение плит. Кроме того, Солнце будет все сильнее прогревать поверхность Земли, поскольку его температура возрастет. Все океаны и моря испарятся, выкипит и испарится даже вода, которая содержалась в мантии и смазывала движущиеся плиты. Через 2 миллиарда лет Земля станет мертвой планетой.

А человечество? Оно исчезнет с лица Земли гораздо раньше. Увы, ни Бог, ни боги не защитят людей от императива биологии. Люди проиграют конкурентную борьбу некоторым другим видам животных, которым примутся помогать сами природные стихии. Так человек станет еще одним неудачником эволюции, пополнив список аммонитов, белемнитов и иже с ними.

В глубь планеты

Путешествие к центру Земли

В романе Жюля Верна герои спускаются в кратер вулкана, чтобы достичь глубин нашей планеты. На самом деле в ее недрах царит адская жара, а потому ученые могут совершить лишь воображаемое путешествие к центру Земли, используя результаты спутниковых наблюдений, компьютерные модели, данные сейсмических исследований. Что же нового открывается им?

Земля покрыта тонкой оболочкой – корой, которая на суше гораздо мощнее, чем под океанами. Земная кора – лишь «кожа» нашей планеты. Многие геологические феномены «коренятся» не здесь – они обусловлены процессами, протекающими глубоко в недрах Земли, в ее мантии, на долю которой приходится 82 % объема всей планеты.

Исследование мантии принесет еще немало неожиданных открытий. Лишь верхняя ее часть как будто не таит ничего особенного. Вместе с корой она образует литосферу, состоящую из отдельных фрагментов – плит. Эта область Земли хорошо изучена. Но уже в 50—100 километрах от поверхности планеты начинаются загадки. Там простирается астеносфера. Она разделяет верхнюю и нижнюю, более плотную часть мантии и заканчивается на глубине 250—350 километров от земной поверхности. При распространении сейсмических волн она ведет себя как громадный амортизатор.

Почему это происходит? Объяснение кроется в свойствах мантии. Несмотря на то что этот слой разогрет до очень больших температур, он ничуть не является жидким. Горные породы, слагающие его, находясь под чудовищным давлением, остаются твердыми, но при этом становятся пластичными, даже текучими. И именно эти их свойства – пластичность, текучесть – обусловливают процесс конвекции, движущую силу важнейших геологических событий, совершающихся на планете. Без него невозможны были бы ни землетрясения, ни извержения вулканов. Конвекция вызывается перепадами температуры в мантии Земли. Этот круговорот вещества, как принято считать, обеспечивает движение литосферных плит. Но почему тогда их скорость так заметно разнится? В рамках традиционной теории глобальной тектоники плит ответить на этот вопрос не удается.

Строение Земли

В 2010 году на страницах журнале Science появилась гипотеза американских и австралийских ученых (руководитель – Ваутер Шелларт), которая переворачивала с ног на голову прежние представления, зато объясняла, почему литосферные плиты движутся по-разному. Ее авторы обратили внимание на то, что плиты перемещаются тем медленнее, чем они меньше. Точно так же скорость субдукции зависит от размера плит, пропорциональна ему. Так, может быть, не скорость конвективных потоков в мантии, а размеры зоны субдукции задают темп движения плит? Чем шире эти разверзшиеся на дне океана проемы, тем быстрее в них исчезает земная кора. Очевидно, многие геологические процессы регулируются «сверху вниз», а вовсе не из недр Земли, как считалось прежде.

Эта гипотеза объясняет, почему Индо-Австралийская и Тихоокеанская литосферные плиты, а также плита Наска движутся заметно быстрее, чем Африканская и Евразийская плиты и плита Хуан-де-Фука. Она объясняет и движение исчезнувшей плиты Фараллон, которая почти полностью погрузилась в глубь мантии, а ее обломки продолжают пододвигаться под Северную и Южную Америку. За 50 миллионов лет скорость ее движения снизилась с 10 до 2 сантиметров в год. Очевидно, причина в том, что ширина зоны субдукции за это время уменьшилась с 14 тысяч километров до 1400.

Чем дальше мы проникаем в глубь Земли, тем больше это напоминает нисхождение в ад. Здесь царят дьявольская жара и чудовищное давление. Уже в верхнем слое мантии температура повышается до 1000 °C, а давление возрастает с одного до 24 гигапаскалей – это примерно в 240 тысяч раз выше атмосферного давления.

В этих условиях не выдерживают даже минералы и горные породы. При таком давлении они не могут расплавиться, но зато меняется их структура. Она становится все более компактной. Это удалось выяснить, анализируя движение сейсмических волн.

Например, уже на глубине 410 километров оливин – минерал, из которого по большей части и состоит мантия, – превращается в свою модификацию, вадслеит, имеющий тот же химический состав. Еще через 100 километров мы встречаем новую модификацию оливина – рингвудит.

На глубине свыше 1000 километров даже железо переходит в другое состояние. Теперь отдельные электроны его атомов образуют пары. В зависимости от того, обладают ли электроны, составившие эти пары, одинаковым спином (иными словами, вращаются ли они в одном и том же направлении), решительно меняются свойства минералов, содержащих железо, в частности их плотность, теплопроводность, а также скорость распространения в них сейсмических волн.

Железо находится в подобном состоянии, как выяснилось недавно, в обширной области, на глубине от 1000 до 2200 километров – а там уже начинается нижняя мантия. Давление постепенно возрастает с 24 до 120 гигапаскалей, а температура повышается с 1000 до 3500 °C.

На расстоянии примерно 2900 километров от поверхности Земли начинается земное ядро. Согласно расчетам, оно состоит из железа и никеля. Его внутренняя часть является твердой, а обволакивает эту сердцевину железоникелевый расплав. Он постоянно перемешивается, здесь и генерируется мощное магнитное поле – защитный экран нашей планеты. Характер течений в жидкой части ядра еще не до конца понятен ученым, а без этого невозможно исчерпывающе объяснить природу магнитного поля Земли.

Что уж там говорить! Мы только начинаем понимать, как ведут себя железо и никель в тех необычных условиях, которые царят в ядре Земли. Например, ученым давно было известно, что волны во внутренней части ядра движутся необычайно медленно – так, словно она является не твердой, как принято считать, а мягкой или, точнее, вязкой. Кроме того, скорость распространения волн выше, если они пересекают ядро с севера на юг, и ниже, если отклоняются от этой оси.

Судя по компьютерной модели, представленной в 2007 году российскими и шведскими исследователями, при тех чудовищных давлениях и температурах, что царят в глубине ядра, атомы железа принимают странную конфигурацию. Они образуют так называемую объемноцентрированную кубическую решетку. Чтобы представить, как это выглядит, надо вспомнить знаменитую скульптуру «Атомиум», установленную полвека назад в Брюсселе. Отдельные кубы этой кристаллической структуры довольно слабо связаны со своими соседями. Они могут смещаться в сторону, этим и объясняется пластичность внутренней части ядра. В то же время такая структура никак не сказывается на работе «магнитной динамо-машины».

В том же 2007 году в Science были опубликованы результаты лабораторного эксперимента другой международной группы исследователей. Ей удалось изучить поведение сплава никеля и железа в условиях, которые царят на расстоянии 4000 километров от поверхности Земли – при температуре свыше 3200 °C и давлении более 225 гигапаскалей. Рентгеновский анализ в самом деле показал изменение гексагональной структуры сплава на объемноцентрированную, благодаря чему его плотность уменьшилась на 2 %. Так было доказано, что земное ядро состоит из особой модификации железа.

Тем не менее ученые по-прежнему пока еще очень далеки от того, чтобы окончательно понять процессы, протекающие в ядре нашей планеты, а также в ее мантии. Наоборот, любое новое открытие порождает все новые вопросы. Путешествие к центру Земли продолжается, и конца ему пока не видно.

Где прячутся мантийные струи?

Никто не видел воочию, что происходит в недрах планеты. Даже удивительно, что в наши дни, когда роботы движутся по поверхности Марса, а межпланетные аппараты исследуют далекий Титан, человек не сумел углубиться в недра Земли хотя бы на полтора десятка километров. Лишь косвенные наблюдения позволяют судить о любопытнейших процессах, протекающих совсем неподалеку от нас.

Вот один из таких феноменов – мантийные струи (плюмы), потоки горячего вещества, притекающие из нижних слоев мантии. Все начинается с тонкой струйки шириной от 10 до 100 километров. Температура вещества, составляющего ее, на 100—300° выше, чем температура окружающих ее пород. Миновав вязкую мантию и достигнув твердой литосферы, она заметно расширяется, напоминая теперь шляпку гриба. Там, где подобные струи прорываются к поверхности Земли, они порождают особую форму вулканизма – так называемые «горячие точки» ( Hot Spots). Такие вулканы располагаются не по краям литосферных плит, а посредине – там, где, как считалось в рамках теории глобальной тектоники, их не должно было быть.

Чаще всего эти вулканы встречаются на островах, затерянных где-нибудь в океане. Образуются целые цепочки подобных островов. Один из самых ярких примеров – Гавайские острова. Геологические исследования показывают, что в таких цепочках чем дальше острова оказываются от действующего вулкана, тем выше их возраст. Как правило, на самых древних островах находятся давно погасшие вулканы.

В 1963 году канадский геофизик Джон Тьюзо Уилсон связал это наблюдение с дрейфом литосферных плит. По его предположению, источник магмы, изливающейся при извержении подобного вулкана, скрывается в глубине мантии – гораздо глубже, чем при извержении обычных вулканов. В таком случае этот вулкан (назовем его сейчас «вулкан гавайского типа») движется вместе с литосферной плитой и извергается до тех пор, пока магма, притекающая из глубины мантии, не перестает его питать. Постепенно этот вулкан смещается в сторону от «горячей точки», и раскаленная магма, в конце концов, прожигает новый участок земной поверхности. Так образуется новый действующий вулкан, а прежний прекращает свою деятельность, гаснет. Через какое-то время все повторяется. Рождается очередной вулкан.

Нижняя мантия суперплюма

В 1971 году эту гипотезу дополнил американский геофизик Джейсон Морган. Он предположил, что восходящие потоки раскаленного вещества зарождаются в нижней части мантии. Эта догадка позволила объяснить, почему при извержении вулканов гавайского типа химический состав базальтовых лав, достигающих поверхности Земли, заметно отличается от состава базальтов, оказывающихся на поверхности при извержении обычных вулканов.

В последующие десятилетия, используя результаты сейсмических наблюдений и компьютерных моделей, ученые сумели во многом описать эти потоки вещества – мантийные струи. Обнаружено уже около полусотни подобных струй. Они располагаются под Гавайскими островами, Исландией, горами Эйфель на западе Германии и горой Этна на Сицилии.

Наблюдения показали, что есть два типа мантийных струй. Одни – в районе Азорских островов, Таити, Самоа – зарождаются на границе с ядром Земли, на глубине 2900 километров, и пересекают всю мантию. Другие – например, в Эйфеле – образуются в зоне, разделяющей верхнюю и нижнюю мантию, на глубине 410—660 километров от земной поверхности.

Возможно, помимо обычных мантийных струй земную мантию рассекают и громадные потоки раскаленного вещества – так называемые суперплюмы, суперпотоки. Только этим можно объяснить возникновение в далеком прошлом громадных базальтовых плато – таких, как плоскогорье Декан в Индии (его площадь достигает миллиона квадратных километров). Сегодня многие ученые связывают появление этого плато, образовавшегося около 66 миллионов лет назад, с «горячей точкой», которая находится теперь под островом Реюньон, хотя эта гипотеза и вызывает немало споров.

Другой пример. Около 250 миллионов лет назад свыше 2 миллионов квадратных километров территории Сибири было покрыто слоем лавы – результатом мощных вулканических извержений. Возможно, именно они стали причиной массового вымирания животных на исходе пермского периода (299—251 миллион лет назад), когда исчезли 95 % всех видов, обитавших в тогдашних морях, и две трети видов, населявших сушу. Обширные базальтовые плато имеются также в Китае (район горы Эмэйшань) и Бразилии (район реки Парана).

На рубеже 1980-х и 1990-х годов была опубликована гипотеза Роберта Шеридана из Ратгерского университета и Роджера Ларсона из университета Род-Айленда. Согласно их предположению, особую активность суперплюмы проявляли в меловом периоде, около 120 миллионов лет назад. В пользу этого свидетельствуют резкие колебания тогдашнего уровня моря, усиленное образование океанической коры, стремительное раздвижение морского дна, прекращение смены магнитных полюсов, повышение средней температуры на планете. Главный очаг активности находился в западной части Тихого океана. По оценке исследователей, эта область достигала в поперечнике нескольких тысяч километров – в десятки раз больше территории, затрагиваемой деятельностью обычных мантийных струй.

Ученые продолжают спорить о том, существуют ли на самом деле суперплюмы. В новейшей научной литературе это понятие применяется лишь к двум регионам планеты. Предполагается, что одна из этих гигантских струй находится в западной части Тихого океана – там, где выявлен аномально большой приток тепла из глубин планеты к ее поверхности и располагаются четыре «горячие точки», – а другая скрывается под Восточной Африкой.

По одной гипотезе, такие струи, словно громадный поток Амазонки, образуются за счет слияния нескольких мелких струек-«речушек», которые, устремляясь наверх, к «воздушному океану», соединяются друг с другом. Однако сейсмические наблюдения не подтвердили этой догадки.

Другую гипотезу предложили Венди Панеро и ее коллеги из университета штата Огайо. По их мнению, важную роль в зарождении гигантских восходящих потоков вещества играют многочисленные обломки древних континентальных плит, скапливающиеся в нижней части мантии, что нарушает привычный ход протекающих здесь процессов. Участки мантии, где образовались подобные потоки вещества, с самого начала незначительно отличались по своему химическому составу от соседних областей. Они содержали предположительно от 10 до 13 % железа вместо 10—12 %, как остальная часть мантии. Громадные мантийные потоки – это, вероятно, потоки вещества более плотного, нежели в остальной мантии. Обычно такое вещество погружается в глубь менее плотного – в глубь мантии – и расширяется. Но здесь они зародились там, куда в результате процесса субдукции опускаются куски литосферных плит. По этой причине суперплюмы, полагает Панеро, не могут стронуться с места на протяжении последних 200 миллионов лет – со времен распада Пангеи, хотя окружающее их вещество мантии непрестанно движется вокруг них.

Исследование мантийных струй только начинается. Пока разрешающая способность современных приборов слишком мала, чтобы увидеть во всех подробностях то, что происходит не на Марсе или Титане, а всего в сотне километров от нас. Но это лишний раз убеждает нас в том, что география – физическая география Земли – и в XXI веке останется одной из важнейших наук. Нас могут ждать новые крупные открытия!