Текст книги "Вам, земляне
(Издание второе, переработанное)"

Автор книги: Автор Неизвестен

сообщить о нарушении

Текущая страница: 1 (всего у книги 14 страниц)

Феликс Зигель
ВАМ, ЗЕМЛЯНЕ
Издание второе, переработанное

ЗЕМЛЯ И КОСМОС

Как важно было бы для людей углубиться во внутренность Земли и воспользоваться находящимися там богатствами!

К. Э. Циолковский

Представления об изолированности Земли от внешнего мира и недоступности космических тел, казавшиеся непреложными истинами на протяжении тысячелетий, на самом деле выражали собой лишь несовершенство знания. Сейчас очевидно, что Земля и физически, и генетически тесно связана с космосом. Нельзя понять земное, не изучив небесное. В то же время для понимания явлений, наблюдаемых в космосе, нужны чисто «земные» науки, например геология. Особенно это ощущается в последние годы.

Уже первые шаги человечества в космос показали, что большая часть тел Солнечной системы доступна непосредственному исследованию. Сегодня трудно сказать, как далеко распространится человечество в космосе. Но уже совершенно ясно, что освоение космоса, по крайней мере в обозримом будущем, будет опираться на вещественные и энергетические ресурсы Земли. Пока для полетов в космос и для земной техники используется лишь ничтожная часть сокровищ нашей планеты. Мы живем на исполинской «шкатулке», таящей неисчислимые богатства. Добыть и использовать их для научно-технического и социального прогресса – вот задача, решению которой посвящены сегодняшние и ближайшие усилия человечества.

Земля сформировалась в итоге длительной эволюции, в результате которой она разделилась на геосферы. Наиболее важная из геосфер – земная кора: на ней обитает человечество, и ее сокровища доступны непосредственному использованию. Но происхождение и распределение этих сокровищ тесно связаны с эволюцией земной коры. Это вопрос сложный, и часто вместо окончательного ответа на него предлагаются гипотезы, нередко противоречивые. Однако четко сформулированная загадка дает пищу для размышлений, а научная мысль поистине всесильна – было бы достаточно фактов и времени. Неясности не должны рождать пессимизм. Наоборот, надо радоваться, что всего за несколько веков человечество узнало так много о своей планете.

В вопросе о происхождении Земли как рядовой планеты Солнечной системы полной ясности еще нет, но несомненно, что высшим цветом эволюции Земли стал Разум, зародившийся в биосфере. Еще не так давно роль живого вещества в эволюции Земли, в частности литосферы, считали несущественной. На самом деле биосфера, эта живая оболочка Земли, давно уже стала мощной геологической силой. То же можно сказать и о производственной деятельности человечества, которая на наших глазах приобрела поистине планетарный размах.

Самая острая проблема, которая стоит ныне перед обитателями Земли, – это проблема вещественных и энергетических ресурсов. Засорение окружающей среды, вред, наносимый человеком биосфере, – лишь негативная сторона этой проблемы. Хотя ресурсы Земли в принципе, безусловно, исчерпаемы, при разумном их использовании человечество сумеет обеспечить себя веществом и энергией еще на много веков. Это относится, в частности, к минеральным богатствам Земли, к сокровищам ее недр.

Наша планета изучается с разных позиций. Прежде всего назовем главную науку о Земле – геологию, которая исследует состав, строение и эволюцию нашей планеты. В своих выводах она опирается на данные других наук – астрономии и географии, минералогии и петрографии, кристаллографии и палеонтологии.

Геодезия изучает геометрию Земли, ее размеры и форму. В ряде вопросов ей помогает гравиметрия – наука о силе тяжести в разных точках земной поверхности. Исследованием физических свойств Земли в целом занимается геофизика, представляющая собой в сущности комплекс таких наук, как сейсмология, метеорология, гидрология и другие. К геофизике относится также теория земного магнетизма, объясняющая (вернее, пытающаяся объяснить) свойства Земли как магнита в прошлом и настоящем. По существу, и гравиметрия является разделом геофизики. Химические свойства Земли «подведомственны» геохимии, изучающей не только химический состав, но и миграцию химических элементов нашей планеты на протяжении ее длительной истории. Геохимия неизбежно переплетается с биологией, так как роль живого вещества в миграциях химических элементов огромна. Поскольку производственная деятельность человека стала планетарной геологической силой, создающей искусственные минералы и усиливающей миграцию химических элементов во внешних оболочках Земли, геохимия неизбежно должна соприкасаться с социологией, экономикой и другими науками о человеке.

В настоящее время предпринимаются успешные попытки создать общую теорию Земли, рассматривающую различные уровни организации геосистем. Такой раздел естествознания, названный геономией и являющийся всеобщим землеведением, включает не только геологию, географию, геофизику и геохимию, но также планетологию, экологию и даже отдельные разделы астрономии. Подробный обзор этой рождающейся на наших глазах новой науки дан в интересной книге И. В. Круть «Введение в общую теорию Земли» (М. «Мысль», 1978).

Читатель, утомленный этим далеко не полным перечнем наук о Земле, вероятно, согласится, что писать книгу о Земле очень трудно. Неизбежно приходится ограничивать себя какой-то одной «земной» наукой или одной темой. Одна из тем книги, лежащей перед вами, – сокровища земных недр и их использование на благо всего человечества. Однако разумному использованию богатств Земли мешает не столько несовершенство науки и техники, сколько постоянная необходимость тратить огромные средства на оборонные цели, тогда как в условиях прочного мира эти средства могли бы быть использованы на благо всех землян. Сегодня познание и разумное использование земных недр не только возможно, но и необходимо.

Большую часть информации о недрах Земли дает геофизика, в частности такой практически очень важный ее раздел, как разведочная геофизика. Как это ни парадоксально, но если бы Земля всегда была окутана облачным покровом, скрывающим звезды, то благодаря геофизическим методам мы знали бы о недрах почти столько же, сколько знаем сейчас. Космос лишь отчасти способствует расширению познаний о земных недрах. Другое дело – проблемы эволюции Земли. Сравнение Земли с другими небесными телами, особенно с планетами, помогает поиску правильных решений. Тем самым оправдана и главная тема нашей книги – показать тесные связи Земли и космоса, глубоких недр земного шара и далеких звезд.

Предлагаемое вниманию читателей второе издание книги дополнено главами о кристаллической структуре Земли, о роли вулканов в эволюции живого вещества на нашей планете, об экологических проблемах, глубоко волнующих современное человечество. Просмотрена и исправлена остальная часть книги в соответствии с новыми достижениями наук о природе и происхождении нашей планеты.

ИЗЯЩНАЯ ФИГУРА ЗЕМЛИ

Геологи, наблюдая реальные очень ограниченные по объему Земли геологические процессы, очень часто забывают, что в этих процессах, в том числе и физико-химических, их основные черты определяются прежде всего формой планеты как небесного тела – эллипсоида о трех осях – геоида, близкого к эллипсоиду вращения, как единого целого, по существу его геометрией.

В. И. Вернадский

Открытие земного шара

Когда земляне догадались, что живут на шаре? Как и во многих других случаях, дату этого величайшего открытия установить невозможно. Да и вряд ли это случилось в какой-то один «прекрасный» день.

Представления о шарообразности Земли складывались постепенно, и потребовались века, чтобы сформулировать следующие пять важнейших доказательств того, что мы живем на шаре.

1. Всюду, где бы ни находился наблюдатель, видимый горизонт (если он не загорожен какими-то предметами) имеет форму круга. Таким представляется горизонт в открытом море, в пустыне или в широкой степи. Это доказательство (как и многие другие) известно нам с детства, но школьные преподаватели, не желая нас разочаровывать, в ту пору не обращали внимания на слабые стороны приводимых ими аргументов. В частности, рассматриваемое нами первое доказательство было бы достаточным в том случае, если бы круговая форма горизонта наблюдалась действительно во всех точках поверхности. На самом же деле древним была доступна лишь часть поверхности Земли, и обобщать свои наблюдения на всю Землю они, строго говоря, не имели оснований.

2. При поднятии наблюдателя над земной поверхностью дальность горизонта увеличивается. Нетрудно сообразить, что высказанное положение является необходимым, но недостаточным условием шарообразности Земли. Иначе говоря, на шарообразной Земле дальность горизонта с поднятием наблюдателя над ее поверхностью действительно увеличивается. Но тот же эффект имел бы место и на дынеобразной Земле и на любой другой целиком выпуклой замкнутой поверхности.

Если планета имеет форму шара с радиусом OB = R (рис. 1), а наблюдатель находится на высоте AD, равной Н, то дальность горизонта AB=d определяется по формуле (R+H)²=R²+d², откуда d²=2RH(1+H/2R). Так как величина Н обычно весьма мала по сравнению с R, то дробью H/2R можно пренебречь и тогда d=√2RH.

Рис. 1. Дальность видимого горизонта.

Легко подсчитать, что при Н=2 м дальность горизонта равна 7,6 км, а при Н= 1 км она увеличивается до 120 км. При одной и той же высоте дальность горизонта тем меньше, чем меньше, радиус планеты. Американским космонавтам на Луне горизонт казался очень близким. И действительно, он отстоял от них всего на 2,5 километра.

3. Постепенное появление из-за видимого горизонта приближающихся предметов. С приближением корабля к берегу сначала из-за горизонта появляются его мачты, а затем корпус. В сущности, и это доказательство недостаточно. Картина постепенного появления предмета из-за горизонта наблюдалась бы и на любой нешарообразной выпуклой поверхности.

4. Возможность кругосветных путешествий. Подвиг Магеллана и его спутников был расценен их современниками как очень веское доказательство шарообразности Земли. Логическая слабость аргументации не требует длительных пояснений – кругосветные путешествия возможны были бы и в том случае, если бы Земля имела, скажем, форму цилиндра или груши.

5. Круговая форма земной тени на диске Луны во время лунных затмений. Доказательство любопытно тем, что оно использует космическое явление – прохождение Луны через конус земной тени.

Действительно, во время лунных затмений на привычный диск полной Луны надвигается круглая красноватая тень. Она не совсем черная потому, что часть солнечных лучей, преломляясь в земной атмосфере, попадает внутрь земной тени и «просветляет» ее. Кстати сказать, свою тень на Луну отбрасывает и атмосфера Земли – это голубоватая кайма вокруг красноватой тени твердого тела Земли.

Доказательно ли это доказательство? Очевидно, нет. Круглую тень могут давать и некруглые тела, например цилиндр. Значит, и это доказательство является необходимым, но недостаточным.

Доказательства шарообразности Земли – это, в сущности, обобщения исторического опыта человечества, постепенно узнавшего, что оно живет на исполинском шаре. Не все эти доказательства равноценны. Самое убедительное из них то, которое основано на градусных измерениях. Пользуясь ими, можно определить размеры земного шара. Но это уже область особой науки, именуемой геодезией.

Что такое геодезия?

«Геодезия» – сочетание двух слов: ge – земля и dasomai – разделяю. Значит, по смыслу наименования геодезия занимается «разделением» или, лучше сказать, измерением Земли (ведь всякое измерение связано так или иначе с некоторым «разделением»).

Условно геодезию делят на низшую и высшую. Низшую геодезию иначе называют топографией. Ее главная задача – с помощью измерений на местности отобразить земную поверхность и ее детали на планах и картах. Цель высшей геодезии – изучение формы и размеров Земли в целом. Следует снова подчеркнуть, что деление геодезии на две части условно, так как без измерений на местности невозможно выяснить, какую форму имеет наша планета. Поясним это утверждение.

Представим себе, что Земля – идеальный шар с совершенно гладкой поверхностью. В этом случае длина дуги меридиана, соответствующая разности широт в один градус, всюду (для любых меридианов и в любых их частях) будет одинакова. Другое дело, если Земля сплюснута у полюсов, т. е., говоря более строго, представляет собой сфероид – тело, образованное вращением эллипса вокруг малой оси. Тогда кривизна меридианов в разных частях будет разной – наибольшей у экватора и наименьшей у полюса. В этом случае дуги в один градус окажутся самыми длинными в околополярных зонах и наиболее короткими – в районе экватора.

Практически градусные измерения проводятся следующим образом. На каком-нибудь меридиане выбирают два пункта – А и В (рис. 2).

Рис. 2. Измерение радиуса земного шара.

На основании данных астрономических наблюдений измеряют широты этих пунктов, а затем длину дуги АВ делят на разность широт пунктов А и В. Если эта разность равна одному градусу, сразу узнают длину «градусной» дуги АВ (в километрах). При большей разности широт находят среднюю длину «градусной» дуги на участке АВ данного меридиана. Чем точнее измерения, тем, естественно, точнее результат. Точность астрономических измерений зависит от качества применяемых инструментов. Что касается дуги АВ, то ее геодезисты измеряют методом триангуляции.

Пункт А обычно находится далеко от пункта В. Кроме того, их разделяют естественные препятствия (возвышенности, овраги, реки, леса и т. п.), мешающие непосредственному измерению дуги АВ. Длину этой дуги можно определить и косвенным путем. Для этого участок земной поверхности между А и В разбивают на сеть треугольников (триангуляционную сеть) (рис. 3).

Рис. 3. Триангуляционная сеть.

Размеры треугольников выбирают так, чтобы из каждой вершины каждого треугольника отчетливо были видны две другие его вершины. Сами вершины отмечают специальными пирамидоподобными сооружениями – геодезическими знаками или сигналами (рис. 4).

Рис. 4. Геодезический знак.

В полученной таким образом триангуляционной сети измеряют углы треугольника, а затем вычисляют длину дуги АВ.

Такова нехитрая идея метода триангуляции. На практике все, конечно, сложнее. Приходится учитывать ряд дополнительных факторов, в том числе кривизну земной поверхности. Да и сами градусные измерения – очень кропотливая, сложная работа, иногда требующая долгих лет напряженного труда.

Еще в конце XVII века Исаак Ньютон чисто теоретическим путем пришел к выводу, что Земля под действием центробежной силы должна быть сплюснута у полюсов. Французские астрономы (например, Жак Кассини) решили проверить, прав ли Ньютон. Но по их градусным измерениям (на участке от Барселоны до Дюнкерка) получалось, что чем ближе к полюсу, тем дуга в один градус становится короче, т. е. что Земля не сплюснута у полюсов, а, наоборот, вытянута вдоль оси вращения и по форме напоминает яйцо.

Сплюснутый «апельсин» Ньютона или «яйцо» Кассини – что соответствует истине? Сегодня трудно даже представить себе, какие ожесточенные споры породил в первой половине XVIII века этот вопрос. Наконец, в 1735 г. Парижская Академия наук решила отправить для градусных измерений две экспедиции – одну в Лапландию (пограничная зона между Финляндией и Швецией) на северный полярный круг, другую в Перу в район экватора. Лапландскую экспедицию возглавил Мопертюи, перуанскую – Кондамин. Участники обеих экспедиций работали в исключительно сложной обстановке, подвергаясь всевозможным опасностям и лишениям. Их героический труд растянулся на десятилетия, но результат оправдал усилия. Прав оказался Ньютон, что подтвердили и все последующие градусные измерения, проводившиеся на протяжении двух веков. Из них эпохальным считается научный подвиг первого директора Пулковской обсерватории В. Я. Струве. На протяжении 40 лет (!) он измерял дугу длиной 2800 км от устья Дуная до берегов Северного Ледовитого океана. Результатами этих грандиозных измерений пользуются до сих пор.

Итак, в самом грубом приближении Землю можно считать шаром с радиусом около 6400 км, в более точном приближении Земля – сфероид. Большая полуось а земного сфероида (по Ф. Н. Красовскому) равна 6378,245 км, малая полуось b – 6356,863 км. Следовательно, полюсы Земли на 21,4 км ближе к ее центру, чем точки экватора.

Величина (а-b)/а называется сжатием Земли. По наиболее точным измерениям она равна 1:298,3. Сжатие Земли, конечно, невелико. На глобусе с экваториальным диаметром 30 см полярный диаметр оказался бы короче экваториального всего на 1 мм, что незаметно для глаза. Однако это не означает, что сжатием Земли можно пренебречь. Наоборот, оно представляет собой наибольшее отступление Земли от шарообразной формы, и ни одна современная точная карта не может быть составлена без учета «сплюснутости» Земли.

Открытие этой особенности нашей планеты было первым крупным достижением геодезии. Весь дальнейший прогресс этой науки заключался в постепенном уточнении формы Земли и выяснении ее истинной фигуры.

Земля и маятник

Еще в 1672 г., за 15 лет до того, как Ньютон объявил о сплюснутости Земли, с французским астрономом Ш. Рише произошла странная история. Во время поездки в Южную Америку, в Кайенну, находящуюся в 5° к северу от экватора, Ш. Рише заметил, что маятниковые часы, привезенные им из Парижа, стали отставать на 4 мин в сутки. Известно, что период Т колебания маятника определяется формулой Т = 2π√l/g, где l – длина маятника, a g – ускорение свободного падения.

Раз часы стали отставать, т. е. период колебания их маятника увеличился, значит, или удлинился маятник, или ускорение свободного падения вблизи земного экватора меньше, чем в Париже. Сначала первое предположение казалось правдоподобным. В Кайенне гораздо жарче, чем в Париже, от жары маятник вытянулся, а часы отстали. Но расчеты показали, что для замеченного отставания часов надо, чтобы температура в Кайенне была на 200 °C выше, чем в Париже. Следовательно, причина происшествия, поразившего Ш. Рише, заключалась в другом – в ускорении свободного падения, которое в Кайенне было меньше, чем в Париже.

В 1687 г. в «Математических началах натуральной философии» Исаак Ньютон детально объяснил «парадокс Рише». Он считал, что есть две причины, его вызывающие, – сплюснутость Земли у полюсов и вращение ее вокруг собственной оси.

Если бы Земля была идеальным шаром с плотностью, зависящей только от расстояния до его центра, то и тогда тела на экваторе весили бы меньше, чем на полюсе. При вращении Земли ее полюсы остаются неподвижными, а точки экватора движутся с максимальной линейной скоростью, поэтому любой предмет, перенесенный с полюса на экватор, стал бы (из-за воздействия центробежной силы) давить на поверхность Земли с меньшей силой, чем на полюсе. Иначе говоря, уменьшились бы при этом и сила тяжести, и ускорение свободного падения. Это одна из причин «парадокса Рише». Вторая причина – в сплюснутости Земли, в отклонении ее формы от шарообразной. На экваторе все тела находятся на 21 км дальше от центра Земли, чем на полюсах, а значит, и притягиваются ею слабее.

Точные измерения показали, что ускорение свободного падения на северном полюсе равно 983,234 см/с², на экваторе оно примерно на 5,2 единицы меньше. Около 2/3 этой величины обусловлено вращением Земли, а 1/3 – ее сплюснутостью.

Маятниковые часы (или маятник) оказались удивительным прибором, чутко реагирующим на форму Земли и ее вращение. Так практически одновременно с геодезией родилась еще одна отрасль естествознания – гравиметрия – наука о силе тяжести и ее измерении. По гравиметрическим данным, сжатие Земли очень близко к 1: 298,3, что отлично сочетается с данными геодезии.

Но у гравиметрии есть и свои собственные, очень важные в практическом отношении задачи. Представим себе два одинаковых маятника – А и В. Первый из них качается над тем участком земной поверхности, под которым расположены породы повышенной плотности (например, железные руды). Под маятником В внутри земной коры обширная пустота (например, пещера). Какой из маятников колеблется быстрее? Маятник А притягивается Землей (за счет руд) сильнее, чем маятник В. Значит, и колебаться он будет быстрее. Вывод ясен: маятник способен выступать в роли разведчика земных недр. С его помощью можно узнать, где есть ископаемые, каково строение земной коры. Гравиметрия, конечно, решает и другие, практически важные задачи.

При гравиметрических измерениях важно обеспечить постоянство длины маятников, поэтому маятники изготовляют из почти не расширяющегося сплава (инвара), а в последнее время – даже из кварца. Что касается периодов колебаний маятников, то их измеряют высокоточными хронометрами.

Допустим, что один и тот же маятник неизменной длины в двух разных пунктах имеет периоды колебаний Т₁ и Т₂. Тогда соответствующие ускорения силы тяжести g₁ и g₂ связаны формулой g₂=g₁·(Т₂/Т₁).

Эта формула служит основой для относительных измерений силы тяжести, т. е. для сравнения ее значений, полученных в разных точках земной поверхности. Для абсолютных измерений g (в см/с²) использовали специальные так называемые оборотные маятники, для которых определялись и период, и длина.

Ныне маятниковый метод применяется лишь для решения немногих специальных задач, а абсолютные ускорения свободного падения измеряют методом свободного падения тел в вакууме. При этом ускорение падающего тела измеряют вполне современным способом: расстояния определяют с помощью лазерного интерферометра, а время «засекают» кварцевыми или молекулярными часами. Точность таких измерений очень высокая – средняя квадратическая погрешность не превышает 10^-7 м/с².