(Программа курсадля магистров экологического факультета РУДН)
Планетарныегеосферы и методы их исследования (сейсмология, гравиметрия, магнитометрия,геоэлектрика, геотермия).
Наша планета Земля по составу,состоянию слагающего вещества, физическим свойствам и протекающим в нейпроцессам неоднородна. Вообще, неоднородность — это главное свойство и движущаясила всей Вселенной, в том числе и нашей планеты.
В направлении к центру Землиможно выделить следующие оболочки, или, иначе говоря, геосферы: атмосферу,гидросферу, биосферу, земную кору, мантию и ядро. Иногда внутри твердой Земливыделяют литосферу, объединяющую земную кору и верхнюю мантию, астеносферу, иличастично расплавленный слой в верхней мантии, и подастеносферную мантию. Нижемы покажем, что последняя классификация верхних геосфер твердой Земли болееобоснована при рассмотрении геодинамических процессов.
Три внешние оболочки (атмосфера,гидросфера и биосфера) имеют весьма непостоянные или даже неопределенныеграницы, но по сравнению с другими геосферами они наиболее доступнынепосредственному наблюдению. Геосферы твердой Земли, за исключением самоговерхнего слоя земной коры, изучаются в основном косвенными, геофизическими методами,поэтому многие вопросы пока остаются нерешенными. Достаточно сравнить радиусЗемли — 6370 км и глубину самой глубокой пробуренной скважины — менее 15 км,чтобы представить себе, как мало мы имеем непосредственной информации о составевещества планеты.
Рассмотрим основные физическиехарактеристики отдельных геосфер.
Атмосфера — сплошная газоваяоболочка, мощность которой составляет несколько десятков тысяч км. Ее плотностьбыстро уменьшается с высотой. Основная масса атмосферы — около 50% — сосредоточена в нижнем (5-км) слое, 90% находится в 16-км слое, а масса воздуха,находящегося выше 30 км, не превышает одного процента всей массы атмосферы.
Атмосфера представляет собоймеханическую смесь газов с небольшой примесью твердых частиц (пыли) и паровводы. В состав атмосферы входят: азот (N2) — 78,08%, кислород (О2) — 20,95%,аргон (Ar) — 0,93% и углекислый газ (СО2) — 0,03%. К остальным, сравнительнонезначительным по содержанию, газовым компонентам относятся неон (Ne), гелий(Не), криптон (Kr), водород (Н2) и некоторые другие. Указанный процентныйсостав воздуха сохраняется до высоты 100-120 км; выше происходит их разделениепо плотности и на высоте 200-250 км преобладает азот; до 500-700 км — атомарныйкислород, затем гелий и водород (у внешней границы атмосферы — атомарныйводород). Суммарная масса газов атмосферы оценивается в 5,3×1015т. Объем воды в атмосфере составляет около 13000 км3. Однако атмосферасоставляет всего 10-6 часть массы всей Земли.
На процессы, происходящие вовнешних геосферах твердой Земли (в био-, гидро- и лито- сферах) основную рольиграют такие компоненты атмосферы как кислород, углекислый газ и водяные пары.Их содержание в зависимости от времени и места может меняться в широкихпределах.
Кислород обеспечивает протекающиев природе процессы окисления различных веществ, а также дыхание организмов. Ватмосфере, особенно на высоте 20-30 км, имеется озон (О3). В процентномотношении озон составляет лишь 10-4 % от массы газов всей атмосферы, но ониграет важнейшую роль в обеспечении жизни на планете, предохраняя от вредноговоздействия ультрафиолетового и других жестких излучений Солнца.
Водяные пары, достигая состояниянасыщения, конденсируются, образуя облака. При определенной величине капельводы или кристаллов льда, когда их вес превышает силы поверхностного натяжения,происходит выпадение осадков.
Углекислый газ и водяные парыявляются регулятором температуры воздуха вблизи поверхности, т.к. конденсируютполучаемое Землей тепло. СО2 поступает в атмосферу в результате дыхания иразложения организмов, а также при вулканизме и гидротермальной деятельности, арасходуется растениями для питания и образования хлорофилла.
Физические свойства атмосферы:температура, давление, плотность, электро-, теплопроводность и др. меняются какпо латерали, так и по высоте.
В зависимости от характераизменения температуры с высотой атмосфера делится на следующие слои (рис.1).
Тропосфера — от поверхности Землина высоту от 8-9 км до 16-17 км.
Стратосфера — от 8-17 до 50-55км.
Мезосфера — от 50-55 до 80 км.
Термосфера — от 80 до 600-800 км.
Экзосфера — выше 800 км.
В тропосфере заключена подавляющаячасть газовых компонентов атмосферы, а также почти весь водяной пар и твердыечастицы. Среднегодовая температура основания тропосферы составляет +15оС. С высотойтемпература в тропосфере линейно понижается с градиентом — 6-6,5 мК/м. Наверхней границе тропосферы Твозд. снижается до -58-60 оС в полярных областях и-80-85 оС в экваториальной области. В тропосфере зарождаются облака, выпадаютосадки, формируются циклоны и антициклоны, ураганы и смерчи. Углекислый газ иводяные пары здесь поглощают большую часть солнечной радиации, особенно инфракрасную,и вместе с тем удерживают почти все излучаемое Землей тепло. В тропосферевозникает планетарная конвекция воздушных масс из-за неравномерного нагреваСолнцем земной поверхности. Таким образом происходит теплообмен между низкими ивысокими широтами.
/>
Рис.1. Изменение температуры свысотой в атмосфере
Неоднородности теплового режиматропосферы обусловливаются также разным атмосферным давлением в ее частях. Этосвязывается с рельефом, расположением континентов и акваторий, вращением Земли.Воздушные массы при охлаждении сжимаются, уплотняются и опускаются вниз, приэтом давление увеличивается, а при нагревании — расширяются, облегчаются и поднимаютсявверх, при этом давление уменьшается. Воздух перемещается из мест с повышеннымдавлением в места с пониженным давлением, в связи с чем возникают ветры.
В тропосфере происходиткруговорот воздушных масс, вызванный постоянной разницей между температурамиотдельных тепловых поясов земной поверхности. В экваториальной полосе напротяжении всего года бывает высокая температура, здесь находится пояс низкогодавления. В этой полосе нет постоянных ветров; существующее затишье лишь иногданарушается бурями и ураганами. Нагретый воздух на экваторе поднимается вверхние слои атмосферы и направляется к полюсам. Под влиянием вращения Земливокруг оси масса воздуха, движущаяся на высоте до 2-3 км, постепенноотклоняется от северных азимутов к востоку. Достигнув 30-35 о с.ш. (30-35 ою.ш.), т.е. районов субтропиков, основные массы воздуха окончательноповорачивают на восток и начинают вращаться вокруг Земли с запада на восток.Новые, непрерывно притекающие потоки воздуха обусловливают в субтропикахскопление масс воздуха и образуют пояса высокого давления. Воздушные массы,которые сконцентрировались вверху, опускаются и расходятся от поясов высокогодавления по поверхности Земли. Эти массы формируют постоянные ветры от поясоввысокого давления в сторону экватора, которые называют пассатами. Импротивопоставляются антипассаты — массы воздуха, создающие ветры в верхнихслоях тропосферы от экватора к субтропикам. Под влиянием вращения Земли пассатыотклоняются к западу и в северном полушарии дуют на юго-запад, а в южном полушарии- на северо-запад.
От субтропических поясов высокогодавления часть воздушных масс не доходит до полюсов, т.к. сильно отклоняется.Поэтому в средних широтах (60-65 о) преобладают юго-западные ветры в северном полушариии северо-западные — в южном полушарии. Ветры дуют также с полюсов, гдерасположены пояса высокого давления.
Кроме постоянно дующих ветров,существуют и периодически дующие ветры. К ним принадлежат циклоны иантициклоны, муссоны и др. Для циклонов и антициклонов характерно вращательноедвижение воздушных масс: у первых — против часовой стрелки с областьюпониженного давления в центре; у вторых — по часовой стрелке с областьюповышенного давления в центре. Циклоны перемещаются иногда с огромной скоростью(например, в тропических поясах до 200-250 км/ч) и причиняют огромный ущерб наповерхности суши или океанов. Циклоны и антициклоны образуются отсоприкосновения встречных воздушных масс. Муссоны возникают по побережьямокеанов от неравномерного нагревания суши и водных масс. Летом они дуют сокеана, зимой — с суши.
Пограничный слой между тропо- истратосферой называется тропопаузой. В этом сравнительно тонком слое толщиной2-4 км наблюдаются изотермические условия.
В стратосфере температура воздухапостепенно повышается с высотой, градиент составляет 1-2 мК/м, т.е. у верхнейграницы слоя температура достигает 10оС. Причиной повышения температурыявляется слой озона, который, поглощая ультрафиолетовую радиацию, выделяетзатем в вышележащие слои атмосферы тепловую энергию. Сам же озон, по-видимому,возникает под действием на кислород той же ультрафиолетовой солнечной радиацииили же космических лучей.
В стратосфере происходитинтенсивная циркуляция воздуха, сопровождающаяся вертикальными игоризонтальными его перемещениями. В переходном слое от стратосферы кмезосфере, который называется стратопаузой, температура с высотой начинаетпонижаться.
В мезосфере температура с высотойнепрерывно падает. Здесь возможно движение воздушных масс, и здесь образуютсятак называемые серебристые облака, которые располагаются на довольно постояннойвысоте — 80-85 км. Слой серебристых облаков является пограничным между мезо- итермосферой; этот пограничный слой называется мезопаузой.
Температура с высотой довольнобыстро возрастает в термосфере. Если на высоте 90 км Т= -90оС, то на высоте 400 км она достигает 1000-2000 оС; выше температура остаетсяпочти неизменной. Под действием ультрафиолетового солнечного излучения икосмических лучей воздух сильно ионизируется и становится электропроводным.Этот слой иногда называют ионосферой. Однако следует заметить, что и в вышележащемслое — экзосфере, где температура составляет примерно 200 оС, газы такжеионизированы, но их плотность очень низка, поэтому отдельные молекулы газадвигаются с огромными скоростями и преодолевают притяжение Земли.
Охрана атмосферы
Жизнь на Земле была бы невозможнабез атмосферы. Она также является одним из основных экзогенных факторовнепрерывного изменения и преобразования земной коры (процессы выветривания,эолового переноса вещества и др.). Вместе с тем, она играет важную роль и вхозяйственной деятельности человека. Антропогенное воздействие на атмосферуимеет много направлений. Прежде всего это использование в производственекоторых составных частей атмосферы — азота для производства удобрений,кислорода для металлургии, медицинских целей, горения и т.д.
Обычная хозяйственнаядеятельность человечества много тысячелетий оказывает воздействие на климат,причем чаще всего отрицательное. Одним из главных отрицательных факторовглобального воздействия является загрязнение атмосферы углекислым газом. Помимообычного, природного поступления СО2 в атмосферу, происходит систематическоепополнение атмосферы этим газом за счет сжигания огромного количества топлива.Оценки показывают, что содержание СО2 в атмосфере за последние 20-30 лет возрослона 10-15% и продолжает увеличиваться. Увеличение содержания СО2 приводит кповышению температуры воздуха у поверхности Земли. Расчеты показывают, что поэтой причине уже к началу следующего тысячелетия среднегодовая температураможет подняться на 0,5оС, что не так уж и мало. Даже такое, казалось бы,незначительное повышение среднегодовой температуры может привести к усилениютаяния и некоторому сокращению ледникового покрова, а это, в свою очередь,вызовет цепную реакцию в изменении целого ряда других природных явлений наЗемле.
Воздействие человека сказываетсяи на содержании кислорода в воздухе. Кислород восстанавливается в атмосфереблагодаря естественным процессам, и в первую очередь, в результате фотосинтезарастений. Поэтому уменьшение площади лесов ослабляет один из основныхисточников пополнения атмосферы кислородом.
Загрязнение атмосферыпромышленными и транспортными выбросами (сажа, зола, сернистые соединения, СО,СО2, пыль и др.) делают в ряде случаев атмосферу мало или даже совсемнепригодной для жизнедеятельности человека и для некоторых видов флоры и фауны.В промышленных городах, где выбросы в атмосферу особенно велики, нередкообразуются смоги — это густой туман, состоящий из смеси вредных соединений:оксидов серы, азота, углерода и др.). “Рекордсменами” по смогу можно считатьтакие города, как Лос-Анджелес, Мехико-Сити, Сан-Пауло, и некоторые другие. Всеэто указывает на настоятельную необходимость сочетания хозяйственнойдеятельности человека с тщательной охраной атмосферы.
Особое внимание необходимообратить на сохранение озонового слоя. Разрушающе действуют на озон водяныепары, ОН-, NO2, CH4, и некоторые другие вещества. Самую большуюопасность для озонового слоя представляют наземные и воздушные испытанияатомных и водородных бомб, на которые, правда, уже 15 лет наложен международныймораторий. Тем не менее, следует упомянуть о том, что при наземном испытанииодной водородной бомбы средней мощности в атмосферу выбрасывается до 100 млн.тпыли; возникающее при этом помутнение атмосферы равносильно помутнению прикрупном вулканическом извержении. (Примеры последних мы будем рассматриватьниже).
Специалисты по моделированиюприродных катастроф из ВЦ РАН (акад.Н.Н.Моисеев и др.) пришли к выводу, что вслучае взрыва даже 25% существующего арсенала атомного оружия, вследствиевыброса в атмосферу пыли и дыма (помимо других изменений природной среды) можетвозникнуть катастрофическая “ядерная зима” на всей планете. В качестве примераподобного явления, но в значительно меньших масштабах, приводятся последствияизвержения вулкана Тамбор в Индонезии в 1815 г., послужившее причиной того, чтов следующем году в США выпал невиданной толщины снежный покров, а в Европе летооказалось самым холодным за всю историю.
Гидросфера — это, в первомприближении, прерывистая оболочка Земли, включающая воды океанов, морей, озер ирек, подземные воды, воды, собранные в виде вечных снегов и льда, а такжехимически связанные воды горных пород. Здесь мы рассмотрим характеристикиосновного земного резервуара вод — Мирового океана, объединяющего все океаны,окраинные и внутренние моря.
На Мировой океан приходитсяпримерно 71% всей поверхности Земли (361 млн.км2 из 510 млн.км2). Если объемводы всей гидросферы составляет, примерно, 1458 млн км3, то на Мировой океанприходится 1370 млн км3, что равно 94% всего объема воды планеты. Массагидросферы составляет примерно 0,025% от массы всей Земли.
На океанском дне в зависимости отглубины можно выделить несколько основных батиметрических зон, отличающихсятектонической природой, физико-географическими условиями, биологическими видамии другими особенностями (табл.1).
Наглядное представление охарактере распределения высот суши и глубин океанского дна дает гипсометрическаякривая (рис.2). Она отражает соотношение площадей твердой оболочки Земли сразличной высотой — на суше и с различной глубиной — в море. С помощью кривойвычислены средние значения уровня земной поверхности с учетом уровня земнойповерхности (245 м), твердой оболочки (-2440 м), суши (840 м) и средней глубиныморя (-3880 м). Если не принимать во внимание горные области и глубоководныевпадины, занимающие относительно небольшую площадь, то на гипсометрической кривойможно отчетливо выделить два преобладающих уровня: уровень континентальнойплатформы высотой примерно 1000 м и уровень океанического ложа с отметками от-2000 до -6000 м. Соединяющая их переходная зона представляет собойотносительно резкий уступ и называется континентальным склоном. Естественнымпродолжением континента является его внешняя, затопленная морем часть, — континентальный шельф. Таким образом, естественной границей, разделяющей океани континенты, является не видимая береговая линия, а внешняя граница склона.
Основные зоны дна Мирового океана
Таблица 1Элементы рельефа Глубина, м Доля относительно площади океанов,% Шельф 0-300 9,6 Континентальный склон 300-2500 13,0 Абиссаль 2500-6500 76,5 Глубоководные впадины 6500-11000 0,9
Являясь продолжением континентов,близким с ним по геологическому строению, и располагаясь на доступных глубинах,шельф представляет особый интерес с точки зрения поисков и разведки месторожденийполезных ископаемых. Происхождение шельфа обычно связывают с эвстатическимиколебаниями уровня вод Мирового океана, обусловленными глобальными изменениямиклимата. Так, во время четвертичного оледенения значительное количество водыбыло сосредоточено в покровных и плавающих льдах; при этом уровень океана былниже на 100-150 м. Современное положение бровки шельфа, за которой начинаетсяконтинентальный склон, в связи с проявлением вертикальных движений земной корынеодинаково и колеблется в интервале глубин 90-500 м при среднем значении 132м. Рельеф шельфа свидетельствует о проявлении поверхностных эрозионныхпроцессов — здесь известны речные и ледниковые формы рельефа (подводные русларек и пролювиальные долины), ископаемые льды и торфяники с остатками мамонтов идругих наземных животных, что подтверждает прежнее положение суши на шельфе.
Реконструкция климата и связанныхс ним изменений уровня океана свидетельствует о том, что в течение всегофанерозоя (560 млн лет) не прекращались эвстатические колебания, а в отдельныепериоды уровень вод Мирового океана повышался на 300-350 м относительно егосовременного положения (рис.3, а). При этом значительные участки суши (до 60%площади континентов) оказывались затопленными (рис.3, б).
В последние годы геологи иэкологи связывают возможные изменения уровня вод Мирового океана не только сприродными, но и с антропогенными факторами. В соответствии с одним из такихпрогнозов, разогрев атмосферы за счет повышения содержания СО2 приведет в 2100г. к полному таянию ледников и повышению уровня вод Мирового океана на 60-80 м.При этом под водой окажутся многие низменные области суши, многие крупныегорода на берегу океана (рис.3, в).
Континентальный склонхарактеризуется крутым погружением дна, достигающим 15о и более. На западномпобережье п-ва Флорида (рис.4), например, начало континентального склона четкофиксируется на карте по сгущению изобат. Переход от континентального склона кабиссали обычно выражен хуже — продукты эрозии склона образуют зонуконтинентального подножья, расположенную на глубинах от 2 до 5 км. Крутизнаконтинентального склона способствует его интенсивной подводной эрозии, врезультате которой перегиб шельфа и поверхность склона сильно изрезаны.Характерной формой рельефа склона являются каньоны — глубоко врезанные долины скрутыми склонами. Часто они являются продолжениями рек. Так, каньон р.Конго(рис.5) начинается в ее эстуарии и прослеживается до глубины 4 км. В устьеканьона имеется конус выноса площадью в несколько десятков тысяч квадратныхкилометров.
С разрушением (оползанием)склонов связаны также мутьевые потоки, выносящие к подножью массы осадков,называемых турбидитами.
Океаническое ложе, включающееконтинентальное подножье и абиссальные равнины, занимает наибольшую частьплощади Мирового океана. Характерные формы рельефа здесь — это обширные котловиныи протяженные срединно-океанические хребты. Система срединно-океаническиххребтов протягивается через все океаны на 60000 км.
Рельеф поверхности дна морей иокеанов неоднороден; в нем, как и на материках, различают горы, возвышенности,равнины, плато. В рельефе различают как линейные, так и мозаичные(изометричные) структуры. Отдельно стоящие подводные горы, чаще всеговстречающиеся на абиссали или у подножья континентального склона, имеютвулканическое происхождение — это потухшие подводные вулканы. Если вершинавулкана поднималась над поверхностью океана, то она подвергалась эрозии истановилась плоской. При повторном опускании под уровень океана вулканическийостров превращался в подводную гору с плоской поверхностью, которая называетсягайотом.
Срединно-океанические хребтыобразуются в дивергентных зонах океанического дна, т.е. в местах его растяжения(спрединга). Это вызывает образование глубинных разломов, приток глубинногомантийного вещества к поверхности океанов и образование новой коры. Поэтому районысрединно-океанических хребтов называют также конструктивными зонами. Вдоль всехсрединных хребтов встречаются многочисленные действующие подводные вулканы игидротермальные проявления. Вулканическая и гидротермальная деятельностьсрединных хребтов ярко иллюстрируется в Исландии, где Срединно-Атлантическийхребет выходит на сушу (рис.6). Характерными формами срединно-океаническиххребтов являются рифтовые долины и трансформные разломы. Центральная, наиболееприподнятая часть хребта обычно бывает рассечена глубокой продольной долиной,образованной разрывами и протягивающийся вдоль всего хребта — эта долина иназывается рифтовой. Сегменты хребта по простиранию смещены на значительныерасстояния вдоль поперечных, или трансформных разломов. Их протяженность измеряетсятысячами км.
Наиболее погруженной частьюМирового океана является область глубоководных желобов, занимающая всего 0,9%площади океанов. Основная часть этих впадин приурочена к периферии Тихогоокеана и генетически связана с конвергентными зонами, т.е. с зонами, в которыхпроисходит “сдвижение” океанских плит. Это сдвижение сопровождается субдукцией(пододвиганием) океанической плиты под континентальную, т.е. в этих зонахпроисходит поглощение океанической коры и ее постепенное преобразование в континентальнуюкору. У основания зон субдукции образуются глубоководные желоба, состоящие из отдельныхочень глубоких впадин. Самой глубокой известной впадиной является впадинаМарианского желоба, открытая в 1954 году в одном из рейсовнаучно-исследовательского судна Академии наук “Витязь”. Ее глубина составляет11022 м. Над зонами субдукции располагаются хотя и надводные, но относящиеся кокеаническим структурам — островные дуги. Земная кора в островных дугах имеетокеанический облик, что и позволяет их относить скорее к океанам, чем кконтинентам.
К основным физико-химическимсвойствам Мирового океана относятся температура, плотность, химический состав,теплоемкость и др.
Океаны холодные. Вода в нихпрогревается только у самой поверхности, а с глубиной она становится всехолоднее и холоднее. Только 8% вод океана теплее 10оС, более половины холоднее2,3оС. Можно сказать, что по особенностям температуры океан представляет собойхолодную массу воды с тонким более нагретым слоем у поверхности. Поверхностная“пленка” воды в тропиках теплее, чем в более высоких широтах. С глубинойтемпература изменяется неравномерно. Термометр, миновав теплый поверхностныйслой воды, обычно регистрирует резкое понижение температуры. Такоераспределение характерно для большей части океана: прогретый поверхностный слойс довольно однородной температурой сменяется областью резкого ее падения,которая отделяет его от холодных вод океана. Поверхностный слой часто называютслоем перемешивания, а область быстрого изменения температуры — термоклином(рис.7). Поскольку в тропиках поверхностный слой теплее, чем в высоких широтах,а глубинные воды везде однородно холодные, то характер термоклина меняется сглубиной. Самые мощные термоклины наблюдаются в тропиках. В некоторыхглубоководных районах океана, особенно во впадинах и желобах, температура сглубиной медленно возрастает (рис.8). В какой-то мере это вызвано прогревомводы глубинным тепловым потоком из недр Земли. На графиках как функция глубиныпоказаны: ход температуры (Т), измеренной in situ, и ход потенциальнойтемпературы (q), т.е. температуры, котораядолжна была бы наблюдаться у поверхности океана, если частицу воды со дна приадиабатических условиях перенести к поверхности. Поясним это явление. Для воды сглубин в несколько тысяч метров различия между температурой in situ ипотенциальной температурой составляют несколько десятых долей градуса.Поскольку для изучения процессов в придонных слоях воды океанологам нужно знатьтемпературу до сотых долей градуса, эта разница в температуре имеет решающеезначение. Она обусловлена сжимаемостью морской воды под давлением. Так, если 1м3 с поверхности опустить на глубину 5 км, где давление в 500 раз вышеатмосферного, то этот объем уменьшился бы на 2%. Более того, при сжатиитемпература воды повысилась бы почти на 0,5оС, поскольку в этом процессе обменатеплом с окружающей водой не происходит. Такой процесс называется адиабатическим.В глубоководных впадинах различие между потенциальной температурой итемпературой in situ особенно примечательно. Если в распределении потенциальнойтемпературы с глубиной наблюдается максимум у дна, то можно говорить о наличиианомального прогрева слоя придонных вод за счет поступления глубинного тепла.Этот признак позволяет в некоторых случаях определять факт разгрузки термальныхвод на океанское дно.
Плотность воды находится в теснойзависимости от температуры и солености; она повсеместно возрастает с глубиной.Средняя плотность поверхностных вод Мирового океана при Т=20оС и солености 35‰составляет 1,02474 г/см3 (она выше плотности речных вод). Охлаждаясь, водатяжелеет. При той же солености, но при Т=2оС r»1,028 г/см3. Давление с глубинойвозрастает примерно на 104 Па (0,1 атм.) при погружении на каждый метр.Давление также увеличивает плотность воды. На глубине 5 км плотность ужесоставляет 1,050 г/см3.
На больших глубинах, в связи свысоким давлением, усиливается растворяющее действие воды, поэтому попадающиетуда из верхних слоев воды минеральные тела и органические остатки в той илииной степени растворяются и исчезают.
Океанские воды характеризуютсяопределенным химическим составом и соленостью (табл.2). Соленый вкус — самаяхарактерная особенность морской воды. Большая часть растворенного в морскойводе вещества составляет хлористый натрий. Перепад в концентрации соли междусолеными водами океана и солоноватыми водами устьевых участков рек и болот напобережье морей характеризуется резко выраженными фаунистическим ифлористическими границами. Соленость представляет собой общее количество растворенногов морской воде вещества. Если говорить точнее, то соленость следует пониматькак “общее количество твердых веществ в г/кг морской воды при условии, что всекарбонаты переведены в оксиды, бром и йод замещены хлором и все органическоевещество окислено”. Обычно соленость в океанах составляет 34,69 г/кг, или 34,69‰.В зависимости от ряда условий (сильная испаряемость воды, ее опреснение, большойпривнос солей речными водами, изолированность от океана) соленость воды можетбыть выше или ниже нормальной. Так, в Красном море (под влиянием сухих ветров исильного испарения) соленость воды составляет 41-43‰, в Средиземном море — 37-39‰, в Балтийском море у проливов 20‰, а в Финском заливе вблизи устья Невы- всего 2‰.
Воды океана содержат почти всеизвестные химические элементы и их изотопы. Общее количество солей,растворенных в воде океанов, составляет 5×1016 т. Мировой океан постояннопополняется солями, преимущественно за счет их выноса материковым стоком.Ежегодно реки выносят в океан примерно 2,5×109 т солей. Потери же соли вокеане происходят при испарении (когда соль выпадает в осадок) и разбрызгиванииводы под действием приливной деятельности в береговой зоне.
Солевой состав океанических иречных вод
Таблица 2Химические вещества Воды океанов, % Речные воды, % Хлориды — NaCl, MgCl2 88,7 5,2 Сульфаты — Mg(SO4), Ca(SO4), K2(SO4) 10,8 9,9 Карбонаты — Ca(CO3) 0,3 60,1 Прочие вещества 0,2 24,8
Карбонаты, кремнезем и некоторыедругие вещества широко извлекаются из воды морскими организмами на построениескелета. Поэтому солевой состав океанических вод резко отличается от составаречных вод (см.табл.2).
В табл.3 приводится концентрацияотдельных компонентов (элементов) солей океанической воды.
Примерно до 1955 г. соленостьизмеряли, определяя количество ионов хлора в единице массы воды. Полученноетаким образом значение “хлорности” (Cl) вводили в эмпирическую формулу длярасчета солености (S): S=1,80655´Cl. Эта формула исходит издопущения, что относительное содержание различных солей, растворенных в морскойводе, постоянно. Многочисленные анализы показывают, что, за исключениемнезначительных отклонений в концентрации кальция, это действительно так.Указанная зависимость остается верной примерно до значения ±0,002‰общей солености; этим же значением ограничивается точность метода химическогоанализа путем титрования.
Компонентный состав океанскойводы
Таблица 3.Компонент Концентрация (г/кг) Компонент Концентрация (г/кг) Хлор 19,353 Бикарбонат 0,142 Натрий 10,760 Бром 0,067 Сульфат 2,712 Стронций 0,008 Магний 1,294 Бор 0,004 Кальций 0,413 Фтор 0,001 Калий 0,387
Соленость приходится определятьочень тщательно, т.к. ее величина мало изменяется на огромных морскихпросторах, за исключением некоторых изолированных внутренних или окраинныхбассейнов, часть из которых упомянута выше. Тем не менее считается, и не безоснования, что небольшие различия в солености вод контролируют направления искорость их циркуляции. Например, соленость придонных вод в Тихом океанеменяется примерно от 34,70‰ в южной части до 34,68‰ к 40ос.ш. Это небольшоеизменение поддается объяснению, если предположить, что придонная вода движетсяв северном направлении и разбавляется менее соленой водой из вышерасположенныхслоев.
Морской лед, в отличие от морскойводы, имеет принципиально иную соленость, что объясняется спецификойобразования морского льда. Как известно, температура замерзания понижается помере увеличения солености. В диапазоне солености от 30 до 35‰ точка замерзанияменяется от -1,6оС до -1,9оС. Механизм образования морского льда можнопредставить как замерзание пресной воды с вытеснением солей в ячейки морскойводы внутри толщи льда. Когда температура достигает точки замерзания,образуются ледяные кристаллы, которые “окружают” незамерзшую воду. Незамерзшаявода обогащается солями, вытесненными кристаллами льда, что приводит кдальнейшему понижению точки замерзания воды в этих ячейках. Если кристаллы льдане полностью окружат обогащенную солями незамерзшую воду, она будет опускатьсяи смешиваться с нижележащей морской водой. Если процесс замерзания растянут вовремени, то почти весь обогащенный солями рассол уйдет из льда и его соленостьокажется близкой к нулю. При быстром замерзании большая часть рассолазахватится льдом и его соленость будет почти такой же. Как и соленость окружающейводы. В большинстве случаев соленость морских льдов находится в диапазоне от 2до 20‰, причем более старый лед имеет в среднем более низкую соленость. Причинаэтого состоит в том, что опреснению старого льда способствовало неоднократноетаяние и замерзание при изменениях температуры воздуха. При достаточно низкойтемпературе начинает кристаллизоваться сам раствор солей. Na2(SO4) кристаллизуетсяпри -8,2оС, а NaCl — при -23оC.
Прочность морского льда из-засложной картины распределения солевых ячеек и его частично двухфазного составав три раза уступает прочности пресноводного льда той же толщины. Однако старыйморской лед с очень низкой соленостью или лед, образовавшийся при температурениже точки кристаллизации хлорида натрия, не уступает по прочности пресноводнымльдам.
Кроме солей, в воде растворены инекоторые газы: азот, кислород, углекислый газ и др. Между гидросферой иатмосферой в планетарном масштабе существует постоянный газовый обмен идинамическое равновесие. Но соотношение между газами в водах Мирового океана иатмосферы далеко не одинаковое. Так, в водах азота в два раза меньше, чем ватмосфере, а кислорода в 1,4 раза больше. Это объясняется лучшей растворимостьюв воде кислорода, чем азота. Насыщенность вод газами в значительной мерезависит от температуры: чем выше температура воды, тем ниже растворимостьгазов. По этой причине воды высоких широт более насыщены газами. Газовый составокеанских вод зависит также от циркуляции вод, жизнедеятельности организмов,биохимических процессов, подводного вулканизма, ветрового перемешивания воды иприлегающих слоев атмосферы. В застойных бассейнах или в тех частях толщи воды,где циркуляция ее ослаблена или полностью отсутствует, содержание кислородарезко уменьшается, начинают проявляться восстановительные процессы, чтоприводит к образованию сероводорода. Примером зараженного сероводородомбассейна может служить Черное море, где ниже 170 м и до самого дна сероводородсодержится во всей массе воды.
Циркуляция океанских вод зависитглавным образом от двух факторов: плотности воды и влияния ветра. Более плотныемассы воды высоких широт направляются к низким широтам. Вместе с тем, пассатныеи другие ветры создают огромные теплые и холодные течения, прибойные волны.Морские волнения могут ощущаться в общем до глубины 200 м, а высота волндостигает 10 и более метров. Вблизи побережья волны, вследствие их трения о дноопрокидываются на берег, образуя прибой.
Теплые течения, возникающие врайоне действия пассатов, оказывают большое влияние на температурный режимокеанских вод, миграцию организмов, отложение и вынос осадков. Одним изнаиболее теплых и замечательных течений в океане является Гольфстрим, берущийначало в Мексиканском заливе. “В океане течет река. Она не пересыхает в самыежестокие засухи и не переполняется во время самых сильных наводнений. Ее берегаи дно образованы холодной водой, а сама она теплая”. Этими словами начинается описаниеГольфстрима в классической работе Фонтена Мори “Физическая география океана иего метеорология”[1].Немного более ста лет спустя Генри Стоммел в работе “Гольфстрим”[2]охарактеризовал его более точно, но менее поэтично, как пограничное течениемежду теплыми солоноватыми водами Саргассова моря и холодными плотными водамиконтинентального склона. Около Флориды температура вод этого течения до глубины1500 м достигает 20оС. Скорость его достигает 220 км/сутки. Огибая Саргассовоморе с юга, Гольфстрим пересекает Атлантический океан, достигает береговИрландии и Великобритании, течет вдоль берегов Норвегии, а затем раздваиваетсяи направляется к Шпицбергену и в Баренцево море. Благодаря притоку относительнотеплых вод Мурманский порт не замерзает круглый год, а расположенный южнееС.-Петербургский порт замерзает на несколько месяцев.
Совершенно иное влияние оказываютхолодные течения. Например, холодное Лабрадорское течение, омывающее берегаканадского п-ва Лабрадор, превратило эту землю в холодную и почти безжизненнуюпустыню, хотя Лабрадор и находится на одной широте с Англией.
Своеобразным движением океанскихвод являются приливы и отливы. Их высота в открытых океанах достигает 10-12 м,а на мелководье — до 15 м; во внутренних морях приливы и отливы практически неощущаются.
Основное влияние на приливы иотливы оказывает Луна. Лунные приливы в 2,2 раза сильнее солнечных. Приливыпроявляются одновременно на стороне Земли, обращенной к Луне, и напротивоположной стороне Земли. В последнем случае прилив происходит по тойпричине, что водная оболочка как бы отстает от Земли, потому что последняя,находясь ближе к Луне, притягивается сильнее. В областях, расположенныхперпендикулярно к линии наибольших приливов, будет происходить отток воды всторону приливов, т.е. там будут наблюдаться отливы. По мере вращения Земливокруг своей оси в течение суток в одной и той же точке может произойти дваприлива и два отлива.
/>Земля Луна
/>
Рис.8. Схема лунных приливов иотливов
Энергия приливно-отливных волногромна, и люди давно уже задумывались над тем, как ее использовать. Внастоящее время в России действует первая экспериментальная приливнаяэлектростанция вблизи Мурманска на Кольском п-ве. Высота приливных волн здесьдостигает 5 м. Приливные электростанции имеются во многих странах мира.Особенно этот вид альтернативной энергетики развит во Франции, Испании, США,Японии, Англии, Канаде и в др. странах.
Охрана Мирового океана. Мировойокеан играет огромную роль в жизни и планеты, и человечества. Подчеркнем двафактора общепланетарного значения Мирового океана:
Около трети кислорода атмосферыпродуцируется растительным планктоном океана;
Огромные запасы механической итепловой энергии океанских вод и обмен с атмосферой оказывают колоссальноевоздействие на погоду и климат планеты.
Для человека и его деятельностизначение океана выражается в следующем:
Океан — важный источник пищевыхресурсов;
В океане и в его недрах находятсяогромные запасы полезных ископаемых, которые во все большем объеме привлекаютсядля нужд человечества (нефть, химическое сырье, полиметаллические руды гидротермальногопроисхождения).
Воды океанов подвергаютсязагрязнению нефтью и нефтепродуктами, радиоактивными веществами, промышленнымии бытовыми отходами. Это обстоятельство приобрело столь угрожающие размеры, чтопроблема охраны переросла в глобальную проблему, требующую безотлагательногорешения.
Жизнь в океане в основном связанас поверхностными зонами воды; они же подвержены наибольшему загрязнению. Гибельпланктона означает гибель и остальных групп животных океана, а гибель фитопланктонасокращает поступление кислорода в атмосферу. Жизнь на суше находится в теснойзависимости от жизни в океане. Туру Хейердалу принадлежит такое высказывание:“… мертвый океан — мертвая планета.”
Биосфера — или сфера жизни Земли,не занимает обособленного положения, а располагается в пределах другихоболочек, охватывая гидросферу, тропосферу и верхнюю часть земной коры — ееприповерхностный и почвенный слои. Живые организмы встречаются и нижепочвенного слоя — в глубоких трещинах, пещерах, подземных водах и даже внефтеносных слоях на глубине в сотни и тысячи метров.
В состав живых организмов входятне менее 60 химических элементов, главные из которых (биогенные элементы) — этоC, O, H, N, S, P, K, Fe, Ca и некоторые другие. Живые организмыприспосабливаются к жизни при экстремальных условиях. Споры некоторых низшихрастений выдерживают температуры до -100 — -200оС. Бактерии встречаются вгорячих источниках при Т=100оС и даже в океанских гидротермах при Т=200-250 оС.К удивлению аквонавтов, опускавшихся на глубины океанских впадин, они встретилиживые организмы, приспособившиеся к жизни при огромных давлениях.
Живая масса биосферы в пересчетена сухое вещество составляет около 1015 т. В целом на растения приходится 99%биомассы, а на животных и микроорганизмы — всего 1%. Таким образом, живая массапланеты преимущественно растительная.
Биосфера — это самый мощныйаккумулятор солнечной энергии благодаря фотосинтезу растений. Подсчитано, чтотолько фитопланктон океана поглощает 0,04% солнечной энергии, поступающей на поверхностьЗемли. За геологическую историю Земли биосфера накопила в недрах колоссальноеколичество энергии — в толщах углей, нефти, скоплениях горючего газа и горючихсланцев, которыми сейчас человечество широко пользуется. Организмы — важныепородообразователи земной коры.
Биосфера, ее биохимическаядеятельность обеспечивает планетарное равновесие на Земле — равновесноесостояние газов, состава природных вод, круговорот вещества. Образование живоговещества и аккумуляция им энергии сопровождается одновременно и диаметральнопротивоположными процессами — распадом органических соединений и превращениемих в простые минеральные соединения — СО2, воду, аммиак (NH4) с освобождениемэнергии; в этом и состоит сущность биологического круговорота вещества.
Жизнь на Земле зародилась еще вархее — примерно, 3,5 млрд.лет назад. Такой возраст имеют найденныепалеонтологами древнейшие органические остатки. Возраст Земли каксамостоятельной планеты Солнечной системы, оценивается в 4,5 млрд.лет. Такимобразом, можно считать, что жизнь зародилась еще в юношескую стадию жизнипланеты.
Охрана животногои растительного мира
Органический мир для человекаявляется основой удовлетворения его пищевых потребностей, а также отчастиудовлетворения сырьевых нужд в его повседневной хозяйственной деятельности. Ксожалению, ряд видов организмов частично или полностью потеряли свое значениеиз-за хищнического хозяйствования. Исчезнувшие виды животных и растений немогут быть восстановлены. Сейчас мы еще в силах сохранить те виды животных ирастений, которые находятся на грани полного уничтожения: запрещена охота на теили иные виды, сохраняются природные условия обитания таких организмов(заповедники, охранные зоны и др.). Для пищевых и сырьевых нужд привлекаютсяновые, ранее не использовавшиеся виды организмов, особенно населяющие океаны.
Организмы рассматриваютсячеловеком не только с экономической точки зрения. Так, растительный покровимеет важное оздоровительно-гигиеническое значение (зоны отдыха). Забота о животныхи растениях во всем мире приобретает большое эстетическое,научно-познавательное и воспитательное значение.
Твердые оболочки Земли: земнаякора, мантия, ядро.
Земная кора представляет собойверхнюю твердую оболочку Земли и имеет сложный рельеф. В рельефе суши различаютгорные системы, плоскогорья и равнины, а также подчиненные им формы. О рельефеокеанского дна мы уже говорили выше.
Толщина земной коры колеблется вшироких пределах — от 5 до 15 км под океанами и от 20 до 70 км подконтинентами. Верхняя часть земной коры в пределах глубин, достигнутыхбурением, доступна для непосредственного изучения. Поэтому нам более или менеедостоверно известен состав вещества верхней части коры до глубин 10-12 км(максимальная глубина, достигнутая бурением, составляет немногим более 14 км(скв.Вредефорд в Южной Африке); российская сверхглубокая скважина СГ-3 наКольском п-ве достигла глубины 12, 2 км). О более глубоких горизонтах земнойкоры и подстилающих ее геосфер, недоступных для непосредственного изучения, приходитсясудить по косвенным геофизическим данным. Однако, следует заметить, что врезультате тектонических перемещений блоков земной коры иногда на поверхностьЗемли или в разрезы глубоких скважин попадают обломки пород из нижних частейкоры или из верхней мантии (ксенолиты), поэтому их изучение позволяет судить осоставе этих геосфер.
В составе вещества земной корывыявлено 89 из 105 элементов периодической системы Менделеева. Химическиеэлементы земной коры образуют природные химические соединения — минералы, а те,в свою очередь, путем химического или чаще механического соединения — горныепороды.
На основании многочисленныххимических анализов минералов и горных пород, слагающих верхнюю часть земнойкоры, А.Б.Роновым и А.И.Ярошевским было вычислено среднее содержание каждогохимического элемента, или кларк каждого элемента. Наибольшие кларки имеютследующие элементы (в %%): О2 — 47; Si — 29,5; Al — 8,05; Fe — 4,65; Ca — 2,96;Na — 2,50; K — 2,50; Mg — 1,87; прочие — 0,93. Вычислены также кларки для всехостальных оболочек Земли, для Солнца, Луны.
Поскольку кислород, кремний иалюминий составляют подавляющую часть земной коры, они входят в состав всехнаиболее распространенных природных соединений.
По физическим свойствам игеофизическим характеристикам (скорости прохождения сейсмических волн,плотности, магнитной восприимчивости, теплопроводности, электропроводности идр.) земную кору принято разделять, как минимум, на три слоя: осадочный,гранитно-метаморфический и базальтовый (рис.10). Присутствие гранитно-метаморфическогослоя — это признак континентальной земной коры — в океанической коре этот слойотсутствует. Разделение на слои с таким названием не означает, что породыдействительно имеют состав гранитов или базальтов. Это только значит, что по сейсмическимхарактеристикам, т.е. по скоростям прохождения сейсмических волн через этотслой они сходны с соответствующими породами. Например, у многих метаморфическихпород, относимых к гранитно-метаморфическому слою (амфиболитовых, хлоритовыхсланцев, мраморов и др.), скорость прохождения сейсмических волн такая же, каку гранитов. Мощность гранитно-метаморфического слоя под континентами составляетот 10 до 40 км. Мощность базальтового слоя под континентами изменяется от 30 до40 км, а под океанами — от 3 до 15 км. Плотность пород “гранитного” слоясоставляет 2400-2600 кг/м3, базальтового — 2,8-3,3 кг/м3, вещества мантии,состоящего из ультрабазитовых пород (с пониженным содержанием SiO2), — 3,4кг/м3.
Земная кора — это продуктдифференциации вещества мантии, т.е. разделения этого вещества по плотности.Более легкоплавкое и менее плотное вещество, в соответствии с законом Архимеда,всплывало сквозь толщу мантии, иногда диффундируя по межмолекулярнымпромежуткам, а иногда проходя по трещинам, образовавшимся между отдельнымиблоками. Если первый способ дифференциации происходил очень медленно (скоростьдиффузии можно оценить величинами 10-8-10-9 см/с, то скорость массообмена потрещинам на два порядка выше — 10-6-10-7 см/с.
Образование земной корыпродолжается и в настоящее время. Так, океаническая кора формируется в рифтовыхи разломных зонах срединно-океанических хребтов, а континентальная — в зонахперехода от океана к континенту: островные дуги по периферии океанов — этофрагменты сформировавшейся континентальной земной коры. Не следует думать, чтовся континентальная кора находится ниже уровня Мирового океана. Так, всяшельфовая зона и верхняя часть континентального склона — это материк, прослеживающийсяпод уровнем моря. Имеются также участки, или фрагменты континентальной коры,находящиеся на океаническом ложе. Среди таких можно упомянуть возвышенностьЯмато в центре Японского моря, Плато Манихики в юго-западной части Тихогоокеана и др.
Границу между земной корой имантией условно решили выделять на глубине, где происходит скачкообразноеизменение скорости сейсмических волн. Впервые эту границу выделил югославскийгеофизик А.Мохоровичич. В его честь она и названа (сокращенное название — граница Мохо или М).
Мантия простирается от границыМохо до глубины 2900 км, где также по скачку сейсмических скоростейустанавливается ее граница с внешним ядром.
Сейсмические методы изучениямантии выявили ее неоднородность и позволили выделить в ее пределах три слоя.
верхняя мантия протягивается наглубину до 400 км и носит название слоя Гутенберга. В пределах этого слоя, винтервале глубин от 100-120 до 350-400 км под континентами и на глубине от50-60 до 400 км под океанами, скорость продольных сейсмических волн невозрастает, а скорость поперечных волн — даже падает. Это может указывать науменьшение вязкости вещества, и, возможно, на его частично расплавленноесостояние. Эта зона внутри верхней мантии получила название астеносфера(“ослабленная сфера”), в отличие от верхней твердой литосферы. В астеносферномслое располагаются первичные очаги вулканизма и проявляются процессы,приводящие к тектоническим движениям в земной коре. Поэтому для мониторинга ипрогноза вулканических и сейсмических проявлений важно знать глубинуастеносферы и ее соотношение с вышележащей литосферой.
средняя мантия охватывает глубиныЗемли от 400 до 900 км. В этом слое скорости прохождения сейсмических волнрезко возрастают (с 8,5 км/с до 11,2 км/с), что указывает на значительноеувеличение плотности и вязкости вещества. Этот слой назван слоем Голицына.
нижняя мантия располагается наглубинах от 670 до 2900 км; здесь скорости сейсмических волн с глубинойвозрастают медленно, но тем не менее достигают здесь максимальных для нашейпланеты значений: продольная скорость увеличивается до 13,6 км/с, а поперечная- до 7,3 км/с. Полагают, что относительно равномерное нарастание скорости сглубиной связано только с ростом давления и свидетельствует об относительнооднородном строении нижней мантии. В низах этого слоя, на глубине 2700-2900 кмвыделяется переходная оболочка, отличающаяся по свойствам от всей остальнойнижней мантии. Здесь отмечается некоторое снижение скорости продольных волн,что, вероятно, связано с переходом к внешнему ядру.
Центральная геосфера Земли, ееядро занимает около 17% ее объема и составляет 34% ее массы. Такое соотношениедолей объема и массы обусловлено резкими различиями физических параметров ядраи мантии. В частности, на внешней границе ядра, приуроченной к поверхностиВихерта-Гутенберга (раздел между нижней мантией и внешним ядром), происходитскачкообразное снижение скорости распространения продольных волн от 13,6 до 8,1км/с и полное затухание поперечных сейсмических волн. Это определяет спецификупрохождения ядра продольными волнами, испытывающими внутри него отклонение к центруЗемли. В интервале эпицентральных расстояний 103-143о образуется, такимобразом, область “сейсмической тени”, т.е. в этой зоне, располагающейся напротивоположной землетрясению стороне планеты, не могут быть зарегистрированыпродольные сейсмические волны из-за отклонения в очень плотном веществе ядра.
В разрезе ядра выделяются двеграницы — на глубинах 4980 и 5120 км, в связи с чем оно подразделяется на триэлемента: внешнее ядро, переходное ядро и субъядро. Внешнее ядро обладаетфеноменальной особенностью скоростной характеристики — не пропускает поперечныхсейсмических волн. Это свидетельствует об отсутствии здесь упругогосопротивления сдвигу. Тными словами, вещество, слагающее внешнее ядро, поотношению к сейсмическим волнам ведет себя как жидкость. По-видимому, веществопри таких давлениях и температурах не может находиться в жидком состоянии вобычном понимании этого термина, но обладает некоторыми ее свойствами. Субъядроскорее всего находится в твердом состоянии, а переходное ядро является двухфазнойсмесью.
Рассмотрим кратко изменениеосновных физических свойств земного вещества с глубиной.
Отсутствие прямых данных оплотности вещества обусловливает необходимость использования для ее оценоккосвенных данных, в частности, данных о скорости сейсмических волн. На первыйвзгляд кажется, что скорости должны возрастать при увеличении плотности пород.На самом же деле, эти величины находятся в обратном соотношении:
vp =/>; vs =/>, где vp и vs, соответственно,скорости продольных и поперечных волн, s — плотность пород; lи m — упругие постоянные (коэффициенты Лямэ) (l- модуль всестороннего сжатия; m — модуль сдвига).
Тем не менее, сопоставлениеизменений скорости сейсмических волн с плотностью показывает, что более плотныепороды обычно характеризуются более высокой скоростью. Это объясняется тем, чтовозрастание плотности вещества Земли с глубиной сопровождается ростом значенийкоэффициентов Лямэ, приводящим к увеличению скорости сейсмических волн.Особенно значительны изменения l и m в мантииЗемли, где отмечается закономерное нарастание скорости Р- и S- волн и плотностивещества.
Оценки показывают, что средниезначения плотности земной коры и Земли в целом составляют, соответственно, 2700и 5520 кг/м3.
Имеющиеся данные о свойствахглубинных геосфер позволяют считать, что мантии и ядру Земли свойственны чертыдвух агрегатных состояний, хорошо изученных в обычных условиях, — твердого и жидкоговещества. Если на вещество мантии действуют мгновенные силы, то оно ведет себякак твердое вещество, а если действие нагрузок растягивается в геологическомвремени — то как жидкость. Таким образом, есть все основания считать, что Земляв целом находится в состоянии гидростатического равновесия. В этом случаеизменение давления с глубиной можно оценить, исходя из массы вышележащегостолба пород. Расчеты показывают, что у подошвы земной коры давление составляетоколо 1300 МПа, а на границе ядра — около 140000 МПа. Особенно велико давлениев ядре — до 4×105 МПа. Такие давленияхарактеризуют на мгновения давления вблизи фронта ударной волны при ядерномвзрыве.
Представляет интерес изменение вЗемле еще одного параметра — ускорения свободного падения (g), определениекоторого также связано с принятой моделью распределения плотности. Наповерхности Земли среднее значение ускорения свободного падения равно 9,82м/с2, или 982 Гал. По расчетам, с глубиной g возрастает до 10,81 м/с2 наповерхности ядра и затем круто убывает до нуля в центре Земли.
Рассмотрим методы геофизики,которые позволяют получить информацию о внутреннем строении Земли, о еесвойствах и о фазовом состоянии вещества.
Начнем с сейсморазведочногометода, который не только самый информативный в геофизике, но и самый дорогойпо стоимости его проведения. Достаточно указать, что на сейсмометрическиеработы затрачивается 85% средств, затрачиваемых вообще на геофизические работы.В становление и развитие сейсмометрии большой вклад внесли русские и советскиеученые: Б.Б.Голицын, В.С.Воюцкий, Г.А.Гамбурцев, А.И.Заборовский, Ю.Н.Годин,Ю.В.Ризниченко, М.К.Полшков, А.М.Епинатьева, И.И.Гурвич, Л.А.Рябинкин,Е.Ф.Саваренский и др.
Этот метод основан на изучениискорости распространения сейсмических волн в литосфере, т.е. принципиальноблизок к сейсмологическим методам, изучающим скорости распространения упругихколебаний от землетрясений. Отличие заключается в том, что в сейсмологиииспользуется естественный источник колебаний — землетрясение, а в сейсмометрии- искусственный — взрыв в неглубокой скважине. До объявления моратория наиспытания ядерного оружия в 1988 г. геофизики использовали в качестве источникаупругих колебаний волну от ядерного взрыва. Волна, возбужденная взрывом,достигая границ изменения скоростей, а точнее, сейсмических плотностей(произведения плотности на скорость r×v),отражается и достигает системы регистрации, состоящей из серии сейсмографов — приборов, реагирующих на колебания почвы и регистрирующих их. Время движенияволны от пункта взрыва до каждого сейсмографа откладывается на графиках в видекривых, которые называют годографами. Годограф отраженной волны имеет гиперболическуюформу, кривизна которой определяется, в частности, скоростью распространенияволны v1. Значение скорости позволяет вычислить глубину залегания границы сред.Так как путь волны 2S » v1×tA, ас другой стороны, S»/>, то h »/>, где h — глубина границы, v1 — скорость волн в покрывающей среде, tA — время движенияотраженной волны в точку А, l — удаление точки А от пункта взрыва, 2S — длинапути волны. На некотором удалении от пункта взрыва при увеличении угла паденияпрямой волны на границу нижележащей среды со скоростью v2 возникаетпреломленная волна, опережающая отраженную, если v2>v1. Годограф волны,преломленной на плоской границе, прямолинеен.
Основным методом работ по сейсморазведкеявляется профилирование, а кроме этого используется методика зондирования.Детальность исследований определяется частотой расположения сейсмографов напрофиле. Чем чаще они расположены, тем, в общем, можно получить более детальныйгодограф. Глубинность работ определяется мощностью источника колебаний. Ядерныйвзрыв, а тем более землетрясение — это, естественно, самые сильные источники,которые невозможно повторить с помощью тротилового заряда, заложенного вскважину. Если время ядерного взрыва известно и к нему можно подготовиться, тоточное время землетрясения, к сожалению, неизвестно. Поэтому сейсмографы насейсмостанциях должны работать в автоматическом режиме мониторингасейсмического события. Только в этом случае можно ожидать получение уникальнойинформации о глубинном строении нашей планеты.
Гравиметрический метод основан наизучении поля силы тяжести на поверхности Земли или в ее недрах. Задача ораспределении силы тяжести на поверхности Земли была решена в общем виде вXVIII веке французским математиком А.Клеро (1713-1765 г.г.). Он впервые вывелформулу для вычисления силы тяжести на любой географической широте эллипсоидавращения при известных значениях силы тяжести (ускорения свободного падения) уполюса и на экваторе. Формула Клеро в первом приближении имеет вид:
g = gэ + (gп — gэ)×sin2j,
где g, gэ, gп — ускорениесвободного падения, соответственно, для данной географической широты j,на экваторе и на полюсе. В 20-х годах нашего века была выведена международнаяформула для нормального значения силы тяжести на уровне моря, которой ипользуются в настоящее время:
g = 978,049 (1+ 0,0052894×sin2j- 0,0000059× sin22j).
Из этой формулы следует, чтонормальное значение силы тяжести на Земле увеличивается от 978 см/с2 наэкваторе до 983 см/с2 на полюсах. Однако эти значения, рассчитанные дляэллипсоида вращения со сжатием 1/297, существенно отличаются от фактическиизмеряемых на поверхности Земли, что обусловлено изменениями плотности пород,слагающих Землю. В гравиразведке выведена формула для расчета превышения силытяжести в случае контраста плотности блоков (рис.11). Если внутриплоскопараллельного слоя толщиной Н с плотностью s1 имеетсявнедрение блока с плотностью s2, то амплитуда аномалии силытяжести над этим блоком вычисляется по формуле: Dg = 2pf×(s2- s1)Н, где f — гравитационная постоянная, которая всистеме CGSE равна 6,67×10-8 см 3×г-1×с -2 = 6,67×10-11 Н×м2×кг -2 (система СИ).
/>/>
s2
s1
s1 Н
/>
Рис.11. Внедрение блока сконтрастной плотностью
Величина f впервые была вычисленаКавендишем (1797 г.). Численно гравитационная постоянная равна силе притяжениядвух единичных точечных масс, разделенных единичным интервалом (т.е. соответственно.двух масс в 1 г на расстоянии 1 см (CGSE), или двух масс в 1 кг на расстоянии 1м (СИ)).
Значения силы тяжести (ускорениясвободного падения) измеряются гравиметрами, работающими на принципекомпенсации изменений притяжения массы маятника гравиметра упругими силамизакрученной кварцевой нити, на которой подвешен этот маятник. Чувствительностьназемного кварцевого гравиметра к изменениям силы тяжести очень высока.Достаточно сказать, что он способен измерять с погрешностью 0,01 мГал(10-5см/с2). Следует заметить, что измерения с гравиметром носят “относительныйхарактер”, т.е. с этим прибором невозможно определить абсолютное значение силытяжести в пункте. Поэтому все точки гравиметрической съемки “привязываются” к“опорному пункту”, где абсолютное значение измерено другим способом, например,с помощью маятникового прибора.
Сравнение данных съемки возможнопри теоретической предпосылке, что все притягивающие массы сосредоточены внутрисфероида, для которого по формуле Клеро рассчитаны абсолютные значения силытяжести. Однако реально имеется множество масс, которые искажают теоретическоераспределение силы тяжести на сфероиде (рельеф, наличие гидросферы, имеющей меньшуюплотность, чем твердая Земля). Поэтому процесс измерения всегда сопровождаетсярасчетом и внесением определенных поправок (редукций) в измеренные значения. Ктаким редукциям относятся:
поправка на высоту, учитывающаяизменение расстояния до центра Земли; поправка приводит измеренное значение куровню моря, не учитывая массы пород, сосредоточенных между поверхностью измеренияи уровнем моря, она как бы переносит точку измерения вниз “по воздуху” в случаесуши или вверх “по воздуху” — в случае моря. Поэтому эта поправка носитназвание “поправка за “свободный воздух””, или редукция Фая. Она равна gф = ±0,3086×Н,где высота (глубина). Н измеряется в метрах. Знак (-) применяется для суши, азнак (+) — для моря;
поправка на влияние промежуточныхмасс, заключенных между уровнем, на который приводится измерение, и высотойточки измерения. Эта поправка носит название “поправки на влияниепромежуточного слоя”, или редукции Буге. В результате ее введения как быудаляется притяжение масс между уровнями измерения и приведения. Эта поправкарассчитывается по формуле: gб = ±2pfsH= ±0,0419 sH, т.е. полностью совпадает сформулой для оценки аномалии в результате присутствия плоского блока сконтрастной плотностью, которая приводилась выше. Смысл знака в этой формулетот же, что и для редукции Фая;
поправка на рельеф окружающейместности, учитывающая притяжение всех форм внешнего рельефа. Эта поправкапозволяет привести значение силы тяжести в данной точке к такому, которое былобы, если бы под точкой располагался ровный слой масс без выступов и впадин.Поправка на рельеф всегда уменьшает наблюденное значение силы тяжестинезависимо от того, находится ли вблизи исследуемой точки возвышенность иливпадина. Технически поправка на рельеф рассчитывается путем аппроксимации формрельефа серией призм или цилиндров, для которых рассчитывается аналитическисила тяжести при заданной плотности.
После внесения поправокформируется гравитационная аномалия Буге, которая для суши рассчитывается поформуле:
Dg= gн-go+gф-gб-gт,
где gн, go, gф, gб, gт, соответственно,наблюденное, абсолютное значения, поправки Фая, Буге и топографическая.
Расчет Dgпозволяет сравнивать измерения в разных условиях. Аномалии тесно связаны сраспределением плотностей. Положительные аномалии свидетельствуют о приближениик поверхности пород с повышенной по сравнению с окружающими плотностью, аотрицательные — о дефиците массы, т.е. о присутствии пород с пониженнойплотностью. Из формул для расчета величины аномалии видно, что количественнаяинтерпретация природы аномалии неоднозначна. Например, одна и та же величинааномалии может быть вызвана как большим контрастом плотности между аномальнымтелом и вмещающими породами, так и большей мощностью аномального тела присохранении того же контраста плотности. В связи с этим для решения прикладныхзадач гравиметрический метод чаще всего комплексируется с другими геофизическимиметодами.
В любой точки на поверхности иливнутри Земли, а также в окружающем ее пространстве действуют магнитные силы.Наша планета представляет собой гигантский магнит, но напряженность поля этогомагнита относительно невелика — около 0,01 А/м. Для сравнения можно указать,что искусственное поле электромагнитов достигает напряженности 10-20 А/м, а спомощью сверхпроводников удается достичь напряженности магнитного поля в1000-2000 А/м.
Внешнее магнитное поле Земли поформе силовых линий близко к полю диполя — элементарного бесконечно малогомагнита. Центр диполя Земли смещен относительно Северного и Южного полюсов,поэтому географические и магнитные полюса не совпадают. Северный магнитныйполюс расположен вблизи Южного географического полюса, и наоборот. Ось диполясмещена относительно оси вращения Земли на угол 11о26’, в связи с чем Южныймагнитный полюс располагается вблизи Северной Гренландии (74ос.ш.,100оз.д.), аСеверный — на северо-восточной оконечности Земли Королевы Виктории в Антарктиде(68ою.ш.,145ов.д.). Дипольный характер геомагнитного поля определяет еще однуего особенность. Вследствие замкнутого (от одного полюса до другого) характерасиловые линии геомагнитного поля образуют систему “магнитных ловушек” длязаряженных частиц, появляющихся в верхних слоях атмосферы под действиемсолнечного излучения. Таким образом возникли окружающие Землю пояса космическойрадиации, или зоны Ван-Аллена, заполненные ионами атмосферных газов иэлементарными частицами. Пояса космической радиации, обнаруженные в 1958 г.советскими учеными С.Н.Верновым и А.Е.Чудаковым и американским ученымД.Ван-Алленом, играют важную роль в формировании внешнего геомагнитного поля. Вчастности, они являются проводниками электромагнитных возмущений, возникающих вполярных областях. Одно из таких возмущений — полярные сияния, обусловленныесвечением газов в мезосфере, на высоте 80-150 км. Электромагнитные возмущенияпо поясам Ван-Аллена почти мгновенно (за доли секунды) передаются от однойвозбужденной полярной области к другой, чем обусловлены почти синхронныевспышки полярных сияний в Арктике и Антарктике.
Максимальная напряженностьгеомагнитного поля наблюдается на полюсах (0,008-0,009 А/м), а минимальная — наэкваторе (0,005 А/м). С удалением от поверхности Земли напряженность резкоубывает (пропорционально кубу расстояния). При этом между постояннымгеомагнитным полем и силовым полем межпланетной среды под действием солнечноговетра образуется нестабильная переходная зона.
Магнитное поле являетсявекторным, поэтому его интенсивность характеризуется не только напряженностью,но и положением в пространстве (рис.12). Во внешнем поле этот вектор Тнаправлен по касательной к магнитной силовой линии L и в вертикальной плоскостиможет быть разложен на горизонтальную Н и вертикальную z составляющие: />. Линияпересечения этой вертикальной плоскости с поверхностью геоида называетсямагнитным меридианом S, а угол, образуемый им с географическим меридианом N, — углом магнитного склонения D.
Угол отклонения вектора отгоризонтальной плоскости называется углом магнитного наклонения I и связан ссоставляющими вектора простым соотношением tg I = z/H. Распределениеинтенсивности геомагнитного поля изображают на картах, где равные значениянапряженности (T, z ,H) образуют изодинамы, равные углы магнитного склонения — изогоны, а равные углы магнитного наклонения — изоклины. Напряженность поля вцелом увеличивается по направлению к магнитным полюсам. Около географического экваторапроходит изодинама минимальной магнитной напряженности — динамический экватор,в пределах которого вертикальная составляющая z равна нулю.
Изоклины изменяются от нуля до90о. Они имеют тенденцию прослеживаться в широтном направлении подобнопараллелям. Нулевая изоклина называется магнитным экватором и проходит впределах Африки и Азии около 10ос.ш. и в пределах Южной Америки — около 15ою.ш.
/>
Рис.12. Элементы магнитного поляЗемли
а — участок поверхности Земли; в- вертикальная плоскость
Изогоны сходятся в магнитныхполюсах Земли. По форме они напоминают географические меридианы, а нулеваяизогона называется нулевым магнитным меридианом. Линия нулевого склоненияобразует петлю в Восточной Сибири и на Дальнем Востоке, где отмечается такжемаксимум напряженности поля. Такие отклонения получили название магнитныханомалий. Их размеры составляют тысячи км, поэтому ясно, что их природаобусловлена особенностями строения Земли в целом.
Многолетние наблюдения иизмерения составляющих магнитного поля установили его изменчивость во времени.Так, даже в течение суток отмечается периодическое, обычно достаточноправильное изменение параметров геомагнитного поля. Эти изменения обусловленысуточными изменениями положения земной поверхности относительно Солнца иназываются суточными вариациями геомагнитного поля. Эти вариации невелики,поэтому они измеряются специальной единицей измерения — гаммой (1g= 1,257×10-7 А/м).
Ультрафиолетовое солнечноеизлучение в течение светового дня оказывает ионизирующее воздействие на слоиионосферы. Перемещения масс ионов в ионосфере, связанные с приливнымвоздействием и конвекцией воздуха, приводят к появлению здесь электрическихтоков и локальных магнитных полей, деформирующих основное дипольное поле.Амплитуда вариаций в полярных областях больше, чем на экваторе; в среднихширотах в течение суток вертикальная составляющая меняется на 20-30g,а в полярных — до 200-300g, а склонение — на 10-15’.Деформация дипольного поля во время суточных вариаций настолько велика, чтоприводит даже к смещению положения магнитных полюсов. Величина таких смещений втечение суток достигает 100 км относительно среднего положения магнитногополюса.
Еще большую амплитуду имеютнепериодические изменения составляющих магнитного поля, обусловленные вспышкамисолнечной активности. Изменения в ионосфере, связанные с этими вспышками,приводят к значительным по амплитуде вариациям магнитного поля — до несколькихградусов по склонению и до тысяч гамм по напряженности. Эти непериодическиевариации поля часто сопровождаются полярными сияниями, ухудшением илипрекращением коротковолновой радиосвязи и называются магнитными бурями.
Механизм возникновения магнитныхбурь, по-видимому, определяется взаимодействием корпускулярного излученияСолнца с магнитным полем в околоземном пространстве. На удалении 100-200 тыс.кмот Земли поле настолько ослабевает, что становится соизмеримым по интенсивностис космическим магнитным полем; эта граница называется магнитопаузой, аограничиваемое ею околоземное пространство — магнитосферой.
Корпускулярное излучение Солнцасоздает солнечный ветер, являющийся источником космического магнитного поляинтенсивностью в несколько гамм. Во время вспышек солнечной активности интенсивностьсолнечного ветра возрастает; при встрече его с магнитосферой образуется ударнаяволна, деформирующая магнитные силовые линии. Отклоняясь под действиемизлучения Солнца, они образуют длинный шлейф, достигающий Луны, а магнитосфераприобретает асимметричную форму. Эти деформации магнитосферы и являютсяпричиной магнитных бурь, т.к. при этом над поверхностью планеты перемещаютсязначительные массы ионизированного газа. Изменение проводимости слоев ионосферыприводит к ухудшению их отражательной способности по отношению к радиоволнам иобщему ухудшению радиосвязи. Продолжительность магнитных бурь может достигатьнескольких суток.
Процессы в магнитосфере тесносвязаны с еще одним полем Земли — электрическим. По современным данным, у ионови элементарных частиц ионосферы преобладает положительный заряд. Это приводит кнакоплению в литосфере отрицательных зарядов, а перемещения заряженных частиц вионосфере индуцируют электрические токи в твердой оболочке Земли. В целомионосфера образует с поверхностью Земли сферический конденсатор, в которомионосфера обладает положительными, а литосфера отрицательными статическимиэлектрическими зарядами. Роль изолятора выполняют плотные слои атмосферы.Величина заряда этого конденсатора достаточно велика — напряженностьэлектрического поля в нижних слоях атмосферы составляет около 100 В/м, а вгрозовую погоду значительно больше.
Природа атмосферно-электрическогополя Земли, таким образом, связана с ионизацией верхних слоев атмосферы поддействием излучения Солнца. Переменный характер электрическому полю придают мощныевсплески солнечной активности при вспышках на поверхности Солнца. Этиотносительно кратковременные вспышки создают неоднородную ионизацию в атмосфереЗемли на высоте около 100-300 км, а перемещение электрических неоднородностейвысотными ветрами приводит к образованию переменного электромагнитного поля ватмосфере и земной коре.
Таким образом в литосферевозникают теллурические токи. Электроды, вкопанные в почву и соединенные самперметром, обычно регистрируют теллурические токи силой около 100 мА, а впериоды возмущений электромагнитного поля до 2,5 А. Средняя плотностьтеллурических токов 2 А/км2.
Кроме токов, обусловленныхсостоянием атмосферно-электрического конденсатора, в земной коре локальнораспространены постоянные и переменные электрические поля, вызванныеестественной циркуляцией минерализованных растворов, электрохимическимипроцессами на поверхностях горных пород и другими факторами.
Теллурические токи обычнообладают значительной изменчивостью, периодичность которой определяетсяактивностью процессов на Солнце и в ионосфере. В течение более продолжительныхинтервалов времени (десятки, сотни лет) также отмечается изменчивостьсоставляющих магнитного поля Земли. По результатам измерения магнитного склоненияи магнитного наклонения в Лондоне и Париже установлено, что за последние 350лет вариации достигают 30о по склонению и 10о по наклонению. Эти плавные изменениягеомагнитного поля по напряженности обычно не превышают десятков гамм иназываются вековыми вариациями. Их изучение в различных участках Землипозволило установить еще одну форму изменчивости геомагнитного поля. Так,выявлено, что его аномалии плавно перемещаются на запад примерно в широтномнаправлении. Это свойство геомагнитного поля называется западным дрейфом.Скорость дрейфа довольно значительная — около 0,18о в год. При этой скоростинаблюдаемое распределение аномалий магнитного поля совершит полный оборотвокруг Земли примерно за 1800 лет.
В отличие от суточных вариаций имагнитных бурь, которые связаны с излучением Солнца, вековые вариации изападный дрейф геомагнитного поля, очевидно, обусловлены глубинным источником,расположенным в недрах Земли. По подсчетам, с внешними источниками, основным изкоторых является Солнце, связано около 6% полного геомагнитного поля. На долювнутренних источников, природа которых, к сожалению, изучена недостаточно,приходится около 94% измеряемого магнитного поля Земли.
Интенсивность внутреннегоисточника можно оценить количественно по напряженности создаваемого им поля.Мерой интенсивности может служить магнитный момент, эквивалентный силе, которуюнеобходимо приложить к магниту, чтобы удержать его в положении,перпендикулярном к внешнему магнитному полю. По результатам вычислениймагнитного момента, проводимых с 1829 года, его значение постепенно уменьшаетсясо средней скоростью около 3,7×10-25 А/м2×год,или 0,04% в год. Если это уменьшение будет продолжаться еще 1200 лет, тогеомагнитное поле исчезнет.
Изменчивость магнитного поляЗемли — суточные и вековые вариации, западный дрейф — обусловливаютнеобходимость периодического повторения магнитных измерений и обновлениямагнитных карт, поэтому на картах составляющих геомагнитного поля обычно указангод, которому соответствует показание распределения поля.
Проблема происхождения магнитногополя относится к ряду сложных и до сих пор не решенных. Для объяснения природыземного магнетизма предложен ряд гипотез.
Ферромагнитная гипотеза. Порасчетам содержание ферромагнетиков в земной коре слишком мало для созданиягеомагнитного поля. Однако с глубиной содержание тяжелых металлов возрастает,особенно в ядре, которое состоит в основном из ферромагнетиков — железа иникеля. Наличие ферромагнетиков и шарообразная форма ядра являются исходнымипредпосылками гипотезы постоянного магнита. По этой гипотезе ядро Землипредставляет собой намагниченное тело, создающее магнитное поле дипольногохарактера[3]. Однако предположение онамагниченности ядра не согласуется с данными о его температуре, превышающейздесь 2000оС, что намного больше не только точки Кюри, при которой магнитныесвойства полностью исчезают, но и температуры плавления железа и никеля(соответственно, 1535 и 1453оС). Учитывая давление в ядре Земли, можнодопустить некоторое повышение точки Кюри, например, для железа до 780оС, но всеравно эта температура намного ниже реально существующих температур в ядре.Кроме того, доказано жидкое состояние внешнего ядра, в то время как постоянныемагниты в жидком состоянии неизвестны и существование их по теоретическимсоображениям невозможно. Ферромагнитная гипотеза не дает ответа на вопросы отом, какие факторы могли намагнитить ядро Земли[4], чем определяются вековые вариации и изменения полярности геомагнитного поля.
Электрические гипотезы. Внешнееядро, находясь в жидком состоянии, быстрее реагирует на приложенные к немусилы, чем твердые мантия и земная кора. Поэтому вековые вариации магнитногополя связываются в первую очередь именно с электромагнитными эффектами в ядре.Для создания наблюдаемого геомагнитного поля требуется существование электрическоготока порядка 109А. Электрический ток может возникнуть в результатетермоэлектрического эффекта, т.е. разности температур на “спаях” разнородныхметаллов. Такая ситуация может возникнуть на границе мантии и ядра, гдесуществуют участки с различной температурой. Однако в этой гипотезе неустановлено, достаточна ли сила термоэлектрического тока для образованиягеомагнитного поля, не объясняется формирование дипольного характера поля и другиеего особенности.
Более разработана (с участиемакад.Я.И.Френкеля) гипотеза динамо, основанная на магнитогидродинамике — электромагнетизме проводящей жидкости. Согласно этой гипотезе в ядре Земливозникают кольцевые электрические токи противоположного направления врезультате тепловой конвекции во внешнем ядре. В верхних слоях внешнего ядра врезультате трения о подошву мантии скорость конвекции снижается, а в нижнихслоях, на границе с субъядром, относительно увеличивается. Эти контрасты вскоростях течений приводят к образованию замкнутых тороидальных электрическихполей большой напряженности (около 5 В/м), которые вследствие своей формы невыходят за пределы ядра. Взаимодействие этих полей с конвективными потоками итечениями на поверхности ядра приводит к появлению в ядре кольцевых токовширотного направления и связанных с ними магнитных полей. Однако кориолисовасила вращения Земли приводит к усреднению этих полей и образованию суммарногополя, близкого к дипольному, с осью, приближающейся к оси вращения. Такимобразом, наблюдаемое геомагнитное поле является результирующим при сложениидвух неравных и противоположно направленных магнитных полей. Вариации конвективныхтечений являются причинами того, что одно из генерируемых полей доминирует (иопределяет полярность геомагнитного поля); вследствие изменения конвективныхпотоков доминирующее поле (и полярность) может меняться, с чем и связаныинверсии геомагнитного поля. Изменение скоростей течения на поверхности ядраспособно вызвать также миграцию полюсов результирующего поля, а общееотставание течения на поверхности ядра от вращения мантии объясняет западныйдрейф поля.
Приведенный принцип действияодной из моделей МГД-генератора предполагает самовозбуждение в ядре Земли — усиление слабого магнитного поля дипольного характера, необходимого для началаработы динамо. Таким начальным полем, по-видимому, могли служить слабыемагнитные поля термоэлектрического происхождения. Гипотеза динамо предполагаеттепловую конвекцию во внешнем ядре. Для объяснения причин возникновения иподдержания конвекции в ядре предложены два механизма: радиоактивный распад ивыделение энергии, сопровождающее рост субъядра: потенциальной (пригравитационной дифференциации) и скрытой (за счет фазового перехода вещества изжидкого в твердое состояние). Концентрация радиоэлементов в ядре очень низка (в1000 раз меньше, чем в земной коре), поэтому вклад этого механизматепловыделения оценивается как подчиненный.
Особенности магнитного иэлектрического (теллурического) полей Земли, а также различие магнитных иэлектрических свойств пород используется для практических целей — для поисковруд. Скопление руд тяжелых металлов: железа, титана, никеля и др.ферромагнетиков обусловливает повышение уровня магнитного поля и возникновениеаномалий. Крупная аномалия сопровождала месторождение железных руд на югеРоссии — Курскую магнитную аномалию (КМА). Обнаружение этой аномалии собственнои привело к открытию месторождения. В пределах КМА магнитная стрелкаотклоняется так резко, что ее “северный” конец часто указывает на запад, востоки даже юг, а напряженность магнитного поля достигает 0,01-0,03 А/м, что в 2-3раза выше общей напряженности геомагнитного поля. Протяженность этой аномалии иразмеры месторождения железистых кварцитов огромны — она протягивается на 600км с севера на юг и на 400 км с запада на восток. Однако такие обширные иинтенсивные аномалии встречаются очень редко. Чаще приходится иметь дело слокальными и небольшими по амплитуде аномалиями, сопровождающими те или иныеместорождения, генетически обусловленные магматическими породами. С помощью магнитнойсъемки хорошо выделяются кимберлитовые трубки, с которыми связаны месторожденияалмазов.
Регистрация электрических полейтакже помогает выявить месторождения некоторых руд. Например, хорошо выявляютсясульфидные залежи, в которых происходят процессы окисления, зоны циркуляции минерализованныхвод и др.
Геотермия дает важнейшуюколичественную информацию для понимания и моделирования геодинамическихпроцессов в геосферах и для оценки энергетики геолого-геофизических проявлений- в этом заключается фундаментальные аспекты изучения теплового поля. Но неменее важны и прикладные аспекты геотермических исследований. Они связаны, содной стороны, с оценкой геотермальных ресурсов для их использования вэнергетике, теплоснабжении, коммунальном и сельском хозяйстве, а с другой — сприменением геотермического метода поисков и разведки месторождений наконтинентах и на акваториях в комплексе с другимигеолого-геохимико-геофизическими методами.
Тепловое поле Земли первым изгеофизических полей привлекло внимание человека. Самые бурные проявлениятермической активности — извержения вулканов — сыграли важную роль вформировании религиозных мифологических представлений о строении мира. Другаяформа геотермальной активности — горячие источники — с незапамятных времениспользовались человеком для хозяйственных бытовых нужд. Таким образом,тепловое поле Земли оказалось первым объектом практического использования,по-видимому, опередив даже использование геомагнитного поля, выразившееся визобретении компаса китайскими мореплавателями.
Но и предметом научныхисследований тепловое поле Земли тоже стало раньше всех других полей. Началомэтой стадии можно считать наблюдения за извержением Везувия в 73 г. до н.э.Плиния-Старшего, погибшего при этом и ставшего первой в истории жертвойнаучного энтузиазма. Но возможно, что начало этого этапа следует отодвинуть ещедальше, в третий век до н.э., когда великий философ Эмпедокл, уединившись,поселился на склоне Этны, в башне, которая впоследствии была названа«Торре дель Философо» (Башня философа). Много веков спустя на этомместе была создана одна из итальянских вулканологических обсерваторий; этотфакт характеризует преемственность науки.
Количественные методы в геотермиюбыли введены после изобретения Г.Галилеем термометра в начале XVII века. Ужепервые измерения температуры, проведенные в шахтах и рудниках, показали, чтотемпература на глубоких горизонтах весь год неизменна и что она увеличивается сглубиной. На это своеобразие теплового режима шахт обращали внимание английскийфизик Р.Бойль и М.В.Ломоносов. В своем трактате «О вольном движениивоздуха, в рудниках примеченном» М.В.Ломоносов писал: "… Воздух в рудникахво всякое время целого года сохраняет равное растворение"(т.е.температуру).
Факт роста температуры с глубинойдал основание для разработки научных космогонических гипотез, первой из которыхявилась атеистическая гипотеза Канта-Лапласа. Согласно этой гипотезе историяпланеты представлялась как ее остывание из первоначально расплавленногосостояния. Как показали позднейшие расчеты, теплосодержание расплавленной Землидолжно было составлять около 3·1031Дж. Впоследствии эта гипотеза вошла впротиворечие с другими астрономическими и геологическими фактами и в том числес геохимическими данными о возрасте Земли, который оказался значительно большевремени, необходимого для остывания земного шара.
В 1868 г. по инициативеанглийского физика У.Томсона (лорда Кельвина) измерения температур в скважинах,шахтах и рудниках были систематизированы, что позволило сделать вывод о том,что на каждые 100 м температура возрастает на 2,5°-3,5°С. Одновременновыяснилась необходимость углубленного изучения теоретических вопросов геотермии- природы внутриземного тепла, термической эволюции Земли, глубинного тепловогопотока, условий формирования гидротерм.
В Земле существует нескольковидов теплопередачи, так как ее оболочки имеют различную температуру, фазовоесостояние и химический состав.
В ядре, состоящем из окисловжелеза, может существовать металлическая проводимость, для которой выполняетсязакон Видемана-Франса о прямой пропорциональности между теплопроводностью (k) иэлектропроводностью (s):
k = B(b/e)2·T·s,
где b — постоянная Больцмана; е — заряд электрона; Т — температура; В — постоянная, равная 2,5 для полупроводникови 3 — для металлов. Таким образом, теплопроводность ядра может быть вычисленана основании данных об его электропроводности. Сложнее обстоит дело свычислением теплопроводности силикатной оболочки Земли. Здесь уже не применимзакон Видемана-Франса, а теплопроводность сложным образом зависит оттемпературы, давления и химического состава. Для литосферы основную роль играетрешеточная часть теплопроводности.
Теория решеточной (фононной)теплопроводности кристаллических диэлектриков развита в трудах Дебая (1914),Пайерлса (1956), Лейбфрида (1954), Померанчука (1944). Согласно этой теориитеплопроводность обратно пропорциональна температуре. Теплопроводностьрассматривается как распространение энергии за счет колебаний атомов вкристаллических решетках. Так, по Дебаю, в кристаллах с конечными размерамисуществует конечное число нормальных колебаний. Энергия каждого нормальногоколебания не может быть произвольной, она должна определяться целым числомквантов, или фононов. При этом процесс теплопередачи можно рассматривать какобмен энергиями в «фононном газе». Теплопроводность тогдапропорциональна длине свободного пробега фононов и их скорости. В реальныхкристаллах фононы рассеиваются посредством различных механизмов. В частности,при высоких температурах рассеивание происходит преимущественно на другомфононе. Наиболее существенны процессы обмена энергией между тремя фононами:один фонон аннигилирует и рождаются два других, либо два фонона исчезают ирождается третий. Есть два типа трехфононных процессов: нормальные(N-процессы), в которых импульс сохраняется, и процессы переброса (U-процессы),в которых импульс не сохраняется. Первые не дают непосредственного вклада втеплосопротивление, но меняют распределение фононов, тогда как вторые действительноограничивают и определяют теплопроводность в идеальном неметаллическомкристалле.
В теории введено понятиедебаевской температуры (ТD), которая разделяет интервалы высокотемпературногоповедения параметров от низкотемпературного. Для горных пород ТD составляет900-600°С. Температура порядка 600°С достигается в Земле на глубинах 30-50 км.Следовательно, изменение поведения фононной теплопроводности в зависимости оттемпературы приурочено к самому верхнему слою литосферы. При высокихтемпературах (T>>TD) теплопроводность пропорциональна (1/Т). С понижениемтемпературы (T
По экспериментальным данным,полученным для интервала температур от 20° до 700°С(Ф.Берч, К.Кавада), можно отметить, что для большинства пород теплопроводностьубывает с температурой почти как 1/Т; при эксперименте породы были приведены куровню нулевой пористости, так как пористость и влагонасыщенность очень влияютна теплопроводность.
Причина уменьшения фононнойтеплопроводности с ростом температуры при Т>TD заключается в том, чторешеточное рассеивание фононов тем больше, чем больше максимальные смещенияатомов от их средних положений в кристаллической решетке. Это объясняет, вчастности, тот факт, что теплопроводность тел, состоящих из относительно легкихатомов, больше теплопроводности тел с тяжелыми атомами, слабо между собойсвязанными.
Все приведенные рассуждениясделаны для бездефектных кристаллов. Различные дефекты (точечные, примесные,изотопические), а также границы в поликристаллических телах могут служитьдополнительными источниками рассеивания фононов, т.е. уменьшениемтеплопроводности. При высоких температурах дефектами можно пренебречь, так какопределяющим является рассеивание фононов процессами переброса. Но приуменьшении температур, когда влияние процессов переброса быстро падает, заметносказываются дефекты.
В заключение рассуждений орешеточной теплопроводности приведем эмпирически полученные соотношения длябазальтов, связывающие теплопроводность и температуру:
k » 3,1/T приТ>573 K и
k » 1,15/T приТ
При высоких температурах в недрахЗемли (>1200°C) становятся существенными двадругих механизма теплопередачи: радиационный и экситонный. Радиационныйтеплоперенос связан с лучистым теплообменом, т.е. с передачей энергииэлектромагнитными колебаниями. Радиационная теплопроводность ничтожно мала наглубинах до 100-200 км и становится сравнимой с фононной теплопроводностью набольших глубинах, превосходя даже ее в верхней мантии, но убывая в нижнеймантии из-за роста коэффициента поглощения излучения веществом.
Экситонная теплопроводность (потермину «экситон», т.е. квант возбуждения) связана с возбуждениемэлектрона и «дырки» при поглощении кванта энергии, который превышаетэнергию связи. Экситонная теплопроводность, так же как и радиационная,пренебрежимо мала при относительно невысоких температурах, т.е. в литосфере. Нона глубинах более 500 км экситонная составляющая даже превышает радиационную ибыстрее растет с глубиной.
Еще раз отметим, что впрактических задачах нам важно знать фононную теплопроводность пород. Два жедругих вида теплопроводности нельзя игнорировать при исследовании тепловогосостояния и термической истории Земли как планеты.
Говоря о механизмахтеплопередачи, необходимо изучить такой важный для Земли процесс, как конвекция,т.е. перенос тепла самим теплоносителем. Применительно к Земле теплоносителямиявляются вода, пар, магма и магматические растворы. Эти теплоносители, обладаябольшой теплоемкостью, при своем движении перераспределяют глубинный тепловойпоток, создавая положительные и отрицательные аномалии температуры и тепловогопотока. Если теплоперенос теплопроводностью происходит повсеместно, гдесуществует температурный градиент, то перенос конвекцией осуществляется толькотам, где имеются условия для движения теплоносителей. Очевидно, что наиболееинтенсивно конвекция происходит в активно развивающихся геологическихструктурах, где проявляются разломная тектоника, вулканизм и гидротермальнаядеятельность. Но даже в стабильных тектонических блоках необходимо учитыватьконвективный теплоперенос в верхней активной гидродинамической зоне.
К сожалению, геотермическое поленевозможно охарактеризовать только лишь температурой недр из-за того, чтотемпература зависит от глубины измерений, а также часто и от широты местности.Для того, чтобы нормировать температуру по глубине, введено понятиегеотермического градиента (grad T). Геотермический градиент является векторнойвеличиной и определяется из выражения:
grad T = i dT/dx + jdT/dy + k dT/dz.
Плотность теплового потока (или,как часто называют, «тепловой поток») — это самая информативнаягеотермическая характеристика, так как он характеризует мощность тепловогоисточника и величину теплопотерь с поверхности Земли. Тепловой потоккоррелирует с параметрами других геофизических полей, которые такжехарактеризуют источник соответствующих полей, например, с величинамигравитационных (Dg) и магнитных (DT)аномалий, что объясняется сходными генетическими факторами, формирующими этианомалии. Для определения теплового потока традиционно используется методраздельного измерения геотермического градиента и теплопроводности. Тепловойпоток определяется как произведение этих величин:
q = -k (idT/dx + jdT/dy +kdT/dz).
Тепловой поток на континентахизмеряется в буровых скважинах, которые, во-первых, пригодны для измерений посвоему техническому состоянию, а во-вторых, находились «в состояниипокоя» после окончания бурения по крайней мере 30-50 дней. За это времятепловые возмущения, вызванные процессами бурения и промывки, в основномрассеиваются, и температура бурового раствора становится близкой к температуреокружающих пород.
Подавляющее большинство измеренийтеплового потока на континентах и в океанах, полученных к настоящему времени (аэто более 30 тыс. пунктов), выполнено с помощью «раздельнойметодики», т.е. измерений геотермического градиента и коэффициентатеплопроводности. Этот метод, несмотря на два источника погрешностей, являетсянаиболее методически разработанным, а потому и наиболее точным.
В районах с высокими тепловымипотоками, например в вулканических областях, делались попытки прямых измеренийтеплового потока с помощью тепломеров. К сожалению, их низкая чувствительностьне позволяет использовать тепломеры в областях со средними и низкими тепловымипотоками.
Поведение физических полей Земли(гравитационного, магнитного, теплового и др.) определяется физическимисвойствами горных пород (плотностью, намагниченностью, теплопроводностью,упругостью и пр.), которые зависят от их минералогического состава, от давленияи температуры. Роль двух последних факторов неодинакова. Давление на одних итех же глубинах практически остается постоянным, а температура значительноизменяется в зависимости от величины теплогенерации и теплового потока. Внекоторых районах колебания температур могут оказывать определяющее влияние наповедение физических параметров и, следовательно, на характер физических полей.Особенно чувствительны к изменению температур электропроводность инамагниченность.
Таким образом, междураспределением тепловых потоков и другими геофизическими полями должнысуществовать достаточно тесные связи. Они основываются, с одной стороны, начувствительности этих полей к колебаниям физических параметров горных пород,которые определяются их литолого-петрографическими особенностями,минералогическим составом и характером залегания, а с другой — на зависимостиэтих параметров от температуры, изменяющейся в соответствии с величинойтеплового потока.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
На какие слои разделяетсяатмосфера? Каково распределение температур в каждом из этих слоев?
Какое значение имеет атмосферадля жизни на Земле и для происходящих на планете процессов? Охрана атмосферы.
Какова роль биосферы? Охранабиосферы.
Основные характеристикигидросферы. Как классифицируется Мировой океан по структурно-морфологическимзонам? Дайте характеристики шельфа, континентального склона, абиссальныхкотловин и глубоководных впадин.
Что такое дивергентные иконвергентные океанические зоны? Каково происхождение срединно-океаническиххребтов и переходных зон от океана к континенту?
Каково распределение температуры,давления и солености в толще морской воды?
Каково значение океана длячеловека? Сохранение экологического равновесия в океане.
Каковы характеристики твердыхземных оболочек? Какова мощность отдельных геосфер? В чем состоит отличиеконтинентальной от океанической коры?
Что такое “литосфера” и“астеносфера”?
На какие слои делится мантия? Какведет себя скорость сейсмических волн в каждом из этих слоев?
Какова особенность внешнего ядрапо сравнению с внутренним и субъядром? Какими данными доказывается этаособенность?
Как изменяются плотности искорости сейсмических волн в Земле?
Методы планетарной геофизики.Какие геофизические поля они исследуют?
Метод сейсмометрии, его методикаи типы изучаемых сейсмических волн.
Гравиметрический метод. Что такоередукции поля силы тяжести?
Магнитное поле Земли — егопроисхождение и вариации.
Что такое “теллурические токи”,их происхождение.
Что изучает геотермия? Основныепараметры теплового поля Земли. Источники глубинного тепла.
Природа и источники крупнейшихгеофизических проявлений: вулканизм, сейсмичность (в том числе цунами),гидротермальная деятельность, торнадо
Крупнейшие геофизическиекатастрофы, связанные с многочисленными жертвами и разрушениями, вызываются врезультате сейсмической активности литосферы, которая чаще всего проявляется ввиде землетрясений. Землетрясением называется сотрясение земной коры, вызванноеестественными причинами. Они проявляются в виде подземных толчков, частосопровождаются подземным гулом, волнообразными колебаниями почвы, образованиемтрещин, разрушением зданий, дорог и, что самое печальное, человеческимижертвами. Землетрясения играют заметную роль в жизни планеты. Ежегодно на Землерегистрируется свыше 1 млн. подземных толчков, что составляет в среднем около120 толчков в час или два в минуту. Можно сказать, что земля находится всостоянии постоянного содрогания. К счастью, немногие из них бываютразрушительными и катастрофическими. В год происходит в среднем одно катастрофическоеземлетрясение и 100 разрушительных.
Сильные землетрясения происходятдовольно редко. Из катастрофических землетрясений по разрушительной силенаиболее известны Лиссабонское (1755 г.), Калифорнийское (1906 г.), Тайваньское(1923 г.), Мессинское (1908 г.), Ганьсуйское (1920 г.), Токийское (1923 г.),Иранское (1935 г.), Чилийское (1939 и 1960 г.г.), Агадирское (1960 г.),Мексиканское (1975 г.) землетрясения. На территории стран СНГ к наиболеезначительным следует отнести Ашхабадское (1948 г.), Ташкентское (1966 г.),Газлинское (1976 г.), Спитакское (1986 г.), Нефтегорское (1995 г.)землетрясения.
Масштабы разрушений при крупныхземлетрясениях огромны. В земной коре возникают крупные дизъюнктивныедислокации. Так, при катастрофическом землетрясении 4 декабря 1957 г. вМонгольском Алтае возник разлом Богдо длиной около 270 км, а общая длинаобразовавшихся разломов достигла 850 км. Вот только часть из многочисленныхпоследствий землетрясений.
Повреждение построек:
трескаются, рассыпаются илиопрокидываются домовые трубы,
трескаются стены; сырцовые идругие кирпичные стены теряют прочность и падают
обрушиваются крыши
падают выступающие части зданий(карнизы, парапеты)
падают внутренние полки и шкафы,содержимое вываливается,
здания раскалываются на части ипадают,
падают и разрушаются водонапорныебашни и нефтехранилища,
обрушиваются мосты, колонны иэстакады,
становятся неровными, изгибаютсяи разрушаются шоссейные и железные дороги,
рвутся телефонные провода икабели; выходят из строя линии электропередачи,
начинаются пожары,
разрываются водопроводные трубы,нефте- и газопроводы, трубы канализационной системы.
Геологические последствия:
на грунте появляются трещины,иногда зияющие,
возникают воздушные, водяные,грязевые или песчаные фонтаны; при этом образуются скопления глины или грудыпеска,
прекращают или изменяют своедействие некоторые родники и гейзеры; возникают новые,
грунтовые воды становятся мутными(взбаламучиваются),
возникают оползни, грязевые иселевые потоки, обвалы; происходит разжижение почвы и песчано-глинистых пород,
происходит подводное оползание иобразуются мутьевые (турбидитные) потоки,
обрушиваются береговые утесы,берега рек, насыпные участки,
возникают сейсмические морскиеволны (цунами),
срываются снежные лавины; отшельфовых ледников отрываются айсберги,
образуются зоны нарушенийрифтового характера с внутренними грядами и подпруженными озерами,
грунт становится неровным сучастками просадки и вспучивания,
на озерах возникают сейши(стоячие волны и взбалтывание волн у берегов); нарушается режим приливов иотливов,
активизируется вулканическая игидротермальная деятельность.
Землетрясения — это социальноеявление, т.к. им подвержено более 10% суши, на которой проживает половиначеловечества. Землетрясения остаются наиболее губительными из природныхкатастроф — наиболее крупные из них уносят сотни тысяч жизней и оставляют следыразрушительной деятельности на тысячах км2. Из исторических данных известно,что при землетрясении 1556 г. в Шаньси погибло 830 тысяч человек; уже в наши дни,28 июля 1976 г. в результате катастрофического землетрясения был разрушенг.Таньшань (в 150 км к востоку от Пекина), при этом погибло 655 тыс. человек.
Землетрясения вызываютсявнезапными, быстрыми смещениями крыльев существующих или вновь образующихсятектонических разломов; напряжения, которые при этом возникают, способныпередаваться на большие расстояния. Возникновение землетрясений на крупныхразломах происходит при длительном смещении в противоположные сторонытектонических блоков или плит, контактирующих по разлому. При этом силысцепления удерживают крылья разлома от проскальзывания, и зона разломаиспытывает постепенно возрастающую сдвиговую деформацию. При достижении еюнекоторого предела происходит “вспарывание” разлома и смещение его крыльев.Землетрясения на вновь образующихся разломах рассматриваются как результатзакономерного развития систем взаимодействующих трещин, объединяющихся в зонуповышенной концентрации разрывов, в которой формируется магистральный разрыв,сопровождающийся землетрясением. Объем среды, где снимается часть тектоническихнапряжений и высвобождается некоторая доля накопленной потенциальной энергиидеформации, называется очагом землетрясения. Количество энергии, выделяющеесяпри одном землетрясении, зависит главным образом от размеров сдвинувшейся поверхностиразлома. Максимально известная длина разломов, вспарывающихся приземлетрясении, находится в диапазоне 500-1000 км (Камчатское — 1952, Чилийское- 1960 и др.), крылья разломов смещались при этом в стороны до 10 м. Пространственнаяориентация разлома и направление смещения его крыльев получили названиемеханизма очага землетрясения.
Центр возникновенияземлетрясения, т.е. то место, где началось “вспарывание” разлома, называетсяего фокусом или гипоцентром. Расчеты параметров гипоцентра реальныхземлетрясений показывают, что в первом приближении очаг представляет собойсферу, радиус которой может измеряться десятками км. Таким образом, обычно очагземлетрясения не точка, а некоторый объем, размер которого для сильных землетрясенийзначителен.
В очагах землетрясенийвозбуждаются упругие продольные Р и поперечные S сейсмические волны,распространяющиеся во все стороны. Характер их распространения достаточносложен и определяется особенностями внутреннего строения Земли. Точка наповерхности, расположенная на кратчайшем расстоянии от очага, называетсяэпицентром, а точка, наиболее удаленная от очага — антиэпицентром. Максимальнойразрушительной силы землетрясение достигает в эпицентре, по мере удаления отэпицентра сила его убывает.
Линии равных значений силыземлетрясения называются изосейстами, а зона, окружающая эпицентр иограниченная изосейстой максимального значения, называется плейстосейстовойобластью. Форма этой области целиком определяется геологическими условиями районаэпицентра. Обычно форма плейстосейстовой области в горных районах простираетсявдоль основного простирания горной цепи, хотя и бывают исключения из этогоправила.
Для энергетической классификацииземлетрясений на практике пользуются его магнитудой (М или m). Под магнитудой(иногда неправильно называемой интенсивностью землетрясения по шкале Рихтера)понимается логарифм отношения максимального смещения земной поверхности в волнеданного типа или максимальной скорости смещения к аналогичной величине дляземлетрясения, магнитуда которого условно принята равной нулю. Классификацияземлетрясений по магнитуде введена в 1935 г. американским сейсмологомЧ.Рихтером применительно к территории Калифорнии. В начале 40-х годов онаприменена Б.Гутенбергом и Рихтером для энергетической классификацииземлетрясений всего мира. Для расчета М используется эмпирический законизменения максимальной амплитуды сейсмической волны (А) или скорости колебаний(А/Т) с эпицентральным расстоянием (D), т.е. расстоянием до эпицентраземлетрясения — это так называемая калибровочная функция s(D):М = lgA+sA(D) или М = lg(A/T)+sA/T(D),где Т — период волны. Максимально известное значение М приближается к 9,0. Загод на земном шаре в среднем происходит по одному землетрясению с М ³8,0; десять землетрясений с М=7,0-7,9; 100 — с М=6,0-6,9; 1000 — с М=5,0-5,9;10000 — с М=4,0-4,9. На территории СНГ магнитуда, например Камчатского-1952землетрясения составила 8,5, Кеминского-1911 — 8,2, Ашхабадского-1948 — 7,3,Газлинского-1984 — 7,2, Спитакского-1986 — 6,9, Дагестанского-1970 — 6,6,Андижанского-1902 — 6,4, Ленинаканского-1926 — 5,7, Ташкентского-1966 — 5,1,Эстонского-1976 — 4,3.
Для перехода от магнитудыземлетрясения к энергии (Е) сейсмических волн обычно пользуются соотношением:lgE = 11,8 + 1,5×M. В пределах бывшего СССР дляклассификации землетрясений на близких расстояниях широко применяют шкалуэнергетических классов (К). В большинстве случаев под классом понимаетсялогарифм энергии (в Дж) сейсмических волн, прошедших через окружающую очагземлетрясения референц-сферу радиусом 10 км (в таком понимании класспредставляет собой разновидность магнитуды). Значения К определяются с помощьюспециальной номограммы по сумме амплитуд волн Р и S.
Сила землетрясения по еепроявлениях на поверхности Земли обычно оценивается в баллах по 10- или12-балльной шкале. С 1952 г. в СССР принята 12-балльная сейсмическая шкала,характеристики которой приведены в табл.5.
Шкала интенсивности землетрясений
Таблица 5Балл Краткая характеристика (по С.В.Медведеву) I Колебания почвы отмечаются приборами II Ощущаются в отдельных случаях людьми, находящимися в спокойном состоянии III Колебания ощущаются немногими людьми IV Колебания ощущаются многими людьми. Возможно дребезжание стекол V Качание висячих предметов. Многие спящие просыпаются VI Легкие повреждения в зданиях VII Трещины в штукатурке и откалывание отдельных кусков, тонкие трещины в стенах VIII Большие трещины в стенах, падение карнизов, дымовых труб IX В некоторых зданиях обвалы — обрушение стен, перекрытий, кровли X Обвалы во многих зданиях. Трещины в грунтах шириной до 1 м XI Многочисленные трещины на поверхности Земли, большие обвалы в горах XII Полное разрушение. Волны на поверхности грунта. Значительные изменения рельефа
Сопоставление 12- и 10-балльнойшкал
Таблица 6I II III IV V VI VII VIII IX X I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> />
В табл.6 приведено соотношениемежду 12-балльной шкалой Меркалли, принятой в нашей стране, и 10-балльнойшкалой Росси-Фореля.
Первоначально шкалы были сугубоописательными, но позже было выявлено, что номер балла коррелируется соскоростью движения грунта, либо с его ускорением или смещением. При сильныхземлетрясениях максимальные ускорения могут превышать ускорение свободногопадения; например 1,4g во время Газлинского землетрясения (9-10 баллов, 1976).Специальные сейсмические шкалы для горных выработок не разработаны, ноориентировочно можно считать, что землетрясения ощущаются под землей на 1 баллслабее, чем на поверхности. Например, по наблюдениям в скважинах в районе Токиоамплитуда колебаний с частотой 10-20 Гц на глубине 3510 м ослабевала на 60 дБпо сравнению с колебаниями у устья скважины.
При изучении поверхностногоэффекта землетрясения оконтуривают зоны одинаковой балльности. Разграничивающиеих линии называются изосейстами. По скорости спада интенсивности с расстояниемможно оценить глубину очага. Соотношение между макс. интенсивностьюземлетрясения (Io) и его магнитудой зависит от глубины очага h и в среднем дляконтинентальных зон может быть представлено соотношением:
Io=1,5M-3,51gh+3,0.
При заданных площади, срокенаблюдений и диапазоне магнитуд число землетрясений является показательнойфункцией магнитуды, график которой в логарифмическом масштабе известен какграфик повторяемости и иногда используется для сопоставления уровнясейсмичности разломных зон. Модель реального сейсмического процесса должнаучитывать элементы как случайности, так и периодичности, что иногда наблюдаетсяв некоторых районах. Например, для Курило-Камчатской и соседних островных дугизвестно, что усиление сейсмичности происходит каждые 5,5 лет в каждом изблоков всей цепи островных дуг. Наиболее интересную форму эти представленияполучили в виде теории сейсмических брешей, предложенной для Тихоокеанскогосейсмического кольца. Те места, где в ХХ в. не отмечались сильные землетрясения,рассматриваются как наиболее вероятные для возникновения сильных землетрясенийв ближайшее время.
Сейсмический процессхарактеризуется также группированием землетрясений. Частными случаямигруппирования являются: рой землетрясений; главное землетрясение с последующимитолчками (афтершоками); главное землетрясение с предшествующими толчками(форшоками). Рой землетрясений — это группа (иногда очень многочисленная)мелкофокусных толчков, частота и магнитуда которых в течение определенногосрока слабо меняются со временем. Самые сильные толчки распределены внутри рояслучайным образом. Афтершоками, число которых может быть очень велико,сопровождаются, как правило, все более или менее сильные землетрясения.Сильнейшие афтершоки могут сопровождаться своими вторичными сериями последующихтолчков. Магнитуда сильнейшего афтершока статистически на 1,2 меньше магнитудыосновного толчка. Число последующих толчков быстро убывает с глубиной очага землетрясения(глубокофокусные землетрясения афтершоками практически не сопровождаются). Вограниченных зонах перед сильными землетрясениями возникают предваряющие толчки- форшоки. Их появление на фоне длительного “сейсмического молчания” позволяетсвоевременно предпринять меры предосторожности.
Для регистрации и изученияземлетрясений во многих странах существует сеть станций непрерывного слеженияза сейсмическим состоянием Земли (или, как мы теперь называем, станцийсейсмического мониторинга и прогнозирования). На станциях размещаютсявысокоточные приборы — сейсмографы, регистрирующие малейшие колебания земнойповерхности, а также комплекс прогностических методов для предсказанияземлетрясений с помощью различных его “предвестников”.
Сейсмограф — это очень древнийприбор (из геофизической аппаратуры древнее его только компас). Первыйсейсмограф был изготовлен в Китае во II веке нашей эры. Несколько остроумныхконструкций было предложено в Западной Европе в XVIII и в начале XIX в., нодействительно эффективные записывающие приборы были изобретены только 50-100лет назад, а в последние десятилетия они были значительно усовершенствованы.
Сейсмограф представляет собойколебательную систему, предназначенную для измерения и записи сейсмическихдвижений. Колеблющийся элемент должен быть прочно прикреплен к твердомуоснованию, так чтобы он двигался вместе с грунтом. Обычно этот элементдемпфируется, т.е. амплитуда его колебаний ограничивается и гасится.
Конструкции разных сейсмографов взначительной степени различаются. В одних используется горизонтальноподвешенный маятник, в других — обратный маятник, установленный на пружинкахвертикально. Период собственных колебаний маятника зависит от его массы,демпфированности, чувствительности подвески и эти параметры могут меняться вшироких пределах. Это используется на сейсмостанциях, так как одним и тем жесейсмографом невозможно записать легкий промышленный “сейсмический шум” исильное землетрясение, при котором очень чувствительный и слабо демпфированныйсейсмограф просто “зашкалит”.
В записывающем устройствеиспользуются механические, оптические, электромагнитные элементы или ихкомбинации. Их назначение — передать колебания на бумагу самописца, намагнитную ленту или на магнитный диск компьютера. Амплитуда так называемого“промышленного шума” во много раз ниже, чем амплитуда даже самого слабогоземлетрясения. Поэтому появление первых же толчков — форшоков хорошо заметно насамописце или на дисплее компьютера. Достаточно большое усиление сейсмографовпозволяет “разогнать” амплитуду колебаний грунта до визуально заметных величин.Обычная величина усиления в сейсмическом регистрационном канале — десятки-сотнитысяч раз по сравнению с реальной амплитудой колебаний грунта. Хотя возможностиувеличения превышают величину 4-5 млн. раз, но “промышленный шум” накладываетограничение на повышение усиления.
Очень важна точная, до долейсекунды, регистрация времени; поэтому на сейсмограммах записываются такжесигналы времени, передаваемые по радиоканалу из метрологических обсерваторий (Палатточного времени).
В последние годы аппаратурасущественно усовершенствовалась в связи с появлением лазерной техники имощнейших компьютерных комплексов. В областях активной сейсмичности частоустанавливаются лазерные дальномеры на противоположных сторонах крупныхразломных зон. Это делается для того, чтобы обнаружить малейший крип илиподвижку склонов. Сейсмографы часто группируются, и создаются региональные сетистандартизованных сейсмографов, таких, как созданная под эгидой США и КанадыВсемирная сеть стандартных сейсмографов (WWSSN). В шт. Калифорния, подверженномчастым землетрясениям, имеется собственная сеть сейсмографов.
Сейсмические морские волны — цунами, иногда ошибочно называемые “приливными” волнами, часто сопровождаюткрупные землетрясения, происходящие в районах морского или океаническогопобережья. Они возникают тогда, когда энергия землетрясения передается какморскому дну, так и воде. Волны цунами характеризуются высокой скоростью ибольшой длиной, однако в открытом море их высота не бывает больше первыхметров. С корабля в море редко можно заметить прохождение таких волн. Однако,когда эти волны выходят на мелководье, они могут стать весьма разрушительными.Высота каждой волны достигает там многих метров, потому что длина волны уменьшаетсяиз-за близости дна, как и в случае обычных волн. Соответственно энергия воды,имевшей большую глубину, концентрируется в коротком вертикальном интервале.
Цунами много раз приносилиопустошение прибрежным районам. После Лиссабонского землетрясения 1755 г.высокие волны сначала осушили бухту, потом выплеснулись на берег примерно накилометр, а потом смыли в море корабли, дома, мосты и людей, т.е. все, чтопопадалось на их пути. Цунами, возникшее в районе Алеутских островов,уничтожило 1 апреля 1946 г. маяк на мысе Датч (Аляска), расположенный на 15 мвыше уровня моря. Волна проделала путь 3800 км к Гавайским островам со среднейскоростью 780 км/ч. В открытом море волны имели длину 150 км. У берега ихвысота достигала 3-6 м. В узких заливах она вздыбливалась до отметок 10-15 мнад уровнем моря. Преобразившись в движущиеся стены воды, эти волны нанеслитяжелые повреждения домам, шоссейным и железным дорогам, мостам, пристаням,волнорезам, судам и были причиной гибели 160 человек. Общий материальный ущербна Гавайях оценивался в 25 млн. долларов (в ценах 1946 г.). Волна достигла иберегов Калифорнии, где ее высота составляла до 4 м. После этой трагедии былаорганизована Международная система предупреждения о движении волн цунами, стем, чтобы сообщать в населенные пункты о грозящей им опасности.
Гигантские морские волны,возникшие у побережья Чили во время землетрясения 1960 г., достигли Гавайев,пройдя 11000 км приблизительно за 15 часов (скорость — 730 км/час). Мореограф вХило на Гавайских островах попеременно отмечал подъем и падение уровня воды,происходившее примерно с 30-минутным интервалом. Несмотря на предупреждение,эти волны в Хило и других местах Гавайских островов стали причиной гибели 60человек и нанесли ущерб в 75 млн. долларов. Еще через 8 ч волны достиглиЯпонии, в очередной раз разрушив там портовые сооружения; при этом погибли 180человек. Жертвы и разрушения имелись также на Филиппинах, в Нов. Зеландии и вдругих частях Тихоокеанского кольца.
Рассмотрим меры защиты отземлетрясений.
Когда в густонаселенной местностипроисходит сильный подземный толчок, многие здания получают повреждения илиразваливаются. Главная причина этого — низкое качество построек. Разрушительноевоздействие землетрясений связано с неустойчивостью грунта, с использованиемсырцового кирпича или непрочной каменной кладки, что приводит к падению крыш ипечных труб, растрескиванию фундаментов и стен.
Потенциально опасны тяжелыевыступающие части домов, стенки парапетов и ненужные лепные украшения. Стараяизвестка, незакрепленная кровля и стропила, лишенные элементов жесткостилифтовые шахты и каркасы, неукрепленные лестничные колодцы и общие стенысмежных домов разного размера — все это также представляет опасность. Придифференцированных движениях рвутся подземные трубопроводы всех видов.
Чтобы свести к минимуму возможныеповреждения, строители должны учитывать все геологические факторы, определяющиеустойчивость здания. Скальные породы — идеальное основание для крупных сооружений.Следует избегать строительства на слабых грунтах, крутых склонах, насыпныхземлях. Нежелательно также возводить здания на морских утесах, на обрывистыхберегах рек, вблизи глубоких котлованов и на участках с высоким уровнемгрунтовых вод в рыхлых осадочных породах.
При строительстве мостов ивысоких зданий необходимо обращать особое внимание на их вес, устойчивость поотношению к горизонтальным силам и на внутреннюю уравновешенность. Доказано,что железобетонные здания сравнительно устойчивы, однако деревянные, стальные иукрепленные каменные дома также могут быть сейсмостойкими, если они хорошосконструированы и добротно построены. Для этого применяются соответствующиеэлементы жесткости и крепления: связывающие скобы, подпорки и стойки, анкерныеболты. Наиболее безопасной конструкцией является та, которая будет гибкой исможет двигаться как единое целое, т.е. так, чтобы отдельные ее части неударялись друг о друга.
Обеспечение сейсмостойкости — обязательное требование при строительстве в сейсмоопасных районах. Необходимоеувеличение стоимости составляет, по инженерной оценке, менее 10%, еслисоответствующие проблемы решаются на стадии проектирования.
Чтобы избежать катастрофическихпоследствий в особо сейсмоопасных районах могут быть приняты некоторыеадминистративные меры. Для контроля землепользования и типов построек,разрешенных в зонах высокой сейсмичности, должны быть обязательны ограничения,налагаемые сейсмическим районированием. Это относится, например, к районам снеустойчивыми насыпными грунтами и к районам, где развиты оползни. Строительныенормы и правила должны определять стандарты различных зданий. Учет различногоуровня риска в связи с особенностями геологической обстановки, выполняемый спомощью карты сейсмической опасности должен стать обычной практикойстроительных и страховых компаний. Все эти меры контроля — путем районирования,совершенствования строительных норм и классификации зданий по уязвимости — особенно необходимы для предотвращения человеческих жертв и катастрофическихразрушений при будущих подземных толчках в районах сейсмической опасности: попериферии Тихого океана и в Средиземноморском поясе. Серьезная проблема состоитв том, как привести ныне существующие здания в соответствие со стандартамисейсмостойкости; другая проблема — подготовка планов мероприятий по смягчениюпоследствий разрушительных подземных толчков.
Петрологиялитосферы и верхней мантии — нерешенные и спорные вопросы.
Изучение химического составаглубинных геосфер невозможно без учета термодинамических условий недр Земли(высоких давлений и температур) и их влияния на свойства вещества. Не вдаваясьв достаточно сложные детали этого принципиального вопроса о составе внутреннихоболочек Земли, укажем лишь на две господствующие точки зрения.
Первой была высказана точказрения о гетерогенном составе внутренних геосфер. Современные данные оплотности и скорости распространения сейсмических волн допускают отождествлениевещества верхней мантии с ультраосновными породами. На основании этих же данныхможно предполагать преимущественно железо-никелевый состав ядра, верхняяоболочка которого находится в жидком состоянии.
Позже была высказана идея ободнородном с точки зрения химического состава строении Земли. Наличие границ вЗемле и различие физических свойств геосфер можно объяснить фазовыми переходамивещества. В условиях давления, измеряемого сотнями тысяч МПа, и температуры внесколько тысяч градусов теоретически возможно разрушение не толькокристаллической решетки вещества — плавление, но и его электронных оболочек.При этом в ядре Земли вещество переходит в металлическую фазу. Важно отметить,что такая смена способа “упаковки” частиц вещества на атомарном уровне, по всейвероятности, происходит скачкообразно, при достижении достаточного давления итемпературы. Таким образом можно объяснить наличие концентрических границизменения физических свойств вещества Земли при относительном постоянстве еехимического состава. Сторонники этой точки зрения предполагают единый для всейпланеты силикатный состав, а скачкообразную смену физических свойств награницах геосфер связывают с фазовыми переходами. Однако современныеэксперименты с ударным кратковременным сжатием силикатов и соответствующиетеоретические расчеты не подтверждают возможности металлизации силикатов в физическихусловиях ядра Земли. Тем не менее, нельзя отвергать возможность перестроеккристаллических решеток минералов при увеличении давления; примеры минераловодинакового химического состава, различающихся по способу “упаковки” ифизическим свойствам известны.
Современные данные допускают вкакой-то степени правомерность обеих точек зрения. И, по-видимому, можнопредполагать различное происхождение выделяемых сейсмических границ. Вероятнеевсего, в Земле имеются границы смены как химического состава, так и внутреннейструктуры вещества.
Каковы же основные данные,которые могут быть использованы для изучения химического состава Земли в целом?К сожалению их немного.
Во-первых, химический составземной коры. Однако не следует забывать, что земная кора представляет тольконебольшую (менее 1% по массе) часть нашей планеты и поэтому состав Земли восновном определяется составом мантии и ядра.
Во-вторых, геофизические данные — в основном результаты сейсмологии. Однако эти данные допускают неоднозначноеистолкование, т.к. одинаковые значения физических свойств — скорости упругихволн или плотности — могут быть присущи веществам различного химическогосостава.
В-третьих, космологическиеданные, т.е. результаты изучения космических тел, в первую очередь Луны иметеоритов, падающих на Землю. Эти данные можно использовать только припредположении о близости химического состава исходного вещества планет, покрайней мере, земной группы. Гипотезы о происхождении Земли допускают сходствохимического состава Земли и Луны. Кроме того, можно полагать, что поставщикомзначительной части метеоритов, падающих на Землю, является пояс астероидов,расположенный между орбитами Марса и Юпитера. Существует гипотеза о том, чтосовременные астероиды являются обломками десятой планеты Солнечной системы — Фаэтона. Предполагая сходство химического состава Земли и этой планеты, можноиспользовать результаты анализа состава метеоритов при изучении химическогосостава нашей планеты.
Метеориты играют значительнуюроль в жизни Земли. Ежесуточно на Землю падает около 3 т метеоритов, не считаякосмической пыли. Всего на Землю попадает не менее 10 тыс.тметеорно-космического вещества в год. И в любом случае, представляют лиметеориты исходный “строительный материал”, из которого так и не быласформирована десятая планета, или являются обломками планеты Фаэтон, изучениеих химического состава позволяет судить о составе материи, достаточно близкойЗемле.
К настоящему времени общее числонайденных метеоритов составляет примерно 2500 шт. Число же обломков метеоритовисчисляется десятками тысяч.
В последние годы многочисленныенаходки метеоритов сделаны в Антарктиде. Связано это не с повышенной частотойпадения метеоритов, а с уникальными условиями их сохранения здесь. Только с1973 по 1983 г.г. японские исследователи Антарктиды подобрали 4750 фрагментовметеоритов (вблизи горы Ямато на Земле Королевы Мод). Размеры метеоритов весьмаразнообразны. Метеорит массой 60 т, названный Гоба, найден в Африке. В КаньонеДьявола, штат Невада, США по диаметру метеоритного кратера в 1,2 км и глубине в140 м определили, что масса взорвавшегося метеорита составляла 15 тыс.т.
По составу метеориты делятся нажелезные, железо-каменные и каменные.
Железные метеориты составляют 6%от всех найденных. Они почти целиком сложены железом (89,7%) и никелем (9,1%) иназываются сидеролитами. Плотность их около 8 г/см3.
Железл-каменные метеоритысоставляют лишь 2% найденных. По составу они делятся на паласситы (железо свкраплениями силикатов) и мезосидериты (примерно равное количество железа исиликатов). Их плотность 5-6 г/см3.
Наиболее часто находят каменныеметеориты, составляющие 92% от всего количества. По составу они делятся нахондриты и ахондриты. Хондриты состоят из овальных каплевидных зерен (хондр)силикатов, сцементированных железом. Форма зерен свидетельствует об остыванииих в условиях весьма слабого тяготения. Ахондриты по составу близки к земнымпородам основного ряда — базальтам и иногда содержат до 1% алмазов. Ахондриты — наиболее распространенная разновидность метеоритов. Существует предположение отом, что они являются продуктами лунного вулканизма, выбрасывающего их в полетяготения Земли. Плотность их около 3,5 г/см3.
Приведенные данные о составеметеоритов, падающих на Землю, служат аргументом в пользу гетерогенногостроения планет. Возвращаясь к гипотезе о том, что метеориты являютсяфрагментами разрушенной планеты Фаэтон, можно установить связь планетныхоболочек с классом метеоритов. По мнению А.Н.Заварицкого, ахондритыпредставляют собой обломки коры планеты, имевшей мощность 40-50 км. МантияФаэтона характеризовалась ультраосновным силикатным составом, о чемсвидетельствует состав хондритов. Сидеролиты и железо-каменные метеориты моглиобразоваться при разрушении ядра планеты.
Не вдаваясь в гипотезысуществования планеты Фаэтон, следует указать, что астероиды (если судить пометеоритам) по плотности и другим параметрам, безусловно, близки к планетамземной группы. В этой связи важность изучения состава метеоритов очевидна.
Близость химического составапланет подтверждают также данные изучения образцов лунных пород, доставленныхсоветской станцией “Луна-16” и американскими “Аполлон-11 и 12”.
С учетом состава и свойствметеоритов и образцов с Луны, а также геофизических (сейсмологических) данных овнутреннем строении Земли рассчитаны модели химического состава Земли в целом(табл.4)
Химический состав Земли
Таблица 4Химические Массовая доля,% элементы по А.Е.Ферсману по Б.Мейсону
O 27,71 29,5
Fe 39,76 34,6
Si 14,53 15,2
Mg 8,69 12,7
S 0,64 1,92
Ni 3,46 2,38
Ca 2,32 1,13
Al 1,79 1,09
Прочие 1,1 1,48
/>
Сравнение состава Земли в целом ссоставом земной коры (см.выше) показывает резкое увеличение в первом долитяжелых элементов — железа и никеля, что обусловлено влиянием ядра. Приведенныев табл.4 элементы в Земле распространены в виде химических соединений, всамородном виде они встречаются крайне редко.
Ядро Земли имеет, по всейвероятности, железо-никелевый состав, близкий к составу сидеролитов. Содержаниежелезо-никелевого сплава составляет 84-92%, а остальную часть занимают оксидыжелеза. Переходный слой от внешнего ядра к субъядру может состоять изсернистого железа — троилита FeS.
Мантия образовалась в результатедифференциации первичного вещества по плотности. Железо и никель, опустившись,сконцентрировались в ядре, а в мантии накопилось относительно легкое вещество — пиролит. В составе мантии отсутствует металлическое железо, но ее составопределяется содержанием оксидов кремния, магния, алюминия и кальция. Хондритыпо составу занимают промежуточное положение между первичным веществом Земли ипиролитом. Из-за высокого содержания кремния и магния мантию иногда называютсиматической оболочкой.
Процесс дифференциации веществамантии продолжается и в настоящее время. Так, в астеносфере происходитвыплавление базальта из пиролита, способного выделить до 25% базальта. Послевыплавления более легкого базальта, поднимающегося вверх к земной коре,вещество верхней мантии теряет часть SiO2; по составу эта часть пиролитасоответствует ультраосновным породам — перидотиту, пироксениту, дуниту. Границабазальта и ультраосновных пород характеризуется резким изменением плотности исейсмической скорости. Эта граница собственно и есть раздел между корой имантией — граница Мохоровичича. Дифференциация затрагивает, по-видимому, нетолько астеносферу, но и нижележащий слой Голицына, к которому приуроченылокальные очаги плавления и очаги глубокофокусных землетрясений.
Земная кора, по современнымпредставлениям, является результатом дифференциации вещества мантии.Базальтовый слой, характеризующийся сплошным распространением на Земле, какуказывалось выше, выплавляется из пиролита в астеносфере, откуда базальтмедленно поднимается вверх к коре в виде огромных масс каплевидной формы — астенолитов.
Существует и другая точка зренияо механизме выплавления базальтов, в соответствии с которой на границе Мохопроисходит не резкая смена состава, а лишь перестройка внутренней структурыбазальта и переход его в более плотную разновидность — эклогит. Эта перестройкаструктуры обратима и определяется физическими условиями — давлением итемпературой в подошве коры. При изменении этих условий граница Мохо можетперемещаться вверх и вниз по разрезу.
Обе приведенные точки зренияобъясняют причину появления в подошве земной коры границы, разделяющей базальтыи ультрабазиты, в общем довольно близкие по химическому составу. Значительносложнее объяснить происхождение гранитно-метаморфического слоя, лежащего набазальтах в пределах континентов. По-видимому, этот слой, представленныйпородами, обогащенными окисью кремния и окисью алюминия, образовался вследствиеочень глубокой дифференциации пород, происходившей на ранней стадии развитияЗемли, и последующего переплавления (возможно многократного) сформировавшихся пород.Гранитообразование в значительной степени связано со вторичными процессамипереплавления, происходящими в конвергентных и коллизионных зонах как награнице континентов и океанов, так и внутриконтинентальных. Оно также связано сгеологическими процессами, протекающими на поверхности — выветриванием иосадконакоплением, которые сопровождаются образованием пород, обогащенныхоксидами.
Из-за высокого содержания кремнияи алюминия земную кору иногда называют сиалической оболочкой Земли.
Таким образом, в направлении отвнешних геосфер к внутренним возрастает роль более тяжелых элементов, вчастности, металлов.
Контрольныевопросы
Какие методы применяются дляизучения состава геосфер? Что такое кларк вещества?
С какой целью изучают метеориты илунные образцы?
Какие химические элементыхарактерны для литосферы, мантии, ядра?
До какой глубины достоверноизучены химические элементы, слагающие земную кору? Что такое “ксенолит”?
Спросите человека в любой стране:“Что такое торнадо (смерч)?”. Ответ будет однозначным: “Это ужасно!”.
Во всем мире и во все векавозникали смерчи — удивительные физические явления, когда из грозовой тучи внизспускается бешено вращающаяся воронка длиной 1-2 км и диаметром 50-100 м.Достигнув Земли, смерч с ревом и грохотом уничтожает все на своем пути, причемспособен пройти за 5-7 часов путь длиной 500 км, порой увеличиваясь в диаметреи оставляя полосу разрушений шириной 2 км. Самый страшный “смерч Трех Штатов”1925 г. в Америке унес почти 700 жизней и ранил более 2000 человек. В США регистрируютежегодно около 1500 смерчей, в том числе и над морем, в остальных странахменьше, но все равно десятки и сотни. Разрушительные смерчи возникали и вРоссии. Особенно памятны московский смерч 1904 г. и ивановский смерч 1984 г.,которые причинили огромные беды и разрушения в Центральной России.
При знакомстве с литературой,описывающей смерчи[5],становится ясно, что физическая природа смерча совершенно не исследована, нетответа на вопросы, почему он устойчив, откуда черпает свою энергию, почему онспособен, например, полностью уничтожить в саду целый ряд яблонь и оставитьвисеть нетронутыми яблоки на яблонях соседнего ряда и т.д. Не было средиисследователей согласия даже в вопросе о скорости ветра в смерче: косвенныесвидетельства, такие как воткнутые в бревна и щепки соломинки, говорили осверхзвуковых скоростях, а прямые локационные измерения давали однозначныйрезультат — даже для сильных смерчей скорость равна 300 км/час. В результате кначалу 80-х годов был сделан вывод, что скорость ветра в смерчах вообще неможет превосходить 500 км/ч, т.е. в три раза меньше тех скоростей, которыеприписывались смерчу ранее.
По мнению В.В.Кушина[6], смерч — это не ветер, аскрученный в тонкостенную трубу “хобот” дождя, который вращается вокруг оси соскоростью 300-500 км/ч. За счет центробежных сил внутри трубы создаетсяразряжение, и давление падает до 0,3 атм. Если стенка “хобота” воронки рвется,наткнувшись на препятствие, то внутрь воронки врывается наружный воздух.Перепад давлений 0,5 атм. разгоняет вторичный воздушный поток до скоростей 330м/с (1200 км/ч) и более, т.е. до сверхзвуковых скоростей.
Физическая природа смерча так жемноголика, как образ Фантомаса. С точки зрения физика-метеоролога — этоскрученный дождь, неизвестная ранее форма существования осадков. Дляфизика-механика — это необычная форма вихря, а именно: двухслойный вихрь своздушно-водяными стенками и резким различием скоростей и плотностей обоихслоев. Для физика-теплотехника смерч — это гигантская гравитационно-тепловаямашина огромной мощности; в ней мощные воздушные потоки создаются и поддерживаютсяза счет теплоты фазового перехода вода-лед, которая выделяется водой,захваченной смерчем из любого естественного водоема, когда она попадает вверхние слои тропосферы.
Для того, чтобы иметьпредставление о последствиях смерчей, кратко дадим описание московского смерча1904 г. и ивановского — 1984 г.
Над восточной частью Москвы 29июня 1904 г. пронесся сильнейший вихрь. Его путь лежал неподалеку от трехмосковских обсерваторий: Университетской — в западной части города, Межевогоинститута — в восточной и Сельскохозяйственной академии — в северо-западной,поэтому ценный материал зафиксировали самописцы этих обсерваторий. По картепогоды в 7 ч утра этого дня на востоке и западе Европы располагались областиповышенного давления (более 765 мм рт.ст.)[7].Между ними, преимущественно на юге Европейской части России, находился циклон сцентром между Новозыбковым (Брянская обл.) и Киевом (751 мм рт.ст.). В 13 ч онуглубился до 747 мм рт.ст. и сместился к Новозыбкову, а в 21 ч — к Смоленску(давление в центре упало до 746 мм рт.ст.). Таким образом циклон двигался с ЮЮВна ССЗ. Около 17 ч, во время прохождения смерча через Москву, город находилсяна северо-восточном фланге циклона. В последующие дни циклон ушел в Финскийзалив, где вызвал бури на Балтике. Если остановиться только на этомсиноптическом описании, то причина смерча явственно не проступает.
Картина несколько проясняется,если произвести анализ распределения температур и воздушных масс. Теплый фронтшел от центра циклона на Калугу, Заметчино и Пензу, а холодный фронт — отцентра циклона на Курск, Харьков, Днепропетровск и далее к югу. Таким образомциклон имел хорошо выраженный теплый сектор с массами теплого влажного воздухапри дневных температурах 28-32оС. Перед теплым фронтом располагался сухойхолодный воздух с температурой 15-16оС. В самой фронтальной зоне температуранесколько выше. Контраст температур весьма большой. Расчет показывает, что теплыйфронт смещался к северу со скоростью 32-35 км/ч. Образование московского смерчапроизошло перед теплым фронтом, где при участии тропического воздуха всегдасоздается угроза возникновения сильнейших гроз и шквалов.
В тот день была отмечена сильнаягрозовая деятельность в четырех районах Московской области: в Серпуховском,Подольском, Московском и Дмитровском, почти на протяжении 200 км. Грозы сградом и бурей наблюдались, кроме того, в Калужской, Тульской и Ярославскойобластях. Начиная с Серпуховского района, буря превратилась в ураган. Ураганусилился в Подольском районе, где пострадало 48 селений и имелись жертвы. Самыеже страшные опустошения принес смерч, возникший к юго-востоку от Москвы врайоне деревни Беседы. Ширина грозовой области в южной части Московского районаопределена в 15 км; здесь буря двигалась с юга на север, а смерч возник ввосточной (правой) стороне грозовой полосы.
Смерч на своем пути произвелогромные разрушения. Были уничтожены деревни Рязанцево, Капотня, Чагино; далееураган налетел на Люблинскую рощу, вырвал с корнем и сломал до 7 га леса, затемразрушил деревни Грайвороново, Карачарово и Хохловку, вступил в восточную частьМосквы, уничтожил Анненгофскую рощу в Лефортово, посаженную еще при царице АннеИоановне, сорвал крыши домов в Лефортово, прошел в Сокольники, где повалилвековой лес, направился в Лосиноостровскую, где уничтожил 120 га крупного леса,и распался в районе Мытищ. Далее смерча не было, и отмечена только сильнаябуря. Длина пути смерча — около 40 км, ширина все время колебалась от 100 до700 м.
По внешнему виду вихрьпредставлял собой столб, широкий внизу, постепенно сужавшийся в виде конуса ивновь расширявшийся в облаках; в других местах иногда он принимал вид просточерного крутящегося столба. Многие очевидцы принимали его за поднимающийсячерный дым от пожара. В тех местах, где смерч проходил через Москва-реку, онзахватывал столько воды, что обнажалось русло.
Среди массы поваленных деревьев иобщего хаоса местами удалось обнаружить некоторую последовательность: так,вблизи Люблино лежали три правильно расположенные ряда берез: северный ветерповалил нижний ряд, над ним лег второй, сваленный восточным ветром, а верхнийряд упал при южном ветре. Следовательно, это признак вихревого движения. Припрохождении смерча с юга на север он захватил этот участок правой стороной,судя по смене ветра, и вращение у него было циклональное, т.е. против часовойстрелки, если смотреть сверху. Вертикальная составляющая вихря была необычайновелика. Сорванные крыши зданий летели в воздухе, как клочья бумаги. Были дажеразрушены каменные стены. В Карачарово снесена половина колокольни. Вихрьсопровождался страшным гулом; его разрушительная работа продолжалась от 30 с до1-2 мин. Треск валившихся деревьев заглушался ревом вихря.
В некоторых местах завихренныедвижения воздуха отчетливо видны по характеру бурелома, но в большинствеслучаев сваленные деревья даже на небольших пространствах лежали вовсевозможных направлениях. Картина разрушений московского смерча оказаласьочень сложной. Анализ его следов заставил считать, что 29 июня 1904 г. черезМоскву промчались несколько смерчей. Во всяком случае по характеру разрушенийможно отметить существование двух воронок, одна из которых двигалась внаправлении Люблино — Рогожская застава — Лефортово — Сокольники — Лосиноостровская-Мытищи, а вторая — Беседы — Грайвороново — Карачарово — Измайлово — Черкизово. Ширина пути обеих воронок была от ста до тысячи метров,но границы путей были четкими. Строения на расстоянии нескольких десятков метровот границ пути оставались нетронутыми.
Сопровождавшие явления такжехарактерны для сильных смерчей. Когда надвигалась воронка, становилосьсовершенно темно. Темноте сопутствовал страшный шум, рев и свист. Зафиксированыэлектрические явления необыкновенной интенсивности. Из-за частых разрядовмолний погибло два человека, несколько получили ожоги, возникали пожары. ВСокольниках наблюдалась шаровая молния. Дождь и град также имели необыкновеннуюинтенсивность. Градины с куриное яйцо отмечались неоднократно. Отдельныеградины имели форму звезды и весили 400-600 г.
Особенно велика разрушительнаясила смерчей в садах, парках и лесах. Вот что писал “Московский листок”(1904,№170). У Черкизово “… вдруг черное облако совершенно опустилось на землюи непроницаемой пеленой закрыло митрополичий сад и рощу. Все это сопровождалосьстрашным шумом и свистом, ударами грома и беспрерывным треском падающегокрупного града. Раздался оглушительный удар, и на террасу упала громадная липа.Падение ее было чрезвычайно странно, так как она попала на террасу через окно итолстым концом вперед. Ураган перебросил ее по воздуху на 100 м. Особеннопострадала роща. В три-четыре минуты она превратилась в поляну, сплошь покрытуюобломками огромных берез, местами с корнем вырванных из земли и переброшенныхна значительные расстояния. Кирпичная ограда кругом рощи разрушена, причемнекоторые кирпичи отброшены на несколько сажен”.
Удивительный случай произошелоколо Мытищ. Крестьянка шла по полю с тремя детьми. Налетел смерч, ее старшегои младшего сыновей отбросило в канаву, где они и спаслись. Третьего мальчикасмерч подхватил и унес. Его катило по полю, был страшный шум, он потерялсознание и очнулся в яме, образовавшейся от вывороченной с корнями громаднойсосны. Нашли мальчика лишь на следующий день в Сокольниках, на расстояниинескольких километров от того места, где он был поднят. Он был цел и невридим илишь испытывал сильную жажду.
Если сопоставить записисамописцев с картой погоды, то можно придти к следующим выводам. Смерч возникпри грозе на теплом фронте (перед ним, а может быть, даже на самой линиифронта). Перед фронтом наблюдались восточно-северо-восточные ветры, за фронтом- юго-юговосточные и южные. После грозы и связанного с ней охлаждения воздухатемпература повышалась до 23 часов, т.е. даже после захода солнца, после чегоначалось быстрое падение температуры. Абсолютная влажность после грозы былаоколо 14 мм, а с 23 ч начала падать, достигнув к утру 9 мм, что связано,по-видимому, со вхождением другой массы воздуха. Иначе говоря, после грозы приюжных ветрах наблюдалась погода теплого сектора циклона, а в 23 ч прошелхолодный фронт, и Москва вступила в зону холодного континентального полярноговоздуха. Но в связи со значительным похолоданием после грозы и урагана холодныйфронт уже не дал в Москве повторных гроз, хотя последние отмечены с 21 до 22 чв Бронницком районе области, когда там проходил фронт.
Разрушительными были последствияцелого ряда смерчей, пронесшихся летом 1984 г. над центральными областямиРоссии. Самым трагическим был ивановский смерч 9 июня 1984 г., но вихриотмечались также в Московской, Ярославской, Костромской, Тверской, Вологодской,Нижегородской и др. областях.
В сводке Гидрометцентра СССР былосказано, что возникновению смерчей предшествовали сильные южные и юго-западныеветры в нижней и средней тропосфере, которые способствовали перемещению далекок северу теплого влажного воздуха в нижней части тропосферы и сухого холодноговоздуха в ее верхней части (выше 2-3 км). Закручивание этих потоков в вихри и породилосмерчи. Несмотря на густую сеть метеостанций в центре России, гдесвирепствовали смерчи, ни одна из них инструментально не зафиксировалапрохождение смерчей. Данные метеостанций соответствовали грозовой обстановке сошквалами и градом. Поэтому перемещение смерчей пришлось воссоздавать попоказаниям очевидцев, следам разрушений, другим косвенным признакам.
Ивановский смерч возник в 15 кмюжнее областного центра и прошел зигзагообразно около 100 км через леса, поля,пригород г.Иваново, далее вышел к Волге, обошел г.Волгореченск, уничтожилтурбазу Лунево и затих в лесном массиве вблизи Костромы. Только в Ивановскойобласти существенно пострадали 680 жилых домов, 200 объектов промышленного исельского хозяйства, 20 школ, детские сады, леса. Без крова остались 416семейств, разрушено 500 садово-дачных строений. Первый удар смерч нанес подачному кооперативу “Южный”. Более 20 человек погибли, многие получили ранения.Из 200 дачных домиков пострадали 130. Деревья вырвало с корнем или поломало. Вкомки металла были превращены многие автомобили. Один из дачников в этот деньпосле обеда увидел вдалеке, километрах в десяти, высокий темный столб, которыйподпер грозовую тучу, а левее и подальше — еще один, посветлее первого. Через1-2 минуты светлый столб исчез, темный же с огненными проблесками внутри,стремительно приблизился к дачному поселку. Ветер играючи гнул толстые деревьяи срывал с них листву. Пляска деревьев и кустов, реактивный рев ветра внадвинувшихся средь бела дня сумерках завораживали. Теплица на его участкекачнулась, сильно накренилась, но в следующую секунду стала на место инаступила тишина. Дачник подумал, что пронесло. Но эта тишина совершенно несоответствовала тому, что творилось за окном: ураган валил деревья, летелисучья, доски, но не было слышно ни звука. В следующую секунду теплица вдругподпрыгнула и улетела, как газета на ветру. Когда дачник очнулся, он увидел,что его нового дачного домика как не бывало, левая рука была в крови, но болион не ощущал. На месте домика была куча жалких остатков. Но самое поразительноебыло то, что он находился в 10-15 м от домика. “Жигули” дачника лежали смятые ипогнутые в канаве. Но самое удивительное было то, что на клумбе росли двапиона: красный и белый. От красного не осталось и следа, а на белом смерч нетронул ни лепестка. Стол с инструментом бесследно исчез, а стоявший рядом ящикс гвоздями остался.
Были и другие курьезные случаи.Одна из дачниц того же поселка, услышав гром и гул, забралась в подпол. Когдавсе стихло, она выбралась и увидела, что в доме нет крыши, двух стен и никакоймебели. Зато в углу стоит холодильник, которого у нее “отродясь не было”. Удругой дачницы смерч унес крышу и полдома, мебель была унесена почти вся, а вотшифоньер остался. Она обрадовалась, что хоть одежда сохранилась. Открываетшифоньер, а он полон битого шифера. У дачника во время смерча улетели изкармана документы. Их прислали ему из Костромской области. В г.Иваново смерчобрушился на район Балино. Он крушил дома, переворачивал троллейбусы иавтобусы, ломал столбы и деревья, перевернул подъемный кран весом 350 т,превратив его в груду металлолома; затем смерч обрушился на старое кладбище, накотором в связи с субботним днем было много народа. Налетел огромныйрасширяющийся кверху коричнево-серый столб дождя и ветра. Над головами ревело,трещало, визжало, падало. Смерч разбросал людей в разные стороны. Этопродолжалось полторы-две минуты. Когда смерч передвинулся, все былонеузнаваемо: разрушенные могилы, поваленные или унесенные кресты и памятники,сметенные сады, вывернутые с корнем деревья, груды искореженного металла, а тонемногое, что осталось, было залеплено серой грязью. Кладбищенский лес почтивесь лежал на земле. Здесь надо отметить одно обстоятельство, которое имееткакое-то “потустороннее” происхождение. Все раненые и пострадавшие отмечали,что боль от ран, нанесенных смерчем, была несоизмеримо мала по сравнению стяжестью ранений, и заживление ран происходило быстро и без осложнений. Носамым удивительным было то, что мелкие предметы: щепки, ветки, соломинки,песчинки наносили тяжкие повреждения, проникая в человеческие тела на глубинудо 5 см.
Исследуя следы смерча в районетурбазы “Лунево”, А.М.Лукьяненко — житель г.Волгореченска, сделал интересноенаблюдение. По заметил, что смерч двигался скачками длиной 1-2 км и оставлялпосле своего соприкосновения с землей площадки разрушений диаметром 500-1000 м.Эти площадки имели характерную форму. В центре площадки имелось центральноеядро диаметром 300-400 м, почти круглой формы, которое было хаотически заваленопереломанными соснами. По периферии некоторых таких площадок смерч оставлял ещепо несколько просек-коридоров длиной 300-400 м и шириной 50 м, которыенаправлены почти по касательной к окружности ядра. Здесь сосны повалены вдольпросек к ядру площадки. Судя по этим следам, воронка смерча диаметром 1 кмопустилась на лес, ее нижняя кромка наткнулась на сосны и порвалась на пятькусков. Каждый из кусков под действием перепада давления внутри воронки и внеее, сил инерции и сил торможения двигался по сворачивающейся спирали, прорубивв лесу 5 коридоров, обрывки воронки смешивались вблизи центра смерча иобразовывали хаос из переломанных деревьев. По-видимому, образовывалосьнесколько воронок.
Ивановский смерч 1984 г. еще разпоказал, что среди исследователей нет согласия не только в вопросе о скоростивращения воронки, но и о степени разряжения в ней. Почти все утверждают, что вворонке существует значительное разряжение вплоть до 0,3-0,6 от атмосферногодавления, и поэтому смерч всасывает в себя подобно пылесосу все, что егоокружает. Однако, многие возражают против этого. Основания для таких сомненийдает удивительное явление, которое очень часто сопровождает смерчи. Онополучило название “каскад”.
Каскад представляет собой облакоили столб пыли водяных брызг у основания воронки смерчей. Он напоминает речныекаскады, особенно когда состоит из пыли и обломков зданий. Первоначальноназвание “каскад” было дано тем массам брызг, которые поднимаются вверх, иногдана высоту в несколько десятков метров, когда смерч касается поверхностиакватории. Падая обратно в водоем, они действительно напоминают настоящиеречные каскады. Позже это название было распространено на наземные смерчи,которые, касаясь поверхности земли, поднимают вверх массы пыли, сухих листьев имелких обломков. Падая вниз, они похожи на настоящие каскады.
Каскад образуется почти каждымсмерчем и представляет собой весьма частое явление. Тем не менее причина его неразгадана. Дело в том, что каскад создается восходящими потоками воздуха,которые идут вне воронки смерча. Изучение их, как впрочем и всего, что связанос телом смерча, исключительно трудно и просто опасно. Пока приходитсяограничиваться только их описанием.
У известных смерчей в Небраске1955 г. ширина одного каскада достигала 1100 м, высота — 260 м, а ширинаворонки — всего 70 м. Ширина другого каскада была громадна — 1700 м, а воронки- лишь 220 м. Подобной ширины каскад достигает редко. Каскад у водяного смерчана реке Янцзы, недалеко от Шанхая, отличался очень большой высотой — несколько сотметров при небольшой ширине. Он сужался у основания, а вверху расширялся, ивода падала обратно в реку. Сама воронка была длинной, узкой, столбообразной.При образовании таких высоких и узких каскадов вокруг воронки возникаютдополнительные вихри, поднимающие брызги.
Спрашивается, о каком жеразряжении внутри смерча может идти речь, если он не только не всасывает, нонаоборот, отбрасывает от себя пыль, брызги и более крупные предметы?
До сих пор смерч не спешитраскрывать и другие свои тайны. Так, нет ответов на многие вопросы. Чтопредставляет собой воронка смерча? Что придает ее стенкам сильное вращение иогромную разрушительную силу? Почему смерч устойчив?
Исследовать смерч не простотрудно, но и опасно — при непосредственном контакте он уничтожает не толькоизмерительную аппаратуру, но и наблюдателя.
Сопоставляя описания смерчей(торнадо) прошлого и нынешнего столетий в России и других странах, которые мыиз-за экономии места и времени в большинстве своем здесь не приводим, можновидеть, что они развиваются и живут по одинаковым законам, но эти законы доконца не выяснены и поведение смерча кажется непредсказуемым.
Во время прохождения смерчейестественно все прячутся, бегут, и людям не до наблюдений, а тем болееизмерений параметров смерчей. То немногое о внутреннем строении воронки, чтоудалось узнать, связано с тем, что смерч, отрываясь от земли, проходил надголовами людей, и тогда можно было видеть, что смерч представляет собойогромный пустотелый цилиндр, ярко освещенный внутри блеском молний. Изнутрираздается оглушительный рев и жужжание. Считается, что скорость ветра в стенкахсмерча доходит до звуковой.
Немногочисленные статистическиеданные, которые известны о смерчах, сведены в табл. 5.
Ориентировочные параметры смерчей
Таблица 5Измеряемая величина Минимальное значение Максимальное значение Высота видимой части смерча 10-100 м 1,5-2 км Диаметр у земли 1-10 м 1,5-2 км Диаметр у облака 1 км 1,5-2 км Линейная скорость стенок 20-30 м/с 100-300 м/с Толщина стенок 3 м - Пиковая мощность за 100 с 30 ГВт - Длительность существования 1-10 мин 5 час. Путь 10-100 м 500 км Площадь разрушения 10-100 м2 400 км2 Максимальная масса поднятых предметов - 300 т Скорость перемещения 150 км/ч Давление внутри смерча Теория смерча была разработана наосновании достоверного утверждения, что воронка смерча всегда приходит на землюсверху, а “ослабев”, вновь поднимается наверх. Значит вес воронки должен бытьбольше веса вытесненного ею воздуха, т.е. по закону Архимеда она будет “падать”.Тяжелее воздуха в атмосфере может быть только воздух, насыщенный водой и/илильдом. Поэтому правдоподобным будет предположение, что воронка смерчапредставляет собой вращающийся поток дождя и града, свернутый в спираль в видеотносительно тонкой стенки. Содержание воды в стенках воронки должно по массево много раз превосходить содержание там воздуха. Если плотность сухого воздухасоставляет 1,3-1,4 кг/м3, то плотность воздуха, содержащего воду и лед внутристенок смерча, может составлять 50 и более кг/м3.
Если воронка смерча обладаетмассивными стенками, то их вращение должно приводить к расширению воронки ипонижению давления воздуха внутри нее из-за действия центробежных сил.Расширение воронки происходит до тех пор, пока перепад давления снаружи и внутрине уравновесит действия центробежных сил. Если выделить из стенки площадку S,то снаружи на нее будет действовать сила Dp×S. Равновесиес центробежными силами наступит при условии: Dp×S=mv2/R,где m — масса, приходящаяся на единицу площади стенки; v — скорость стенки; R — радиус воронки.
Приведенное, почти очевидное,условие равновесия стенки воронки приводит к ряду прямых следствий, которыеестественно объясняют многие свойства смерчей.
Рассчитаем параметры смерчасредней силы. Пусть он имеет диаметр 200 м, высоту Н=2 км, перепад давления Dp=0,5атм. и скорость вращения стенки 145 м/с. Определим массу, приходящуюся наединицу площади стенки m: m=rст×Dlст. Плотность стенки можносчитать примерно равной 50 кг/м3, эта плотность обеспечивает устойчивостьстенок при заданном перепаде давления снаружи и внутри воронки. При толщинестенки 5 м m=250 кг/м2. Общая масса стенкисмерча составит 300 тыс.т. Эта масса, вращаясь с заданной скоростью, обладаеткинетической энергией W = Mv2/2 = 4,4×1012 Дж. При вращении смерчтеряет энергию на трение об окружающий воздух. Сила трения Fтр.и мощностьпотерь Nтр. выразятся известными соотношениями:
Fтр.= h×S(v/d); Nтр.= Fтр.× v,
где h=1,7×10-5 кг/(м×с)- коэффициент вязкости воздуха; S — площадь соприкосновения слоев (в нашемслучае S=6,28×105 м2); Dv/Dd- градиент скорости. Как отмечалось выше, на расстоянии 1-2 м от стенки смерчаветра не ощущается. Поэтому, приняв Dd=1 м и Dv=150м/с, получим Dv/Dd =150 с-1,и мощность потерь составит Nтр.= 225 кВт. За одинчас потери на трение составят0,8×108 Дж. Видно, что по сравнению сзапасенной в стенках энергией эти потери ничтожны, и поэтому трение, посуществу, не оказывает влияния на время жизни смерча, которое определяетсяиными энергетическими потерями. В частности, при опускании смерча вниз всего на1 м/с он потеряет на образование каскада 2,2×109Дж. и время его жизни без внешней подпитки составит 10-20 мин.
У смерчей, которые рождаются вморе или идут по песку и пыли, условия для образования каскада особенноблагоприятны, и поэтому они быстро расходуют свою энергию.
Рассмотрим поведение любогопредмета, который попал в стенку воронки. Стенка увлекает предмет, и он,приобретая скорость v, начинает вращаться вместе со стенкой вокруг оси смерчапо окружности радиусом R. Чтобы оно в дальнейшем осталось на этом радиусе,центробежные силы должны быть уравновешены перепадом давления в стенке. Дляпростоты рассмотрим тело площадью DS, толщиной Ddи плотностью rт. Тогда центробежная сила Fцвыразится соотношением: Fц =(DSDdrтv2т)/R.
Определим перепад давления Dрв слое толщиной Dd. Если толщина стенки воронки Dlи плотность стенки rст, то полный перепад давления настенке толщиной Dl составит Dрст=(DSDlrстv2ст)/R.Поэтому перепад давления на толщине предмета Dd составит Dрd= Dрст (Dd/Dl).Приравнивая Fц и Dрd, получаем очевидноесоотношение: rт v2т=rстv2ст.
Видно, что легкие тела, такие какпушинки, соломинки остаются внутри воздушного вихревого слоя смерча и достигаютсамых больших скоростей вплоть до звуковых. Более плотные предметы — ткани, бумага,пустые легкие замкнутые объемы с промежуточными значениями средних плотностей,уже при сравнительно малых скоростях перемещаются внутрь плотной стенкиворонки, достигают там скоростей, равных линейной скорости стенки. Еслиплотность тела меньше плотности стенки, то тело так и остается в стенке и непокидает смерча, перемещаясь вместе с ним на большие расстояния. Если телоимеет высокую плотность rт>rст,то оно может остаться в смерче только до достижения некоторой скорости vкр,которая выражается соотношением: />. Например, в смерче свышеописанными параметрами, у которого плотность стенки составляет 50 кг/м2, аv=150 м/с, камни плотностью 2500 кг/м3 могут достичь скорости не более 22 м/с,животные, люди, у которых плотность равна 1000 кг/м3 — не более 30 м/с. Додостижения этих скоростей тела вращаются вместе со стенкой воронки и как быплывут на ее внутренней поверхности, погружаясь по мере роста скорости вглубьворонки.
Смерч может всосать и поднятьввысь большую порцию снега, песка и др. Как только скорость снежинок илипесчинок достигает критического значения, они будут выброшены через стенкунаружу и могут образовать вокруг смерча своеобразный футляр или чехол.Характерной особенностью этого футляра-чехла является то, что расстояние отнего до стенки смерча по всей высоте примерно одинаково: оно определяетсяскоростью, которая у всех частиц с одинаковой плотностью оказывается одинаковой.Важный частный случай, когда плотность тела, попавшего в смерч, близка кплотности стенки воронки. В этом случае равновесная скорость для тела совпадаетсо скоростью стенки. Если тело попадает на внутреннюю поверхность стенки, то нанего действует воздушный вихрь, вращающийся внутри воронки, скорость тела возрастаети станет больше равновесной. Тело сместится к внешней поверхности стенки. Здесьпод действием трения о внешний воздух тело затормозится, скорость станет меньшеравновесной, и тело вновь сместится к внутренней поверхности стенки. Поэтомутела с плотностью стенки оказываются устойчивыми внутри стенок. Таким образомвнешний и внутренний поверхностные слои оказываются в совершенно необычныхусловиях, при которых на них непрерывно действуют силы, стремящиеся убрать их споверхности и “заглубить” внутрь стенки, т.е. силы, которые по своим свойствамнапоминают силы поверхностного натяжения. Эти силы придают стенкам смерчаповышенную устойчивость к возмущениям, делают их однородными по плотности, гладкими,четко ограниченными.
Мы рассмотрели кинематические идинамические свойства воронки смерча. Было установлено, что воронка являетсядостаточно устойчивым образованием, она может существовать долго, проходить большиерасстояния, лишь бы в нее в достаточном количестве поступал сверху вращающийсяпоток дождя. По сути дела, воронка — это особый вид осадков из грозовой тучи.Поэтому проблема происхождения воронки и существования смерча обусловливаетсяпроцессами в верхних слоях тропосферы: именно там определяется, хлынет ли изтучи просто сильный дождь или этот дождь свернется в воронку и будет сам себяподдерживать, т.к. воронка засасывает в себя большие массы влажного воздуха изабрасывает их в верхние слои. Эти массы воды могут оказать решающее влияние надальнейшую судьбу смерча.
Рассмотрим в первом приближениипроцессы, возникающие в грозовых облаках. Обильная влага, попадающая в облакоиз нижних слоев, выделяет много тепла, и облако становится неустойчивым. В немвозникают стремительные восходящие потоки теплого воздуха, которые выносятмассы влаги на высоту 12-15 км, и столь же стремительные холодные нисходящиепотоки, которые обрушиваются вниз под тяжестью образовавшихся масс дождя играда, сильно охлажденных в верхних слоях тропосферы. Мощность этих потоковособенно велика из-за того, что одновременно возникают два потока: восходящий инисходящий. С одной стороны, они не испытывают сопротивления окружающей среды,т.к. объем воздуха, идущего вверх, равен объему воздуха, уходящего вниз. Сдругой стороны, затраты энергии потоком на подъем воды вверх полностьювосполняется при падении ее вниз. Поэтому потоки имеют возможность разгонятьсебя до огромных скоростей (100 м/с и более).
В последние годы была выявленаеще одна возможность подъема больших масс воды в верхние слои тропосферы[8]. Часто при столкновениивоздушных масс происходит образование вихрей, которые за свои относительнонебольшие размеры получили название мезоциклонов. Мезоциклон захватывает слойвоздуха на высоте от 1-2 км до 8-10 км, имеет диаметр 8-10 км и вращаетсявокруг вертикальной оси со скоростью 40-50 м/с. Существование мезоциклоновустановлено достоверно, структура их исследована достаточно подробно.Обнаружено, что в мезоциклонах на оси возникает мощная тяга, котораявыбрасывает воздух на высоты до 8-10 км и выше. Наблюдателями было обнаружено,что именно в мезоциклоне иногда зарождается смерч (рис.9).
Наиболее благоприятная обстановкадля зарождения воронки выполняется при выполнении трех условий. Во-первых,мезоциклон должен быть образован из холодных сухих масс воздуха. В этом случаепо его высоте возникает особенно большой температурный градиент, близкий кадиабатическому значению. Во-вторых, мезоциклон должен выйти в район, где вприземном слое толщиной 1-2 км скопилось много влаги при высокой температуревоздуха 25-35оС, т.е. создано состояние неустойчивости приземного слоя,готового к образованию ячеек с восходящими и нисходящими потоками. Проходя надэтими районами, за короткое время мезоциклон засасывает в себя влагу с большихпространств и забрасывает ее на высоту 10-15 км. Температура внутри мезоциклонапо всей высоте скачком повышается за счет принесенного влагой тепла,накопленного не только насыщенным паром, но и водяными каплями. Третье условие- это выбрасывание масс дождя и града. Выполнение этого условия приводит куменьшению диаметра потока от первоначального значения 5-10 км до 1-2 км иувеличению скорости от 30-40 м/с в верхней части мезоциклона до 100-120 м/с — внижней части.
Списоклитературы
Для подготовки данной работы былииспользованы материалы с сайта www.refz.ru/