17. Лунно-земное взаимодействие
Как результат выброса звездой некоторого объёма вещества происхождение естественного спутника Земли – рядовое явление. Влияние же Луны на земных обитателей – предмет обширных дискуссий, астрологических прогнозов и даже теорий, позволяющих, по мнению их авторов, обеспечить успех во многих сферах деятельности. Весеннее засевание грядок чаще всего осуществляется в строгом соответствии с «лунным календарём», в котором расписаны наиболее благоприятные периоды. Лечение некоторых заболеваний также считается неэффективным, если Луна в это время находится не в нужной фазе. Где правда в подобной информации, а где вымысел? Действительно ли так велико влияние спутника на процессы, происходящие во внешних оболочках Земли?
Современное строение Луны приравнивается к земному, существовавшему 3-4 млрд. лет назад. Выделяется даже так называемая «лунная стадия» развития Земли. Многие исследователи приходят к выводу, что наблюдаемый рельеф Луны есть следствие и метеоритной бомбардировки, и тектономагматической (эндогенной, т. е. глубинной) деятельности. Результаты исследований образцов лунных пород дают абсолютный их возраст 3,1-4,6 млрд. лет, что соответствует возрасту наиболее глубинных изученных образований нашей планеты [Минералогическая энциклопедия, 1985]. Немногочисленные сейсмические данные также позволяют предполагать зональное оболочечное строение лунных недр как результат активного состояния объекта в прошлом.
Представим схему функционирования отдельных планет земной группы на основе геодинамических построений. Во-первых, система «Земля-Луна» часто рассматривается как двойная планета, поскольку это единственный случай такого соотношения масс в Солнечной системе. Даже по отношению ко всей нашей системе (как эталону), для которой масса планетных оболочек составляет 0,13% общего количества вещества, соотношение лунно-земных масс различается на порядок (на Луну приходится 1,23% общей массы). Во-вторых, Луна – объект, образовавшийся из вещества Солнечной системы, а не привнесённый извне.
На основе положения о квантовании гравитационной энергии (число πd) предположим, что при выбросе вещества должно соблюдаться условие
RЭКВ i / RЭКВ i+1 > 2 πd,
т. е. больше значения 6,32 (возможно это значение должно быть не меньше 6,66 – главной динамической постоянной, или «постоянной рождения»). Это означает, что Земля (радиус эквивалентности равен 2582 км) не может создать Луну (817 км) без нарушения соответствия энергетических затрат. Мощность взрывного взаимодействия, способного выбросить лунную массу на околоземную орбиту, должна быть колоссальной. Очевидно, на это способно Солнце (258200 км) или Юпитер (25820 км). Поэтому Юпитер вполне мог быть «родителем» Луны. В процессе «рождения» Луна, как тело с RЭКВ всего 817 км, получила от «молодой» планеты излишне мощный импульс, была выброшена далее положенной орбиты в системе Юпитера и стала испытывать преимущественное влияние тяготения Солнца. Вращаясь по околосолнечной орбите, активная Луна израсходовала на создание пояса астероидов часть своей внешней массы. Активность её снизилась, а орбита могла измениться. Нельзя исключать и влияния сил тяготения со стороны наиболее массивных планет как причины ещё большего удаления от «родителя», а поэтому попадания в поле тяготения планет земной группы и «захвата» Землёй.
Показанная очень сложная динамика «укладки» Луны в современной системе не очень убедительна. Выброшенная Луна волей исследователя помещается в некую уже существующую систему планет. Наличие в то время планетных оболочек Солнца в их современном виде – совсем гипотетично. Такое же право на жизнь имеют и другие гипотезы. Например, можно обойтись без длительного путешествия Луны по просторам космоса. Достаточно предположить, что Луна была выброшена Солнцем в виде сложного (несимметричного) тороида вместе с венерианской массой. В этом случае мы получаем ещё одну возможность для объяснения обратного осевого вращения Венеры и факта быстрой потери импульса её осевого вращения при отсутствии такой симметрии. Отделившаяся после выброса «венерианская Луна» была захвачена близко пролетавшей более массивной Землёй.
Ещё одним критерием, подтверждающим в некотором смысле «случайное формирование» системы «Земля – Луна», является нелогичность динамической картины. Нормальный выброс спутника звездой предполагает вывод сателлита на орбиту, радиус которой, по-видимому, увеличиваться в дальнейшем не может. В противном случае не приходится говорить о стационарности. Известно, что «в связи с приливным трением Луна в настоящее время удаляется от Земли» [Земля. Введение в общую геологию, 1974]. Это как раз и означает, что наш спутник не может составлять с Землёй динамически сформированную и эволюционирующую единую систему подобно солнечной.
Анализируя гравитационное поле Луны на высоте 100 км, полученное по наблюдениям возмущений движения искусственных спутников [Грушинский, 1985; материалы приведены по А. Феррари], и соотношение аномалий с относительными высотами рельефа, можно сделать некоторые интересные выводы. Поле видимой стороны спутника характеризуется более высокими значениями градиента (примерно 0,58-0,68 мГал/м) зависимости силы тяжести (g) от высоты рельефа селеноида над сферой радиуса 1738 км, по сравнению с обратной стороной (0,45-0,55 мГал/м). Рассчитанные величины градиента в некоторой степени связаны с внутренним строением Луны (для более уверенных выводов нужна лунная гравиметрическая съёмка). Менее контрастному полю силы притяжения (сила тяжести равна силе притяжения в связи с отсутствием центробежных сил) видимой стороны планеты-спутника соответствует более спокойный рельеф селеноида. Противоположная же (более гористая) сторона характеризуется сложно построенным гравитационным полем. Сопоставляя возможную историю тектонического развития Луны с земной, можно представить видимую сторону как область, сложенную более плотными базальтами, а значит и более значительным изменением силы тяжести с высотой. Эта часть Луны, вероятно, мало подверглась частичной дифференциации вещества с образованием относительно разуплотнённых пород, что явилось главной причиной увеличения градиента силы притяжения. Обратная сторона, в таком случае, будет фигурировать в качестве протоплатформенной, развитие которой остановилось на стадии образования складчатых систем, подобных земным горным областям.
Необходимо отметить, что в геологии достаточно часто используется «метод аналогий». В данном случае прогнозировать историю развития спутника можно только сравнивая её с земной. Океаническая и платформенная литосфера вполне может «появиться» у интерпретаторов лунной тектоники. В действительности же очень трудно определить продолжительность того или иного этапа развития планеты. Поэтому плотностная асимметрия в лунном строении может быть и следствием существования первичной неоднородности, обусловленной особенностями «рождения» спутника. Такая своеобразная плотностная асимметрия могла послужить причиной потери вращательного движения и поворота Луны к Земле более плотной стороной. Значит, наши построения действительно позволяют считать видимую «океаническую» сторону во многом схожей с земной, не затрагивая вопрос о длительности этапов тектонических перестроек.
Рассмотрев некоторые «законсервированные» в сформированном объекте плотностные неоднородности, попробуем выяснить и степень взаимного динамического влияния планет. Вероятно, видимое с Земли лунное полушарие будет постоянно находиться в условиях уменьшенных сил тяготения, поскольку интенсивность гравитационного излучения в межпланетной области уменьшается (взаимодействие встречных потоков импульсов). Но такое взаимодействие в отношении Луны практически лишено динамики, ведь она повёрнута к нам всегда одной стороной. Движущееся же вокруг Земли близкое и массивное космическое тело в свою очередь также влияет на её поверхностные массы, и интенсивность влияния определяется физическими свойствами взаимодействующих масс. В этой связи, возможность уменьшения земной силы тяжести из-за влияния Луны, некоторое разуплотнение почвенных слоёв, приводящее к лучшему проникновению влаги и кислорода, а значит и к лучшей всхожести семян – выглядит вполне разумным объяснением существования тех же «лунных календарей».
В плане динамических построений рассмотрим влияние Луны на образование приливных деформаций, возникающих в веществе земных оболочек. Наиболее ярко эти процессы проявляются в существовании океанических приливов и отливов, представляющих не что иное, как изменения (вариации) сил тяготения во времени. В существующей литературе такие изменения делятся на приливные и неприливные. Последние делятся на вековые, периодические и непериодические.
Вековые вариации обусловлены, главным образом, изменениями, связанными с самой Землёй, (точнее, с особенностями внутреннего состояния сложной эволюционирующей системы). Например, увеличение силы тяжести на экваторе будет происходить при существующем уменьшении скорости вращения Земли вокруг своей оси. А изменение плотности плоского слоя мощностью 100 км всего на 0,01 кг/м3 приведёт к изменению силы тяжести на его поверхности на 0,042 мГал (42 мкГал).
Неприливные периодические вариации силы тяжести являются следствием колебаний плотности атмосферных масс, положения уровня грунтовых вод, влажности почвы, ежегодного выпадения осадков. Кроме этого они вызываются и собственными колебаниями Земли, реагирующей на землетрясения и штормы. Величины изменения силы тяжести могут быть весьма ощутимы (до 1000 мкГал), хотя источники (причины) таких изменений установить не всегда возможно.
Из всего уже охарактеризованного набора причин можно выбрать и те, которые отвечают за непериодические вариации. Наиболее значимыми среди них являются факторы геодинамического характера, часто недооцениваемые исследователями. «Перемещение масс, вызванное суммой геодинамических явлений, может привести к смещению центра масс на величину порядка 10 мм в год, что, в свою очередь, вызовет изменение силы тяжести на 2-3 мкГал» [Грушинский, 1983]. За время измерений с 1949 по 1978 годы в Мексике установлено изменение силы тяжести со средней скоростью 60 мкГал в год. Характерно, что высоты пунктов в районе исследований увеличивались примерно на 5 см в год.
При проведении геофизических исследований очень важно чётко представлять механизмы природных явлений, чтобы полученные аномалии параметров надёжно «привязать» к реальному веществу. Если вариации силы тяжести могут быть обусловлены, например, изменением физических свойств пород внешних оболочек, то последовательный учёт этих эффектов поможет выделить гравитационное влияние и глубинных масс, сделать более корректные выводы о геодинамике общей системы. Вполне естественно, что кроме изучения «чистой» геодинамики необходим учёт внешних факторов, т. е. влияния Луны и Солнца. Именно их влияние вызывает появление приливных изменений силы тяжести во времени. Факт изменения интенсивности гравитационного взаимодействия в некоторой внешней области планеты при помещении туда другого космического тела доказательств не требует. В физике любая сила, в том числе и сила тяготения, величина векторная, т. е. характеризующаяся направлением. Изменения возмущающего влияния небесных тел давно подсчитаны и в максимуме составляют 250 мкГал для Луны и 100 мкГал для Солнца. Изучает такие изменения статическая теория приливов, базирующаяся на уподоблении планеты твёрдому недеформирующемуся шару, а других тел материальным точкам.
Результатом же реального взаимодействия (ограничимся рассмотрением лунно-земных связей) является возникновение приливных сил, максимально деформирующих внешние оболочки планеты. «Высокоточные гравиметрические наблюдения в стационарных условиях показывают, что лунные суточные вариации на 15-20% больше, чем вычисленные по формулам» [Миронов, 1980]. Периодическое затопление прибрежных областей при подъёме уровня моря из-за притяжения Луны, располагающейся в зените, явление обыденное для любого жителя подобных районов. Практически одновременно на обратной стороне планеты формируется почти такой же «водяной горб», также заливающий при перемещении планет прибрежные области. Попытавшись найти единое объяснение этим явлениям, мы обнаружим, что исследователи в этом плане ещё «не договорились». Если для области, где наблюдается воздействие светила в зените, процесс выглядит вполне реально, то «водяной горб» обратной стороны планеты очень трудно представить как следствие той же причины. Наиболее часто прилив в этой области объясняется общей деформацией планеты, подвергшейся лунному притяжению (рис. 17-1, вариант «А»). Находясь на расстоянии почти в 30 диаметров планеты, тело с массой всего 1,23% от земной, деформирует Землю так, если бы существовали силы, сжимающие её со стороны полюсов. В таких объяснениях обычно оперируют упругостью земных оболочек, что и обеспечивает требуемый эффект.
Другие авторы, видимо чувствуя некоторую неоднозначность выводов, используют, например, реактивную силу движения Земли, которая векторно складываясь с силой лунного притяжения, также обеспечивает появление приливных деформаций [Силкин, Троицкая, Шебалин, 1962]. «При суточном вращении Земли каждая точка земной поверхности будет дважды находиться в условиях, когда сила тяжести минимальна» [Миронов, 1980]. Далее там же мы читаем, что при изменении силы притяжения и возникновении деформации «все точки перемещаются в направлении светила». Вероятно, это означает, что независимо от того, уменьшается высота точки наблюдения, или увеличивается – сила тяжести обязана уменьшиться.
Что же происходит на самом деле? Вспомним, что приливные силы деформируют не только наиболее подвижные водные массы, но и земную кору. И если максимальная высота прилива может достигать 13,6 м (залив Фанди в Канаде), то реальная амплитуда перемещений земной поверхности для области экватора составляет 51 см. Наша планета непрерывно пульсирует, правда эти поднятия и опускания незаметны. Медленное поднятие поверхности представляет волну, которую можно вообразить как формирование склона длиной 10 000 км, а высотой 51 см.
Рассмотрим тот же рисунок 17-1, где изображены два фрагмента поверхности планеты, испытывающие приливное воздействие Луны (вариант «Б»). В одном и в другом случае при отсутствии внешнего воздействия земная поверхность характеризуется как нормальная (без дополнительных деформаций) поверхность геоида. Появление в зените спутника приводит к компенсации потоков гравитационных излучений (область «В»), ослаблению сжатия земного вещества, а значит – к уменьшению силы тяжести в «подлунной» области земной коры. Поверхность геоида оказывается деформированной. Но одинаковому воздействию сил лунного тяготения подвергаются подвижные водные массы и жёсткая литосфера. Вполне закономерно выглядит формирование «водного горба», заливающего при перемещении прибрежные районы. Векторами (жирные линии) на рисунке показано распределение земной силы тяжести в области взаимодействия объектов. Максимальное ослабление встречных потоков излучения (а значит и силы тяжести) будет происходить в центральной области взаимодействия, где и формируется вздутие водных масс. Перемещаться же такие деформированные массы обязаны в направлении увеличения сил тяготения, т. е. растекаться в стороны, если бы отсутствовало вращение планет. Таким образом, в физическом плане все условия соблюдены.
В области, по отношению к которой возмущающий объект находится в надире, очевидно, всё должно быть наоборот. Поток лунного излучения складывается с земными импульсами (в области D), что приводит к деформации поверхности геоида и формированию впадины. В её центральной части сила тяжести будет максимальна. Здесь более деформированными могут быть верхние части земной коры, поскольку сжать водные массы, уже находящиеся под давлением 11 000 атмосфер, лунные силы не в состоянии. Поэтому море обязано перемещаться также в область увеличения силы тяжести, заливая прибрежный район.
В итоге, на первый взгляд физически непротиворечиво объяснено формирование приливов без деформации всей планеты силами, которые в реальности могут и не иметь решающего значения. Но важность приведённого объяснения заключается в другом. Это относится к проблеме природы гравитационного излучения, под которым предварительно подразумеваются потоки любых частиц, излучаемых той же Луной. Луну нельзя рассматривать в качестве генератора радиоволн, или нейтрино, хотя тепловое (инфракрасное) излучение присуще любому телу. Изучение более мелких частиц, чем нейтрино, пока выглядит как научная фантастика. Тем не менее, предложенный механизм возникновения приливов, основанный на взаимодействии движущейся материи (природе гравитации), как раз и позволяет подтвердить или усомниться в реальности такой природы фундаментального взаимодействия. Очевидно, необходимо произвести высокоточные измерения вариаций силы тяжести в области приливного воздействия, когда возмущающее тело находится в надире. Увеличение силы тяжести в этой области при опускании поверхности геоида будет доказательством существования гравитационного излучения Луны и его взаимодействия с потоком частиц, выбрасываемых Землёй.
Подобные высокоточные исследования достаточно сложны. Ведь измеряемый аномальный эффект зависит как от положения Луны и Солнца, так и от свойств деформируемой поверхности. Однако человек наблюдал за приливами и отливами с древних времён. После установления законов, описывающих динамику объектов Солнечной системы, дошла очередь и до лунно-земной динамики. Математические выводы, показывающие время наступления приливов в любой точке земного шара, общеизвестны. Сложнее объяснить физическую сторону явления. Не случайно отмечается, что механизм возникновения напряжений и деформаций может быть объяснён только при учёте совместного влияния Солнца, Луны и других планет. В качестве установленных закономерностей приводится следующая информация.
«Наибольшие амплитуды и скорости приливных движений определяются секториальной компонентой лунных приливов. Секториальная функция имеет в качестве узловых линий, т. е. линий обращения функции в ноль, только меридианы, расположенные на 45° по обе стороны от меридиана возмущающего тела (Луны). Эти линии делят сферу на четыре сектора, в которых функция поочерёдно принимает положительные и отрицательные значения» [Косыгин, 1988]. Данное обобщение позволяет полнее представить физику процесса, точнее – особенности вездесущего взаимодействия. Ещё одной подсказкой в этом плане служит замечание, что вертикальные приливные смещения достигают максимальных значений в приэкваториальной области, а в приполярных областях они близки к нулю. Это может означать лишь то, что потоки взаимодействующих импульсов ориентированы ортогонально в одних областях и соосно в других. Поток лунного излучения (Р1), обтекая земной шар, практически не взаимодействует с излучением Земли (Р2), распространяющимся в полярных областях. Ясно также, что при удалении от района этой плоскости всё больше импульсов излучения Земли будут взаимодействовать с лунными импульсами. Однако это усиление взаимодействия компенсируется тем, что область взаимодействия всё время удаляется от планеты и это снижает приливообразующий эффект, импульс РРЕЗ уменьшается (рис. 17-2). По-видимому, в какой-то средней области деформирующее влияние Луны окажется максимальным, и мы получим изменение функции от максимума до нуля.
В нашем примере не выполнено условие смены знака функции на 45-градусных меридианах. В построениях задействовано расстояние, равное радиусу планеты. В пределах области, ограниченной поверхностью на таком удалении, предполагается максимальное влияние «лунных сил». Угол между меридианом возмущающего тела и построенным меридианом составил ровно 30°. Кроме этого, приведены два варианта ситуации, соответствующей возникновению приливного воздействия. В варианте «А» выпуклость поверхности планеты в экваториальной области не может появиться без существования очень жёсткой (упругой) литосферы. Ещё более жёсткой последняя должна быть при смене знака функции на 45-градусных меридианах. Правда, непонятно, можно ли будет наблюдать при такой деформации именно прилив, а не отлив.
В варианте «Б» ситуация почти идентичная. Разница в использовании физического механизма, предполагающего максимальное гравитационное воздействие на породы литосферы, расположенные по отношению к Луне в надире. В этом районе в веществе, более подверженном сжатию, формируется не выступ, а впадина и наступает прилив. Вариант «Б» лучше соответствует физической реальности и, кроме того, позволяет допустить смену знака секториальной функции на 45-градусных меридианах. В таком случае несколько изменятся площади земной поверхности, характеризующейся восходящими или нисходящими перемещениями.
Примечательно, что механизм, в основе которого заложено вездесущее взаимодействие импульсов, позволяет лучше объяснять динамику системы, особенности деформаций верхних частей земной коры, полнее представлять возникновение напряжений, часто служащих «спусковым крючком» в возникновении землетрясений. На возможность изучения строения земной коры, блоки которой неодинаково реагируют на лунно-солнечные силы притяжения, геофизики давно обратили внимание. В частности, такие исследования проводятся при поисках месторождений нефти и газа. Ведь в этом случае деформации уже «глубинного газонефтяного горба» также значительнее, чем окружающих его пород. Правда, проблема прямого взаимодействия лунного излучения с излучением залежи углеводородов для обеспечения требуемого эффекта остаётся. Возвращаясь к океаническим приливам, отметим, что различная жёсткость пород земной коры также может влиять на высоту прилива. Иначе, чем можно объяснить интересные соотношения, проявляющиеся при совместном анализе зафиксированных высот приливов и величины осреднённых аномалий силы тяжести в свободном воздухе, или аномалий в редукции Фая [Океан сам по себе…, 1982; Моисеенко, 1981]. В пределах древней Северо-Американской платформы (Гудзонов залив, западное побережье Гренландии) обычная высота приливов составляет 5 и более метров. В то же время, район распространения осадочных пород чехла молодой платформы (Мексиканский залив, Карибское море) периодически затапливается приливной волной высотой не более 1 м.
Существенным фактором в этом плане считается своеобразие форм океанических бассейнов, а также резонансный период колебаний водных масс. Если резонансный период близок к 12-часовому периоду полусуточного прилива, отмечаются очень большие амплитуды. Подъём воды в узком (шириной 40-50 км) и протяжённом заливе Фанди в виде нагонной волны – вполне закономерное явление. Но как объяснить смену высоты прилива на открытом восточном побережье Южной Америки? Здесь, начиная с мыса Сан-Диего (восточная оконечность острова Огненная Земля), на протяжении 500 км к северу высоты приливов составляют 10-12 м. Далее, почти до устья реки Парана фиксируются 5 – 6-метровые приливы, сменяющиеся зоной малоамплитудных (всего 0,8-1,2 м) приливов.
Обратившись к геофизической информации, мы увидим, что области 10 – 12-метровых приливов восточного южно-американского берега чётко соответствует отрицательная аномалия силы тяжести в редукции Фая. К северу значения аномалий увеличиваются, а приливы по высоте уменьшаются. Такая же зависимость наблюдается и в северной части Индийского океана, где в области больших амплитуд приливов зафиксирована обширная отрицательная аномалия силы тяжести [Моисеенко, 1981].
Практически все стороны земного функционирования (геодинамические процессы) взаимосвязаны. Изменение особенностей движения и взаимодействия (гравитации) составных частей системы даже, на первый взгляд, далёких от точки наблюдения проявляются во всём объёме этой системы. Одни массы перемещаются, совершая периодические колебательные движения, другие – испытывают монотонные опускания или поднятия. Формируются горные системы, обширные котловины заполняются водой, и тогда мы говорим, что образовались океаны.
Океанические и континентальные (платформенные) области Луны выделяются только предположительно. Материалы, получаемые по результатам исследований, свидетельствуют не только о достаточно сложном внутреннем строении земного спутника, но и о значительных различиях во внутреннем строении других планет. Например, на Венере гидросфера отсутствует, а на Марсе полярные «шапки» периодически оттаивают и замерзают. Поэтому пришло время задать вопрос, не менее интересный, чем природа тяготения, приливных воздействий или механизм формирования океанов и континентов. Как определить длительность функционирования систем, значительно превосходящих по масштабам окружающие нас обычные макроскопические объекты?
Рисунки к разделу 17
