Вопрос 4

Граничные поверхности Земли и их роль в «процеживании» солнечного излучения.

СТРОЕНИЕ МАНТИИ ЗЕМЛИ

О более глубоком строении планеты позволяют судить результаты сейсмической томографии. Геофизикам давно уже известно, что скорость прохождения сейсмических волн строго определяется физическими свойствами среды. Чем плотней вещество, чем оно тверже, тем больше скорость прохождения сейсмических волн, чем размягченнее, тем скорость меньше. Разные волны – продольные, поперечные – с разной скоростью проходят через твердые или жидкие вещества. Скажем, поперечные волны не проходят через земное ядро, и поэтому ученые пришли к заключению, что ядро, по крайней мере, внешнее ядро Земли, жидкое. Таково свойство поперечных волн: они не могут пройти сквозь жидкую среду.

С помощью такого зондирования была получена объемная, трехмерная картина строения внутренности Земли.

Первое: структура земных недр оказалась очень неоднородной по вертикали. Она различна в верхней и нижней мантии. И второе: структура земных слоев оказалась и по горизонтали чрезвычайно неоднородной по всему земному шару.

С помощью сейсмической томографии и были обнаружены неровности на границе ядро – мантия.

Поскольку литосферные плиты представлялись как жесткие тела, которые перемещаются по земной сфере, то это дало возможность математически описать движение литосферных плит. Была использована известная теорема Эйлера, санкт-петербургского академика XVIII века, о том, что любое перемещение тела по сфере может быть описано в виде вращения вокруг оси, проходящей через центр этой сферы. Так были получены пути движения литосферных плит.

У новой теории были свои уязвимые стороны. Тектоника литосферных плит рассматривала процессы перемещения масс вещества и. следовательно, энергии лишь в верхних оболочках Земли, почти не трогая внутренней части Земли – ее недр.

Канадский геофизик Туз Вильсон и американец Джесоп Морган предположили, что где-то в мантии Земли существуют гипотетические горячие точки. Важно, что они неподвижны. Неподвижны относительно оси Земли, относительно мантии. Значит, плита, проходя над такими горячими точками мантии, как бы прожигается ими снизу, и след движения над такой горячей точкой мы наблюдаем в виде появления на поверхности серии вулканов.

И действительно, многие современные горячие точки, Гавайи например, сопровождаются хвостами из цепочек вулканических гор, хребтов. Очень протяженные, они тянутся на две-три тысячи километров. Эти «хвосты» не обязательно прямолинейны, могут быть изгибающимися. По существу, они отражают тот путь, по которому проходила литосферная плита над горячей точкой.

Эти горячие точки до сих пор используются для того, чтобы оценить, каким образом перемещаются литосферные плиты в так называемой абсолютной системе координат. То есть не только по отношению друг к другу, а в какой-то независимой системе отсчета, которая как-то привязана к мантии Земли и, очевидно, неподвижна по отношению к оси вращения Земли.

В последнее время появилось несколько статей, посвященных статистическому анализу распределения горячих точек на земной поверхности. В них ученые пришли к тому же выводу: это не беспорядочное, а очень регулярное расположение, и грубо можно выделить четыре крупных поля распространения этих горячих точек.

Одно охватывает значительную часть Тихого океана – тихоокеанское. Второе – это африканское поле, если можно его так назвать. Оно включает в себя не только Африку, но и прилежанию часть Атлантического океана – острова Канарские, Зеленого Мыса, Вознесения, Елены, многие другие, а также Исландию и ряд островов в Индийском океане. Эти два поля, каждое из которых имеет в поперечнике девять – десять тысяч километров, охватывают четверть поверхности земного шара, не меньше.

Есть еще по меньшей мере два малых поля. Одно относится к Австралии. Другое охватывает нашу Восточную Азию. Его можно назвать байкальским, или восточно-азиатским. Возможно, оно продолжается до Юго-Восточной Азии. Эти поля имеют меньшие размеры – несколько тысяч километров в поперечнике. Но и те и другие – это очень большие области, которые не связаны с границами плит. Больше того, анализ показывает, что они остаются устойчивыми по крайней мере последние 150–160 миллионов лет. Следовательно, это устойчивые аномалии на земной поверхности, связанные с проявлением вулканизма.

Ученые пошли дальше и выяснили, что эти горячие поля отражаются и в некоторых других чертах земной поверхности. Прежде всего, оказалось, что к горячим полям приурочены очень крупные поднятия в рельефе земной поверхности. Эти своды имеют тысячи километров в поперечнике и высоту около 500 -1000 метров. Оказалось, что к горячим полям приурочены повышения геоида. А расположенным между ними холодным нолям соответствуют понижения и отрицательные искажения геоида. Это, например, районы Индии или наша Евразия.

В последние годы было закартировано положение астеносферы (слоя, который подстилает твердую оболочку Земли, в котором вещество находится в размягченном состоянии и по которому, как по смазке, перемещаются литосферные плиты).

Астеносфера картируется примерно так же, как картируется зеркало грунтовых вод. Ведь грунтовые воды мы тоже не видим, а судим о них по уровню стояния воды в колодцах и скважинах. Вот так же можно закартировать астеносферу, только колодцами будут служить кратеры вулканов или трещины на дне рифтовых долин, по которым поднимается и изливается наверх магма. Обнаружилось, что разница в положении «зеркала» астеносферы может составлять до пяти километров. Разница эта обусловлена тем, над каким полем находится астеносфера – горячим или холодным. Над горячими полями, вблизи Азорских островов например, уровень этот поднимается, над холодными, скажем, между Австралией и Антарктидой или в Центральной Атлантике, опускается.

Кроме того, магма, которая изливается в срединно–океанических хребтах, приуроченных к горячим полям, очень сильно отличается по составу от магмы, излившейся на дно океана над холодным полем. Они различны по изотопным характеристикам и по насыщенности редкими элементами (В базальтах горячих точек повышено содержание стронция и неодима).

Если совместить карту распределения горячих точек и горячих полей на поверхности Земли с данными сейсмической томографии, то обнаружится, что не меньше чем 85 % всех горячих точек и все контуры горячих полей совпадают с горячими областями в нижней мантии. Горячие точки оказываются очень тесно связанными как со структурами, расположенными на поверхности,– аномалиями в форме геоида, так и с теми, что расположены в нижней мантии, даже на границе ее с ядром. Ну, соответственно, холодные поля отражены внутри Земли холодными зонами. В эту же систему вписываются неровности поверхности «ядро – мантия».

Два миллиарда лет назад произошло какое-то катастрофическое событие, вызвавшее со временем разделение первичного вещества Земли на обогащенную элементами континентальную кору и истощенную верхнюю мантию, которой потом питаются океанические базальты. А в нижней мантии осталось первичное вещество, которое подпитывает горячие точки, горячие поля.

Если такой перенос кверху происходит в пределах горячих полей, то под холодными полями должен существовать противопоток. Это условие или состояние, отвечающее представлению о конвекции в Земле.

ЗЕМЛЯ И КОСМОС: ПЕРВЫЕ ГРАНИЧНЫЕ ПОВЕРХНОСТИ

Внешний фронт земли многослоен. Земля находится в плазменной короне Солнца и постоянно им облучается. Солнце, в недрах которого царит температура порядка 13 000 000° С, а на поверхности – около 6000° С, каждую секунду излучает 3,8 1028 Дж энергии. На Землю попадает лишь одна двухмиллиардная доля энергии Солнца, но ее достаточно для возникновения и развития жизни. Солнце посылает на Землю два типа излучения: электромагнитные волны длиной от миллионных долей миллиметра до десятков километров и потоки заряженных частиц – корпускул, движущихся со скоростью около 1000 км/с и через одни – двое суток достигающих Земли. Часть космического излучения приходит из-за пределов Солнечной системы. От большей части космического излучения жители Земли надежно защищены сложной системой различных физических оболочек, через которые проникает только видимый свет, небольшая доля прилегающих к нему ультрафиолетовых и инфракрасных лучей и узкий участок радиоволн. Интенсивность космического излучения, достигающего поверхности планеты, зависит как от интенсивности солнечного излучения, так и от напряженности магнитного поля Земли и вследствие этого от экранирующего влияния ионосферы и слоев заряженных частиц.