Помоги проекту - поделись книгой:
Под кризисами мы понимаем кризисное состояние биосферы и прежде всего животного мира. Имеются в виду периоды (эпохи), в которые происходило массовое вымирание организмов.
Можно считать установленным, что в геологическом прошлом неоднократно происходили резкие изменения абиотических условий окружающей среды. Они приводили к массовым вымираниям организмов. Откуда мы об этом знаем? Ученые пользуются таким правилом: заключение о существовании в тот или иной момент времени данного вида (или рода) должно делаться на основании соответствующих палеонтологических находок. Если же таких находок для указанного исследуемого момента или более позднего времени нет, то можно заключить, что данный вид (или род) вымер.
Последнее из наиболее значительных массовых вымираний произошло в конце мелового периода. В это время перестали существовать многие представители морской и наземной флоры и фауны. В это время вымерла значительная часть видов морского планктона. Из четырех семейств планктонных фораминифер в конце мела вымерли три семейства. Из 23 родов вымерли 17. В конце мелового периода исчезло большинство семейств и родов существовавших тогда двухстворчатых моллюсков. В это же время вымерли и многие брахиоподы, остракоды, аммоноидеи, белемноидеи, а также другие беспозвоночные животные. В группе костистых рыб также произошли значительные изменения. При переходе от последней эпохи мелового периода (маастрихта) к первой эпохе третичного периода (данию) из 38 родов сохранилось 8, из 50 видов — 11.
Известно, что в конце мелового периода вымерли многие наземные, водные и летающие рептилии. Динозавры относились к числу вымерших наземных рептилий.
Самые точные сведения о продолжительности вымирания в поздний меловой период можно получить из наиболее массовых палеонтологических материалов, которые относятся к некоторым морским позвоночным, в частности к фораминиферам. Вымирание планктона на границе мелового и третичного периодов произошло за время около 200 лет.
Вымирание рептилий, в том числе и динозавров, обсуждалось очень широко. В одной из работ 1982 года была высказана мысль, что вымирание разнообразных организмов, включая и динозавров, и многих других рептилий, произошло за очень короткое время. Предположили, что причиной вымирания было падение крупного астероида. Позднее высказывалось и другое мнение. Автор полагает, что вымирание продолжалось не менее двух миллионов лет и оно было, по мнению автора, вызвано похолоданием климата. Причина похолодания климата не обсуждается.
Что касается изменения климата, то оно действует губительно на живые организмы только в том случае, если происходит за относительно короткое время. Это подтверждается возникновением четвертичных оледенений, когда понижение температуры на обширных территориях составляло десятки градусов. Но при этом изменения климата происходили на протяжении многих тысяч лет. Поэтому массового вымирания организмов не случилось. Правда, при наступлении ледников крупные изменения климата происходили только в высоких и средних широтах. Это позволило многим животным и растениям перемещаться в более теплые районы низких широт, где климат менялся незначительно. Ясно, что если бы ледники покрыли всю поверхность Земли, то ее биосфера была бы целиком уничтожена. Собственно, это подтверждается тем фактом, что в центральных областях Антарктиды, которые покрыты ледяным щитом, отсутствуют живые существа, которые обитали бы там постоянно.
В начале мезозойской эры существенно изменился химический состав атмосферы. В результате произошло значительное уменьшение количества кислорода в воздухе. Поскольку процесс был глобальным, то есть охватывал всю земную атмосферу, то это привело к существенному сокращению общего числа видов животных.
Если происходит изменение температуры, то оно наиболее опасно для биосферы в том случае, если развивается быстро, в течение короткого периода времени. Если такие изменения происходят за сотни тысяч лет и при этом изменение средней температуры не превышает несколько градусов, то значительная часть живых организмов должна приспособиться к такому изменению температуры, в частности к похолоданию. Животные могли бы постепенно переселиться в более теплые районы. С другой стороны, в этих условиях будет происходить акклиматизация, приспособление к новым более суровым условиям путем эволюционных изменений в самом организме животных. Мы уже говорили, что на протяжении эпох фанерозоя средняя температура изменялась в пределах нескольких градусов. Но это не приводило к массовому вымиранию животных, поскольку эти изменения температуры происходили очень медленно. Вымирание животных в конце мелового периода объяснить понижением средней температуры нельзя, если такое изменение было медленным. Для создания катастрофических условий средняя температура должна была понизиться примерно на 10 °C. Но палеотемпературные данные такого понижения в это время (да и вообще за всю геологическую историю Земли) не выявляют. То, что такого похолодания действительно не было, явствует из того факта, что в конце мелового периода не произошло развития крупных оледенений. Если бы такое похолодание действительно произошло, то неизбежные при этом оледенения были бы обнаружены.
При анализе ситуаций в прошлом и при попытках заглянуть в будущее надо помнить одно: чем быстрее изменяются условия жизни в худшую сторону, тем они опаснее для жизни, тем больший ущерб эти изменения причиняют живым организмам. Ученые это правило называют экологическим принципом воздействия неблагоприятных факторов на живую природу. Это значит, что даже незначительное, но резкое понижение средней температуры воздуха на всей Земле может вызывать массовое вымирание животных. Но это произойдет только в том случае, если изменение температуры произойдет в продолжение нескольких (немногих) лет. Если это похолодание затянется на многие тысячи или более миллиона лет, то катастрофы не произойдет. Животные постепенно разными путями приспособятся к новым условиям жизни.
Самым главным во всей этой проблеме выживания является вопрос о том, какими причинами были вызваны катастрофические изменения климата. Для нас это не просто любопытство или любознательность, но и вопрос нашего выживания. Надо понять, что происходило в прошлом биосферы. Тогда нам легче будет оценить те изменения климата, которые нас ожидают в будущем (частично, по нашей вине). Поэтому еще раз проанализируем, что может реально вызывать изменения климата, которые были бы катастрофическими. О действии вулканических извержений на климат мы уже говорили. Суть этого действия состоит в том, что после извержений вулканов взрывного характера происходит уменьшение прозрачности атмосферы, а значит и уменьшение солнечной энергии, достигающей земной поверхности. Поэтому температура приземного слоя атмосферы уменьшается или в данном регионе, или во всем полушарии, или в масштабах всей Земли. Реализующийся вариант зависит от мощности и частоты вулканических взрывов. Если извержения вулканов являются единичными, то температура нижнего слоя атмосферы изменится незначительно, только на несколько десятых градуса. Но надо помнить, что речь идет о средней температуре. Если же извержение вулканов происходит одно за другим, целой серией, то средняя температура нашей планеты может уменьшиться на все 5 °C и даже больше. Ученые считают, что такие серии извержений вулканов, по теории вероятностей, могли происходить на Земле примерно каждые 10 — 100 миллионов лет.
Уже говорилось и о том, что критическое состояние климата может быть вызвано столкновением Земли с кометами, крупными метеоритами или астероидами. Еще Лаплас в конце XVIII века высказал мысль, что глобальное вымирание организмов на Земле было связано с падением на земную поверхность комет, что в конце концов приводило к глобальному похолоданию. Имеются прямые и косвенные свидетельства того, что такое могло быть на самом деле.
Во-первых, падение на Землю небесных тел сейчас не вызывает сомнения. Имеются все доказательства того, что небесные тела бомбардировали не только Луну, но и все планеты Солнечной системы. Это документировано при проведении космических исследований за последние десятилетия. Ясно, что небесные тела точно так же падали и на Землю. Причем падало их отнюдь не меньше. Остались следы этого падения — малые и крупные кратеры. Специалисты считают, что крупные кратеры (радиусом 100 км) возникали в среднем один раз за 14 миллионов лет. Более крупные небесные тела падали на Землю реже — один раз за 600 миллионов лет. Они оставляли после себя след — кратер диаметром в 1000 км. Эти кратеры, как и менее крупные (диаметром в 200 км), имеющие астрономическое происхождение, называют астроблемами. Гидросфера и атмосфера на Земле сильно разрушают за тысячи и миллионы лет эти «воронки». Поэтому не все они сохранились в первозданном виде до наших дней. В большинстве случаев они весьма сглажены или полностью деформированы водой, ветром и эрозией.
Когда происходили столкновения Земли со сравнительно большими небесными телами, то они сопровождались мощными взрывами, при которых выделялось огромное количество энергии. В результате после взрыва температура воздуха в районе взрыва на короткое время повышалась. После этого локального нагрева наступало длительное глобальное похолодание. Причиной похолодания был образовавшийся толстый аэрозольный слой, поскольку атмосфера была заполнена продуктами взрыва. Нечто подобное происходит и после взрывного мощного вулканического выброса. Но при столкновении с крупным небесным телом мощность взрыва в десятки и сотни раз больше. Поэтому и значительнее последствия, в частности запыление атмосферы.
Поскольку частицы, попавшие в атмосферу после столкновения Земли с большим небесным телом, образовались в результате взрыва, то они должны быть специфичными как по составу, так и по форме. В частности, они должны быть оплавленными. Раз эти частицы меченые, то их можно отличить от других. Значит, их стоит искать. И ученые искали рассеянное метеоритное вещество (которое осело на земную поверхность из образовавшегося аэрозольного слоя). Особо анализировались периоды, которые соответствуют эпохам крупных вымираний животных. Поиски оказались не безрезультатными. Ученые действительно нашли в слоях, которые относятся к концу мелового периода, избыточное количество иридия. Именно в небесных телах иридия больше, чем в земных. Но это касается не только иридия. В небесных телах концентрация и других металлов отличается от их концентрации в земных условиях (металлы платиновой группы, а также никель и кобальт). Подтверждения того, что небесные тела бомбардировали Землю, меняли климат на ней, обнаружены на разных континентах (в Европе, Африке, Северной Америке, Новой Зеландии) и даже на дне центральной области Тихого океана. Значит, эффект от падения небесных тел был глобальным. Так же глобально изменялся и климат на Земле.
По количеству иридия в осадочных отложениях можно не только судить, откуда он взялся (от небесного или земного тела), но и можно определить размеры упавшего небесного (внеземного) тела. Ученые таким путем определили, что найденный иридий в осадочных отложениях выделился при взрыве небесного тела (при столкновении с Землей), которое имело размеры 5 — 16 км. Масса этого астероида составляла несколько миллионов мегатонн (1014 кг). Мы говорим об астероиде исходя из его огромной массы. Можно определить, что при падении на землю столь тяжелого астероида выделились огромная энергия. Она была оценена примерно в 1023 джоулей. Это соответствует энергии, которая выделяется при взрыве 1014 тонн тринитротолуола.
Расчеты показали, что при падении указанного астероида на Землю образовался аэрозольный слой, который в тысячи раз был более мощным, чем тот аэрозольный слой, который образовался в атмосфере в результате извержения вулкана Кракатау в 1883 году. Столь мощный аэрозольный слой служил плотным стратосферным экраном, который полностью задерживал солнечное излучение и оно не доходило до поверхности Земли. Поэтому прекратился фотосинтез, за чем последовало, естественно, вымирание животных. Экранирование Земли от солнечного излучения аэрозольным слоем длилось в течение нескольких лет. Но причиной вымирания животных могло быть и нагревание атмосферы. Атмосфера после падения астероида сразу нагрелась, и это могло повлечь за собой гибель животных. Нагрев атмосферы мог произойти и вторично — через тысячи лет после взрыва астероида. Дело в том, что после падения астероида в атмосфере изменились условия — увеличилось количество углекислого газа. Это стало естественным результатом того, что в океанах фитопланктон погиб и углекислый газ, который планктон поглощал, оказался невостребованным. Поэтому его концентрация в атмосфере постепенно стала увеличиваться. Углекислый газ в атмосфере создает парниковый эффект: чем его больше, тем больше нагревается атмосфера и Земля (земная поверхность). Поэтому естественно предположить, что по этой причине нагрев атмосферы увеличивался постепенно, что привело к ее перегреву и массовой гибели животных. Эти соображения о причинах глобальной гибели животных в конце мелового периода весьма логичны. Но не все исследователи их разделяют. Во-первых, они указывают на то, что если бы фотосинтез на Земле перестал протекать, то жизнь прекратилась бы раз и навсегда. Особенно трудно в этих условиях пришлось бы живым организмам в океанах, где нет сколько-нибудь значительных запасов органического вещества, которое они могли бы использовать в пищу и выжить. В то же время факты говорят за то, что массового вымирания океанических организмов все-таки не было. Поэтому надо согласиться с тем, что фотосинтез прекратился не полностью. Высказываясь против того, что сразу после падения астероида температура нижнего слоя атмосферы катастрофически повысилась, ученые приводили такой довод: если падение астероида произошло в океан, то воды океана без больших проблем утилизировали энергию астероида. Если падение астероида произошло на суше, то и в этом случае земная кора должна была поглотить основную часть углубившегося в нее астероида.
Есть противники утверждения о том, что произошла массовая гибель животных из-за перегрева нижнего слоя атмосферы. Здесь не учитывается, что разные животные по-разному реагируют на изменение температуры атмосферного воздуха. На самом деле в конце мелового периода исчезли многие группы позвоночных, которые не имеют терморегуляции. В то же самое время теплокровные животные (млекопитающие и птицы) остались практически невредимыми. Поэтому специалисты отдают предпочтение предположению, что вымирание животных в конце мелового периода было все же обусловлено похолоданием, которое было резким и кратковременным.
Надо иметь в виду, что в конце мезозойской эры на Земле было значительно теплее, чем сейчас. Тогда на Земле на всех широтах существовал теплый и жаркий климат. В таких условиях понижение температуры на 5 — 10 °C было вполне достаточным для того, чтобы вызвать массовое вымирание более или менее стенотермных жизненных форм, которых в конце мезозойской эры было очень много.
Высказывались и другие гипотезы о причинах массового вымирания животных в конце мелового периода. Одна из таких причин связывается с влиянием на земные организмы взрывов сверхновых звезд, которые происходили (могли происходить) на сравнительно близком расстоянии от Солнечной системы. Другие гипотезы рассматривать не будем. Скажем только, что вопрос о том, почему происходило массовое вымирание животных в конце мелового периода, далеко не исчерпан и разработка новых гипотез продолжается. Тем более, что сама проблема очень масштабна и экзотична. Но можно на нее посмотреть и более трезво и не привлекать сюда сверхновые звезды. Рассуждаем так. Жизнь может существовать только при определенных условиях (температуре, атмосферном давлении, влажности и др.). Имеется в виду жизнь живых организмов, так как сама жизнь как таковая существует при очень сильно измененных условиях. Условия на Земле за всю ее историю менялись весьма существенно. Они просто не могли не меняться, поскольку на климатическую систему действует одновременно слишком много факторов. Поэтому вполне естественно, что время от времени для определенных животных условия «зашкаливали» и эти животные переставали существовать. Такое рассуждение вполне логично, хотя и прозаично, обыденно. Конечно, это не значит, что не было ни астероидов, ни извержения вулканов, ни других катаклизмов. Все было, и все это привело к существующему положению.
Детальный анализ всей имеющейся информации по поводу массовых вымираний животных в конце мелового периода заставляет выбрать более умеренные оценки происходящего. Во-первых, трудно согласиться с тем, что после падения астероида средняя (!) температура воздуха над континентами понизилось на 40 °C. Нельзя согласиться с тем, что в течение полугода эта температура была ниже точки замерзания. Если бы это было так, то вымерло бы почти все живое из фауны и флоры, а не только часть животных. Нельзя согласиться с тем, что фотосинтез прекратился на несколько лет. Правда, авторы этого заключения пересмотрели свои выводы и сейчас считают, что фотосинтез не происходил только в течение нескольких месяцев. Надо при этом учесть, что морские животные чувствительны не только к наличию пищи (она создавалась с помощью фотосинтеза), но и к температуре воды. В конце мелового периода, как уже говорилось, было на Земле весьма тепло. Естественно, что и Мировой океан населяли животные, которые очень любили тепло. Уменьшение температуры океанической воды всего на несколько градусов, естественно, оказалось бы для них гибельным.
Мы весьма подробно рассмотрели массовое вымирание животных в конце мелового периода. Но в истории Земли были и другие периоды, когда происходила массовая гибель животных. На протяжении фанерозоя произошло несколько наиболее крупных вымираний. Специалисты полагают, что в конце пермского периода произошло вымирание животных более крупного масштаба, чем в конце мелового периода. В фанерозое кроме нескольких очень масштабных вымираний было больше меньших по масштабу вымираний животных. Но получить данные о них намного сложнее, чем о крупных вымираниях. Палеонтологические данные о событиях, которые оставили слабые следы, непросто. Тем не менее ученые установили, что некоторые из этих менее масштабных вымираний были также вызваны падением на Землю небесных тел. Эту точку зрения разделяет практически большинство ученых. Дело в том, что она хорошо подтверждается фактами. Например, в научной литературе сообщалось, что в середине позднего девона (365 миллионов лет тому назад) имело место массовое вымирание морской фауны. Обсуждалось, что причиной этого могло быть падение большого метеорита. И действительно — не так давно в Австралии были обнаружены повышенные концентрации иридия именно в том слое, который соответствует этому геологическому периоду.
О действии похолодания на массовое вымирание животных можно судить и более конструктивно. Не обязательно считать, что все животные от охлаждения погибли сразу, в короткое время. Могло все происходить в результате не одноразового действия фактора (например, извержения вулкана), а вследствие ряда крупных извержений, которые происходили в эпохи максимальной вулканической активности, между этими отдельными извержениями проходили многие тысячи лет. При такой ситуации вымирание проходило поэтапно. В результате первого похолодания погибали наименее приспособленные к охлаждению животные. При последующем взрыве происходило вымирание ряда других групп животных, которые были ослаблены за время предыдущих похолоданий.
Нельзя рассматривать падение астероидов и выбросы вулканов полностью независимыми. Очень вероятно (и логично!), что удар астероида об Землю должен активизировать процессы перемещения магматических масс в литосфере. В результате неизбежно должно произойти усиление вулканической активности. Другой вопрос — как долго будет длиться этот активный период. Во всяком случае, он должен быть достаточным для того, чтобы вызвать серию особенно крупных вулканических извержений. Поэтому после начальной аэрозольной катастрофы мог произойти ряд новых катастроф, которые и доконали животных, оставшихся после падения астероида. Так могли возникать двухэтапные массовые вымирания животных.
То, что массовые вымирания животных проходили этапами, а не сразу, подтверждается исследователями тех массовых вымираний животных в фанерозое, которые были более слабыми по сравнению с крупнейшими вымираниями, которые обсуждались ранее. Результаты исследования показали, что эти рядовые вымирания животных были разделены между собой более или менее близкими интервалами времени, которые в среднем имели продолжительность в 26 миллионов лет. Астрофизики заинтересовались этими результатами. Они предложили их объяснение. Оно состоит в том, что такие рядовые вымирания, возможно, были вызваны небольшой звездой. Эта звезда пока что не обнаружена, но по всем данным она обязана быть спутником Солнца. Эту звезду назвали Немезидой по имени греческой богини возмездия. Название звезды выбрано не случайно. Что касается ее астрономических характеристик, то ученые сообщают о них следующее. Немезида движется по эллиптической орбите на среднем расстоянии от Солнца, которое примерно в 100 000 раз больше расстояния между Солнцем и Землей. Немезида совершает один оборот вокруг Солнца за 26 миллионов лет. При движении по своей орбите Немезида время от времени приближается к облаку Оорта. Это область в космосе, в которой содержатся кометы и остатки вещества, недорасходованного при создании Солнца и планет Солнечной системы. Звезда Немезида, пролетая через эту область, так действует на нее, что способствует массовому выбросу комет, движущихся в сторону Солнца. Далее логика понятна — некоторые из этих комет должны столкнуться с Землей. Одна серия образования таких комет, которые затем движутся к Земле, занимает во времени примерно 1 миллион лет. Ясно, что серии возникают и действуют на Землю, на ее климатическую систему с периодом, равным 26 миллионов лет. Все здесь красиво и заманчиво. Осталось только обнаружить Немезиду (не богиню, а звезду) и уточнить экспериментально свойства облака Оорта, где рождаются кометы. Приведенная выше гипотеза описана в научной литературе, и предложили ее серьезные ученые — астрофизики, а не фантасты. Поэтому мы ее и привели. Ведь известно, что идея должна быть достаточно безумной, только тогда у нее есть шансы быть правильной. Мы так перефразировали высказывание известного ученого-ядерщика Макса Бора. Тем не менее другие ученые высказывают к описанной идее (гипотезе) немало претензий. Во-первых, считают оппоненты этой гипотезы, четкая периодичность с периодом в 26 миллионов лет массовых вымираний животных не доказана достоверно. Во-вторых, многие астрономы считают личным оскорблением предположение, что вблизи Солнца обитает еще никем не обнаруженная звезда. Это при нынешнем оснащении астрономов уникальными инструментами наблюдения во всех диапазонах спектра! Астрономы считают, что такая малая звезда не могла длительное время быть частью Солнечной системы, так как на столь большом расстоянии от Солнца сила тяготения ее к светилу очень мала. Но спор в научных кругах о Немезиде пока продолжается.
ПЛАВАЮЩИЕ МАТЕРИКИ И ЛИТОСФЕРА
Атмосфера появилась «из-под земли». Поэтому мы не можем ограничиться рассмотрением только атмосферы и гидросферы. Мы должны заглянуть и «под землю», тем более, что оттуда непрерывно поступают в атмосферу различные газы, а также аэрозоли.
Как устроена Земля?
Земля образовалась из того вещества, которое было выброшено из Солнца. Поэтому имеет смысл начать историю Земли с самого начала — с момента образования Солнца. Солнце в его нынешнем виде образовалось 6–7 миллиардов лет назад. Земля же образовалась примерно 4,6 миллиарда лет назад. Звезда — Солнце — с самого начала была не такой, как сейчас. Каждая звезда рождается, живет и умирает. Наше современное Солнце — это определенный этап в развитии, жизни звезд.
Каждая звезда образуется из газового облака, которое под действием собственной гравитации постепенно сжимается. По мере сжатия плотность вещества увеличивается. Когда она достигает определенной критической величины, то начинается дробление (фрагментация) единого облака. Каждая часть раздробленного облака сжимается — и из нее образуется звезда.
Основной характеристикой, от которой зависит дробление первоначального облака, является плотность вещества в облаке. Если радиус облака уменьшится в два раза, то плотность вещества увеличится в 8 раз. Первоначальное облако, из которого впоследствии образовалась наша Галактика, состояло из водорода. Когда оно распалось на отдельные части, то они при гравитационном сжатии стали превращаться в звезды. Образование звезд происходило следующим образом.
Облака-протозвезды сжимались под действием сил гравитации. На определенном этапе сжатия облака его плотность увеличивается настолько, что оно перестает выпускать наружу инфракрасное излучение вещества облака. Это приводит к очень быстрому росту температуры в центральных областях облака. Образуется большой перепад температуры между центральной частью протозвезды и внешними слоями. Перепад давления вызывает процессы конвекции, которые стремятся выровнять температуру во всем облаке — протозвезде. В наружных слоях протозвезды температура достигает примерно 2500 °C. Протозвезда продолжает сжиматься, ее размеры уменьшаются. Температура в ее недрах продолжает увеличиваться. В какой-то момент она достигает десяти миллионов градусов. Тогда «включаются» термоядерные реакции с участием ядер водорода (протон — протонные реакции), и протозвезда перестает сжиматься. Это значит, что протозвезда превратилась в звезду.
Энергия звезды, благодаря которой поддерживаются высокие температуры в ее недрах, черпается из термоядерного синтеза. В этих термоядерных реакциях четыре протона путем разных преобразований соединяются так, что образуют ядро гелия (альфа-частицу, состоящую из двух протонов и двух нейтронов). При превращении одних частиц в другие часть их массы превращается в энергию. Поэтому можно оценить запасы атомной энергии звезды.
Дальнейшая эволюция звезды определяется, главным образом, ее массой. Чем больше масса звезды, тем больше энергия, которая может выделиться внутри звезды в процессе термоядерных реакций, тем больше горючего содержится внутри такой звезды. Казалось бы, что такая звезда должна жить (светиться) дольше. Но это не так. Чем массивнее звезда, тем больше она излучает энергии в космическое пространство. Если массу звезды увеличить в три раза, то ее расход энергии на излучение (светимость) увеличится в девять раз. Поэтому с увеличением массы звезды продолжительность ее жизни резко уменьшается. Так например, горючего для ядерного реактора внутри Солнца хватит еще на десятки миллиардов лет. Около пяти миллиардов лет это горючее уже расходуется. Но если масса звезды в 50 раз превышает массу Солнца, то ее горючего хватит всего на несколько миллионов лет!
Когда в процессе термоядерных реакций в ядре звезды израсходуется весь водород (он превращается в гелий), то термоядерные реакции превращения водорода в гелий начинают идти в слое вокруг ядра. Светимость звезды на этом этапе увеличивается. Звезда как будто разбухает. Но температура поверхностных слоев звезды уменьшается, поскольку размеры ее увеличились. Поэтому она начинает светиться не голубым, а красным цветом. Такую звезду называют красным гигантом. Дальше звезда эволюционизирует следующим образом. Поскольку в ядре не идут термоядерные реакции и не выделяется тепло, то она постепенно сжимается под действием сил гравитации. В результате сжатия ядра увеличивается его температура. Она достигает 100–150 миллионов градусов. При столь высокой температуре гелий становится источником тепла: идут термоядерные реакции, в результате которых ядра гелия превращаются в ядра углерода. Давление внутри ядра звезды увеличивается, поэтому сжатие прекращается. Светимость звезды на этом этапе увеличивается из-за выделения энергии из ядра. В результате увеличивается и поверхностная температура звезды.
Но когда-то кончается и гелий. Причем значительно быстрее, чем кончился водород. Когда это произойдет, то звезда теряет свои наружные слои. Они расширяются и отделяются от ядра звезды. Эти слои впоследствии наблюдаются как планетарная туманность. После этого момента события будут развиваться по одному из трех вариантов (сценариев). Какой из вариантов реализуется, это зависит только от массы звезды. Если масса звезды меньше 1,2 массы теперешнего Солнца, то вещество звезды под действием гравитационного сжатия уплотняется таким образом, что его плотность достигает 10 тысяч тонн в кубическом сантиметре. При такой огромной плотности атомы разрушаются. После этого сжатие звезды прекращается, так как ему начинает противодействовать сила упругости образованного очень плотного газа. Такая звезда (ее называют «мертвой») является белым карликом. Напомним, что до того, как звезда превратится в белого карлика, она некоторое время становится красным гигантом. Затем белый карлик в течение нескольких миллиардов лет остывает и в конце концов превращается в черного карлика, то есть в тело, которое уже не излучает. Звезда умирает и перестает излучать. Специалисты часто ее называют «трупом». Во Вселенной имеется бесконечное количество кладбищ звезд, превратившихся в черных карликов. Эта судьба ждет и наше Солнце, которое когда-то было и красным гигантом. Но оно сбросило лишнее вещество и из него образовались планеты нашей системы, в том числе и Земля. Что происходит со звездами, масса которых больше 1,2 массы Солнца, мы подробно описали в книге «Внеземные цивилизации» (ЭКИЗ, 1993). Здесь только скажем, что те из звезд, масса которых больше 1,2, но меньше 10 масс Солнца, в конце концов превращаются в нейтронные звезды. Это очень уникальные объекты. Плотность вещества такой звезды равна плотности вещества внутри атомного ядра! Получить такое вещество на Земле невозможно. Если же масса звезды превышает 10 масс Солнца, то она превращается в черную дыру, радиус которой равен всего 1–3 км. Так сильно ужимается (и уплотняется) вещество столь массивной и первоначально огромной звезды.
Но вернемся к Солнцу. Предшественник Солнца красный гигант сбросил с себя вещество, которое состояло в значительной мере из тяжелых химических элементов. Этот сброс происходит в виде взрыва. После того, как красный гигант сбрасывает свою шубу, он превращается в сверхновую звезду. Ученые слово «звезда» опускают и говорят просто «сверхновая». Таким образом наше Солнце после стадии красного гиганта превратилось в сверхновую звезду. Но при этом в околосолнечное пространство оно сбросило лишнее вещество, из которого и образовались планеты Солнечной системы. Это происходило так.
Спустя несколько сотен миллионов лет околосолнечное облако сброшенного Солнцем вещества стало постепенно остывать. При этом в нем стали появляться твердые частицы пыли. Все частицы облака находились в движении вокруг Солнца и постепенно стали двигаться в экваториальной плоскости Солнца, образуя своего рода диск. Это были струи твердых частиц и газов, занимающие пространство в форме диска и движущиеся вокруг Солнца. По законам движения происходила сортировка частиц по их величине и плотности: чем ближе к Солнцу, тем вещество приобретало большую плотность. Поэтому планеты земной группы, которые находятся ближе к Солнцу, чем остальные, образовались из более плотного вещества. Поэтому они и меньше по размерам. Это Меркурий, Венера, Земля и Марс. Более далекие планеты образовались из летучих элементов и более легких газов. Поэтому они и по размерам больше. Это Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон.
Примерно 5 миллиардов лет назад «вырисовался» зародыш Земли. Но процесс ее формирования продолжался в течение примерно еще одного миллиарда лет. Только после этого Земля стала постепенно остывать и превратилась в холодное безжизненное скопление космического вещества. Но спустя сотни миллионов лет это остывшее вещество вновь стало разогреваться, но уже по другим причинам. Энергия для этого поступала от ударов космических тел, а также вследствие радиоактивного распада химических элементов. Расплавилось ли при этом земное вещество полностью или только частично, сказать трудно. Ясно одно, что жидкое (или частично жидкое) вещество Земли получило возможность под действием силы притяжения перераспределиться по плотности вещества, по его удельному весу. При этом самое плотное вещество, состоящее из тяжелых элементов и соединений, стремилось к центру Земли. Во внутреннем составе Земли преобладает железо (35 %); за ним идет кислород (30 %), далее следуют кремний (15 %) и магний (12 %). Вещество Земли содержит значительное количество радиоактивного вещества, при распаде которого выделяется тепло. Этого тепла достаточно для того, чтобы поднять температуру в самой середине Земли до 6 000 °C. Под действием сил тяжести и тепла сформировалась и структура Земли: в ее сердцевине находится ядро, которое окружено мантией. Снаружи мантию покрывает земная кора.
Ядро Земли состоит из двух частей — внутренней и внешней. Внешняя граница земного ядра находится на глубине 2 900 км. Ниже этой границы (то есть в ядре) плотность вещества увеличивается скачком на 80 %. Внешняя часть ядра является жидкой. Внутренняя часть ядра состоит из железоникелевого сплава и ведет себя как твердое тело. Давление в центре ядра, а значит и в центре Земли, достигает 3 миллионов атмосфер. Температура там достигает 10 000 °C. Во внутренней части ядра сосредоточено только 1,7 % всей массы Земли. Более массивной является внешняя часть ядра. Она содержит почти треть всей массы Земли. Но плотность вещества во внешней части ядра значительно меньше, чем во внутренней, поскольку оно разбавлено легкой серой. Ее там содержится до 14 %.
Полагают, что сразу после образования Земли ее ядро было целиком расплавленным. Затем оно постепенно стало остывать, и на сегодняшний день расплавлена только его внешняя часть. Любопытно, что внешняя граница ядра не является идеальным шаром. Это слой со своеобразным рельефом, толщина которого в разных местах разная — от 150 до 350 км.
Ядро Земли окружено мантией. Она простирается от 30–50 до 2 900 км в глубину. Порода мантии содержит в себе 80 % оливина (Mg, Fe)2 [SiO4] и 20 % пироксена (Mg, Fe)2 [S2O6]. Эту породу называют перидотитом. Она представляет собой зеленоватые минералы, силикаты магния и железа.
В мантии также высокая температура. Поэтому глубинные породы расплавляются и превращаются в магму. Эта магма по трещинам прорывается наверх в виде лавы. Собственно Земля на 82 % состоит из мантии. Она, естественно, неоднородна. Ученые делят ее на верхнюю и нижнюю. Но самым важным элементом, прослойкой мантии является слой в верхней мантии, в котором породы находятся в частично расплавленном состоянии. Расплав составляет всего 1–3 %. Но этого достаточно, чтобы обеспечивать весьма своеобразную динамику всей вышележащей части Земли. Из-за слабого расплава вещества в этом слое он был назван «астеносферой» («астенос» — слабый). Это слаборасплавленное вещество не является жидкостью, и течь оно не может. Но оно служит своего рода «смазкой», по которой перемещаются жесткие литосферные плиты, которые образуют верхнюю твердую оболочку Земли. Эта оболочка и называется «литосферой» (от греческого «литос» — камень).
Земная кора имеет разную толщину на материках и под океанами. Она толще всего там, где вздымаются могучие горные хребты. Океаническая кора тоньше континентальной. Состав их также различен. Океаническая кора состоит из двух слоев — базальтового и осадочного. Базальты — это темно-зеленая или даже черная силикатная порода, которая содержит кальций, натрий, магний и железо (а иногда и алюминий). Океаническая кора выделяется из самого верхнего слоя мантии, который под дном океана находится на глубине всего 10–50 км. Там, в верхнем слое мантии, порода находится в расплавленном состоянии и оттуда по трещинам поступает наверх, где и застывает, образуя базальтовый слой океанической коры.
Земная кора на континентах образуется по-иному. Она состоит из нескольких слоев. Самый верхний ее слой сложен песчаниками, глинами и известняками. Следующий слой (которого нет в океанической коре) образован гранитами и метаморфическими породами, которые изменились под влиянием высокой температуры и давления. Это и есть основной слой земной коры континентов. Кроме этого основного слоя в земной коре имеются осадочные породы — песчаники, глина, базальты. Базальты и подобные им породы составляют нижнюю часть континентальной коры. Континентальная кора образовалась давно, более 3 миллиардов лет. Океаническая кора возникла по геологическим понятиям только что, всего 150–170 миллионов лет.
Все вещество Земли находится в непрерывном движении. Так, любой участок литосферы постоянно перемещается по горизонтам. Конечно, мы этого не замечаем, поскольку перемещение составляет всего несколько десятков сантиметров в год. Но за геологические отрезки времени это перемещение достигает многих тысяч километров. Посмотрите на глобус или карту и мысленно или на рисунке сдвиньте Америку к Африке. Они очень хорошо стыкуются. Это проделал в середине XIX века Антонио Снидер. Он совместил берега Атлантического океана и получил один огромный континент. На эту мысль его натолкнуло не только сходство береговых линий Африки и Америки. В руках ученых оказались и другие данные, которые свидетельствовали о полном сходстве ископаемых растений каменноугольного периода палеозойской эры, которые были найдены в Европе и Северной Америке. Значит, ископаемые деревья росли в одном большом лесу, половина которого оказалась в далекой Америке, а другая половина осталась в Европе. Ученый поспешил поделиться своим открытием со всеми и в 1858 году издал книгу «Мироздание и его разоблаченные тайны». Но в эту ошеломляющую (и хорошо аргументированную) новость никто не поверил, и все забылось. И только в 1910–1912 годы Альфред Вегенер снова поднял этот вопрос. Так появилась идея плавающих («дрейфующих») материков, которая с тех пор и известна как «гипотеза Вегенера». Очередная несправедливость! Вегенер назвал единый континент, который затем располагался на части, «единой Землей» («Пангея»). Но почему и как материки дрейфуют, Вегенер и его современники не разгадали. Только к концу 60-х годов нашего века вопрос стал постепенно проясняться. Суть дела оказалась в следующем.
Раньше считали, что твердая земная кора плавает на расплавленном веществе. Факты такое представление как будто подтверждали. Судите сами. Когда в прошлом веке измерили силу тяжести в Гималаях, то установили, что под огромной массой Гималаев земная кора просела. При этом она погрузилась в слой с более плотным, вязким веществом. Масса вытесненного глубинного вещества, как и полагается по закону Архимеда, равна массе гор.
Другой пример. Во время оледенения в четвертичный период в Скандинавии земная кора прогнулась под тяжестью льда. Со временем лед растаял, и освободившаяся от груза земная кора начала восстанавливать свое прежнее положение. Она начала подниматься — сначала быстро, а затем все медленнее. Этот процесс продолжается и в наше время — земная кора в Скандинавии продолжает всплывать со скоростью один сантиметр в год.
Описанные факты достоверны, но трактовка их неправильная. Под земной корой находится не жидкое вещество, а твердое. И так на протяжении тысяч километров вглубь вплоть до ядра Земли. Так почему и как плавает земная кора? Она не плавает, а только смещается благодаря слою смазки — астеносфере. Но астеносфера находится не непосредственно под земной корой. Над ней находится и часть мантии. Эту часть мантии и земной коры, то есть все то, что находится над астенолсферой, назвали литосферой. Таким образом, плавает земная кора не сама по себе, а вместе с верхней частью мантии. Другими словами, плавает (скользит по слою смазки) литосфера. Толщина литосферы под континентами 150–300 км, а под океаном — от нескольких километров до 90 км. Таким образом, литосфера (в том числе и земная кора) плавает на астеносфере. Она при этом поднимается, опускается и скользит в горизонтальном направлении относительно нижней мантии и ядра Земли. Если бы вся литосфера представляла собой единую жесткую сферу, то скользить она не могла бы, тем более поднимаясь или опускаясь при этом. Но литосфера не есть единое целое. Она расколота на отдельные куски, части, которые называют плитами. Сейчас литосфера Земли состоит из семи больших плит и нескольких более мелких плит.
Литосферные плиты скользят в разных направлениях, наезжая при этом друг на друга. Упираясь друг в друга они создают напряжения, которые заканчиваются землетрясениями. Если плиты не упираются друг в друга, а расходятся, то напряжение не возникает. Ясно, что во внутренних частях литосферных плит все стабильно, там землетрясений нет. Все землетрясения располагаются вдоль крупных расколов, то есть вдоль границ между плитами, где и создаются напряжения и в конце концов происходит смещение одной плиты относительно другой (рис. 21). В том случае, если плиты расходятся, то во время землетрясений на поверхности появляются глубокие расщелины, которые называют рифтами (от анлийского riff — трещина, щель). Такие границы удаляющихся друг от друга литосферных плит проходят вдоль подводных срединно-океанических хребтов. Их называют расходящимися или дивергентными (от лат. divergere — обнаруживать расхождение). Там же, где происходит сближение, столкновение плит, вдоль границы между плитами образовались высокие горы, глубоководные желобы и островные дуги. Последние расположены главным образом вокруг Тихого океана. Такие границы между плитами называют сходящимися или конвергентными (от лат. convergere — приближаться, сходиться).
Литосферные плиты могут не только сходиться или расходиться, но и скользить друг относительно друга вдоль линии разлома. При таком смещении плит движение переносится от одной активной зоны к другой. Происходящие при этом землетрясения сопровождаются сдвигом пород параллельно разлому.
Литосферные плиты различаются и составом пород, из которых они состоят. Толщина их также различна. Под океаном литосфера намного тоньше, чем под континентами и под шельфами (обширными мелководьями). Имеются плиты целиком океанические — тонкие. Есть и комбинированные, состоящие из континентальной и океанической частей. Толстые литосферные плиты менее подвижны, что естественно. Океанические плиты наиболее подвижны.
Что заставляет плиты двигаться? Вещество мантии, которое находится под плитами, совершает круговое (конвективное) движение. При этом движении в одних местах, где сходятся кольца конвекции, вещество движется вверх, а в других — вниз. Там, где оно движется вверх и образует восходящий поток, и литосфера испытывает давление снизу. Она приподнимается и раздвигается в стороны. Происходит раскол литосферы (под океаном она тонкая) с одновременным ее подъемом вдоль линии раскола. Так образуются срединно-океанические хребты с расщелинами — рифтами. В этих местах по трещинам изливаются базальтовые лавы. Магма, заполнившая трещину, в конце концов застывает. Так образуется кристаллическая горная порода. Это показано на рис. 22. Таким образом, с одной стороны, две половины срединно-океанического хребта расходятся в стороны со скоростью от нескольких миллиметров до 18 см в год. С другой стороны, образующаяся при этом щель (которая непрерывно растет) заполняется веществом, которое выходит из глубины. Так в этом месте раскола образуется новая океаническая кора. В результате океаническое дно как будто растягивается, расширяется. Специалисты этот процесс назвали английским словом спрединг (развертывание, расстилание).
Но литосфера не может только разрастаться. Это было бы возможным, если бы увеличивались размеры Земли. А «если в одном месте прибудет, то в другом месте убудет». Другими словами, должны существовать места, где литосфера сокращается. Это может происходить разными способами. Часть литосферы может поглощаться (утопать в жидком веществе мантии), сокращаться за счет смятия в складки или надвигаться одним участком на другой. Легко сообразить, что это происходит в тех местах, где движение мантийного вещества на стыке двух конвективных ячеек направлено вниз. В этих местах океаническая литосфера пододвигается под встречную плиту. Далее она потоками вещества мантии затягивается на глубину, где при высоких давлениях вещество плиты существенно уплотняется. Став тяжелее, этот кусок литосферы сам тонет во вязкой астеносфере. Он опускается на поверхность нижней мантии. Таким путем литосфера может затянуться очень глубоко. Например, под Камчаткой она упала на глубину более 1000 км, где она и затерялась. Ясно, что в таких местах на дне океана образуются глубоководные желоба, глубина которых может достигать 10 км. Так, самый глубокий такой желоб — Марианский в Тихом океане — достигает глубины 11 км. В таком желобе имеется прямой доступ к жидкому веществу мантии. Поэтому рядом с желобом обычно цепочкой выстраиваются действующие вулканы. Примером тому могут служить вулканы Курильской островной дуги и Камчатки. Они располагаются рядом с Курило-Камчатским желобом. Вулканы образуются над тем местом, где литосфера, которая наклонно уходит на глубину, начинает плавиться при высоком давлении и температуре. Погружение литосферы происходит со скоростью от 1 до 12 см в год.
Таким образом, вырисовывается такая картина. Литосферные плиты расходятся вдоль срединно-океанических хребтов и движутся к глубоководным желобам, где они уходят на глубину и там поглощаются. Но на плитах находятся континенты. Они вынуждены дрейфовать вместе с плитами. Если при этом сталкиваются два континента, то происходит нагромождение таких гор, как Альпы, Гималаи, Памир.
Таким образом, океаническая литосфера рождается в зонах расхождения. Континентальная литосфера наращивается по толщине в зонах столкновения. В тех и других зонах располагается большинство подводных и наземных вулканов. В этих местах поднимаются горячие растворы, которые несут с собой металлы. Поэтому здесь образуются рудные месторождения.
Очень важен кругооборот вещества в результате описанных процессов. Он состоит в том, что океаническая кора погружается и возвращается в мантию, она уносит туда с собой морские отложения, которые накопились на дне. В них содержатся и горные породы органического происхождения. Так в мантию Земли попадают не только элементы воздуха и воды, но и животные и растения оказывают влияние на ее состав до глубин в сотни и даже тысячи километров. Положение тех и других зон не является неизменным. Но неизменно движется, циркулирует, конвектирует вещество Земли. В расщелинах на дне океана изливается не только базальтовая лава. Здесь имеется множество горячих источников минерализованной воды. Вода богата медью, цинком, марганцем. Температура воды достигает 330 °C. Это так называемые гидротермы. Соединения химических элементов из раствора источников образуют на дне наросты, столбы и трубы. Высота их достигает 27 м. По этим трубам продолжает подниматься горячий раствор. При этом труба как будто дымится, поскольку на выходе из нее из раствора выделяются мелкие частицы минералов. Поэтому эти трубы назвали черными курильщиками (рис. 23). Вокруг них образуются отложения, которые богаты металлами. Там же образуются и железомарганцевые шары — конкреции. Вокруг них кипит подводная жизнь. Здесь имеются не только бактерии и черви, но и моллюски и даже крабы. Любопытно, что с течением времени в описанных выше процессах земная кора утолщается. Это происходит потому, что когда образовавшаяся земная кора начинает отодвигаться от линии разлома, то под ней застывает и содержимое магматического очага. Так в нижней части океанической коры образуются горные кристаллические породы. В результате толщина коры может достигать 7 км. На подошву коры снизу нарастают самые тугоплавкие минералы астеносферы, которые остались после выделения базальтовой массы. Поэтому чем древнее океаническая кора, тем больше тяжелых (богатых железом) пород мантии успевают нарасти к ней снизу. В тех местах, где дно океана формировалось еще в юрский период, толщина дна достигает 70–80 км. Это в 10 раз больше толщины земной коры.
Поскольку прилипают тяжелые породы, то со временем средняя плотность литосферы растет. Это значит, что становясь тяжелее, литосфера все больше и больше утопает в вязкой астеносфере. Раз дно океана опускается, то глубина океана увеличивается. По глубине океана можно рассчитать время образования его дна. Ясно, что чем дальше от срединно-океанического хребта, тем дно древнее. Но базальтовая кора нарастает и сверху. На ней отлагаются морские осадки. Их толщина в самых древних частых океана может достигать 1 км. У окраин континентов она во много раз больше.
Таким образом, со временем океаническая литосфера становится толще и тяжелее. Такая тяжелая плита при столкновении с другой плитой (более легкой) пододвигается под нее и исчезает в глубине. Поэтому неудивительно, что чем древнее дно океана, тем меньше его сохранилось. Здесь также действует закон старения и смерти. Поскольку вся литосфера (и океаническая также) находится в непрерывном движении, то через какое-то время океаническая литосфера доберется до берегов океана. Это время составляет не более 180 миллионов лет. Его легко рассчитать, если известна скорость движения и расстояние. Поэтому океаническая литосфера возраста, превышающего 180 миллионов лет (это юрский период), вся погибла, утонула в астеносфере. От нее остались только отдельные куски, клинья, которые оказались включенными в складчатые горные пояса на краях континентов. Таким образом, все дно океана очень молодо. Его возраст 180 миллионов лет и менее. По сравнению с возрастом Земли (4,6 миллиарда лет) это очень мало. Поэтому основная информация о геологических процессах хранится главным образом в континентальной земной коре.
Рассмотрим подробнее, что происходит, когда сталкиваются литосферные плиты. В том случае, когда сходятся океаническая и континентальная плиты, более тяжелая океаническая плита непременно уходит под континентальную. Если встречаются две океанические плиты, то вниз уходит более тяжелая, а это значит более древняя. Океаническая литосфера начинает погружаться в глубоководном желобе. В начале этого погружения литосферная плита уходит вниз полого. Но по мере погружения породы уплотняются под действием высокого давления. Становясь тяжелее, плита начинает быстро тонуть в астеносфере. При этом она перегибается и уходит вниз под крутым углом (почти вертикально). Когда она оказывается в более плотной мантии, то ее стремительное погружение замедляется и она постепенно переходит в режим горизонтального движения.
Уход в глубины астеносферы литосферной плиты сопровождается серией землетрясений. Первые очаги землетрясений появляются в океане под склоном желоба. В этом месте плита перегибается перед тем, как она уйдет в мантию. На внешней стороне изгиба плита растягивается и трескается. Но самое большое число землетрясений происходит там, где океаническая литосфера упирается в другую плиту. При этом океаническая плита уходит вниз под встречную плиту. На границе плит происходят землетрясения. В направлении пододвигания океанической плиты под встречную происходит скол пород. В тех местах, где океаническая плита уходит на глубину более 100 км, землетрясений становится меньше. При этом очаги землетрясений располагаются внутри опускающейся плиты. Причиной этого служит нагревание, а значит, и расширение горных пород. Опускаясь еще ниже, в область высокого давления, они сжимаются. В этих условиях минералы, из которых состоит порода, переходят в другое состояние, с более плотной структурой, при которой атомы упакованы более плотно. Постепенно погружающаяся плита становится неспособной вызывать землетрясения, поскольку она сильно разогревается и уже не может расколоться. Это происходит на разных глубинах, от нескольких десятков километров до 700 км. Описанный выше процесс позволяет правильно разобраться в порядке возникновения землетрясений.
Наклонные зоны, которые глубоко проникают в мантию Земли, связаны не только с землетрясениями. Над ними рядом с глубоководными желобами располагаются цепи действующих вулканов. Такие цепи вулканов простираются на многие тысячи километров вокруг Тихого океана. Они образуют «огненное кольцо». Происхождение этих вулканов таково. Когда океаническая плита погружается и попадает в область высокого давления и высокой температуры, то на глубинах 100–200 км из нее выделяются так называемые флюиды и определенное количество расплавленного вещества. Эти вещества направляются вверх. У нижней границы земной коры, а также внутри нее образуются очаги магмы. Эта магма и прорывается к земной поверхности в виде вулканической лавы. Такова физическая природа практически всех вулканов на островных дугах Земли. Такая же природа и вулканов на краю Южно-Американского континента, а также в цепях вулканов Анд, которые простираются на тысячи километров.
Возникновение вулкана происходит в строго определенное время — когда плита окажется на некоторой определенной глубине. Правило таково: чем круче наклонена зона пододвигания одной плиты под другую, тем ближе к желобу располагается цепь вулканов.
Может произойти и столкновение континентов, когда сходятся литосферные плиты. Специалисты это явление называют коллизией. Это особый случай, при котором ни одна из плит не заталкивается внутрь, в мантию. Этому мешает легкая гранитная облицовка континентальных литосферных плит. Поэтому происходит отслаивание пород огромными пластинами. Этот «материал» нагромождается у поверхности в виде горных сооружений. Так произошло образование Гималаев и тибетского нагорья. Это произошло в ходе столкновения Индостана с южным краем Евроазиатского континента. Это столкновение продолжается до сих пор, хотя оно началось 45–50 миллионов лет назад. При этом легкие породы верхов континентальной литосферы скучиваются близ поверхности земли. При этом вся остальная тяжелая часть литосферы круто погружается в астеносферу. Горы Большого Кавказа также образовались в результате столкновения двух континентальных литосферных плит. Примерно 10–11 миллионов лет назад единый Африкано-Аравийский континент раскололся вдоль огромной трещины — рифта. С этого момента Аравия стала удаляться от Африки, направляясь на север. При этом движении она еще вращается против часовой стрелки. Так мощная Аравийская литосферная плита сдавливала более мягкие и податливые толщи пород, которые накопились в бывшем океане Тетис, а также в его окраинных морях. Эти сжатые породы и образовали ряд горных хребтов разной высоты и очень сложного внутреннего строения. При сжатии различные породы не только сжимаются в складки, но и наползают друг на друга. Так образуются тектонические покровы.
У северной окраины грандиозного Кавказского горного пояса (в Предкавказье) располагаются равнинные участки. Они принадлежат прочной Скифской плите. Южнее находятся вытянутые вдоль широты (с запада на восток) горы Большого Кавказа. Их высота достигает 5 км. Здесь же располагаются узкие впадины Закавказья. Рядом располагаются горные цепи Малого Кавказа (в Грузии, Армении, Восточной Турции и Западном Иране). Южнее от них находятся равнины Аравии. Они принадлежат Аравийской литосферной плите. Кавказские горы образовались в тисках двух прочных плит — Аравийской и Скифской. Самые высокие горы образовались там, где Аравийская плита твердым клином сильно сдавила податливые отложения. Восточнее и западнее этого места горы значительно ниже.
Образованный таким путем горный пояс находится под огромным давлением. Поэтому он расколот протяженными диагональными разломами. Это сдвиги, вдоль которых отдельные части горного пояса скользят друг по другу. Эти смещения и являются причиной сильнейших землетрясений. Последние из них произошли в Армении (1988 год) и в Турции (1991 год). Под горы Кавказа с юга пододвигается монолитная и прочная Закавказская литосферная плита. Поэтому южный склон Большого Кавказа узкий и очень крутой, а северный — широкий и пологий. На южном склоне отложения смяты в очень сложные складки. Они опрокинутые и надвинутые и как будто наползающие друг на друга и на массив. В результате пододвигания южной Закавказской плиты горы Большого Кавказа асимметричны. Их главный хребет располагается ближе к югу.
В результате столкновения континентальных литосферных плит образовались и высочайшие горы Европы — Альпы. Здесь «работали» две плиты — Адриатическая и Средне-Европейская. Они не только столкнулись, но и надвинулись друг на друга. Так же образовались и Карпаты. Величайший горный узел Памира, Каракорума, Гиндукуша, Гималаев и Тибетского плато возник в результате столкновения Индостанской плиты с Евроазиатской. Этот процесс начался 10–15 миллионов лет назад и продолжается и сейчас. Индостанская литосферная плита и сейчас продолжает перемещаться в северном направлении, оказывая огромное давление на горные породы.
Кордильеры Северной Америки и Анды Южной Америки образовались при столкновении океанической и континентальной плит. Мы уже говорили, что вначале мезозойской эры все материки составляли единый суперматерик — Пангею. Со временем начался распад Пангеи на отдельные крупные литосферные плиты. Так возник Атлантический океан. Он расширялся в обе стороны от протяженного срединно-океанического хребта. Такая же зона расширения имеется и на востоке Тихого океана. От нее материал океанической коры движется в обе стороны. Континенты Северной и Южной Америки с прилегающими участками дна Атлантического океана смещаются на запад, навстречу Тихоокеанской плите. Океаническая плита, как более тяжелая, пододвигается под континентальную. Это и привело к образованию гор, которые представляют собой не что иное, как нагромождение друг на друга горных пород. В результате в земной коре образуются складки, а по западной окраине Северной и Южной Америки растут горы.
Любопытно происхождение цепочек давно остывших вулканов, которые простираются на тысячи километров. Каждая такая цепочка (гряда) выстроена строго закономерно: чем дальше от начальной точки гряды, тем моложе вулкан. Такое впечатление, что некто «поджигал» эти вулканы в строгой последовательности. Как будто он двигался вдоль гряды с факелом и зажигал вулканы один за другим. Ученые показали, что так оно и было. Только этот «некто» двигался не рядом с вулканами, а под ними, под литосферой, в мантии. Этим «некто» была мантийная струя. Она и двигалась от одного места к следующему, и так создавалась длинная гряда вулканов. Новый вулкан зажигался тогда, когда предшествующие уже успели потухнуть. Уточним только, что двигалась не мантийная струя под литосферой и земной корой, а литосфера двигалась над струей. К тому же мантийная струя работала не всегда достаточно интенсивно. Так и образовались длинные цепи мертвых вулканов. Добавим только, что место выхода на поверхность Земли мантийной струи называют «горячей точкой». Кстати, зная возраст давно потухших вулканов и расстояние между ними, можно определить скорость движения мантийной струи, а точнее скорость смещения литосферной плиты по отношению к глубоким недрам Земли. Конечно, точность такого определения скорости невелика, но других возможностей пока что нет. А скорости смещения литосферных плит, определенные этим методом, очень правдоподобны. Так, по гряде вулканов Гавайского хребта получена скорость движения литосферной плиты, равная 10 см в год. По различным цепочкам мертвых вулканов специалисты прослеживают смещение литосферных плит за десятки миллионов лет. Особенно важно иметь информацию о движении разных литосферных плит в одно и то же время. Этот метод позволяет получить такую информацию. Определяют не только величину скорости, но и ее направление. Специалисты при этом наткнулись на моменты в геологической истории Земли, когда направление скорости смещения литосферных плит резко менялось. Такие явления (переломные моменты) наступали одновременно для разных плит. То есть происходили некие процессы глобального характера.
Анализ скоростей смещения литосферных плит показал, что плиты более охотно движутся на запад. Если вспомнить, что Земля вращается с запада на восток, то это станет понятным. В сущности, происходит небольшое общее проворачивание на запад всей литосферы Земли относительно нижней мантии и ядра. Почему же происходит отставание литосферы при вращении Земли вокруг своей оси (отставание относительно более глубоких оболочек)? Дело в том, что сила притяжения Луны вызывает приливные волны в атмосфере, гидросфере и литосфере. Конечно, эти волны в литосфере (земной коре) значительно слабее, нежели в океанах и в атмосфере. Но тем не менее, хотя они и явным образом незаметны, они отражаются на движениях литосферных плит. Когда приливная волна образуется в литосфере, то литосфера сопротивляется изгибу. Именно это порождает силы приливного торможения. Именно под действием этих сил при вращении Земли вокруг собственной оси литосфера несколько отстает от вращения более глубоких слоев Земли. Это замедление во вращении земной коры и всей литосферы проявляется и в дрейфе зон расхождения (спрединга). Зоны пододвигания литосферных плит (зоны субдукции) также дрейфуют на запад, хотя и с другими скоростями. Таким образом, те и другие зоны совершают сложные движения: на их расхождения и пододвигания накладывается западный дрейф. Если литосферная плита одним своим концом глубоко уходит вниз в мантию и оказывается в наклонном положении, то она оказывается достаточно хорошо застабилизированной. Она как будто находится на мантийном якоре. На движение такой плиты меньше сказывается западный дрейф, она старается прокручиваться вместе с нижележащей мантией. Примером таких устойчивых зон служат зоны субдукции (пододвигания) на западе Тихого океана (под островными дугами и желобами на востоке Азии и Австралии), которые круто уходят вниз. Поэтому они глубоко «заякорены» в мантии.
Западный дрейф литосферы можно наблюдать воочию. Вернее не сам дрейф, а его последствия. Одно из таких последствий — асимметрия Тихого океана. Он с одной стороны обрамляется гирляндами островных дуг, а с другой — берегами континентов.
В результате западного дрейфа произошло и надвигание Северной Америки на Восточно-Тихоокеанское поднятие. Именно это оказало сильное влияние на горообразование и вулканизм в Кордильерах.
В заключение скажем несколько слов о последствиях смещения литосферных плит. Если океаническая плита подползает под континентальную, то это может означать конец континента. Под японские острова с востока, со стороны Тихого океана подползают две океанические литосферные плиты. Обе они находятся очень близко к островам. Это навело на мысль создателей фильма «Гибель Японии» проиллюстрировать то, что неизбежно когда-то произойдет. К счастью, плиты смещаются со скоростью 10 см в год. Поэтому это произойдет через многие миллионы лет. Но произойдет.
КАЛЕНДАРЬ
Основными единицами времени являются день (сутки) и год. Сутки равны 24 часам. Это тот промежуток времени, за который Земля совершает в точности один оборот вокруг своей оси. Год же — это тот промежуток времени, за который Земля совершает один обход вокруг Солнца при своем движении по своей эллиптической орбите. За это время, то есть в течение одного года, Земля совершает не целое число оборотов вокруг своей оси. Она совершает 365 оборотов и примерно четверть оборота (5 часов 48 минут 46 секунд). Значит, год равен 365 дням 5 часам 48 минутам и 46 секундам. На практике таким годом пользоваться было бы крайне неудобно. Поэтому этот физический год заменили условным, который равен целому числу дней (суток). Этот условный год стали называть гражданским или календарным годом, поскольку на его основе был составлен календарь.
Календарь представляет собой некую систему счета длительных промежутков времени. В ней установлен определенный порядок счета дней в году. При этом обязательно указывается момент, эпоха, эра, от которого ведется счет лет. В связи с тем, что нецелые сутки, входящие в физический год (0,2422 суток), были отброшены, календарный год меньше реального, физического. С каждым годом эта разница будет расти, и наш отсчет времени по календарю через какое-то время перестанет отражать реальные изменения в природе. Например, зимний месяц январь (для северного полушария) может со временем стать летним месяцем. Поэтому главная задача составителей и корректировщиков календарей состояла в том, чтобы не дать этой разнице между физическим и календарным годом сильно вырасти.
Разные цивилизации в разные эпохи решали эту проблему по-разному. Не решать ее было просто невозможно — вся жизнь общества и человека проверяется временем. Установлено, что за известную нам историю человечества люди составили (и пользовались ими) примерно двести календарей. Все эти календари отличались друг от друга как счетом времени внутри года, так и началом отсчета лет.
Самые первые календари были привязаны к движениям Луны. В качестве примера лунного календаря приводят календарь Мухаммеда. В нем год был поделен на 12 месяцев, месяцы состояли из определенного количества дней. Длительность месяца исчислялась от одного новолуния до другого. Но и здесь возникла та же проблема — в один лунный месяц укладывалось не целое число дней (суток). В физический (реальный) лунный месяц укладывается приблизительно 29 суток и половина суток. Выход был найден такой: один месяц (календарный, а не физический) равнялся 29 суткам, а следующий месяц — 30 суткам. В этом календаре все было привязано к движению Луны. Поэтому год не был связан со временем оборота Земли вокруг Солнца. Это был лунный год, равный двенадцати лунным месяцам. В продолжение лунного года Земля не успевала совершить полный оборот вокруг Солнца. Ей для этого не хватало 11 дней. Как мы уже говорили, эту разницу между календарным (лунным) годом и физическим годом надо было как-то убирать. На самом деле она от года к году накапливалась. Легко подсчитать, что по прошествии 33 солнечных физических лет эта разница составляла уже ровно один лунный год. Значит, каждому 33-летнему циклу тропических лет соответствуют 34 лунных года мусульманских, соответствующих календарю Мухаммеда. Совершенно очевидно, к чему приводит то, что разницу между календарным и физическим годом не устраняют. С физическим годом связана повторяемость, цикличность явлений в природе, в частности сезоны. Одну весну от другой отделяет физический год. Если календарный год будет отличаться от физического, то весна будет начинаться в разные месяцы года. Прежде всего этим неудобен лунный календарь.
За пять с половиной тысяч лет до Мухаммеда эта задача была оптимально решена в Древнем Египте. У них год состоял из 12 месяцев, но каждый месяц не был привязан к новолуниям. Он просто равнялся 30 дням. Так получался год длительностью в 360 дней. Но уже примерно три тысячи лет до новой эры египтяне уточнили, что год содержит не 360, а 365 дней. Эти дополнительные 5 дней они добавляли к концу каждого года с тем, чтобы приблизить свой календарный год к физическому. Но четверть суток, о которых мы говорили вначале, оставались лишними. Каждый год четверть суток, или точнее 5 часов 48 минут 46 секунд. За четыре года набегают сутки. Если эти дополнительные сутки в четыре года не устранять, то за 365 × 4 = 1460 лет они дадут целый год. Это будет ошибка, равная одному году. Поскольку эту ошибку древние египтяне не устраняли, то их календарный год блуждал. По этой причине календарные даты начала разлива Нила стали постепенно сдвигаться от года к году. Поэтому этот календарь получил название «блуждающего года». Проблему разрешил египетский царь Птолемей Эвергет. По его приказу стали добавлять к концу каждого из последних четырех лет не пять, а шесть дней. Поэтому средняя продолжительность календарного (александрийского) года стала равна 365,25 суток, что и требовалось для того, чтобы максимально приблизиться к физическому году. Этот четвертый удлиненный на одни сутки год сейчас называется високосным. Древнеегипетским календарем и сейчас пользуются потомки древних египтян — абиссинцы и копты.
Что же касается нашего календаря, то он происходит от лунного календаря Древнего Рима. Древние римляне пользовались четырехгодичным календарным циклом. Они нашли решение проблемы в том, что два года этого четырехгодичного цикла у них считались по 355 дней, один год состоял из 377 дней и еще один год состоял из 378 дней. Короткие годы (355 дней) состояли из 12 месяцев. Из них 7 месяцев были по 29 дней, четыре — по 31 дню, а один месяц (февраль) состоял из 28 дней. Кстати, у римлян этот самый короткий месяц февраль был последним месяцем года. Новый год у них начинался 1 марта. В годы длинные (по 377 и 378 дней) после 28 февраля добавлялось еще 22 или 23 дня. Вставка этого дополнительного месяца назначалась верховным жрецом. Она объявлялась глашатаями, которые «выкликивали» эту новость. По-латыни «выкликать» значит caleo. Отсюда и происходит слово «календарь».
С первого взгляда ясно, что такой календарь не был совершенным. Тем более, что законодательство этому не способствовало, поскольку сохранялся произвол в назначении этого дополнительного месяца в 22 или 23 дня. Правители областей в Риме назначались сроком на один год. Поэтому для них было не безразлично, насколько длинным был этот год. И если они могли его удлинить, они его удлиняли. Чиновник везде и во все времена чиновник и блюдет прежде всего свою выгоду. Историки утверждают, что римская знать этой возможностью удлинять или сокращать год широко пользовалась. Ее мало беспокоило то, что этим произволом с длиной года вносилась большая путаница в счет времени и вообще в гражданскую жизнь. Римский император Юлий Цезарь разрубил гордиев узел. Он ввел новый календарь — юлианский. Это и есть хорошо известный нам старый стиль, который в России был заменен новым стилем только после Октябрьской революции. Что же сделал Юлий Цезарь? Он принял предложение египетского астронома Созингена, и в 46 году до н. э. был принят календарь, в котором год состоял из 12 месяцев и продолжался 365 дней. Плюс к этому каждый четвертый год удлинялся на один день с тем, чтобы регулярно устранять разницу между физическим и календарным годом. Таким образом, каждый четвертый год состоял из 366 дней. Это и есть високосный год. Этот дополнительный день добавлялся в конце года, который кончался 28 февраля. Так раз в четыре года появлялось 29 февраля.
Казалось бы, все проблемы с календарем решены. Но не совсем. Дело в том, что за четыре года набегает не точно одни сутки (один оборот Земли вокруг своей оси), а чуть-чуть меньше (на 11 минут 41 секунду). За 127 лет уже набегает день. Примерно за 400 лет набегает три дня. Их надо как-то убирать. Этот календарь (старый стиль) был введен Юлием Цезарем в 46 году до н. э. Прошло полторы тысячи лет, и набежала нехватка в 10 дней. Соответственно сдвинулись религиозные праздники. На этот раз инициативу взял в свои руки римский папа Георгий XV. В 1582 году он ввел соответствующую корректуру календаря. Корректура была простой — сдвинули начало года на эти 10 дней. Сдвинули и обязали своих наследников не запускать это дело на полтора тысячелетия, а сдвигать начало года каждые 400 лет, когда накопится избыток в 3 дня. Был разработан алгоритм, как именно производить сдвиг: раз в 400 лет три удлиненных на один день високосных года укорачивать на этот день, то есть делать их простыми. Какие годы укорачивать? Договорились укорачивать все годы столетий, кроме тех, которые по отнятии двух нулей делятся на четыре без остатка (например, годы 1600, 2000).
Православная Россия не приняла нововведение католического папы. Церковные дрязги преобладали над здравым смыслом и интересами общества, и мы почти пять столетий шагали не в ногу со всем цивилизованным миром. Естественно, разрыв между старым и новым стилем закономерно увеличивался. Если в XVI и XVII веках он составлял 10 дней, то в 1700 году он увеличился на 11 дней. Это произошло потому, что по старому стилю в этот високосный год февраль состоял из 29 дней, а по новому стилю год 1700 подлежал урезанию на один день, то есть на 29-й день февраля. Еще через столетие, в 1800 году, разница увеличилась на день и составила 12 дней. В 1900 году она составила 13 дней. 1 февраля 1918 года этот рост разрыва был прекращен — старый стиль в России был отменен, и государство перешло на летосчисление по новому стилю, то есть по европейскому (григорианскому) календарю. Так была устранена разница в 13 дней, и 1 февраля 1918 года стали считать 14 февраля 1918 года.
Но исчерпывается ли этим проблема календаря? К сожалению, нет. Мы уже говорили, что три дня набегают не за 400 лет, а за 384 года. А эта разница означает, что календарный год по новому стилю (григорианскому календарю) за 400 лет станет отличаться от физического года на 2 часа 53 минуты. За 3300 лет набегут целые сутки. Но это уже не страшно. Для практической деятельности человека такая точность календаря вполне достаточна.
До сих пор мы говорили только об одной стороне календаря — о длине и структуре года или ряда лет (цикла). Но есть еще и другая сторона — от какого момента отсчитывать годы. Специалисты считают, что в древнем мире это начало отсчета было достаточно произвольным. За начало отсчета принималось правление того или иного монарха или какое-либо естественное явление, событие. У арабов до Мухаммеда отсчитывали годы от «года слона». В этом календаре за начало отсчета было принято время нападения на Мекку правителя Йемена, в составе войск которого были боевые слоны. В Древней Греции начало отсчета (эра) трижды обновлялось. Вначале оно связывалось с Пелопоннесскими войнами, затем с падением Трои и т. д. Очередная эра в той или иной стране начиналась с момента воцарения нового правителя. Например, в Индии в 1550 году нашей эры была принята эра «Великого Могола» Акбара (естественно, по его приказу). Эра начиналась в момент вступления его на престол. Римляне поступали в этом случае наиболее естественно — они отсчитывали свою эру от момента основания Рима. В данном случае не столь важно, насколько точно известен этот момент. Важно выбрать единую точку отсчета. Римская империя распалась, а эта точка отсчета оставалась неизменной вплоть до 1287 года. Переломил ситуацию почти рядовой римский Монах Дионисий Малый. Он предложил год 1285 от основания Рима считать 533 годом от Рождества Христова. Эта эра (новая, наша, христианская) вместе с христианством распространилась по всему миру. В VIII веке она была принята во Франции, а 29 февраля 1699 года указом Петра I она была введена в России. Кстати, в России до указа Петра I счет лет велся от «сотворения мира». Считалось, что оно состоялось в 5508 году до н. э. Во всех христианских странах к концу XIX века была принята новая (наша) эра — отсчет времени от Рождества Христова. Наглядно система летосчислений показана на рис. 24.
Поделиться книгой: