Глава первая. Земля как планета

Планета Земля

Фотография, которую вы видите на противоположной странице, была сделана 18 ноября 1967 г. с космического корабля, который находился на расстоянии около 35 тысяч километров от Земли. Всю Землю (Точнее, всю поверхность Земли, обращенную к зрителю. - Прим. ред) - наш дом - можно охватить на этой фотографии одним взглядом. Такое изображение земного шара, на котором мы живем, было получено только после того, как космические корабли впервые покинули нашу планету и началась космическая эра.

Земля из космоса не похожа на Луну с Земли. Формы поверхности Земли не так резки, ясны и хорошо различимы, как формы лунной поверхности. Они расплывчаты, многие из них скрыты облаками, что указывает на существование у Земли атмосферы. Наличие атмосферы делает возможной жизнь на Земле, а также, что менее заметно, но не менее важно, делает возможным разрушение горных пород, слагающих твердую поверхность Земли. На поверхности Луны, не имеющей атмосферы, такого рода разрушения не происходит.

Фото 1. Вид из космоса на планету Земля. Черными линиями показано приблизительное положение берегов континентов. (Фотография сделана со спутника ATS - III, NASA)

Другой отличительной особенностью Земли является, как видно на снимке, наличие воды, образующей океаны. На Луне такое вещество, как вода, не обнаружено. Хорошо известно, что вода, как и воздух, необходима для жизни. В то же время, находясь в движении, вода в реках, озерах и морях переносит частицы горных пород с одного места на другое и отлагает их в виде осадков. Со временем эти осадки становятся слоями осадочных пород.

Наблюдатель, находящийся в космосе, обнаружил бы, что наличие облачности в атмосфере не позволяет ему сразу же получить представление об основных чертах земной поверхности. Для того чтобы получить представление об очертании океанов и континентов, ему пришлось бы сопоставить множество снимков, сделанных в различное время и охватывающих значительную площадь суши. На нашем снимке виден участок береговой линии, достаточно большой, чтобы понять, какая часть поверхности Земли находилась в поле зрения космической фотокамеры. Слева от центра снимка расположена южная часть Южной Америки, а справа находится отделенная от нее Атлантическим океаном огромная глыба западной Африки - ближайшей части Африканского континента. Побережья этих двух континентов, разделенных сейчас обширными пространствами воды, обнаруживают сходство очертаний, подобно двум частям головоломки, подходящим друг к другу. И в самом деле, есть серьезные основания полагать, что на более ранних стадиях истории Земли эти два континента были единым целым. Позднее они разделились и медленно движутся в разные стороны, каждый на своем основании, образуя непрерывно расширяющийся Атлантический океан.

Однако представление о том, что земные материки плавают и находятся в движении, подобно плавучим льдинам, сложилось практически вне зависимости от завоевания космического пространства. Оно явилось плодом упорного труда многих ученых, работавших на поверхности самой Земли и по времени было одним из последних в длинном ряду открытий и исследований, касающихся динамики Земли и создавших основу теоретического учения о Земле. Эта теория формулирует законы, управляющие всеми процессами - физическими, химическими и биологическими, которые вызывают постоянные изменения облика Земли. Теория Земли охватывает не только движение плавающих континентов, но также и все другие процессы, происходящие на нашей планете. К этим процессам относится и перенос воды из океана на сушу через атмосферу, и обратное перемещение воды в океан реками, постепенное разрушение горных пород и перенос их частиц реками, волнами, течениями, ледниками и ветрами, которые постоянно "подметают" поверхность Земли. Энергия этих природных сил есть энергия, излучаемая Солнцем. Эта же энергия в виде отраженного от земной поверхности света дала возможность получить космическую фотографию.

Внутреннее строение Земли

Центр нашей планеты находится всего лишь на глубине 6370 километров, что составляет менее двух процентов расстояния до Луны, однако наибольшая глубина, на которую человек проникал в недра Земли (в золотых копях Южной Африки), составляет 3,6 километра. При разведке нефти в западном Техасе твердые породы были пробурены до глубины более 9 километров и подняты образцы пород.

Хотя, строго говоря, мы исследовали лишь самую поверхностную часть планеты, мы все же имеем грубую модель ее внутреннего строения. Эта модель, которая год от года уточняется, явилась главным образом результатом обширных и координированных между собой исследований, проводящихся во всем мире, - исследований путей и скорости перемещения сейсмических волн, этих надежных посланцев, которые проникают дальше и быстрее в земные недра, чем буровые скважины. Данные сейсмических исследований дополняются другими, как, например, изучение свойств пород на поверхности Земли и в условиях больших температур и давлений. Конечно, в деталях наша модель неточна, но вероятность того, что она правильна в общих чертах, достаточно велика. Рисунок (рис. 1), представляющий модель в упрощенной форме, изображает планету как бы состоящей из концентрических оболочек-слоев, подобно луковице, причем каждый нижележащий слой тяжелее, чем вышележащий.

Рис. 1. Если бы Землю разрезать, как яблоко, то обнаружилось бы состоящее из двух частей металлическое ядро, окруженное слоями каменного материала. Земная кора имеет очень небольшую толщину. В верхней части рисунка изображен в увеличенном вертикальном масштабе фрагмент земной коры, включающий и океаническую и континентальную часть

На поверхности находится кора, состоящая из различных пород. Толщина коры по отношению к диаметру земного шара меньше, чем толщина яичной скорлупы по отношению к яйцу. Кроме того, в отличие от яичной скорлупы толщина ее не везде одинакова. Под океанами она всего лишь около 5 километров, а в пределах континентов - от 40 до 60 километров. Мантия("белок" яйца) состоит из материала более тяжелого, чем породы коры. По объему она составляет около 80% всей Земли. Книзу она резко переходит в ядро ("яичный желток") - металлическое, очень тяжелое и, вероятно, представляющее собой сплав железа, никеля и, возможно, серы или кремния. Очень вероятно, что богатое железом земное ядро является источником магнитного поля Земли, управляющего стрелками наших компасов.

По сравнению с температурой земной поверхности внутренняя часть Земли очень горяча. Даже в глубокой шахте, хотя она составляет лишь крошечную долю расстояния до центра Земли, очень жарко. Некоторые шахты должны вентилироваться охлажденным воздухом. Это иллюстрирует тот общеизвестный факт, что температура повышается с глубиной, по крайней мере в пределах коры и несколько глубже (насколько - точно неизвестно). Величина этого повышения температуры, называемая геотермическим градиентом, изменяется от места к месту, однако в среднем в пределах коры она составляет от 10 до 50° С на километр. Если принять средний градиент равным 30°, то основание коры должно иметь температуру около 1800°, то есть буквально быть раскаленным докрасна. Считается, однако, что внутри ядра градиент снижается в связи с тем, что металлические породы хорошо проводят тепло. Если это так, то возможно, что температура в центре Земли не превышает нескольких тысяч градусов. Почти половина этих огромных запасов тепла имеет своим источником радиоактивность. Радиоактивные химические элементы, находящиеся в теле Земли, распадаются, и при их распаде выделяется тепловая энергия. Считают, что другая половина запасов тепла сохранилась от тех времен, когда Земля только возникла (Проблему теплового состояния Земли Р. Ф. Флинт изложил очень кратко. Укажем хотя бы на то, что содержание радиоактивных элементов и выделение радиоактивного тепла в Земле уменьшается с глубиной. Выделение радиоактивного тепла уменьшалось и с течением времени, так как радиоактивные элементы постепенно распадались. Сжатие Земли также повышало ее температуру. - Прим. ред).

Каким бы ни был геотермический градиент, мы можем быть уверены, что внешняя часть тела Земли является своего рода термоизоляционной оболочкой. Она допускает лишь очень медленное проникновение тепла из внутренних областей к поверхности, откуда оно медленно излучается в атмосферу; тепловое излучение Земли составляет приблизительно 1/20000 часть того тепла, которое поступает на поверхность Земли от Солнца.

Другое свойство Земли - давление - также возрастает с глубиной. Это возрастание является непосредственным результатом увеличения с глубиной веса вышележащих слоев. Поэтому наряду с геотермическим градиентом существует градиент давления. На поверхности Земли, на уровне моря, давление атмосферы составляет около 1 кг/см². Но давление, которому подвергается со всех сторон точка в центре Земли, согласно расчетам, превышает 3000 т на 1 см². Даже на сравнительно небольшой глубине - 10-20 километров - давление настолько велико, что может вызвать существенные изменения в строении пород.

Континенты и океанические впадины

Наш снимок из космоса подтверждает то, что мы уже знаем по своему собственному опыту, - Земля имеет неровную поверхность, представляющую чередование приподнятых и опущенных участков. Самые большие и обширные поднятия - это континенты, а еще более обширные понижения - океанические впадины. Морские воды покрывают 71% земной поверхности, но общая площадь океанических впадин меньше - она составляет всего около 60%. Разница между этими величинами, 11%, относится за счет шельфов (материковой отмели), где воды неглубоки. Шельфы, непрерывной каймой опоясывающие континенты, в большей степени принадлежат континентам, а не океанам. Континенты не только уступают океанам по площади; как можно видеть из следующих данных, величина поднятия их над уровнем моря невелика по сравнению с глубинами океанов:

(Глубина Марианского желоба, являющегося самым глубоким в Мировом океане, достигает 11 022 м. - Прим. ред)

Едва ли поэтому удивительно, что континенты, возвышающиеся в среднем на 5 километров над дном океана, состоят из особого материала, отличающегося от того, который подстилает океанические впадины (рис. 2). Под океанами залегает базальт, тяжелая горная порода, почти черного цвета, содержащая большое количество железа и магния. Ниже базальта находится слой материала, подобного базальту, но еще более тяжелого. Во многих местах базальт изливается на дно океанов в виде лавы и, затвердевая, образует вулканические конусы; многие из них представляют собой острова. В отличие от базальтов породы, слагающие континенты, легче по весу, светлее по окраске и содержат больше кремния и алюминия. Континентальные породы могут быть различными, но общий состав всей этой группы пород приближается к гранитам. Поэтому мы говорим, что континенты состоят из гранитов, а дно океана - из базальтов. Базальтовые породы, однако, не только подстилают океаны, но и опоясывают всю Землю, простираясь также и под континентами. Граниты же, с другой стороны, ограничены в своем распространении континентами и их шельфами.

Рис. 2. Континенты, в том числе и их шельфы, легче, чем подстилающий их базальтовый материал, и поэтому они плавают на базальтах. На рисунке не показана большая часть пространства океана (заключенная между зигзагообразными линиями), где легкие породы отсутствуют

Различие в весе этих двух видов пород объясняет, почему континенты возвышаются над океаническими впадинами. Подобно тому, как лед, имеющий удельный вес около 0,9, плавает в воде, континенты, состоящие из гранита (удельный вес 2,65), могут плавать по поверхности базальтов (удельный вес 2,9) и более тяжелого материала (3,3), подстилающих их. Таким образом, континенты напоминают "гранитные плоты", плавающие в море темного тяжелого базальта. На первый взгляд трудно представить, что одни породы могут плавать на других породах, так как мы привыкли считать горные породы такими, какими мы видим их на поверхности Земли, - хрупкое вещество, обычно с трещинами, которое может быть разбито на куски ударом молотка. Однако лабораторные эксперименты показали, что при достаточной температуре и давлении породы становятся пластичными. На глубинах 10-20 километров и более, там, где гранитные породы подстилаются базальтами, температура и давление настолько велики, что породы перестают быть горными породами в обычном смысле этого слова. Они не разрушаются, а медленно текут. Поэтому в некотором смысле гранитные континенты действительно плавают: на огромных глубинах как гранитный, так и базальтовый материал, если на них с одной стороны воздействует сила, текут в противоположную сторону, напоминая зубную пасту, которую выдавливают из отверстия тюбика.

Четыре оболочки

Наше представление о Земле будет ближе к действительности, если мы представим ее себе не как единую сферу, а в виде четырех отдельных, тесно связанных между собой оболочек. Три из них можно частично видеть на космическом снимке: 1) твердая земля, состоящая главным образом из горных пород; 2) жидкий океан, состоящий из воды; 3) подвижные облака, состоящие из водяного пара, входящего в состав атмосферы, горные породы, вода, воздух. Мы видим, таким образом, часть сферы диаметром 12 700 километров, образованной горными породами и окруженной двумя тонкими, подвижными, частично проникающими друг в друга и в толщу тверйой сферы оболочками - жидкой и газообразной. Такова лищосфера (верхняя поверхность ее совпадает с верхней поверхностью земной коры), окруженная гидросферой (вода) и атмосферой (азот и кислород). Все эти три оболочки соприкасаются на поверхности литосферы, и поэтому она является зоной активного проявления разнообразных процессов. Она же является зоной наибольшей концентрации четвертой сферы - биосферы, объединяющей все живое. В настоящее время описано и изучено только полтора миллиона видов ныне существующих животных и растений. Но возможно, что общее количество видов достигает нескольких миллионов. Каждый вид включает множество особей; в некоторых видах число их просто огромно. Едва ли можно сомневаться в том, что общее количество живых организмов поистине неисчислимо.

В состав биосферы входят лишь немногие из химических элементов Земли. В основном она состоит из углерода, водорода и кислорода с примесью, в гораздо меньших количествах, фосфора, азота, серы и железа. Используя энергию солнечных лучей, биосфера осуществляет химический обмен веществ как внутри самой себя, так и с другими тремя сферами. Этот обмен носит различный характер, однако очевидно, что наиболее активно участвует в обмене кислород. И неудивительно, что местом этого обмена и движения является поверхность суши Земли.

Как в природе, так и в области человеческой деятельности, граница между двумя средами - место наибольшей активности. Такую границу представляет собой берег моря или большого озера, отмеченный зоной прибоя, внутри которой волны обрушиваются на береговые скалы, разрушают их и образуют пляж из частиц горных пород. Другим примером границы может служить берег реки, подвергающийся воздействию потока. Подмываемый берег реки и морской пляж - продукты "граничных условий", где происходит столкновение двух сил или воздействие силы на противостоящую ей инертную массу. Твердая поверхность земли - это область, где сосуществует множество различных типов природной среды, каждый из которых характеризуется определенным сочетанием четырех оболочек, равно как и отличается по строению каждой оболочки. Именно поэтому так разнообразны на поверхности Земли "границы" и взаимодействия различных сред.

Взаимодействие внешних и внутренних процессов

Существует множество границ, на которых происходит столкновение различных сил. Наиболее выражен этот граничный характер у верхней границы литосферы, которая является зоной столкновения динамических процессов, действующих внутри земной коры, и процессов, происходящих в атмосфере и гидросфере. Большая часть этих последних процессов действует на поверхности литосферы или непосредственно над ней, поэтому мы называем их внешними. Изменения, вызываемые всей совокупностью внутренних и внешних процессов, а также возникающие в результате взаимодействия отдельных процессов, обусловливают в основном разнообразие ландшафтов - то, что представляет интерес для людей, населяющих Землю.

Внутренние процессы. Существует три вида основных процессов, происходящих внутри земной коры: движение вещества твердых пород, движение разогретого вещества расплавленных горных пород и преобразование пород, находящихся глубоко под поверхностью Земли, под действием большого давления и высокой температуры. Мы знаем обо всех этих процессах или потому, что можем наблюдать их в действии (излияние лавы из вулкана), или потому, что видим результаты этих процессов (смещение одного большого массива породы вверх, вниз или вбок относительно другого).

На рисунке 3А показано, каким образом перемещения масс твердых пород обычно выражаются на поверхности. Масштаб процесса при этом не важен: глыбы пород могут быть шириной в один километр или десятки километров. Существенно то, что под действием внутренних сил произошло перемещение пород вверх, по крайней мере относительное, вызвавшее в одном случае изгиб, а в другом - движение по четко выраженному разлому. Таким образом, эти внутренние силы вызвали увеличение уклонов поверхности, создав в одном случае почти вертикальный уступ.

Рисунок 3Б показывает два обычных способа воздействия на земную поверхность расплавленных пород, движущихся снизу вверх. В левой части изображена масса расплавленной породы, которая медленно поднялась из глубин земной коры, проделав многокилометровый путь; она деформировала вышележащие пласты, но остыла и затвердела, не достигнув земной поверхности. Справа показано, как расплавленная масса под давлением поднималась по трубкообразному каналу и разливалась по поверхности, образовав последовательность слоев лавы, каждый из которых затвердевал раньше, чем перекрывался следующим. При этом существовавшие ранее породы не были деформированы, а было создано новое конусообразное сооружение - слоистый вулканический конус (стратовулкан). Некоторые из таких конусов превышают 6 километров и имеют крутые склоны. Особенно много их на морском дне.

Наконец, на рисунке 3В показано, что может произойти с породами, подвергшимися не поднятиям, а погружению. Местами слои пород, которые образовались на поверхности Земли, были перемещены вглубь в результате прогибания земной коры. На глубине 10-20 километров эти породы попадают в такие условия, где давление вышележащих слоев (а в некоторых случаях и боковое) настолько велико, что вызывает текучесть породы, придавая ей облик, совершенно отличный от первоначального.

Рис. 3. Примеры действия внутренних (эндогенных) процессов

Все эти три вида внутренних процессов - результат действия существующей внутри Земли тепловой энергии, которая активизирует эти процессы в больших масштабах и настолько велика, что противодействует силе тяжести. Следовательно, как мы видели на рисунках, внутренние процессы местами приподнимают или надстраивают поверхность Земли.

Внешние процессы. Для большей части (хотя и не для всех) внешних процессов движущими силами являются подвижные оболочки, которые мы называем гидросферой и атмосферой. Воздух и вода, даже если они не находятся в движении (особенно воздух, содержащий водяные пары), создают среду, в которой химический обмен между горными породами и водой вызывает распад породы, ослабляя в ней внутренние связи и способствуя ее разрушению. Это химическое взаимодействие происходит повсюду, где горная порода соприкасается с влажным воздухом. Но, более того, вода и воздух постоянно находятся в движении; перемещаясь по поверхности Земли, они вовлекают в движение разрушенные породы, унося с собой их частицы. Движение воздуха - ветер - воздвигает из частиц пород, которые несет с собой, песчаные дюны; движущаяся вода - река - отлагает наносы в своем русле, а морские волны сооружают вдоль берегов пляжи из продуктов разрушения горных пород, смытых с суши. Движущийся лед - ледник - (также представляющий собой часть гидросферы, хотя и в твердом состоянии) несет обломки пород и отлагает их при таянии. Даже подземная вода, медленно просачивающаяся через мелкие поры в породах, уносит с собой в растворенном виде минеральные вещества горных пород.

За немногочисленными местными исключениями, внешние процессы происходят под влиянием силы тяжести (Но к "немногочисленным местным" исключениям относятся повсеместные и могущественные химические процессы. - Прим. ред). Они измельчают твердые горные породы и уносят продукты их разрушения. Поскольку деятельность процессов, о которых идет речь, контролируется силой тяжести, они переносят материал с более высоких участков Земли на более низкие. Благодаря этому переносу материала горных пород возвышенности постепенно разрушаются и становятся все ниже и ниже. Рано или поздно продукты разрушения отлагаются на участках, первоначально бывших понижениями, в виде тонких слоев, накапливающихся один поверх другого. Таким образом, понижения "надстраиваются", в то время как возвышенности срезаются. Между ними повсюду происходит постоянное движение вниз по склонам продуктов разрушения пород.

Внешние процессы черпают свою энергию в солнечной радиации, поступающей на земную поверхность. Механизмы, посредством которых солнечное тепло приводит в движение потоки воздуха и воды и другие динамические агенты, кратко упомянуты в главе второй.

Взаимодействие процессов. Таким образом, существуют два вида процессов: внутренние, приводящиеся в действие внутренним теплом Земли и действующие в основном в направлении, противоположном направлению силы тяжести, и внешние, приводящиеся в действие солнечным теплом и протекающие под непосредственным влиянием силы тяжести. Эти две группы процессов непрерывно сталкиваются на границе, которой служит твердая поверхность Земли. Представим себе твердую землю гладкой, как бильярдный шар. Сила тяжести на этой гладкой поверхности была бы везде одной и той же. Вода не могла бы течь с одного места на другое. Однако поверхность реально существующей Земли не такова. Внутренние процессы создали на ней возвышенности и низменности, а следовательно, и уклоны. Вода стекает по склонам с высоких участков на низкие и несет с собой частицы пород. Это течение воды, содержащей частицы пород, представляет собой один из внешних процессов.

Со временем этот и другие внешние процессы могли бы выровнять поверхность суши и снизить ее до уровня океана. Это выравнивание действительно происходит, но не на всей поверхности суши одновременно. Вмешательство того или другого внутреннего процесса нарушает его ход. Эти процессы, проявляясь то там, то здесь, создают новые возвышенности и тем самым уничтожают результаты выравнивающей деятельности текучих вод. Всегда где-то образуются возвышенности, причем скорость их поднятия не обязательно постоянна, и в пространственном размещении не всегда улавливается закономерность. Эти поднятия, поддерживая непрерывность внешних процессов, дают им все новый материал для переработки. Они создают склоны, но они же заставляют воду течь быстрее, создают неровности, которые выравнивают текучие воды, и сообщают им новую энергию для выполнения этой работы, заставляют наносы непрерывно перемещаться с приподнятых участков в понижения и отлагаться там в виде слоев, построенных в буквальном смысле из обломков пород, некогда лежавших где-то на возвышенности. Таким образом, происходит взаимодействие внешних и внутренних процессов. Кажется, оно никогда не прекратится, по крайней мере до тех пор, пока внутренняя часть Земли обладает достаточным запасом тепла для поддержания внутренних процессов и пока Солнце излучает тепло на поверхность Земли, сообщая энергию внешним процессам.

Этот беглый взгляд на земной шар со стороны показывает, что Земля - живая планета и что самая активная и наиболее разнообразная зона приурочена к поверхности литосферы, где происходит сложное взаимодействие и столкновение различных сил. В этой поверхностной зоне протекает также жизнь человека и развертывается его история, ход которой определяется условиями жизни, существующими на поверхности Земли. И так как мы живем среди всех этих многообразных процессов, мы не можем не интересоваться тем, что происходит вокруг нас. В следующей главе этой книги рассматривается поверхность Земли. В ней показан9, что основные процессы, постоянно перемещающие и преобразующие материал горных пород, проявляются не случайно, но образуют последовательную и вполне понятную систему, действующую в соответствии с законами природы.

Литература

ВНУТРЕННЕЕ СТРОЕНИЕ ЗЕМЛИ:

Воtt M. Н. Р., 1971, The interior of the Earth: St. Martin's Press, New York.

ОКЕАНЫ:

Hill M. N., ed., 1962-1963: The sea: Interscience Publishers, New York, 3 vols.

БИОСФЕРА:

HutchinsonG. E. and others, 1970. [A group of articles related to the biosphere] "Scientific American", v. 223, p. 45-208.