Весной 2001 года Александро Форте из университета 3ападного Онтарио и Джерри Митровица из университета Торонто в Канаде представили свою собственную модель,
согласно которой огромные потоки горячей породы
(плюмы) размером с континент, медленно поднимающиеся из глубоких земных недр, являются истинной движущей силой для
дрейфа континентов, землетрясений, извержений вулканов и даже изменений климата. Первым толчком для создания этой модели
послужили изображения внутренней структуры 3емли, полученные с помощью сейсмической томографии (многолучевого просвечивания
Земли сейсмическими волнами от большого числа землетрясений, принимаемых сетью сейсмостанций). Удивительные
изображение мантии, от подошвы земной коры до границы 'мантия-ядро', показывали, что на окраинах Тихого
океана, глубоко под его дном, имеются две обширные дугообразные области, где скорости сейсмических волн
увеличиваются, а под центральной частью Атлантического океана и под Африкой имеются две такие же огромные струеобразные
области, в которых скорости сейсмических волн уменьшаются. Так как окраины Тихого океана являются
зонами, где холодные плотные части тектонических плит опускаются в 3емлю, 'быстрые' зоны четко отметили эти
области, где плиты тяжелой материи опущены в 3емлю в направлении ее ядра. Согласно общепринятому мнению
'медленные' области являются просто огромными инертными вкраплениями, которые остались, по существу, неизменными с
момента формирования 3емли. Но Форте и Митровица доказали, что эти выделяющиеся особенности
в действительности поднимаются к поверхности, подобно баллонам с горячим воздухом. Для обоснования своей
модели они использовали результаты многочисленных исследований: от небольших вариаций вращении 3емли и гравитационного
поля до драматических прогибов континентальных областей, таких как Южная Африка, которая теперь находится на 1 000 м выше,
чем Северная. Согласно их гипотезе твердая 3емля 'вспенивается' своеобразным 4-поршневым тепловым двигателем (с двумя
огромными опускающимися холодными плитами и с двумя такими же огромными поднимающимися горячими потоками), который,
собственно, и передвигает континенты, и 'управляет' землетрясениями, и даже влияет на изменения климата.
И хотя ученым предстоит еще немало поработать, чтобы выведать все тайны земных недр,
уже теперь мы знаем, что наша планета активна и динамична, что она изменялась и развивалась с момента своего образования и
до сих пор не обнаруживает признаков спокойствия.
С каждым годом 3емля изучается все более деталь но, с развитием науки меняются
представления о нашей планете. Еще каких-нибудь 100 лет назад роль вертикально направленных тектонических движений
и вулканизма в развитии земной коры считалась решающей. В середине ХХ века с открытием срединно-океанических хребтов
произошла коренная перестройка в представлениях об эволюции 3емли. Создание теории литосферных плит стало настоящим
прорывом в понимании многих явлений, касающихся внутреннего строения планеты.
Однако, решив массу 'вечных' геологических и геофизических проблем, тектоника литосферных плит породила
не меньше новых вопросов, на которые не было ответа.
Согласно теории литосферных плит Земля - это огромная тепловая машина, в которой мантия играет роль котла, а
плиты - шатунов. Магма прорывается сквозь срединно-океанические хребты, застывая, раздвигает литосферные
плиты, заставляя двигаться континенты. Взаимодействие плит и определяет характер земной коры. Считалось, что
континенты не оказывают никакого влияния на движения литосферных плит. Вместе с тем было хорошо известно, что
тепловой поток, идущий из мантии, над океанами в 3 раза больше, чем над континентами. То есть континенты можно
сравнить с огромными крышками, которые задерживают тепло, перераспределяя тепловой поток, что должно очень
существенно влиять на всю мантийную конвекцию.
Моделирование процессов, происходящих в нагреваемых жидкостях определенного
объема и вязкости, проводилось неоднократно и ранее. Известно, что в нагреваемой жидкости, возникают конвективные потоки.
Горячее вещество поднимается (восходящий поток), растекается в стороны, охлаждается и опускается вниз (нисходящий поток),
то есть происходит своеобразный круговорот. Эти конвективные ячейки, образующиеся в наrреваемой жидкости, еще в
начале прошлого века открыл Бинар, а математическую теорию процесса построил Рэлей, именно поэтому ячейки
получили название Бинара-Рэлея. Подобные и гораздо более сложные модели неоднократно использовались в
теории литосферных плит для описания происходящих с Землей процессов. Однако до сих пор никак не учитывалась
роль континентов, перераспределяющих тепло. Компьютерное моделирование, где в качестве 3емли выступала вязкая
оливиновая (оливин - широко распространенный минерал из семейства силикатов) сфера, нагреваемая до температуры,
близкой к температуре плавления, с плавающими на ее поверхности континентами, дало поразительные,
ошеломляющие результаты. На наших глазах развернулась реальная жизнь 3емли: зарождение и распад Пангеи (последнего
суперматерика), образование современных океанов и материков, океанической и континентальной земной коры,
срединно-океанических хребтов, зон субдукции - стали воочию видны механизмы, причины и физический
смысл всех этих процессов и явлений. Главное же, что были осязаемые подтверждения того, что все эти математические
построения - не плод фантазии, а вполне жизнеспособная, работающая теория. Так, теоретическая модель, просчитанная с
помощью уравнений, в которых использовался минимум сейсмических данных, показала, например, почти полное
совпадение плотности теплового потока в каждой точке 3емли, как виртуальной, так и реальной. Точно так же и гравитационное
поле модели хорошо согласовалось с данными многочисленных измерений. А расчеты движения материков, полученные на
математических моделях, были подтверждены материалами спутниковых наблюдений. Сейчас уже можно сказать, что моделирование
процессов, идущих в литосфере с учетом влияния континентов, позволило создать новую теорию геологической эволюции 3емли.
Оказалось, что континент, плавающий на поверхности вязкой, нагреваемой жидкости, затягивается на нисходящий
холодный поток, словно в водоворот. Здесь он задерживает идущее из мантии тепло и создает таким образом условия
для того, чтобы мантийное вещество под ним прогрелось и на месте нисходящего образовался горячий восходящий
поток. Процесс этот длительный, занимающий порядка 200 млн. лет. За это время избыток тепла в мантии формирует
восходящий поток, который в свою очередь приподнимает материк, сдвигает его, и континент дрейфует к другому нисходящему
потоку, где все повторяется сначала.
Если бы материк был один, то он бы так и перемещался от одного холодного потока к другому. Но на нашей планете 6 материков,
поэтому мы получаем более сложную картину их взаимодействия. Происходит это следующим
образом. Каждый из шести материков занимает свой нисходящий поток, однако потоки эти не равноценны, всегда
существует какой-то более мощный, который, удерживая один континент, одновременно подтягивает к себе и другой,
расположенный по соседству. Причем этот второй материк, перемещаясь, увлекает за собой и 'свой' нисходящий поток, на
котором он находится. В результате два континента объединяются, оба нисходящих потока сливаются в один, образуя еще более
мощный 'водоворот', в который вовлекаются все новые континенты, и процесс становится лавинообразным. Все 6 материков,
стремящихся к одной точке, формируют единый суперконтинент. Эта гигантская суша становится преградой для мантийного тепла,
которое по мере аккумуляции разогревает вещество мантии и создает под континентом мощный восходящий поток, или плюм. Именно
плюм, образовавшийся в мантии от избытков тепла, и разрывает единый материк, заставляя его осколки дрейфовать в разные
стороны. Итак, Земля - это тепловая машина, в которой тепло преобразуется в энергию движения. Для того чтобы движение этой
машины состоялось, необходим поршень, 'парораспределитель', направляющий 'пар' то с одной стороны, то с другой. Таким
регулятором и являются континенты, которые распределяют тепловой поток и заставляют литосферу 3емли все время меняться
и находиться в постоянном движении, от объединения материков в единый континент до его распада и образования затем нового
суперматерика. Именно благодаря материкам сформировались современный лик 3емли и ее литосфера.
Можно уже говорить и о том, что новая теория эволюции 3емли объясняет физический смысл геологических периодов, выявляя связь
между процессами, идущими в мантии, колебаниями уровня Мирового океана и сменой разнообразия и количества видов животных и
растений. Математические модели показывают, что континенты в момент образования Пангеи подняты относительно уровни моря не
очень высоко, они начинают 'расти' по мере перегрева мантийного вещества - их поднимает плюм, то есть уровень Мирового
океана понижается перед расколом Пангеи и в момент раскола, затем материки возвращаются в исходное положение и даже
несколько погружаются, что разумеется, сопровождается подъемом океанских вод. Эти расчетные колебания уровня Мирового
океана вполне согласуются с геологическими данными и находятся в тесной связи со сменой палеонтологических и
геологических формаций. Таким образом, по одной только кривой изменений уровня Mирового океана можно говорить о том, что
примерно 800 млн. лет назад существовал предыдущий суперконтинент - Родиния. Это подтверждается и другими исследованиями.
Родиния, по всей вероятности, располагалась на месте нынешнего Тихого океана. Остатки плюма, уничтожившего Родинию, мы
наблюдаем в мантии и сейчас - ведь время жизни этого гигантского образовании- 1 млрд. лет. А остатки плюма, расколовшего
Пангею, ныне находятся под Африкой. Они тоже хорошо различимы в мантии. Именно по этой причине Африканский континент до сих
пор поднят выше всех остальных материков. Тектоника литосферных плит многое объясняла хаотическими движениями в
литосфере. Теперь становится понятным, что все перемещения, наблюдаемые в мантии и земной коре, - не хаотичны, а
закономерны, они подчиняются строгим физическим законам, описываются уравнениями и но многом предсказуемы.
Важно подчеркнуть, что созданная единая теория эволюции Земли, с которой в ближайшие десятилетии будет работать научное
сообщество, не отрицает предыдущие теоретические наработки (и тектонику литосферных плит), а включает и обобщает
их'.
Работа для неразлучных
Очень важные сведения о Земле дают измерения силы тяжести в различных точках земного шара, а также измерения силы и направления ее магнитного
поля. Ученые полагают, что анализ гравитационных полей поможет понять, как идет процесс восстановления планеты после
ледникового периода, а также причины повышения уровня Мирового океана. Для сбора максимально точных данных о гравитационном
поле два абсолютно идентичных спутника были выведены в 2002 году на совершенно одинаковые орбиты на высоте 500 км над
Землей. Расстояние между ними составляет 220 км. Во время движения над поверхностью Земли спутники испытывают влияние
гравитации, то ускоряющей, то замедляющей их движение.
Предполагается, что полученные таким образом данные будут в 1 000 раз точнее современных. Когда
расстояние между аппаратами немного меняется; изменения фиксируют микроволновым дальномером с
точностью до тысячных долей миллиметра Спутники GRACE будут нести свою службу в течение 5 лет.
Кроме сбора данных о гравитационном поле Земли в их задачу будет входить
изучение полярных областей внутреннего строения нашей планеты.
|
Планета Земля
