Водные и ветровые процессы в пустынях: геоморфология, опасности и формы рельефа

В условиях пустынь большинство речных систем теряют воду вследствие испарения, прежде чем достигнут моря, и остаются сухими на протяжении длительных периодов. Эти эфемерные каналы подвержены мощным паводкам, вызванным короткими, но интенсивными ливневыми дождями, которые выступают главными факторами переноса обломочного материала. Внезапные паводковые воды формируют обширные веерообразные скопления песка, гравия и валунов у подножия горных склонов, одновременно эродируя глубокие каньоны с крутыми стенками в верхних по течению районах. В межгорных впадинах, как правило, аккумулируются мелкозернистые отложения, осаждающиеся при спаде паводков, когда вода, выйдя из горных ущелий, разливается по открытым котловинам.

Внезапные наводнения представляют особую опасность в пустынях, особенно когда они инициируются осадками, выпавшими в удаленных районах. Вопреки распространенному мнению, в результате таких наводнений гибнет больше людей, чем от жажды или обезвоживания, — часто потому, что жители нижних по течению территорий не осведомлены о дождях, прошедших выше по течению. Типичный пустынный дождь проявляется в виде кратковременной, интенсивной грозы, способной принести несколько дюймов (>5 см) осадков за короткий промежуток времени. Образующаяся вода быстро трансформируется в стену воды, движущуюся по горным каньонам, сметающую рыхлый материал и создающую чрезвычайную угрозу для людей и транспортных средств, оказавшихся на ее пути.

Кактус сагуаро в пустыне Аризона (Пол Б. Мур, Shutterstock, Inc.)

Для многих пустынных ландшафтов характерно наличие сухих озер на низменных равнинных участках, которые могут наполняться водой лишь раз в несколько лет. Эти образования, известные как плайи или твердые впадины, обычно содержат отложения белых солей, остающихся после испарения дождевой воды. На юго-западе Америки насчитывается более ста плай, включая остатки древнего озера Бонневиль, сформировавшегося во время последнего ледникового периода и простиравшегося на территории штатов Юта, Невада и Айдахо. При наличии воды эти объекты называются озерами-плайя, а их исключительно плоские поверхности используются для создания гоночных трасс и взлетно-посадочных полос — в том числе для посадки космических шаттлов на Роджерс-Лейк-Плайя на авиабазе Эдвардс в Калифорнии.

Аллювиальные веера (конусы выноса) представляют собой крупнозернистые аллювиальные отложения, накапливающиеся в устьях горных каньонов; это обычные пустынные формы рельефа, сложенные как русловым аллювием, так и материалами селевых потоков. Данные формы имеют большое значение для населения благодаря своей высокой пористости и проницаемости, которые способствуют накоплению значительных запасов подземных вод. Во многих регионах аллювиальные веера сливаются в сплошной обширный пласт, известный как баджада (бахада), создавая пологие поверхности вдоль фронтов горных хребтов.

Фронтоны представляют собой эрозионные поверхности, отходящие от основания высокогорных массивов и характеризующиеся тонким или прерывистым покровом аллювия и обломков горных пород. Эти элементы сформированы текучими водами и, как правило, расчленены неглубокими руслами, которые постепенно расширяются по мере эрозии соседних гор. Инсельберги (останцовые горы) образуют еще одну характерную пустынную форму рельефа: это крутосклонные горы или хребты, резко поднимающиеся над однообразно плоскими равнинами. Скала Айрес (Улуру) в Центральной Австралии является самым известным в мире инсельбергом, созданным в результате дифференциальной эрозии, при которой устойчивые к выветриванию массивы сохраняются, а менее стойкие породы удаляются.

Ветер в пустынях. Ветер выступает фундаментальным фактором эволюции пустынных ландшафтов, действуя посредством двух основных механизмов эрозии. Дефляция включает удаление мелкодисперсных материалов с территории, что приводит к эффективному понижению поверхности земли под действием ветра. Истирание (корразия) происходит, когда переносимые ветром песчинки и другие частицы ударяются о открытые поверхности, действуя подобно пескоструйной обработке и внося значительный вклад в изменение рельефа.

Ярданги представляют собой вытянутые, обтекаемые, размытые ветром гребни длиной в несколько миль, напоминающие корпуса перевернутых кораблей, выступающие над поверхностью. Эти отличительные черты формируются в результате длительного истирания вдоль постоянных ветровых коридоров, где более мягкие материалы удаляются, а устойчивые к эрозии гребни остаются. Разрушенный материал впоследствии подвергается пескоструйной обработке с подветренной стороны, в результате чего образуются отложения песка, алеврита и пыли.

Дефляция протекает в больших масштабах на территориях, лишенных растительного покрова, иногда формируя обширные котловины, известные как дефляционные бассейны. Такие особенности распространены по всей территории Соединенных Штатов от Техаса до Канады, обычно образуя продолговатые впадины глубиной 3–10 футов (1–3 м). Однако в таких регионах, как Сахара, дефляционные бассейны могут достигать глубины в несколько сотен футов (до 100 м). Поскольку скорость ветра редко превышает несколько десятков миль в час (~50 км/ч), переноситься могут только мелкие частицы, тогда как валуны, булыжники и более крупный материал остаются и концентрируются на поверхности. При такой концентрации формируется пустынный тротуар (покрытие), обладающий стабильной и долговременной поверхностью.

Пустынные тротуары, несмотря на их общую устойчивость, становятся уязвимыми при нарушении. Движение транспортных средств может привести к выдуванию крупных булыжников и гальки из-под поверхности, подвергая подстилающие пески новому воздействию ветра. Такие нарушения способны вызвать значительную аккумуляцию пыли и песка, а обширные разрушения могут привести к необратимому разрушению тротуара, требующему восстановления всей поверхности. Яркий пример произошел во время войны в Персидском заливе в 1991 году, когда сотни тысяч военных машин пересекли пустынные районы Саудовской Аравии в ходе операции по освобождению Кувейта. Разрушение защитного покрытия в сочетании с постоянными северо-западными ветрами привело к повторной мобилизации ранее стабильных песков, в результате чего теперь формируются крупные дюны, угрожающие городу Эль-Кувейт, что местные жители называют «вторым вторжением».

Для борьбы с мигрирующими дюнами применялись различные методы стабилизации. В Кувейте для создания просмоленных поверхностей в экспериментальных целях использовалась нефть, хотя такой подход вызывает опасения по поводу экологических последствий. Китай внедрил более экологичный метод в пустынях Гоби и Такла-Макан, используя тюки сена, расположенные в виде сетки на наветренных склонах дюн, чтобы снизить скорость воздушного потока и перенос песка. Между этими тюками высаживают засухоустойчивую растительность, а по мере стабилизации производят дополнительные посадки вдоль гребней дюн. Китай сооружает обширный барьер из тюков сена и растительности протяженностью 5700 миль (9000 км), получивший название «Зеленая стена», который по длине должен превзойти Великую Китайскую стену и служить защитой от надвигающихся песков из Монголии.

Песок и пыль, переносимые ветром. Вопреки распространенному мнению, песчаные пустыни составляют лишь малую часть засушливых регионов, где преобладают скалистые и покрытые гравием поверхности. Например, песок покрывает только около 20% территории Сахары, а остальная часть состоит из камней, гальки или гравия. Тем не менее, зыбучие пески представляют собой одну из самых серьезных геологических опасностей в пустынях, поскольку мигрирующие дюны вторгаются в населенные пункты по всему миру. По оценкам Института исследований пустынь в Ланьчжоу (Китай), только мигрирующие песчаные дюны из пустыни Гоби ежегодно захватывают площадь в 950 квадратных миль (2460,5 км²) в пределах Китая, что приводит к экономическим потерям в размере 6,7 миллиардов долларов в год и затрагивает примерно 400 миллионов человек.

Ветер переносит песок посредством сальтации — процесса, включающего серию отскоков или прыжков частиц по дугообразным траекториям. Этот механизм создает тонкий подвижный слой отскакивающих и перекатывающихся песчинок на поверхности дюн. Сортировка осадочных частиц ветром формирует небольшие вытянутые песчаные волны, в то время как более крупные объекты, называемые песчаными дюнами, образуют насыпи или гребни высотой до 1500 футов (~450 м). Все дюны обладают асимметрией, характеризующейся пологим наветренным склоном и крутым подветренным склоном, обращенным в сторону от преобладающего направления ветра. Песок перемещается за счет сальтации вверх по наветренной стороне до тех пор, пока скорость воздуха вблизи гребня достаточно не снизится, позволяя частицам лавинообразно стекать вниз по склону, сохраняя угол откоса (30–34°). Этот процесс приводит к постепенной миграции дюн в подветренном направлении, обычно на 80–100 футов (28–30 м) в год, хотя в Западной пустыне Египта и автономном районе Нинся в Китае зафиксированы случаи миграции до 350 футов (107 м) в год.

Морфология дюн варьируется в зависимости от количества песка, силы и постоянства направления ветра, а также растительного покрова. Там, где песка много, а растительности мало, образуются поперечные дюны с гребнями, перпендикулярными преобладающим ветрам. Барханные дюны имеют форму полумесяца с рогами, направленными вниз по ветру, и развиваются на плоских поверхностях с устойчивыми ветрами и ограниченным запасом песка. Параболические дюны имеют U-образную форму с открытым концом, обращенным против ветра, и возникают там, где растительность закрепляет «хвосты» мигрирующих поперечных дюн. Линейные дюны выглядят как длинные прямые гряды, ориентированные параллельно направлению ветра в районах с ограниченным количеством песка и умеренно переменными ветрами, тогда как звездчатые дюны развиваются как изолированные или неправильной формы холмы при сложных режимах ветра.

Сильные ветры переносят частицы алеврита и глины на огромные расстояния: сахарская пыль достигает Южной Европы, а азиатская оседает на островах Тихого океана. Такая пыль оказывает значительное влияние на глобальный климат, и во время экстремальных явлений, таких как «Пыльный котел» (Dust Bowl) 1930-х годов, концентрация пыли в атмосфере достигала плотности, достаточной для частичного блокирования солнечной радиации. Нанесенные ветром алеврит и глина, называемые лёссом, образуют однородные слои на различных элементах рельефа, что отличает их от речных отложений. Катастрофическое землетрясение в провинции Шэньси (Китай) в 1556 году, унесшее около 830 000 жизней, продемонстрировало уязвимость лёсса: сотни тысяч жителей построили жилища, выкопанные непосредственно в этом мелкозернистом материале, который оказался чрезвычайно подверженным разрушению при сейсмических колебаниях.

Современные исследования показывают, что переносимая ветром пыль играет сложную роль в регулировании климата. Пыльные бури в Сахаре могут распространяться по всему земному шару, частично ослабляя солнечную радиацию и одновременно потенциально выступая в качестве ядер конденсации для образования дождевых капель. Поскольку глобальное потепление приводит к увеличению интенсивности штормов и расширению пустынь, пыльные бури могут создавать механизм отрицательной обратной связи, потенциально сдерживая повышение температуры и усиливая выпадение осадков.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Тимоти Куски

Источник: Энциклопедия наук о Земле и космосе

Данные публикации будут полезны студентам и аспирантам естественнонаучных направлений (геологии, географии, геофизики, астрофизики и космологии), начинающим специалистам в области структурной геологии, тектоники, космологии и астрофизики, а также всем, кто интересуется фундаментальными загадками устройства Вселенной и процессами формирования Земли.