Гарри Хаммонд Хесс: теория спрединга морского дна и эволюция океанских бассейнов

Гарри Хэммонд Хесс наиболее известен формулировкой новаторской теории происхождения и эволюции океанских бассейнов. Опираясь на наблюдения, связанные с теорией дрейфа континентов Альфреда Вегенера (предложенной в 1912 году), Хесс визуализировал процесс, происходящий глубоко под океанической корой, который вызвал распространение морского дна (спрединг). В этой модели морское дно образуется на срединно-океанических хребтах и опускается в глубоководных желобах обратно в мантию Земли. Данная концепция обеспечила механизм, который вывел теорию тектоники плит в основное русло наук о Земле.

Ранние годы и образование. Гарри Хэммонд Хесс родился 24 мая 1906 года в Нью-Йорке в семье Джулиана и Элизабет Энгел Хесс. Его отец работал на Нью-Йоркской фондовой бирже; у Гарри был брат Фрэнк. В возрасте пяти лет родители сфотографировали его в матросском костюме и назвали портрет «Маленький адмирал», предвещая будущую военно-морскую карьеру. Он учился в средней школе Эсбери-Парк (Нью-Джерси), где специализировался на иностранных языках.

В 1923 году Хесс поступил в Йельский университет, планируя стать инженером-электриком, но сменил специальность на геологию и в 1927 году получил степень бакалавра. Горнодобывающая компания Loangwa Concessions, Ltd. наняла его для геологического картирования и поиска полезных ископаемых в Зимбабве (тогда Родезия) на юге Африки. Ему не нравилась эта работа из-за отсутствия свободы выбора участков разведки, однако этот опыт научил его ценить полевые работы в геологических исследованиях.

Научная карьера и гравиметрические экспедиции. Будучи кандидатом в докторантуру Принстонского университета, Хесс изучал минералогию (идентификацию, распределение и свойства минералов), петрологию (происхождение, состав и структуру горных пород) и строение океанических бассейнов. В 1931 году он сопровождал голландского геофизика Феликса А. Веннинга Мейнеша в миссии по проведению гравитационных измерений в Вест-Индии и на Багамах. Данные о силе тяжести дают представление о составе подземных пород, поскольку гравитационные поля сильнее в более плотных областях; измерения приходилось проводить внутри подводной лодки из-за волнения на поверхности.

Одним из интересных наблюдений стало то, что сила тяжести над Карибским желобом оказалась намного слабее ожидаемой. Желоб представляет собой длинную узкую борозду на краю океанского дна; экстремальная слабость гравитации указывала на необычную структуру под ним. Ученые уже знали, что вблизи желобов часто располагаются вулканы и происходят землетрясения, что побудило Хесса задуматься о природе этих явлений.

Хесс получил степень доктора геологии в 1932 году; его диссертация была посвящена серпентинизации крупного перидотитового интрузива в горах Блу-Ридж (Вирджиния). Перидотит — это магматическая порода, содержащая оливин и пироксен; интрузив означает породу, образовавшуюся из магмы, не достигшей поверхности. Серпентинизация — химический процесс превращения оливина и пироксена в минерал серпентин. Хесс опубликовал две классические работы: «Пироксены обычных основных магм» (1941) и «Магматический комплекс Стиллуотер, Монтана» (1960), а позже НАСА назначило его главным исследователем по изучению пироксена в образцах лунных пород.

После защиты докторской Хесс преподавал в Ратгерском университете (1932–1933), затем год работал научным сотрудником в геофизической лаборатории Института Карнеги в Вашингтоне. В 1934 году он получил должность преподавателя геологии в Принстонском университете, где оставался до 1966 года. В том же году он женился на Аннет Бернс; у них родились двое сыновей — Джордж и Фрэнк.

Служба в Военно-морских силах США. Хесс поступил на службу в ВМС США в звании лейтенанта для руководства операциями на подводной лодке, использовавшейся для гравитационных исследований. Он находился в резерве, когда Япония атаковала Перл-Харбор 7 декабря 1941 года, и на следующее утро прибыл на действительную службу. Благодаря опыту работы на подводных лодках он стал офицером противолодочной обороны, ответственным за выявление схем действий вражеских субмарин в Северной Атлантике. Хесс консультировал военно-морской флот, предположив, что немецкие подводные лодки могут использовать облачность к северу от Гольфстрима для избежания обнаружения при всплытии; это привело к тому, что в течение двух лет в Северной Атлантике не осталось вражеских субмарин.

Хесс организовал перевод на судно-приманку USS Big Horn для проверки эффективности программы обнаружения подводных лодок и оставался на службе в море до конца войны. Будучи командиром транспортного судна USS Cape Johnson, он тщательно выбирал маршруты к местам высадки на Марианских островах, Филиппинах и Иводзиме, постоянно проводя научную съемку и профилирование океанского дна в северной части Тихого океана. Он установил глубоководный эхолот, измерявший глубину по времени возвращения звукового сигнала, и составил батиметрические карты большой площади Тихого океана. В процессе он обнаружил подводные вулканы с плоскими вершинами, которые назвал гайотами в честь швейцарского геолога Арнольда Гайота, основавшего геологический факультет Принстона в 1854 году. Хесс оставался в резерве ВМС до самой смерти, получив звание контр-адмирала в 1961 году.

Удивительные открытия в морской геологии. В июле 1950 года группа ученых, изучавших морское дно Тихого океана, сделала открытия, повлиявшие на идеи Хесса. Ранее считалось, что океаническая кора в основном плоская и чрезвычайно толстая из-за миллиардов лет накопления отложений в результате континентальной эрозии. Используя взрывчатку и сейсмические волны, команда определила, что толщина океанической коры составляет всего около 7 км — намного меньше ожидаемой, поскольку континентальная кора примерно в пять раз толще.

Геологи полагали, что океаны существуют уже 4 миллиарда лет; почему же там скопилось так мало отложений? Команда взяла пробы с гайотов и обнаружила кораллы, а не каменистый песок. Кораллы обычно встречаются на мелководье, однако некоторые гайоты залегают на глубине 3,2 км. Возраст кораллов составил около 130 миллионов лет — на сотни миллионов лет меньше предполагаемого возраста океанов. Ископаемые останки подтвердили относительно молодой возраст океанского дна.

Несколько лет спустя американский океанограф Морис Юинг заметил, что океанические хребты имеют разломы (долины), проходящие через их центры. Рифтовый шов, по-видимому, образовался в результате раскола, что было необычно, поскольку считалось, что горные хребты на суше возникают при сжатии. Присутствие лавы и отсутствие отложений вдоль хребтов также озадачили ученых.

Предположение о спрединге морского дна. Хесс рассматривал эти открытия в связи с теорией дрейфа континентов Альфреда Вегенера (1912). Вегенер заметил, что восточное побережье Южной Америки и западное побережье Африки подходят друг к другу, как кусочки мозаики, и собрал ископаемые свидетельства, заключив, что континенты когда-то были соединены. Однако Вегенер не объяснил механизм дрейфа. Хесс модифицировал теорию: если Вегенер полагал, что континенты пропахивают океанское дно, то Хесс предположил, что они движутся пассивно, когда океанское дно отрывается от горных хребтов.

В 1960 году Хесс впервые предложил теорию спрединга морского дна. Он объяснил расщепление срединно-океанического хребта, наличие лавы вокруг хребтов и тонкость океанической коры. Согласно модели, океаническая кора раскалывается по шву — разлому в центре хребта. Расплавленная магма поднимается через эти слабые участки и извергается в виде лавы, образуя новую кору из базальта по мере остывания. Новообразованная кора уносится мантией, которая распространяется в поперечном направлении от хребта, и в конечном итоге уходит обратно в желобах вдоль разломов сжатия, где куски коры вытесняются под другие плиты.

Хесс предположил, что движущей силой является конвекция (передача тепла за счет движения жидкости). Мантия, несмотря на твердость, может медленно течь, образуя конвекционные ячейки: более горячие, менее плотные породы поднимаются вверх, а при остывании опускаются, увлекая за собой вышележащую кору. Земная кора, исчезавшая во впадинах, постоянно пополнялась новой лавой на гребне. Хесс назвал эту работу «эссе по геопоэтике» и выпустил препринты в 1960 году. Официальная статья «История океанических бассейнов» была опубликована в 1962 году Американским геологическим обществом в сборнике в честь А. Ф. Баддингтона (профессора петрологии Хесса в Принстоне и его близкого друга).

Палеомагнитные подтверждения и признание. Статья Хесса была хорошо принята, и вскоре появились дополнительные палеомагнитные свидетельства в пользу спрединга. Палеомагнетизм реконструирует древнее магнитное поле Земли по намагниченности древних пород. Богатые железом породы намагничиваются в соответствии с полюсами Земли при затвердевании, фиксируя направление поля. Каждые несколько миллионов лет магнитные полюса меняются местами, что позволяет определять возраст пород.

В 1963 году два британских геолога — Фред Дж. Вайн и Драммонд Х. Мэтьюз, а также Лоуренс Морли из Канадской геологической службы независимо описали магнитные аномалии: магнитные полосы, параллельные срединно-океаническому хребту, простирались в стороны от него, меняя направление каждые несколько сотен километров. Вайн предположил, что при остывании магмы она намагничивалась в направлении действующего поля и затем уносилась от хребта. Хесс полностью принял эту гипотезу. Дальнейшие исследования 1966 года показали, что полосы действительно параллельны гребням и двусторонне симметричны по магнитным свойствам и возрасту. Данные о том, что морское дно становится старше по мере удаления от хребтов, подтвердили боковое движение коры и укрепили теорию спрединга.

Признание, награды и наследие. С 1962 года Хесс возглавлял консультативный совет по космической науке Национальной академии наук, консультируя НАСА. В 1966 году в Вудс-Хоул (Массачусетс) он председательствовал на совещании по научным целям исследования Луны, когда у него начались боли в груди. Он умер от сердечного приступа 25 августа 1969 года и был похоронен на Арлингтонском национальном кладбище.

Хесс был избран членом Национальной академии наук (1952), Американского философского общества (1960) и Американской академии искусств и наук (1968). Он занимал пост президента секции геодезии (1951–1953) и секции тектонофизики (1956–1958) Американского геофизического союза, Минералогического общества Америки (1955) и Геологического общества Америки (1963). Он также возглавлял Комитет по захоронению радиоактивных отходов, отдел наук о Земле Национального исследовательского совета и был главным участником проекта Мохоул (вместе с океанографом Уолтером Мунком) по бурению под океанической корой в мантию.

В 1966 году Геологическое общество Америки наградило Хесса медалью Пенроуза за выдающиеся достижения, а НАСА посмертно присудило награду за выдающиеся государственные заслуги. Американский геофизический союз учредил медаль Гарри Хесса за выдающиеся исследования в области строения и эволюции Земли и родственных планет.

Друзья описывали Хесса как дерзкого и мужественного человека; его готовность принимать новые идеи, даже противоречащие его собственным выводам, была частью его величия как ученого. Предположив, что океанские бассейны постоянно перерабатываются, Хесс объяснил, почему спрединг не приводит к росту Земли, почему слой отложений на дне океана тоньше ожидаемого и почему океанические породы моложе континентальных. Предложенная им модель стала основой тектоники плит. Многие вопросы о силах, действующих глубоко внутри Земли, активно исследуются и сегодня.

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.