Внешний облик Земли

Материки и океаны (рис.1.5) являются основными элементами рельефа

Рис.1.5. Материки и океаны

земного шара. Разделение земного шара на океаническое и материковое с двумя типами земной коры академик В. Вернадский (1863-1945) назвал самым фундаментальным свойством земного шара и дал ему термин «дисимметрия» (асимметрия).

Материк, или континент, это крупный массив суши (в отличие от меньшего по размерам массива – острова), окружённый водой. Выделяют семь частей света (Европу, Азию, Африку, Северную Америку, Южную Америку, Австралию и Антарктиду) и шесть материков: Евразию, Африку, Северную Америку, Южную Америку, Австралию и Антарктиду.

Рис.1.6. Европа (средняя высота над уровнем океана 350 м)

Некоторые крупные острова по размерам близки к материкам и иногда называются «материковыми островами». Среди них наиболее известны Гренландия, Новая Гвинея, Калимантан и Мадагаскар. Материки окружены мелководными зонами океанов – шельфами, с глубинами, обычно не превышающими 150м.

Рис.1.7.Азия (средняя высота над уровнем океана 950 м)

Название частей света и материков имеют разное происхождение. Древние греки называли все земли к западу от Босфора Европой, а к востоку от него – Азией. Римляне разделяли свои восточные (азиатские) провинции на Азию и Малую Азию (Анатолию). Название Африка, также имеющее античное происхождение, относилось лишь к северо-западной части материка и не включало Египет, Ливию и Эфиопию.

Рис.1.8. Африка (средняя высота над уровнем океана 750 м)

Древние географы предполагали, что на юге должен быть крупный материк (Terra Australis – южная земля), который уравновешивал бы обширные массивы суши на севере. Этот материк был открыт только в 17 столетии и первоначально носил название Новая Голландия, которое позже было изменено на Австралию. К 18 веку относятся первые догадки о существовании Антарктиды (что означает «антипод Арктики»), но открытие и исследование этого материка относится лишь к 19-20вв.

В противоположность Австралии, существование Америки никем не предсказывалось, и когда она была открыта, её принимали за часть Китая или Индии. Термин «Америка» на карте впервые появился в 1507г. в честь географа и исследователя Америго Веспуччи, который открыл этот материк. Сам термин «материк» в его современном значении появился в Англии в 17 веке.

Рис.1.9. Австралия (слева, средняя высота над уровнем океана 350 м), Антарктида (справа, средняя высота над уровнем океана 2040 м)

Рис.1.10. Северная Америка (средняя высота над уровнем океана 720 м)

Рис.1.11. Южная Америка (средняя высота над уровнем океана 580 м)

Образование материков и океанов обусловлено тектоническими, космическими и планетарными процессами. Очевидно, материки и океаны наметились ещё в догеологическую стадию развития Земли, но механизм их образования, особенно океанов, до конца не выяснен. Особенности материков и океанов определяются, прежде всего, различиями строения внешней оболочки Земли, которая состоит из сравнительно лёгких горных пород.

У самой поверхности залегает «чехол» осадочных пород: глин, песков, песчаников, известняков. Под ними находятся породы гранитов, а ещё глубже – породы, близкие по свойствам к базальту. Все три слоя вместе составляют земную кору. Различают два типа земной коры: материковую мощностью в 30-80км и океаническую мощностью не более 5-10км. Геологические границы материков шире, чем их современные физико-географические очертания, так как шельфы и часть материкового склона имеют континентальное строение земной коры. В табл. 3 и 4 приведены размеры материков и океанов.

Таблица 3

Наибольший размах рельефа земной поверхности составляет 19,9км. Средняя высота материков равна 840м. На суше преобладают высоты менее 1000м (75% площади). Горы занимают свыше 1/3 поверхности суши, пустыни покрывают около 20% поверхности суши, саванны и редколесья – около 20%, леса – около 30%.

Наибольшие глубины приурочены к глубоководным желобам Тихого океана. Самая глубокая точка, так называемая «пучина Челленджера», находится в пределах Марианского желоба на юго-западе Тихого океана.

Таблица 4

Наибольшие глубины океанов следующие:

· Северный Ледовитый океан – 5527м в Гренландском море;

· Атлантический океан – 8742м у берегов Пуэрто-Рико;

· Индийский океан – 7729м к западу от Яванского (Зондского) архипелага;

· Тихий океан – 11033м у Марианских островов, 10882м у Новой Зеландии, 10497м у Филиппинских островов.

Самая характерная черта образа Земли – планетарная асимметрия материков и океанов. На Южном полюсе расположен самый высокий континент – Антарктида, тогда как на Северном полюсе простирается Северный Ледовитый океан. При этом площадь Антарктиды почти равна площади Северного Ледовитого океана. Впадине Тихого океана отвечает материковый рельеф Африки. Южным океанам, омывающим берега Антарктиды, асимметрию создают материки Северного полушария, опоясывающие Арктику.

Меридиональную асимметрию Земли порождает Тихий океан, водами которого покрыто 35% поверхности Земли в Северном и Южном полушариях. По имеющейся статистике распределения суши и океана в 95 случаях из 100 поверхности суши соответствует диаметрально

Рис.1.12. Разлом Сан-Андреас

противоположенный океан. В целом материковому Северному полушарию противопоставлено океаническое Южное, океаническому Западному – материковое Восточное. Рельеф Земли асимметричен как по отношению к плоскости экватора, так и к плоскости меридиана 75° западной долготы.

В строении поверхности Земли огромную роль играют глубинные разломы, рассекающие всю земную кору и нередко уходящие в верхнюю мантию. От более мелких разломов, которые наблюдаются близ поверхности Земли, в пределах осадочных пород оболочки, их отличает не только огромная глубина, но и длительность развития. Некоторые глубинные разломы существуют сотни миллионов лет.

Такие разломы разделяют земную кору на отдельные глыбы, образуя как бы мозаику из блоков различной величины. Обычно эти блоки хорошо выражены в рельефе. Нередко вдоль глубинных разломов вытянуты цепочки вулканов или по ним в земную кору внедряются глубинные магматические породы. Глубинный разлом, проходящий с северо-запада на юго-восток через складчатые сооружения Северного Тянь-Шаня, имеет глубину не менее 100км. Разлом Сан-Андреас в Калифорнии, США, (рис.1.12) – один из самых протяжённых и наиболее активных геологических образований такого рода. Его возраст оценивается в 20 миллионов лет. Он уходит вглубь Земли на 15 километров и протянулся вдоль западного

Рис.1.13. Профили дна Атлантического и Индийского океанов

побережья Северной Америки почти на 1000км.

Облик Земли в главных чертах определяет Мировой океан. В целом рельеф нашей планеты определяется рельефом дна Мирового океана, который характеризуется глобальной системой океанических хребтов, разломами, глубоководными желобами, котловинами.

Срединные океанические хребты представляют собой единую цепь линейных поднятий общей протяжённостью 60 тыс. км и покрывают 15,3% площади дна Мирового океана. Это наиболее значительные горные образования не только океанического дна, но и планеты в целом. Их относительная высота на некоторых участках достигает 3-4км, ширина – 1000-2000км. Планетарная система срединно-океанических хребтов развита в Тихом и Атлантическом океана и буферном Северном Ледовитом океане. Дно океана стареет по мере удаления от срединно-океанического хребта, «расползаясь» от его центральной зоны со скоростью несколько сантиметров в год. Действием этого процесса можно объяснить сходство очертаний континентальных окраин, если предполагать, что между частями расколовшегося континента образуется новый океанический хребет, а океаническое дно, наращиваемое симметрично с обеих сторон, формирует новый океан. Атлантический океан, посреди которого лежит Срединно-Атлантический хребет, вероятно, возник именно таким образом. Срединно-Атлантический хребет – крупнейшая горная система на дне океана длиной свыше 18 тысяч километров (рис.1.14).

Рис.1.14. Срединно-Атлантический хребет

Около 2% всей воды на Земле находится в замёрзшем состоянии (в основном в виде льда). Общая масса льда в современную эпоху равна примерно 28,4×10¹⁸ кг, причём 90% приходится на ледниковый щит Антарктиды, 9% - на ледник Гренландии и менее 1% составляет масса льда всех остальных горных ледников. Площади ледниковых щитов составляют: в Антарктиде 13,9×10¹²м², в Гренландии 1,8×10¹²м², горных ледников – 0,5×10¹² м².

В последнюю ледниковую эпоху в Канаде существовал огромный Лаврентьевский ледниковый щит шириной около 4000км и мощностью 3000-4000м. Отступление ледника, начавшееся 13 тыс. лет назад, продолжалось 8 тыс. лет. Амплитуда послеледникового поднятия составила около 300м.

Оледенение Фенноскандии началось 60-70 тыс. лет назад. Ледник имел самую большую мощность - около 3000м в центральной части. На юге ледник доходил до Валдайской возвышенности. Затем началось постепенное отступление ледника от периферии к центру. Последние крупные массы ледника исчезли 9 тыс. лет назад. По мере отступления ледника и после его исчезновения произошло изостатическое поднятие Фенноскандии, достигшее в центральной части 300м за 10 тыс. лет

Масса ледников значительно меняется со временем. Например, 12 тысяч лет назад растаял громадный ледниковый щит, покрывавший в четвертичном периоде почти всю Русскую равнину и значительные пространства Западной Европы и Северной Америки. Во время малого климатического оптимума, который имел место около тысячи лет назад, у ледникового щита Гренландии была существенно меньшая масса, чем в настоящее время.

Масса ледникового щита Гренландии оценивается в 2,5 млн. км³. Если весь лёд Гренландии растает, то это приведёт к повышению уровня Мирового океана примерно на 7 метров и огромная масса пресной воды, поступившая в северную часть Атлантического океана, может остановить «конвейер Брокера» - глобальный круговорот океанических течений, ответственный за перенос тепла к северо-западным берегам Европы (рис.1.15).

Рис.1.15. Глобальный круговорот океанических течений

(COLD – холодная вода, WARM – тёплая вода)

Важнейшая часть «конвейера Брокера» (по имени американского учёного У. Брокера, описавшего данное явление в конце 80-х годов 20 века) – мощнейший поток воды, движущийся по Атлантическому океану с юга на север на глубине около 800м. На широте Исландии этот поток поднимается к поверхности и очень сильно охлаждается, а отдаваемое им тепло определяет необычную мягкость зим на севере Европы. Охлаждённая вода вследствие повышенной плотности опускается вниз почти до самого дна, где начинает свой обратный путь на юг. Это течение, теперь уже холодное, пересекает экватор, обогнув Африку, поворачивает на восток, даёт ответвление на север в Индийском океане, где поднимается к поверхности, а затем, обогнув с юга Австралию и Новую Зеландию, направляется на север Тихого океана, где также поднимается к поверхности.

В случае интенсивного таяния ледников Гренландии поступившая в море пресная вода разбавит ту массу солёной воды, что двигалась с юга, и эта вода, став менее плотной, перестанет «тонуть». Конвейер Брокера остановится, а в Европе начнётся сильнейшее похолодание на много лет. Когда Гренландия перестанет таять, конвейер возобновит свою работу. В истории Земли такое уже случалось не раз. По современным оценкам таяние гренландских ледников повышает уровень океана на 0,5мм в год.

Если в результате природных сдвигов Мировой океан начнёт внезапно жить по совершенно иным законам, то Европа, Азия и Северная Америка лишатся привычного тепла, а в Южном полушарии станет жарче. По оценкам некоторых учёных Земля уже пережила нечто подобное 8200 лет назад. Человечеству известно, в частности, Малое оледенение. Оно продолжалось примерно с 1300 по 1850 год. Из-за ухудшившихся погодных условий европейцам пришлось покинуть Гренландию, увяла цивилизация викингов.

Ледники, покрывающие площадь более 16 млн. км² (площадь подземного оледенения в два раза больше), оказывают влияние на динамику фигуры Земли.. Распределение влаги между Мировым океаном и ледниковыми щитами в результате их таяния неизбежно сопровождалось изменением момента инерции Земли и должно было приводить к какой-то неравномерности вращения Земли и движению полюсов.

Если повторным нивелированием измерить скорость поднятия, а затем оценить толщину слоя льда, покрывавшего территорию, и амплитуду уже происшедшего поднятия (по гравиметрическим измерениям и определениям аномалий силы тяжести), датировать момент исчезновения ледникового покрова по отношению к времени измерений, то можно вычислить коэффициент вязкости пород, слагающих верхнюю мантию Земли. Это – одна из важных физических характеристик Земли, которую до сих пор никакими другими геофизическими измерениями невозможно определить.

В истории Земли большую роль играли и играют землетрясения. Постоянно накапливающиеся в толще Земли упругие напряжения, превысив предел прочности пород, разрушают их с образованием протяжённого разрыва. Потенциальная энергия переходит в кинетическую, которая в форме упругих волн распространяется во все стороны от очага землетрясения, достигает земной поверхности и вызывает подземные толчки и колебания почвы.

В течение года происходит около 100 тыс. землетрясений, из которых 100 – разрушительные и около 1000 землетрясений сопровождаются повреждениями сооружений. В целом, за год, по всему земному шару землетрясения освобождают энергию, равную приблизительно 0,5×10²⁶ эрг.

Интенсивность землетрясения определяется по 12-балльной шкале, построенной на основе инструментальных наблюдений со специальными вертикальными маятниками. Ежегодно на Земле происходит 10-15 десятибалльных, 100-150 восьмибалльных и 300-500 семибалльных землетрясений.

Разрушительные землетрясения сопровождаются горизонтальными и вертикальными движениями земной коры. Чилийское землетрясение 1907г. сопровождалось поднятием почвы на 1м чилийского побережья протяжённостью 300км. В эпицентральной зоне Ашхабадского землетрясения 1948г. горизонтальные смещения достигли 2м. После землетрясения в Армении в декабре 1988г. выявлены смещения по Арагац-Спитакскому разлому в 1-1,2м и относительные поднятия Нижне-Памбакского грабена до 0,3м.

Рис.1.16. Фрагмент карты вулканов и землетрясений

(· эпицентры вулканов, * эпицентры землетрясений)

Сильные землетрясения возбуждают собственные колебания Земли. Любое упругое тело после удара подобно колоколу совершает колебания. В 1911г. Ляв вычислил период собственных колебаний стального шара размером с Землю. Оказалось, что он равен одному часу. Первые собственные колебания Земли с периодом 57 минут были обнаружены в 1952г. после землетрясения на Камчатке. Зарегистрированы колебания Земли с периодом 54 минуты после Чилийского землетрясения в 1960г.

Земля, имея конечные размеры, обладает дискретными частотами собственных колебаний, хотя число их бесконечно. Их амплитуды и фазы зависят от начальных условий, которые нам не известны, но спектр частот определяется размерами, внутренним строением и упругими свойствами Земли. Собственные колебания представляют существенный интерес для геофизики и используются для проверки реальности различных моделей Земли.

Как правило, в районах высокой сейсмической активности располагаются вулканы, поэтому опасность землетрясений дополняется опасностью извержения вулканов.

Для изучения сейсмической активности успешно используются геодезические методы: измерения силы тяжести с одновременным повторным определением высот пунктов нивелированием. В СССР изменения силы тяжести тектонического происхождения в течение длительного времени изучали на геодинамических полигонах.

Геодинамические полигоны были созданы в Евразии и Северной Америке после Аляскинского землетрясения (1964г.). С 70-х годов 20 века практически во всём мире осуществляются программы комплексных исследований на геодинамических полигонах с целью прогноза землетрясений. В последствии круг решаемых задач был расширен за счёт включения в программу работ изучения деформаций земной поверхности, обусловленных процессами вулканизма, а также техногенными процессами. На Ашхабадском гравиметрическом профиле (12км, 7 пунктов), созданном в 1971г., в местах пересечения им тектонического разлома наблюдались изменения силы тяжести со скоростью 100 нм×с^-2/год. Они имели циклический характер, были коррелированны с землетрясениями и указывали на увеличение подземных масс.

В СССР было создано около 50 прогностических геодинамических полигонов в основных сейсмоактивных районах. По результатам работ, выполненных на полигонах, получены ценные данные о закономерностях и свойствах деформационных процессов в конкретных областях; определены реакции разломных зон на землетрясения, происходящие вблизи них; выделены участки, где интенсивность реакции выше; изучены деформации в эпицентрах некоторых сильных землетрясений и извержений вулканов. Например, на Камчатке, где находится 141 вулканов, из которых 28 считаются действующими, активная вулканическая деятельность сочетается с высокой сейсмичностью. Повторными измерениями на геодинамических полигонах зафиксированы деформации, предваряющие и сопровождающие извержения вулканов.

Геодезические наблюдения движений и деформаций наряду с наблюдениями изменений силы тяжести и сейсмичности вулканических разломов дают объективную информацию для прогноза вулканической деятельности. Обобщая наблюдения на разных вулканах мира, можно обнаружить общие закономерности хода вулканических деформаций: растяжения и поднятия перед извержением и сжатия и опускания во время извержения и в последующий период. Накопленная информация, возможно, позволит в будущем прогнозировать вулканические катастрофы.

Наряду с традиционными геодезическими измерениями при геодинамических исследованиях успешно используются спутниковые системы «НАВСТАР» и «ГЛОНАСС», лазерная локация Луны и радиоинтерферометрия со сверхдлинной базой. Повторные измерения GPS-системами с диапазоном расстояний от десятков до тысяч километров с точностью 1×10^-7, лазерные измерения до ИСЗ и Луны, длиннобазисная радиоинтерферометрия являются ценными методами для определения глобальных движений плит и крупномасштабных деформаций внутри них.

Планетарные асимметрии суши и океана, рельефа Земли, гидросфера и атмосфера, находящиеся в постоянном движении, обусловливают сложную динамику фигуры нашей планеты под влиянием деформационных сил из-за собственного вращения Земли и переменных потенциальных полей в космической системе Солнце-Земля-Луна.