Факультет

Студентам

Посетителям

Асимметрия земли и других планет магические цифры

Магические цифры

В науках о Земле существуют проблемы, к которым исследователь приступает неохотно и с большой осторожностью. Слишком уж там зыбкая, неопределенная почва. Догадки, предположения, вероятностные образы…

Вот одна из таких проблем. Почему-то большая часть материков Земли сосредоточена в северном полушарии. Там находится две трети всей суши и лишь треть ее расположена к югу от экватора. Большая часть островов и островных дуг, подводных океанических хребтов и глубоководных впадин привязана к северному полушарию. И вулканы и землетрясения тоже преимущественно развиты в этой части земного шара.

Загадочному соотношению — 2/3 на севере и 1/3 на юге — нет убедительных объяснений.

Правда, была в свое время гипотеза итальянского ученого Н. Бонфанти, которая пыталась объяснить асимметрию в расположении материков ударом метеорита о Северный полюс. Гигантский метеорит якобы смог передвинуть в район северного полушария плавающие на субстрате мантии материки. Эта гипотеза страдала многими неясностями.

Проще можно объяснить это возникшее соотношение между северным и южным полушариями исходя из условий существования земной коры и протекающих в ней водных процессов:

  • взаимодействия литосферы и гидросферы определяют образование коры суши и коры дна Океанов;
  • всплывание материковых толщ связано с уменьшением их веса при вымывании водами и горячими парами растворимых соединений;
  • растворимость пород тем больше, чем больше продуктов распада органического вещества в воде;
  • рост материковых толщ связан с реакциями взаимодействия минералов и рассеянной органики.

И тогда перед нами встанет еще раз во весь рост проблема влияния климата на важнейшие процессы развития земной коры. Климат создает и определяет фотосинтез и, участвуя в круговороте глубинных вод, повышает их агрессивное действие. Вода, содержащая углекислоту и другие продукты распада растительного вещества, значительно активнее растворяет минералы в земной коре. Это делает кору более проницаемой, а чем больше воды проникает в дренажную оболочку, тем более мощной становится кора.

Где тепло и влажно, где больше растительности, там быстрее и обильнее идет рост суши.

Известно уже, что климат южного полушария более суровый, чем климат северного. Там дольше зима, сильнее сказывается влияние ледников Антарктиды. На тех же широтах, где в северном полушарии произрастают еще лиственные и хвойные деревья, в южном полушарии растут лишь мхи. На океанических островах южного полушария деревья не растут уже на 38° широты, а в северном на этой широте находится цветущий Таджикистан.

Из-за сурового климата в южном полушарии в настоящее время мало растений, мало органических остатков в растворах и при круговороте вещества мало энергии, поступающей в недра.

Интересно и то, что наибольшие массивы суши расположены в наиболее обогреваемой Солнцем зоне земного шара, а именно между летними изотермами +10° северного и южного полушарий.

Конечно, на протяжении всей истории нашей планеты климат менялся и в южных околополярных широтах, что частью уже доказано для Антарктиды с ее органическими остатками в породах древних геологических образований. Но материки и океаны, зародившись под сильным влиянием климатических условий, через некоторое время обрели, так сказать, самостоятельность, и рост их зависел уже во многом от внутренних процессов в земной коре. А если бы не было дрейфа материков, то они «обжили бы» в основном именно средние широты.

Объясняя асимметричное размещение океанов и материков на земном шаре, надо учитывать причины, как вызывающие появление материков, так и способствующие преимущественному формированию коры океанов. Такими причинами с позиций определяющей роли воды дренажной оболочки могут быть условия, увеличивающие восхождение растворов сквозь кору именно в южном полушарии.

В этом смысле существенное значение может иметь то, что земной шар повернут Южным полюсом к Солнцу в те периоды, когда расстояние до него наименьшее. Ведь орбита, по которой Земля обращается вокруг Солнца, несколько отличается от окружности. В афелии Солнце ближе к нам на 2,5 миллиона километров, чем в перигелии. Хотя это немного по сравнению со средним расстоянием, равным 150 миллионам километров, но все же это приближение к Солнцу может в какой-то мере облегчить выход воды из дренажной оболочки именно на южную сторону земного шара.

Рассматривая причины, вызывающие образование рельефа земной поверхности, надо учитывать, что внешние силы — выветривание, атмосферные воздействия, работа рек — могут только выравнивать поверхность. Работа только внутренних вод, циркуляция их в дренажной оболочке тоже не может изменить рельеф. Рельеф внешней поверхности — материки, горы, океаны — появляется только в результате взаимодействия внутренних и внешних вод, только в результате проникновения воды в недра и выхода из них.

Надо особенно подчеркнуть одну, и при том важнейшую, особенность существующего равновесного соотношения площадей океана и континентов. Она заключается в том, что это соотношение появилось и длительно существует при противоборстве сил, создающих и разрушающих обе структуры. Дожди, резкие изменения температуры, ветры, речной снос, работа ледников уменьшают высоту материков над уровнем воды в океане. И делают это весьма интенсивно. Эти силы, как мы уже знаем, всего за 10 миллионов лет могут полностью смыть сушу в океан. Да и океаны не имеют перспектив быть долгожителями при существующем заполнении их твердым веществом, которое сбрасывают реки.

Выходит, что материки существуют только потому, что они все время растут, а растут они тем быстрее, чем больше проникает холодная вода сквозь кору материков в дренажную оболочку. Там вода превращает тяжелое вещество мантии в материковую кору.

С другой стороны, океаны существуют только потому, что их кора постоянно тонет, и тонет она тем быстрее, чем больше из дренажной оболочки поднимается горячей воды, которая превращает кору и находящиеся на ней осадочные породы в вещество мантии.

Если же сквозь материки станет меньше проникать воды, то ее меньше будет выходить и сквозь кору океана. Это вызовет уменьшение роста и материков, и океанов. Материки станут ниже, а океаны поднимутся. Так как уменьшение материков обязательно ведет к увеличению океанов и наоборот, то, следовательно, ни уменьшение проникновения воды сквозь кору, ни увеличение ее проникновения не может сколько-нибудь значительно изменить существующее соотношение занятых ими площадей. При увеличении проникновения воды и выхода ее под океаны будет увеличиваться средняя высота материков над океаном. Площадь же океана и его глубина, как и площадь материков, не изменятся.

Постоянство соотношения площадей суши и океана заставляет быть осторожными в оценке многих популярных гипотез о земной коре, в том числе тех, которые предполагают, что вся Земля когда-то была покрыта единой водной поверхностью. Объем ее наземных вод и земной коры возник постепенно за геологическое время из выделений мантии, а относительное «постоянство» объема океанических вод в последние примерно полмиллиарда лет объяснимо пополнением из возникшей земной коры.

Изостазия: материки «плавают» в мантии (Б), подобно медным брускам в ванне со ртутью (А)

Изостазия: материки «плавают» в мантии (Б), подобно медным брускам в ванне со ртутью (А)

2,42 — вот число, над которым исследователи земной коры провели немало часов в трудных раздумьях. Оно обозначает соотношение поверхностей океана и суши, на что обращал внимание академик В. И. Вернадский: «Все черты строения явно указывают на какое-то глубокое явление, на неслучайность распределения суши и моря».

Для понимания происхождения этого магического числа учтем, что кора материков и кора океанов плавают на мантии в условиях, когда совершенно отсутствует свободная поверхность. Потому при любом всплывании материков обязательно опускается кора океанов, а размах вертикальных движений материков и океанов неизбежно обратно пропорционален занимаемым ими площадям.

При нынешних соотношениях площадей материков и океанов не удивительно, что коэффициент пропорциональности 2,42 совпадает с соотношением плотности воды и пород. Дело здесь, вероятно, в том, что в строгом динамическом равновесии находятся слой воды и самый верхний, подвергаемый постоянной эрозии слой суши, где плотность пород наименьшая и лежит в пределах 2,3—2,5 грамма на кубический сантиметр. Разделите плотность этих пород на плотность воды, равную в среднем 1,03, и получите величину, близкую к 2,42. Важно, конечно, не само число, а равновесие этих двух глобальных сущностей Земли.

Уместно здесь же затронуть и вопрос: почему материки имеют, как правило, крутые берега? Неширокий и неглубокий их шельф переходит в крутой обрыв — склон, опускающийся до плоского океанического Дна.

Напомним, что материки в результате уменьшения плотности пород всплывают. Плотность их уменьшают растворы, которые проникают в дренажную оболочку практически вертикально.

Отрицание Атлантиды

Впрочем, действительно ли материки так устойчивы? Всегда ли сохранялось нынешнее соотношение площадей морей и суши? Ведь говорят, что существовала когда-то Атлантида, материк, овеянный легендами и мифами, особенно благодаря усилиям писателей-фантастов.

Геолог Э. Зюсс предполагал, что в далеком прошлом наша планета была покрыта равномерно распределенным океаном — «панталассой». Другой ученый, Э. Ог, допускал существование пяти континентов: 1) Северо-Атлантического, 2) Нижне-Атлантического, или Афро-Бразильского, 3) Китае-Сибирского, 4) Австралио-Индо-Мадагаскарского, 5) Тихоокеанского. В данном контексте нас интересует не достоверность данных предположений, а объединяющая их идея.

Для того чтобы согласиться с существованием Атлантиды и других образований, соединяющих Африку с Южной Америкой, нужно допустить появление и исчезновение больших поверхностей суши в Мировом океане. Рассмотрим возможные условия, от которых зависит жизнь материков и океанов.

По сегодняшним представлениям, состоящая из легких пород земная кора плавает на веществе мантии, которое испытывает как горизонтальные, так и вертикальные перемещения. Очевидно, чем толще и легче кора, тем выше ее поверхность над средним уровнем мантии. Это утверждение справедливо и для коры океанического дна: чем тоньше и плотнее кора океанов, тем глубже прогибается она, тем глубже становится океан. Наибольшей, на 2 километра превышающей теперешнюю (равную 3,8 километра), глубина его дна была бы при полном отсутствии коры.

Материки тоже сохраняют постоянство своего возвышения как над уровнем воды в океане, так и над его дном. На Земле нет гор высотой более 9 километров. Ограничение наложено свойствами вещества земной коры. Превышение этой высоты повело бы к разрушению гор под действием их собственного веса. Да и эрозия ограничивает их высоту.

Представим себе, что в результате каких-то причин из глубин мантии возник, бы еще материк площадью, скажем, в 30—40 миллионов квадратных километров (предполагаемый размер Атлантиды). Тогда площадь суши должна была бы соответственно увеличиться, а площадь океана — уменьшиться. Но к чему бы это привело? Вытесненная вода, повысив уровень в океане на полкилометра, залила бы все существующие материки, оставив только небольшие участки горных кряжей. Появление Атлантиды должно было привести к общепланетной катастрофе. Она выразилась бы во вселенском наводнении, какого не было в истории нашей планеты.

Что касается погружения Атлантиды, то расчеты показывают, что оно было невозможно. Ведь средняя глубина океанов равна 3800 метрам, а средняя высота материков над океаническим дном —4675 метрам. Слой океанической воды из-за меньшей плотности может уравновесить слой материков только высотой 1540 метров. Остальные 3225 метров подняты над дном уже благодаря меньшей плотности коры материков по сравнению с плотностью вещества мантии, то есть на эту высоту материки вытолкнуты самими недрами Земли.

В настоящее время средняя мощность коры материков равна 37 километрам, а это значит, что на каждый неуравновешенный водой километр высоты материков приходится 11,5 километра земной коры. Если мощность коры материков уменьшить до 27 километров, то ее хватит, чтобы удерживать материки только на уровне воды. Не смогут материки и погрузиться глубже в пределы мантии, так как плотность их вещества меньше плотности вещества мантии. А если суша не возвышается над поверхностью океана, то не может совершать своей работы эрозия. Текучая вода не будет разрушать и смывать поверхность материков, уменьшая их высоту. Поэтому если бы некогда существовала Атлантида или подобные ей материки, то эрозия не уничтожила бы их до конца, они остались бы слегка прикрытые водой в виде гигантских «столбов» на дне Мирового океана.

Мелкие острова вулканического происхождения могут, появляясь над разломами, образовывать ряды и перемычки, как уже было сказано. Они могут и погружаться, образуя острова с плоскими вершинами. Такие острова, называемые гайотами, обнаружены в большом количестве. Странного в том, что они погружаются, нет, поскольку при вулканическом образовании гайотов происходит накопление избытка массы. На таких островах всегда наблюдаются положительные аномалии силы тяжести. Они и вызывают погружение островов. Даже такие грандиозные сооружения, как срединные хребты, возникают в океанах ненадолго. Они тоже погружаются. На дне океанов обнаружены такие остатки бывших хребтов. Как же дренажная оболочка содействует сохранению устойчивого соотношения между площадями, занятыми океанами и материками?

Представляется вероятным, что большая доля в поддержании этого постоянства принадлежит перемещению тепла и массы в круговороте твердого вещества и в круговороте глубинных вод. Круговорот может действовать постоянно только в том случае, если восходящие и нисходящие ветви тепломассопереноса соответствуют друг другу.

Формирование лунного лика

Луна, наша ближайшая соседка, досконально изучается уже на протяжении веков. Она нам хорошо известна, мы знаем, что ее поверхность покрыта огромным числом кратеров самых различных размеров и так называемыми «морями», расположенными широкой полосой на всей видимой стороне, особенно в северной половине.

Не было никаких сомнений, что и обратная сторона Луны имеет такой же сложный рельеф и такие же «моря», образование которых лучше всего объясняла гипотеза падения на Луну крупнейших метеоритов или даже маленьких планет — планетезималей.

Новые факты. Но вот в октябре 1959 года автоматическая станция «Луна-3» сфотографировала обратную сторону Луны, и рухнула, казалось, весьма убедительная гипотеза происхождения «морей». На обратной стороне их не оказалось, а падение полутора десятков планетезималей на видимую, и только на видимую, сторону было бы чудом из чудес.

В мае 1969 года космический корабль «Аполлон-10» приблизился к Луне, его посадочный отсек опустился к поверхности Луны и облетел ее 31 раз на расстоянии меньше 15 километров. Посадка космонавтов все же не состоялась, так как совершенно неожиданно отсек подвергся большой «качке»: Луна то притягивала его, то отталкивала. Посоветовавшись с Центром, отсек поднялся к кораблю, и космонавты вернулись на Землю.

Причинами притяжения отсека могли быть только крупные, сконцентрированные избыточные массы, которым-тогда же дали название «масконы»; наличие их стало еще одной загадкой Луны.

Никаких сомнений не вызывала гипотеза о наличии приливного горба на видимой стороне Луны. Он остановил вращение Луны вокруг ее оси; он увеличил главный момент инерции видимой стороны в 17 раз против расчетного; он увеличил радиус центральной части видимой стороны в среднем на 2,1 километра, что было показано измерениями десяти известных астрономов.

Но вот в июле-августе 1971 года астронавт А. Уорден, облетавший Луну на корабле «Аполлон-15», точно замерил средние значения лунного радиуса и длины радиуса видимой и обратной сторон и показал, что радиус обратной длиннее радиуса видимой, а не наоборот, как было принято считать. Что же вызывает увеличение главного момента инерции, если радиус видимой стороны короче радиуса обратной на 6 километров?

Нет оснований считать, что у Луны имеется железное, да еще и расплавленное ядро, с которым связывают существование магнитного поля Земли. Чем же тогда объяснить то, что на Луне, главным образом на ее «материках», обнаружены многочисленные случаи «всплесков» магнитного поля, достигавших 313 гамм? Это в 100 раз больше, чем ожидалось по замерам со спутников.

Обнаружено много «горячих» точек на поверхности Луны, ее тепловые потери в космос оказались такими же, как у Земли. Откуда берется столько тепла, ведь ее масса в 81 раз меньше земной, а поверхность, теряющая тепло применительно к одинаковым массам, в 25 раз больше, чем у Земли!

Сейсмометры, установленные на Луне, убедительно показали, что и у нее имеется кора и что на нижней границе коры сейсмические волны скачком изменяют скорость с 6,8 до 8,8 километра в секунду. Такое изменение имеет место и на границе Мохоровичича в недрах нашей планеты.

Что такое кора Луны? Пишут, что она «обособилась» или что она образовалась, когда где-то и когда-то проходила через мощное радиоактивное облако, расплавившее поверхностный слой толщиной 25—60 километров.

Конечно, такие объяснения только увеличивают число загадок и тайн, ибо для объяснения одного неясного вопроса придумывается еще более неясное явление.

Попытаемся понять историю формирования рельефа лунной поверхности с привлечением идеи о дренажной оболочке, ведь была, а может быть, и есть даже теперь вода в недрах Луны.

Участие воды позволяет объяснить образование коры не только у Земли, но и у других планет «холодным способом», не прибегая к плавлению и разделению вещества пород, хотя не исключены и эти процессы у космических тел, нагретых до высоких температур.

Американские сейсмометры, установленные в Океане Бурь, в кратере Фра Мауро и в районе рва Хэдли, помогли определить наличие коры у Луны и колебания ее мощности. Под «материками» она достигает 50 километров, в районе «морей» тоньше — около 25— 17 километров.

Для образования лунной коры может быть предложен тот же механизм циркуляции глубинных вод, что и на Земле. Короче, мы прибегнем к представлению о дренажной оболочке с надеждой, что ее разнообразные свойства помогут понять многочисленные и неожиданные особенности рельефа Луны, в частности отсутствие морей на обратной ее стороне.

Такая оболочка на Луне, вероятно, вначале, как и на Земле, образовалась вблизи центра планеты, а по мере разогрева поднялась к поверхности. При этом не потребовались и высокие температуры — верхний предел тоже мог ограничиваться четырьмя-пятью сотнями градусов. Обогащение коры радиоактивными и другими соединениями могло тоже оказаться аналогичным земному процессу.

Все это хорошо, скажет читатель, но как быть с водой на Луне? Есть ли она там?

Вода Луны. Одним из положительных указаний на присутствие воды, особенно в прошлом, служат многочисленные русла каких-то рек на Луне. Особого внимания заслуживают данные осмотра и фотографии береговых склонов рва Хэдли. Эти сведения получены астронавтами «Аполлона-15». Глубина рва превышает 300 метров. Береговой склон рва вначале опускается полого, а затем крутым обрывом уходит к плоскому дну, усыпанному множеством камней. Склон имеет горизонтальную слоистость. Есть основания считать, что такой ров могла сделать только текучая вода. Об этом свидетельствуют большая длина и извилистый характер русл.

Убедительно подтверждают наличие воды данные анализа образцов лунного грунта, доставленного астронавтами корабля «Аполлон-16». Газообразные вещества, выделяющиеся при термическом анализе некоторых пород, содержали водяных паров 40—50 процентов, углеводородных газов — 15—20, цианистоводородной кислоты — 5—10, водорода — 5—10, окиси углерода и азота — 2—5, других углеводородных соединений, включая метан, — 1—5 процентов. Правда, такой неожиданный состав газов пытаются объяснить тем, что данные пробы грунта Луны являются якобы привнесенными из космоса. К числу прямых доказательств наличия воды на Луне относится длительное действие гейзера, который работал 7 марта.1971 года. После тщательной проверки полученных об этом сведений, через 6 месяцев, в октябре 1971 года, было опубликовано сообщение о том, что на Луне в течение 14 часов действовал гейзер в районе оконечности Океана Бурь. Пары воды распространились на поверхности около 260 квадратных километров. В то же время была зарегистрирована серия небольших лунотрясений.

Однако существование воды на Луне часто оспаривается.

На первый взгляд представляется очевидным, что вода, особенно ее пары, при вулканическом выбросе в условиях Луны не конденсируется, а уходит в мировое пространство. В действительности положение, вероятно, иное. Часть воды при выбросе в окружающее пространство переходит в пар, он охлаждается за счет расширения, конденсируется в виде жидкой и замерзшей воды и так или иначе падает на поверхность Луны.

Иногда считают, что поднявшаяся к поверхности коры вода быстро, даже со взрывом, испаряется. Однако это не так: ведь для испарения воды каждый грамм ее должен получить более 600 калорий тепла от пород или от Солнца. Солнце же, как и на Земле, способно испарять своим теплом на Луне на протяжении года только однометровый слой воды.

На нашем спутнике существуют и такие условия, когда вода, не успев испариться, уйдет в недра коры Луны.

С этой точки зрения представляет интерес случай, происшедший на посадочном отсеке корабля «Аполлон-15». При выходе космонавтов на поверхность Луны они 6 часов и 34 минуты посвятили осмотру берегов рва Хэдли. За это время в разгерметизированной кабине на пол вылилось свыше десяти литров воды. Когда космонавты вернулись в кабину, они обнаружили лужу воды. По рекомендации с Земли, вычерпав пакетами от пищи, они выбросили ее за борт. В кабине, в полнейшем вакууме, она не испарилась и даже не замерзла.

Русла лунных рек. Однако, подчиняясь господствующим мнениям об отсутствии воды на Луне, многие исследователи главным фактором происхождения русл вынуждены считать течение лавы. Трудно понять, какими соображениями можно обосновать такое понимание процесса образования русл. Работая веками, вода медленно, но верно вымывает растворимые компоненты из ложа речного русла. Она разрушает породы, причем резкие колебания температуры помогают превращать нерастворимые породы в мелкие, легко перемещаемые продукты выветривания. Тысяча тонн воды в среднем способна на протяжении года вынести 1 тонну разрушенных водой земных пород, которые впоследствии образуют осадочные толщи на дне океана Земли.

Трудно представить, что такую работу может выполнить за свое однократное перемещение даже очень горячая лава, и совершенно непонятно, куда она могла передвинуть те огромные массы пород, которые лежали на месте теперешнего русла. Нельзя понять, как все-таки быстро густеющая лава сможет вымыть десятки кубических километров пород. Спрашивается, откуда у весьма медленно и с трудом стекающей даже по крутым склонам вулканического кратера лавы такая способность течь по равнинной территории, да еще при этом выделывать меандрические зигзаги? Стоит поставить перед собой такие вопросы, и станет ясным, что лава не может считаться агентом, способным промыть даже самое примитивное русло.

Если текущая магма на своем пути встретит готовое речное русло и начнет течь по нему, русло не станет глубже. Застывшая лава заполнит его доверху и остановится, не пройдя и половины, а вероятно, и значительно меньшей части длины. Ведь длина русл на Луне и Марсе достигает 300—500 и более километров. Такой путь магма не пройдет — застынет.

Дренажная оболочка Луны. Представим себе, что, так же как и на Земле, из глубин Луны постоянно происходит подъем воды в виде надкритического пара. Поднимаясь в слои с температурами ниже 374° С, пар конденсируется, и вода накапливается в этих слоях, которые постепенно превращаются в дренажную оболочку лунной коры, как и на Земле. Длительное накопление, вертикальная циркуляция поднимающихся надкритических паров и опускающихся жидких водных растворов приводили к увеличению проницаемости этой оболочки и к прорывам растворов из нее на поверхность Луны. Ведь процесс такой «дегазации» недр шел и здесь.

Если постепенное выделение воды из лунных недр было в какой-то мере аналогично земному, то должно существовать и определенное соотношение между массами воды и коры. В условиях Земли количество воды равно 6—7 процентам от веса земной коры. При таком же соотношении выделявшаяся за время существования Луны вода могла бы покрыть ее поверхность слоем около 4 километров.

Существование самой коры у Луны говорит о том, что в ее недрах должна быть вода. А значит, должен быть и внутрикоровый круговорот воды.

Возможность этого круговорота подсказывается еще и тем, что породы, слагающие поверхность Луны, хорошо проницаемы для воды. Все, что известно о свойствах ее поверхностных пород, особенно в горных районах, свидетельствует именно об этом. Следовательно, вышедшая на поверхность Луны вода может проникнуть в верхние слои коры значительно раньше, чем она испарится даже под очень интенсивным солнечным облучением.

Вода и ее растворы, выбрасываемые в виде пара при вулканических извержениях или выбросах гейзерного типа, вновь возвращаются в недра лунной коры и, конечно, могут участвовать в последующих выбросах воды и пара. Заслуживает внимания возможность участия в круговороте и той части воды, которая, испаряясь, образует кратковременную атмосферу Луны. Эти пары, несмотря на исключительно высокую разреженность атмосферы, могут конденсироваться на холодной стороне Луны и уходить в глубь коры в ночное время. На протяжении 14 земных суток температура поверхности неосвещаемой стороны Луны снижается до —160° С и теряет в мировое пространство столько тепла, что его достаточно для конденсации и замораживания слоя льда толщиной 0,2 миллиметра. На всей ночной поверхности слой льда толщиной около 0,1 миллиметра мог бы составить огромный объем, равный 1,9 тысячи кубических километров. Возможно, что какое-то количество воды постоянно находится в замороженном состоянии на ночной стороне Луны.

Солнечные лучи могут за один лунный день (14 земных суток) испарить слой воды 165 миллиметров. Это в 800 раз больше, чем может сконденсироваться на неосвещенной стороне. Но так как возможность появления открытых водных поверхностей на Луне весьма мала, то практически холодильная мощность ночной стороны во много превосходит испарительную способность освещенной стороны.

Каждые лунные сутки часть воды испаряется там, где наступает день, и замерзает там, где наступает ночь. Но более вероятно, что после конденсации воды на поверхности охлажденных пород вода успевает уходить в недра лунной коры, где существует вакуум. Предполагаемая дренажная оболочка у Луны позволяет объяснить многие особенности строения нашего спутника.

Большие лунные цирки. Прежде всего по-новому можно представить своеобразие внешнего лунного рельефа. Цирки или кратеры являются наиболее распространенными структурами на ее поверхности. Как уже хорошо известно, они представляют собой более или менее правильные по форме круглые впадины, обрамленные валами. Поверхность видимой стороны Луны покрыта кратерами неравномерно, и наряду с областями, богатыми кратерами, на ней имеются обширные области, главным образом «моря», где кратеров почти нет. Общее число цирков не поддается определению. Только цирков с диаметром свыше 1 километра на видимой стороне Луны больше 30000, а самые значительные по размеру имеют диаметр более 200 километров. Таких на видимой стороне 5, кратеров с диаметром от 100 до 200 километров — 32. Высоты валов всех кратеров незначительны по сравнению с их диаметрами. Например, высота вала кратера Клавдий, имеющего диаметр 234 километра, равна всего 1600 метрам, а над самой низкой частью дна кратера — не превосходит 4900 метров. Дно кратеров ниже поверхностей окружающей местности, а объем впадин в большинстве случаев близок к объему окружающих валов.

Профили же пяти наибольших лунных кратеров совершенно не напоминают вулканы земного происхождения, как и вообще знакомые нам горные сооружения на Земле.

Существуют две гипотезы происхождения цирков Луны — метеоритная и вулканическая. К сожалению, большая часть доводов, приводимых обеими гипотезами, являются косвенными и недоказуемыми. Сходятся на том, что, по-видимому, есть и те и другие.

В качестве косвенного довода, подтверждающего вулканическую гипотезу, приводят данные о распределении цирков по поверхности Луны: это распределение, конечно, не случайное, как можно было бы ожидать, если бы кратеры образовались в результате падения метеоритов.

Прямыми доказательствами существования вулканических извержений на Луне являются наблюдения Н. А. Козырева, который 3 ноября 1958 года, работая в Крымской обсерватории, не только наблюдал, но и сфотографировал спектр вспышки в вулкане Альфонс. Анализ спектра показал, что выделявшиеся в кратере газы содержали углерод.

Общим для защитников и противников гипотезы вулканического происхождения цирков является вопрос о температуре недр Луны.

Радиометрические методы измерения температуры позволяют считать, что уже на глубине 50—60 километров температура лунных недр достигает тысячи градусов.

Измерения теплового потока на Луне показали, что он приближается по величине к тепловому потоку Земли.

Все указанное и возможность присутствия воды на Луне свидетельствуют о том, что на определенной глубине под всей поверхностью Луны существуют проницаемые слои, где господствуют критические температуры для воды, необходимые для образования и существования знакомой нам дренажной оболочки также и в лунных условиях.

Циркуляция воды, как показано было для Земли, должна приводить и в недрах Луны к изменению химического состава и физических свойств пород, слагающих верхние ее слои. В таком случае должны быть и поверхности раздела, как в земной коре, то есть на уровне поверхности Конрада с изотермой критической температуры (374°С), где восходящие пары, конденсируясь, оставляют кремнезем, щелочные силикаты, соли брома, хлора, йода, и в том числе соли радиоактивных элементов, а также на уровне поверхности у изотермы испарения водных растворов (425— 450°С), где выпадающие минеральные вещества, состоящие преимущественно из окислов магния, железа и кальция, должны уплотнять, цементировать породы.

Если это так, то в результате вертикальной циркуляции водяных паров и растворов оболочка между поверхностями Конрада и Мохоровичича должна быть пористой и проницаемой и на Луне, а высокотемпературные, главным образом надкритические, ее растворы из участков с избыточным давлением по разломам и трещинам прорываются на поверхность Луны, в результате чего и образуются на ней огромные цирки и самые различные по размерам и сложные по форме кратеры.

Можно указать на три причины, увеличивающие размер цирка. Малое тяготение, которое в 6 раз по сравнению с Землей увеличивает высоту выброса, отсутствие атмосферы, а значит, и уменьшение сопротивления движению частиц и, наконец, интенсивное расширение газов и паров в вакууме Луны.

При лунных условиях изверженные горячие растворы поднимаются по параболам на большую высоту, затем, охладившись и падая в виде «шатра», создают на периферии круговые насыпи из пеплов, снежинок и капель водных растворов. Высота подъема растворов, а следовательно, и диаметр образующегося цирка, будут несоизмеримо велики по сравнению с земными аналогами.

При извержении вулканов в земных условиях высота выброса по преимуществу составляет 5—10 километров и лишь в случае сильнейших извержений доходит до 50 километров. На Луне они в среднем будут составлять 30—50 километров, а иногда достигать и 500 километров. Поэтому диаметр цирков Луны превосходит диаметр земных вулканических кратеров в 5—10 раз и более.

Массы выбрасываемого при извержениях вещества на Луне могут быть в 6—10 раз большими, чем на Земле. Но в связи с увеличением диаметров цирка высота их валов не увеличивается, поскольку большое количество выброшенного материала распространяется на Луне на значительно большей площади.

Легко объяснить также круглую форму больших и малых цирков на Луне, где при отсутствии атмосферы невозможен ветровой снос пепловых облаков в сторону от кратеров.

Средние части цирков понижены на Луне, так как извержение больших объемов растворов и растворенных веществ из кратеров не может не сопровождаться соответствующим опусканием окружающей жерло вулкана поверхности. Интенсивность же поступления растворов в устье вулканов зависит от сопротивления слоев дренажной оболочки, в силу чего глубина прогибания поверхности увеличивается к устью вулкана. Это и создает чашеобразную выемку в цирках Луны. Дно цирков может лежать ниже уровня соседней площади еще и потому, что выбрасываемое вещество за счет расширения пара и газов в вакууме относится в стороны, а не падает в самом цирке.

В центрах некоторых лунных цирков есть вершинные кратеры. Вероятно, выбросы при их образовании состояли преимущественно из густых, почти лишенных воды масс. Такой состав вообще характерен для последних стадий деятельности вулканов.

Есть на Луне цирки со сложным строением, состоящие из двух, четырех и даже пяти концентрически расположенных валов. Метеоритная гипотеза должна бы допустить, что в одно и то же место последовательно упало четыре-пять метеоритов, что невероятно. Но вполне естественно, что после первого выброса вулкана произошли второй и последующие, отличавшиеся по силе от первого. Подобные повторения выбросов возможны, если повторные накопления флюидов в очагах вулканов происходят так, как это должно происходить в дренажной оболочке, — из окружающих проницаемых слоев.

Предложенное объяснение процессов образования кратеров и цирков позволит ближе понять и некоторые присущие им специфические особенности.

Таинственные светлые лучи. Весьма интересной особенностью лунной поверхности являются так называемые лучистые кратеры, число которых на видимой стороне достигает трехсот. Особенно выразительные системы лучей обнаружены у кратеров Тихо, Аристарх, Коперник, Кеплер, Прокл.

Как правило, лучи имеют более светлую окраску. Они как бы нанесены тонким рисунком сверх самых различных пород, слагающих окрестности кратеров. Они не отбрасывают теней, так как имеют, возможно, небольшую высоту. У них. преимущественно радиальное направление, и простираются они на весьма большие расстояния, иногда превышающие тысячу километров.

Происхождение этих лучей не имеет общепризнанного объяснения. Чаще считают, что они образовались из брызг мелкоизмельченных пород, выброшенных в процессах ударного образования кратеров.

Но они находят удовлетворительное объяснение, если причиной вулканизма считать мощные выбросы водных растворов минеральных веществ из дренажной оболочки Луны. Наряду с жидкими и твердыми веществами из вулканического жерла выбрасываются также и массы газообразного вещества и водяных паров. Начальные скорости масс газопаровых выбросов при давлениях до 200—300 атмосфер выше 2000—2500 метров в секунду. Следовательно, паровые выбросы на Луне могут уходить из устья кратеров не только на расстояние 1000—1500 километров, но и превышать первую и вторую космические скорости. Твердые и жидкие выбросы в этих условиях и при таких начальных скоростях могут преодолеть любые расстояния, но именно вследствие вакуума выбросы паров и газов на Луне в отличие от твердого тела не сохраняют долго линейного направления. Они быстро расширяются, и только некоторая их затвердевшая от замерзания часть продолжает по инерции прямолинейное движение.

Чтобы такие далеко уходящие растворы, выпадая, образовали систему расходящихся светлых лучей, необходим клапан, который мог бы периодически перекрывать жерло вулкана и создавать условия для выброса струи. Выполнять роль клапана могут, например, огромные каменные глыбы, которые, задерживаясь в устье канала, могут направлять струи сквозь зазоры и щели по радиальным направлениям. Такие выбросы могут оставить на поверхности Луны сравнительно тонкие полосы частиц, обладающих повышенной отражающей способностью.

Самые большие цирки на видимой стороне Луны имеют диаметр до 250 километров. Такие размеры легко объясняются самой дальностью выбросов при высоких давлениях в дренажных растворах. Однако на Луне обнаружены и более грандиозные кругообразные сооружения. К ним можно отнести, например, Бассейн Ориенталь, находящийся на западной стороне Луны и состоящий из пяти концентрически расположенных почти полных или полных колец. Самое меньшее внутреннее кольцо имеет диаметр 360 километров, а самое большое, пятое, — 1460 километров. По четкости и ясности элементов рельефа, цирков, кряжей, каньонов и «речных ложбин» этого исключительного бассейна видно, что он появился недавно и почти еще не затронут разрушением.

Объяснение этого сооружения гипотезами метеоритного происхождения встречает огромные трудности. Нельзя предположить, что в это место последовательно упали пять огромнейших метеоритов, соизмеримых по размеру с планетами. Это было бы сверхчудом. Правда, имеются попытки объяснить происхождение пяти кольцевых гор-ударом одного космического тела, но и они не вызывают доверия.

Не просто и с точки зрения вулканической гипотезы объяснить такое сложное сооружение. Выброс огромных масс твердого вещества на расстояние 730 километров возможен лишь при начальной скорости, близкой к тысяче метров в секунду, но эти скорости вряд ли могут быть созданы давлениями в дренажной оболочке. Однако скорости в 2—3 раза большие могут иметь пары и газы, вырывающиеся при тех же давлениях из вулканического кратера. Поэтому нужно предполагать, что по меньшей мере три внешних кольца образовались в результате выброса материала главным образом с помощью пара. На первой стадии деятельности вулканов, как правило, всегда выбрасываются огромные массы водяного пара, который несет с собой не только растворенные в нем или летучие с ним минеральные вещества, но и измельченные породу и лаву. Повторением этой стадии несколько раз могли образоваться внешние горные кольца. Образование внутренних горных колец объясняется без натяжек, ибо давление растворов в дренажной оболочке может вполне выполнять работу по выбросу масс твердого вещества на такие расстояния. Надо, конечно, учитывать, что на Луне пар, вырывающийся под тем же давлением, что и на Земле, может выполнить значительно большую работу и выбросить в 6—10 раз большую массу пород, которая при той же, что и на Земле, скорости улетит на расстояние, в 6—10 раз превышающее земное. Кроме того, вулкан, способный образовать такую огромную систему, должен обладать большей производительностью. На Земле некоторые вулканы выбрасывают очень много. Вулкан Мауна-Лоа в Гавайском архипелаге выбросил объем, в 25 раз превосходящий объем Везувия и в 500 раз превышающий объем Этны, а вулкан Тамбора смог за один прием выбросить 100 кубических километров пепла.

«Моря» на видимой стороне. «Моря» занимают значительную часть поверхности видимой стороны Луны. Некоторые из них превосходят миллион квадратных километров.

Для объяснения происхождения «морей» Луны выдвинуто несколько гипотез. Гипотеза метеоритного происхождения обоснована в работах Юри. Он считает, что «моря» на Луне образовались три миллиарда лет назад в результате бомбардировки сравнительно крупными космическими телами — планетезималями. Удары сопровождались образованием большого количества пыли, воды и газов, создавшими временную атмосферу, а выпадавшие дожди сносили пылевой материал в низины «морей». Расчеты показывают, что удар метеорита при взрыве дает большие массы пыли и расплава, достаточные для образования самих кратеров и «морей», впрочем возможно и излияние глубинных магм. Например, Море Дождей по этой гипотезе образовалось в результате гигантского столкновения Луны с космическим телом, имевшим размеры небольшого астероида или огромного метеорита. После взрыва, вызванного ударом, произошел сброс, в результате которого впадина будущего Моря Дождей опустилась примерно на 3 километра. Вслед за этим якобы последовало излияние магмы, которая заполнила не только впадину Моря Дождей, но прорвалась через его края и затопила Океан Бурь, Море Облаков и Море Ясности.

Сторонники гипотезы вулканического происхождения кратеров не отрицают возможности и метеоритного образования кратеров, мелких и случайно распределенных по диску Луны.

Но «моря», расположение которых на поверхности Луны имеет характер определенной системы, не могут быть результатом падения 15—17 крупнейших метеоритов и только на ее видимую сторону, да еще и преимущественно в северном полушарии.

В вопросе о происхождении лунных «морей» особенно важным обстоятельством является именно то, что они и по количеству, и по занимаемой площади преобладают на видимой стороне Луны. Трудно, даже невозможно, найти аргументы, которые могли бы быть приведены в доказательство преимущественного падения крупных метеоритов и астероидов со стороны Земли.

Если же стать на точку зрения гипотезы, по которой главную роль в образовании рельефа Луны играют внутренние силы, и среди них растворы, заполняющие дренажную оболочку, то можно объяснить причины различия видимой и невидимой сторон нашего ближайшего спутника.

По всей вероятности, важное значение имеет та отличительная особенность видимой стороны Луны, что она всегда повернута к Земле. Таким образом, по отношению к земному тяготению обе стороны находятся в неравных условиях. Это постоянное «неравенство» может соединяться с положением всей системы Земля — Луна относительно Солнца.

Совершенно ясно, что выходу растворов из дренажной оболочки сквозь кору Луны должно способствовать всякое снижение веса столба жидкости, затрудняющее выход паров и растворов к поверхности. Поэтому на видимой стороне вулканическая активность должна быть более интенсивной, особенно в периоды новолуний, когда тяготение Земли и Солнца направлено на видимую сторону, поскольку вес столба жидкости при этом существенно уменьшается и становится преодолимым для давления, существующего в дренажной оболочке.

Так как такое уменьшение силы тяжести происходит только на видимой стороне Луны, то естественно считать, что именно на ней и должны преимущественно образовываться «моря» либо в результате одновременного извержения многих вулканов, либо, что вероятнее, в результате постоянного проникновения горячих растворов из дренажной оболочки сквозь кору «морей», то есть точно так, как это происходит в коре океанов на Земле.

Поскольку, как уже было показано, и на Луне имеется принципиальная возможность существования круговорота воды, то нисходящее движение воды в дренажную оболочку Луны должно происходить сквозь кору возвышенностей. Оттуда растворы должны переместиться по дренажной оболочке под низменности, где горячие водные растворы будут подниматься вверх. Такой кругооборот воды обязательно приведет к уменьшению плотности пород коры возвышенностей вследствие выщелачивания нисходящими растворами и к увеличению плотности и массы тех участков коры, сквозь которые горячие растворы поднимаются кверху, цементируя их веществами, выпадающими из постепенно охлаждаемых растворов. Правда, процесс пополнения водами дренажной оболочки лунной коры идет иначе — и более слабо, и длительно, поскольку там нет эрозии и круговорота твердого вещества.

Уменьшение плотности и увеличение мощности коры достаточно для соответственного всплывания ее облегченных участков и создания горных областей, а увеличение плотности пород и уменьшение мощности коры достаточно для прогибания участка утяжеленной коры с образованием «морей». Такими представляются следствия круговорота глубинных вод в коре нашей Земли, которая, как известно, тоже асимметрична.

Для асимметрии Луны необходимо, чтобы нисходящее движение водных растворов происходило преимущественно на обратной стороне, а восходящее — на видимой. Возможности такого направленного движения воды, в какой-то мере происходившего всегда или главным образом в прошлом, находят объяснение именно в уменьшении эффективной силы тяжести на видимой стороне Луны и увеличении — на обратной. Одинаковый по высоте столб жидкости весит на видимой стороне, особенно во время полнолуний, на 5—10 процентов меньше, чем на обратной.

Пока еще нельзя окончательно сказать, вызывает ли асимметрию лунной поверхности только меньшая эффективность тяготения на видимой стороне, но независимо от этого само существование асимметрии свидетельствует все же в пользу представления о важной роли растворов дренажной оболочки в происхождении лунных морей и больших кратеров.

Круговорот воды в лунных недрах должен вызвать появление двух основных разновидностей коры — материковой и океанической. Хотя они не будут полными аналогами разновидностей земной коры, все же должны отличаться друг от друга по мощности, плотности, высоте над средним уровнем и по гравитационным аномалиям.

Поскольку восходящее движение водных растворов из дренажной оболочки, по нашим предположениям, происходит преимущественно на видимой стороне, постольку кора этой стороны должна быть более океанической. Тепло, которое отдается коре растворами, поднимает изотермические поверхности критических температур, и кора становится тоньше, а выпадающие из растворов вещества цементируют кору и делают ее более плотной и более тяжелой.

На обратной же стороне, и особенно на возвышенностях Луны, должно происходить преимущественно нисходящее движение водных растворов в дренажную оболочку, что вызывает здесь увеличение мощности коры, уменьшение ее плотности и дефект массы, то есть появление отрицательных аномалий силы тяжести.

О масконах. По законам изостазии участки с положительными аномалиями должны погружаться, а с отрицательными — всплывать.

Механическую работу по подъему или опусканию участка коры, созданию разломов и трещин вокруг перемещающихся участков выполняет вес, а не масса подвижного участка. Вес же его на Луне в 6,1 раза меньше, чем на Земле. Поэтому перемещение участков лунной коры может происходить только тогда, когда аномалии силы тяжести станут в 6 раз большими или меньшими, чем необходимо для такой же работы на Земле.

Кроме того, избыток или недостаток массы, то есть положительные или отрицательные аномалии, в условиях Земли сопоставляется с земным тяготением, а на Луне — с лунным, в 6 раз меньшим. Принимая во внимание и то, что выравнивание изостатических нарушений происходит в условиях значительно большей кривизны поверхности (ведь радиус Луны в 3,5 раза меньше земного), станет ясным, что контрастность проявления аномалий силы тяжести на границах между положительными и отрицательными аномалиями, то есть между «материками» и «морями», может на Луне быть в десятки раз более заметной, чем на Земле.

Вспомним, что именно неожиданно большая «качка» посадочного отсека космического корабля «Аполлон-10», совершившего 31 оборот вокруг Луны на расстоянии 9 миль от ее поверхности, вынудила отменить посадку космонавтов на Луну.

Тогда эти избытки массы и привели к появлению термина «масконы». Защитникам гипотезы происхождения «морей» эти масконы представлялись самым убедительным доводом в пользу гипотезы образования лунных морей в результате падения крупнейших метеоритов.

Теперь уже выявлены и многие другие особенности строения рельефа лунных «морей», которые опровергают однократность акта их образования. Уже выдвинут ряд гипотез, которые связывают появление масконов с повышенной плотностью вещества, образовавшего верхние слои пород «морей».

Предвидение подтверждено. Сейсмические исследования Луны показали, что лунная кора под «морями» тоньше, чем под горными областями. Это может служить лишь подтверждением существования круговорота воды в коре Луны. Перемещение тепла и растворенных веществ по проницаемым слоям лунной коры говорит, что там тоже происходит либо происходило перемещение водных растворов из-под «материков» под «океаны». Поэтому и проницаемую оболочку в коре Луны есть основание назвать тоже дренажной оболочкой.

Если лунные «моря» образовались в результате преимущественного выхода растворов из дренажной оболочки, кора видимой стороны должна быть и тоньше, чем на обратной, и более плотной, а следовательно, радиус ее обязательно должен быть короче именно на видимой стороне.

Этот вывод и его обоснование были изложены в статье «Одна из причин асимметрии рельефа Луны», опубликованной в журнале «Природа» № 6 в 1969 году и более подробно в книге «Роль воды в образовании земной коре», вышедшей в 1971 году в издательстве «Недра» за несколько месяцев до измерения радиусов Луны. Замеры были выполнены в июле — августе 1971 года астронавтом корабля «Аполлон-15» А. Уорденом. Они показали, что радиус видимой стороны короче среднего на 4 километра и короче радиуса обратной стороны на 6 километров. На Земле, как известно, кора материков своей дневной поверхностью в среднем возвышается над дном океана на 4,675 километра.

Марс тоже асимметричен

Но совершенно неожиданным и в какой-то мере опровергающим важность отсутствия вращения небесных тел для объяснения асимметрии явилось установление такой же асимметрии на вращающемся Марсе.

Детальные исследования Марса, проведенные в последние годы, установили, что Марс по существу представляет две планеты в одной — изрытое кратерами южное полушарие, напоминающее Луну, и более гладкое, почти без кратеров северное полушарие. Возле экватора имеется несколько больших вулканических воронок, прослеживается на 4000 километров впадина, подобная той, которая разделяет Африканский континент, и заметны следы деятельности воды. Но если планета когда-то имела атмосферу, которая сохраняла воду в жидком состоянии, то как могли сохраниться древние кратеры? Как соотнести эти противоположные черты поверхности, остается в настоящее время загадкой.

Этот поразительный факт находит объяснение, если учитывать, что у Марса есть вода, а значит, есть и дренажная оболочка. Можно найти и причины, которые снижают сопротивление выходу растворов из дренажной оболочки на южную сторону Марса. Дело здесь в том, что именно на южную сторону направлено суммарное тяготение Солнца, Меркурия, Венеры и Земли в периоды великих противостояний. Они происходят каждые 15—17 лет, а расстояние от Солнца и планет до Марса в эти периоды наименьшее. Важно то, что Марс в таком положении наклонен к ним своим южным полушарием. Он вращается, но при этом его наклон составляет 24°. Как и земной шар, в зимние периоды Марс освещен так, что на его северном полюсе ночь. Значит, и суммарное тяготение Солнца и внутренних планет во время великих противостояний способствует выходу паров и растворов из дренажной оболочки Марса на его южную половину, то есть на ту, которая похожа на видимую сторону Луны.

Таким образом, представление о дренажной оболочке позволяет уменьшить число загадок, и не только земных.

В. И. Вернадский писал: «Факт неизменности исключительного значения воды в механизме земной коры в течение всего геологического времени неизбежно выдвигает перед нами не только в космогоническом, но и в научном аспекте — проблему воды в космосе, ее значениям химии других, кроме Земли, небесных тел».

Источник: С.М. Григорьев, М.Т. Емцев. Скульптор лика земного. Изд-во «Мысль». Москва. 1977

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.



Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: