Loe raamatut: «Этот неизвестный океан. Как работают приливы, рождаются шторма и живут невидимые создания в морских глубинах», lehekülg 4

Подводные горы и каньоны

Переходная зона между континентом и глубоким океаном называется континентальной окраиной, которая может быть активной (если океаническая кора погружается под континентальную) или пассивной (если нет активного взаимодействия литосферных плит).

Пассивная континентальная окраина разделяется на континентальный шельф, континентальный склон и континентальное подножие. Самая мелководная зона, шельф, – это окраины континентов, затопленные океаном, поэтому его глубины обычно не превышают 100–200 метров. Континентальный склон – это окраина континентальной коры, которая непосредственно граничит с океанической. Из-за их разной толщины на континентальном склоне происходит резкое увеличение глубин до 2–2,5 километров ниже уровня моря. Далее наклонная поверхность континентального склона становится более пологой, и с этих глубин начинается континентальное подножие – плавное продолжение континентального склона вплоть до глубин около 4 километров. Активные континентальные окраины включают в себя узкий шельф, континентальный склон и глубоководный желоб, глубокую и длинную впадину на дне океана в зоне погружения океанической плиты под континентальную. Ложе океана – самая обширная область океанического дна с глубинами от 4 до 6 километров. Ложе океана находится на коре океанического типа и имеет сложную и разновозрастную структуру. В ложе океана есть свои горы и впадины: уже упомянутые срединно-океанические хребты, глубоководные желоба и океанские котловины.

Рельеф дна океана был очень плохо изучен вплоть до второй половины XX века. До этого времени определение глубины океана производилось непосредственным опусканием лота, то есть груза на тросе, с судна. Когда лот касался морского дна, фиксировалась глубина океана в определенной точке. Очевидно, что измерения глубин таким способом очень долгие, а для больших глубин еще и не очень точные, так как трос с лотом не опускается вертикально, а сносится морскими течениями. В начале XX века были изобретены эхолоты, которые испускают акустический сигнал в направлении морского дна и по времени его возврата рассчитывают расстояние до дна, то есть глубину моря. Эхолот позволяет определять глубину океана значительно быстрее и точнее, чем лот. При этом измерения все равно привязаны к судну: современные многолучевые эхолоты и гидролокаторы бокового обзора могут считывать рельеф дна только вдоль небольшой полосы непосредственно под судном, шириной от сотен метров до 20 километров.

Рельеф поверхности суши или поверхности Луны известен достаточно точно, с шагом в сотни и десятки метров, потому что его можно определять со спутников широкой полосой. Спутниковые измерения внесли некоторый вклад и в измерения рельефа морского дна, правда, весьма косвенным образом. Спутниковые гравиметрия, то есть измерение гравитационного поля Земли, позволяет выявлять аномалии, связанные с подводными горами и подводными хребтами, так как они влияют на локальные значения гравитации. Спутниковая альтиметрия позволяет выявлять области со стабильно повышенной или пониженной высотой поверхности моря, которые коррелируют с наличием крупных подводных объектов. Тем не менее рельеф морского дна со спутников с высокой точностью и подробностью до сих пор определять не получается. Его приходится закрывать измерениями непосредственно под судами, оборудованными гидролокаторами, которые ведут съемку рельефа дна. В настоящее время среднее разрешение цифровых моделей рельефа для открытого океана составляет единицы километров.

Рельеф дна очень сильно зависит от распределения осадочного вещества. Базальтовые лавы океанической коры сверху впоследствии засыпаются осадочным веществом. Процесс океанского осадконакопления формируется поступающими в воду частицами минеральной и органической природы. Осадочное вещество состоит, во-первых, из минеральных частиц, которые выносятся с суши в океан с реками или ветром в результате выветривания (то есть разрушения) горных пород суши или мелководного дна. Деятельность вулканов, выбрасывающих огромные объемы пепла, тоже является важным источником осадочного вещества. В полярных и субполярных районах осадочный материал также активно разносится айсбергами и морским льдом. Во-вторых, осадочное вещество формируется органической взвесью: живыми и мертвыми организмами (особенно имеющими твердый и медленно разлагающийся скелет) и продуктами их жизнедеятельности. За десятки и сотни миллионов лет оседания взвеси и ее переноса морскими течениями и лавинообразными потоками на крутых участках морского дна может накапливаться очень значительный слой осадочного вещества. Под собственной тяжестью рыхлые осадки преобразуются в твердые осадочные породы. Мощность этого слоя, осадочного чехла, в большинстве случаев не превышает нескольких километров, но в отдельных районах достигает 20–25 километров.

В некоторых прибрежных районах океана осадки накапливаются на морском дне очень быстро. В частности, это происходит около устьев крупных и мутных рек, которые выносят в море огромные потоки взвешенного вещества. Нередко такие приустьевые области находятся на узком шельфе, то есть на небольшом расстоянии от берега моря и речного устья шельф переходит в континентальный склон. Что же случится в таком месте, где взвесь в огромном количестве оседает и накапливается на дне, которое имеет крутой уклон от шельфа к континентальному склону? Случится что-то похожее на оползень или снежную лавину, когда осадков станет слишком много, они не удержатся и покатятся вниз по морскому дну. Эти турбидные (или мутьевые) потоки, так же, как и их аналоги на суше, обладают чудовищной разрушительной силой. Они сметают и ломают все на своем пути длиной в сотни и тысячи километров: не только обитателей морского дна, но и подводные телекоммуникационные кабели. Кстати, именно по зафиксированному времени последовательных обрывов телекоммуникационных кабелей удается измерить скорости некоторых турбидных потоков, рекордные значения составляют более 50 километров в час.

На геологических масштабах времени турбидные потоки прорывают огромные подводные каньоны на континентальном склоне. По своей сути эти каньоны похожие на гигантские речные русла на суше, глубиной в несколько тысяч метров. Через русла рек огромные объемы твердого вещества переносятся с суши на морской шельф, а потом часть этого вещества через подводные каньоны поступает на глубоководные абиссальные равнины. Река Конго, вторая по полноводности в мире после Амазонки, в океане продолжается подводным каньоном длиной 800 километров.

Рис. 27.Абразионный и аккумулятивный берега моря

Пройдя континентальный склон, турбидные потоки замедляются и останавливаются, и все двигавшееся твердое вещество оседает на абиссальной равнине. Так образуются подводные конусы выноса с характерной формой. Из крупных рек через подводные каньоны в подводные конусы выноса поступает большое количество органического вещества, которое со временем может превратиться в нефть и природный газ. Самый большой конус выноса сформировался в Бенгальском заливе благодаря стоку рек Ганг и Брахмапутра (в сумме примерно равному стоку Конго), поступающему в океан через общую дельту. Площадь его составляет более 4 миллионов квадратных километров, а максимальная мощность – 16,5 километра!

Вода камень точит

Взаимодействие моря с прибрежной зоной в чем-то похоже на действие турбидных потоков: оно разрушает одни участки берега, и в то же время увеличивает берег и формирует новую сушу на других участках. Так море перераспределяет горные породы между абразионными (высокими и крутыми) и аккумулятивными (низкими и плоскими) берегами.

Механическая абразия, то есть разрушение высокого и крутого берега непосредственно в результате действия морских волн и течений, может быть усилена, если горные породы постепенно растворяются морской водой или вступают с ней в реакцию, трансформируются и становятся более рыхлым веществом. Такое происходит, например, с известняками, в результате чего образуются разнообразные лунки, ниши, гроты и целые пещеры в прибрежных скалах. Особенно хорошо морские воды разрушают берега, сложенные ледниками или многолетнемерзлыми породами, которые представляют собой пресный лед, перемешанный с горными породам, что часто называют вечной мерзлотой. Прибой не только механически разрушает вечную мерзлоту, но брызги воды осолоняют лед. Если температура воды выше нуля, то лед еще и плавится под воздействием волн, и этот процесс называется термоабразией. В некоторых морях российской Арктики, где берега сложены вечной мерзлотой, скорость отступления берега под действием термоабразии составляет от нескольких метров до нескольких десятков метров в год. Это становится серьезной угрозой для населенных пунктов и построек, которые находятся на берегу моря.

Абразия разрушает береговой уступ (клиф) и из получившихся рыхлых горных пород создает пологое дно (бенч), которое расширяется по мере разрушения берега и смещения клифа. Когда бенч становится большим, и волны перестают добираться до берега, так как гасятся на пологом бенче, берег перестает разрушаться. На низких и плоских берегах морские волны, наоборот, способствуют приращению суши. Прибой двигается к берегу и выносит твердые наносы на мелководье и на берег. Так образуется пляж на аккумулятивном морском берегу. Если где-то на мелководье скорость волн сильно замедляется, то наносы выпадают раньше, чем достигают берега и пляжа. Длительное оседание наносов на одном и тоже же участке морского дна в прибрежной зоне приводит к образованию подводного вала. Если оседание продолжается, то вал может вырасти до острова и стать баром, а бар может даже соединиться с берегом и стать косой или стрелкой. Такие процессы очень часты, и около 10% всей линии берега Мирового океана имеют береговой бар, который в большей или меньшей степени отгораживает их от моря. Иногда узкие бары и косы достигают огромной длины: Куршская коса в Балтийском море и Арабатская стрелка в Азовском море вытянулись на 100 километров, а ширина их в самых своих узких частях – всего несколько сотен метров.

Самая высокая гора на Земле

Какая гора на планете самая высокая? Если считать относительно уровня моря, то Эверест – он известен также под именами Джомолунгма, Сагарматха и Шэнмуфэн (все окрестные народы дали самой высокой горе свое имя). Высота Эвереста – 8848 или 8849 метров. Но если считать не от поверхности моря, а от подножия самой горы, то первенство уйдет другой вершине. Она представляет собой один из Гавайских остров (который, кстати, так и называется – остров Гавайи), а вот ее подножие находится на морском дне. Если представить Землю без океана, то гора Мауна-Кеа высотой 10 200 метров будет видна целиком: к 4200 метрам горы, находящимся над водой, прибавится еще 6000 метров под водой.

Остров Гавайи, который венчает гора Мауна-Кеа, – самый большой остров Гавайского архипелага. В этом месте под земной корой находится мантийный плюм – горячий поток в мантии (температурой 1500 °C!), который по каким-то причинам поднимается на несколько сотен километров от границы мантии и ядра Земли к коре. Мантийный плюм прожигает тонкую океаническую кору, толщина которой всего 5–10 километров, в результате чего образуется подводный вулкан. На дно океана изливается магма, застывает, и подводный вулкан растет и растет вверх. Если мантийный плюм прожигает земную кору достаточно долго, то вулкан может дорасти до поверхности океана и стать островом. Вулкан, образовавший остров Гавайи, активно рос примерно полмиллиона лет и вырос на 10 километров от океанического дна.

Место, где мантийный плюм периодически усиливается и прожигает земную кору, называется вулканической горячей точкой. Вообще в английском языке это словосочетание hot spot для чего только не используется, обозначая локальную интенсификацию каких-либо процессов, но в данном случае термин очень походит: точка более чем горячая! Итак, мантийный плюм периодически (раз в несколько сотен тысяч лет) прожигает земную кору в вулканической горячей точке, в результате чего образуется большой вулкан или даже остров. Но за несколько сотен тысяч лет литосферная плита, то есть участок земной коры, успевает сдвинуться на несколько десятков или сотен километров. Поэтому вулканы образуются в разных местах земной поверхности; более того, образуются прямые цепочки островов и подводных вулканов.

Рис. 28.Схема образования цепочки вулканических островов

Гавайские острова – один из наиболее ярких примеров такой цепочки островов. Гавайская горячая точка прожигает океаническую кору уже 85 миллионов лет, за это время образовалась Гавайско-Императорская цепь подводных гор длиной 5800 километров. Императорская цепь подводных гор (названная в честь японских императоров) вытянута от Камчатки почти строго на юг примерно на 2500 километров. 47 миллионов лет назад что-то случилось, тихоокеанская плита изменила направление своего движения на 60 градусов, а цепочка вулканов и островов стала расти в юго-восточном направлении. Остров Гавайи – предпоследнее творение Гавайской горячей точки. Рядом с ним в наши дни растет новый вулкан Лоихи. Он почти достиг 1000 метров в высоту (относительно морского дна), а выше уровня моря станет примерно через 100 тысяч лет.

Рис. 29.Цепочка вулканических островов в Тихом океане

Побег Гринвичского меридиана

Правда ли, что Земля имеет форму шара? Вопрос о форме земного «шара» не так-то прост. Идея о шарообразности Земли известна со времен Древней Греции. Ньютон предположил, что Земля сплюснута у полюсов из-за вращения и возникающей центробежной силы. Действительно, Земля – это сплюснутый шар (то есть эллипсоид): на полюсах до центра Земли ближе на 21 километр, чем на экваторе.

Из-за этого дно моря на Северном полюсе ближе к центру Земли, чем дно Марианской впадины, а вершина вулкана Чимболасо, расположенного в Эквадоре почти на экваторе, дальше от центра Земли, чем вершина Эвереста.

Рис. 30.Геоид Земли

А теперь представим, что вся Земля покрыта неподвижным океаном. Плотность внутреннего строения Земли неоднородна, из-за этого в каких-то точках на поверхности сила тяжести немного больше, в каких-то – немного меньше. По этой причине планета, полностью покрытая неподвижным океаном, приняла бы отражающую эти неоднородности форму: там, где внутреннее строение Земли менее плотное и сила тяжести меньше, уровень океана образовал бы впадину, в местах с более плотными недрами в океане было бы возвышение. Например, крупная подводная гора обладает огромной массой и искажает гравитационное поле Земли, она как бы притягивает к себе океанскую воду. В результате над подводными горами на поверхности океана формируются возвышения, а над подводными желобами – впадины. Именно по этому принципу и работает связь между спутниковой гравиметрией и альтиметрией и определением рельефа морского дна. Насколько велики были эти возвышения и впадины, то есть насколько такая форма (она называется геоид) отличалась бы по высоте от эллипсоида? Не больше, чем на 100 метров, что сильно меньше и сплюснутости Земли, и размеров гор и впадин.

Итак, есть понятная концепция реальной Земли как сплюснутого шара, или эллипсоида. Зачем же изобретать какой-то непонятный геоид, какую-то гипотетическую Землю, покрытую неподвижным океаном? Еще и почти неотличимую по форме (с разницей меньше 100 метров) от понятного эллипсоида. Ответ таков: виртуальный геоид оказался совершенно необходим для создания точной космической навигации. Спутники летают вокруг Земли благодаря силе тяжести, и неоднородность силы тяжести на поверхности Земли влияет на расстояние между спутниками и Землей. Геоид позволяет учитывать эти неоднородности, правильно рассчитывать высоту спутников и точно вычислять координаты объектов на Земле.

Из-за геоида и спутниковой навигации Гринвичский меридиан полвека назад сбежал из Гринвичской обсерватории. В конце XIX века было проведено несколько конференций для выбора положения нулевого меридиана, и это почетное право досталось Гринвичской обсерватории. Линия меридиана прошла через ось одного из телескопов на территории обсерватории. Кстати, в обмен на привилегию иметь нулевой меридиан в своей национальной обсерватории Великобритания перешла на общеевропейскую метрическую систему. Среднее солнечное время, рассчитанное для этой точки Гринвичского меридиана, было зафиксировано как отсчетное время для всех мировых часов и для расчета долготы, исходя из того, что Земля – эллипсоид.

Прошло почти сто лет, человечество создало космическую навигацию, координаты стали рассчитывать не по эллипсоиду, а по геоиду. В точке Гринвичского меридиана среднее солнечное время в конце XIX века рассчитали на поверхности суши. Оказалось, что для целей космической навигации его нужно было рассчитать на поверхности геоида, который на 50 метров выше. Рассчитанное среднее время, которым к тому моменту уже почти сто лет пользовался весь обитаемый мир, из-за этого стало соответствовать не Гринвичскому меридиану, а точке в 100 метрах к востоку от него. Встал выбор: либо время сдвигать, либо меридиан.

Проще, конечно, оказалось подвинуть меридиан, ведь общемировой сдвиг времени вызвал бы очень большие проблемы. Перемещение нулевого меридиана прошло на удивление незаметно для широкой общественности. Только в 2015 году ученые обратили внимание на странный эффект сбежавшего меридиана и разобрались в его причинах. Удивительно, как долго этот алмаз лежал незаметным в пыли на многолюдной дороге! Раньше туристы в Гринвичской обсерватории едва ли сверялись с GPS, ведь возможность посмотреть свою координату в GPS появилась совсем недавно – с широким распространением смартфонов. А сейчас даже если сверяются и видят, что на экране не 0°0’0’’, а 0°0’5’’, то не придают этому значения. Я тоже однажды был в Гринвичской обсерватории (знаковое место для любого географа!) и увидел на телефоне, что нулевой меридиан где-то в стороне. Мне даже в голову не пришло выяснять причину этого разночтения! Правда, пришло в голову найти место, где телефон показывает 0°0’0’’: это оказалась абсолютно пустая и нетронутая лужайка в стороне от толп туристов у Гринвичской обсерватории.

Как ледник с плеч

Что будет, если растает весь лед в Антарктиде? Без ледника толщиной в несколько километров Антарктида будет выглядеть очень странно. Примерно треть материка находится ниже уровня моря. Некоторые участки Антарктиды очень глубокие: самая низкая точка материка находится на 2870 метров ниже уровня моря. Сейчас над материком несколько километров льда, но, если убрать лед, там будет несколько километров воды. Более того, когда Антарктический ледниковый щит растает, уровень Мирового океана поднимется еще на 60 метров. И что останется от Антарктиды? Западная часть (находящаяся в Западном полушарии) практически исчезнет, останутся только отдельные гористые острова на месте высоких Трансантарктических гор. Вершины Трансантарктических гор, продолжения Анд на юг, и сейчас возвышаются над поверхностью Антарктического ледника – настолько они высоки. Восточная часть Антарктиды сохранит свои очертания, но превратится в озерный край, как Юго-Восточная Финляндия или Северная Канада.

Рис. 31.Рельеф Антарктиды без льда

На помощь Антарктиде придет гляциоизостазия. Когда на поверхности суши намерзает ледник толщиной в несколько километров, земная поверхность под такой тяжестью прогибается, как пружинный матрас. Прогибается серьезно, на одну треть или одну четверть толщины ледника, то есть в случае Антарктиды примерно на 1 километр. Если ледниковый щит растает, то со временем уровень земной поверхности восстановится. Ждать придется долго, десятки тысяч лет, но, если дождаться, Антарктида будет уже куда больше по площади и куда больше похожа на себя с ледником.

Гляциоизостазия, восстановление поверхности суши после исчезновения ледника, сейчас происходит в Северном полушарии. Ледник, покрывавший Северную Европу во время последнего ледникового периода, сошел 11 тысяч лет назад. С тех пор поверхность суши поднимается, и особенно сильно – в наиболее прогнувшемся центре бывшего ледника, который приходится на Швецию и Финляндию. Скорость поднятия в этих краях составляет 1 сантиметр в год, или 1 метр в сто лет. В Швеции и Финляндии еще в Средние века заметили, что море постепенно отступает, морские заливы становятся озерами, порты приходится раз в 100–200 лет переносить ближе к воде. Объяснение нашлось только к концу XIX века, а точные измерения этого процесса стали возможны на сто лет позже с появлением спутников.

Если где-то поверхность земли становится выше, значит, где-то рядом она становится ниже. Из-за подъема в Швеции и Финляндии происходит опускание в Нидерландах, следствием которого стала многовековая борьба голландцев с морем за сушу. Но есть и хорошие новости: площадь Швеции увеличивается на 7 квадратных километров в год. В Швеции даже есть отработанная юридическая процедура определения, кому эти новые километры суши будут принадлежать.