Энергетика сильных возмущений в биосфере

Мощность падающего на Землю солнечного излучения	2∙1017 Вт
Мощность теплового потока через земную поверхность	4∙1013 Вт
Энергия землетрясений с магнитудой 8,5	3,6∙1017 Дж
Энергия вулканических извержений	до 1018 Дж
Энергия смерчей, ураганов, торнадо, циклонов	до 1017 Дж
Энергия, потребляемая человечеством за сутки	1018 Дж
Энергия ядерного взрыва	до 2,4∙1017 Дж

 

Энергия и совершаемая ею работа измеряются единицей «Джоуль», а развиваемая мощность – единицей «Ватт»: 1 Вт = 1 Дж/с. Внесистемной единицей измерения энергии является «калория»: 1 кал = 4,17 Дж. На практике часто вместо «Джоулей» используется единица измерения энергии и работы «киловатт-час»: 1 кВт∙ч =3600 кДж = 860 ккал.

Человечество производит в год около 1,4∙10¹⁴кВт∙ч (1,2∙10¹⁷ ккал, 5∙10¹⁷ кДж, 12 млрд т н.э.) энергии. В среднем на человека приходится 2∙10⁶кВт∙ч (17 млн ккал) энергии в год. Каждому человеку для физиологического функционирования организма требуется в год всего около 1 млн ккал энергии, получаемой через пищу.

Информация – это мера порядка в системе: расположение элементарных частиц в атомном ядре, атомов в молекуле, молекул в веществе. Информация нематериальна, так как не зависит от своего материального носителя, на котором она записывается. При копировании информация сохраняется, но способна засоряться и утрачиваться. Сохранение и передача генетической информации во всех живых организмах осуществляется двумя видами нуклеиновых кислот: ДНК и РНК.

Литосфера и тектоника плит

Согласно теории дрейфаконтинентов или теории тектоники литосферных плит на планете существовал единый суперконтинентПангея, который примерно 150 млн. лет назад раскололся на части, и эти части-материки начали дрейфовать по поверхности Земли, пока не достигли сегодняшнего положения (рис. 3.3). Первым основанием для такой идеи послужило наблюдающееся повторение их береговых линий. Если сблизить некоторые континенты, то они плотно войдут один в другой. Серьезным аргументом в пользу континентального дрейфа является расположение палеомагнитных линий. Горные породы сохраняют ориентировку намагниченности, полученную ими в период перехода из расплава в твердое состояние. Если материки сдвинуть так, чтобы они образовали единый континент, то все направления палеомагнитных линий сходятся в точке магнитного полюса.

Рис. 3.3. Схема расколаПангеи

В середине ХХ века появилась концепция спрединга океанического дна. Океанологи обнаружили, что на данном историческом этапе дно океанов расходится в разные стороны. При этом в одних местах участки земной коры (плиты) раздвигаются, а в других местах – сжимаются. Причиной происходящего являются мощные конвекционные потоки горячей мантии. Движущаяся вдоль подошвы плиты мантия за счёт вязкостных эффектов оказывает на плиту сдвигающее усилие.Мантия в своем непрерывном движении увлекает за собой огромные участки земной коры вместе с континентами.

Насыщенный газами слой подвижной мантии поднимается от ядра до земной коры. По мере подъёма магмы давление в её объёме уменьшается, и расплав вспенивается за счёт выделения пузырьков растворённых газов. Далее расплавленное вещество мантии разделяется на два расходящихся потока, которые создают в земной коре растягивающие напряжения и разрывают земную кору (рис. 3.4). В таком случае говорят, что океаническое дно подвергается спредингу, то есть ложе океана распространяется в стороны от хребта.

Рис. 3.4. Линии глобального спрединга

Поднимающийся из глубин горячий поток магмы, раздвигая земную кору, образует срединно-океанический хребет – гигантское горное сооружение. Срединно-океанические хребты – рифтовые зоны обнаружены посередине Атлантического, Тихого и Индийского океанов (рис. 3.4). Из рифтовой зоны за счёт спрединга поступают всё новые и новые порции мантийного вещества, которые по обе стороны хребта формируют молодую океаническую кору. Общая протяженность рифтовых зон в океанах достигает 80 тыс. км.

Рифтовые зоны являются трещинами в земной коре и постоянно заполняются поступающей снизу горячей магмой, образующей базальтовый слой океанической коры. В результате этого процесса образуется новая земная кора. Скорость спрединга зависит от местоположения рифтовой зоны и варьирует от 1 до 17 см/год. Атлантический океан ежегодно становится шире примерно на 5 см, Тихий океан – на 12 см. Таким образом, площадь новой земной коры ежегодно увеличивается на 3,0 кв. км. Самые древние осадочные породы, сохранившиеся в океанических прогибах, имеют юрский возраст (около 150 млн. лет), что значительно меньше возраста многих пород, залегающих на суше.

Из-за высокой пористости изливающаяся в рифтовой зоне магма имеет низкую плотность. По этой причине отметка океанского дна в районе рифтов по условию изостазии на 3 км выше остального ложа океана. Далее газы на протяжении миллионов лет выходят диффузией в воду, пузырьки исчезают, горная порода уплотняется, уровень дна на протяжении примерно 2 тыс. км от рифта понижается.

Вдоль осевой части хребтов проходит глубокая впадина – рифт. Впадина-рифт делит хребет на два гребня. Глубина рифта до 2 км, ширина – до 30 км. На дне рифта наблюдаются открытые молодые трещины. Во впадине-рифте океанских хребтов отмечается повышенный тепловой поток, достигающий «ураганных» значений – 1500 мВт/м². В области континентальных хребтов типа Байкальского плотность теплового потока меньше – 165 мВт/м². Среднепланетарное значение удельного теплового потока, поступающего из недр, равно 59 мВт/м². Таким образом, Землю можно рассматривать как огромную тепловую машину.

Территории, где сталкиваются расходящиеся от рифтовых зон плиты земной коры, называются зонами субдукции (или надвига). Плотность океанической литосферы больше, чем плотность континентальной. При столкновении двух плит одна из них – более тяжёлая уходит под другую, в результате возникают понижения – океанические желоба (рис. 3.5). Здесь потоки магмы начинают своё погружение и затягивают вглубь Земли океанические плиты.

Рис. 3.5. «Подныривание» океанической плиты (субдукция)

Желоба находятся не в середине океана, а вблизи суши. Вдоль материковой стороны океанических желобов располагаются островные и континентальные дуги, где происходят сильные землетрясения и вулканические извержения. Чем глубже одна плита подныривает под другую плиту, тем она более разогревается. Глубина погружения плит в мантию может достигать 500 км и более. На глубине более 100 км горные породы начинают плавиться, что приводит к образованию вулканических комплексов. Океанические желоба – это границы уничтожения тектонических плит.

Существует ещё один тип границ литосферных плит, где они смещаются горизонтально друг относительно друга. Они получили названия трансформных разломов, так как передают движение от одной зоны к другой.Когда сталкиваются континентальные плиты, происходит их коллизия, они сжимаются и образуют складки и горные системы вроде Кавказа и Гималаев. В местах земной коры, где поля сжимающих напряжений превышают критические значения, происходят землетрясения.

Рис. 3.6. Типы границ литосферных плит: а – дивергентные границы; раскрытие рифтов, вызывающих процесс спрединга; б – конвергентные границы; субдукция (погружение) океанической коры под континентальную; в – трансформные границы;
г – коллизионные границы

Тектоника литосферных плит имеет глобальный характер. Вся литосфера разделена на семь крупных и несколько малых тектонически обособленных плит. Основанием для их выделения и проведения границ между ними послужило размещение очагов землетрясений. Основное выделение сейсмической энергии происходит на границах между плитами. В центральных частях плиты лишены сейсмичности.

Изменение напряжённо-деформированного состояния недр и как следствие изменение флюидного режима за счёт движения плит земной коры подтверждается, например, комплексом наблюдений вблизи границы столкновения Евразийской и Аравийской тектонических плит. Как результат этого столкновения образовались молодые Кавказские горы. История геодинамического развития Кавказа связана с началом формирования в кайнозое рифта в районе Красного моря. На территории Аравийско-Кавказского региона землетрясения проявляются с большой частотой. Глубина их очагов не превышает 10–15 км и находится в низах палеозойского фундамента. Практически все сильные землетрясения приурочены к зонам разломов.

Географическое распределение эпицентров землетрясений на земном шаре не является случайным. Почти все землетрясения происходят в пределах Тихоокеанского (75%) и Альпийского (23%) поясов.Тихоокеанский пояс проходит по границе океан-суша. Его сейсмическая энергия приурочена к эпицентрам, идущим по контуру Тихого океана. Альпийский пояс проходит по Средиземноморью и далее по горным сооружениям Италии, Турции, Средней Азии, Памира, Западного Китая. Наиболее активны кора и верхняя мантия до глубин 100 км. Высокие широты северного и южного полушарий Земли малосейсмичны.