Симметрия строения Земли

Топологические основы геоэкологии

Геометрически сфера – это поверхность шара, следовательно, может моделировать только границу, а не слой. В почвоведении аналогичное понятие – горизонт – геометрически упрощенная модель сложноорганизованных поверхностей раздела между слоями. Гигантские размеры земного шара приводят к тому, что локально поверхность шара ведет себя как плоскость, глобальная фигура подчиняется закономерностям сферы.

 

Топология – фундаментальная наука в области математики. Чтобы как-то отличить математическую и геоэкологическую области знания В.Б. Сочава предложил термин геотопология (Ласточкин, 2002), понимая под ним дифференциацию ландшафтной оболочки на самом низком уровне делимости. В.Б. Сочава разделил ГО на два иерархических уровня: землеведение (глобальный) и ландшафтоведение (геотопологический). Однако, в последующем габаритный способ разделения не получил развитие. А. Ласточкин (2002) показал связь между oikos и topos. Первое означает местопребывание или дом, а второе – местонахождение или местоположение, так что термины могли бы рассматриваться как синонимы.

Возможен другой подход – оставить первоначальный математический смысл за эти термином и рассмотреть приложения топологии в геотопологии. Любая фундаментальная наука основывается на топологии. Эйнштейн мечтал физику свести к топологии. Топология в отличии от физики занимается изучением закономерностей форм и формообразования. Важность геотопологии ещё до конца не осознана российской общественностью, так как в школе она не преподается (её элементы присутствуют в геометрии). Тем не менее, общественность узнала о существовании этой науки благодаря Перельману. Интерес геоэкологии к топологии в том, что форма определяет направление воздействия силы тяжести и поступление различных видов энергии. Некоторые процессы, протекающие на земной поверхности, имею топологические причины.

Симметрия строения Земли

Платон считал что Земля имеет форму додекаэдра (Федоров А.Е., 2005). В начале 70-х годов геологи Н.Ф. Гончаров, В.С. Морозов, В.А. Макаров (1973) обнародовали модель глобального строения Земли, где модель земного шара представлена в виде симметричного кристалла пентагондодекаэдра, узлы решетки которого прослеживаются в геологических структурах России и земного шара (рис._). Установка кристалла такова, что ребра совпадают с крупными разломами земной коры

Рис. Икосаэдро-додекаэдрическая структура Земли (Гончаров и др., 1973): толстые линии ребра пентагондодекаэдра, тонкие – икосаэдра. Вершины пентагондодекаэдра пронумерованы

 

В доказательстве такого строения земли использовались геологические данные, природные явления, вулканическая деятельность, социальные значимые события, географическое положение археологических памятников. Однако, им не удалось построить стройную систему доказательств, пытались объяснить все существующие закономерности только своей моделью, увлекались мистическими моментами. Поэтому скептическое отношение к таким моделях остается до сих пор.

Установлено, что существует центральная симметрия:

1. При повороте на 180^о по долготе относительно оси вращения Земли присутствуют сходные геологические структуры и явления (Федоров, 2005): тектонические линии гигантских разломов, местонахождения и месторождения минералов, геоморфологические линии.

2. Существует система линеаментов, отстоящая друг от друга на 30^о по долготе.

3. Присутствуют линии симметрии 4 порядка по которым развивается глобальная рифтовая система Земли. Восточно-Тихоокеанский рифтовый пояс отстоит от Срединно-Атлантического, а последний, в свою очередь, от Индо-Аравийского приблизительно на одно и то же угловое расстояние по долготе - около 90°, которое выдерживается с точностью 5° - 10°, как в южных, так и в относительно смещённых к западу северных сегментах этих поясов. Угловое расстояние по долготе между Индо-Аравийским и Восточно-Тихоокеанским рифтовыми поясами вдвое больше – около 180°.

Симметрично располагаются подвижные зоны Земли (Федоров, 2005). Например, Альпийско-Гималайский пояс имеет антипод в виде районов Зондского архипелага и антипод Карибского бассейна – Юкотан. В этих районах отмечаются мощные энергетические проявления: сильнейшая сейсмическая и вулканическая активность, здесь находятся области, характеризующиеся максимумом осадков и максимумом мест зарождения циклонов. Здесь расположен ряд выдающихся вулканов, проявивших себя катастрофически. Некоторые из них имеют антиподы по отношению с сфере Земли. Антиподальны также уникальные геологические объекты: (а) крупнейший континентальный вулкан Килиманджаро (37° 22' в.д., 3° 4' ю.ш.) и самый большой по объёму вулкан Земли (считая подводную часть) Мауна-Лоа (155° 36' з.д., 19° 29' с.ш.). Вулканы северного полушария в Исландии антиподиальны вулканам южного полушария Новой Зеландии – Тапиро, извержение которого в 180 г. является крупнейшим за последние 5000 лет. Исландия расположена через 180^о долготы от Камчатских вулканов. Исландия, Новая Зеландия и Камчатка находятся в противолежащих рифтовых поясах.

Наиболее протяженные по долготе части материков располагаются в соответствии с ребрами пентододекаэдра (Федоров, 2005). На рисунке __ это ребро 3-8,вдоль которого вытянута Африка; ребро 4-9, вдоль которого имеет наибольшую протяжённость Евразия; ребро 12-17вдоль которого имеет наибольшую протяжённость Южная Америка; ребро 1-6, вдоль которого имеет наибольшую протяжённость Северная Америка, ребро – 15-20, вдоль которого имеет наибольшую протяжённость Австралия.

Установлено, что барические зоны высокого и низкого давления располагаются в узлах куба. Более того оказалось, что в этих областях изменения происходят синхронно в противофазе, что вызывает взаимосвязь глобальных метеорологических процессов в различных частях Земли.

Рис.. Проявление куба в атмосфере (в январе) (см. [Фёдоров, 2002]) Чёрными кружками показаны вершины куба, крапом - барические максимумы связанные с кубом. В - области высокого давления, Н - области низкого давления.

 

Асимметрия Земли

Форма Земли отождествляется с шаром, отсюда и название «земной шар». Так он выглядит с космического корабля. Детальные исследования показали, что форма Земли уподобляется эллипсоиду вращения, трехосному эллипсоиду, геоиду, в котором южное полушарие более сжато, чем северное. Приближение фигуры Земли к сферической форме обусловлено гравитационным полем Земли, т. е. притяжением всех составляющих ее материальных частиц друг к другу. Если изолировать Землю от влияния всех внешних факторов, в том числе и гравитационного воздействия всех других космических тел, и остановить все ее движения, то под воздействием собственного гравитационного поля Земля рано или поздно приняла бы форму идеального шара.

Таким образом, приближение фигуры Земли к сферической форме отражает действие собственного гравитационного поля Земли. Приближение фигуры Земли к форме эллипсоида вращения обусловлено вращением Земли вокруг ее географической оси. Возникающие при вращении центробежные силы растягивают Землю в экваториальной плоскости. Если бы на Землю воздействовало только ее собственное гравитационное поле и единственным ее движением было вращение вокруг оси, то она имела бы форму идеального эллипсоида вращения. Таким образом, приближение фигуры Земли к форме эллипсоида вращения отражает взаимодействие собственного гравитационного поля Земли с центробежными силами, вызываемыми ее вращением. Количественное выражение отклонения земного эллипсоида от сферической формы, определяемое отношением разности экваториального и полярного радиусов Земли к экваториальному радиусу, составляющее около 1/297, выражает также относительное значение роли центробежных сил и собственного гравитационного поля Земля в формировании ее фигуры. Небольшая по отношению к среднему радиусу разность экваториального и полярного радиусов довольно значительна в ее абсолютном значении (около 21 км). Однако, в с равнение с радиусом ~ 6000 км это различие незаметно из космоса.

Полярная асимметрия Земли проявляется в неодинаковости строения и истории развития обоих полушарий. В 1914 г. Дж. Грегори в своей работе «Образование Земли» писал, что фигура Земли напоминает кардиоидальный эллипсоид с осевой впадиной на Южном полюсе и выпуклостью - на северном. Фигура Земли действительно асимметрична, северная полярная полуось на 30-100 м длиннее южной и поэтому сжатие СП меньше (фигура Земли напоминает кардиоидальный эллипсоид). Какова же фигура геоида? Если считать Землю строго фигурой вращения и учитывать только зональные отклонения от эллипсоида, то наглядно выявляется полярная асимметрия Земли. Оказывается, что над северной полярной зоной геоид возвышается над эллипсоидом на 20 – 30 м, а над южной, наоборот, лежит ниже эллипсоида на ту же величину. Это дало повод говорить о грушеобразной форме Земли. По аналогии с геоидом даже появился термин «апиоид», что значит грушеобразный. Схематическая фигура апиоида представлена на рис. 5 (конечно, здесь следует иметь в виду внемасштабность рисунка).

 

Рис. 5. Схематическая форма Земли (Апиоид)

 

Если рассматривать отдельно Северное (СП) и Южное полушария (ЮП), то наибольшие полуоси экваториального сечения в СП проходят где-то в области 15 – 20° з. д. и 130 – 140° в. д., а в ЮП – от 70° з. д. к 50 – 60° в. д. Имеет место как бы скручивание геоида по часовой стрелке с севера на юг (если смотреть с Северного полюса). Величина расхождений большой и малой полуосей составляет около 150 м. Наибольшие «вздутия» геоида в Западном и Восточном полушариях не являются строго симметричными. Поэтому, следует существенно дополнить бытующее мнение, что Земля есть трехосный эллипсоид.

С учетом этой разницы вращающаяся Земля напоминает волчок, поскольку форма «верхней» части у нее отличается от формы «нижней» части; и поэтому полушария Земля несовместимы как зеркальные изображения. Однако, несмотря на свою грушевидность, если бы она не вращалась, то не было бы и асимметрии. Поднеся волчок к зеркалу, можно заметить, что он не отличается по^- форме от своего отражения. Но стоит его завертеть, и симметрия нарушается. Зеркальный близнец вертится в противоположную сторону относительно самого волчка. Если изображение перевернуть, то и в этом случае мы не получим симметрию, так как СП не совмещается с ЮП.

На поверхности вращающегося круглого небесного тела присутствуют разного рода интересные асимметричные явления, «левые» в одном полушарии и «правые» в другом. Если вы, скажем, летите на самолете в северном полушарии, направляясь прямо к Северному полюсу, то пилот все время вынужден будет вносить поправку на курс, потому что машину постоянно сносит вправо. При полете в южном полушарии, когда вы летите к Южному полюсу, будет наблюдаться отклонение влево. Это пример действия силы Кориолиса. Он заметил, что предметы, расположенные в разных точках земной поверхности, перемещаются в пространстве с разными скоростями. Если вы стоите на экваторе, то благодаря вращению Земли совершаете за сутки путешествие длиной примерно 40 000 км со средней скоростью 1600 км/час. Когда вы двигаетесь к одному из полюсов, то окружность, по которой вы вынуждены путешествовать из-за вращения Земли, становится все меньше и меньше. Поскольку полный круг замыкается каждый раз за 24 часа, скорость ваша в пространстве становится, по мере продвижения к полюсу все меньше и меньше и на полюсе она становится равной нулю. То же самое произойдет, если вы с высокой горы спуститесь на равнину, а затем в глубокую шахту. В центре земного шара ваша скорость движения при вращении Земли станет равной нулю. Асимметрия заключается в том, что в разных полушариях силы Кориолиса действуют в противоположные стороны. Широко распространено мнение, что закручивание этого водоворота происходит в разных полушариях в противоположные стороны. Обосновывают это следующим примером: представим себе прямо на Северном полюсе большой круглый бассейн с плоским дном, в центре которого имеется спускное отверстие. Выпускная труба в центре бассейна уходит вертикально в землю. Когда вода течет к отверстию, сила Кориолиса стремится завернуть ее в восточном направлении, что приводит к образованию водоворота с вращением против часовой стрелки. Образовавшись, водоворот усиливается; вполне вероятно, что вода, вытекающая из такой ванны на Северном полюсе, действительно будет стремиться образовать воронку с вращением против часовой стрелки.

На Южном полюсе картина меняется. Вода, правда, по-прежнему отклоняется на восток, но это приводит уже к образованию водоворота с закручиванием по часовой стрелке. Тенденция к образованию водоворота при спуске воды будет сильнее всего проявляться на полюсах, уменьшаясь по мере приближения к экватору, где она исчезает. В южном полушарии вода будет вытекать, закручиваясь против часовой стрелки. На экваторе вода уподобится ослу между двумя охапками сена – она не будет знать, куда закручиваться.

Если бассейн расположить не на экваторе, и он будетдостаточно велик, а вода перед открытием отверстия абсолютно неподвижна в течении длительного времени, то вращение Земли скорее всего повлияет на направление вращения водоворота. Но ванна невелика, и в действительности на водоворот влияют многие другие факторы. Сильнейшим из них является циркуляция воды в ванне при наполнении. У воды в этом отношении удивительно «длинная память»; круговой поток может сохраняться часами, когда вода внешне кажется абсолютно спокойной. Эта циркуляция при спуске воды будет поначалу определять, в какую сторону закрутится вода в стоке. Даже если дать воде «устояться» в течение нескольких дней, на направление водоворота могут оказывать влияние небольшие неровности поверхности дна и стенок бассейна, выпускной трубы и так далее.

Несмотря на это, некоторые опыты, по-видимому, показывают, что эффект силы Кориолиса можно заметить. А. Шапиро, физик из Массачусетского технологического института, проводил недавно эксперименты с круглой ванной диаметром шесть футов (1,8 м). Он обнаружил, что если воде дать возможность устояться несколько дней, а затем открыть пробку, то образуется устойчивый водоворот с вращением против часовой стрелки, который он приписал действию силы Кориолиса. Мэрвин Сибулкин в заметке «О водяной воронке» («Journal of Fluid Mechanics», сентябрь 1962 г., стр. 21–24) не смог подтвердить этого вывода, возможно потому, что пользовался слишком маленьким бассейном. Используя круглый сосуд с прозрачными стенками, сквозь которые можно было следить за плавающими в воде частичками краски, Сибулкин обнаружил, что водоворот всегда следовал за направлением циркуляции воды, возникающей в процессе наполнения сосуда, если не тратить «на успокоение» нескольких часов. А если выпускать абсолютно спокойную воду, никакого предпочтения закручиванию против часовой стрелки обнаружить не удается. К своему удивлению он обнаружил, что независимо от первоначального направления водоворота направление это таинственным образом меняется на обратное, когда воды в бассейне остается меньше чем 1,3 см. Он высказал предварительное предположение, что верхние слои воды, вытекая, закручивают нижние слои в направлении, противоположном тому, в котором вращаются сами.

Вне сомнения, именно сила Кориолиса закручивает против часовой стрелки циклоны и торнадо в северном полушарии, а в южном – в противоположную сторону. Возникает вопрос – могут ли циклоны, образовавшиеся в южном полушарии существовать в северном?

Суша в СП занимает 39% площади, а в ЮП – всего 19%. Северному Ледовитому океану СП соответствует материк Антарктида ЮП. В СП находятся наиболее приподнятые участки земной коры (щиты Балтийский и Канадский), а в ЮП на этих широтах – цепочка океанических впадин (Африкано-Антарктическая, Австрало-Антарктическая). Большая часть южных материков занята древними платформами 72-90%, значительная часть северных материков образована палеозойскими и мезозойскими горами. В СП есть пояс молодых складчатых гор (Альпийско-Гималайский), аналога ему в ЮП нет. В. И. Вернадский приводит количественный показатель, подтверждающий асимметрию планеты: общий коэффициент отношения суши и моря равен 1:2,4. Асимметричность суши и океана влечет за собой асимметричность в распределении свойств других компонентов. Из-за преобладания водной поверхности в ЮП климат ровнее, годовая амплитуда температур 6⁰, а в СП – 14⁰. Теплые течения в СП распространяются в Северный Ледовитый океан, в ЮП – не далее 35⁰ ю.ш. В ЮП Антарктида имеет мощное материковое оледенение, в СП площадь материкового оледенения мала, зато большая многолетней мерзлоты.

Различие в СП и ЮП проявляется и в распределении растительности и животных: в СП огромную площадь занимает тайга, в ЮП – аналога ей нет. В ЮП отсутствуют зоны тундры, лесотундры, лесостепи, пустынь умеренного пояса. Отдельные виды растительности встречаются только в СП (сосновые, секвойи). Отличия проявляются и в животном мире. в Антарктиде живут пингвины, в Арктике – белые медведи. В ЮП живут ламы, утконосы, ехидны, кенгуру сумчатые волки, киви, коала; в СП – двугорбые верблюды, яки. Полярная асимметрия биосферы отмечалась и в прошлые геологические эпохи. В настоящее время в ЮП обитает 17 видов пингвинов, остатки ископаемых пингвинов (22 вида) обнаружены только в ЮП.