100 великих загадок географии - читать онлайн

Почему Земля – шар?

Мы живём на плоской неровной земной поверхности. Это очевидно. Над нами купол небес, линия горизонта ограничивает взгляд. Солнце и Луна движутся по небосводу. Именно так человек испокон веков воспринимает окружающий мир. Многие народы представляли обитаемую Землю подобием огромного дома: твёрдый земляной пол, столбы-опоры и лежащее на них прочное перекрытие – небо (время от времени всё же пропускающее воду). Отсюда и слово «Мироздание», подразумевающее всемогущего Творца.

Идею земного шара первыми открыли поэты и философы.

В сборнике древних арийских (иранских, индоевропейских) преданий Авесте, основным автором которых был поэт-философ Зороастр (Заратуштра), сказано о круглой Земле:

Он жил вдали от моря и, судя по всему, пришёл к этой мысли, наблюдая небесные тела, витающие, как тогда думали, в воздухе. Она так и названа – «скарна», что на древнеиранском означает «круглая». Её окружают три небесные сферы: Луны, Солнца и звёзд.

Греческий философ Пифагор, размышляя о форме Земли, исходил из того, что гармонию Мира отражают математические соответствия. Небесные тела, включая Землю, имеют форму шара, ибо она совершенна. На старинных рисунках Бог нередко показан с циркулем. Солнце и Луна идеально округлы.

Впрочем, философы древности чаще всего предполагали нашу планету в виде диска. Было мнение, что она цилиндрическая. В религиозных преданиях этот вопрос не был принципиален: всемогущий Творец мог придать Земле любую форму!

Мысль о круглой Земле утвердилась в Древней Греции потому, что многие её жители были отважными мореходами.

Уходишь в море – словно скользишь с округлого холма. Тонут вдали, удаляясь, кресты мачт у причала и разноцветные плоскости крыш. Последней тонет крепостная башня, но ещё некоторое время видны вершины гор. Дыбится за кормой море, заслоняя дальние берега.

Аристотель этот факт привёл как доказательство шарообразности Земли. Другой аргумент – лунные затмения, когда видна круглая тень нашей планеты. Третий аргумент: на юге, в Египте, видны созвездия, которые севернее, в Греции, скрыты за горизонтом. Такое возможно, если наша планета круглая и не слишком большая.

Исходя из таких соображений, Аристотель написал, что за Геркулесовыми столбами (современный Гибралтар) расстилается океан, за которым находится Индия. Почти за два тысячелетия до плавания Колумба Аристотель понял, что в страну, лежащую далеко на востоке от Европы, можно попасть, двигаясь в противоположном направлении.

Проницательность мыслителя удивительна! Ведь он не пользовался никакими проборами, а только наблюдал и рассуждал. Вот что значит культура мышления. Он верно отметил: «Все люди от природы стремятся к знанию». Правда, немногие, как он, сохраняют это стремление на долгие годы.

Но почему Земля круглая? Один из ответов: потому что она быстро вращается. Однако Луна вращается вокруг своей оси медленно, имея форму шара. Да и вообще, если раскручивать камень, он от этого шаром не станет.

Другой вариант: планеты образовались из расплавленных капель Солнца и в космическом пространстве застыли в виде шаров. Хотя неизвестно, как возникли планеты. Вполне вероятно – из холодных частиц.

…В 1900 году астрономы, уточняя траекторию астероида Эрот, были озадачены: яркость его менялась за короткий промежуток времени в четыре раза! Но ведь все астероиды холодны, хотя в переводе с греческого это – «подобие звёзд» (в обычные телескопы они видны как маленькие звёздочки). Это, можно сказать, метеориты диаметром больше 30–50 м и не более нескольких сотен километров. Общая масса всех известных астероидов составляет примерно тысячную часть массы Земли.

Астероид Ида

Долго загадка Эрота тревожила умы астрономов. Она выяснилась в 1931 году, когда астероид находился в наименьшем удалении от Земли. Самые мощные телескопы в упор уставились на него. Оказалось, Эрот имеет форму бруска длиной 22 км и толщиной 6 км. Медленно вращаясь, он поворачивается к Земле то широкой стороной, то узкой и соответственно отражает то больше солнечных лучей, то меньше.

Многие другие астероиды тоже не имеют постоянной яркости. Значит, и у них форма не шарообразная. И это понятно. Витающие в космосе каменные глыбы сохраняют свою первоначальную неправильную форму, потому что нет такой силы, которая обрабатывала бы их, превращая в шары.

А какая сила делает это с планетами? Гравитация, сила тяжести. Для тел с небольшой массой она слаба, но для крупных тяжёлых небесных тел становится огромной.

В камнях или металлах атомы крепко спаяны электромагнитными силами. В астероидах гравитация проявляется слабо и не может преодолеть их. На планетах это соотношение меняется. Здесь гравитация значительно превосходит электромагнитное притяжение атомов.

Под огромным давлением деформируются и разрушаются крепкие кристаллические решётки, атомные конструкции. В таких условиях камни начинают сдавливаться и сплющиваться, словно они пластилиновые.

Выходит, астероиды и метеориты имеют неправильную форму, потому что их масса сравнительно невелика. Наша Земля шарообразна, потому что обладает огромной массой. Она сжата со всех сторон силами гравитации, которые направлены к центру взаимодействующих масс, то есть к центру небесного тела.

Вспомним идею Пифагора: Земля – шар, ибо эта геометрическая фигура идеальна. В таком мнении есть свой резон. «Идеальность» шара в том, что все точки на его поверхности равноудалены от центра. Вот и силы гравитации действуют по такому же принципу: они центростремительны.

Под воздействием гравитации каменные массы сдавливаются и приобретают форму шара примерно так же, как под нашими руками кристаллические снежинки превращаются в круглый снежок.

Если две вещи сделаны из одного и того же материала, то маленькая всегда легче большой. Хотя в некоторых случаях они при разных массах могут иметь один и тот же вес, равный нулю.

Космическую ракету медленно доставляют к месту старта могучие тягачи. А в космосе она и все вещи и люди, которые в ней находятся, теряют вес. Человек парит внутри космического корабля, как пушинка.

Общая закономерность понятна: чем дальше от Земли, тем слабей её притяжение. Планета притягивает нас, а мы с такой же силой притягиваем её к себе. Можем даже оттолкнуть её ногами. Тогда мы подпрыгнем на некоторую высоту. И она от нас отлетит. Правда, только теоретически. Прибором её смещение уловишь невозможно. Но высчитать его нетрудно: оно будет во столько раз меньше высоты нашего прыжка, во сколько раз масса нашего тела меньше массы планеты.

Магнит притягивает только определённые вещества. Сила тяжести притягивает любые массивные тела. Таково всемирное тяготение. Оно прямо пропорционально произведению масс двух тел и обратно пропорционально квадрату расстояния между их центрами тяжести.

Что же такое сила тяжести, гравитация? На этот вопрос великий физик Ньютон, доказавший закон всемирного тяготения, ответил точно: «Что это такое, мне неизвестно, а гипотез я не измышляю».

С той поры прошло много времени. Учёные придумали немало гипотез о гравитации, но слова Ньютона о незнании остаются в силе.

В общей теории относительности А. Эйнштейна гравитация рассматривается как искривление массивным телом структуры пространства-времени. Оставим проблему времени в покое и обратим внимание на пространство. А. Эйнштейн ничего не упоминал о его реальных свойствах, ибо в его время отрицали существование космического эфира, всеобщей среды. Но затем его признали, дав другое имя: космический вакуум.

Значит, следует говорить о деформации вакуум-эфира под действием тел, имеющих массу покоя. Если учесть эффект передачи информации, то есть возможность продумать заново теорию относительности. Впрочем, физики предпочитают этого не делать.

Для земных проблем достаточно иметь в виду закономерность: чем меньше масса тела, тем слабей действует на него гравитация. Для крохотной пылинки или снежинки она ничтожна, для камня или снежка – ощутима, а для планеты она достигает такой силы, что сплющивает каменные глыбы, как мы – горсть снега…

Может показаться, что мы слишком отдалились от предмета географии. Речь идёт преимущественно о физических законах, если не считать ссылок на кристаллы. Хотя без этих предварительных рассуждений мы не поймём многое в земной природе. Не сможем выяснить, почему текут ледники не только с возвышенностей, но и на равнинах; почему движутся материки; почему горы на Земле не превышают девяти километров; почему на суше не было великанов высотой с многоэтажный дом…

Многие загадки географии помогает раскрыть знание физики. Но за последний век обратная связь разладилась. Физики не имеют желания и привычки обращаться к наукам о Земле. Их интересы сосредоточены почти исключительно на проблемах техники и теориях, основанных на формулах. Хотя, вполне возможно, земная природа могла бы навести их на новые идеи.

Загадки геоида

Гармония небесных сфер издавна восхищала людей. Немецкий философ и учёный Готфрид Вильгельм Лейбниц полагал, что мы живём в лучшем из миров. На это отозвался американский писатель Джеймс Брэнч Кейбелл: «Оптимист провозглашает, что мы живём в лучшем из миров, а пессимист опасается, что это и в самом деле так».

Французский писатель и отважный лётчик Антуан де Сент-Экзюпери высказал истину: «Нет в мире совершенства». (Так сказал умный Лис в его сказке «Маленький принц», узнав, что на одной планете нет кроликов.)

Реалист старается понять мир таким, каким он есть на самом деле.

Многое вокруг нас связано с теми закономерностями, которые выясняются при ответе на вопрос: почему Земля – шар? Хотя знающий читатель возразит: не очень-то она круглая. У неё есть отклонения от идеального шара. Она имеет форму геоида.

С таким названием ситуация юмористическая. Как оно переводится? «Землевидный» или «землеподобный». Выходит, Земля «землеподобна»! Прямо по Чехову: «Какое правительство в Турции? Известно какое – турецкое!»

Эллипсоид вращения и геоид. Вне масштаба, сильно искажено

Впрочем, определённый смысл в названии «геоид» имеется. Оно показывает, что у нашей планеты облик индивидуальный. Это не «марсоид» или «луноид», а именно геоид. Ни с чем не спутаешь. Хотя в общем у всех планет и у звёзд форма безусловно шарообразная.

Если бы учёные были сторонниками учения Пифагора, они вряд ли бы усомнились в том, что Земля – идеальный шар. Но по верному замечанию французского писателя Жюля Ренара: «Учёный – это человек, который в чём-то почти уверен». Любознательность и умение сомневаться – необходимые качества любого умного человека.

О том, что форма Земли не идеальна, учёные предположили задолго до космических полётов и обмеров планеты извне. По мнению физиков Ньютона и Гюйгенса, наша планета от вращения должна быть немножко сплюснутой у полюсов. Почему твёрдое небесное тело может менять свою форму? Конечно же, под влиянием гравитации. Она сминает каменные массы, как пластилиновые.

Оставалось провести наблюдения, которые подтвердили бы гипотезу «приплюснутой» Земли. В 1735 году от берегов Франции отошло в просторы Атлантики судно, держа курс к экватору, к равнинам Перу. Там надо было измерить «отрезок земного меридиана». Год спустя другая экспедиция Французской академии отправилась на север Европы, в холодную болотистую Лапландию, с той же целью.

Измерения показали, что длина одного градуса меридиана в Перу равна 110 868 м, а в Лапландии – 112 992 м. Значит, у экватора земная поверхность более круто изогнута, чем у полюса, и наша планета действительно приплюснута у полюсов.

Казалось бы, всё прояснилось: Земля имеет форму так называемого эллипсоида вращения – фигуры, получающейся, если достаточно быстро вращается вокруг своей оси шарообразное пластичное тело. Однако учёные продолжали добывать и обдумывать новые факты. Очередной сюрприз преподнёс им простой прибор – маятник.

В конце ХVIII века в Парижской академии наук обсуждались неожиданные сведения. Маятник, перенесённый из средних широт на экватор, замедлял свои качания на 2,5 секунды в сутки. Значит, его вес уменьшался. Это можно было объяснить тем, что Земля сплюснута у экватора (имеет форму лимона).

Французских академиков такая версия не устроила. Они решили иначе: под влиянием центробежных сил, вызванных вращением планеты. Но и на этом исследователи не успокоились. Чтобы окончательно избавиться от сомнений, проводили всё новые опыты. Планету измеряли вдоль и поперёк; в разных её пунктах изучали частоту колебания маятника.

Вновь природа преподнесла сюрприз: маятник на Бонинских островах Тихого океана делал в сутки на 14,2 качания больше, чем предполагалось по расчётам, основанным на эллипсоидной форме Земли! На острове Святой Елены число «лишних» качаний составило 10,3. И так – почти на всех океанических островах.

Теория не вязалась с фактами. В таких случаях либо уточняют факты, либо меняют теорию. Форма нашей планеты оказалась более всего похожей на двуосный эллипсоид вращения, с дополнительными искажениями.

Океаническая поверхность (включая острова) расположена ближе к центру планеты, чем это предполагалось раньше. И хотя отклонения от идеального шара невелики, учёные во имя точности решили не называть фигуру Земли шаром. В 1873 году немецкий математик и физик Иоганн Листинг предложил название – «геоид». Оно, по сути, ничего не объясняет, кроме того, что планета имеет индивидуальную и неидеальную фигуру. Термин этот прижился.

Из-за вращения Земля немножко сплюснута у полюсов. Расстояние от центра до экватора – 6378 км, а до полюсов – 6357 км (другие отклонения от идеального шара значительно меньше). Северный полюс планеты чуть приподнят по отношению к южному полюсу. Получается фигура, напоминающая рисунок сердца. Так появилось новое название: «кардиоид» (сердцеподобный).

Кроме сил вращения, на нашу планету воздействуют силы притяжения Луны и Солнца. Оригинальный советский географ и геолог Б.Л. Личков предполагал более дальние космические влияния, вызванные вращением нашей Галактики. Но до сих пор нет убедительного объяснения формы геоида-кардиоида.

Чтобы объяснить отклонения формы Земли от идеала, надо учитывать, вдобавок ко всему движение материков, а в ледниковые периоды перемещение воды в виде льда на материки и понижение уровня Мирового океана на десятки метров. Всё это влияет на колебания оси и скорость вращения планеты.

Под влиянием притяжения Луны и Солнца вращение Земли становится меньше, а значит, в масштабе миллионов лет наша планета должна приближаться к форме шара. Высокая вязкость каменной плоти планеты приводит к тому, что изменения в её форме проявляются за долгие сроки.

По данным палеогеографии, в разные геологические эпохи очертания суши и моря менялись, порой все континенты составляли единое целое, раскалывались, расходились и снова сближались. Мы сейчас наблюдаем один из многих вариантов лика Земли. Название «геоид» имеет в виду ещё и её неопределённую форму, изменчивую со временем.

Почти наверняка, будь у нашей планеты всегда идеальная форма шара (так же как во всей Вселенной было бы всё в идеальном порядке), эволюция живых организмов если бы и происходила, то чрезвычайно медленно, а то и вовсе замерла на первоначальной стадии. Ведь изменения – стимул к развитию. Вряд ли случайно самая быстрая эволюция мозга за всю геологическую историю была у предков человека за последние два-три миллиона лет, в ледниковый период.

Почему Земля тёплая?

С глубиной температура земных недр обычно повышается. Только в зонах вечной (многолетней) мерзлоты она может быть отрицательной до полукилометровой глубины, но затем начинает возрастать.

В туннелях и на станциях метро глубокого заложения круглый год тепло. В глубоких шахтах жарко и работать трудно. В Кольской сверхглубокой скважине на глубине 7 км температура достигла 120 °C, а через 5 км возросла ещё на 100 градусов. На больших глубинах плоть Земли раскалена до нескольких тысяч градусов.

Нет никакой возможности измерить приборами температуру глубоких недр. Геофизики определяют её косвенным путём, исходя из некоторых предположений и допущений. Ведь мы не знаем химический состав глубоких недр. Например, предполагается, что ядро планеты состоит из железа. В таком случае его температура, согласно расчётам, может составлять от 2500 до 6000°.

На земной поверхности жар Земли выделяется в зонах действующих вулканов и выходов горячих подземных вод. Энергия глубин разряжается во время землетрясений; она вызывает перемещения крупных участков (блоков) земной коры и целых континентов.

Казалось бы, при столь высокой температуре земных недр наша планета должна излучать много энергии. Но как показывают замеры, тепловой поток, выходящий из глубин на поверхность планеты, невелик, примерно в десять тысяч раз меньше поступающей извне лучистой солнечной энергии.

Это чрезвычайно важный факт. В наше время многие авторитетные специалисты в науках о Земле его недооценивают. Пытаясь понять, какие силы сминают в складки и разрывают горные породы, колеблют земную поверхность и движут материки, геофизики ссылаются на энергию земных глубин. На этом основана популярная ныне глобальная тектоника литосферных плит. Впрочем, о ней у нас будет особый разговор.

Два века назад преобладало мнение специалистов, что ниже сравнительно тонкого слоя твёрдых горных пород, который назвали земной корой, клокочет кипящая магма. В действительности, несмотря на высокие температуры, глубинное вещество планеты находится преимущественно в твёрдом и пластичном состоянии из-за высоких давлений. Как установили физики, температура плавления растёт с увеличением давления.

Разрез через Японское море до глубины 500 км.

Внизу – профиль теплового потока. Оконтурена зона глубинных разломов и эпицентров землетрясений (по японским авторам)

По этой причине на тех участках земной поверхности, где по какой-то причине снижается нагрузка на земную кору, при повышении температуры горных пород они могут переходить в текучее состояние.

Откуда берётся тепло Земли?

Для ответа на этот вопрос можно обратиться к фундаментальной работе «Земля» группы американских учёных во главе с Дж. Ферхугеном. Там ясно сказано: «Многое ещё в проблеме земного тепла остаётся неопределённым». Несмотря на то что с той поры, как был сделан такой вывод, прошло четыре десятилетия, ничего не прояснилось.

В познании жизни Земли остаются зияющие пробелы. Исследователям предоставлено обширное поле деятельности, поисков и открытий. А мы обратимся к некоторым фактам, проблемам и гипотезам.

Долгое время считалось, что Земля сохраняет тепло с момента своего рождения. Это возможно в том случае, если она возникла из плазмы при «горячем варианте» образования Солнечной системы или как выброс солнечного вещества.

Если Земля сформировалась в результате гравитационного притяжения холодных частиц, при этом должно было выделяться огромное количество энергии. Но она уходила бы в основном в космическое пространство. Если часть её сохранилась, это не имеет принципиального значения, ибо нет никаких данных о том, что наша планета за последние 3–4 миллиарда лет охлаждалась. Бывали ледниковые эпохи, но они охватывали только земную поверхность.

Принято считать основным источником внутренней тепловой энергии планеты распад радиоактивных элементов. Значительно меньше сказывается ротационная энергия, связанная с гравитационным воздействием Луны и Солнца, что приводит к замедлению вращения Земли.

Более проблематично влияние перераспределения масс вещества в ядре и мантии планеты, а также физико-химических процессов, происходящих в глубоких недрах.

У всех этих гипотез, исключая ротационную, общее уязвимое место. По всем законам термодинамики внутреннее тепло Земли как замкнутой системы должно со временем уменьшаться. При этом интенсивность геологических процессов должна слабеть. Ничего подобного не наблюдается. Напротив, есть данные, что за геологическую историю возрастала активность накопления осадочных горных пород.

Наиболее насыщенные радиоактивными элементами горные породы, в частности граниты, находятся преимущественно в земной коре континентального типа; их почти нет в земной коре дна Мирового океана.

Логично предположить, что тепловой поток из недр на континентах будет значительно выше, чем в океанах. К изумлению геофизиков, измерения показали, что ничего подобного нет.

Как же так? Ротационные силы действуют на всю массу планеты. Физико-химические процессы и радиоактивный распад наиболее активно идут в земной коре континентов. Чем же объяснить равенство тепловых потоков на континентах и в океанах?

По данным японских учёных Ли и Уэды, в океанических бассейнах тепловой поток в среднем на 20–25 % выше, чем на устойчивых древних континентальных щитах (платформах), где преобладают граниты и метаморфические породы с высоким содержанием радиоактивных минералов.

Как объясняют специалисты подобные тепловые аномалии? Насколько мне известно, никаких убедительных объяснений нет. Есть только предположения. Мол, это зависит от неоднородного состава мантии: под океанами в ней больше радиоактивных атомов, чем под континентами.

Как пишут авторы упомянутой выше работы «Земля», «в сущности, этот подход сводится к допущению, что уран, торий и калий перемещаются вместе с другими элементами (кремнием, алюминием, натрием и т. п.), которыми кора континентов значительно обогащена по сравнению с мантией».

Получается допущение, основанное на предположении. И нет другого варианта объяснения. Это особенно странно. Почему геофизики предлагают только одну гипотезу?

С тех пор как в науках о Земле господствует глобальная тектоника плит литосферы, геофизики стараются толковать факты так, чтобы они подходили под эту идею. Для этого надо каким-то образом показать, что в сверхплотной мантии планеты возможны круговые потоки вещества.

Можно ли как-то иначе объяснить равенство потоков земного тепла под континентами и океанами? Есть ещё одна закономерность: самые мощные потоки геотермальной энергии – в наиболее молодых вулканических областях; немногим меньше – в молодых активных горных системах. Что бы это значило?

На мой взгляд, наиболее вероятна такая гипотеза. Под высоким давлением в ядре и мантии Земли деформируются кристаллические решётки минеральных масс, высвобождая энергию. Она излучается относительно равномерно. Поэтому общий поток тепла под континентами и океанами одинаков.

Почему возникают температурные контрасты? Потому что на земную поверхность поступает мощный поток солнечной энергии, в тысячи раз превышающий поток тепла из недр. Взаимодействие воздушной, водной и каменной оболочек планеты при участии живых организмов определяет процессы, происходящие в земной коре, – геохимию и геофизику ландшафта.

В самом общем виде суть в том, что дробление, перенос, химическая обработка, накопление и погружение в земную кору минеральных масс сопровождается аккумуляцией лучистой солнечной энергии. Она «разряжается» в каменной оболочке Земли там, где эти процессы идут наиболее активно.

Такова гипотеза, основанная на учении о Биосфере. Она открывает новые горизонты познания геотермальной энергии. Окончательного ответа на загадку земного тепла нет. Для успешных научных исканий необходимо прежде всего избавиться от предвзятых мнений и обдумывать разные варианты решения загадок природы.

Глобальный солнечный двигатель

Солнечная лучистая энергия одухотворяет Землю. Не только потому, что насыщает энергией живые организмы. Она определяет обмен веществ в организме нашей планеты, проникая в литосферу.

Как могут солнечные лучи, падающие на земную поверхность, достичь земных глубин? Благодаря подвижности земной коры. Она постоянно живёт, разрушаясь и обновляясь. В понижениях осадочные породы, накапливаясь, погружаются в недра. А там, где воздымается земная кора, горные породы срезаются эрозией, обнажая древние пласты. Поэтому на земную поверхность выходят горные породы самого разного, порой весьма почтенного возраста – более трёх миллиардов лет.

Вместе с осадочными толщами погружается в недра нашей планеты и солнечная энергия, накопленная на земной поверхности. Такие минералы, горные породы называют геохимическими аккумуляторами. Люди научились создавать искусственные солнечные батареи. В природе они действуют не так активно, зато без дополнительных затрат материалов, труда и энергии, распространяясь на огромные территории.

Геофизическим пассивным аккумулятором солнечной энергии является Мировой океан. Вода «поглощает» почти все отвесно падающие лучи, хотя при большом угле падения почти полностью их отражает. Она служит системой «водяного отопления» земной поверхности.

Наиболее мощно действуют биохимические аккумуляторы: прежде всего растения и бактерии, а на их основе – грибы, животные. Растения поглощают примерно 5 % солнечной энергии, поступающей на Землю. Это значительно больше, чем энергия землетрясений и вулканов вместе взятых. Она воплощается в сложные органические соединения, которые участвуют в круговоротах земных веществ, накапливаются в осадочных горных породах.

Наиболее сложная ситуация с геохимическими аккумуляторами. В середине прошлого века советские учёные кристаллографы академик Н.В. Белов и В.И. Лебедев предположили, что солнечная энергия может аккумулироваться в «кристаллическом веществе Земли», например в глинистых минералах. При этом в кристаллических решётках увеличивается расстояние между атомами. Погружаясь в зону больших давлений, кристаллические решётки деформируются, выделяя энергию…

Проверка этой гипотеза показала, что всё значительно сложней. Не вдаваясь в детали, отметим: одно уже то, что при эрозии образуются тонкие глинистые частицы, коллоиды, резко увеличивает химическую активность вещества. Минералы насыщаются водой, образуя сложные структуры. Огромную роль играет биохимическая энергия.

В книге «Геохимия ландшафта» советский учёный А.И. Перельман писал: «Глинистые минералы выступают в роли своеобразных “горючих ископаемых”, отдающих заключённую в них энергию при высоких температурах плавления пород (чтобы получить энергию из угля, его тоже надо нагреть, хотя и до менее высокой температуры)…

Круговороты горных пород в Биосфере

Известно, что вопрос об источнике энергии эндогенных (внутренних, глубинных) процессов (горообразование, магматизм и др.) не является решённым. Радиоактивный распад не объясняет многие особенности этих процессов».

Гипотезу геохимических аккумуляторов разрабатывают до сих пор, но так и не удаётся превратить её в убедительно доказанную теорию. В отличие от так называемых точных дисциплин (математика, физика, химия) науки о Земле комплексные, они используют сведения из этих дисциплин и осуществляют синтез разнообразных, порой противоречивых фактов.

Огромные трудности познания связаны с тем, что многие важные геохимические процессы длятся тысячи, а то и миллионы лет, преобразуя минералы и горные породы. А о происходящем в глубоких недрах приходится догадываться, не имея возможности воссоздать процессы в полном объёме.

Как говаривал Михаил Васильевич Ломоносов, «велико есть дело достигать во глубину земную разумом, куда рукам и оку досягнуть возбраняет натура; странствовать размышлениями в преисподней, проникать рассуждением сквозь тесные расселины, и вечною ночью помрачённые вещи и деяния выводить на солнечную ясность».

…Люди создали отрасль промышленности – гелиоэнергетику, которая преобразует и использует солнечную энергию. Техногенные аккумуляторы разнообразны, многочисленны и отлично работают. Так уж повелось: практические свершения нередко опережают теоретическую мысль. Не исключено, что изучение тайн глубинной энергии Земли наведёт учёных на новые идеи о сути энергии вообще.

Понятие энергия (в переводе с греческого – «действие, деятельность») ввёл в философию и физику Аристотель. (Он же ввёл слово «физика», предполагая под этим познание природы; от греческого «фюзис» – «природа».) В Средние века энергию олицетворяла стихия огня. Теперь энергию определяют как единую меру различных форм движения и взаимодействия материи. Но это ничего не говорит о сути этой субстанции.

То, что это мера чего-то, спору нет. Но хотелось бы знать: мера чего?

С увеличением давления вещества меняются: газ может превратиться в жидкость, а жидкость – в твёрдое тело.

Выскажу своё мнение. Известен лишь один процесс получения «чистой» энергии в соответствии с формулой E = mc2. (По недоразумению её приписывают А. Эйнштейну, хотя она была выведена задолго до него.) Это – аннигиляция, соединение частицы с античастицей, например электрона с позитроном. Материальные частицы, обладающие массой покоя, исчезают. При определённых условиях они могут появиться вновь. Откуда? Из всеобщей энергетической среды. Сначала её называли эфиром, затем вакуумом (в переводе с греческого – «ничто»).

Дадим волю фантазии. Предположим, в материальных телах присутствуют частицы и античастицы – носители отрицательного и положительного электрического заряда (в этом нет ничего невероятного). При радиоактивном распаде атомов некоторые из них освобождаются и взаимодействуют, излучая энергию вакуум-эфира.

Во всех телах, если они не охлаждены до абсолютного нуля, движутся атомы, элементарные частицы. Некоторые из них могут на больших скоростях сталкиваться и превращаться в энергию. Чем сильней сжато вещество при ударе или давлении, тем больше вероятность таких столкновений, а значит, больше выделяется тепла…

Это не более чем предположение. В современной физике, чтобы избавиться от противоречий, придумана мнимая частица фонон. По форме это удобно, а по сути ничего не объясняет. Тоже – всего лишь предположение…

Итак, у земной поверхности взаимодействуют воздух, вода, твёрдые минералы, коллоиды, живые организмы. Они объединёнными усилиями «впитывают» лучистую энергию Солнца, переводя её в земные процессы. Наиболее подвижна атмосфера, менее подвижны природные воды, наиболее «медлительна» земная кора. Но и она благодаря своим движениям получает долю этой энергии, разряжая её на значительных глубинах под огромным давлением.

Из всех видов энергии, действующих на Земле (радиоактивный распад, замедление и ускорение вращения планеты, космические лучи) абсолютное первенство остаётся за лучистой энергией Солнца.

Земная кора или…

В науках немалую путаницу вносят неточные названия. Некоторые из них сохраняются с далёкого прошлого и противоречат современным знаниям. Слово «атом» переводится с греческого как «неделимый», хотя давно известно, что это не так. Есть сложная система частиц, называемых элементарными, но из них только фотон можно считать элементарным, да и то это скорее часть волны света, а не частица. Выделяют частицы и античастицы, хотя они совершенно одинаковы, отличаясь только знаком электрического заряда.

Издавна земная кора считалась, на первый взгляд бесспорно, твёрдой надёжной опорой под ногами. В нашем восприятии воздух и вода подвижны, а земля – нечто косное, инертное, застывшее. С поверхности она покрыта более или менее толстым слоем рыхлых осадков, почв, ила. Ниже находятся прочные скалы, которые в некоторых местах выступают на земную поверхность или взрезаны речными долинами, ущельями.

Однако жители сейсмических или вулканических районов знают на собственном опыте, что впечатление о незыблемой каменной тверди обманчиво. Она способна дрожать или извергать из своих недр массы пара, пыли, расплавленной магмы.

Многие учёные прошлого предполагали, что ниже нескольких десятков километров горные породы становятся расплавленными, вязкими или пластичными. Сверху эти раскалённые расплавленные массы покрыты застывшей коркой. Отсюда и пошло название: земная кора.

Это предположение не подтвердилось. С помощью сейсмографов (от греческого «сейсмос» – «колебания») геофизики стали исследовать свойства глубинных горных пород, улавливая отражённые от них колебания при землетрясениях или взрывах. Выяснилось, что на больших глубинах залегают чрезвычайно плотные и прочные каменные массы, а не расплавы.

Интересные сведения были получены при сейсмическом зондировании земных недр. Плотность горных пород с глубиной сначала растёт, затем уменьшаться, снижается и вязкость. Этот слой назвали астеносферой (от греческого «астенос» – «слабый»). Он располагается, местами прерываясь, в интервале глубин от 50—100 км (кровля) до 150–250 км (подошва).

О существовании астеносферы геологи догадывались ещё в начале ХХ века, и термин появился до того, как доказали существование этого слоя. Залегающие выше его кристаллические толщи по-прежнему именуют земной корой. Вместе с астеносферой земная кора образует литосферу (в переводе – каменную оболочку).

И это название тоже не вполне отвечает реальности: каменные массы находятся и глубже, в мантии планеты. По своей плотности они ещё более «каменисты», прочны, чем земная кора. Но так уж принято, термин вошёл в научный обиход, и с этим приходится считаться.

Наиболее напоминают инертную заскорузлую кору давно сформированные континентальные участки пониженной геологической активности (платформы). Здесь астеносфера тонка и залегает глубоко. Под геологически активными зонами она расслаивается на несколько частей и поднимается выше к земной поверхности. Под океанами астеносфера наиболее мощная (в особенности под срединно-океаническими хребтами).

Наиболее подвижна, изменчива именно та каменная оболочка, которую принято называть земной корой. Здесь постоянно накапливаются осадочные породы, поднимаются горы, работают вулканы, перемещаются моря, идёт химическое преобразование горных пород, сминаются в причудливые складки слоистые толщи.

Разве это кора? Нет, «земная кожа» («литодерма», если употреблять греческие слова). Возможен другой вариант: «литомембрана». Но и это не вполне подходит… Создать удачный научный термин – задача непростая. Над ней могли бы задуматься специалисты.

Короче говоря, на кору эта каменная оболочка планеты не похожа. В ней идёт активный обмен веществ с участием природных вод, воздуха и живых организмов. Полный круговорот веществ в литосфере по нашим обыденным меркам происходит чрезвычайно медленно, в масштабах миллионолетий. Для планеты, существующей миллиарды лет, такие сроки невелики.

Какими бы ни были убедительными наши доводы, вряд ли надо настаивать на том, чтобы земную кору переименовали в земную кожу. Точность точностью, но приходится уважать традиции.

Представлена земная кора осадочными слоями, магматическими и метаморфическими (преобразованными в горниле недр) толщами. Плотность её 2–3 т/м³; толщина под океанами – 5—15 км, под континентальными равнинами – 30–40 км, а в горных странах – до 85 км.

Границу коры и лежащей ниже мантии открыл в 1909 году югославский геофизик Мохоровичич, наблюдая отзвуки Балканского землетрясения. С тех пор она называется поверхностью Мохо (Мохоровичича). Подстилается земная кора, как мы знаем, слоем пониженной вязкости – астеносферой. Вместе с земной корой она образует литосферу, залегающую до глубин 200 км.

Одна из схем строения литосферы

Ниже поверхности Мохо приборы отмечают резкую смену плотности или удельного веса каменных масс: с 3,2 до 4,6 т/м³. Отсюда начинается мантия Земли. Земная кора состоит преимущественно из кремния (силициума) и алюминия. Её кратко называют – сиаль. В мантии преобладают, как предполагается, кремний и магний (сима).

Температура мантии около двух тысяч градусов. Плотность её увеличивается с глубиной четырьмя ступенями, позволяющими выделить четыре слоя. Мантия – обширнейшая область высоких давлений и температур.

С глубины 2900 км плотность пород быстро меняется от 11,54 до 14,2. Отсюда начинается ядро Земли, в котором выделяют ещё центральное ядрышко плотностью более 17 (в 17 раз плотней воды). У него есть свойство жидкости: в нём угасают продольные волны, которые возникают при сжатии и расширении, как это бывает с пружиной. (Поперечные волны подобны волнам на море.)

Из чего состоит земное ядро – остаётся загадкой. Оно сдавлено со всех сторон чудовищными силами гравитации. Поэтому плотнейшая внутренняя часть планеты становится текучей, как жидкость.

Из-за равных и направленных к центру гравитационных сил все внутренние сферы стремятся к равновесию, покою. В них вряд ли идут активные химические реакции.

В последние десятилетия популярна гипотеза о круговоротах вещества в мантии. Это весьма сомнительно. Там вещество необычайно плотное и находится под равномерным давлением со всех сторон. Его перемещения не могут быть значительными, а тем более сопоставимыми по скорости с движениями литосферы.

Оболочки Земли распределены по плотности. Наименее плотная и наиболее подвижная – атмосфера. Более плотная и менее подвижная – гидросфера. Ещё инертней и плотней – литосфера. Следует ожидать, что значительно более плотная, чем она, мантия планеты должна быть существенно инертней земной коры.

Гравитационные силы сдавливают Землю равномерно со всех сторон. Казалось бы, земная кора должна иметь одинаковую толщину, а поверхность планеты – быть ровной, если не считать воронок и кратеров от ударов астероидов, как на Луне. Почему же рельеф земной коры не только сложный и разнообразный – от глубочайших впадин до высочайших вершин – и подчинён некоторым закономерностям?

Этот вопрос позже мы обдумать особо. Он связан не только с наукой геоморфологией, которая изучает происхождение рельефа, а затрагивает весь комплекс наук о Земле – и географических, и геологических.

…По-новому раскрывается в геологии время, которое не имеет смысла без материальных проявлений. «Геологическими часами» могут служить скорость накопления осадков, смены форм ископаемых животных и растений, радиоактивные минералы.

Теория относительности предполагает изменение свойств объектов при скоростях, приближающихся к скорости света (увеличение массы, «сплющивание»). Это – виртуальные явления, отражающие точку зрения наблюдателя при некоторых условных допущениях. Совсем иначе – в реальной земной природе.

При геологических медленных скоростях – в масштабах тысяч и миллионов лет – по-настоящему меняются свойства природных объектов. Скальные породы обретают пластичность и сминаются в складки, как пластилиновые. Моря блуждают по поверхности континентов. Реки, змеящиеся по равнине, переползают с места на место. Берега океанов как бы тают от постоянной волновой эрозии. Острова выныривают там, где теперь море. Континенты и островные дуги перемещаются…

Куда ведёт гипсометрическая кривая?

Мы привычно считаем геометрию разделом абстрактной науки математики. Хотя этот термин в переводе с греческого означает «землемерие». Таким было начальное предназначение геометрии. Из практической области знаний она перешла в теоретическую.

2200 лет назад греческий математик Евклид создал логичную чёткую систему геометрии, которую назвали евклидовой. Она считалась единственно возможной, а её законы – применимыми везде и всегда.

Есть, скажем, теорема: сумма углов треугольника равна двум прямым, 180°. Она доказывается убедительно. Можно для проверки на практике подсчитать, чему равна сумма углов треугольников. И тут выяснится, что многое зависит от того, каковы размеры данных фигур.

Если вычертить на ровной поверхности Земли треугольник длиной в сотни километров и точно измерить его углы, то сумма их окажется меньше 180°. Это понятно: углы треугольника искажены, потому что вычертили его не на плоскости, а на поверхности шара. Надо чертить фигуры на плоской поверхности.

Но почему надо принимать за основу плоскую поверхность? В природе таких поверхностей мало. Любая прямая линия или плоскость являются частными случаями кривой линии или плоскости.

Эту мысль положил в основу своей геометрии Н.И. Лобачевский. Он воспользовался «подсказкой», которую дала ему шарообразная форма Земли. Так геометрия после долгого перерыва вновь обрела непосредственную связь с природой.

Во времена Лобачевского учёные считали, что космическое пространство евклидово, а путь луча света – идеальной прямой. Однако Лобачевский предложил эту гипотезу «проверить, подобно другим физическим законам», и провести соответствующие «Астрономические наблюдения» (так писал он – с заглавной буквы).

В ту пору почти никто не принял его предложение всерьёз. А в XX веке выяснилось, что Лобачевский был прав. Недаром он утверждал, что в основании математики должны лежать понятия, «приобретаемые из природы». Оказывается, луч света может отклоняться от прямой линии, например, когда пролетает мимо массивных небесных тел.

История с геометрией Лобачевского показывает, что география помогает познавать мир и совершать открытия в разных областях знаний. И другой вывод: надо уметь переходить от абстрактных понятий математики к реальной природе. Показательный пример – гипсометрическая кривая (от греческих слов «гипсос» – «высота» и «метрос» – «измерение»). Она изображает обобщённый рельеф Земли.

Гипсометрическая кривая ведёт нас от высоких гор до океанских глубин. На ней видны две отчётливые ступени: океаническая и материковая равнины. Абстрактная гипсометрическая кривая показывает фундаментальную особенность земного рельефа.

На карте земной поверхности площадь Мирового океана значительно больше площади суши. Гипсометрическая кривая показывает то, что с поверхности не увидишь: если к территории континентов добавить площадь шельфа и материкового склона (что вполне логично), то в сумме они будут немногим меньше площади дна океана. Что бы это значило?

Гипсометрическая кривая (сплошная линия) и рельеф дна Мирового океана

Гипсометрическая кривая превращается в вопросительный знак, если несколько иначе нарисовать профиль дна Мирового океана, приблизив его к реальности. Взглянем на окраины Тихого океана. Там перед горными хребтами Анд и Кордильер островными дугами зияют впадины глубоководных желобов.

Гипсометрическая кривая с учётом расположения глубоководных впадин и горных систем. Высоты и глубины в километрах

У меня есть свой вариант гипсометрической кривой, отражающий эту закономерность: высокие горы расположены сравнительно близко к океанам. Такова ещё одна географическая загадка. График наводит на мысль о возможности существования круговорота литосферы на границе континента и океана. Эту идею нам ещё предстоит обсудить.

…Географы давно перешли от описания Земли к её изучению. Принято считать, что в их ведении находятся процессы, происходящие на земной поверхности, в почве, морях и океанах, в атмосфере, а каменную плоть планеты исследуют геологи.

В действительности не получается так просто. Извергаются вулканы, сотрясается земная поверхность, врываются на берег цунами. Невозможно постичь такие явления, не учитывая то, что происходит в недрах планеты. А геологи, обдумывая динамику каменной тверди, подчас забывают о том, что она может зависеть от процессов, происходящих на земной поверхности.

Так сложилось исторически. Первые геологи были горняками, минералогами, палеонтологами. Они исследовали каменную твердь, оставляя жизнь земной поверхности в распоряжении географов. А те, в свою очередь, мало интересовались жизнью земной коры, предоставив это занятие геологам. Отчасти так продолжается до сих пор.

Гипсометрическая кривая вынуждает задуматься: почему поверхность Земли ступенчатая? Почему рельеф дна Мирового океана как бы зеркально отражает рельеф суши? Почему на планете нет гор выше 9 км? Почему наиболее глубок океан на границах с континентами или островными дугами? Почему глубоководные желоба не заполнены осадками?..

Внешность нашей планеты выразительна и загадочна.

Почему различны полушария Земли?

Признаки геологической активности Земли ослабевают ниже 500–600 км, редко больше (менее чем на десятой доле радиуса планеты). Это неудивительно, если учесть действие гравитации. Глубины Земли как будто показывают явное стремление к равновесию, к радиальной симметрии.

Если бы в приповерхностных зонах господствовали глубинные или космические силы, то диссимметрия Земли не должна была бы проявляться резко, а отклонения от равновесия определялись вращением или космическим положением планеты.

Иная ситуация на земной поверхности и в земной коре. На одном полушарии планеты преобладает океан, на другом – континенты. Почти всегда на противоположной стороне планеты против океана находится континент (или прибрежная шельфовая зона и континентальный склон, части его). На Северном полюсе – океан, а на южном – континент. В Северном полушарии преобладает суша, а в Южном – акватория.

Устойчивое нарушение симметрии (диссимметрия) характерно для живых организмов. Геометрически законченная, близкая к совершенству структура кристалла не предполагает дальнейшего развития. Как говорил французский физик Пьер Кюри: «Диссимметрия творит явления». Другой выдающийся физик Эрвин Шрёдингер называл живой организм апериодичным (незавершённым) кристаллом, а потому способным к развитию. В этом наша планета подобна живому существу.

Какая сила сохраняет диссимметрию Земли? По мнению В.И. Вернадского – живое вещество, которое вводит «в физико-химические процессы земной коры световую солнечную энергию». Поэтому «слои планеты – глубже 1000 км… никоим образом не проявляются в каких бы то ни было геологических явлениях».

Диссимметричен и наш мозг: одно полушарие преимущественно рассудочное, другое – эмоциональное (в упрощённой схеме). На планете системой памяти и активной переработки информации являются континенты. Хотя и в мозге, и на планете функции полушарий частично перекрещиваются.

Континентальная кора более мощная, пёстрая по составу, разбитая разломами на сравнительно небольшие подвижные глыбы и блоки. Океаническую кору можно разделить на огромные, более или менее плоские, сравнительно однородные плиты. Гигантская масса осадочных горных пород и их производных (в частности, гранитов), а также месторождений полезных ископаемых на континентах связаны с деятельностью живых организмов. Именно они устойчиво поддерживают диссимметрию, насыщая континентальную каменную оболочку солнечной энергией. Мировой океан тоже поглощает солнечную энергию. Но она идёт почти исключительно на нагревание воды и воздуха, то есть на самые простые нужды. Так распределяются функции полушарий Земли. Почему так получилось?

Океаническое и континентальное полушария Земли.

На графике показана доля океанов и континентов на разных широтах.

Внизу – двойники кристаллов. Кристаллы бывают «правыми» и «левыми», их количество в земной коре одинаково; у них, в отличие от живых организмов, отсутствует диссимметрия, устойчивое нарушение симметрии

Есть несколько вариантов. Одни считают, что сначала всюду был океан, затем появились зародыши континентов. Другие утверждают, что прежде преобладала суша, а океаны появились около 160 миллионов лет назад. Есть версия, что все океаны сравнительно молоды, имеют разный возраст, а возникли в результате движения литосферных плит.

Не исключено, что впадина Тихого океана возникла, когда при формировании Земли под действием центробежных сил от неё отделилась огромная масса вещества, образовав Луну. Гипотезу обосновал сын Чарлза Дарвина астроном Джордж Говард Дарвин в 1878 году. Она пережила период популярности, затем критики. Но когда выяснилось сходство пород Луны и верхней мантии Земли, её снова реабилитировали.

Каждая из этих идей более или менее убедительно обоснована и так же раскритикована. В науках о Земле так бывает нередко. Одна из причин в том, что земная природа индивидуальна во всех своих проявлениях, от отдельного кристалла или цветка до горных систем и ландшафтов. Все регионы своеобразны по строению, истории, геохимии. Они изменчивы и в пространстве, и во времени.

Восстановить и сопоставить этапы развития разных регионов нелегко. Слои осадочных пород не только накапливаются, но и разрушаются, морской режим много раз сменяется континентальным, на месте впадин начинают воздыматься холмы и горы.

Представители «точных» наук имеют дело с типовыми объектами и явлениями. Можно провести опыты, подтверждающие или опровергающие гипотезу. В таких случаях математический метод работает отлично, результаты получаются более или менее однозначными.

В жизни Земли решающую роль играют химические процессы. Так жизнедеятельность организма лишь в самой примитивной схеме можно изобразить в математической форме. Ведь речь идёт о сложнейших – вплоть до квантового уровня – химических реакциях и превращениях. То же относится и к процессам в области жизни – Биосфере, – где живые организмы выполняют важнейшие функции.

В науках о Земле многое зависит от региона, который берётся за основу исследования. У специалистов, изучающих континенты, складывается система взглядов не всегда совпадающая с идеями исследователей океана. Отсюда и противоречивые взгляды на природу. К тому же она временами преподносит сюрпризы исследователям.

До середины прошлого века учёные были уверены, что Мировой океан не менее древнее образование, чем континенты. Бурение дна океана неожиданно показало: здесь нет осадочных слоёв старше 160 миллионолетий! Неужели океан так молод? Хотя, по материалам палеогеографии, он существовал многие сотни миллионов лет.

Странная ситуация. Нет сомнений, что Мировой океан существовал более миллиарда лет. В монографии отечественных специалистов по палеогеографии «Климат в эпохи крупных биосферных перестроек» (2004) сказано: «Тихий океан представлял собой в раннем мелу обширный глубоководный бассейн по размерам несколько больше современного». В книге даны географические карты разных геологических эпох. Там везде присутствует Мировой океана, а материки временами объединяются или расходятся в разные стороны.

Не менее убедительны сведения об осадочных породах, полученные драгированием и бурением дна Мирового океана. Сравнительно молодые (по геологическим масштабам времени) осадки залегают на древнем базальтовом основании. Как совместить эти факты?

Другая особенность дна океана: здесь нет гранитного слоя, распространённого на континентах. В.И. Вернадский объяснил: «Причину отсутствия гранитной оболочки под Тихим океаном нужно искать не в глубинных проявлениях планеты, не в связи с… движениями дна Тихого океана, не в связи с историей Луны… как некогда входившей в состав вещества Земли на месте Тихого океана, как думают астрономы, но надо искать причину этого явления в геологической истории континентов».

Можно по-разному относиться к подобным высказываниям пусть даже весьма авторитетных учёных. Но в данном случае есть о чём задуматься. Литосфера континентов несравненно сложней по составу и структуре, чем подобная плитам тонкая кора дна океана. Почему на базальтовом ложе Мирового океана залегают осадки, но не образовалась хотя бы тонкая корочка гранитных пород, столь характерных для континентов?

По моему мнению, главная причина в том, что дно океана закрыто от воздействия лучей Солнца мощным пластом воды. Вдали от берегов глубины океана пустынны. Животный и растительный мир здесь скуден.

Именно лучистая энергия движет геохимические круговороты, которые активно преобразуют поверхность континентов. В эти круговороты вовлечены атмосфера, природные воды, живые организмы. Происходит не просто разрушение горных пород. Они дробятся, перерабатываются, насыщаются энергией, обогащаются химическими элементами. Погружаясь в недра Земли, они испытывают сложные превращения (метаморфизм разных видов), а затем снова выходят на поверхность для нового цикла переработки.

Существующие теории Земли не дают сколько-нибудь убедительных объяснений диссимметрии нашей планеты и обособления со временем континентов и океанов. Хотя некоторые идеи на этот счёт имеются. Например, на основе модной в наше время глобальной тектоники плит литосферы (ГТП). Но это – тема спорная, и её следует изложить подробно. Сначала постараемся ответить на простой вопрос:

Чем объяснить разнообразие рельефа?

Почему существуют возвышенности и низменности? Почему горы вытягиваются грядами, а реки текут в определённых направлениях? Почему на суше есть впадины озёр и морей, а в океане – глубоководные желоба?

Такие вопросы задавали себе люди с древнейших времен. Легенд придумано много. По мнению ненцев, бог Нум сотворил землю ровной. Но великан Мамонт рыл её своими клыками, продавливал своими тяжеленными ступнями. Накопал множество холмов и впадин. Бог Нум рассердился на Мамонта и поселил его навеки под землю.

Греческий философ Аристотель два с половиной тысячелетия назад высказал мудрую мысль: «Море приходит туда, где прежде была суша; суша вернётся туда, где теперь мы видим море». Римский географ Страбон отметил колебания земли медленные, охватывающие острова и даже континенты, и быстрые, сотрясающие земную твердь.

В Средние века философы предпочитали обходить эту тему, чтобы не войти в противоречие с библейскими преданиями. Редкие мыслители высказывали трезвые мнения, выработанные в результате пристального изучения природы. Леонардо да Винчи считал, что земная поверхность временами оседает – то там, то тут. Оставшиеся части и есть горы.

Немецкий горняк и геолог Агрикола придавал большое значение разрушительной деятельности рек. Флорентиец Николаус Стено был убеждён, что после ухода моря в недрах суши образуются пустоты. В них проваливаются горные породы, изгибаясь и трескаясь. Затем снова наступает море, отлагая ровные слои, и снова, после его ухода, слои обрушиваются в подземные пустоты.

Немецкий философ и учёный-энциклопедист Лейбниц предполагал: раскалённая в прошлом Земля застывает неравномерно. Горы – будто морщины планеты. Как сохнущее яблоко, как лицо старика, как шар, испускающий воздух, Земля постепенно сжимается, покрывается всё новыми складками, коробится всё новыми хребтами.

Эволюция геосинклинали (сверху вниз)

…Двести пятьдесят лет назад академик Паллас путешествовал по России, изучая её растительность, воды, земли и полезные ископаемые. На берегу Волги, возле Самары, ему рассказали любопытную историю.

По преданию, некогда здесь, среди лесистых холмов и серых береговых обрывов, проходило неисчислимое войско. Устроил полководец привал. И велел каждому воину принести и ссыпать в одно место полную шапку земли. Вырос огромный холм. Прозвали его «Царёв Курган».

Паллас решил проверить сказку. Пошёл на гору, осмотрел её. И высказал своё мнение: «Она, к опровержению сей небылицы, состоит из таких больших диких камней, которые ни в какую шапку не вместятся и никакой воин их нести не сможет». Округлость холма, будто нарочито приданная ему, объясняется просто: «Сей холм бесспорно от прочих гор отделён рекой Соком и сделался круглым от наводнений».

Да что там говорить о суевериях неграмотных крестьян! Известный философ и писатель Вольтер находки раковин вдали от моря, в горах, объяснял тем, что это – сувениры и украшения, которые приносили с собой паломники из святой земли. С помощью этой небылицы Вольтер хотел опровергнуть священные легенды.

Продуманные обоснованные ответы на происхождение рельефа Земли удалось найти сравнительно недавно, в XVIII веке. До этого наиболее популярной идеей была катастрофическая: прокатился по земле Всемирный потоп, где-то нагромоздив горы, а где-то промыв долины. Моря и озёра – это следы, оставшиеся от него.

Однако одним потопом всего не объяснишь. В вулканических районах можно наблюдать, как меняется облик гор после извержений вулканов, как вырываются из недр камни и чёрные облака пыли, изливается огнедышащая лава. Мощные землетрясения тоже свидетельствуют о том, что на земную поверхность воздействует не только вода, но и внутренний жар планеты.

Какая из этих двух сил преобладает? Естествоиспытатели разделились на два противоборствующих лагеря: на нептунистов, сторонников Всемирного потопа, и плутонистов, сторонников подземных огненных сил.

В середине XVIII века М.В. Ломоносов одним из первых (если не первый) предположил, что существование Земли исчисляется миллионами лет и за такие сроки даже медленные изменения её поверхности могут иметь значительные последствия. Но он высказал только самые общие соображения, которые тогда никто не принял во внимание. Более определённо он не мог утверждать, ибо по церковным канонам от Сотворения мира прошло немногим больше шести тысячелетий.

Во Франции в начале XIX века Жорж Кювье доказывал существование катастрофических эпох на Земле, когда резко меняются климатические зоны, быстро воздымаются горы, вымирают многие виды животных и растений. В то же время он отметил, что происходят и медленные подъёмы и опускания земной коры, в результате которых моря то накатываются на сушу, то отступают.

В Англии Чарльз Лайель предложил обходиться без гипотезы катастроф. Он подчеркнул: многие из тех, кто пытался объяснить происхождение земного рельефа, заблуждаются от того, что недооценивают огромную длительность геологических эпох. События, растянутые на сотни миллионов лет, они пытаются уложить в считаные тысячелетия, а потому вынуждены выдумывать невиданные катастрофы.

Лайель доказал, что на планете преобладают вертикальные движения земной коры. Он упомянул и о возможности горизонтальных перемещений материков. Только так, по его мнению, можно объяснить существование на Земле тёплых и ледниковых эпох.

Но почему земная кора не остаётся в спокойном состоянии? Чем вызваны её движения? Французский учёный Эли де Бомон разработал гипотезу контракции, сжатия Земли от общего охлаждения. При этом, как на поверхности высыхающего яблока, должны образоваться «морщины», складки. Такую мысль ещё раньше высказывал Жорж Бюффон, исходя из своей гипотезы первоначально раскалённой планеты.

В середине XIX века австрийский геолог Зюсс чётко разделил горизонтальные и вертикальные движения земной коры и создал учение о геосферах и их взаимодействии.

Американский учёный Джемс Дэна разработал учение о геосинклиналях – зонах устойчивых прогибов земной коры. Когда слои горных пород погружаются на значительную глубину, они начинают сминаться и раскалываться под действием высоких температур и огромных давлений, образуя горы. Дана считал, что происходит это из-за контракции. Другой американский учёный, Джемс Холл, предположил, что кора прогибается под тяжестью накапливаемых осадков.

Идея геосинклиналей появилась потому, что в таких зонах было установлено скопление толщ осадочных пород большой мощности, смятых в складки и прорванных вторжениями (интрузиями) магматических пород. Мысль парадоксальная: горы возникают там, где прогибалась земная кора.

Устойчивые территории между геосинклиналями получили название платформ. Здесь активные движения коры закончились сотни миллионов лет назад. С той поры преобладали спокойные поднятия и опускания на сравнительно небольшую высоту, подобные волнам, движущимся необычайно медленно.

Австрийский географ и геофизик Альфред Вегенер в начале ХХ века обосновал оригинальную теорию перемещения континентов по горизонтали на тысячи километров. Её назвали теорией дрейфа (пассивного плавания) материков. Движение происходит по ослабленному пластичному слою астеносферы и напоминает перемещение айсбергов. Теорию геосинклиналей Вегенер признавал.

Чуть позже немецкий учёный Хильгенберг выдвинул гипотезу расширения Земли. Она объясняла причины загадочного перемещения материков, хотя оставляла открытой ещё более таинственную проблему: почему планета раздувается, как растущий плод?

Советский учёный Б.Л. Личков развивал катастрофическую гипотезу Кювье и теорию Вегенера. Он подчёркивал важную роль космических сил, изменяющих фигуру Земли (при вращении нашей Галактики).

Ответить на вопрос о разнообразии земного рельефа можно в общем виде так: сказывается действия внутренних сил планеты и внешних не только действующих на её поверхности, но и космических. Впрочем, последние могут влиять главным образом на фигуру Земли.

В середине XX века группа американских геофизиков предложила гипотезу горизонтального перемещения не материков, а гигантских плит литосферы. Идею подхватили сначала некоторые специалисты, а затем популяризаторы науки. Сейчас эту теорию изучают в школах и институтах, называя глобальной тектоникой плит (плитотектоникой). На схемах она выглядит просто, наглядно и убедительно.

Другая привлекательная черта: возможность объяснить многие явления одной причиной (так было с гипотезой Всемирного потопа). Почему громоздятся горы? Потому что здесь сталкиваются плиты литосферы. Почему существуют подводные горы и ущелья между ними? Потому что здесь растягивается и лопается земная кора из-за движения плит. Почему глубоководные желоба находятся на океанических окраинах, а не в центре океанов? Потому что здесь одна плита подползает под другую…

Возникают вопросы: почему движутся плиты литосферы? Почему они наползают одна на другую или ныряют в мантию Земли? Почему в одних случаях при столкновении плит возникают высокие горы, а в других – глубокие впадины? Убедительных ответов нет. Есть дополнительные гипотезы. Хотя если в научной концепции много гипотез, её приходится принимать на веру.

Проблема движения материков (по другой версии – плит литосферы) важна для многих наук о Земле. Это геотектоника («тектос» по-гречески – «строение»), изучающей структуру и динамику земной коры; геоморфология, изучающая формы рельефа и их происхождение; палеогеография (историческая геология). Ещё в середине ХIХ века Чарльз Лайель полагал, что глобальные изменения климатов Земли можно объяснить перемещением материков.

Головоломка ГТП

Ныне считается, что глобальная тектоника плит литосферы (ГТП) объясняет суть динамики Земли. Советский геолог академик В.Е. Хаин так объяснял её суть: «Литосфера, состоящая из коры и непосредственно подстилающей её верхней части мантии, разделена на крупные плиты, движущиеся в горизонтальном направлении со скоростью 20 сантиметров в год и на расстояния в тысячи километров. Плиты расходятся, сближаются, скользят относительно друг друга, и именно на их границах рождаются горы, происходят землетрясения и вулканические извержения, образуются рудные месторождения, залежи нефти и газа».

Правда, скорость плит нигде вроде бы не превышает 10 см/год, а многие горы, так же как крупные рудные месторождения и залежи горючих ископаемых, находятся вдали от предполагаемых границ плит (Западно-Сибирский нефтегазовый регион, редкие и драгоценные металлы Забайкалья, Курская магнитная аномалии и т. д.).

Но это, как говорится, детали. В общем, описана простая механическая система, которая якобы порождает не только горы и вулканы, но даже месторождения разнообразных полезных ископаемых. Хаин считал, что «произошла настоящая научная революция» (первым это провозгласил американский геолог Э. Хэллем).

Можно было бы порадоваться такому решительному прорыву научной мысли. Но возникают сомнения. Сторонники этой теории утверждают, что развивают идеи немецкого геофизика Альфреда Вегенера. Это неверно. Он создал концепцию перемещения материков и островных дуг, подчёркивая принципиальную разницу литосферы континентов и океанов. ГТП этого не учитывает. Она соединяет их в пределах плит.

Горизонтальное перемещение материков предполагал «отец геологии» Чарльз Лайель почти двести лет назад. При этом он отдал приоритет вертикальным движениям земной коры. Сотни тысяч геологов, изучившие континенты, пройдя их вдоль и поперёк, убедились в правильности его выводов. Теория Вегенера тоже учитывает вертикальные движения земной коры, определяющие строение и развитие континентов. Впрочем, она не претендовала на статус глобальной тектоники.

Геофизики Р. Дитц, Г. Хесс, Д. Мэтьюс, С. Ранкорн и некоторые другие попытались по данным морской геологии объяснить развитие основных форм рельефа. В предисловии изданного у нас в 1966 году сборника «Дрейф континентов» геолог Е.Н. Люстих отметил: «Гипотеза дрейфа стала ведущей за рубежом не столько благодаря глубоким научным исследованиям её сторонников, сколько в результате настойчивой шумной пропаганды».

С тех пор ГТП ещё более укрепила свои позиции во всём мире, вошла даже в школьные учебники, на неё постоянно ссылаются, словно она внесла луч света во тьму земных недр. И это, пожалуй, главная её загадка. Почему так популярна плитотектоника, несмотря на то что она вызывает большие сомнения и не оправдала тех ожиданий, которые с ней были связаны?

Как она объясняет то, что в океанах небольшой осадочный слой не старше 160 миллионов лет? Тем, что в некоторых зонах плиты дна океана «поддвигаются», подныривают под континент. Этот гипотетический процесс назвали субдукцией (в науке иной раз термин подменяет смысл). Но как сравнительно лёгкие осадки погружаются в более тяжёлую и плотную мантию вопреки закону Архимеда?!

Нет ответа. Не представлены никакие расчёты, подтверждающие возможность столь странного процесса.

Что должно происходить там, где одна гигантская каменная плита движется на другую и вторгается в более плотные массы под ней? Мощные силы трения и давления должны сминать и дробить осадочные слои, состругивать их с океанической коры.

В зонах «субдукции» нет этого, словно трения не существует. Если одна плита подныривает под другую, на этом месте должна увеличиться толщина земной коры и образоваться поднятие. А здесь находятся глубоководные желоба, и в них спокойно залегают осадочные породы!

Эти факты опровергают глобальную тектонику плит.

Чтобы как-то объяснить движение плит, придумана гипотеза круговоротов сверхплотного вещества мантии. Их обнаружить так и не удалось, а гипотеза, основанная на гипотезе, вдвойне сомнительна.

Схема образования гор при столкновении плит

Геофизик Н.И. Павленкова обработала данные сейсмического зондирования глубоких недр до глубины 700 км, полученные по результатам землетрясений и ядерных подземных взрывов. Не подтвердилось чёткое деление на монолитную каменную оболочку и нижележащую пластичную или текучую астеносферу. Видны сложные структуры, не похожие на плиты, плавающие на полужидком субстрате.

Под континентами прослеживаются «корни», уходящие на глубину до 400 км, чего нет под океанами. По словам Н.И. Павленковой: «Не обнаружено признаков конвективных круговоротов в мантии, предполагаемых плитотектоникой. Вместо них – слоистая структура».

В науке практика обычно является критерием истины. Но тогда поклонники ГТП должны были бы испытать глубокое разочарование: за полвека её господства не улучшились прогнозы землетрясений и цунами, не открыты месторождения полезных ископаемых.

Странно, что академик Хаин утверждал, будто горы возникают из-за столкновения плит. Как геолог, он должен был знать, что это не отвечает реальности. Однако, приняв как истину ГТП, он увлёкся её пропагандой, пренебрегая критическим анализом.

Горные страны нередко занимают огромные территории, достигая в поперечнике сотен километров. У них сложное, но вполне закономерное геологическое строение, а растут они в зонах преимущественного растяжения земной коры. Поэтому там залегают мощные осадочные и метаморфические толщи, нередки вулканы, а в центральных зонах обнажаются наиболее древние породы.

При лобовом столкновении гигантских каменных плит образовался бы хаос раздробленных скал, «перемолотых» чудовищным сжатием. Ничего подобного в горных странах нет. Достаточно не полениться и взглянуть на геологические карты и профили. (Мне довелось работать в Сванетии; там в горных породах Кавказского хребта преобладали силы растяжения.)

Схема субдукции. На месте столкновения плит не горы, а впадина

…Теории в науках о Земле – не просто упражнения для ума. Они тесно связаны с практикой. Можно случайно обнаружить месторождение полезного ископаемого. Но за недолгий срок обнаружить и разведать крупные месторождения в сложных природных условиях можно только на основе науки. Наша страна в прошлом веке показала непревзойдённые примеры успешного сочетания мысли и дела.

До Гражданской войны большинство полезных ископаемых в Россию ввозили из-за рубежа. Затем страна оказалась в блокаде и вынуждена была обходиться в основном своими природными и интеллектуальными ресурсами. В кратчайшие сроки наши геологи обследовали огромные, преимущественно труднодоступные территории. Были открыты тысячи месторождений разнообразных полезных ископаемых.

Нелепо думать, будто эти достижения сделали бродяги-романтики, которые едут «за туманом и за запахом тайги». Всё, что лежит на поверхности, давно учтено. Да и мало только обнаружить месторождение. Требуется разведать его, подсчитать запасы руды, выяснить её качество, условия залегания и разработки.

В СССР геологическими поисками руководили выдающиеся учёные, и достижения были грандиозными: Курская магнитная аномалия, золото Колымы, алмазы Якутии, редкие металлы Забайкалья, урановые Средней Азии, калийные соли Белоруссии, нефть Татарии, газ и нефть Западной Сибири… Нигде в мире не было сделано ошеломляюще быстро столько крупных открытий!

В 60-х годах энтузиасты глобальной плитотектоники уверяли, что их разработки дадут большой практический эффект. Результат нулевой. Нет ни открытых месторождений, ни успешных прогнозов землетрясений и цунами, наносящих колоссальный урон.

…Во второй половине ХХ века учёные продемонстрировали печальное единомыслие в разных областях знаний. Они предпочитают проторённые пути научной мысли, умозрительные схемы, избегая творческих исканий и пренебрегая реалиями удивительного мира, создавшего и пронизывающего нас.

Глобальная тектоника плит направила мысли и дела многих представителей наук о Земле по ложному пути. Она оказалась бесплодной. То, что придумана такая теория, – нормально. На то и наука, чтобы выдвигать и разрабатывать разные идеи. Но ещё требуются убедительные доказательства, сомнения, проверки и перепроверки на фактах.

Почему же ГТП приобрела такую популярность? Ответ на этот вопрос важен не только для развития наук о Земле, но и для понимания современного господствующего мировоззрения.

Очевидна сила и влияние электронных средств массовой рекламы, агитации, пропаганды (СМРАП). Оказывается, успешная реклама важна не только в торговле. Критиковали глобальную тектонику плит главным образом советские специалисты (хотя первыми критиками были американские геологи), а с развалом СССР их стали считать ретроградами.

Отказаться от ГТП не так-то просто после того, как ей были посвящены тысячи научных работ, прочитаны миллионы лекций. У немногих учёных хватает мужества признать свои заблуждения. Чем больше рекламируют эту концепцию, тем меньше желающих её критиковать.

Привлекательность глобальной тектоники литосферных плит в том, что она предлагает простую и наглядную модель динамики литосферы. Многих учёных завораживает эта наглядность и простота.

Понять их можно. В науках о Земле бесчисленное множество самых разнообразных фактов и сведений, связанных с биологическими, астрономическими, химическими и физическими науками. Если уподобить факты кирпичам и блокам разной формы, станет ясно, как трудно выстроить из них добротное прочное здание научной теории. Проще всего выбрать кирпичи-факты более или менее одинаковой формы и без особых забот и головоломок выстроить «теоретическое сооружение» красивое, но имеющее лишь косвенное отношение к сложной и противоречивой реальности. В таких случаях наиболее эффектно выглядят механические наглядные модели.

Такова разгадка необычайной популярности глобальной тектоники плит литосферы. Какая от неё польза? Она обобщила сведения, добытые исследователями морского дна, пробудила интерес к моделированию динамики литосферы. К сожалению, при этом не учитываются достижения исследователей континентов и не осуществлён синтез знаний.

Интересную мысль высказали английские географы П. Хаггет и Р. Дж. Чорли: «Все модели приходится улучшать по мере поступления новых данных или с открытием новых перспектив. И чем удачнее была построена первоначальная модель, тем более вероятно, что подобные улучшения приведут к появлению совсем новой модели».

Какая новая модель может сменить ГТП? Мне кажется, наиболее перспективна разработка идеи А. Вегенера о движении материков (не плит, включающих материковую и океаническую литосферы!). Это приводит к моделям круговоротов литосферы (не мантии!), а также изодинамики.

При этом, конечно, не следует идти по стопам легендарного злодея Полипемона по прозвищу Прокруст. Древнегреческая легенда гласит, что он изготовил два ложа. Предлагая путникам ночлег, он низких укладывал на длинное ложе и растягивал их, разрывая. Высоким предлагал короткое ложе и отрубал им ноги или головы по мерке.

Научная модель, как бы ни была она хороша, не может полностью отражать реальность. Пользоваться такими моделями удобно. Но всегда есть риск, попав под их обаяние, начать мысленно «урезать» реальные сложнейшие природные объекты, чтобы они укладывались в данную схему. Подгонка под готовый ответ даёт лишь иллюзию решения задачи.

Модель для Земли

Научная модель (от латинского «модулюс» – «образец, подобие») служит для упрощения реальности. Моделью может быть система формул, схема, график, карта, механическая конструкция, макет. Для доказательства теории относительности А. Эйнштейн придумывал мысленные опыты-модели, в действительности невозможные.

С появлением компьютеров учёные стали активно разрабатывать математические модели географических объектов. Научные модели обрели наглядность и популярность.

Английские географы П. Хаггет и Р. Дж. Чорли поясняют: «Модели призваны быть тем мостом, который перебрасывается над пропастью между наблюдениями и теорией. Сфера их действий – упрощение, упорядочение, конкретизация, экспериментирование, облегчение практической деятельности, обобщение вплоть до глобального масштаба, разработка теории и объяснение явлений реального мира. Одной из главных функций модели следует признать её психологическое воздействие, поскольку она позволяет вообразить или постичь целую группу явлений, которые иначе остались бы для нас непостижимыми из-за их огромных масштабов или сложности».

Однако увлечение моделированием природных объектов и явлений таит серьёзную опасность: потерю реальности. На примере ГТП (глобальной тектоники плит литосферы) видно, как привлекательная своей простотой и элегантностью модель способна вводить в заблуждение учёных. В таких случаях моделирование становится чем-то вроде интеллектуальной компьютерной игры.

П. Хаггет и Р. Дж. Чорли пришли к выводу: «Успешное применение моделей в географии отнюдь не приблизит нас к метафизической цели полного понимания, ибо развитие науки не только не уменьшает число проблем, подлежащих решению, а, напротив, увеличивает его».

Надо, чтобы наше понимание природы и самих себя прояснялось, а не затуманивалось нагромождением всё новых проблем.

Самое главное и сложное – понять, в каких случаях и какие модели полезны, а в каких вредны. По-видимому, наиболее простое их разделение – на механические и органические. Первые сравнительно легко перевести в математическую форму. Вторые подобны литературному сравнению.

Механические модели превосходно показали себя при изучении движения крупных небесных тел по закону гравитации, всемирного тяготения. Это породило мнение, будто язык математики – универсален для мироздания вообще и в частностях. Внедрение в Биосферу машин укрепило такое мнение.

Столетие назад Максимилиан Волошин выразил демоническую завораживающую и опасную суть такого мировоззрения:

В виде механической модели можно представить что угодно, вплоть до живого организма или духовной структуры личности. Таков логичный инженерный или физико-математический подход к решению задач. Всё зависит от сути задачи и цели решения. Можно создать физико-математическую модель человека. Получится робот. Можно создать художественную (образную) модель робота. Получится подобие человека.

Испанский философ Х. Ортега-и-Гассет отметил: «Человеческое ускользает от физико-математического разума, подобно воде, вытекающей из решета».

Часто используют моделирование в экономической географии. Например, для оптимального размещения промышленности, рациональной планировки городов и т. д. Для теоретических изысканий это полезно. На практике в условиях частной собственности на средства производства, на землю ситуация становится тупиковой. Не исключено, что географическое моделирование на практике чаще и успешнее всего используется для военных целей.

В СССР один из первых опытов локального географического моделирования с помощью компьютера провела в 1961 году группа учёных под руководством Н.Н. Моисеева (впоследствии академика). Они разработали программу оптимального следования грузовых машин одной из автобаз Москвы. За три месяца работы по научной модели одни плановые показатели у автобазы улучшились, другие ухудшились, а в целом, как признался Н.Н. Моисеев, «наша автобаза очутилась в глубочайшем прорыве».

Теоретически всё было сделано корректно. Вмешались факторы, которые трудно или невозможно учесть: дорожные происшествия, психология и личные интересы водителей, скорость загрузки и разгрузки материалов, погодные условия… Короче говоря, даже на таком узкоограниченном пространстве и с одним предприятием реальная ситуация оказалась слишком сложной.

Математические модели наиболее успешно применяются в технике и физике. От них принципиально отличается география как естественная наука. Приходится учитывать конкретные условия на данной территории, в данной стране.

Может показаться, что применение моделей наиболее сложно в экономической географии, где большое значение имеют не только экономические, но и политические, демографические факторы, народные традиции, природные условия. Хотя в действительности именно географы-экономисты успешно пользуются физико-математическими моделями.

Вверху – схема движения плит литосферы, внизу – схема эскалатора.

Механика эскалатора понятна, а плит – сомнительна

В этом случае главными ориентирами являются общество и техника. Поэтому можно оперировать более или менее точными статистическими и техническими показателями. Но и в таком случае, как показывает пример группы Н.Н. Моисеева, могут быть серьёзные проблемы.

Для наук о Земле первое и главное – изучить объект. Что это значит?

Вот река. Можно жить возле неё годами, купаться в ней, плавать на лодке, ловить рыбу. Означает ли это, что эту знакомую нам реку (озеро, а тем более море) мы изучили? Нет, конечно. Требуется ещё очень многое узнать о ней. Химический состав и свойства воды, которые со временем могут меняться. Характер её дна и берегов; скорость течения – на разных участках реки и в её поперечном разрезе; общий объём речной воды и его изменения.

Надо бы выяснить, где истоки реки, какие у неё притоки, куда она впадает. Как происходит её питание поверхностными и подземными водами – по сезонам? Кто обитает в реке – от мельчайших микробов до крупных водорослей, беспозвоночных, рыб и млекопитающих? Как меняется режим реки в течение года и за многолетний период? Какие отложения залегают в её русле и в берегах? Как используют люди эту реку? Не загрязняют ли её промышленные, сельскохозяйственные и бытовые отходы? Какая у неё история и как она менялась за многие тысячи лет геологической истории?..

Вопросов много, и на них надо найти убедительные ответы. Справится ли один человек с такой задачей? Если и справится, то с большим трудом и за долгие годы. Ему придётся использовать работы других исследователей.

Целесообразно объединить усилия многих специалистов. Одни будут определять минералы, изучать горные породы, речные отложения и строение земной коры, восстанавливать геологическую историю данной территории. Другие будут исследовать поверхностные воды, третьи – подземные, четвертые – речных обитателей, пятые составят карты речной долины, шестые проведут химические анализы, седьмые произведут промеры глубин… Нужны приборы, лабораторные анализы, отборы проб воды (наземной и подземной) и атмосферных осадков, исследования берегов, составление таблиц, графиков и карт…

А ведь речь идёт лишь об одном из великого множества природных объектов. Они обычно состоят из других сложных объектов, а также взаимодействуют между собой.

Собранные сведения требуется тщательно проверить. Надёжные проверенные сведения называются фактами. Предположение, основанное на фактах, но не имеющее веских доказательств, называется гипотезой (в переводе с греческого – «предположение»). Можно придумать небылицы про реку: про бездонные омуты, страшных речных чудовищ, утопленников и русалок. Всё это будут фантазии, а не наука.

Приходится писать об этом, потому что за последние десятилетия даже учёные порой стали забывать о требованиях научного метода и его отличиях от религиозного и философского познания.

Чётко сформулированная, убедительно доказанная, не противоречащая фактам научная идея называется теорией (от греческого «исследую»). Теорий значительно меньше, чем гипотез. В «точных» науках, когда речь идёт о сравнительно простых взаимосвязях относительно простых объектов, теории надёжно обоснованы. Хотя новые факты или идеи могут их уточнить или опровергнуть.

В науках о природе гипотез и теорий особенно много из-за обилия фактов и чрезвычайной сложности объектов. Здесь теории более зыбки, менее долговечны и нередко противоречивы. Со временем их уточняют, проверяют, изменяют до тех пор, пока не обозначится самая убедительная, чётко выраженная и надёжно доказанная концепция. Но и она со временем может не устоять под напором новых идей и фактов.

Не всегда широкую популярность обретают наиболее верные теории. С распространением электронных средств массовой рекламы, пропаганды и агитации (СМРАП) судьба научных концепций во многом зависит от активности популяризации. При современной узкой специализации учёных они вынуждены склоняться к мнению, поддержанному авторитетными личностями.

А ещё существуют идеи, обобщающие известные факты и не имеющие ни одного (на данный момент) опровергающего факта. Это эмпирическими обобщениями (от греческого «эмпирия» – «опыт»). Например, таблица Менделеева – это эмпирическое обобщение. Понятие о сферах Земли – тоже обобщение, так же как принцип «живое рождается от живого».

…Когда речь идёт об океане, в нашем воображении появляются образы бескрайнего водного пространства, свирепых штормов, огромных волн, мощных течений. В наше время учёные стремятся изобразить его в виде математических моделей. Одну из них разрабатывает группа российских специалистов под руководством академика А.С. Саркисяна.

Не всегда совпадают реальные данные на конкретный момент с теми, которые получены на модели. Так мощное течение Гольфстрим на модели имеет относительно постоянную скорость, а в реальности может порой меняться из-за вихревых потоков. Это сказывается на погоде, особенно в Европе. В то же время компьютерная модель помогает понять общие закономерности взаимодействия геосфер.

Модель Мирового океана даёт возможность уточнять среднесрочные прогнозы погоды в связи с взаимным влиянием атмосферы и океана. Для рыболовства важен прогноз смены течений и участков подъёма холодных вод (зон апвелинга), где повышается количество кислорода и планктона, а потому скапливаются морские животные.

Существуют глобальные модели, с помощью которых дают прогноз изменения климата в разных регионах земного шара.

Польза глобальных моделей очевидна. Невозможно представить себе целиком Биосферу или хотя бы природную зону. Когда размеры объекта велики, ни у кого не хватит воображения, чтобы воспроизвести его в своих мыслях. К тому же Биосфера, природная зона, ландшафт имеют невидимые глазом части (почвы, горные породы, подземные воды).

Исследования огромных природных тел и обобщение полученных сведений проводятся с использованием моделей. Среди них есть не только формальные, но и естественные модели, когда конкретный ландшафт принимают как подобие природной зоны, а остров в океане сопоставляют с Биосферой.

Проще всего, пожалуй, создавать глобальные модели. Они оперируют немногими огромными обобщёнными категориями: человечество, все живые организмы, техника, природные ресурсы.

В 1968 году в городе Риме итальянский промышленник, политик и учёный Аурелио Печчеи создал организацию, целью которой было изучение путей развития технической цивилизации в Биосфере – «Римский клуб». Выполнялись научные исследования и создавались математические модели изменений, происходящих с Биосферой под влиянием технической деятельности человека. С помощью таких моделей прогнозировали то, что может произойти в будущем. Общие результаты работы «Римского клуба» помогли прояснить печальную истину: техногенез на планете вытесняет живые организмы, разрушает естественные ландшафты, загрязняет область жизни отходами техники, истощает природные ресурсы. И это не просто общие слова и предположения, а результаты подсчётов, хотя и приблизительных, но весьма убедительных, основанных на фактах.

Учёные испробовали разные модели, и во всех случаях получалось, что продолжая так же относиться к окружающей природе, как теперь, нещадно расходуя её богатства ради удовлетворения главным образом необязательных потребностей в роскоши, а также нагнетая гонку вооружений, люди в ближайшие десятилетия или столетия истощат и загрязнят Биосферу. В конфликте с окружающей средой люди будут деградировать и вымирать.

Но никакие модели не дают ответа на главные вопросы: почему так происходит и как спасти Биосферу и род человеческий? Ведь самые важные вещи недоступны научным подсчётам: человеческий разум, совесть, милосердие, справедливость, добро (а также глупость и жадность, бессовестность и равнодушие). От них-то и зависит более всего судьба обитателей Земли. К таким выводам пришёл к концу жизни Аурелио Печчеи:

«Именно эти качества являются самым важным ресурсом человечества, сравнимым разве что с тем теплом, той энергией, которую так щедро посылает нам Солнце. И научиться использовать их на благо всех вместе и каждого в отдельности – вот тот новый важный рубеж, который предстоит преодолеть нашему поколению».

Это было написано в 1977 году. С той поры много воды утекло (а сколько загрязнилось!). А глобальные проблемы остаются и всё больше усложняются. Решить их не удаётся ещё и потому, что науки о Земле, в частности география, оттеснены на задний план физико- и химико-техническими науками. Люди перестают понимать природу. А без понимания её законов и безоговорочного их исполнения нельзя наладить с ней хорошие отношения.