Лекции по естественной географии - (реферат)

Рассмотрим внутриземные процессы, приводящие к выделению, трансформации или поглощению тепловой энергии. К первичным источникам энергии относятся: начальная внутренняя теплота Земли, обусловленная нагреванием при аккреции космических частиц из протопланетного облака, а также их начальным теплосодержанием; изменение потенциальной гравитационной энергии Земли в процессе плотностной дифференциации ее вещества; изменение кинетической энергии вращения Земли, что сопровождается превращением механической энергии в тепловую посредством приливного трения; высвобождение внутриатомной энергии при распаде радиоактивных элементов и поглощении Землей внешнего нейтринного потока. Помимо этих внутриземных источников энергии можно еще отметить энергию солнечного излучения, падающего на земную поверхность. Абсолютная величина этой энергии огромна: она в 10 тыс. раз превышает величину теплового потока из недр, составляя в среднем 340 Вт/м2, или 5, 5·1024Дж/год. Однако 40% этой энергии сразу же отражается от поверхности, остальная часть после ряда преобразований в атмосфере, гидросфере и биосфере преобразуется в более длинноволновое излучение, нагревающее эти геосферы, а затем практически полностью (98%) излучается обратно в космос. Лишь 2% этой энергии расходуется на разрушение коренных пород земной коры и превращение их в осадочные породы, а также накапливается в органическом веществе и в горючих полезных ископаемых. Таким образом, солнечная энергия в очень малой степени сохраняется на земной поверхности и в еще меньшей степени проникает в недра. Однако солнечная радиация определяет температуру поверхности и самого верхнего слоя земной коры, а это граничное условие для любых расчетов температурного состояния литосферы.

Температура земной поверхности периодически меняется, что связано с изменением интенсивности инсоляции. Например, в течение суток происходят суточные колебания температуры, в течение года - сезонные колебания, в течение геологических эпох - климатические колебания. Толщина слоя суточных колебаний составляет 0, 9-1, 2 м, т. е. распространяется только на почвенный слой, а сезонных - достигает 18-40 м. Подошва слоя сезонных колебаний называется "нейтральным слоем", а сам слой, где проявляется влияние солнечной радиации, названгелиотермозоной. Ниже гелиотермозоны располагается геотермозона- это слой, в котором проведены экспериментальные геотермические измерения. На глубинах ниже "нейтрального слоя" температура остается практически постоянной и не зависит от перемен, происходящих на поверхности под влиянием солнечной радиации.

Следует помнить, что представление об инвариантности температуры верно только для принятой точности нашей измерительной аппаратуры. Если точность аппаратуры увеличится на порядок, то толщину гелиотермозоны тоже придется пересматривать. Для проблемы определения внутренней температуры Земли и глубинных теплопотерь инсоляционные процессы не имеют значения. Можно принять, что в исторических масштабах времени температура оставалась неизменной, а в геологических менялась не более чем на 50°С.

На протопланетной стадии основным источником энергии являлась энергия аккреции холодного вещества протопланетного газо-пылевого облака. Высказанная в конце 40-х годов О. Ю. Шмидтом и Ф. Хойлом, эта гипотеза оказалась на редкость плодотворной не только при объяснении механизма образования планет, но также и при рассмотрении эволюции Земли на планетной стадии ее развития. Величина энергии аккреции огромна - 23·1031Дж. Часть этой энергии (примерно 15%) ушла на упругое сжатие вещества в земных недрах, но и оставшейся энергии было достаточно для разогрева Земли. По оценкам В. С. Сафронова, процесс формирования Земли длился 108лет, поэтому энергия аккреции не расплавила земное вещество полностью. Температура недр повышалась постепенно и достигла к концу протопланетного периода 1500°С на глубине 500 км в мантии. Таким образом, первичная энергия сыграла свою главную роль в младенческом возрасте планеты.

Вклад радиогенной энергии в общий энергетический баланс также оценивается по-разному. За первые 200 млн лет существования Земли практически полностью распались короткоживущие радиоактивные изотопы, выделяющие заметную долю тепла при распаде: 26Al, 10Be, 60Fe, 36Cl, имеющие период полураспада 106-107 лет. Заметно уменьшилось и количество долгоживущих изотопов: 87Rb, 115In, 148Sm, 235U, 238U, 232Th и 40К. Из перечисленных изотопов три последних дают основной вклад в современный тепловой режим, так как их энергия спонтанного распада в 103-104раз выше энергии распада остальных изотопов. Общий вклад радиогенной энергии составляет (0, 4-2, 0)·1031Дж. Выделение радиогенного тепла спровоцировало процесс гравитационной дифференциации геосфер, т. е. формирование внешнего и внутреннего ядра, мантии и земной коры.

Наибольшая энергия, выделившаяся за геологический период развития Земли, связана с процессом образования земного ядра. По оценкам разных авторов она составляет (1, 45-4, 60)·1031Дж. Пик выделения гравигенной энергии приходится, по-видимому, на период (2-3)·109лет тому назад, когда сформировались протоконтинентальные блоки, а затем доля гравигенной энергии падала, хотя сейчас, вероятно, она превышает величину радиогенной энергии.

Оценки энергии приливного трения дают значения (0, 3-0, 4)·1031 Дж. и согласуются в большинстве публикаций. Интенсивность выделения энергии каждым из источников менялась во времени. Так, выделение энергии за счет радиоактивного распада и приливного трения преобладало над энергией гравитационной дифференциации лишь на самых ранних этапах развития Земли. Но уже через миллиард лет после образования планеты ведущим энергетическим процессом становится процесс образования земного ядра и подчиненный ему процесс плотностной дифференциации мантии.

Эволюция термической истории Земли в начальный период представляется следующим образом. Интенсивное выделение аккреционной, приливной и радиогенной энергии, а также замедленность конвективного теплообмена привели к разогреву недр планеты, что могло вызвать плавление окислов железа. Они интенсивно начали тонуть в силу своей большей плотности по сравнению с силикатным веществом и образовали ядро Земли. Дифференциация ядра еще больше повысила температуру в недрах, что привело уже к плавлению базальтов и излиянию их на поверхность Земли, а также внедрению в верхние геосферы, где продолжился процесс дифференциации. Это обусловило расслоение мантии и образование литосферы, астеносферы, а в дальнейшем и земной коры.

Таким образом, в начальный период жизни планеты происходил ее разогрев, но с началом активных геологических процессов, т. е. 3, 7 млрд лет, гораздо интенсивнее стали происходить теплопотери, что привело к выравниванию скоростей теплогенерации и теплопотерь.

Генерируемая Землей энергия не сразу излучается в космос. Земля - это низкотеплопроводное тело, поэтому энергия с поверхности ядра, распространяемая кондуктивным путем, еще до сих пор не достигла поверхности Земли. Скорость распространения тепла, генерируемого в мантии, соизмерима со скоростью протекания геологических процессов, поэтому очевидно, что энергия излучается после многочисленных трансформаций в геологических процессах, которые она, собственно, и вызывает.

Процессы трансформации представляют собой работу деформаций скалывания и сжатия (растяжения), а также работу фазовых и физико-химических преобразований вещества. Часть этой энергии, непосредственно преобразующейся в тепло, затем теряется Землей, а другая часть аккумулируется, переходит в так называемый латентный запас. Этот запас тоже может выделиться при изменении геологических условий.

Деформации скалывающего типа реализуются в виде пластического течения и нарушения сплошности среды, оро- и эпейрогенеза, складчатости, т. е. практически всех типов тектонических деформаций. В процессе этих деформаций питающая их энергия частично переходит в свободную энергию возникающих поверхностей разрыва, частично - в скрытую теплоту образования в разломных зонах новых минералов, например руд. Главный же вид трансформации - это переход энергии в тепло тектонического трения (фрикционное тепло). Фрикционное тепло не может вызвать тектонические движения, но является их обязательным следствием и вызывает нагревание и даже плавление твердых земных пород. Некоторые исследователи придавали фрикционному теплу главную роль как энергетическому источнику тектонических процессов. Однако следует помнить, что этот вид тепла является лишь реакцией на деформацию земных масс, происходящую под действием первичного тепловыделения.

Самый яркий вид реакции земных масс на напряжения - это землетрясения. Почти вся энергия землетрясений выделяется в верхних 100 км Земли, т. е. в тонкой "поверхностной пленке". Упругие сейсмические колебания постепенно затухают, вызывая нагревание поглощающей пластичной среды и трение во вновь образующихся разломах. Оба эти эффекта вызывают некоторое увеличение теплового потока через поверхность Земли, что учитывается в балансовых расчетах.

Энергетический эффект сейсмической деятельности проявляется неравномерно в пространстве и во времени. Мы хорошо знаем, что 95% этой энергии выделяется в двух подвижных поясах Земли: в Тихоокеанском и Альпийско-Гималайском, занимающих лишь 5% территории планеты. Средняя мощность сейсмических явлений на протяжении длительного геологического периода на несколько порядков ниже, чем в течение отдельных отрезков времени. Поэтому оценки эффекта сейсмичности на основании инструментальных наблюдений за исторический период, составляющие от 3·1017 (Б. Гутенберг и К. Рихтер) до 1019Дж/год (Л. Кнопофф), могут быть сильно завышенными и не должны безоговорочно включаться в геоэнергетический баланс.

Такая же резкая пространственно-временная изменчивость характеризует и энергетический эффект процесса складкообразования в земной коре. Изучая его методами физического моделирования, М. В. Гзовский и А. В. Михайлова установили, что 75% общего эффекта этого процесса связано с пластической деформацией горных пород, т. е. расходуется на необратимые изменения формы и объема геологических тел. Оценки расхода энергии этого вида на основании плиоцен-четвертичных тектонических процессов составляют 1, 8·1017Дж/год, причем 90% этого эффекта реализуются в подвижных кайнозойских геосинклиналях.

Мы должны понимать, что количественная оценка энергетического эффекта скалывающих деформаций за всю историю Земли невозможна. Можно, однако, утверждать, что этот вид трансформаций вносит малый вклад в наблюдаемый тепловой поток.

Работа фазовых и химических превращений земного вещества, направленная на увеличение его плотности, совершается главным образом за счет гравигенной энергии. По-видимому, с этими процессами связано существование поверхности Мохоровичича, волновода на глубинах 400-1000 км в верхней мантии и границы между ядром и мантией. Природа этих переходов сейчас еще не ясна. Существует на этот счет несколько мнений: о переходе силикатов в металлическую фазу (гипотеза Лодочникова-Рамзая), о восстановлении окислов железа углеродом (Дж. Ирияма), о фазовых полиморфных переходах на границах волновода и Мохо (В. А. Магницкий). Количественные оценки затрат энергии на формирование глубинных геосфер оцениваются в (1, 6-2, 2)·1031 Дж. К той же группе процессов относятся физико-химические преобразования в земной коре: метаморфизм и гипергенез. Прогрессивный метаморфизм является эндотермическим процессом, и, следовательно, увеличивает скрытый резерв внутренней энергии. Такую же роль играют и процессы седиментогенеза, в ходе которых в осадках аккумулируется солнечная энергия. Однако удельный эффект метаморфизма и седиментогенеза сравнительно мал. Он не превышает 105Дж/кг, что выражается величинами плотности теплового потока в десятые или даже сотые доли мВт/м2. Напротив, процессы гипергенеза - окисление, гидратация, растворение и гидролиз - имеют экзотермическую направленность и характеризуются теми же величинами в энергетических единицах, т. е. обеспечивают переход резерва энергии в подвижную часть энергетического баланса. То же происходит при переплавлении метаморфизованных толщ или при их регрессивном метаморфизме. Промежуточной формой трансформации внутренней энергии является современное теплосодержание Земли, т. е. запас тепла в ее различных геосферах. Суммируя вклад всех указанных процессов, получаем огромную величину скрытого резерва внутренней энергии Земли - 9·1031Дж, что в три раза превышает оценку суммарной генерации. Такое расхождение говорит о необходимости переоценки роли и генерации тепла и теплосодержания в скрытых формах.

Расходная часть энергетического баланса поддается непосредственному измерению, так как состоит из двух видов потери Землей ее внутренней энергии: в виде кондуктивного теплового потока через поверхность Земли и в виде конвективного выноса тепла при вулканизме и гидротермальной деятельности. Эти два важнейших геотермических процесса мы будем ниже обсуждать очень подробно, пока же в рамках энергетического баланса подсчитаем величину общих теплопотерь Земли. Распределение кондуктивного теплового потока на поверхности земного шара крайне неравномерно, но мы вправе для балансовых расчетов оперировать средней его величиной. По последним оценкам он составляет 56 и 78 мВт/м2, соответственно, для континентов и океанов. Таким образом, полный вынос энергии кондуктивным путем оценивается величиной 3, 1·1013 Вт, или 1021Дж/год. За весь геологический период развития Земли планета отдала в мировое пространство 0, 45·1031Дж. В отличие от кондуктивного теплового потока конвективный вынос локализуется в ограниченной части земной поверхности - в вулканических областях переходных зон и в рифтовых зонах континентов и океанов. После открытия глобальной системы срединно-океанических хребтов протяженностью 60000 км пришлось пересмотреть прежние оценки роли конвективного выноса тепла из земных недр, так как практически во всех хребтах из их центральных долин происходит разгрузка магмы и термальных вод.

По расчетам Б. Г. Поляка, вынос тепла вулканизмом суши оценивается в (0, 38-13, 2)·1018 Дж/год, гидротермами суши - (1, 9-2, 8)·1018 и срединно-океаническими хребтами - (0, 44-3, 46)·1018Дж/год. Эти оценки мощности, однако, не дают возможности оценить общие конвективные теплопотери за геологический период существования планеты, так как конвективная мощность менялась во времени - периоды резкого возрастания вулканизма сменялись периодами относительной пассивности; то же можно, вероятно, сказать и о гидротермальной деятельности. Из этих соображений при подсчете общих теплопотерь оперируют их мощностью. Оценки показывают, что мощность кондуктивного выноса на два порядка больше, чем мощность конвекции. Таким образом, можно рассчитать мощность суммарных теплопотерь Земли. Она равна 4, 2·1013 Вт, или 1, 3·1021 Дж/год, что приблизительно дает величину »0, 5·1031Дж. Эта цифра существенно ниже, чем общее энерговыделение в Земле за всю ее историю и в три раза ниже современного теплосодержания. Из этого следует, что наша планета еще очень далека от "тепловой смерти".

Мы должны ясно себе представлять, что проблема энергетического баланса еще далека от разрешения, потому что незнание всего лишь одной компоненты приводит к кажущемуся дисбалансу. Следовательно, роль геотермии в познании энергетического состояния Земли является определяющей, а это значит, что без информации о тепловом поле мы не решим основную задачу теоретической геологии познание эволюции нашей планеты.

Петрология литосферы и верхней мантии - нерешенные и спорные вопросы.

Изучение химического состава глубинных геосфер невозможно без учета термодинамических условий недр Земли (высоких давлений и температур) и их влияния на свойства вещества. Не вдаваясь в достаточно сложные детали этого принципиального вопроса о составе внутренних оболочек Земли, укажем лишь на две господствующие точки зрения.

Первой была высказана точка зрения о гетерогенном составе внутренних геосфер. Современные данные о плотности и скорости распространения сейсмических волн допускают отождествление вещества верхней мантии с ультраосновными породами. На основании этих же данных можно предполагать преимущественно железо-никелевый состав ядра, верхняя оболочка которого находится в жидком состоянии. Позже была высказана идея об однородном с точки зрения химического состава строении Земли. Наличие границ в Земле и различие физических свойств геосфер можно объяснить фазовыми переходами вещества. В условиях давления, измеряемого сотнями тысяч МПа, и температуры в несколько тысяч градусов теоретически возможно разрушение не только кристаллической решетки вещества - плавление, но и его электронных оболочек. При этом в ядре Земли вещество переходит в металлическую фазу. Важно отметить, что такая смена способа“упаковки”частиц вещества на атомарном уровне, по всей вероятности, происходит скачкообразно, при достижении достаточного давления и температуры. Таким образом можно объяснить наличие концентрических границ изменения физических свойств вещества Земли при относительном постоянстве ее химического состава. Сторонники этой точки зрения предполагают единый для всей планеты силикатный состав, а скачкообразную смену физических свойств на границах геосфер связывают с фазовыми переходами. Однако современные эксперименты с ударным кратковременным сжатием силикатов и соответствующие теоретические расчеты не подтверждают возможности металлизации силикатов в физических условиях ядра Земли. Тем не менее, нельзя отвергать возможность перестроек кристаллических решеток минералов при увеличении давления; примеры минералов одинакового химического состава, различающихся по способу“упаковки” и физическим свойствам известны. Современные данные допускают в какой-то степени правомерность обеих точек зрения. И, по-видимому, можно предполагать различное происхождение выделяемых сейсмических границ. Вероятнее всего, в Земле имеются границы смены как химического состава, так и внутренней структуры вещества.

Каковы же основные данные, которые могут быть использованы для изучения химического состава Земли в целом? К сожалению их немного.

Во-первых, химический состав земной коры. Однако не следует забывать, что земная кора представляет только небольшую (менее 1% по массе) часть нашей планеты и поэтому состав Земли в основном определяется составом мантии и ядра. Во-вторых, геофизические данные - в основном результаты сейсмологии. Однако эти данные допускают неоднозначное истолкование, т. к. одинаковые значения физических свойств - скорости упругих волн или плотности - могут быть присущи веществам различного химического состава.

В-третьих, космологические данные, т. е. результаты изучения космических тел, в первую очередь Луны и метеоритов, падающих на Землю. Эти данные можно использовать только при предположении о близости химического состава исходного вещества планет, по крайней мере, земной группы. Гипотезы о происхождении Земли допускают сходство химического состава Земли и Луны. Кроме того, можно полагать, что поставщиком значительной части метеоритов, падающих на Землю, является пояс астероидов, расположенный между орбитами Марса и Юпитера. Существует гипотеза о том, что современные астероиды являются обломками десятой планеты Солнечной системы - Фаэтона. Предполагая сходство химического состава Земли и этой планеты, можно использовать результаты анализа состава метеоритов при изучении химического состава нашей планеты.

Метеориты играют значительную роль в жизни Земли. Ежесуточно на Землю падает около 3 т метеоритов, не считая космической пыли. Всего на Землю попадает не менее 10 тыс. т метеорно-космического вещества в год. И в любом случае, представляют ли метеориты исходный“строительный материал”, из которого так и не была сформирована десятая планета, или являются обломками планеты Фаэтон, изучение их химического состава позволяет судить о составе материи, достаточно близкой Земле.

К настоящему времени общее число найденных метеоритов составляет примерно 2500 шт. Число же обломков метеоритов исчисляется десятками тысяч. В последние годы многочисленные находки метеоритов сделаны в Антарктиде. Связано это не с повышенной частотой падения метеоритов, а с уникальными условиями их сохранения здесь. Только с 1973 по 1983 г. г. японские исследователи Антарктиды подобрали 4750 фрагментов метеоритов (вблизи горы Ямато на Земле Королевы Мод). Размеры метеоритов весьма разнообразны. Метеорит массой 60 т, названный Гоба, найден в Африке. В Каньоне Дьявола, штат Невада, США по диаметру метеоритного кратера в 1, 2 км и глубине в 140 м определили, что масса взорвавшегося метеорита составляла 15 тыс. т.

По составу метеориты делятся на железные, железо-каменные и каменные. Железные метеориты составляют 6% от всех найденных. Они почти целиком сложены железом (89, 7%) и никелем (9, 1%) и называются сидеролитами. Плотность их около 8 г/см3.

Железл-каменные метеориты составляют лишь 2% найденных. По составу они делятся на паласситы (железо с вкраплениями силикатов) и мезосидериты (примерно равное количество железа и силикатов). Их плотность 5-6 г/см3.

Наиболее часто находят каменные метеориты, составляющие 92% от всего количества. По составу они делятся на хондриты и ахондриты. Хондриты состоят из овальных каплевидных зерен (хондр) силикатов, сцементированных железом. Форма зерен свидетельствует об остывании их в условиях весьма слабого тяготения. Ахондриты по составу близки к земным породам основного ряда - базальтам и иногда содержат до 1% алмазов. Ахондриты - наиболее распространенная разновидность метеоритов. Существует предположение о том, что они являются продуктами лунного вулканизма, выбрасывающего их в поле тяготения Земли. Плотность их около 3, 5 г/см3.

Приведенные данные о составе метеоритов, падающих на Землю, служат аргументом в пользу гетерогенного строения планет. Возвращаясь к гипотезе о том, что метеориты являются фрагментами разрушенной планеты Фаэтон, можно установить связь планетных оболочек с классом метеоритов. По мнению А. Н. Заварицкого, ахондриты представляют собой обломки коры планеты, имевшей мощность 40-50 км. Мантия Фаэтона характеризовалась ультраосновным силикатным составом, о чем свидетельствует состав хондритов. Сидеролиты и железо-каменные метеориты могли образоваться при разрушении ядра планеты.

Не вдаваясь в гипотезы существования планеты Фаэтон, следует указать, что астероиды (если судить по метеоритам) по плотности и другим параметрам, безусловно, близки к планетам земной группы. В этой связи важность изучения состава метеоритов очевидна.

Близость химического состава планет подтверждают также данные изучения образцов лунных пород, доставленных советской станцией“Луна-16” и американскими “Аполлон-11 и 12”. С учетом состава и свойств метеоритов и образцов с Луны, а также геофизических (сейсмологических) данных о внутреннем строении Земли рассчитаны модели химического состава Земли в целом (табл. 4)

    Химический состав Земли
    Таблица 4
    Химические
    Массовая доля, %
    элементы
    по А. Е. Ферсману
    по Б. Мейсону
    O
    27, 71
    29, 5
    Fe
    39, 76
    34, 6
    Si
    14, 53
    15, 2
    Mg
    8, 69
    12, 7
    S
    0, 64
    1, 92
    Ni
    3, 46
    2, 38
    Ca
    2, 32
    1, 13
    Al
    1, 79
    1, 09
    Прочие
    1, 1
    1, 48

Сравнение состава Земли в целом с составом земной коры (см. выше) показывает резкое увеличение в первом доли тяжелых элементов - железа и никеля, что обусловлено влиянием ядра. Приведенные в табл. 4 элементы в Земле распространены в виде химических соединений, в самородном виде они встречаются крайне редко. Ядро Земли имеет, по всей вероятности, железо-никелевый состав, близкий к составу сидеролитов. Содержание железо-никелевого сплава составляет 84-92%, а остальную часть занимают оксиды железа. Переходный слой от внешнего ядра к субъядру может состоять из сернистого железа - троилита FeS. Мантия образовалась в результате дифференциации первичного вещества по плотности. Железо и никель, опустившись, сконцентрировались в ядре, а в мантии накопилось относительно легкое вещество - пиролит. В составе мантии отсутствует металлическое железо, но ее состав определяется содержанием оксидов кремния, магния, алюминия и кальция. Хондриты по составу занимают промежуточное положение между первичным веществом Земли и пиролитом. Из-за высокого содержания кремния и магния мантию иногда называют симатической оболочкой. Процесс дифференциации вещества мантии продолжается и в настоящее время. Так, в астеносфере происходит выплавление базальта из пиролита, способного выделить до 25% базальта. После выплавления более легкого базальта, поднимающегося вверх к земной коре, вещество верхней мантии теряет часть SiO2; по составу эта часть пиролита соответствует ультраосновным породам перидотиту, пироксениту, дуниту. Граница базальта и ультраосновных пород характеризуется резким изменением плотности и сейсмической скорости. Эта граница собственно и есть раздел между корой и мантией - граница Мохоровичича. Дифференциация затрагивает, по-видимому, не только астеносферу, но и нижележащий слой Голицына, к которому приурочены локальные очаги плавления и очаги глубокофокусных землетрясений.

Земная кора, по современным представлениям, является результатом дифференциации вещества мантии. Базальтовый слой, характеризующийся сплошным распространением на Земле, как указывалось выше, выплавляется из пиролита в астеносфере, откуда базальт медленно поднимается вверх к коре в виде огромных масс каплевидной формы - астенолитов.

Существует и другая точка зрения о механизме выплавления базальтов, в соответствии с которой на границе Мохо происходит не резкая смена состава, а лишь перестройка внутренней структуры базальта и переход его в более плотную разновидность - эклогит. Эта перестройка структуры обратима и определяется физическими условиями - давлением и температурой в подошве коры. При изменении этих условий граница Мохо может перемещаться вверх и вниз по разрезу. Обе приведенные точки зрения объясняют причину появления в подошве земной коры границы, разделяющей базальты и ультрабазиты, в общем довольно близкие по химическому составу. Значительно сложнее объяснить происхождение гранитно-метаморфического слоя, лежащего на базальтах в пределах континентов. По-видимому, этот слой, представленный породами, обогащенными окисью кремния и окисью алюминия, образовался вследствие очень глубокой дифференциации пород, происходившей на ранней стадии развития Земли, и последующего переплавления (возможно многократного) сформировавшихся пород. Гранитообразование в значительной степени связано со вторичными процессами переплавления, происходящими в конвергентных и коллизионных зонах как на границе континентов и океанов, так и внутриконтинентальных. Оно также связано с геологическими процессами, протекающими на поверхности - выветриванием и осадконакоплением, которые сопровождаются образованием пород, обогащенных оксидами. Из-за высокого содержания кремния и алюминия земную кору иногда называют сиалической оболочкой Земли.

Таким образом, в направлении от внешних геосфер к внутренним возрастает роль более тяжелых элементов, в частности, металлов.

    КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

Какие методы применяются для изучения состава геосфер? Что такое кларк вещества?

    С какой целью изучают метеориты и лунные образцы?

Какие химические элементы характерны для литосферы, мантии, ядра? До какой глубины достоверно изучены химические элементы, слагающие земную кору? Что такое“ксенолит”?

Спросите человека в любой стране: “Что такое торнадо (смерч)? ”. Ответ будет однозначным: “Это ужасно! ”. Во всем мире и во все века возникали смерчи - удивительные физические явления, когда из грозовой тучи вниз спускается бешено вращающаяся воронка длиной 1-2 км и диаметром 50-100 м. Достигнув Земли, смерч с ревом и грохотом уничтожает все на своем пути, причем способен пройти за 5-7 часов путь длиной 500 км, порой увеличиваясь в диаметре и оставляя полосу разрушений шириной 2 км. Самый страшный“смерч Трех Штатов”1925 г. в Америке унес почти 700 жизней и ранил более 2000 человек. В США регистрируют ежегодно около 1500 смерчей, в том числе и над морем, в остальных странах меньше, но все равно десятки и сотни. Разрушительные смерчи возникали и в России. Особенно памятны московский смерч 1904 г. и ивановский смерч 1984 г. , которые причинили огромные беды и разрушения в Центральной России. При знакомстве с литературой, описывающей смерчи [5Наливкин Д. В. Смерчи. М. :Наука, 1984. Сноу Д. Т. Торнадо //В мире науки, 1984, №6. С. 44054. Микалаюнас М. М. Смерч небывалой силы //Человек и стихия-84, Гидрометеорологический сборник, 1984. С. 53-55. и др.

], становится ясно, что физическая природа смерча совершенно не исследована, нет ответа на вопросы, почему он устойчив, откуда черпает свою энергию, почему он способен, например, полностью уничтожить в саду целый ряд яблонь и оставить висеть нетронутыми яблоки на яблонях соседнего ряда и т. д. Не было среди исследователей согласия даже в вопросе о скорости ветра в смерче: косвенные свидетельства, такие как воткнутые в бревна и щепки соломинки, говорили о сверхзвуковых скоростях, а прямые локационные измерения давали однозначный результат - даже для сильных смерчей скорость равна 300 км/час. В результате к началу 80-х годов был сделан вывод, что скорость ветра в смерчах вообще не может превосходить 500 км/ч, т. е. в три раза меньше тех скоростей, которые приписывались смерчу ранее.

По мнению В. В. Кушина [6 Кушин В. В. Смерч. М. : Энергоатомиздат, 1993. 127 с. ], смерч - это не ветер, а скрученный в тонкостенную трубу “хобот”дождя, который вращается вокруг оси со скоростью 300-500 км/ч. За счет центробежных сил внутри трубы создается разряжение, и давление падает до 0, 3 атм. Если стенка“хобота”воронки рвется, наткнувшись на препятствие, то внутрь воронки врывается наружный воздух. Перепад давлений 0, 5 атм. разгоняет вторичный воздушный поток до скоростей 330 м/с (1200 км/ч) и более, т. е. до сверхзвуковых скоростей. Физическая природа смерча так же многолика, как образ Фантомаса. С точки зрения физика-метеоролога - это скрученный дождь, неизвестная ранее форма существования осадков. Для физика-механика - это необычная форма вихря, а именно: двухслойный вихрь с воздушно-водяными стенками и резким различием скоростей и плотностей обоих слоев. Для физика-теплотехника смерч - это гигантская гравитационно-тепловая машина огромной мощности; в ней мощные воздушные потоки создаются и поддерживаются за счет теплоты фазового перехода вода-лед, которая выделяется водой, захваченной смерчем из любого естественного водоема, когда она попадает в верхние слои тропосферы.

Для того, чтобы иметь представление о последствиях смерчей, кратко дадим описание московского смерча 1904 г. и ивановского - 1984 г. Над восточной частью Москвы 29 июня 1904 г. пронесся сильнейший вихрь. Его путь лежал неподалеку от трех московских обсерваторий: Университетской - в западной части города, Межевого института - в восточной и Сельскохозяйственной академии - в северо-западной, поэтому ценный материал зафиксировали самописцы этих обсерваторий. По карте погоды в 7 ч утра этого дня на востоке и западе Европы располагались области повышенного давления (более 765 мм рт. ст. ) [7 1 мм рт. ст. = 133, 322 Па]. Между ними, преимущественно на юге Европейской части России, находился циклон с центром между Новозыбковым (Брянская обл. ) и Киевом (751 мм рт. ст. ). В 13 ч он углубился до 747 мм рт. ст. и сместился к Новозыбкову, а в 21 ч - к Смоленску (давление в центре упало до 746 мм рт. ст. ). Таким образом циклон двигался с ЮЮВ на ССЗ. Около 17 ч, во время прохождения смерча через Москву, город находился на северо-восточном фланге циклона. В последующие дни циклон ушел в Финский залив, где вызвал бури на Балтике. Если остановиться только на этом синоптическом описании, то причина смерча явственно не проступает. Картина несколько проясняется, если произвести анализ распределения температур и воздушных масс. Теплый фронт шел от центра циклона на Калугу, Заметчино и Пензу, а холодный фронт - от центра циклона на Курск, Харьков, Днепропетровск и далее к югу. Таким образом циклон имел хорошо выраженный теплый сектор с массами теплого влажного воздуха при дневных температурах 28-32оС. Перед теплым фронтом располагался сухой холодный воздух с температурой 15-16оС. В самой фронтальной зоне температура несколько выше. Контраст температур весьма большой. Расчет показывает, что теплый фронт смещался к северу со скоростью 32-35 км/ч. Образование московского смерча произошло перед теплым фронтом, где при участии тропического воздуха всегда создается угроза возникновения сильнейших гроз и шквалов.

В тот день была отмечена сильная грозовая деятельность в четырех районах Московской области: в Серпуховском, Подольском, Московском и Дмитровском, почти на протяжении 200 км. Грозы с градом и бурей наблюдались, кроме того, в Калужской, Тульской и Ярославской областях. Начиная с Серпуховского района, буря превратилась в ураган. Ураган усилился в Подольском районе, где пострадало 48 селений и имелись жертвы. Самые же страшные опустошения принес смерч, возникший к юго-востоку от Москвы в районе деревни Беседы. Ширина грозовой области в южной части Московского района определена в 15 км; здесь буря двигалась с юга на север, а смерч возник в восточной (правой) стороне грозовой полосы.

Смерч на своем пути произвел огромные разрушения. Были уничтожены деревни Рязанцево, Капотня, Чагино; далее ураган налетел на Люблинскую рощу, вырвал с корнем и сломал до 7 га леса, затем разрушил деревни Грайвороново, Карачарово и Хохловку, вступил в восточную часть Москвы, уничтожил Анненгофскую рощу в Лефортово, посаженную еще при царице Анне Иоановне, сорвал крыши домов в Лефортово, прошел в Сокольники, где повалил вековой лес, направился в Лосиноостровскую, где уничтожил 120 га крупного леса, и распался в районе Мытищ. Далее смерча не было, и отмечена только сильная буря. Длина пути смерча - около 40 км, ширина все время колебалась от 100 до 700 м. По внешнему виду вихрь представлял собой столб, широкий внизу, постепенно сужавшийся в виде конуса и вновь расширявшийся в облаках; в других местах иногда он принимал вид просто черного крутящегося столба. Многие очевидцы принимали его за поднимающийся черный дым от пожара. В тех местах, где смерч проходил через Москва-реку, он захватывал столько воды, что обнажалось русло. Среди массы поваленных деревьев и общего хаоса местами удалось обнаружить некоторую последовательность: так, вблизи Люблино лежали три правильно расположенные ряда берез: северный ветер повалил нижний ряд, над ним лег второй, сваленный восточным ветром, а верхний ряд упал при южном ветре. Следовательно, это признак вихревого движения. При прохождении смерча с юга на север он захватил этот участок правой стороной, судя по смене ветра, и вращение у него было циклональное, т. е. против часовой стрелки, если смотреть сверху. Вертикальная составляющая вихря была необычайно велика. Сорванные крыши зданий летели в воздухе, как клочья бумаги. Были даже разрушены каменные стены. В Карачарово снесена половина колокольни. Вихрь сопровождался страшным гулом; его разрушительная работа продолжалась от 30 с до 1-2 мин. Треск валившихся деревьев заглушался ревом вихря.

В некоторых местах завихренные движения воздуха отчетливо видны по характеру бурелома, но в большинстве случаев сваленные деревья даже на небольших пространствах лежали во всевозможных направлениях. Картина разрушений московского смерча оказалась очень сложной. Анализ его следов заставил считать, что 29 июня 1904 г. через Москву промчались несколько смерчей. Во всяком случае по характеру разрушений можно отметить существование двух воронок, одна из которых двигалась в направлении Люблино - Рогожская застава - Лефортово Сокольники - Лосиноостровская-Мытищи, а вторая - Беседы - Грайвороново Карачарово - Измайлово - Черкизово. Ширина пути обеих воронок была от ста до тысячи метров, но границы путей были четкими. Строения на расстоянии нескольких десятков метров от границ пути оставались нетронутыми.

Сопровождавшие явления также характерны для сильных смерчей. Когда надвигалась воронка, становилось совершенно темно. Темноте сопутствовал страшный шум, рев и свист. Зафиксированы электрические явления необыкновенной интенсивности. Из-за частых разрядов молний погибло два человека, несколько получили ожоги, возникали пожары. В Сокольниках наблюдалась шаровая молния. Дождь и град также имели необыкновенную интенсивность. Градины с куриное яйцо отмечались неоднократно. Отдельные градины имели форму звезды и весили 400-600 г. Особенно велика разрушительная сила смерчей в садах, парках и лесах. Вот что писал “Московский листок” (1904, №170). У Черкизово “.... вдруг черное облако совершенно опустилось на землю и непроницаемой пеленой закрыло митрополичий сад и рощу. Все это сопровождалось страшным шумом и свистом, ударами грома и беспрерывным треском падающего крупного града. Раздался оглушительный удар, и на террасу упала громадная липа. Падение ее было чрезвычайно странно, так как она попала на террасу через окно и толстым концом вперед. Ураган перебросил ее по воздуху на 100 м. Особенно пострадала роща. В три-четыре минуты она превратилась в поляну, сплошь покрытую обломками огромных берез, местами с корнем вырванных из земли и переброшенных на значительные расстояния. Кирпичная ограда кругом рощи разрушена, причем некоторые кирпичи отброшены на несколько сажен”.

Удивительный случай произошел около Мытищ. Крестьянка шла по полю с тремя детьми. Налетел смерч, ее старшего и младшего сыновей отбросило в канаву, где они и спаслись. Третьего мальчика смерч подхватил и унес. Его катило по полю, был страшный шум, он потерял сознание и очнулся в яме, образовавшейся от вывороченной с корнями громадной сосны. Нашли мальчика лишь на следующий день в Сокольниках, на расстоянии нескольких километров от того места, где он был поднят. Он был цел и невридим и лишь испытывал сильную жажду. Если сопоставить записи самописцев с картой погоды, то можно придти к следующим выводам. Смерч возник при грозе на теплом фронте (перед ним, а может быть, даже на самой линии фронта). Перед фронтом наблюдались восточно-северо-восточные ветры, за фронтом - юго-юговосточные и южные. После грозы и связанного с ней охлаждения воздуха температура повышалась до 23 часов, т. е. даже после захода солнца, после чего началось быстрое падение температуры. Абсолютная влажность после грозы была около 14 мм, а с 23 ч начала падать, достигнув к утру 9 мм, что связано, по-видимому, со вхождением другой массы воздуха. Иначе говоря, после грозы при южных ветрах наблюдалась погода теплого сектора циклона, а в 23 ч прошел холодный фронт, и Москва вступила в зону холодного континентального полярного воздуха. Но в связи со значительным похолоданием после грозы и урагана холодный фронт уже не дал в Москве повторных гроз, хотя последние отмечены с 21 до 22 ч в Бронницком районе области, когда там проходил фронт. Разрушительными были последствия целого ряда смерчей, пронесшихся летом 1984 г. над центральными областями России. Самым трагическим был ивановский смерч 9 июня 1984 г. , но вихри отмечались также в Московской, Ярославской, Костромской, Тверской, Вологодской, Нижегородской и др. областях.

В сводке Гидрометцентра СССР было сказано, что возникновению смерчей предшествовали сильные южные и юго-западные ветры в нижней и средней тропосфере, которые способствовали перемещению далеко к северу теплого влажного воздуха в нижней части тропосферы и сухого холодного воздуха в ее верхней части (выше 2-3 км). Закручивание этих потоков в вихри и породило смерчи. Несмотря на густую сеть метеостанций в центре России, где свирепствовали смерчи, ни одна из них инструментально не зафиксировала прохождение смерчей. Данные метеостанций соответствовали грозовой обстановке со шквалами и градом. Поэтому перемещение смерчей пришлось воссоздавать по показаниям очевидцев, следам разрушений, другим косвенным признакам.

Ивановский смерч возник в 15 км южнее областного центра и прошел зигзагообразно около 100 км через леса, поля, пригород г. Иваново, далее вышел к Волге, обошел г. Волгореченск, уничтожил турбазу Лунево и затих в лесном массиве вблизи Костромы. Только в Ивановской области существенно пострадали 680 жилых домов, 200 объектов промышленного и сельского хозяйства, 20 школ, детские сады, леса. Без крова остались 416 семейств, разрушено 500 садово-дачных строений. Первый удар смерч нанес по дачному кооперативу“Южный”. Более 20 человек погибли, многие получили ранения. Из 200 дачных домиков пострадали 130. Деревья вырвало с корнем или поломало. В комки металла были превращены многие автомобили. Один из дачников в этот день после обеда увидел вдалеке, километрах в десяти, высокий темный столб, который подпер грозовую тучу, а левее и подальше - еще один, посветлее первого. Через 1-2 минуты светлый столб исчез, темный же с огненными проблесками внутри, стремительно приблизился к дачному поселку. Ветер играючи гнул толстые деревья и срывал с них листву. Пляска деревьев и кустов, реактивный рев ветра в надвинувшихся средь бела дня сумерках завораживали. Теплица на его участке качнулась, сильно накренилась, но в следующую секунду стала на место и наступила тишина. Дачник подумал, что пронесло. Но эта тишина совершенно не соответствовала тому, что творилось за окном: ураган валил деревья, летели сучья, доски, но не было слышно ни звука. В следующую секунду теплица вдруг подпрыгнула и улетела, как газета на ветру. Когда дачник очнулся, он увидел, что его нового дачного домика как не бывало, левая рука была в крови, но боли он не ощущал. На месте домика была куча жалких остатков. Но самое поразительное было то, что он находился в 10-15 м от домика. “Жигули”дачника лежали смятые и погнутые в канаве. Но самое удивительное было то, что на клумбе росли два пиона: красный и белый. От красного не осталось и следа, а на белом смерч не тронул ни лепестка. Стол с инструментом бесследно исчез, а стоявший рядом ящик с гвоздями остался.

Были и другие курьезные случаи. Одна из дачниц того же поселка, услышав гром и гул, забралась в подпол. Когда все стихло, она выбралась и увидела, что в доме нет крыши, двух стен и никакой мебели. Зато в углу стоит холодильник, которого у нее“отродясь не было”. У другой дачницы смерч унес крышу и полдома, мебель была унесена почти вся, а вот шифоньер остался. Она обрадовалась, что хоть одежда сохранилась. Открывает шифоньер, а он полон битого шифера. У дачника во время смерча улетели из кармана документы. Их прислали ему из Костромской области. В г. Иваново смерч обрушился на район Балино. Он крушил дома, переворачивал троллейбусы и автобусы, ломал столбы и деревья, перевернул подъемный кран весом 350 т, превратив его в груду металлолома; затем смерч обрушился на старое кладбище, на котором в связи с субботним днем было много народа. Налетел огромный расширяющийся кверху коричнево-серый столб дождя и ветра. Над головами ревело, трещало, визжало, падало. Смерч разбросал людей в разные стороны. Это продолжалось полторы-две минуты. Когда смерч передвинулся, все было неузнаваемо: разрушенные могилы, поваленные или унесенные кресты и памятники, сметенные сады, вывернутые с корнем деревья, груды искореженного металла, а то немногое, что осталось, было залеплено серой грязью. Кладбищенский лес почти весь лежал на земле. Здесь надо отметить одно обстоятельство, которое имеет какое-то“потустороннее”происхождение. Все раненые и пострадавшие отмечали, что боль от ран, нанесенных смерчем, была несоизмеримо мала по сравнению с тяжестью ранений, и заживление ран происходило быстро и без осложнений. Но самым удивительным было то, что мелкие предметы: щепки, ветки, соломинки, песчинки наносили тяжкие повреждения, проникая в человеческие тела на глубину до 5 см.

Исследуя следы смерча в районе турбазы “Лунево”, А. М. Лукьяненко - житель г. Волгореченска, сделал интересное наблюдение. По заметил, что смерч двигался скачками длиной 1-2 км и оставлял после своего соприкосновения с землей площадки разрушений диаметром 500-1000 м. Эти площадки имели характерную форму. В центре площадки имелось центральное ядро диаметром 300-400 м, почти круглой формы, которое было хаотически завалено переломанными соснами. По периферии некоторых таких площадок смерч оставлял еще по несколько просек-коридоров длиной 300-400 м и шириной 50 м, которые направлены почти по касательной к окружности ядра. Здесь сосны повалены вдоль просек к ядру площадки. Судя по этим следам, воронка смерча диаметром 1 км опустилась на лес, ее нижняя кромка наткнулась на сосны и порвалась на пять кусков. Каждый из кусков под действием перепада давления внутри воронки и вне ее, сил инерции и сил торможения двигался по сворачивающейся спирали, прорубив в лесу 5 коридоров, обрывки воронки смешивались вблизи центра смерча и образовывали хаос из переломанных деревьев. По-видимому, образовывалось несколько воронок. Ивановский смерч 1984 г. еще раз показал, что среди исследователей нет согласия не только в вопросе о скорости вращения воронки, но и о степени разряжения в ней. Почти все утверждают, что в воронке существует значительное разряжение вплоть до 0, 3-0, 6 от атмосферного давления, и поэтому смерч всасывает в себя подобно пылесосу все, что его окружает. Однако, многие возражают против этого. Основания для таких сомнений дает удивительное явление, которое очень часто сопровождает смерчи. Оно получило название“каскад”.

Каскад представляет собой облако или столб пыли водяных брызг у основания воронки смерчей. Он напоминает речные каскады, особенно когда состоит из пыли и обломков зданий. Первоначально название“каскад”было дано тем массам брызг, которые поднимаются вверх, иногда на высоту в несколько десятков метров, когда смерч касается поверхности акватории. Падая обратно в водоем, они действительно напоминают настоящие речные каскады. Позже это название было распространено на наземные смерчи, которые, касаясь поверхности земли, поднимают вверх массы пыли, сухих листьев и мелких обломков. Падая вниз, они похожи на настоящие каскады.

Каскад образуется почти каждым смерчем и представляет собой весьма частое явление. Тем не менее причина его не разгадана. Дело в том, что каскад создается восходящими потоками воздуха, которые идут вне воронки смерча. Изучение их, как впрочем и всего, что связано с телом смерча, исключительно трудно и просто опасно. Пока приходится ограничиваться только их описанием. У известных смерчей в Небраске 1955 г. ширина одного каскада достигала 1100 м, высота - 260 м, а ширина воронки - всего 70 м. Ширина другого каскада была громадна - 1700 м, а воронки - лишь 220 м. Подобной ширины каскад достигает редко. Каскад у водяного смерча на реке Янцзы, недалеко от Шанхая, отличался очень большой высотой - несколько сот метров при небольшой ширине. Он сужался у основания, а вверху расширялся, и вода падала обратно в реку. Сама воронка была длинной, узкой, столбообразной. При образовании таких высоких и узких каскадов вокруг воронки возникают дополнительные вихри, поднимающие брызги. Спрашивается, о каком же разряжении внутри смерча может идти речь, если он не только не всасывает, но наоборот, отбрасывает от себя пыль, брызги и более крупные предметы?

До сих пор смерч не спешит раскрывать и другие свои тайны. Так, нет ответов на многие вопросы. Что представляет собой воронка смерча? Что придает ее стенкам сильное вращение и огромную разрушительную силу? Почему смерч устойчив? Исследовать смерч не просто трудно, но и опасно - при непосредственном контакте он уничтожает не только измерительную аппаратуру, но и наблюдателя. Сопоставляя описания смерчей (торнадо) прошлого и нынешнего столетий в России и других странах, которые мы из-за экономии места и времени в большинстве своем здесь не приводим, можно видеть, что они развиваются и живут по одинаковым законам, но эти законы до конца не выяснены и поведение смерча кажется непредсказуемым.

Во время прохождения смерчей естественно все прячутся, бегут, и людям не до наблюдений, а тем более измерений параметров смерчей. То немногое о внутреннем строении воронки, что удалось узнать, связано с тем, что смерч, отрываясь от земли, проходил над головами людей, и тогда можно было видеть, что смерч представляет собой огромный пустотелый цилиндр, ярко освещенный внутри блеском молний. Изнутри раздается оглушительный рев и жужжание. Считается, что скорость ветра в стенках смерча доходит до звуковой.

Немногочисленные статистические данные, которые известны о смерчах, сведены в табл. 5.

    Ориентировочные параметры смерчей
    Таблица 5
    Измеряемая величина
    Минимальное значение
    Максимальное значение
    Высота видимой части смерча
    10-100 м
    1, 5-2 км
    Диаметр у земли
    1-10 м
    1, 5-2 км
    Диаметр у облака
    1 км
    1, 5-2 км
    Линейная скорость стенок
    20-30 м/с
    100-300 м/с
    Толщина стенок
    3 м
    Пиковая мощность за 100 с
    30 ГВт
    Длительность существования
    1-10 мин
    5 час.
    Путь
    10-100 м
    500 км
    Площадь разрушения
    10-100 м2
    400 км2
    Максимальная масса поднятых предметов
    300 т
    Скорость перемещения
    0
    150 км/ч
    Давление внутри смерча
    < 0, 4-0, 5 атм

Теория смерча была разработана на основании достоверного утверждения, что воронка смерча всегда приходит на землю сверху, а“ослабев”, вновь поднимается наверх. Значит вес воронки должен быть больше веса вытесненного ею воздуха, т. е. по закону Архимеда она будет“падать”. Тяжелее воздуха в атмосфере может быть только воздух, насыщенный водой и/или льдом. Поэтому правдоподобным будет предположение, что воронка смерча представляет собой вращающийся поток дождя и града, свернутый в спираль в виде относительно тонкой стенки. Содержание воды в стенках воронки должно по массе во много раз превосходить содержание там воздуха. Если плотность сухого воздуха составляет 1, 3-1, 4 кг/м3, то плотность воздуха, содержащего воду и лед внутри стенок смерча, может составлять 50 и более кг/м3.

Если воронка смерча обладает массивными стенками, то их вращение должно приводить к расширению воронки и понижению давления воздуха внутри нее из-за действия центробежных сил. Расширение воронки происходит до тех пор, пока перепад давления снаружи и внутри не уравновесит действия центробежных сил. Если выделить из стенки площадку S, то снаружи на нее будет действовать силаDpЧS. Равновесие с центробежными силами наступит при условии: DpЧS=mv2/R, где m - масса, приходящаяся на единицу площади стенки; v - скорость стенки; R - радиус воронки.

Приведенное, почти очевидное, условие равновесия стенки воронки приводит к ряду прямых следствий, которые естественно объясняют многие свойства смерчей. Рассчитаем параметры смерча средней силы. Пусть он имеет диаметр 200 м, высоту Н=2 км, перепад давленияDp=0, 5 атм. и скорость вращения стенки 145 м/с. Определим массу, приходящуюся на единицу площади стенкиm: m=rстЧDlст . Плотность стенки можно считать примерно равной 50 кг/м3, эта плотность обеспечивает устойчивость стенок при заданном перепаде давления снаружи и внутри воронки. При толщине стенки 5 мm=250 кг/м2. Общая масса стенки смерча составит 300 тыс. т. Эта масса, вращаясь с заданной скоростью, обладает кинетической энергией W = Mv2/2 = 4, 4Ч1012Дж. При вращении смерч теряет энергию на трение об окружающий воздух. Сила трения Fтр. и мощность потерь Nтр. выразятся известными соотношениями: Fтр. = hЧS(v/d); Nтр. = Fтр. Ч v,

где h =1, 7Ч10-5 кг/(мЧс) - коэффициент вязкости воздуха; S - площадь соприкосновения слоев (в нашем случае S=6, 28Ч105 м2); Dv/Dd - градиент скорости. Как отмечалось выше, на расстоянии 1-2 м от стенки смерча ветра не ощущается. Поэтому, принявDd=1 м и Dv=150 м/с, получим Dv/Dd =150 с-1, и мощность потерь составит Nтр. = 225 кВт. За одинчас потери на трение составят 0, 8Ч108Дж. Видно, что по сравнению с запасенной в стенках энергией эти потери ничтожны, и поэтому трение, по существу, не оказывает влияния на время жизни смерча, которое определяется иными энергетическими потерями. В частности, при опускании смерча вниз всего на 1 м/с он потеряет на образование каскада 2, 2Ч109 Дж. и время его жизни без внешней подпитки составит 10-20 мин. У смерчей, которые рождаются в море или идут по песку и пыли, условия для образования каскада особенно благоприятны, и поэтому они быстро расходуют свою энергию.

Рассмотрим поведение любого предмета, который попал в стенку воронки. Стенка увлекает предмет, и он, приобретая скорость v, начинает вращаться вместе со стенкой вокруг оси смерча по окружности радиусом R. Чтобы оно в дальнейшем осталось на этом радиусе, центробежные силы должны быть уравновешены перепадом давления в стенке. Для простоты рассмотрим тело площадьюDS, толщиной Dd и плотностью rт. Тогда центробежная сила Fц выразится соотношением: Fц =(DSDdrтv2т)/R. Определим перепад давления Dр в слое толщиной Dd. Если толщина стенки воронки Dl и плотность стенки rст, то полный перепад давления на стенке толщиной Dl составит Dрст =(DSDlrстv2ст)/R. Поэтому перепад давления на толщине предмета Dd составит Dрd = Dрст (Dd/Dl). Приравнивая Fц и Dрd, получаем очевидное соотношение: rт v2т=rст v2ст. Видно, что легкие тела, такие как пушинки, соломинки остаются внутри воздушного вихревого слоя смерча и достигают самых больших скоростей вплоть до звуковых. Более плотные предметы - ткани, бумага, пустые легкие замкнутые объемы с промежуточными значениями средних плотностей, уже при сравнительно малых скоростях перемещаются внутрь плотной стенки воронки, достигают там скоростей, равных линейной скорости стенки. Если плотность тела меньше плотности стенки, то тело так и остается в стенке и не покидает смерча, перемещаясь вместе с ним на большие расстояния. Если тело имеет высокую плотностьrт>rст, то оно может остаться в смерче только до достижения некоторой скорости vкр, которая выражается соотношением: . Например, в смерче с вышеописанными параметрами, у которого плотность стенки составляет 50 кг/м2, а v=150 м/с, камни плотностью 2500 кг/м3могут достичь скорости не более 22 м/с, животные, люди, у которых плотность равна 1000 кг/м3- не более 30 м/с. До достижения этих скоростей тела вращаются вместе со стенкой воронки и как бы плывут на ее внутренней поверхности, погружаясь по мере роста скорости вглубь воронки.

Смерч может всосать и поднять ввысь большую порцию снега, песка и др. Как только скорость снежинок или песчинок достигает критического значения, они будут выброшены через стенку наружу и могут образовать вокруг смерча своеобразный футляр или чехол. Характерной особенностью этого футляра-чехла является то, что расстояние от него до стенки смерча по всей высоте примерно одинаково: оно определяется скоростью, которая у всех частиц с одинаковой плотностью оказывается одинаковой. Важный частный случай, когда плотность тела, попавшего в смерч, близка к плотности стенки воронки. В этом случае равновесная скорость для тела совпадает со скоростью стенки. Если тело попадает на внутреннюю поверхность стенки, то на него действует воздушный вихрь, вращающийся внутри воронки, скорость тела возрастает и станет больше равновесной. Тело сместится к внешней поверхности стенки. Здесь под действием трения о внешний воздух тело затормозится, скорость станет меньше равновесной, и тело вновь сместится к внутренней поверхности стенки. Поэтому тела с плотностью стенки оказываются устойчивыми внутри стенок. Таким образом внешний и внутренний поверхностные слои оказываются в совершенно необычных условиях, при которых на них непрерывно действуют силы, стремящиеся убрать их с поверхности и“заглубить”внутрь стенки, т. е. силы, которые по своим свойствам напоминают силы поверхностного натяжения. Эти силы придают стенкам смерча повышенную устойчивость к возмущениям, делают их однородными по плотности, гладкими, четко ограниченными.

Мы рассмотрели кинематические и динамические свойства воронки смерча. Было установлено, что воронка является достаточно устойчивым образованием, она может существовать долго, проходить большие расстояния, лишь бы в нее в достаточном количестве поступал сверху вращающийся поток дождя. По сути дела, воронка - это особый вид осадков из грозовой тучи. Поэтому проблема происхождения воронки и существования смерча обусловливается процессами в верхних слоях тропосферы: именно там определяется, хлынет ли из тучи просто сильный дождь или этот дождь свернется в воронку и будет сам себя поддерживать, т. к. воронка засасывает в себя большие массы влажного воздуха и забрасывает их в верхние слои. Эти массы воды могут оказать решающее влияние на дальнейшую судьбу смерча. Рассмотрим в первом приближении процессы, возникающие в грозовых облаках. Обильная влага, попадающая в облако из нижних слоев, выделяет много тепла, и облако становится неустойчивым. В нем возникают стремительные восходящие потоки теплого воздуха, которые выносят массы влаги на высоту 12-15 км, и столь же стремительные холодные нисходящие потоки, которые обрушиваются вниз под тяжестью образовавшихся масс дождя и града, сильно охлажденных в верхних слоях тропосферы. Мощность этих потоков особенно велика из-за того, что одновременно возникают два потока: восходящий и нисходящий. С одной стороны, они не испытывают сопротивления окружающей среды, т. к. объем воздуха, идущего вверх, равен объему воздуха, уходящего вниз. С другой стороны, затраты энергии потоком на подъем воды вверх полностью восполняется при падении ее вниз. Поэтому потоки имеют возможность разгонять себя до огромных скоростей (100 м/с и более). В последние годы была выявлена еще одна возможность подъема больших масс воды в верхние слои тропосферы [8 Сноу Д. Т. Торнадо //В мире науки, 1984, №6. С. 44-54. ]. Часто при столкновении воздушных масс происходит образование вихрей, которые за свои относительно небольшие размеры получили название мезоциклонов. Мезоциклон захватывает слой воздуха на высоте от 1-2 км до 8-10 км, имеет диаметр 8-10 км и вращается вокруг вертикальной оси со скоростью 40-50 м/с. Существование мезоциклонов установлено достоверно, структура их исследована достаточно подробно. Обнаружено, что в мезоциклонах на оси возникает мощная тяга, которая выбрасывает воздух на высоты до 8-10 км и выше. Наблюдателями было обнаружено, что именно в мезоциклоне иногда зарождается смерч (рис. 9). Наиболее благоприятная обстановка для зарождения воронки выполняется при выполнении трех условий. Во-первых, мезоциклон должен быть образован из холодных сухих масс воздуха. В этом случае по его высоте возникает особенно большой температурный градиент, близкий к адиабатическому значению. Во-вторых, мезоциклон должен выйти в район, где в приземном слое толщиной 1-2 км скопилось много влаги при высокой температуре воздуха 25-35оС, т. е. создано состояние неустойчивости приземного слоя, готового к образованию ячеек с восходящими и нисходящими потоками. Проходя над этими районами, за короткое время мезоциклон засасывает в себя влагу с больших пространств и забрасывает ее на высоту 10-15 км. Температура внутри мезоциклона по всей высоте скачком повышается за счет принесенного влагой тепла, накопленного не только насыщенным паром, но и водяными каплями. Третье условие - это выбрасывание масс дождя и града. Выполнение этого условия приводит к уменьшению диаметра потока от первоначального значения 5-10 км до 1-2 км и увеличению скорости от 30-40 м/с в верхней части мезоциклона до 100-120 м/с - в нижней части.

Страницы: 1, 2, 3, 4