Стихиями правит геодинамика

Музыка геосфер

Жил да был в античной Элладе прославленный мудрец Платон. Он был учеником самого Сократа, великим философом, но для нашего повествования существенно то, что он впервые описал пять правильных геометрических тел, с тех пор именуемых платоновыми многогранниками. Это тетраэдр (известный нам по молочным упаковкам), куб, октаэдр, икосаэдр и пентагон-додекаэдр. И у всех у них грани — это правильные треугольники, квадраты или пятиугольники. Иных правильных многогранников не обнаружено и по сию пору, и вовсе не потому, что у математиков, которые на пару столетий или тысячелетий моложе Платона, не хватало пространственного воображения, а просто по причине принципиальной невозможности существования таковых тел в нашем пространстве (на что Платон и указал). Античные философы питали огромное уважение к числам как таковым, тщательно их исследовали, искали их божественный или мистический смысл, пытаясь через них постичь гармонию природы. То же самое к геометрическим фигурам и телам. И они обнаружили многие замечательные свойства и чисел, и фигур. Вспомним хотя бы знаменитые «пифагоровы штаны».

Немало сил античные мудрецы и их последователи положили, чтобы проникнуть в тайную суть правильных многогранников. Для чего они? Ведь не только же для того, чтобы через два с лишним тысячелетия после Платона молоко расфасовывать в картонные тетраэдры?

Над этой загадкой мучился и великий Иоганн Кеплер. Уважая своих античных учителей, считавших, что все небесные сферы непременно должны гармонично звучать, он попытался построить эти сферы с помощью платоновых многогранников, и надо сказать, это у него неплохо получалось, по крайней мере до тех пор, пока он не отрешился от «музыки небесных сфер» и не сформулировал свои знаменитые законы движения планет.

Интересное продолжение эта проблема получила в наши дни. Был открыт природный феномен КПЛВ (короткоживущие подкоровые локальные возмущения, см. журнал «Знание — сила», 1991, ## 5 и 6). Продолжая исследовать этот феномен, автор открытия Эдуард Бородзич установил, что КПЛВ генетически связаны с так называемыми кольцевыми структурами на поверхности Земли (а это — гигантские горные хребты планетарного масштаба, наземные и подводные, впадины, разломы и т.д.) Выяснилось, что их радиальный компонент имеет отнюдь не произвольные размеры, его значения подчиняются некоему порядку (дискретность размеров радиусов и их происхождение помогли объяснить специалисты кафедры теории упругости МГУ).

Идея того, что структуры литосферы имеют геометрическую упорядоченность, привлекала внимание многих исследователей на протяжении более ста шестидесяти лет, начиная с выдающегося геолога прошлого столетия Чарлза Лайеля. Анализировалось расположение горных хребтов, границ материков и так далее — того, что сейчас называют линеаментами. Высказывались догадки, что линеаменты совпадают с дугами больших кругов, которые между собой пересекаются, образуя правильную сетку из четырехугольников, пятиугольников и т.п. Однако строгий количественный анализ этой «геометрии» не проводился: раньше геология была наукой описательной. А затем идеям упорядоченности был нанесен жестокий удар: появилась теория тектоники плит, из которой следовало, что основа земной тверди — плиты — на месте не стоят, перемещаются по поверхности нашей планеты по довольно замысловатым траекториям. Какая тут может быть упорядоченность?

Однако внимательное рассмотрение феномена КПЛВ показало, что порядок все-таки должен быть. И коллега Бородзича Павел Беспрозванный проделал гигантскую работу по обсчету планетарной сети линеаментов (ПСЛ), по их грамотному математическому анализу. И в результате выяснилось, что ПСЛ прекрасно согласуется с некими геометрически правильными сетками («масками»). Оказалось, что с элементами единой для всей Земли геометрической маски практически совпадают и осевые линии большинства срединно-океанических хребтов, и границы литосферных плит, и прочее. А маска — это и есть, грубо говоря, набор ребер правильных платоновых многогранников. В структуре ПСЛ наиболее четко проявились икосаэдр и пентагон-додекаэдр (последний хорошо знаком всем футбольным фанатам: именно таков нынче футбольный мяч). Для скептиков рад сообщить: для этих многогранников мера доверия по критерию совпадения составила 0,9999999 (ноль — отсутствие совпадения, единица — полное совпадение).

Логичен вопрос: почему же ПСЛ образует платоновы многогранники? Эдуард Бородзич дал свой ответ. По его мнению, это происходит из-за особенностей строения Земли.

Тело Земли подразделяется на несколько геосфер: земную кору (от поверхности до примерно сорока километров), мантию (твердые каменистые породы с большей, чем у коры, плотностью до глубины 2900 километров), внешнее ядро, расплавленное и простирающееся от 2900 до 4900 километров, плотность его примерно 10 граммов на кубический сантиметр, и внутреннее ядро плотностью более 15 граммов на кубический сантиметр, которое, несмотря на высокие температуры, находится в твердом состоянии, и виной тому — чудовищные давления, свыше трех миллионов атмосфер. Внутреннее ядро играет роль гигантской печки, нагревающей прочие геосферы, температура в центре Земли, по некоторым оценкам, порядка 10 тысяч градусов Кельвина. Естественно, что от подобных теплопотоков в жидком внешнем ядре идут процессы, как в любой порядочной кастрюле, образуя конвективные ячейки: нагретое твердым ядром вещество всплывает вверх, омывает мантию, охлаждается, опускается вниз. Нелишне тут вспомнить простенький опыт: на обыкновенную сковороду плеснули растительного масла и поставили на огонь. Через некоторое время оказалось, что слой масла «самоорганизовался», в нем образовалась упорядоченная сетка из конвективных ячеек — некая сотовая конструкция. Подобные процессы идут и в жидком внешнем ядре Земли. Но поскольку это ядро — не плоская сковорода, а шаровой слой, в нем образуются не шести-, а трех-, четырех- и пятиугольные ячейки, которые в своей совокупности могут сформировать на сфере только пять типов структур, тех самых, что были описаны Платоном.

Конвективные ячейки довольно устойчивы, стало быть, в течение тысячелетий и даже миллионов лет они выносят расплавленные вещества из недр к границам мантии, где эти вещества, остывая, что-то оставляют, а что-то растворяют и уносят с собой. И вполне возможно, что на границах соседних конвективных ячеек к своду мантии «пристывают» некие вещества, выделившиеся из расплава внешнего жидкого ядра. То есть там, где расплавленные вещества двух смежных ячеек «выныривают» из глубин, образуется утолщение на нижней границе мантии, эдакий рубец из отвержденного вещества жидкого ядра. Это приводит к локальному утолщению мантии, а утолщение как-никак «плавает» во внешнем ядре, стало быть, жидкое внешнее ядро в полном соответствии с законом Архимеда стремится его вытолкнуть вверх. Вот вам и примитивно описанный процесс горообразования, в результате которого горные хребты просто обязаны трассировать границы конвективных ячеек. Но как было ранее сказано, ячейки — это треугольники, квадраты или пентагоны. Поэтому на поверхности Земли линеаменты повторяют те же структуры.

Естественно, динамичные структуры внешнего ядра воздействуют на мантию и переменным давлением. И в зонах максимальных напряжений в мантии возникают зоны повышенной проницаемости, переходящие наверху в сеть коровых разломов.

Но как же быть с упомянутой уважаемой концепцией тектоники плит, казалось бы, неизбежно разрушающей глобальную упорядоченность масок? Действительно, горизонтальные перемещения плит разрушают глобальную упорядоченность, однако на сохранившихся кусках-фрагментах локальная упорядоченность остается. Не следует буквально понимать, что все линеаменты образуют на поверхности Земли единую структуру, соответствующую, скажем, пентагон-додекаэдру. В том-то и сложность выполненного анализа, что на поверхности Земли прослеживается некая совокупность линеаментов, образующих множество масок, сгенерированных в разные времена, в разных условиях и в разных районах. Дело в том, что конвективные ячейки, самоорганизующиеся в жидком ядре, хотя и весьма «живучи», но все-таки нестабильны. Это значит, что через какое-то время они распадаются, перемещаются, трансформируются, чем очень затрудняют анализ всего этого явления. Поэтому ученые были вынуждены проводить анализ не только современных, «юных» линеаментов, но также и древних. Оказалось, что и палеоструктура ПСЛ также упорядочена по платоновым многогранникам.

«Эль-Ниньо»

Страшно, аж жуть!
В. Высоцкий

Таинственный феномен «Эль-Ниньо» существует многие миллионы лет. Человечество просто ранее не связывало с ним некоторые неприятные детали своей биографии. А теперь стало связывать и удивляться.

«Эль-Ниньо» — так испанцы называют маленького ребенка мужского пола. Точно так же был назван процесс, время от времени развивающийся в Тихом океане у берегов Перу. При этом процессе теплые воды начинают двигаться на восток. Интенсивность самого процесса с годами меняется, однако он был, есть и будет. Не стоит думать (как это следует из эпиграфа), что ученым до него нет никакого дела, они, конечно же, занимаются им и очень серьезно. В частности, не так давно они выяснили, что сам феномен далеко не исчерпывается тем, что происходит у берегов Южной Америки. Недавняя обработка 650 тысяч замеров температуры в верхней четверти мили от океанской поверхности позволила сделать вывод, что в приэкваториальной полосе Земли существует семь ячеек с общей динамикой развития — по три ячейки в Тихом и Индийском океанах и одна в Атлантике. При этом процессы в первой и пятой ячейках, как и во второй и шестой, находятся в фазе, а в седьмой отстают от нее на двенадцать — восемнадцать месяцев. По известному перуанскому феномену вся система получила название «Эль-Ниньо — южные колебания» (El Nino — South Oscillation), сокращенно — ENSO.

Какова же природа ENSO? Попробуем порассуждать. В полосе широт этого феномена имеются два материка (Америка и Африка) и Зондский архипелаг, отделяющие Атлантический океан от Тихого — с одной стороны и от Индийского — с другой. Значит, цепочка взаимодействия водных масс невозможна. Следовательно, источник сил, порождающих феномен, должен находиться выше или ниже материков: либо в недрах Земли, либо в ее атмосфере. Атмосфера могла бы как-то усилить или ослабить феномен, однако она не может объяснить его полностью. Остаются недра.

Перетоки ENSO знакопеременны. Время этой переменности три — пять лет. Это свидетельство того, что процессы, инициирующие феномен, должны протекать в жидкой фазе. А поскольку феномен охватывает всю приэкваториальную полосу, жидкая фаза также должна охватывать такую же полосу. Взаимосвязь перетоков ENSO во всей зоне их проявления свидетельствует о непрерывности жидкой фазы в широтном направлении. А единственное место на Земле, где жидкая фаза непрерывна вдоль приэкваториальной широты, — это внешнее ядро Земли. Наконец, ячеистая структура ENSO позволяет сделать вывод, что за сей феномен ответственны процессы, протекающие в ячейках структур жидкого ядра, тех самых ячейках, которые, как было показано в предыдущем разделе, несут ответственность за маски и за упорядоченность линеаментов. Короче говоря, феномен ENSO — одно из внешних проявлений ячеистой структуры жидкого земного ядра.

Проходя под основаниями мантийных каналов, неоднородности создают в них колебания потоков массы, вызывающие короткоживущие подкоровые локальные возмущения (КПЛВ). Эти возмущения сопровождаются искривлениями эквипотенциалей, которые компенсируются перетоками в гидросфере. Закручиваемые силой Кориолиса, перетоки образуют водовороты, так называемые синоптические вихри, охватывающие, в отличие от ветровых возмущений, всю толщу океана. Так, в районе островов Огасавара (Япония) зафиксирован мощный водоворот с радиусом порядка ста километров, охватывающий пятикилометровую толщу Тихого океана и меняющий направление своего вращения в среднем раз в сто дней. Те методы, которые были созданы в процессе исследования КПЛВ, при соответствующем развитии позволили бы уверенно прогнозировать и лесные пожары, и засухи в Австралии, и засухи в Эфиопии и в прочих местах, раз возмущения в конвективных ячейках жидкого земного ядра взаимосвязаны и взаимозависимы, можно ожидать упорядоченность во времени, которая и позволяет заниматься прогнозами. Поведение конвективных ячеек жидкого ядра прогнозируемо, следовательно, явления типа блуждания ENSO также вполне прогнозируемы, и для этого прогноза вполне достаточно иметь серию метеостанций где-то в районе приэкваториальной полосы.

Вообще говоря, метод построения карт КПЛВ по стандартным данным метеостанций, разработанный Э. Бородзичем, уникальный. Однако он не дает полной уверенности, что обнаружены все мантийные каналы, потому что данные метеосети охватывают ограниченный временной диапазон — четыре года. А период КПЛВ простирается на десятки лет. Так что остается открытым вопрос: все ли КПЛВ были обнаружены?

Оказалось, что этот вопрос можно решить, используя… Луну. Точнее, лунные приливы.

При вращении Луны вокруг Земли из-за приливных взаимодействий происходят деформации всех геосфер. И все каналы, какие есть в мантии Земли, будут возмущаться. Был разработан прекрасный метод, позволяющий «вытаскивать» все эти мантийные каналы. И в результате были обнаружены интересные вещи. Например, в Крыму, в районе Саки, спектральный анализ выявил невероятно активную точку. При анализе, по метеоданным, в том районе не было ничего, никаких КПЛВ. Но вот в книжечке «Лоции Черного моря» приведена карта пятисотлетней давности, а на ней в районе Саки показан морской залив. Смена залива на сушу подтверждает наличие в том районе мощного мантийного канала.

Надо сказать, что временной спектральный анализ барического поля земной атмосферы лет тридцать тому назад был выполнен С. Чепменом. Чепмен со своими сотрудниками обнаружил неожиданно сильный приливной компонент, в основном лунный, и очень удивился, что у этого компонента в разных местах Земли разная фаза. Но, удивившись, никаких выводов не сделал. Причиной этого были не только представления о слабой изменчивости приливного компонента по площади, но и сложность выделения самого компонента.

Э. Бородзич разработал практически новую систему спектрального анализа барических полей, используя которую можно предсказывать всевозможные геодинамические неприятности по крайней мере за несколько дней, а после дополнительных исследований, по-видимому, за сотню, а то и за несколько сотен дней.

Научный прогноз — это указание очередного состояния чего-то по выявленным закономерностям чередования предыдущего состояния.

Такой порядок может быть достаточно сложен, тогда, естественно, усложняется и методика прогноза. Выявленные особенности проявления КПЛВ позволили создать эффективную методику прогноза места, времени и их относительной интенсивности. При этом возмущения удается локализовать в пределах первых десятков километров, а заблаговременность прогноза возмущений достигает нескольких суток. В зависимости от знака КПЛВ (который прогноз указывает) на возмущенной территории возможны вполне определенные явления. При подъеме района — падение уровня грунтовых вод, горные удары, землетрясения или крипы, сухие грозы, сушь, пожары лесов и торфяников. При опускании района — подъем уровня грунтовых вод, подтопления или даже наводнения, ливни, оползни. И при подъемах, и при опусканиях возможны нештатные ситуации на длинномерных сооружениях (продуктопроводы, мосты, дамбы, туннели) вплоть до аварийных. В высоких широтах возникают подвижки ледовых полей, сопровождаемых появлением разводий и торошением льдов, чреватых гибелью судов и буровых платформ. Возникают также перетоки морских вод по всей толще океана («синоптические вихри»). Таким образом, методика позволяет давать краткосрочный прогноз места и времени КПЛВ, а также широкий спектр возможных чрезвычайных ситуаций.

Указанную методику, разработанную лауреатом Государственной премии Эдуардом Бородзичем, пытался внедрить в масштабах России директор НИИ гражданской обороны Министерства чрезвычайных ситуаций М.А.Шахраманян, но отсутствие финансирования сорвало начатые работы.

Существование пространственной упорядоченности неравновесных структур в жидком ядре Земли, а также инерционность проходящих в нем процессов позволяют предположить возможность долгосрочного прогноза чрезвычайных ситуаций регионального, а может быть, и планетарного уровня (в частности, «Эль-Ниньо»). В пользу такой возможности свидетельствует обнаружение «предвестников» мощных метеоаномалий за две-три сотни дней по разрабатываемой Бородзичем оригинальной методике.

Казалось бы, за такую методику должны бы ухватиться МЧС, страховые компании, продовольственные корпорации: сотня-другая дней — это вегетативный период многих сельскохозяйственных культур, продукция которых стоит сотни миллиардов долларов. В близкие суммы исчисляются значения потерь этой продукции. Предложение Э. Бородзича о создании в МЧС группы прогноза КПЛВ было поддержано академиком РАН В.Н. Страховым (директор Объединенного института физики Земли), тем не менее МЧС направил в РАН одну из ранее опубликованных работ Бородзича (работа 1982 года без методики прогноза, методика по патентным соображениям не публиковалась), и эксперты РАН посчитали создание группы прогноза преждевременным, так как КПЛВ — «недоказуемая гипотеза». В результате перспективная методика прогноза чрезвычайных ситуаций ожидает окончания смутного времени.

Заметим, что Сади Карно обосновал свой знаменитый цикл, используя вообще не существующий флогистон.

Сергей Морозов