Катастрофы в природе: Земля меняет кожу. Лавины, обвалы, оползни, провалы

В начале XX века общее представление о внутреннем строении Земли только формировалось. Сейсмические наблюдения позволили исследовать внутреннюю структуру планеты. Стало ясно, что часть литосферы, самая верхняя из твердых оболочек Земли, земная кора составляет только один процент от общей массы планеты. Под ней расположилась мантия, а ещё ниже – земное ядро. К пятидесятым годам прошлого века эта модель объяснила происходящие на земной поверхности многие явления – вулканизм, её рельеф, горообразование и т. д.

Геологические исследования обнаружили схожие образования и процессы в различных частях света. Рельеф и ландшафт земной поверхности стали предметом изучения специальной науки – геоморфологии. Её зачинателем считается китайский учёный и государственный деятель XI века Шэнь Ко. Он исследовал особенности расположения морских раковин в породе на суше расположенной за сотни миль от океана, и первым высказал предположение об изменчивости земной поверхности из-за почвенной эрозии и отложении наносов.

Научные основы геоморфологии заложил немецкий геолог Фердинанд фон Рихтгофен в конце XIX века установивший основные черты орографии Азии. Ему принадлежит гипотеза эолового происхождения лёсса – осадочной горной породы.

К началу XX века появилась первая геоморфологическая модель формирования рельефа земной поверхности. Она была разработана американским геологом Уильямом Морисом Дейвисом. Его учение о географических циклах основывалось на представлении о стадийном развитии рельефа земной поверхности. Дейвис создал новый тип его зарисовки – модели и блок-диаграммы. Здесь важно то, что все открытия в какой-то момент совершаются впервые и то, что сегодня стало рутиной, было провидением конкретного человека.

Геоморфология ведёт исследования на стыке многих наук и, прежде всего геологии, физической географии, физики и химии. При изучении процессов протекающих на Земле и других объектов Солнечной системы геоморфология использует данные таких наук, как астрономия, космогония, астрофизика и других.

Объектом геоморфологии является рельеф земной поверхности и иных твёрдых космических тел. Её исследования основываются на данных наблюдений и оценки влияния на рельеф различных разномасштабных пространственно-временных процессов и явлений. Таких как гравитация, тектоника, вулканизм, атмосфера, гидросфера и солнечная радиация.

Геоморфология важное практическое направление науки. Её методы позволяют производить инженерную оценку рельефа необходимую при освоении залежных территорий, строительстве и берегозащите. Изучать связь рельефа с климатом, погодой, гидрорежимом и биоты различных участков земной поверхности. Прогнозировать возникновения опасных явлений – лавин, обвалов, оползней, провалов и др.

По сравнению с прошлым арсенал современной геоморфологии значительно расширился благодаря аэрофотосъемке и спутниковым наблюдениям, использованию в обработке данных мощных вычислительных средств. Находящиеся на земной орбите приборы позволяют осуществлять глобальный мониторинг состояния атмосферы, биосферы, гидросферы и всей поверхности Земли.

Наземные, воздушные, подводные автоматические системы дают возможность исследовать ранее недоступные для непосредственного наблюдения объекты, а видеотехника получить представление об их форме и расположении почти в реальном масштабе времени.

Беспилотные аппараты – дроны сегодня решают всевозможные задачи, от исследования атмосферы и земной поверхности, до изучения ледяных пустынь и морских глубин. Они позволяют осуществлять аэрофотосъёмку с разрешением в несколько сантиметров с высоким качеством цветных изображений и др.

24 октября 1946 года первая фотография Земли из космоса была получена запущенной США ракетой «V-2» с суборбитальной траектории 35 миллиметровой кинокамерой на чёрно-белую киноплёнку. 14 августа 1959 года сделана первая спутниковая фотография Земли американским спутником «Explorer 6». 6 августа 1961 года с корабля «Восток-2» советский космонавт Герман Титов впервые выполнил ручную фото- и киносъемку Земли из космоса.

Благодаря выходу человека в космос Земля стала ближе для понимания. Помимо огромного потока разнообразных телеметрических данных наблюдения с земной орбиты позволяют отслеживать состояние атмосферы и гидросферы, процессы антропогенного загрязнения морских акваторий и суши, состояние биоты и многое другое.

В 2016 году Национальное управление океанических и атмосферных исследований США в течение почти трёх месяцев осуществляло онлайн-трансляцию со дна Марианской впадины. Она велась с трёх видеокамер подводного аппарата «Okeanos Explorer» и выкладывалась в Интернет.

Спутниковый мониторинг позволяет оценивать экологическую ситуацию на обширных территорий, отслеживать последствия землетрясений, извержений вулканов, обвалов, оползней, селей, снежных лавин, абразии, эрозии, состояние ледяного покрова планеты и многое другое. Его эффективность доказана многолетними работами на пилотируемой орбитальной станции «Мир» (1986—2001), Международной космической станции (действует с 1998 года) и автоматическими космическими станциями ЕС, Китая, России, США и Японии.

Спутниковые изображения выполняются в различных частях электромагнитного спектра. Так, оптико-электронные спутниковые системы дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) позволяют получать пространственную информацию о земной поверхности и способны распознавать пассивное отраженное излучение земной поверхности в видимом и инфракрасном диапазонах.

Горизонтальные скорости происходят в основном из-за движения тектонических плит. По данным GPS они представлены на карте в виде линий, проходящих от каждого участка (NASA, Google, 2016).

С помощью радарной съёмки (SAR) строятся различные карты рельефа не только земной поверхности, но и других планет Солнечной системы. Этот метод даёт возможность следить за состоянием поверхности сквозь облачность и в тёмное время суток. Это особенно важно для мониторинга ледовой обстановки во время полярной ночи и др.

Спутниковые системы навигации типа GPS (Global Positioning System), пройдя сложный путь от военных разработок, сегодня позволяют определять местоположение объектов на земной поверхности и в околоземном космическом пространстве. Проводить исследование современных движений земной коры и многое другое.

Благодаря росту вычислительной мощи и цифровым способам получения и обработки данных появилась возможность создания компьютерных 3D-моделей местности, сменивших прежние макеты из папье-маше. Исходными данными для них становятся детальные планы городов и топографические карты, материалы аэрофотосъемки, лазерного сканирования и спутниковые снимки сверхвысокого пространственного разрешения.

Фрагменты ландшафта планет Солнечной системы (по данным NASA, 2015—2016). Меркурий – район метеоритного кратера Мендельсон. Венера – район вулканического пика Идунн Монс. Марс – впадина и чёрные дюны.

Прежние пояснительные записки и надписи на картах сменили разветвлённые электронные системы сбора, обработки, хранения, анализа и графической визуализации пространственных данных. Они позволяют осуществлять поиск различных сведений на цифровых картах локального и глобального масштабов в геологии, землеустройстве, картографии, метеорологии, муниципальном управлении, транспорте, экологии, экономике и многих других областях.

Вместе с тем ожидать, что спутниковые системы решат все проблемы исследования Земли пока ожидать не приходится. Их создание трудоёмко и очень затратно. Всегда остаются вопросы детальности и непрерывности съёмки. А оборудование для записи видео уступает по разрешению фотосъёмке, и охватывает сравнительно небольшую площадь поверхности планеты.

С другой стороны, изучение процессов протекающих на земной поверхности ограничено периодом семидесятых годов прошлого столетия – времени начала получения спутниковых изображений. Иными словами на 2016 год период фотолетописи не всей, а только отдельных участков составляет менее пятидесяти лет. И если для быстротекущих процессов в атмосфере можно получить сведения о её динамике, то для изучения рельефообразующих факторов на поверхности, с учётом низкой степени разрешения ранее использовавшейся техники, он недостаточен.

Современные цифровые технологии привнесли в изучение планеты детальность, масштабность и оперативность. Стало возможным заглянуть в самые отдалённые уголки планеты, наблюдать процессы на морском дне, изучать полярные льды и ледники на неприступных вершинах. Благодаря сетевым технологиям и совершенству техники визуализации возможности учёных по сравнению с прошлым столетиям многократно возросли.

Орбитальная группировка космических аппаратов NASA для исследования Земли (NASA, 2016).

Цифровые технологии многократно повысили детализацию исследований позволив наблюдать приводящие к природным и техногенным катастрофам процессы на больших пространственно-временных масштабах. Вкупе с наземными наблюдениями и измерениями они открыли возможность обнаруживать признаки развития опасных геологических и геофизических процессов. Это особенно актуально на современном этапе, когда рост мирового населения и сосредоточение его большей части в городах, расширение и усложнение критической инфраструктуры увеличивает риск больших потерь от природных и техногенных катастроф.

Происходящие в горах оползни, обвалы скальных пород, сели, снежные лавины, прорывы подпрудных озер, пульсации ледников, резкие повышения уровня горных рек угрожают жизни и хозяйственной деятельности человека. Уменьшение ущерба от этих явлений невозможно без всестороннего изучения их причин.

В прежние времена, когда не было чёткого подразделения науки по предмету исследования, изучение Земли дополнялось астрономическими наблюдениями. Благодаря новым инструментам современные астрономы стали неогеографами, описывающими и разгадывающими тайны других планет не только в Солнечной системе, но и в других звёздных систем.

Пустыни Марса и метановые моря на Титане, раскалённая поверхность Венеры и замороженный Плутон стали объектами изучения и открытий. Новая картина мироздания пишется в наши дни, а развитые поколениями натуралистов – естествоиспытателей методы и инструменты применяются для познания космических объектов в бесконечном океане вакуума.

Изменчивый лик Земли

Природа не может создать деревья очень больших размеров, так как ветки под действием собственного веса будут обламываться и подать на землю; так же, как не могут существовать люди, лошади и другие животные с очень большими костями; для осуществления своих функций материал, из которого сделаны кости, должны быть значительно прочнее, или сечение костей необходимо увеличить во много раз, т.е. изменяя при этом их форму.

Галилео Галилей, 1637 год

Земная поверхность представляет собой совокупность разновысотных объектов различающихся по занимаемой площади, форме, физическому составу, химическим свойствам, расположенных на суше, на дне морей и океанов. Они имеют различную выраженность в рельефе лучше всего воспринимаемую через такие антонимы как: горы – низины, пустыни – поймы рек, суша – водная гладь и т. д. Вкупе они образуют сложившийся к настоящему времени рельеф земной поверхности с разнообразными ландшафтами.

Лик Земли никогда не остаётся постоянным. Он меняется с течением времени, и был иным миллион, миллиард и в момент образования планеты более четырёх миллиардов лет назад. Причин тому много, но главная определена полем тяготения Земли и её вращением.

Гравитационное поле является главной рельефообразующей силой на планете. Ему она обязана своей формой, она определяет характер происходящих в её недрах, на поверхности, в морских глубинах и в атмосфере гравитационных процессов и физико-химических превращений земного вещества. Некоторые из них протекают чрезвычайно медленно, другие, такие как обвалы, оползни и лавины очень быстро, ежегодно принося страдания десяткам тысяч человек на планете.

Только с появлением точных наук удалось разгадать тайну образования Солнечной системы. Их краеугольным камнем стало учение Исаака Ньютона о всемирном тяготении, согласно которому сила тяготения универсальна и проявляется между любыми материальными телами независимо от их конкретных свойств. Сформулированные Ньютоном законы классической механики позволили объяснить происходящие в недрах Земли, её атмосфере и гидросфере динамические процессы. Такие как приливы и отливы в океанах, прецессию земной оси, особенности движения Луны, сжатие Юпитера и многие другие.

Современная наука исходит из положения о том, что в начальной стадии своего существования земное вещество находилось в расплавленном состоянии. По мере остывания произошло расслоение веществ. Самые лёгкие компоненты образовали атмосферу, а более тяжелые стали материалом для железоникелевого ядра планеты.

Самый верхний слой – земная кора состоит из осадочных пород сформированных переработкой горных и вулканических пород внешними, т.н. экзогенными процессами (температура, осадки, выветривание и т.п.). Он и верхняя часть мантии образуют литосферу – твёрдую оболочку Земли, простирающуюся на глубину до ста километров. Она разбита на крупные блоки – литосферные плиты способные перемещаться по поверхности мантии и на них расположены материки.

Земная кора это один процент от радиуса планеты составляющего 6370 километров. Она состоит из блоков называемыми платформами, если образующие слоистые толщи горные породы залегают почти горизонтально. Другие места, где это не так, получили наименование складчатых поясов. Различают континентальный и океанический типы земной коры. Толщина континентальной коры в среднем 30—40 километров, но доходит под горными массивами до 75—80 километров, а толщина океанической коры около десяти километров.

В свою очередь, на дне Мирового океана расположены срединно-океанические хребты общей протяженностью до шестидесяти тысяч километров и занимающих примерно 10% от всей поверхности планеты. В своей центральной части они имеют понижения – здесь происходит генерация магматических пород, которые выплавляются в верхних частях литосферы, и через разломы в земной коре поступают на морское дно.

У берегов океанов, в первую очередь Тихого, возникли нисходящие струи конвективных течений и здесь океаническая кора пододвигается под континентальную. Подобные явления происходят не только под океанами, конвективные течения имеются и под континентами. Это приводит к тому, что земная кора постоянно находятся в напряженном состоянии.

Под земной корой расположены твердые слои верхней мантии. С земной поверхности до них простираются зоны тектонических разломов, подвижки в которых приводят к землетрясениям. Вещество внешней части верхней мантии находится в расплавленном и полурасплавленном состоянии. Из-за огромного давления и высокой температуры на геологических масштабах времени вещество мантии пластично и подвержено конвекции. Циркуляция мантийного расплава перемещает литосферные плиты и формирует облик земной поверхности.

Схема строения земной коры и литосферы.

Мощность мантии доходит до трёх тысяч километров. Это недоступная глубина для инструментальных исследований и её изучение стало возможным только с начала прошлого века благодаря наблюдениям за землетрясениями. Сейсмические волны «просвечивают» вещество мантии и по их характеристикам можно оценить её строение и физико-химическое состояние.