5: Деякі питання без відповіді
- Page ID
- 35672
Тектонічні плити не випадково дрейфують і не блукають по поверхні Землі; вони рухаються певними ще невидимими силами. Хоча вчені не можуть ні точно описати, ні повністю зрозуміти сили, більшість вважає, що відносно неглибокі сили, що рухають літосферні плити, пов'язані з силами, що заходять набагато глибше в Землі.
Що приводить в рух пластини?
З сейсмічних та інших геофізичних доказів та лабораторних експериментів вчені загалом погоджуються з теорією Гаррі Гесса про те, що рушійною силою плити є повільний рух гарячої, пом'якшеної мантії, яка лежить нижче жорстких пластин. Ця ідея була вперше розглянута в 1930-х роках Артуром Холмсом, англійським геологом, який згодом вплинув на мислення Гаррі Гесса про поширення морського дна. Холмс припустив, що круговий рух мантії здійснював материки вздовж майже так само, як і конвеєрна стрічка. Однак в той час, коли Вегенер запропонував свою теорію дрейфу материків, більшість вчених все ще вважали Землю твердим, нерухомим тілом. Тепер ми знаємо краще. Як красномовно заявив Джей Тузо Вілсон в 1968 році, «Земля, замість того, щоб з'являтися як інертна статуя, - це жива, рухлива річ». І поверхня Землі, і її надра знаходяться в русі. Нижче літосферних плит на деякій глибині мантія частково розплавляється і може протікати, хоча і повільно, у відповідь на стійкі сили, прикладені протягом тривалих періодів часу. Подібно до того, як твердий метал, як сталь, під впливом тепла і тиску, може бути пом'якшений і приймати різні форми, так і тверда порода в мантії, коли піддається тепла і тиску в надрах Землі протягом мільйонів років.
Зліва: Концептуальне креслення передбачуваних конвекційних осередків у мантії (див. Текст). Нижче глибини близько 700 км спускається плита починає розм'якшуватися і текти, втрачаючи свою форму. Нижче: Ескіз, що показує конвекційні клітини, які зазвичай зустрічаються в киплячій воді або супі. Ця аналогія, однак, не враховує величезних відмінностей в розмірах і витратах цих осередків.
Вважається, що рухома скеля під жорсткими плитами рухається круговим способом, дещо схожий на каструлю з густим супом при нагріванні до кипіння. Нагрітий суп піднімається на поверхню, розтікається і починає охолоджуватися, а потім опускається назад на дно каструлі, де розігрівається і знову піднімається. Цей цикл повторюється знову і знову, щоб генерувати те, що вчені називають конвекційною клітиною або конвективним потоком. У той час як конвективний потік можна легко спостерігати в каструлі з киплячим супом, ідею такого процесу, що перемішує земні надра, зрозуміти набагато складніше. Хоча ми знаємо, що конвективний рух на Землі набагато, набагато повільніше, ніж у киплячому супі, залишається багато питань без відповіді: Скільки конвекційних клітин існує? Звідки і як вони зароджуються? Яке їх будова?
Конвекція не може відбуватися без джерела тепла. Тепло всередині Землі надходить від двох основних джерел: радіоактивного розпаду і залишкового тепла. Радіоактивний розпад, спонтанний процес, який є основою «ізотопних годин», використовуваних на сьогоднішній день гірських порід, передбачає втрату частинок з ядра ізотопу (батьківського) для утворення ізотопу нового елемента (дочірнього). Радіоактивний розпад природних хімічних елементів - особливо урану, торію та калію - виділяє енергію у вигляді тепла, яке повільно мігрує до поверхні Землі. Залишкове тепло — це гравітаційна енергія, що залишилася від утворення Землі — 4,6 млрд років тому — в результаті «падіння» та стиснення космічного сміття. Як і чому вихід внутрішнього тепла концентрується в певних регіонах з утворенням конвекційних осередків залишається загадкою.
До 1990-х років переважаючі пояснення про те, що рухає тектоніка плит, підкреслювали конвекцію мантії, і більшість земних вчених вважали, що поширення морського дна є основним механізмом. Холодний, щільніший матеріал конвектує вниз і гаряче, більш легкий матеріал піднімається через гравітацію; цей рух матеріалу є важливою частиною конвекції. Крім конвективних сил, деякі геологи стверджують, що вторгнення магми в розкидає хребет забезпечує додаткове зусилля (зване «гребеневим поштовхом») для просування і підтримки руху плити. Таким чином, процеси субдукції вважаються вторинними, логічним, але значною мірою пасивним наслідком поширення морського дна. Однак в останні роки приплив змінився. Більшість вчених зараз виступають за уявлення про те, що сили, пов'язані з субдукцією, важливіші, ніж поширення морського дна. Професор Сейя Уєда (Університет Токай, Японія), всесвітньо відомий експерт з тектоніки плит, зробив висновок у своїй основній доповіді на великій науковій конференції з процесів субдукції в червні 1994 року, що «субдукція. відіграє більш фундаментальну роль, ніж поширення морського дна у формуванні особливостей земної поверхні» і «працює тектонічна техніка плит». Кероване гравітацією занурення холодної, більш щільної океанічної плити в зону субдукції (називається «тяга плити») - перетягування решти плити разом з нею - тепер вважається рушійною силою тектоніки плит.
Ми знаємо, що сили, що працюють глибоко всередині Землі, призводять до руху пластин, але ми ніколи не можемо повністю зрозуміти деталі. В даний час жоден із запропонованих механізмів не може пояснити всі грані руху пластини; оскільки ці сили поховані настільки глибоко, жоден механізм не може бути випробуваний безпосередньо і доведений поза розумними сумнівами. Той факт, що тектонічні плити перейшли в минуле і все ще рухаються сьогодні, не викликає суперечок, але подробиці того, чому і як вони рухаються, продовжуватимуть кидати виклик вченим далеко в майбутньому.
Позаземна тектоніка плит?
Земля може бути унікальною в нашій Сонячній системі, оскільки вона, здається, єдина планета, яка все ще вулканічно і тектонічно активна; тому наша планета залишається дуже живою, тоді як інші, мабуть, давно припинили діяльність. Вулканічна діяльність вимагає джерела внутрішнього тепла, і саме вихід цього тепла підживлює тектоніку плит. У той час як вулканізм відігравав головну роль в ранній історії Марса, Місяця і, ймовірно, Меркурія, їх невеликі розміри щодо Землі призвели до втрати внутрішнього тепла набагато більш швидкими темпами. Вони були неактивними глобусами протягом останнього мільярда років або близько того.
Венера все ще може бути активною, хоча докази сумнівні. У 1979 році космічний корабель «Піонер-Венера» вимірював велику кількість сірки у верхній атмосфері планети; кількість сірки потім зменшилася протягом наступних кількох років. Це спостереження припустило, що висока концентрація сірки, виміряна в 1979 році, могла бути наслідком катастрофічної події, можливо, виверження вулкана. Починаючи з 1990 року, радіолокаційні знімки, зроблені космічним апаратом «Магеллан», виявили драматичні вулканічні особливості та довгі глибокі долини, схожі за розмірами та формою з океанічними траншеями на Землі.
Зліва: Комп'ютерне зображення Алеутської траншеї (фіолетовим кольором); «теплі» кольори (від жовтого до червоного) вказують на топографічні максимуми, а «холодні» кольори (від зеленого до синього) - нижні висоти. Нижче: Топографія Артеміди Корони, що нагадує траншею особливість на Венері, показана в тому ж вертикальному та горизонтальному масштабі, що і Алеутська траншея. (Зображення люб'язно надано Девідом Сендвеллом, Інститутом океанографії Скриппса.)
Космічний корабель «Вояджер» виявив кілька вулканічних шлейфів, що піднімаються на багато сотень кілометрів над поверхнею Іо, одного з супутників Юпітера і розміром приблизно з нашу Місяць. Вчені припускають, що на Іо можуть існувати великі басейни рідкої сірки, можливо, нагріваються приливними силами, що виникають внаслідок гравітаційного тяжіння між Іо і Юпітером. Теплової енергії, що генерується такими приливними силами, може бути достатньо для створення конвекції в інтер'єрі Іо, хоча ніхто чітко не визнав жодної поверхні, яка могла утворитися від такої конвекції.
Поверхня Ганімеда, іншого місяця Юпітера і розміром приблизно з Меркурій, розбита на безліч пластинчастих блоків, з довгими вузькими западинами між деякими з них. Чи представляють ці особливості поверхні давню «викопну» тектоніку плит, або активно формуються, залишається відповісти. Вирішальним для визначення того, чи відбувається тектоніка плит на Ганімеді, є пошук доказів глибокого океану під його крижаною поверхнею. Такий водойма, якщо він існує, може сприяти внутрішній конвекції.
Вулканічний шлейф діоксиду сірки (SO 2) газу, що піднімається приблизно на 150 км над поверхнею Іо. Це покращене комп'ютером зображення було захоплено «наживо» космічним кораблем «Вояджер 2» 4 березня 1979 року. (Зображення люб'язно надано NASA.)
Швидкість тепловтрат має вирішальне значення для тектонічної активності планети. Розмір є одним з визначальних факторів: більші тіла втрачають тепло повільніше і, отже, довше залишатимуться активними. Ще одним фактором є склад, який впливає на здатність організму до конвекції. Наприклад, рідкий інтер'єр, такий, який може існувати в Ганімеді, швидше за все, конвектує і управляє тектонікою плит, ніж «кам'янисті» інтер'єри Місяця, Меркурія, Венери та Марса. Кількість радіоактивних елементів, присутніх в складі планети, також впливає на ймовірність внутрішньої конвекції, адже при розпаді цих елементів виробляється тепло. Мабуть, інтер'єри Місяця, Меркурія та Марса або занадто жорсткі, або втратили занадто багато свого внутрішнього тепла, щоб конвектувати та керувати тектонікою плит.
Врешті-решт Земля теж втратить стільки тепла, що її надра перестане конвектувати. Землетрус і вулканічна активність тоді припиниться. Ніяких нових гір не утвориться, а геологічний цикл гірського будівництва, ерозії, осідання та грунтоутворення буде порушений, а також припиниться. Як саме охолоджена Земля змінить умови поверхні - і чи буде наша планета все ще придатною для життя - ніхто не знає. На щастя, ці зміни не відбуватимуться протягом багатьох мільярдів років!