Мусорная свалка в земной мантии

Можно ли бетонный контейнер с ядерными отходами похоронить в зоне субдукции так, чтобы в дальнейшем их поглотила мантия Земли? Можно ли этот способ удаления ядерных отход считать эффективным? Если нет, то почему?

Алек Паппас (Темпе, США)

Способ удаления радиоактивных отходов путем захоронения в зонах субдукции был предложен еще на заре развития атомной энергетики. Выдвигались и другие идеи. Суть их заключалась в следующем: поместить контейнеры с отходами на антарктический снег, чтобы они постепенно, по мере таяния снега, опускались к подошве ледяного покрова. В принципе идея захоронения в зонах субдукции теоретически абсолютно разумна, но ее осуществление связано с определенными трудностями. Зоны субдукции нестабильны и непредсказуемы, и отложения на поверхности субдуцирующей плиты океанической коры, как правило, не уносятся в мантию, а срезаются, образуя так называемую аккреционную призму. Это чревато тем, что отходы могут быть вновь вытеснены на морское дно. Пожалуй, проблема была бы решена, если бы контейнер удалось заложить в глубокую скважину, пробуренную в базальтовом слое коры, но зоны субдукции обычно находятся на такой глубине, где бурение практически невозможно. Предлагалось и более простое решение: заложить отходы в толстые пласты глины, покрывающие большинство геологически стабильных абиссальных равнин, расположенных на относительно небольших глубинах. Это можно было бы сделать следующим образом: либо пробурить в глине полости для контейнеров с отходами, либо отправить отходы в океан на ракетообразных «пенетрометрах», которые за счет кинетической энергии смогут проникнуть в глубь пластичной глины на десятки метров. Эти методы создают определенные сложности, но с их помощью вполне реально поместить отходы в стабильную глухую среду, где не страшны утечки из контейнеров, поскольку частички глины благополучно поглотят весь радиоактивный мусор. Как бы то ни было, ни один из вышеназванных методов не найдет применения в ближайшем будущем, потому что захоронение радиоактивных отходов в море запрещено в 1983 году Лондонской конвенцией о предотвращении загрязнения моря сбросами отходов и других материалов.

Сэм Литтл (Хейл, Великобритания)

 

Вода, вода…

Как океанографы определяют среднюю глубину океана? При определении уровня моря (что знать крайне важно) они высчитывают параметры понижения и повышения, как мне кажется, с точностью до сантиметра. Но ведь даже в безветренный день уровень океана повышается и понижается отнюдь не на несколько сантиметров, хотя бы из-за локальных волнений, не говоря уже про приливы, отливы и штормы.

Роджер Шарп (вопрос поступил по электронной почте без указания обратного адреса)

Карту дна океана составляют при помощи спутниковых измерений аномалий гравитационного поля. Дно океана статично, поэтому вывести среднее значение глубины за длительный период можно с высокой точностью, хотя, к сожалению, не до сантиметра. В любом случае для определения показателей повышения уровня моря необязательно знать среднюю глубину. Уровень моря измеряют у берега приливомерами и из космоса — спутниковыми альтиметрами. Приливомеры могут представлять собой традиционные поплавковые уровнемеры, датчики акустических колебаний или радары. Быстрые колебания свободной поверхности моря, вызванные волнами, можно сгладить, поместив приливомер в «успокоительный колодец» — вертикальную трубу с отверстием в днище размером в одну десятую диаметра самой трубы. «Успокоительный колодец» гасит волны, но позволяет измерить высоту приливов и подъемов уровня воды. Расчеты с помощью спутниковых альтиметров гораздо более сложные, поскольку приходится учитывать атмосферное давление, содержание водяных паров и прочих веществ в атмосфере, а также степень рассеивания волн и приливные эффекты. Процесс этот очень трудоемкий, и даже альтиметры необходимо выверять по приливомерам. И для приливомеров, и для спутниковых альтиметров ключ к достижению миллиметровой точности — усреднение. Спутники делают замеры уровня моря на площади около 7 км в диаметре, и на основе данных их приборов и показаний прибрежных приливомеров выводится средняя величина. Таким образом удается исключить из расчетов колебания, вызванные приливами, волнами, штормами и даже сезонными циклами, что позволяет точно определить средний уровень моря. Всемирная база данных среднемесячного уровня моря находится в Постоянной службе наблюдений за уровнем моря в Великобритании. Согласно зарегистрированным показаниям, за последнее столетие уровень моря поднимался примерно на 2 мм в год. За последнее десятилетие уровень моря поднимался примерно на 3 мм в год, но пока нельзя сказать, носят ли эти колебания временный характер, или это долгосрочное изменение.

Саймон Хоулгейт (Постоянная служба наблюдений за уровнем моря Океанографической лаборатории им. Праудмена, Бидстонская обсерватория, Прентон, Великобритания)

Уровень моря измеряют приливомерами, которые укрывают от волн в «успокоительных колодцах». Но этими приборами можно измерить лишь относительную высоту точек земной поверхности и моря. Следует иметь в виду, что колеблется не только уровень моря; Земля тоже деформируется в результате тектонических смещений плит и других природных процессов. В крупных портах на показания приливомеров влияет урбанизация: большие города оседают под собственным весом, что порой создает иллюзию повышения уровня моря. Интенсивное заселение таких городов, как Аделаида на юге Австралии, ускоряет процесс отвода грунтовых вод из-под них, и города опускаются ниже уровня моря. Поэтому спутниковая высотометрия, учитывающая все эти факторы, является более точным способом измерения колебаний уровня моря. Если принять во внимание перечисленные выше процессы, можно только удивляться тому, что, по данным измерений, в результате глобального потепления уровень моря повышается лишь на 1,7–2,4 мм в год. Это происходит за счет термального расширения воды и таяния материковых льдов.

Майкл Фоллоуз (Уилленхолл, Великобритания)

Уровень моря измеряют с помощью радарных высотомеров, установленных на спутниках. Если известно, на какой высоте находится спутник, уровень поверхности океана можно вычислить с точностью до нескольких сантиметров. Среднее значение высот многих орбит над определенным местом используется для составления карты кратковременных изменений уровня моря, вызванных такими природными явлениями, как сезонное потепление, расход воды в реках и испарение. Карта колебаний среднего уровня моря за более долгий период показывает изменения уровня моря, вызванные такими явлениями, как ответвления Экваториального и Северо-Атлантического течений. Зная среднее значение высот всех орбит над всеми океанами за определенный период времени, мы вычисляем средний уровень Мирового океана, который, как выясняется, повышается примерно на 2,3 мм в год. Один из ценнейших аспектов полученной карты уровня моря состоит в том, что она отражает рельеф морского дна. За счет дополнительных нагромождений в виде морских возвышенностей увеличивается гравитация и чуть поднимается уровень поверхности океана над рельефом дна. В местах прогиба морского дна уровень моря ниже. Благодаря спутниковой альтиметрии удалось составить карту прежде неисследованного океанического дна всего за несколько лет; если бы использовались обычные технологические приемы, на это ушло бы целых 100 лет. В результате получена бесценная информация. Например, спутниковые альтиметры помогли обнаружить метеоритный кратер размером 20 км в диаметре, расположенный к югу от Новой Зеландии. С помощью оборудования морских судов сделать это было бы практически невозможно или пришлось бы затратить очень большие средства.

Тед Брайант (замдекана факультета точных наук Вуллонгонгского университета, Австралия)

 

Скрытые глубины

Я всегда считал, что море кажется синим потому, что в нем отражается синь неба. На острове Мальта, где я отдыхал, море было чистое и прозрачное и в подводных пещерах отливало лазурью, а ведь там небо не отражалось. Чем можно объяснить такой цвет?

Питер Скотт (Норфолк, Великобритания)

Морская вода кажется синей, потому что она великолепно поглощает световые волны всех длин, за исключением более коротких волн синего спектра, которые хорошо рассеиваются. Все, что находится в воде, в том числе сама вода, наделено способностью поглощать и рассеивать свет, что и вызывает его ослабление. Цвет моря зависит от типа и концентрации планктона. В тропических зонах океанов вода прозрачная, потому что в них отсутствуют взвешенные наносы и планктон, хотя бытует ошибочное представление, что тропические воды обладают высокой биологической продуктивностью. На самом деле эти зоны океана практически стерильны в сравнении с более холодными и богатыми планктоном зонами умеренного пояса. Неорганические частицы и растворенные вещества также отражают и поглощают свет, что влияет на степень прозрачности воды.

Йохан Уис (Белвиль, ЮАР)

Данный эффект — результат селективного поглощения света молекулами воды, главным образом ее кислородным компонентом, который поглощает красный элемент спектра видимого излучения. По этой же причине голубыми кажутся ледяные покровы на полюсах и крупные айсберги.

Альберт Дэй (Норфолк, Великобритания)

Цвет воды в открытом море зависит от ее способности отражать свет, но это не определяющий фактор. Даже чистая вода имеет слегка голубовато-зеленоватый оттенок, потому что она отфильтровывает красный и оранжевый компоненты спектра. А вот грязные примеси в воде, особенно органического происхождения, очень сильно влияют на цвет воды. Свет, струящийся в подводные пещеры, о которых пишет автор вопроса, должно быть, проходит через более толстый слой морской воды, чем свет, который мы обычно видим. Причем интенсивно поглощаются длины волн всех цветов спектра, кроме синего и зеленого, отчего вода кажется еще более лазурной. В принципе в таком свете содержится столь мало красного элемента, что моряки, проведшие несколько дней на подводной лодке, после всплытия воспринимают окружающую среду в неестественно-красноватом цвете.

Джон Ричфилд (Сомерсет-Уэст, ЮАР)

В озере Голубое у горы Гамбье на юге Австралии вода всегда синяя, независимо от того, светит солнце или нет. Озеро находится в известняковой зоне и насыщено карбонатом кальция. Мельчайшие частички взвешенных в воде соединений более интенсивно рассеивают синий цвет, потому озеро и кажется синим. В морской воде очень много растворенного карбоната кальция, но содержащийся в ней магний препятствует его отложению. Однако это может произойти, если морская вода вступит в соприкосновение с кальцитом в составе камня или почвы. Возможно, как раз это и происходит в подводных пещерах на острове Мальта.

Роберт Джерриц (Уэмбли-Даунс, Австралия)

 

Бетонные джунгли

Какую часть площади Великобритании занимают дороги?

Стивен Уэбб (Уэст-Мерси, Великобритания)

Трудно назвать точную цифру площади дорог с твердым покрытием, ведь дороги очень узкие в сравнении с окружающей местностью, по которой они пролегают, и почти не видны на карте. Я не располагаю цифрами относительно всей Великобритании, но могу представить данные по Большому Лондону, которые мы получили вместе с Энн Уоррелл, проанализировав материал аэрофотосъемки с высоким разрешением. Согласно этому исследованию, автомобильные дороги покрывают 8,5% площади Большого Лондона, пешеходные дорожки и тротуары — 3,7%, автомобильные стоянки — 5,1%. Каждый из названных показателей имеет среднеквадратичную погрешность менее 1 %. Интересно отметить, что в Лондоне под дорожное покрытие земли отдано больше, чем под какие-либо другие нужды, за исключением пригородных парков, которые занимают 19,3% площади. Что касается Великобритании в целом, здесь цифры должны быть ниже, если учесть, что Лондон окружен пригородом и, соответственно, имеет обширную сеть дорог.

Дейв Досон (начальник Отдела стратегии по сохранению биологического разнообразия Управления Большого Лондона, Великобритания)

Если коротко, то бетонные джунгли автомобильных дорог занимают менее 1% всей площади Великобритании. Сколь незначительна эта цифра, становится очевидно, если взглянуть на нашу милую зеленую страну с высоты птичьего полета. Членам интернет-сообщества SABRE (Society for All British Road Enthusiasts) пришлось немало потрудиться, чтобы вывести этот показатель. Проанализировав противоречивые официальные данные, мы подсчитали, что протяженность дорог общего пользования составляет 425 121 км, в том числе скоростных 3589 км, дорог категории «А» — 56 696 км (из них 7921 км — дороги с двусторонним движением), дорог категории «В» — 32 850 км, дорог категории «С» 89 686 км и дорог местного значения — 242 300 км. Предположительно средняя ширина проезжей части скоростных магистралей составляет 26 м, дорог с разделительной полосой — 18 м, других автострад — 12 м, дорог категории «В» — 8 м, дорог категории «С» — 4 м и дорог местного значения — 3 м, а это значит, что общая площадь всех дорог равна примерно 2200 км2. Территория Великобритании 241 590 км2, значит, автомобильные дороги занимают 0,9% ее площади. Иногда при оценке ширины дорог учитываются обочины и сплошные придорожные посадки, и тогда называется более высокая цифра — около 1,3%. Но это неточный показатель, потому что обочины дорог в значительной мере являются частью среды обитания диких животных и растений и дорогами считаться не могут.

Бифф Вернон (член руководящего комитета ОБА, Лаут, Великобритания)

Согласно данным, опубликованным Министерством транспорта в бюллетене «Road Traffic Statistics for Great Britain» (2002), общая площадь автомобильных дорог Великобритании в 2001 году составляла 3300 км2. Это примерно 1,4% всей площади страны.

Тим Лоуэлл (Бристоль, Великобритания)

Цифра из отчета Министерства транспорта, которую назвал в своем ответе Тим Лоуэлл, получена с учетом обочин и сплошных придорожных насаждений, поэтому она ближе к более высокому показателю представленному Биффом Верноном.

Автор-составитель

 

Сезонные отклонения

Я всегда был уверен, что дни равноденствия выпадают на 21 марта и 21 сентября и вместе с днями солнцестояния делят год на 4 равные части. Однако часто датой равноденствия называют не 21-е число, а какое-то другое. Но ведь деление года на четыре равные части обусловлено вращением Земли вокруг Солнца. Тогда почему меняются даты?

Кингсли Ричард (Тулуза, Франция)

Весеннее и осеннее равноденствия — это моменты времени, когда на экваторе в полдень Солнце находится точно в зените (или, выражаясь астрономической терминологией, пересекает небесный экватор). В периоды равноденствий продолжительность дня на всей Земле равна продолжительности ночи. Моменты равноденствий из года в год перемещаются относительно начала календарных суток. В Северном полушарии весеннее равноденствие обычно случается 20 или 21 марта, осеннее — 22 или 23 сентября (в Южном полушарии наоборот). Даты не всегда совпадают, потому что существуют високосные годы, и, соответственно, момент наступления равноденствия смещается примерно на сутки. Дни весеннего и осеннего равноденствий наступают, когда Земля находится в строго противоположных друг другу точках своей орбиты, но, как ни странно, даты, на которые приходятся моменты равноденствий, не делят год на две равные половины. Если взять среднее значение дат равноденствий и среднюю продолжительность года, выясняется, осеннее равноденствие наступает через 186 дней после весеннего, а весеннее равноденствие — всего через 179,25 дня после осеннего. Это потому, что 3емля движется по эллиптической орбите и наиболее близко подходит к Солнцу в начале января. В соответствии со вторым законом Кеплера, который гласит, что линия, соединяющая Солнце и планету, за равные промежутки времени «заметает» равные площади, в это время года Земля движется по своей орбите с наибольшей угловой скоростью. В результате 3емля проходит половину орбиты от осеннего до весеннего равноденствия за меньшее время, чем половину орбиты от весеннего до осеннего равноденствия, когда она находится дальше от Солнца и движется медленнее. Соответственно, период весна — лето, имеющий продолжительность светлого времени суток на 12 часов больше, в Северном полушарии длится почти на 7 дней дольше, чем в Южном.

Роберт Харви (Суиндон, Великобритания)

Утверждение о том, что год должен делиться на четыре равные части, ошибочно. Еще в 140 году Птолемей попытался объяснить, почему времена года имеют неравную продолжительность. Как я написал в своей книге «Astronomy: From the Earth to the Universe», текущие данные показывают, что весна длится 92 дня 19 часов, лето — 93 дня 15 часов, осень — 89 дней 20 часов и зима — 89 дней 0 часов. Птолемей пришел к выводу, что центр орбиты вращения Солнца вокруг Земли (по причинам, тогда представлявшимся вполне очевидными, эта орбита была правильной окружностью) смещен относительно Земли, либо у большой окружности орбиты имеется эпицикл. Благодаря труду Иоганна Кеплера, опубликованному в 1609 году, мы теперь можем дать следующее объяснение: Земля обращается вокруг Солнца по эллиптической орбите, причем скорость движения Земли варьируется в соответствии со вторым законом Кеплера. Земля находится ближе всего к Солнцу (в перигелии) в начале января, а значит, осенью — зимой она движется быстрее, потому-то этот период и короче.

Джей Пасачофф (Колледж Уильямса, Массачусетс, США)

 

На гребне волны

Если мне придется ради спасения собственной жизни спускаться на серфе по расплавленной лаве, из какого материала должна быть сделана доска, чтобы она несгорела в лаве?

Бен Уильямс (6 лет) (Бристоль, Великобритания)

Просто возьми старую доску для серфинга, проделай в ней множество отверстий и установи на доску бак с водой. Вытекающая из отверстий вода создаст тот же эффект, который можно наблюдать, если сплюнуть на раскаленную железную плиту: капли будут плясать на плите в течение довольно долгого периода времени, потому что они отделены от плиты тонким слоем пара, являющегося плохим проводником тепла. Данный эффект позволит скользить на доске по лаве, потому что между лавой и доской образуется паровая подушка. Трение между доской и лавой фактически равно нулю. Пожалуй, это изобретение под названием «шипящая доска» должно получить международное признание.

Радко Иштенич (Любляна, Словения)

Доска для скольжения по лаве должна быть изготовлена из материала, который не плавится, имеет меньшую плотность, чем лава, и способен обеспечить изоляцию ногам. Если вы оказались на вершине вулкана в момент извержения лавы и пытаетесь спастись, соскользнув по ней вниз, используйте природные материалы. К счастью, вулканы извергают не только лаву, но и твердые материалы, имеющие почти такую же геологическую структуру, что и лава, только менее плотные за счет того, что в них содержатся пузырьки газа. Обломок такого материала, скажем 50 см толщиной, 1 м шириной и 2 м длиной, будет скользить по поверхности лавы и — что особенно важно — будет плавиться довольно медленно. Полагаю, вы сможете проехать на нем с милю или даже больше, прежде чем вам придется соскочить с него. Остается надеяться, что к тому времени вы уже выберетесь на сухую холодную землю. Однако, если вы заранее знаете, что вам придется плыть по расплавленной лаве, сделайте лодку из жаропрочного или огнеупорного материала, который не расплавится и прослужит вам столько, сколько потребуется. Вертикальные борта лодки также защитят вас от жара, источаемого лавой, гораздо эффективнее, чем доска для серфинга. Температура расплавленной лавы обычно 1400°C, но иногда доходит и до 1650°С — в зависимости от ее химического состава, поэтому для лодки лучше использовать изоляционный огнеупорный бетон высокой чистоты на основе окиси алюминия. Этот материал плавится при температуре 2000°C, почти не вступает в реакцию с расплавленной лавой, содержит полые пузырьки, за счет которых он легче расплавленной лавы, и к тому же обладает высокими теплоизоляционными свойствами. Чтобы сделать такую лодку, сначала выкопайте в земле яму той формы, какой вы хотите видеть свою лодку. Утрамбуйте стенки и дно ямы так, чтобы они стали твердыми и гладкими, и обшейте их пластиком. После смешайте жесткую бетонную смесь с водой до состояния густой пасты. Покройте пластик 10-сантиметровым слоем раствора, наложите на него еще один лист пластика и оставшуюся полость залейте водой, чтобы обеспечить плотное сцепление бетона с пластиком. Через неделю лодка будет готова.

Росс Файерстоун (Уиннетка, США)

Если бы следовало учитывать только температуру плавления, у вашего корреспондента не возникло бы больших трудностей. Различные виды лавы плавятся при разных температурах: риолит — при 900°C, дацит — при 1100°C, андезит — при 1200°C и базальт — при 1250°C. Следовательно, сталь, имеющая точку плавления 1400°C, прекрасно подошла бы в качестве материала для доски, но наибольшую безопасность обеспечит вольфрам (плавится при 3422°C). Как бы то ни было, вы непременно обожжете ноги, поэтому в качестве изолятора лучше использовать неметаллические материалы, и в частности керамику. Например, Cr2O3 плавится при температуре около 2250°C, и даже Аl2О3 (точка плавления около 2050°C) обеспечит безопасность. Оба эти материала надежно защитят ваши ноги от раскаленной лавы. Однако я подозреваю, что 6-летнему автору вопроса, вероятно, будет сложно достать такие материалы, поэтому я предлагаю использовать дуб. Все виды древесины, и особенно дуб, образуют при горении защитный карбонизированный слой, замедляющий дальнейший процесс обугливания. В сущности, чтобы при создании деревянной конструкции придать ей огнеупорность, нужно использовать это свойство. При проектировании деревянной конструкции размеры всегда закладываются несколько большие, чем нужно. Это необходимо для того, чтобы конструкция сохраняла свою целостность в случае горения. Доску обшейте тонким листом стали, чтобы она не подвергалась абразивному воздействию, — на случай, если вам захочется вновь подняться на вулкан и повторить эксперимент.

Малкольм Николс (Элсбери, Великобритания)

Проблема заключается не просто в том, чтобы защититься от жара. Однажды я был в Сахаре, где, увидев роскошные песчаные дюны, подумал, что было бы здорово скатиться с них на доске. К сожалению, дерево не скользит по песку, и вы будете не столько съезжать, сколько сидеть даже при спуске с самого крутого склона. Коэффициенты трения вычисляют при помощи справочных таблиц. По существу, в данном случае вы должны получить показатель, близкий к коэффициенту трения при скольжении смазанных воском лыж по снегу. Мои таблицы несколько устарели, и в них нет значений, применимых к лаве. Поэтому, возможно, вашему корреспонденту, если он решил стать вулканологом, в первую очередь следует вычислить опытным путем коэффициенты трения для разных материалов, на основе которых он смог бы сконструировать подходящее спасательное судно. Разумеется, конструктор должен уметь действовать быстро и точно, иначе его карьера вулканолога окажется не столь долгой, как ему хотелось бы.

Питер Брукс (Кейптаун, ЮАР)

 

От берега к берегу

Если океаны на Земле начнут мелеть и в итоге исчезнут, не останется и береговой линии. Соответственно, если уровень моря поднимется и вода накроет Эверест, общая протяженность всех береговых линии мира станет равной нулю. Очевидно, между этими крайними значениями имеется некий уровень моря, при котором суммарная протяженность всех береговых линий будет максимальной. Известно ли это «идеальное» значение уровня моря относительно нынешнего, ведь чем больше протяженность береговой линии, тем больше пляжей?

Бен Кадорет (Шеффилд, Великобритания)

Рассчитать это не так-то просто. Как явствует из опубликованных ниже писем, если рассматривать земельные массивы просто как возвышенности конической формы, тогда по мере понижения уровня моря береговая линия начнет удлиняться. Если же учесть, что на самом деле рельеф поверхности Земли более сложный, тогда дать конкретный ответ мы не сможем. И наконец, если изображать отдельные участки берега на картах, постоянно увеличивая масштаб, тогда уже сейчас береговая линия имеет бесконечную протяженность.

Автор-составитель

Более половины поверхности Земли (около 71%) занимают океаны и моря, поэтому все земельные массивы, даже самые крупные, можно рассматривать как острова. А остров — это участок суши, поднимающийся от воды к своей средней части, и поэтому его можно представить как конус, выступающий из воды. Это значит, что в результате поднятия уровня моря протяженность береговой линии уменьшается, при понижении, напротив, увеличивается. Соответственно, при понижении уровня моря общая протяженность всех береговых линий Земли (около 860 000 км) увеличится. Протяженность береговой линии будет увеличиваться до тех пор, пока общая площадь морей и океанов не составит менее половины поверхности Земли. Тогда эти участки водного пространства можно будет рассматривать как озера. Озера — это формы рельефа, как бы противоположные островам, поэтому понижение уровня воды в них ведет к уменьшению протяженности береговой линии. Принимая во внимание, что море занимает гораздо больше половины поверхности Земли и что средняя глубина океанов больше, чем средняя высота земельных массивов, уровень моря, при котором суммарная протяженность береговой линии будет максимальной, должен быть значительно ниже нынешнего. Пожалуй, на несколько километров. Чтобы определить значение уровня моря, при котором береговая линия достигнет максимальной протяженности, вам нужно построить сложную компьютерную модель рельефа всех участков суши морского дна, которую затем можно использовать для вычисления длины береговой линии.

Филип Грейвз (Лондон, Великобритания)

Там, где уровень моря относительно поверхности суши стабилен, протяженность береговой линии, как правило, уменьшается — за счет того, что почва мысов и прибрежных участков островов подвергается эрозии. Эти продукты разрушения и те, что выносят реки, впадающие в моря и океаны, заполняют бухты и эстуарии, образуя перешейки из песчаных или галечных наносов, которые соединяют острова с материком. Процесс протекает медленнее, если суша сложена твердыми породами, а если почва состоит из песка или глины — быстрее. Прекрасный тому пример — почти прямая береговая линия на восточном побережье Англии, где эстуарии рек Бер и Яр почти заполнены отложениями и все выступы сгладились в результате береговой абразии. Однако на юго-западе Шотландии, где уровень моря стабилен и в структуре побережья преобладают твердые породы, процесс эрозии протекает медленнее, и береговая линия остается изрезанной. В результате повышения уровня моря (или опускания суши) образуются длинные неровные береговые линии затопленных речных долин, называемых риасами. Этот процесс хорошо заметен на юге Корнуолла и в Девоне, на юго-западе Англии. Другие затопленные морские побережья (острова Греции, побережье Далмации) тоже имеют большую протяженность береговой линии. В результате понижения уровня моря (или поднятия суши) также образуются длинные неровные береговые линии — за счет того, что обнажаются многочисленные подводные скалы и отмели. Это наблюдается в северной части Балтийского моря. Колебания уровня моря (так называемые эвстатические колебания) вызваны изменениями планетарного климата: в более жарком климате море расширяется, ледяные покровы на суше тают, пополняя объемы морской воды. Колебания уровня поверхности суши (изостатические колебания) зачастую вызваны сдвигами литосферных плит. Иногда эти два эффекта наблюдаются одновременно, изменения климата вызывают движение земной коры: льды тают и сползают с ее поверхности; соответственно уровень земной коры, которая сбросила часть груза, поднимается. Колебания уровня земной коры могут вызвать и извержения вулканов, которые также влияют на климат: двуокись углерода, выделяемая при извержении, или выбросы пепла вызывают соответственно потепление или похолодание на планете. Учитывая нынешние запасы воды на Земле, можно предположить, что общая береговая линия планеты достигла своей максимальной протяженности несколько тысяч лет назад, в конце последнего ледникового периода. Речные долины, располагавшиеся в зонах, где не было ледяного покрова, вероятно, опустились до отметки более низкого уровня моря, и в результате возникли условия для образования длинной линии риасовых берегов, изрезанных долинами, которые должны были уйти под воду при поднятии уровня моря. С тех пор многие из этих риасов вновь заполнились водой (например, на побережье Суссекса на юге Англии). Если бы уровень моря понизился на 1000 м, риасы не смогли бы сформироваться, потому что ни одна река на Земле никогда не протекала столь низко, и, соответственно, не было бы затапливаемых долин. В принципе на Земле вообще осталось бы всего несколько рек, потому что крупные участки суши, удаленные от моря, превратились бы в пустыни. Общая протяженность всех береговых линий мира, вероятно, была бы меньше нынешней. И наоборот, если бы уровень моря поднялся на 1000 м, площадь земельных массивов сократилась бы, так что даже при наличии большого количества риасов протяженность береговой линии сократилась бы. Более того, при столь высоком уровне моря сами риасы были бы меньше, так как берега рек были бы очень крутые.

Хиллари Шоу (географический факультет Лидсского университета, Великобритания)

На данный вопрос можно дать двоякий ответ. Суть первого ответа заключается в том, что общая протяженность береговой линии будет оставаться неизменной при любых значениях уровня моря. Представьте, что мы измеряем береговую линию с помощью длинной палки единичной длины. Один конец палки поместим у самого края воды и положим ее так, чтобы другой конец палки тоже оказался у края воды. Допустим, вода находится в состоянии полного покоя. Полоса берега между двумя концами палки извивается по обе стороны прямой линии. Таким образом, замеры, произведенные с помощью этой палки, будут неточными: мы получим значение ниже фактического. Теперь возьмем палку по длине вдвое меньше первой. С ее помощью мы получим более точное значение протяженности береговой линии. Но и в этом случае береговая полоса извивается по обе стороны от прямой линии. Поскольку значения измерений будут изменяться в зависимости от длины измеряющей палки, мы получим множество приблизительных значений протяженности береговой линии, изменяющихся в широком диапазоне. На самом деле, сколь бы короткую палку мы ни брали, вплоть до размеров песчинки, береговая линия все равно будет извиваться по обе ее стороны. Таким образом, чем короче измеритель, тем больше значение протяженности береговой линии, а самое точное значение — практически бесконечность.

Питер Уэббер (Эксмут, Великобритания)

 

На радость пингвинам

Почему на Южном полюсе холоднее, чем на Северном?

Т. П. Лэдд (Мерфилд, Великобритания)

Разницу в температурах между двумя полюсами можно объяснить их неодинаковым положением относительно уровня моря. Северный полюс (средняя температура в зимние месяцы около −30°C) лежит на ледяных полях Северного Ледовитого океана, Южный полюс (средняя температура в зимние месяцы около −60°C) находится на высоте 2800 м над уровнем моря на ледниковом покрове Антарктиды. На Южном полюсе вдвое холоднее, чем на Северном. Более половины этой разницы определяет уровень высоты (на Антарктиде с каждым километром вверх температура понижается примерно на 6°C). Также вследствие того что на Южном полюсе воздух более разреженный (и соответственно, более холодный и сухой) и сравнительно малая облачность, на его поверхность отражается меньше тепла, чем на поверхность Северного полюса. Остальная часть разницы температур обусловлена различиями в режимах циркуляции воздушных масс двух полушарий. Континенты Северного полушария посылают в атмосферу квазистационарные «планетарные волны». Эти волны переносят тепло в сторону Северного полюса и перемещают зоны пониженного давления средних широт в северополярные области. Континенты Южного полушария в сравнении с материками Северного полушария имеют меньшую территорию и меньшую среднюю высоту поверхности и, соответственно, излучают меньше «планетарных волн», переносящих тепло. Высокие горы Антарктики также препятствуют перемещению зон пониженного давления средних широт, которые редко проникают в глубь материка. Наконец, атмосфера Северного полюса получает тепло от Северного Ледовитого океана. Конечно, 2— 3-метровая толща морского льда, обычно покрывающего его поверхность, пропускает мало тепла, зато большое количество тепла попадает в атмосферу через проходы, иногда образующиеся во льдах.

Джон Кинг (Антарктическое управление Великобритании, Кембридж)

 

Сжавшийся мир

Однажды я слышал, что, если Землю ужать до размеров теннисного мячика, наша планета станет более гладкой, чем настоящий теннисный мячик. Так ли это? И если, наоборот, теннисный мячик расширится до размеров Земли, какова будет высота гор?

(вопрос поступил по электронной почте без указания имени и адреса)

Чтобы ответить на этот интригующий вопрос, прежде всего мы должны определить масштабный коэффициент сжатия Земли до размера теннисного мячика. Диаметр Земли по экватору — 12 756 км; диаметр стандартного теннисного мячика — 4,4 см. Значит, коэффициент отношения размера мячика к размеру Земли составляет 3.45×10-9.Чтобы сравнить две поверхности по степени гладкости, нужно знать параметры рельефа каждой поверхности, то есть разность высот между ее самой высокой и самой низкой точками. Установить это значение для теннисного мячика довольно просто, ведь на его поверхности очень мало точек, имеющих высоту выше среднего уровня, зато много углублений и впадинок. Поскольку глубина этих впадинок около 0,1 мм, разность высот точек его поверхности составит примерно 0,1 мм, или 10-4 м. Самая низкая точка земной поверхности лежит во впадине Челленджер (Марианском желобе) на абсолютной отметке 11 034 м ниже уровня моря (максимальная глубина Мирового океана). Самая высокая точка земной поверхности — вершина горы Эверест. Ее высота — 8848 м над уровнем моря. Таким образом, разность высот между самой высокой и самой низкой точками земной поверхности составляет 19 882 м.

Если мы, используя вычисленный выше масштабный коэффициент, уменьшим Землю до размера теннисного мячика, то разность высот между ее самой низкой и самой высокой точками составит 6.86×10-5м, или 0,0686 мм. Это примерно 2/3 числового значения разности высот поверхности теннисного мячика. Значит, утверждение, которое слышал ваш корреспондент, по сути, справедливо: Земля, уменьшенная до размера теннисного мячика, и в самом деле будет иметь более гладкую поверхность, чем стандартный теннисный мячик. Теперь о второй части вопроса. На поверхности теннисного мячика нет выпуклостей, но зато она испещрена впадинками и углублениями. Поэтому, если теннисный мячик увеличить до масштаба Земли, на его поверхности гор как таковых вообще не будет. Зато там будет много больших кратеров. В масштабе Земли эти кратеры будут представлять собой громадные котловины до 29 км глубиной. Если бы эти впадины были океанскими желобами, наподобие тех, что обнаружены на поверхности Земли, они вклинились бы в океаническую кору 6-километровой толщины и протянулись бы по поверхности Мохоровичича (границе раздела между земной корой и верхней мантией Земли), а их дно находилось бы глубоко в самой мантии. Эти кратеры были бы не только безмерно глубокими, но и в ширину достигали бы 60 км.

Тим Келби (Эртлингборо, Великобритания)

Если сжать тело Земли до размеров теннисного мячика, оно станет таким плотным, что превратится в нейтроний или в черную дыру. Если бы Земля стала нейтронием, сила тяжести на ее поверхности превысила бы нынешнее значение в миллионы раз. Этого более чем достаточно для того, чтобы сгладить все неровности рельефа. Если бы Земля превратилась в черную дыру, у нее вообще не было бы поверхности — только «горизонт событий», представляющий собой гладкую сферу. При увеличении теннисного мячика до масштабов Земли возникнет иная картина. Допустим, что мячик состоит главным образом из атомов углерода и весит 1 кг. В этом случае на каждый его кубический сантиметр приходилось бы примерно 22 атома. Полагаю, у такого мячика плотность была бы меньше, чем плотность верхних слоев атмосферы.

Стивен Форбс (Лидс, Великобритания)

 

Баланс сил

Правда ли, что южная часть Британии опускается, а северная — поднимается? Если это так, то почему?

Дейв Валентайн (Эдинбург, Великобритания)

Да, это правда. Это результат процесса, известного как восстановление изостатического равновесия. Со времени последнего ледникового периода северная часть Британии избавилась от большой массы льда. Поскольку земная кора не является неподвижной, как нам кажется, и обладает некоторой упругостью, под дополнительной тяжестью она постепенно опускается, а избавляясь от части груза — постепенно поднимается. На восстановление равновесия уходят тысячи лет. Если сдвинуть с земной коры, скажем, каменный пласт толщиной 300 м, кора поднимется примерно на 200 м — подобно тому, как у судна, с которого убрали груз, уменьшается осадка. Плотность льда в три раза меньше, чем плотность породы земной коры, поэтому при сбросе 300-метрового слоя льда земная кора поднимется примерно на 60 м. В ледниковый период территории современных Скандинавии и Шотландии были покрыты слоем льда толщиной более 300 м. В северной части Прибалтики процесс поднятия земной коры идет наиболее быстро — со скоростью порядка 1 м за 100 лет, что в принципе можно проследить на протяжении жизни человека. В области Гудзонова залива, в районе Канады, тоже происходит поднятие земной коры с аналогичной скоростью и по тем же причинам. Наиболее быстро этот процесс протекает на северо-востоке Шотландии, где поднявшееся побережье находится на высоте нескольких метров над нынешним уровнем моря. Так почему же южная часть Британии опускается? Во-первых, некогда ледяной щит, покрывавший Шотландию, вызвал поднятие прилегающих к ней областей, где ледяной покров отсутствовал, — так давление на какой-то участок водоносного пласта вызывает поднятие уровня поверхности всех соседних участков. Ныне происходит обратный процесс, и некогда поднявшиеся южные регионы Британии и Прибалтики теперь опускаются. Во-вторых, происходит повышение уровня Мирового океана. Некогда уровень моря быстро поднимался за счет таяния ледниковых покровов таких регионов, как Шотландия. Теперь в результате глобального потепления происходит таяние ледников и океаны пополняются талой водой. Повышается температура воды в океанах, а термальное расширение также способствует повышению уровня моря. Таким образом, на южную часть Британии свалились сразу две напасти: опускание земной коры и повышение уровня моря. Если бы уровень моря не поднимался, линия между опускающейся и поднимающейся частями Британии проходила бы между Уэльсом и Йоркширом. А так эта линия отодвинута дальше на север — к границе между Англией и Шотландией. Что касается перспективы уйти под воду, то здесь район Лондона поджидает опасность с пяти сторон. Два фактора риска мы уже назвали. Суть третьего заключается в том, что долина реки Темзы — синклиналь, область осевшего участка земной коры. Также до недавнего времени Лондон оседал за счет того, что из-под него была отведена часть грунтовых вод. И наконец, конусообразная форма Северного моря способствует образованию штормовых нагонов при входе в устье Темзы, причем их мощность постоянно увеличивается. Все это приводит к неутешительному выводу: низовье Темзы — не самое подходящее место для возведения крупного столичного города.

Хиллари Шоу (Сканторп, Великобритания)

Мы опускаемся, море поднимается, затапливая нас. За счет термального расширения океанов уровень моря повышается примерно на 3 мм в год. Здесь, в Эссексе, в юго-восточном уголке Британии, суммарное воздействие двух процессов — опускания суши и прибывания воды — таково, что относительный уровень моря повышается на 6 мм в год. Это огромная головная боль для специалистов по охране окружающей среды, владельцев недвижимости, размещенной в прибрежной зоне, и для служб, ответственных за морские берегозащитные сооружения.

Крис Гибсон (специалист по охране окружающей среды Великобритании, Колчестер)

 

Убегающие волны

Как-то раз мы с женой отдыхали, и у нас вышел спор: если бросить камни в воду средиземноморской гавани Сьютаделла, расположенной на Менорке, достигнут ли образовавшиеся волны берегов Северной Америки? Жена утверждала, что не достигнут, потому что им пришлось бы миновать Гибралтарский пролив и пересечь Атлантику, преодолевая противодействие других волн, берега, морского дна и штормов. Я же сказал, что волны, пока они не разобьются о берег, могут существовать бесконечно.

Кто прав? Дейв Джонстон (Хаунзлоу, Великобритания)

Права ваша жена. Волны, возникающие на поверхности жидкости, не могут существовать бесконечно. Они теряют энергию, ведь прохождение волны вызывает колебание воды, и ее энергия рассеивается за счет сил внутреннего трения. Кроме того, по мере распространения волны энергия распределяется по все большему периметру, в связи с чем плотность энергии уменьшается до тех пор, пока она не перестает поддаваться измерению на фоне флуктуационных шумов. Волны, распространяющиеся в глубине жидкой среды, не вызывают больших колебаний воды, поэтому их энергия рассеивается относительно медленно. Вот почему цунами могут проходить огромные расстояния. Однако в мелком водоеме или даже в относительно неглубоких водах Средиземного моря энергия волн рассеивается гораздо быстрее.

Саймон Айвсон (Национальный университет, Индонезия)

Волны на поверхности жидкости, вызванные падением камня, распространяются концентрическими кругами, радиус которых постоянно увеличивается. Если допустить в идеале, что высота такой волны прямо пропорциональна энергии, за счет которой она возникает и сохраняет свою силу, и что нет потерь энергии за счет трения, тогда высота этой волны обратно пропорциональна ее радиусу — в силу того, что энергия, которую она несет, распределяется по всему замкнутому контуру постоянно увеличивающейся окружности. Таким образом, к тому времени, когда волны пройдут через Гибралтарский пролив, удалившись на 1000 км от места возникновения, их радиус увеличится в 1 млн раз и высота уменьшится в 1 млн раз в сравнении с той, какую они имели, когда их радиус составлял 1 м. То есть волны, изначально имевшие высоту 10 см, по выходе из Средиземноморья уменьшатся до 100 нм, что практически не поддается измерению. В принципе волны, вызванные падением камня, должны спокойно проходить сквозь другие волны. Но если волнам, о которых говорит ваш корреспондент, удастся преодолеть 6500 км и достичь берегов Америки, они к тому времени будут иметь высоту около 10 нм, что равно толщине 100 атомов. На самом деле даже такой высоты они не достигнут из-за трения о воздух и внутреннего трения самой воды. Более того, Гибралтарский пролив лежит не на линии прямой видимости от Сьютаделлы, поэтому волнам предстоит отразиться от Северной Африки или какого-нибудь проходящего судна, что повлечет еще большие потери энергии. Обычно источником энергии волн является ветер. Изначально энергия волны от брошенного камня очень мала, и скорость ее убывания обратно пропорциональна длине волны. А поскольку волны, вызванные падением камня, имеют малую длину, их энергия очень скоро угаснет. С другой стороны, разрушительные цунами, как то, что возникло в Индийском океане в конце 2004 года, образуются при высвобождении огромного количества энергии в результате таких явлений, как подводные землетрясения. Обычно волны цунами имеют длину 500 км, поэтому они теряют мало энергии при движении в направлении отдаленного берега. В районе больших глубин эти волны могут двигаться быстрее реактивного самолета, но, имея высоту около 1 м, они остаются незамеченными, даже переваливаясь через палубы кораблей. Однако, приближаясь к побережью, волны цунами замедляют ход и начинают «расти», зачастую достигая высоты нескольких метров и порой продвигаясь далеко в глубь суши. В масштабе это сравнимо с бросанием камушков в прибрежную лужу.

Майкл Фоллоуз (Уилленхолл, Великобритания)

Вы когда-нибудь видели, как быстро затихает рябь на поверхности стоячей воды, вызванная падением камешка? Внутреннее трение воды погасит спровоцированную вами волну задолго до того, как она смогла бы достичь Гибралтарского пролива, разве что бросить камень поистине гигантских размеров.

Мортон Нэдлер (Блэксберг, США)

Даже если изначально круговой волновой фронт не встречает на своем пути берегов, высота гребня его волны уменьшается в обратной пропорции к квадратному корню из значения пройденного расстояния. Первоначально волны, вызванные падением небольшого камня в море в районе больших глубин, имеют круговую диаграмму направленности. Но этот рисунок нарушается, если сегменты волнового фронта отражаются от различных береговых линий под разными углами в разное время. Если берег пологий и песчаный или болотистый, практически вся энергия сегмента волнового фронта, достигшего этого берега, будет поглощена его элементами и сколь-нибудь значительного отражения не произойдет. Почти идеального отражения без существенных потерь энергии в единственном главном направлении можно ожидать только в том случае, если сегмент волнового фронта ударится обо что-то вроде гладкой и твердой боковой поверхности скалы, находящейся в районе больших глубин. Но если горизонтальный контур стенки скалы от уровня моря до высоты гребня волны имеет неровности, сегмент волны рассеивается, отражаясь в разных направлениях. Взгляните на подробную карту Средиземноморья, и вам сразу станет очевидно, что все до единого сегменты волнового фронта, вызванного падением камня в гавани Сьютаделла на Менорке, прежде чем докатиться до Гибралтарского пролива и выйти в Атлантический океан, сначала отразятся от множества берегов. Еще один фактор — ветер. Большинство поверхностных волн водного пространства образуются за счет энергии ветра. Если волновой фронт, возникший из-за брошенного в воду камня, движется в том же направлении, в каком дует слабый ветер, волны могут постепенно увеличиться по длине и высоте. Однако сильный ветер полностью деформирует рельеф волнового фронта, так что он полностью утратит свой первоначальный рисунок. На мой взгляд, маловероятно, что сколь-нибудь существенная часть изначального волнового фронта, образовавшегося в результате падения в воду камня в гавани Сьютаделла, достигнет Гибралтарского пролива, а тем более берегов Северной Америки. Но я признателен за столь оригинальный вопрос.

Патрик Джонсон (Портленд, США)