Марк Медовник - Жидкости

Кора Земли лежит на текучем камне, и если сверху на нее давят, например, несколько километров льда, она будет постепенно погружаться в мантию. Именно так происходит с Антарктидой и Гренландией, которые покрыты двух-трехкилометровой толщей льда. Чтобы лучше представить себе масштаб этих ледяных пластов, подумайте о том, что в антарктическом ледяном панцире заключено 60 % всей пресной воды на поверхности планеты — примерно 26 млн трлн л воды, которые весят примерно 26 000 трлн т. Если бы весь этот лед растаял в результате глобального потепления, уровень океанов поднялся бы более чем на 50 м, затопив все прибрежные города в мире и оставив без крова сотни миллионов людей. Это кажется очевидным. Менее очевидно то, что исчезновение льда с поверхности Антарктиды снимет напряжение с камня внизу и все эти массы земли разожмутся и вылезут наверх (это называется гляциоизостазией, или послеледниковой отдачей). Гренландия в схожей ситуации: кора под ней нагружена тремя миллионами триллионов литров воды, содержащейся в ледниковом щите, и если всё это растает, то Североамериканская тектоническая плита всплывет. Если в результате подъем материка окажется больше, чем подъем уровня мирового океана, то серьезного затопления, возможно, удастся избежать. Разобраться, что произойдет на самом деле, жизненно важно для нашего будущего и особенно грядущих поколений. Ведь если глобальное потепление усилится, как оно вроде бы собирается сделать, один из этих сценариев точно осуществится.

На данный момент известно следующее. Среднемировой уровень моря с начала XX в. поднялся на 20 см. Отчасти это объясняется термальным расширением воды в океанах в связи с их потеплением: более теплые жидкости занимают больший объем. Отчасти причина в таянии ледяных покровов Гренландии и Антарктиды, и в еще большей степени — в том, что другие ледники тоже тают. Подъем уровня моря глобален; он грозит каждому, у кого есть побережье, от крохотного островка в Тихом океане, который ждет полное затопление, до громадных стран, таких как Бангладеш, где подъем уровня океана на метр приведет к тому, что 20 % территории страны будет затоплено, а 30 млн человек потеряют свои дома. С другой стороны, послеледниковая отдача действует только на те побережья, которые связаны с участками земной коры, придавленными Гренландским и Антарктическим ледяными щитами. Иными словами, при таянии льда на Земле будут выигравшие и проигравшие, и всё зависит от того, что первым растает: Гренландия в Северном полушарии или Антарктида в Южном.

Если первым растает лед в Северном полушарии, то Гренландия — а с ней и Североамериканский континент — поднимется выше среднего уровня моря, так что уровни моря там первоначально даже снизятся. Лишняя вода распределится по всем океанам, а подъем северных тектонических плит будет местным явлением. Если выйдет наоборот и антарктический лед растает раньше гренландского, первыми поднимутся южные тектонические плиты, а всё восточное побережье Северной Америки окажется под водой.

Одно из главных неизвестных в этой ситуации — как быстро исчезнет лед. Ведь ему не обязательно таять, чтобы уйти с материков. Он может еще и ползти: именно так движутся ледники, которые стекают по горным склонам вниз, хотя и представляют собой твердое вещество. Ползет лед примерно так же, как сочится вязкая жидкость. Когда сила тяготения приложена к молекуле в жидкости, некоторые из слабых связей, удерживающих ее, рвутся, что позволяет ей двигаться в направлении, определяемом силой. Но молекуле, чтобы двигаться, нужно свободное пространство, и если его нет, она начинает давить на соседние молекулы, вынуждая уже их смещаться. Структура жидкости по большей части случайна, и свободные места часто открываются, позволяя молекулам двигаться и свободно перемешиваться в ответ на действие сил, а жидкости течь. То же происходит и с твердыми телами, но здесь молекулы и атомы обладают сравнительно меньшей энергией, которую могут потратить на разрыв связей с соседними молекулами, и процесс протекает гораздо медленнее. Кроме того, у твердых тел очень упорядоченная структура, и найти в них пространство, куда могли бы сдвинуться атомы, трудно. Вот почему они текут так медленно, и вот почему мы называем это свойство ползучестью. Процесс сползания твердых тел можно ускорить, поместив их под повышенное давление или повысив их температуру. При более высокой температуре атомы обладают большей колебательной энергией, чтобы разрывать существующие связи и перепрыгивать на свободное место, если таковое вдруг обнаружится. Именно это происходит с ледяным покровом при повышении глобальной температуры: целые горы льда стекают под действием силы тяжести к морю.

В ледниках лед сползает относительно быстро. В 2012 г., например, ледники в Гренландии, согласно измерениям, двигались к морю со скоростью 16 км/ч. Всё происходило так быстро, потому что ледовый покров там достиг температуры от –10 до –50 °C. Может показаться, что это очень холодно, но это всего на 10–50 °C ниже точки таяния, то есть 0 °C. А это означает, что энергия молекул H 2O внутри ледяного кристалла не слишком далека от температуры, при которой он превращается в воду. Для скал в горах точка плавления лежит где-то между 1000 и 2000 °C, атомы в камне больших гор находятся на тысячи градусов ниже точки плавления и по поведению, соответственно, куда больше похожи на твердые тела, чем ледник. Так что горы сползают медленнее, чем ледники, но все же сползают; им просто требуются миллионы лет, чтобы переместиться на заметное расстояние. Ниже, в глубинах земной коры, температура намного ближе к точке плавления камня, поэтому тектонические плиты ползут быстрее, чем горы, со скоростью 1–10 см в год.

Может показаться, что это совсем немного, но представьте себе, что навстречу ей движется другая тектоническая плита и силы действуют по всей линии разлома, протянувшейся на сотни километров. Что-то должно уступить. Если нет, напряжение будет годами копиться, пока что-нибудь не лопнет и не соскользнет, вызвав почти мгновенное громадное высвобождение энергии — землетрясение. Количество энергии, высвободившееся в ходе землетрясения 1906 г. в Сан-Франциско, было эквивалентно взрыву примерно тысячи ядерных бомб. Землетрясение, которое вызвало цунами, обрушившееся на Японию в 2011 г., было эквивалентно двадцати пяти тысячам ядерных бомб. Именно этот гигантский выброс энергии делает разрушения от землетрясений такими обширными; даже одна крупная «подземная буря» с эпицентром в нескольких сотнях километров от любого города может стать по-настоящему опустошительной.

Но такое накопление напряжений не всегда заканчивается землетрясением. Иногда массы камня ползут и, подобно двум листам бумаги, которые вы толкаете навстречу друг другу, медленно поднимаются вверх, чтобы снизить напряжение. На это требуются громадные силы, но ведь их и логично ожидать от тектонических плит. Именно такое медленное, но неуклонное сминание каменных плит формирует горы. Все великие горные хребты Земли — Альпы, Скалистые горы, Гималаи и Анды — расположены на стыках тектонических плит и сформировались благодаря явлению ползучести за миллионы лет.