2) природу і розподіл джерел тепла;
3) структуру теплового поля на поверхні Землі в даний час;
4) зміна температури з глибиною;
5) розподіл теплофізичних властивостей (теплоємність, теплопровідність і т.д.) з глибиною;
6) механізм перенесення тепла.
Більшість цих параметрів невідомі або відомі частково (наприклад, розподіл температури з глибиною). Загалом, гаряча Земля віддає тепло в океан і атмосферу, де воно додається до тепла, одержуваного від Сонця, а в кінцевому рахунку розсіює це тепло в холодному космічному просторі. Щільність земного теплового потоку q висловлює втрати теплової енергії Землі через одиницю її поверхні в одиницю часу. Величину q зазвичай скорочено називають тепловим потоком. Він дорівнює добутку геотермічного градієнта по нормалі до земної поверхні (Grad Tn) на теплопровідність середовища (k). Однорідні тектонічні структури характеризуються однаковою величиною теплового потоку. Стабільним областям властиво однорідний розподіл теплового потоку. Мінімальні значення q мають давні докембрійські платформи. В областях геологічно молодих фанерозойских платформ потік ендогенного тепла збільшується. Ще більшою мірою він збільшується в районах фанерозойськой складчастості, зростаючи від давніших структур до більш молодим. Таким чином, Земля має чималу тепловою енергією, яка надходить в космічний простір через її поверхню і розсіюється. Зрозуміло, потік цієї енергії менше, ніж потік сонячної енергії, що досягає нашої планети і нагріває її поверхню, воду океану і атмосферу. Треба пояснити, що при всіх рівних умовах, чим холодніше поверхню Землі, тим інтенсивніше потік ендогенного тепла.
Середній потік сонячного тепла, що досягає поверхні Землі на континентах, становить 1/100 кал на кв. см в сек. Пряме вимірювання теплового потоку в свердловині «Рукхоуп» на півночі Англії оцінюється значенням 0,00216 ± 0,07 кал на кв. см в сек. На жаль, надійних даних про величину цього параметра дуже мало.
Температура на поверхні Землі залежить від відбивної здатності планети - її альбедо. Альбедо поверхні - це відношення величини потоку енергії відбитих сонячних променів до потоку енергії падаючих на поверхню сонячних променів, виражене у відсотках або частках одиниці. Альбедо Землі у видимій частині спектру - в середньому близько 40%. Значна частина енергії сонячного світла, що падає на нашу планету, відбивається хмарами. За відсутності хмар альбедо було б близько 15%. Але альбедо залежить не тільки від хмар, воно залежить від багатьох факторів, в тому числі від снігового покриву та тривалості його збереження протягом року, кольору гірських порід, кольору рослинності, наявності льодовиків.
Поки що климатологами при розрахунку теплового балансу Землі враховується тільки одне джерело тепла, одержуваного планетою - енергія Сонця. Але є ще одне джерело - ендогенна енергія самої планети. На жаль, її роль в тепловому балансі Землі і в кліматології не враховується.
Потік сонячного випромінювання, що припадає на одиницю поверхні Землі, закономірно зменшується від екватора до полюсів.
Розподіл значень внутрішнього теплового потоку по поверхні Землі не випадково. Регіони з більш високими (позитивними) аномаліями теплового потоку називаються «гарячими точками». В даний час все ще ведуться суперечки щодо того, чи рухаються ці гарячі точки разом з тектонічними плитами під час їх дрейфу, або ж вони мають більш глибоке походження в мантії.
Середні значення теплового потоку в мікро калоріях на кв. см в сек. в регіонах з різними типами геологічної будови кори (Стейсі, 1972; с. 270)
материки
докембрийские щити
Последокембрійскіе неорогеніческіе області
Последокембрійскіе орогенічеськие області
Зони кайнозойської вулканізму
Середнє для материків (крім геотермальних областей)
«Среднесеточное» для материків *)
0.92 ± 0.17
1.54 ± 0.38
1.48 ± 0.56
2.16 ± 0.46
1.43 ± 0.56
1.41 ± 0.52
океани
Основна частина басейнів
океанічні хребти
жолоби
Інші (шельфи та ін.)
Середнє для дна океану
«Среднесеточное» для океанів *)
28 ± 0.53
1.82 ± 1.56
0.99 ± 0.61
1.71 ± 1.05
1.60 ± 1.18
1.42 ± 0.78
Середнє для Землі (за всіма значеннями)
«Среднесеточное» для Землі *)
1.58 ± 1.14
1.43 ± 0.75
*) Кожне значення, використане для отримання «среднесеточного», являє
собою середнє з усіх вимірів, що потрапляють на квадрат 5х5 градусів (300х300 морських миль).
Справа в тому, що інтенсивність потоків ендогенного тепла на континентах і в океанах приблизно рівна, і це суперечить теорії тектоніки плит. Це особливо дивно, якщо згадати, що літосфера під континентами і океанами має різну будову: континентальні породи містять поблизу поверхні набагато більше радіоактивних речовин, ніж океанічні. Ця різниця повинна була б якимось чином врівноважуватися на глибині.
З порівняння регіонів різного типу слід, що чим раніше закінчилися магматичні процеси, пов'язані з орогезом, тим менше величина сучасного теплового потоку. Цей загальний висновок, мабуть, вірний, але не потрібно забувати, що існують значні зміни теплового потоку місцевого характеру. Зокрема, вони спостерігаються над такими структурами, як серединно Атлантичний хребет, де, ймовірно, є локалізовані джерела тепла, що знаходяться на глибинах до декількох десятків кілометрів. Вчені чомусь думають, що внесок цих потоків тепла в глобальне розподіл ендогенного тепла малий.
Раніше я вже писав про те, що роль ендогенного тепла Землі абсолютно марно не береться в розрахунок климатологами і океанологами. Покопавшись в публікаціях, я знайшов дещо цікаве на цю тему, що підтверджує висловлену раніше гіпотезу про вплив тепла, що йде з надр нашої планети, на її клімат. Як відомо, земна кора на дні океанів значно тонше, ніж під материками. Вона більш щільна і має більшу питому вагу, а отже, її теплопровідність вище. Це означає, що на дні океанів в воду ендогенної теплової енергії надходить більше, ніж через материки в атмосферу.
Виверження "чорного курця". Можна собі уявити, яким має бути тиск в надрах цього вулканчик, щоб подолати тиск в 200 атмосфер і викидати ці клуби гарячої води.
У 70-х роках минулого століття було зроблено важливе відкриття, яке перевернуло багато уявлень вчених. Біля Галапагоських островів на глибині від 2 до 4 тисяч метрів були виявлені розломи, з яких в океан надходила гаряча вода. На дні були виявлені маленькі вулкани - гідротерми. Походження гидротерм пояснюють так: морська вода по розломах потрапляє в товщу океанічної кори, там розігрівається за рахунок ендогенного тепла планети, в ній розчиняються різні хімічні елементи, потім гаряча вода під сильним тиском викидається з надр по розломах і надходить в океан. Тут, остигаючи, вона виділяє різні мінерали, в тому числі і корисні копалини. У місцях викиду гідротермальної води утворюються невеликі вулкани заввишки до 40 метрів. Ці вулкани і назвали «чорними курцями» через те, що вода виходить з них, чорного кольору.
"Чорних курців" виявили на дні Червоного моря, а потім їх стали знаходити і в інших районах Світового океану. Температура виходять з них розчинів досягає 350 ° С. А ось в Каліфорнійській затоці "курці" представляють собою вежі, складені сульфідними породами. З грифонів цих "урільщіков" на висоту до 150 м піднімаються султани чорного "диму". На ділянці в 14 квадратних кілометрів цієї затоки нарахували близько 80 "курців". В умовах повної темряви, при тиску в 200 атмосфер і при температурі близько 40 ° С навколо "курців", в середовищі, що містить свинець, живуть і чудово себе почувають сотні видів тварин. Деякі з них досягають метрових і навіть двометрових розмірів.
Біля "чорних курців" на дні океану є інше життя, енергетичною основою якої є не фотосинтез, а хемосинтез. У непроглядній темряві тут живуть не лише примітивні організми, а й високо організовані багатоклітинні - навіть ракоподібні і риби.
У зоні Рифт відбувається зниження тиску, плавиться океанічна кора і утворюється магма, яка підступає до поверхні. Контакт магми з морською водою призводить до вилуговування базальтів, до збагачення води металами. В результаті цих процесів утворюються справжні химерної форми залізисті і марганцеві конуса висотою в сотні метрів. На схилах цих конусів в достатку знаходяться підводні гідротерми у вигляді чорних курців.
На захід від глибоководного Маріанського жолоба, глибина якого досягає 11022 м, а довжина 1340 км при ширині 59 км, відкрита підводна гора висотою 2500 м над океанським ложем. Темні клуби виходять з труб на схилах цієї гори. Спочатку Акванавт вирішили, що це звичайні "чорні курці". Але виявилося, що вода, фонтануюча з них, холодна і сильно мінералізована. Мінеральний склад цієї води відрізнявся від мінерального складу води звичайних "чорних курців". Якщо "чорні курці" зобов'язані своїм походженням вулканічної діяльності, то нові освіти мали невулканіческой походження. Труби були складені серпентинітами і частково карбонатами, оливинами, піроксенами. Причиною викиду холодної води з надр в цьому випадку є високий тиск в океанічній корі при відсутності її розігріву.
Коли вода вивергається з жерла курця, вона розігріта до 400 ° С. Але, стикаючись з морською водою, вона швидко остигає, віддаючи тепло в океан. Під час огляду гірського масиву посеред Атлантичного океану були виявлені величезні, сліпучо-білі вежі. Їх висота досягала шістдесяти метрів. Вони були схожі на сталагміти. Поруч з цими вежами, що займали майданчик розміром з футбольне поле, виднілися три з гаком десятка виступів і зубців метрової висоти, а також численні ущелини, заповнені білою породою. Це були гідротермальні джерела невідомого раніше типу; несхожі на «чорних курців» (А. Зайцев). Як вважає Дебора Келлі, такі джерела зустрічаються навіть частіше чорних курців, адже ті можна знайти лише уздовж кордонів тектонічних плит, а ці поширені на великій відстані від цих кордонів. вважає Дебора Келлі. У водах Атлантичного океану на глибині близько 3 кілометрів виявили гідротермальний джерело, що подає воду в океан розігріту до рекордної температури в 464 ° С. Це джерело розташувався на гігантському міхурі магми, що скупчилася в розломі в південній частині Серединно-Атлантичного хребта (Andrea Koschinsky - Fritsche, Jacobs University Bremen).
У Південній Атлантиці також був виявлений гарячий підводний гідротермальний джерело з класу «чорних курців». Відкриття зробила експедиція Міжнародного університету Бремена під керівництвом Анджея Кочінского. Температура цього «курця» 407 ° C. Критична точка морської води знаходиться на позначці тиск в 298 атмосфер і температура 407 ° С. При досягненні цієї точки перегріта вода переходить в стан, коли пар і рідина не відрізняються один від одного. Звичайна морська вода проникає в розломи на дні, де нагрівається, стискається підступаючої магмою і переходить в незвичайний стан. Будучи менш щільної, така рідина-пар "вистрілює" нагору, і утворюються ті самі "чорні курці".
Схема будови континентальних і океанічних вулканів
У 1954 році геолог Х. Хесс запропонував гіпотезу, згідно з якою океанське ложе складається з базальтів, а під ним тягнеться перідотітового мантія. Перидотит - темна, із зеленуватим відтінком порода, що складається на 60% з олівіну, 31% пироксена; інше - апатит, рудні мінерали та ін. З мантійних глибин до поверхні ложа океану йдуть ювенільні водні маси. Взаємодія цих вод з перидотитами призводить до утворення серпентину. Цей процес повинен бути особливо активним в районах серединних океанічних хребтів. Ці процеси відіграють в житті планети помітну роль, так як система серединно-океанічних хребтів простягається на тілі Землі майже на 70 000 км.
Однак гіпотеза Хесса суперечить концепції тектоніки плит, тому тоді вона була відкинута геофізики. Але в сімдесятих роках до цієї гіпотези знову звернулися. Сейсмічні дослідження вказують, що в деяких місцях Тихого океану безпосередньо під товщею води знаходяться масивні тіла, складені серпентинітами. Геофізики відзначають високу температуру, властиву Марианским підводним вулканам в зонах залягання серпентінітов.
Гідротермальні джерела серединно-океанічних хребтів на дні океанів численні. Їх внесок у тепловий потік, що йде з надр Землі, складає близько 20%. Щорічно з цих джерел закінчується в океани близько 3,5 мільярдів тонн гарячої (350 ° C) води через чорні курці. і близько 640 мільярдів тонн з низькотемпературних джерел (20 ° C).
Але не тільки "курці" підігрівають води океанів. На дні морів і океанів вивергаються і справжні вулкани, виливають величезні кількості лави, розігрітій до 1200 ° С. І таких вулканів чимало. Стикаючись з водою, лава віддає тепло і застигає. Мені здається, що враховувати їх вклад в тепловий баланс океану просто необхідно. Особливо, якщо ми хочемо робити кліматичні і океанологічні прогнози. Нагріваючи воду в місці виверження, вулкани створюють в океані температурні градієнти і змушують товщі води рухатися з місць гарячих в місця більш холодні. Наприклад, посилилася вулканічна діяльність підводних вулканів в екваторіальній зоні Атлантичного океану і посилилися течії в сторону Льодовитого океану, чому збільшився перенесення тепла в Арктику, і не тільки тепла ендогенного, а й екзогенного сонячного. Посилилася вулканічна діяльність на дні Льодовитого океану, і загальмувалося течія Гольфстрім, тому що вода в Льодовитому океані стала трішки тепліше за рахунок ендогенного тепла.
Підводні вулкани в Тихому океані
Вулканічні виверження під водою також (а можливо і більше) часті і сильні, як і на суші. З кораблів мореплавці помічають раптова поява над водою стовпів пара, газу та полум'я, або плаваючу на поверхні у великій кількості пемзу. Іноді наштовхуються на знову з'явилися острівці, які з часом знову зникають. Якщо в виверженні переважають попіл, шлак, пемза, то споруда швидко розмивається водою; якщо ж підводний вулкан вивергає більше лави, то вулкан виходить на поверхню води, швидко збільшуючись в розмірах. Такі вулканічні острова Гаваї і Стромболі. Вулкан Катмаи біля Аляски виріс з-під води і утворив острів Іоанна Богослова. Виступивши на поверхню моря, він протягом двадцяти років продовжував вивергатися і рости; поступово лава зробила острів міцним, не піддається руйнуванню морських хвиль і вітрів. На південь від Нової Зеландії майже на очах мореплавців виник о-в Пемза. Температура води в районі цього острова досягала 60 ° C.
Виверження підводного і надводного вулканів. Конус виріс з-під води протягом декількох тижнів. Чітко видно, що океан в зоні виверження кипить.
