Круговорот воды на поверхности Земли

Рис. 17. Современный баланс земной гидросферы

Но прежде разберемся, какими водными ресурсами располагает наша планета. Несмотря на свой почтенный возраст, она, как мы видим, на исходе своих 4,5 млрд. лет вдруг обнаруживает бурную активность. В самом деле, за всю предыдущую историю, как показывают расчеты (Орлёнок, 1985), было произведено почти столько же воды (4,2×10²⁴ г), сколько за последние 60 млн. лет. А это означает, что земной океан мог возникнуть лишь в кайнозое, т.е. это очень молодое геологическое образование. В прошлом, вследствие малого количества свободной воды и низких (более чем на порядок) темпов ее поступления, могли существовать лишь мелководные моря, более или менее равномерно рассеянные по лику Земли. Если исходить из современных темпов подъема уровня моря, наблюдаемых в последние 100 лет (1,5 мм/год), то за 1000 лет подъем составит 1,5 м. Согласившись со сторонниками равномерного поступления внутрипланетарной воды на поверхность Земли, мы при данной скорости подъема уровня только за последние 50 млн. лет получим совершенно абсурдную цифру прироста толщины вод океана – 75 км. Отсюда следует, что в последнее время темпы заполнения океанских впадин водой были значительно более высокими, чем в прошлом. Причина тому – не общее потепление климата, ибо климат – явление вторичное и зависит от соотношения площади суши и моря. Речь может идти только о возросших темпах поступления воды из земных недр (табл. III.3).

Вода на Земле в далеком прошлом. Теперь мы знаем, что основная масса воды на Земле поступила из ее недр, т.е. имеет «земное» происхождение. Космос дает ничтожно мало – десятитысячную долю процента. Поэтому в расчетах этим фактором можно пренебречь.

Рассмотрим более подробно вопрос: какими водными ресурсами располагает планета и какой механизм транспортирует воду на поверхность?

То, что океанизация сопровождается активным вулканизмом, наводит на мысль: а не является ли он источником свободной воды на Земле?

Как показал вулканолог Е.К. Мархинин, в продуктах современных вулканических извержений вода действительно присутствует в виде паров, растворов и входит в состав магм. Ее среднее содержание при этом достигает 4 – 5% от массы вулканического материала. На поверхность Земли ежегодно перебрасывается из недр 9 млрд. тонн магмы, пепла, газов и различных паров, т.е. 9×10¹⁵ г. По единодушному мнению ученых, напряженность вулканизма в истории Земли была в среднем близка к современной. Поэтому, умножив цифру 9×10¹⁵ г на период геологической активности 4,5×10⁹ лет, получаем 4,2×10²⁵ г. Столько вулканического материала было выброшено на поверхность. Если весь его равномерно рассыпать по поверхности Земли, то получится слой толщиной 30 км! Таким образом, можно заключить, что верхняя часть каменной оболочки Земли – ее земная кора – сформирована продуктами вулканизма, а все ее слои некогда побывали на земной поверхности, испытали окисление атмосферным кислородом и преобразование в результате жизнедеятельности организмов.

Зная общую массу вулканического материала, можно определить, сколько воды принесли вулканы на земную поверхность: 5% от 4,2×10²⁵ г составляет 2,1×10²⁴ г. Но в течение всей геологической летописи Земли вода непрерывно (со скоростью около 2,0×10¹⁵ г в год) терялась при фотолизе. Ее общие потери составили около 2,58×10²⁴ г.

Масса современной гидросферы равна 1,6×10²⁴ г, значит, всего
было выработано планетой (1,6 + 2,5)×10²⁴ г = 4,1×10²⁴ г воды. Следователь­но, недостающая часть воды (2,0×10²⁴ г) поступила на земную поверхность невулканическим путем. Вода может транспортироваться также по глубинным разломам, сбрасываться магмой на глубине при падении давления. Иными словами, вулканизм дал лишь половину наземной воды. Другая половина поступила невулканическим путем.

Но далеко не вся масса воды вышла на поверхность. Значительная ее часть осталась захороненной в недрах Земли, пошла на увлажнение морских осадков. Сколько же из всей этой массы глубинной воды достигло поверхности?

Для ответа на этот вопрос нам придется еще раз заглянуть в глубокие недра Земли.

В центре планеты, как мы видели, находится металлическое ядро, выше (до глубин 2900 км) – обширная зона жидкого расплава, так называемое внешнее ядро, которое облекается твердой мантией – оболочкой (см. рис. 8, с. 28). В этой мантии и сосредоточено первичное планетное вещество, из которого была сформирована наша Земля. Считается, что преобразование этого протовещества происходит в результате физико-химических реакций в зоне внешнего ядра. Продукты этого преобразования – тяжелые металлы – опускаются вниз и формируют плотное внутреннее ядро, а легкие газы и силикаты поднимаются в верхние горизонты планеты. Оценивая массу ядра, земной коры и внешнего ядра, можно примерно найти, сколько протовещества уже подверглось переработке в течение всей истории Земли. Эта величина составляет 361×10²⁵ г. Непрошедшее через горнило физико-химических реакций вещество (240×10²⁵ г) сосредоточено в мантии Земли. Считается, что состав протовещества близок составу выпадающих на Землю метеоритов. Но метеориты содержат в среднем около 0,5% воды. Это позволит оценить, сколько воды было выработано при распаде 361×10²⁵ г протовещества; получается 1,8×10²⁵ г. Из этой огромной массы лишь 4,2×10²⁴ г поступило на поверхность в жидкой фазе, что составляет 23%. Значит, 77% воды навсегда осталось в недрах верхних этажей планеты. Непрошедшая через горнило физико-химических реакций часть протовещества оболочки (240×10²⁵ г) способна дать еще 1,2×10²⁵ г воды и, следовательно, 2,76×10²⁴ г в свободной фазе. Иными словами, земные недра еще должны выработать полтора объема современного Мирового океана!

Приведенные расчеты позволяют сделать ряд важных выводов относительно прошлой истории свободной воды и будущей эволюции Мирового океана.

За всю жизнь Земля уже выработала ²/₃ воды, содержавшейся в протопланетном веществе. В будущем она еще выработает примерно полтора объема Мирового океана, после чего поступление воды на земную поверхность прекратится.

Из 4,2×10²⁴ г вынесенной на поверхность воды за период океанизации, т.е. за последние 70 млн. лет, была выработана почти половина – 2,2×10²⁴ г. Оставшаяся часть поступила на поверхность в течение всей предыдущей истории Земли, т.е. за 4 млрд. лет. Естественно, этой воды было недостаточно, чтобы сформировать Мировой океан, подобный современному. Ее было слишком мало. Этой массы воды должно было хватить лишь на образование небольших мелководных водоемов. Поскольку пышная наземная растительность появилась лишь в середине палеозоя – в каменноугольном периоде, то мы должны признать, что только к этому времени мелководные водоемы более или менее равномерно покрыли земную поверхность.

До карбона воды еще было мало, поэтому жизнь не могла выйти на бесплодную неувлажненную сушу, продолжая развиваться в немногочисленных морских бассейнах докарбонового времени. С появлением обширного зеркала водоемов ускорился фотолиз, и, следовательно, стал быстро накапливаться в атмосфере кислород. В производство кислорода включилась также растущая масса биосферы. Атмосфера Земли становится все более кислородной, что способствовало развитию высших форм органической жизни.

Таким образом, вся история Земли может быть разделена на два периода – доокеанический, включающий криптозой и большую часть фанерозоя, и период океанизации, начавшийся в конце мезозоя (70 млн. лет) и продолжающийся с наивысшей скоростью в настоящее время. Причина такого разделения определяется постепенным характером накопления выделяющейся из недр свободной воды на земной поверхности. Иными словами, эволюция лика Земли и жизни шла с постепенным ускорением.

Из приведенного следует также, что Мировой океан – чрезвычайно молодое образование. Никогда на Земле не было раньше подобного глубоководного и обширного резервуара свободной воды. Поэтому тщетно искать следы древних океанов на современной суше – их там никогда не было. Океан не дается планете изначально. Он появляется в результате длительной и долгой эволюции протовещества, в результате постепенного накопления выносимой из недр планеты свободной воды.

Возникает вопрос: как долго Земля еще будет производить воду и сколько лет будет существовать океан?

Реальная фантастика голубой планеты. Средняя скорость поступления воды в период океанизации составляет 3,6×10¹⁶ г в год, т.е. на порядок ниже современной (3,6×10¹⁷ г в год). При сохранении средних темпов дегидратации, установившихся в кайнозое, в последующее вре­мя для выработки оставшейся массы свободной воды в недрах планеты (2,76×10²⁴ г) потребуется 2,76×10²⁴ г/3,6×10¹⁶ г/год = 8×10⁷ лет. Следовательно, Земля еще 80 млн. лет будет вырабатывать воду, после чего ресурсы ее протовещества исчерпаются и поступление воды на поверхность полностью прекратится. Если мы нанесем эту цифру на левую часть графика (см. рис. 16, с. 65) и предположим, что последующие поступления воды, вследствие ее уменьшения в оболочке, будут происходить все замедляясь, т.е. аналогично закону возрастания в период океанизации, то получим симметричный график (см. рис. 16, с. 65). Значит, максимума дегидратации следует ожидать в ближайший миллион лет, после чего скорость поступления воды начнет уменьшаться. Отсюда находим, что продолжительность периода океанизации составляет всего 120 – 140 млн. лет. Следовательно, океанизация – это финал эволюции планеты. Развитая гидросфера возникла на Земле на заключительном этапе ее внутренней активности.

Как же будет изменяться лик Земли в процессе финального этапа океанизации?

Современные темпы поступления эндогенной воды составляют 0,6 мм в год. Они, как мы видели, установились многие миллионы лет назад. Поэтому у нас нет никаких оснований считать, что, скажем, в ближайшие тысячи и даже сотни тысяч лет (что в геологическом масштабе времени – всего лишь миг) эти темпы могут резко измениться. Значит, через 10 тысяч лет уровень океана при отсутствии крупных из­ме­нений его емкости за счет значительных углублений дна поднимется на 6,1 м. Но такое увеличение уровня неизбежно повлечет за собой общее потепление климата, что может привести к полному или значительному таянию льдов Антарктиды и Арктики. Ликвидация этих ледников повысит уровень моря еще на 63 м, т.е. в сумме с глубинной водой уровень поднимется на 70 м. Это приведет к затоплению всей низменной суши, треть которой лежит на отметке ниже 100 м. Человечество, видимо, будет бессильно сдержать это наступление океана, ибо нельзя построить вдоль всего океанского и морского побережья дамбы высотой около 80 м. Через 100 тысяч лет уровень моря поднимется еще на 60 м и достигнет отметки +240 м. Под водой окажутся все равнины Земли. Через миллион лет уровень поднимется еще на 500 м и достигнет отметки 600 – 650 м. Теперь уже только горные области в виде редких островов будут возвышаться над гладью безбрежного океана. Наша Земля превратится в планету-океан. Все предыдущее рассмотрение показывает, что реальность столь быстрого и значительного подъема уровня Мирового океана чрезвычайно высока. Теперь мы видим, что происходящее наступление океана на побережьях Голландии, Средиземного моря и в других районах – это не случайные явления. Наблюдаемое здесь наступление океана является следствием общепланетарного процесса, имя которому – океанизация Земли! Поэтому ожидать кардинального изменения существующих условий было бы непростительной ошибкой. Усилия по защите затапливаемых побережий должны быть утроены. Недооценка явления океанизации вскоре может обернуться значительным удорожанием работ или даже безвозвратной утратой обширных территорий. Фантастика голубой планеты, к сожалению, слишком реальна!

Что ожидает планету в более отдаленном будущем? Как было показано, в предстоящие 70 – 80 млн. лет земные недра выработают еще примерно полтора объема Мирового океана, т.е. 2,76×10²⁴ г воды. Вместе с имеющейся массой гидросферы (1,64×10²⁴ г) это составит 4,4×10²⁴ г. Современные ежегодные потери воды на фотолиз составляют примерно 20% ее ежегодных поступлений, т.е. 0,7×10¹⁶ г. При дальнейшем подъеме уровня моря площадь зеркала Мирового океана увеличится с 360×10¹⁶ до 400×10¹⁶ см² и более. Значит, объем испарения будет больше, чем теперь. В результате фотолиз ускорится на одну треть, достигнув 2,1×10¹⁶ г в год (табл. III.4).

Таблица III.4

Структура и баланс протовещества Земли (Орлёнок, 1985)

Окончание табл. III.4

Следовательно, при отрицательном балансе водных поступлений (только расход, приход воды, как мы теперь знаем, через 70 – 80 млн. лет прекратится) для полного исчезновения гидросферы с поверхности Земли потребуется (с учетом захоронения 20% Н₂О от массы 4,4×10²⁴ г в будущей 1 – 2-километровой толще морских осадков) около 40 млн. лет. Таким образом, в течение ближайшего миллиона лет вся поверхность Земли, за исключением высокогорных областей, будет покрыта водами Мирового океана, и на 40 млн. лет она превратится в планету-океан. Со временем высыхающие океаны вновь откроют погребенные под морским илом континенты, а затем они навсегда исчезнут с лика Земли. Поверхность планеты превратится в безжизненную пустыню с зияющими впадинами высохших океанов, над которыми будут высоко возвышаться останцы некогда цветущих континентов.

Современный баланс суши и моря оказывается величиной крайне непостоянной. Начавшийся 60 – 70 млн. лет процесс океанической экспансии продолжается. Отсюда становится ясным, что зарождение и развитие земной цивилизации пришлось на лучшую пору геологического развития планеты в смысле сбалансированности площади суши и моря, климата и т.д. Для беспечного существования человеческой цивилизации на нашей планете отведено удивительно мало времени. Уже в ближайшие тысячелетия ей придется начать необычайно трудную борьбу с наступлением океана или же искать пути приспособления к новым быстро меняющимся условиям.

Таков неизбежный закон эволюции планеты: от бесплодной, безводной, огнедышащей Земли – к цветущему зелено-голубому оазису, затем к планете-океану и, наконец, к безжизненной пустыне. Весь этап займет около 40 млн. лет. Думается, что у цивилизации будет достаточно времени, чтобы научиться управлять процессами и в глубоких недрах Земли. Возможно, будут созданы условия для жизни на Луне, Марсе, Венере, наконец, человек сможет переселиться в другие, более благоприятные для жизни миры. Это придется рано или поздно предпринимать, ибо само Солнце, как мы увидим, тоже не вечно.