Полная версия

Главная arrow Математика, химия, физика arrow Вращение Земли от архея до наших дней

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

ПРИЛИВНАЯ ЭВОЛЮЦИЯ СИСТЕМЫ «ЗЕМЛЯ - ЛУНА»

Введение в проблему

Диссипация в геосферах энергии лунных и солнечных приливов является определяющим фактором эволюции системы «Земля - Луна» (СЗЛ) не только в историческом прошлом и в настоящее время, но и на протяжении всей истории СЗЛ, начиная с момента ее образования. Задача о приливной эволюции, как уже было отмечено выше, теоретически была сформулирована в конце XIX века Дж. Дарвиным и постоянно привлекала к себе внимание геофизиков и астрономов. Наиболее известные исследования прошлых лет принадлежат Г. Герстенкорну [239], Г. Джеффрису [58], У. Кауле [267], Г. Макдональду [116] и П. Голдрайху [47]. Результаты, полученные к середине XX века, обсуждены в монографии Е.Л. Ру скол [154].

Во всех этих работах в основу модели приливного взаимодействия в системе «планета - спутник» положена аналогия океанических приливов земным, морфология которых определяется зональной сферической гармоникой второго порядка. Для описания же приливной диссипации используется понятие эффективного угла запаздывания приливов 5 или диссипативного фактора Q = ctg28 [116], которые в теорию должны вводиться исходя из эмпирических данных.

В 80-е годы XX века был предложен спектральный подход к решению задачи о приливной диссипации в гидросфере [52-54; 70; 121; 310], который оказался весьма перспективным не только для понимания физической сущности явления, но и для расчета усредненных в геологическом масштабе времени характеристик приливной эволюции СЗЛ [69; 253; 347; 348]. Идея спектрального подхода заключается в том, что Мировой океан, обладая набором собственных частот колебаний, в определенные геологические эпохи находился в резонансном состоянии по отношению к основной приливной гармонике - полусуточной волне М2. Элементарная оценка основного периода собственных колебаний Мирового океана Т = 2L/Q7D)1/2 показывает, что он определяется характерным линейным размером океана L, его глубиной D и ускорением силы тяжести д [334]. Для L~5000 км, D~4 км получаем Г~0,5 сут.

Вследствие дрейфа материков пространственные параметры Мирового океана L и D изменялись. Менялись также очертания береговых линий, площади мелководных зон. Расчеты спектров собственных колебаний Мирового океана для различных интервалов фанерозоя показали, что объединение материков в суперконтиненты типа позднепалеозойской Пангеи приводило к ослаблению амплитуды приливной волны М2, в которой дис- сипирует большая часть энергии, а распад суперконтинентов - к усилению полусуточной гармоники [53].

Согласно теории, развитой в [69], скорость приливной диссипации (следовательно, и скорость эволюции СЗЛ) определяется долей времени, в течение которого Мировой океан находится в резонансном состоянии. Для фанерозоя эта доля составила 40 %. Однако она не могла быть такой в течение всей истории СЗЛ, поскольку в этом случае продолжительность приливной эволюции оказывается много короче 4 млрд лет, т. е. опять возникает парадокс временной шкалы, о котором упоминалось в п. 1.8.

Реализация спектрального подхода для решения проблемы эволюции СЗЛ, как, впрочем, и расчеты приливной диссипации по котидальным картам, построенным на основе палинспастических схем, наталкивается на трудности, связанные с недостатком данных о палеоокеане [70]. Если для кайнозоя и мезозоя погрешности в определении ширины океанов составляют около 200 км, то для раннего палеозоя эти погрешности уже достигают нескольких тысяч километров. Не лучше обстоит дело и с шириной шельфовой зоны и с палеоглубинами. Для протерозоя неопределенности палеогеографии еще больше.

Модель запаздывающего упругого статического прилива, в общих чертах представленная в п. 1.8, является, безусловно, более упрощенной в сравнении с геофизическими моделями [52; 69; 253; 310; 347; 348]. Однако эта модель имеет и свои преимущества в том плане, что моменты приливных сил имеют достаточно простое аналитическое представление (уравнения (1.45)). Все особенности приливной диссипации можно выразить через эффективный угол запаздывания приливов 5 (см. рис. 1.12). Следуя Г. Макдональду [116], вместо угла 5 будем рассматривать приливной диссипативный фактор Q = ctg5 « sin-1 б. Использование этой интегральной характеристики приливной диссипации в какой-то мере избавляет от необходимости обращаться к деталям палеогеографии материков и океанов. На первый план выходит знание того, были ли в рассматриваемую геологическую эпоху материки объединены в суперконтинент (или два суперконтинента) или нет, и приблизительно в каких широтах существовали эти суперконтиненты. Такого качества информация для протерозоя имеется [178; 308].

Возвращаясь снова к пионерским работам по проблеме эволюции СЗЛ, еще раз отметим, что именно в них авторы столкнулись с парадоксом временной шкалы и вынуждены были обсуждать такие экзотические ситуации в истории СЗЛ, как нахождение Луны вблизи или даже в пределах сферы Роша («событие Герстенкорна») или обратное вращение по орбите Луны (расчет Макдональда). Это было связано с тем, что в те годы практически еще отсутствовали данные, на основании которых можно было бы вывести заключение об изменении диссипативных свойств Земли в далеком геологическом прошлом. Поэтому при расчетах современные условия приливной диссипации экстраполировались на всю историю существования СЗЛ. Некоторые гипотетические зависимости эффективного угла 5 от времени, которые бы обеспечивали разрешение парадокса временной шкалы, были рассмотрены Е.Л. Рускол [154].

Ситуация в корне изменилась в конце 70-х - начале 80-х годов прошлого столетия, когда в разных разделах наук о Земле было накоплено определенное количество эмпирических данных, которые позволили подойти к разработке моделей глобальной эволюции нашей планеты [178]. Геологические, геофизические, палеонтологические и другие данные для последних 570 млн лет позволяют представить геодинамическую обстановку в фанерозое не только в общих чертах, но и выделять в ней некоторые особенности. Очень важно, что для этого интервала истории Земли, в пределах которого, по сути дела, сосредоточена почти вся количественная информация о геодинамических процессах, имеются также и палеонтологические данные, по которым можно вычислить суточное вращение Земли и среднее вращение Луны. Эти данные представлены в конце гл. 1 (п. 1.10). Они имеют большую ценность для геодинамики, поскольку вариации суточного вращения Земли представляют собой интегральный отклик на глобальные гео динамические процессы.

Однако фанерозой в шкале приливной эволюции - это очень короткий интервал, в течение которого, как показывают расчеты, не очень заметно изменились вращения Земли и Луны, а также расстояние между ними. Главное значение для расчетов параметров СЗЛ в прошлом представляют данные о Мировом океане и расположении континентов в протерозое и архее. Из того минимума эмпирических данных, который имеется для криптозоя, а главное, из согласованных с этими данными моделей глобальных геодинамических процессов общие черты эволюции гидросферы и тектоносферы удается проследить, по крайней мере, вплоть до позднего архея [179; 308]. Однако единой точки зрения на этот счет нет. В [308] на основе палеомагнитных данных сделан вывод о том, что на протяжении почти всего протерозоя материки были объединены в единый суперконтинент. По геологическим данным в [179] представлена иная картина кинематики литосферных плит в докембрии, согласно которой в протерозое образовывались и распадались три суперконтинента. Для проблемы эволюции СЗЛ важно то, как зависела величина приливного трения от этой кинематики. Ниже будут приведены аргументы в пользу того, что диссипация приливной энергии в докембрии была заметно меньше, чем в среднем в фанерозое, практически независимо от того, какова была кинематика литосферных плит. Это, в свою очередь, предполагает растягивание шкалы приливной эволюции.

Следует упомянуть также еще об одном, весьма кардинальном подходе к решению проблемы приливной эволюции СЗЛ, который предложен в работах Ю.Н. Авсюка [3-5]. С точки зрения Ю.Н. Авсюка, важную роль в гравитационном взаимодействии Земли и Луны играют два обстоятельства. Во-первых, это некеплеровское движение центра масс СЗЛ по орбите вокруг Солнца, которое продуцирует дополнительные возмущения силы тяжести, сопоставимые по величине с рассмотренными выше приливными возмущениями. Во-вторых, предполагается, что твердое субъядро Земли испытывает смещение в результате действия на него эффекта Магнуса - Роббинса, суть которого состоит в том, что вращающееся и поступательно движущееся в жидкости тело имеет систематический уход в направлении заданного движения. Все это в совокупности, по мнению автора работ [3-5], приводит к колебательному характеру в приливном взаимодействии Земли и Луны. В частности, амплитуда колебаний расстояния между Землей и Луной получается порядка 4R, период колебаний - порядка 150-200 млн лет, т. е. близок к периоду основных тектонических циклов фанерозоя: альпийскому, киммерийскому, герцинскому и каледонскому.

Однако гипотеза о периодических изменениях радиуса лунной орбиты и, как следствие, о колебательном характере ротационного режима СЗЛ противоречит основным гипотезам образования Луны [68], а именно, гипотезам мегаимпакта [66] и гравитационного захвата Луны на земную орбиту [286]. Главный же аргумент против того, что эволюция СЗЛ имела чисто колебательный характер, - это эмпирические данные о продолжительности года и синодического месяца, полученные на основе анализа ритмов роста древних кораллов, моллюсков и строматолитов. Эти данные суммированы и представлены в п. 1.10, и из них следует, что в течение фанерозоя угловые скорости суточного вращения Земли и орбитального движения Луны монотонно уменьшались, а радиус лунной орбиты возрастал. Правда, как будет показано ниже, помимо монотонного характера изменений ротационных характеристик СЗЛ в фанерозое можно выделить и некоторые циклические изменения с характерным временем порядка 150 млн лет, которые при желании можно отнести к тому эффекту, который рассмотрен в работах Ю.Н. Авсюка. Однако амплитуда колебаний существенно меньше 4R.

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>