Природа квазирегулярности катастрофических изменений климата и их влияние на биоразнообразие Земли
Косарев А.В., инженер, член АН “Векторной энергетики” (общественная организация)
Введение
История климата на Земле за более чем три миллиарда лет существования органического мира изобилует фактами, периодически наступающих, драматических изменений, которые для живого носили катастрофический характер.
Если исходить из внешних космических и внутренних Земных условий эта ситуация может показаться не понятной. Стационарность орбиты Солнечной системы и её почти идеальная окружность, что с учётом вращения периферийных областей Нашей галактики как единого целого, говорит о стационарности положения Солнечной системы как по отношению к центру так и окружающих объектов галактики. Стационарность вращения Земли вокруг Солнца и вокруг своей оси с практически неизменными характеристиками. Большой объём воды на Земле, что способствует аккумуляции энергии и, из-за большой теплоёмкости воды, исключаются её резкие колебания. Стационарность океанических течений, перераспределяющих тепло между экваториальной областью и приполярными областями. Так вот, исходя из этого климат на Земле, должен быть очень стабильным в пределах сезонных и суточных колебаний. Факты же говорят об обратном.
Так что же становилось источником катастроф при, казалось бы, благоприятных внешних и внутренних условиях для живого?
Природа климатических катастроф
Рассмотрим возможные связи между совокупностью, казалось бы, далёких друг от друга фактов и явлений, достаточно надёжно установленных к настоящему времени. Исследуем их взаимное влияние и, в конечном итоге, влияние на климат Земли.
1. Причины первой величины (испытание огнём)
Исследование группы учёных из Калифорнийского университета, опубликованное в мартовском выпуске журнала Nature за 2005 год, проводивших “анализ остатков ископаемых свидетельствует о том, что циклический процесс массового исчезновения видов на Земле повторяются каждые 62 млн. лет с точностью плюс-минус 3 млн. лет. Последний раз событие этого ряда - гибель динозавров. “У нас не осталось сомнений в наличии данного цикла, говорит профессор Джеймс Кишнер, который уже много лет занимается этой проблемой. - Хуже всего то, что мы до сих пор не можем установить причину катастроф, которые в прошлом приводили к массовой гибели динозавров и тысяч иных видов животных. Совершённое открытие - удивительное, неожиданное и необъяснимое”. Ричард Мюллер и его ученик Роберт Роде, авторы опубликованной в Nature статьи, выдвигают следующие возможные гипотезы. Во-первых, полагают они, периодическое прохождение Солнечной системы через одно из облаков газа в Галактике может вызывать резкие климатические изменения на Земле, несовместимые с существованием некоторых видов, сформировавшихся в других условиях. Во-вторых, Ричард Мюллер ещё двадцать лет назад предположил, что у Солнца может существовать спутник - карликовая звезда, которой он дал имя «Немезида». Каждые 62 млн. лет она приближается к нам на расстояние, достаточное, чтобы возмутить орбиты комет во внешней части Солнечной системы, так называемом облаке Оорта, и направить их во внутренние области Солнечной системы, подвергая нашу планету настоящей «бомбардировке». Правда, здесь тоже возникает множество сомнений - расчёты показали, что существование двойной системы с таким большим орбитальным периодом будет нестабильным. Согласно третьей гипотезе возможно наличие геофизического механизма неизвестной пока природы, периодически порождающего всплеск вулканической активности на Земле. Массовый выброс пепла может вызвать резкое и длительное снижение температуры со всеми вытекающими отсюда последствиями.
В своём исследовании учёные использовали список морских ископаемых организмов объёмом 560 страниц, составленный 14 лет назад известным палеобиологом из Чикагского университета Дж. Джоном Сепкоски - младшим. В них сам Сепкоски полагал, что цикличность развития морских организмов повторяется с периодичностью 26 млн. лет. Мюллер и Роде показали, что цикл 62 млн. лет проявляется несравненно более чётко, хотя и они отметили признаки наличия циклов с периодичностью около 140 млн. лет.” [14].
Первая из предлагаемых выше гипотез не выдерживает критики по причине того, что Галактика (за исключением её центральной части) вращается как единое целое, все входящие в неё компоненты вращаются практически с одинаковой угловой скоростью и периодом обращения вокруг центра Галактики равным 240-250 миллионов лет. Чтобы эта гипотеза работала необходимо иметь или четыре покоящихся на орбите Солнца вредоносных облака или это облако должно вращаться по орбите Солнца со скоростью строго в четыре раза меньшей, чем у Солнца. Цифра четыре появилась не случайно: если умножить 62 млн. лет на четыре, то получим 248 млн. лет, т.е. как раз период обращения Солнца вокруг центра Галактики. Отметим напрашивающуюся связь между периодом рокового цикла (62 млн. лет) и периодом обращения Солнца вокруг центра Галактики (240-250 млн. лет).
Недостатки второй гипотезы описаны выше. Что касается третьей гипотезы, то она представляется достаточно правдоподобной, но здесь необходима увязка данного механизма с периодическим движением Солнца вокруг центра Галактики. Трудно представить такую поразительную согласованность независимых процессов на столь огромных промежутках времени. В связи с этим заметим, что ещё в конце 19-го века французским геологом М. Бертраном было обращено внимание на совпадение длительности крупно масштабных тектонических циклов со временем обращения Земли и всей Солнечной системы по галактической орбите.
Существует множество гипотез и публикаций на подобную тему, особенно в связи с таинственной причиной гибели динозавров.
“Мы обязаны рассмотреть все мыслимые объяснения, чтобы понять причину этого таинственного и рокового цикла расцвета жизни на планете и последующей её гибели, считает г-н Мюллер. - Пока что это нам не удалось. И это нужно сделать немедля - хотя и не впадая при этом в панику”. [14].
Рис.1
Предлагаем вниманию читателя гипотезу, которая как, представляется автору, достаточно просто объясняет эту, казалось бы, мистическую цикличность. Гипотеза исходит из уже установленных фактов и закономерностей космологии, геофизики и метеорологии. Она основывается на факте ячеистой структуры Вселенной и теории тектоники литосферных плит. Суть идеи.
По современным представлениям вещество во Вселенной располагается не хаотично, а формируется в ячеистые структуры, подобие куба, ребро которого имеет величину порядка 100-300 миллионов световых лет. Причём всё вещество располагается в тонком (по космологическим меркам) слое граней ячейки. Внутри ячейки вещества нет, поэтому в английской литературе ячейки называются void - пустой. Подобная архитектура ячеек приводит через гравитационную конденсацию к образованию звёздных скоплений (сверхскоплений) трёх различных величин. Самые малые скопления (третьей величины) формируются в гранях ячеек. К одному из таких малых скоплений и относится наша Галактика. Факт зарождения жизни на краю малого скопления во многом связан с тем, что здесь существуют наиболее щадящие условия для жизни. Схема нашей ячейки, в плоскости грани которой, вращается в местном скоплении наша Галактика, изображена (без масштаба) на рисунке 1. На Рис.1 цифрами 1, 2, 3 и 4 отмечены скопления первой величины; латинскими буквами a, b, c, d отмечены скопления второй величины; 5 - центр нашей Галактики; 6 - Солнце; 7 - круговая орбита вращения Солнца вокруг центра Галактики; 8 - внешняя граница нашей Галактики. При вращении Солнца по орбите вокруг центра Галактики, Солнечная система четыре раза за оборот, с периодичностью в 62 миллиона лет, сближается со скоплениями первой величины и четыре раза со скоплениями второй величины, испытывая каждый раз усиление гравитационного воздействия звёздных скоплений.
Согласно базовой теории современной геофизики, теории тектоники литосферных плит, материки представляют собой огромные литосферные плиты способные под воздействием внешних сил совершать дрейф по Земной поверхности.
Так вот причиной рокового цикла Сепкоски - Мюллера - Роде являются приливные литосферные волны, возникающие под гравитационным воздействием звёздных скоплений, в период сближения. Точно также как возникают приливные волны в мировом океане под гравитационным воздействием Луны. [См. например, [13]].
Произведём обоснование и количественные оценки выше изложенного.
Рассчитаем величину силы, необходимую для того, что бы вызвать подвижки Земной поверхности при приближении Солнечной системы к звёздному скоплению. Предварительно напомним основные положения теории тектоники литосферных плит. “По астеносфере Земли перемещаются, как единый ансамбль, плиты литосферы - верхней, наиболее холодной, а поэтому твёрдой и хрупкой планетарной оболочки, включающей земную кору и часть мантии. Астеносфера - слой мантии, подстилающий литосферу и способный к вязкому или пластическому течению. Толщина литосферы меняется в широких пределах от единиц километров в рифтовых трещинах дна океана до 200 км и более под древними щитами и платформами материков. Крупных литосферных плит немного - всего 8 - 10. … Эти плиты все вместе занимают более 85% площади земной поверхности”. [16]. Для оценки величины силы, вызывающей подвижку литосферных плит, примем в рассматриваемой задаче наиболее жёсткие условия - сухое трение или трение скольжения. Для того, что бы литосферная плита пришла в движение, необходимо превышение силы притяжения плиты к скоплению над силой трения между литосферной плитой и подстилающей её мантией.
(1)
Силу притяжения определим из закона всемирного тяготения Ньютона:
(2)
В (2): [18] - гравитационная постоянная;- масса скопления 1-й величины, равная масс Солнца, [22];
Масса Солнца равна [18]; - масса литосферной плиты; - расстояние от скопления до Земли. Это расстояние определяем как расстояние от вершины до центра грани ячейки. Величину ребра ячейки принимаем в 200 млн. св. лет. Световой год равен [18].
Силу трения между плоскостью литосферной плиты и плоскостью подстилающей мантии определим по формуле:
(3). [17, формула 12.1].
В (3) - коэффициент трения. “Коэффициент трения, для умеренно жёстких поверхностей обычно меньший единицы.” [17]. Учитывая, что мы делаем оценки в рамках космологических масштабов и точности, то даже в случае изменений коэффициента трения в рамках от 0.1 до 10, значение =1 является хорошим усреднением; - нормальная сила, равная весу литосферной плиты. Вес литосферной плиты определяем по закону Ньютона:
(4).
В (4) - масса Земли [18]; - радиус Земли [18].
С учетом зависимостей (2), (3) и (4) запишем равенство (1). Равенство в (1) соответствует силе, с которой начинается подвижка литосферных плит.
(5).
Отметим тот факт, что в (5) масса литосферной плиты стоит в обеих частях равенства и сокращается. Это означает, что момент начала подвижки плит не зависит от массы плит. Этим и объясняется движение литосферных плит как единого ансамбля. Правда, это возможно при условии, что коэффициенты трения у всех плит одинаковы. Конечно, коэффициент трения локально по поверхности подошвы плиты может меняться в широких пределах, в зависимости от местных условий. Но с учётом больших размеров литосферных плит усреднение по поверхности выравнивает коэффициенты трения для больших плит.
Исходя из (5) вычислим значение коэффициента трения. Посмотрим, насколько вычисленное значение будет соответствовать условиям сухого трения, при которых коэффициент трения имеет значение близкое к единице.
(6)
Таким образом, в расчёте получена величина коэффициента трения в меньшая чем требуется по условиям задачи для обеспечения дрейфа литосферной плиты. Для того, чтобы получить коэффициент трения близким к единице необходимо в (6) принять массу скопления в большую чем принята сейчас по светимости звёзд в скоплении. Мы столкнулись с уже ставшей традиционной для космологии проблемой, проблемой скрытой массы (тёмной материи). Эта проблема возникает каждый раз, когда предпринимается попытка решения динамических задач на сверх больших расстояниях. Причём чем больше расстояние, тем разительнее разница между массой полученной по светимости звёзд и массой требуемой по динамическим уравнениям. Сошлёмся в этом вопросе на авторитет выдающегося астронома 20-го века Я.Э. Эйнасто и информацию, изложенную в [22]. Так для Солнечной системы, несмотря на продолжающиеся споры, убедительной разницы между видимой и скрытой массой не обнаружено. Для Галактик скрытая масса, полученная из динамических уравнений, в 10 раз превышает массу, полученную по светимости звёзд. Для звёздных скоплений это различие уже в 100 раз. Все попытки найти носителей скрытой массы, которые продолжаются в течение нескольких десятилетий, не дают результата. Для рассматриваемой нами задачи, в которой расстояния сравнимы уже с линейными размерами самых больших структур Вселенной, требуется скрытая масса в (в сто триллионов) раз большая, чем подсчитана по светимости звёзд. Поиск такой “скрытой” массы выходит за грань благоразумия.
“Но, может быть, нуждаются в уточнении законы физики? Именно такую возможность предложил рассмотреть американский астрофизик М. Милгром. Он предположил, что закон всемирного тяготения Ньютона справедлив лишь на “малых” расстояниях. Если расстояние между взаимодействующими массами достаточно велико, то сила взаимного притяжения будет обратно пропорциональна расстоянию не в квадрате, а в некоторой меньшей степени, которая при расстояниях, стремящихся к бесконечности, приближается к единице”. [22].
Вычислим выражение (6) для случая, когда расстояние в знаменателе будет в первой степени:
(6а)
На этот раз масса скопления оказалась в (в десять миллиардов) раз больше чем требуется по условиям задачи. Но в (6а) мы взяли формулу Милгрома для случая бесконечного расстояния. У нас же хоть и большое, но конечное расстояние. Согласно Милгрому в нашем случае расстояние в знаменателе (6а) должно быть в дробной степени, между двойкой и единицей. Найдём значение степени для расстояния в знаменателе (6), которое будет соответствовать условиям нашей задачи, то есть случаю, когда =1.
(7)
Прологарифмируем (7), определим из полученного логарифмического уравнения значение степени и вычислим: (8)
Отсюда уравнение Милгрома (закон всемирного тяготения), отвечающее условиям нашей задачи будет иметь вид:
(9)
В рассматриваемой задаче подход М. Милгрома с очевидностью предпочтителен.
Рис.2
Теперь, когда мы убедились, что на подходах М. Милгрома, рассматриваемая модель образования литосферных приливных волн может работать, рассмотрим процессы и события, которые ожидают Землю при приближении Солнечной системы к звёздному скоплению на критическое расстояние. Для звёздного скопления (сверхскопления) первой величины критическое расстояние на Рис.1 обозначено как , для скопления второй величины как . Схема, позволяющая уяснить эволюцию процессов и событий при приближении Земли к звёздному скоплению (сверхскоплению) на критическое расстояние, определяемое соотношением (1), изображена на Рис.2. Силы сдвига Земной поверхности, возникающие под действием сил притяжения звёздного скопления, стягивают литосферные плиты к единому полюсу. Назовём его литосферным полюсом. Литосферный полюс это точка на земной поверхности, через которую проходит линия, соединяющая центр Земли и сверхскопление. Сила сдвига в каждой точке земной поверхности определяется как проекция силы притяжения на касательную плоскость к поверхности Земли в данной точке.