Приливы и отливы
«Воистину ангел, что сидит над морем, ставит свою ногу в море, и вот наступает прилив; потом он поднимает ее, и вот наступает отлив», — говорил пророк Мухаммед. Однако у ученых иная точка зрения.
Дважды в сутки вода в океане приподнимается, набегает на берега и дважды опускается, отступает, оставляя широкие отмели. Океан словно дышит, вдох — выдох… Чаще всего во время приливов и отливов изменение уровня воды хорошо заметно. Например, во время отлива борта кораблей, стоящих в порту, находятся на одном уровне с пристанью, а приливная волна поднимает суда, так что они оказываются выше причала.
Всем известно, что реки впадают либо в другие реки, либо в море. Во время сильного прилива в устьях, то есть в местах впадения реки в море, иногда возникает волна, которая стремительно мчится вверх по реке, против течения. Порой эта волна ослабевает лишь на очень большом расстоянии. Ученые называют такую волну бором или накатом. В некоторых реках высота бора достигает 3 метров.
Уже давно установлено, что приливы связаны с притяжением Луны и Солнца. Однако Солнце находится от Земли гораздо дальше, так что его влияние на движение воды в океане слабее.
Возникает прилив на той стороне Земли, которая в этот момент обращена к Луне. Однако под воздействием обоих светил образуется и вторая приливная волна — на обратной, «тыльной» по отношению к Луне стороне. В результате обе волны (и «лунная», и волна-антипод) прокатываются вокруг всей Земли. Потому-то прилив и бывает 2 раза в сутки. Самый высокий уровень воды в океане во время прилива называется полной водой, а самый низкий во время отлива — малой водой. Иногда за сутки бывает один прилив и один отлив, но чаще все-таки наблюдается два прилива.
Приливы зависят от Луны, а лунные сутки не совпадают с солнечными. В солнечных сутках, которыми мы сейчас измеряем время, 24 часа; в лунных сутках на 50 минут больше. Поэтому между двумя приливами проходит 12 часов 15 минут. Каждые сутки прилив в одном и том же месте происходит на 50 минут позже, чем в предыдущие сутки.
Вот что еще интересно: вроде бы наибольшая высота приливной волны должна наблюдаться в момент прохождения Луны над этим местом. Однако на деле это происходит позже. Например, в Белом море приливная волна набегает на берег через 5 часов после прохождения Луны! Причина в том, что скорость движения приливной волны замедляют «восточные» острова и материки, ее свободному движению мешают мели и другие естественные препятствия. Кроме того (а возможно, и в основном), приливные волны прокатываются в направлении, противоположном вращению Земли. Земля тормозит прилив, а прилив, в свою очередь, тормозит Землю…
Самый высокий прилив бывает, когда Солнце, Луна и Земля оказываются на одной прямой — в полнолуния и новолуния. В это время, особенно в полнолуние, как известно, обостряются все процессы, происходящие на Земле. В том числе и в организме человека. Статистика утверждает, что в полнолуние случается больше аварий и катастроф, обостряются многие хронические болезни… А происходит это потому, что человек, как и сама планета, состоит преимущественно из воды и просто не может «не замечать» воздействия Луны.
От новолуния до полнолуния обычно бывает «прилив» энергии, от полнолуния до новолуния идет обратный процесс. Другими словами, к полнолунию возрастают не только возможности человеческого организма, но и «поднимается на поверхность» накопленный негатив — отрицательные эмоции, болезни и другие проблемы.
После полнолуния луна убывает, и энергия в живых организмах тоже несколько уменьшается. Чтобы определить, убывает луна или растет, нужно посмотреть, куда направлены «рога» месяца. Бели вправо, и серп луны похож на букву С, значит луна убывает. У растущей луны серп повернут в обратную сторону, так что если к «рогам» мысленно приставить вертикальную черточку, получится буква Р. В полнолуние луна круглая, в новолуние ее совсем не видно.
Итак, в новолуние и полнолуние морские приливы бывают самыми высокими. Существуют специальные приборы, с помощью которых определяют высоту приливной волны. Это очень важно для моряков — во время отлива корабль может сесть на мель или наткнуться на прибрежные рифы. Ведь именно у берега, особенно в заливах и бухтах, наблюдается наибольшая высота приливной волны. В открытом море приливная волна обычно не превышает одного метра. А в замкнутых и полузамкнутых морях, таких как Черное, Азовское, Балтийское и Средиземное, прилив вообще почти не заметен. Высота приливной волны здесь не превышает 10–20 сантиметров. Эти моря называют бесприливными, хотя, строго говоря, это не совсем верно — просто прилив очень слабо выражен.
По теории английского ученого Дж. Дарвина, внука знаменитого натуралиста, Луна, обращенная к Земле одним и тем же боком, не вращается из-за того, что ее вращение когда-то остановила приливная волна, вызванная в теле Луны нашей Землей.
Приливы обладают значительной энергией. Мощные приливные волны с годами придают прибрежным скалам причудливую форму, пробивают в твердых породах углубления, «вымывают» подобия исполинских фигур…
А можно ли целенаправленно использовать силу приливных волн? Да, сейчас в мире существует несколько приливных электростанций, однако широкого распространения они пока не получили. Это связано с тем, что местности, где приливы особенно сильные, как правило, не являются промышленно развитыми, поэтому и строить там электростанции нет смысла. В России приливная электростанция находится на Кольском полуострове. А первую в мире приливную электростанцию выстроили в 1967 году во Франции, в устье реки Ране недалеко от города Сен-Мало. Но энергию приливных волн люди начали использовать гораздо раньше. Уже в X веке в Англии существовали мельницы, которые работали за счет энергии прилива.
Падающие воды
Река бежит по проложенному потоком углублению — руслу, постоянно размывая твердые и мягкие породы; мягкие вода размывает быстро, а твердые сохраняются гораздо дольше. Постепенно течение реки формирует те «ступеньки», уступы, по которым впоследствии «прыгает» вода. Этих «ступенек» может быть несколько — в этом случае группу последовательно расположенных водопадов, «сбегающих» по своего рода «лестнице», называют каскадом.
Однако, создавая «ступеньки», вода в то же время и разрушает их. Это отчетливо видно на примере Ниагарского водопада. Он находится на реке Ниагара в Северной Америке. Эта река соединяет два озера — Эри и Онтарио. Название реки и водопада образовано от слова «ниакаре», которое на языке индейцев-ирокезов означает «большой шум». По подсчетам ученых, Ниагарский водопад образовался около 8–9 тысяч лет назад — и, представьте, за это время он отступил от своего первоначального местонахождения на 11 километров! Смещение водопада продолжается и в наши дни, а происходит это потому, что вода постепенно разрушает ею же созданные уступы. Ученые отмечают, что за год водопад отступает примерно на 7—10 сантиметров, а в некоторых местах — почти на 1,5 метра! Исследователи полагают, что если Ниагарский водопад и дальше будет смещаться с той же скоростью, то через 20 тысяч лет он просто перестанет существовать, потому что доберется до озера Эри и сольется с ним. Ну а пока остров Козий разделяет Ниагарский водопад на две части: с канадской стороны его высота — 48 метров, а со стороны США — 51 метр.
Иногда вода в реках настолько сильно размывает уступы, что они превращаются в пороги. На порогах уровень воды резко понижается, а скорость течения становится очень большой. Вода мчится и бурлит, поднимая со дна довольно крупные камни. На некоторых реках из-за таких порогов невозможно судоходство.
Водопады образуются не только в ходе многолетней работы воды. В горах они возникают, когда обломки твердых горных пород после обвала перегораживают ущелья.
Если водопады «сбегают» с пологих уступов, их называют водоскатами, если падают с небольшой высоты, но широким потоком, — катарактами. Примером катаракт могут служить водопады на реке Конго, в Африке.
Высочайший из водопадов мира — Анхель, он находится в Южной Америке, в Венесуэле, на реке Чурун. Высота, с которой низвергаются потоки воды, составляет более километра, а точнее — 1 054 метра! Свое название водопад получил в честь летчика X. Анхеля, который обнаружил его в 1935 году.
Еще один крупный водопад — Йосемитский — находится в Калифорнии (США), на территории Йосемитского национального парка. Собственно говоря, этот водопад представляет собой серию водопадов — каскад.
Их общая высота чуть меньше, чем у Анхеля, — «всего» 727 метров. Так как река Йосемити-Крик, на которой находятся водопады, берет начало в горах Сьерра-Невада, особенно величественное зрелище каскад представляет весной и в начале лета, когда тают горные ледники, питающие реку.
Еще один крупный водопад, о котором следует сказать, — это водопад Виктория. Он находится в Африке на реке Замбези. Этот водопад был открыт в 1855 году английским исследователем Африки Д. Ливингстоном, который назвал водопад в честь английской королевы Виктории. Ширина водопада составляет 1 800 метров! Высота падения воды — 120 метров. Вода падает в узкий и глубокий каньон, а в воздух поднимаются тучи водяных брызг. Поэтому африканцы дали водопаду поэтическое название Мози-оа-тунья, что значит «гремящий дым». Еще местные жители называют водопад «радугой» — Сеонго.
Самым мощным и самым широким водопадом считается южноамериканский водопад Игуасу. Его название переводится с языка индейцев-гуарани как «большая вода». Игуасу расположен на реке с тем же названием на границе Бразилии и Парагвая. Каждую секунду поток шириной 2 700 метров сбрасывает с 72-метровой высоты 12 866 тонн воды — это более 1 миллиона тонн в сутки.
Водопады есть и на территории России — в Карелии, на Кольском полуострове, в горных районах Сибири и на Кавказе. Однако очень крупных водопадов в нашей стране нет. Самый известный водопад России — Кивач на реке Суна в Карелии. Он небольшой — его высота составляет всего 11 метров. Этот водопад находится на территории заповедника, который тоже называется Кивач. В России есть и более крупные водопады, чем Кивач, например Илья Муромец, который находится на Итурупе, самом крупном из Курильских островов; высота этого водопада составляет 141 метр. В Краснодарском крае на реке Пшеха шумит водопад Фишт, высота которого чуть больше — 200 метров. Есть в России и каскады. Один из них называется Грандиозный; его общая высота — 200 метров. Этот каскад находится на реке Казыр в Краснодарском крае.
Понятно, что его «мощность», количество падающей воды и скорость течения зависят от особенностей реки. Некоторые водопады становятся особенно величественными в период таяния горных снегов, другие проявляются «во всей красе» во время половодий и паводков.
Существуют также и искусственные водопады, созданные руками человека. Они нередко возникают на плотинах, которыми перегораживают реки для создания водохранилищ. Сооружают искусственные каскады или водоскаты и в парках.
Водопад — очень интересное и впечатляющее явление. Приносят водопады и практическую пользу. Конечно, они мешают судоходству, зато некоторые из них можно использовать для выработки электроэнергии. Для этого в местах, где на небольших участках падает много воды, сооружают гидроэлектростанции. В России они есть около водопада Кивач, Нарвского водопада и др.
Удивительные озера
Что мы знаем об озерах? Это скопление воды в природных котловинах, в которых вода по сравнению, например, с реками обновляется достаточно медленно. Озера бывают постоянные и временные. Различают озера и по другим признакам: по размеру, составу воды, возрасту и т. д. Озера бывают не только пресные, есть немало озер с соленой водой. Некоторые большие соленые озера, хотя они и не имеют выхода в Мировой океан, называют морями. Это Каспийское и Аральское моря, а также Мертвое море. Каспийское море находится в Центральной Азии и омывает берега нескольких государств: России, Азербайджана, Туркмении, Казахстана и Ирана. Аральское море находится на территории двух государств — Узбекистана и Казахстана.
Уже многие годы ученые говорят о серьезной проблеме — обмелении Аральского моря. Этот уникальный природный объект сильно пострадал в результате хозяйственной деятельности человека: слишком много воды забирали на орошение полей и садов из рек Амударья и Сырдарья, впадающих в Аральское море. Нередко реки даже не доходят до моря!
А почему Мертвое море носит столь зловещее название? Вот почему: вода в нем настолько соленая, что здесь практически нет жизни — лишь несколько видов бактерий приспособились к таким «смертоносным» условиям. Потому-то море и называется Мертвым. Находится оно на территории Иордании и Израиля.
Однако самым соленым считается Красное море. Его можно найти между Аравийским полуостровом и Африкой. В литре воды из Красного моря содержится 42 грамма соли, а в воде из Суэцкого залива — даже 43,5 грамма.
Весной в степной зоне образуются временные озера: талая вода заполняет небольшие углубления; глубина таких озер небольшая — всего несколько сантиметров. В России их называют блюдцами, а в юго-западных районах США — дырявыми котелками.
Нередко озера возникают после паводков, когда русло реки меняется. В углублениях старого русла тоже остается вода — образуются озера-старицы.
Новые озера появляются достаточно часто. Например, в 1911 году в Таджикистане, в Памирских горах, возникло Сарезское озеро. Оно образовалось после землетрясения, когда в горах произошел обвал и обломки горных пород перегородили течение реки Мургаб.
Озер на нашей планете великое множество — несколько десятков миллионов! Правда распределены они по земному шару очень неравномерно: в одних районах озер очень много, в других совсем мало, а где-то и вовсе нет. «Страной тысячи озер» называют Финляндию, хотя озер там гораздо больше. Много озер и в Ирландии. В России тоже немало озер.
Встречаются на свете и озера с «взрывным» характером. Таково, например, озеро Шайтан-Куль, лежащее в горах Западного Тянь-Шаня. Это озеро неспроста получило свое название (в переводе — «чертово озеро»): время от времени в озере происходят оглушительные взрывы. Исследователи выяснили, что озеро Шайтан-Куль расположено в большом разломе земной коры. Из трещин в коре проникают в воду различные газы, в частности азот и метан. Когда они смешиваются… озеро взрывается.
Чем живы озера? Значительную часть воды приносят впадающие в них реки и ручьи. Также большую роль в пополнении водного запаса играют осадки — дождь, снег. Кроме того, вода поступает в озера из подземных источников. А куда уходит вода из озер? Во-первых, в озера реки не только впадают, но, бывает, и берут из них начало. С поверхности любого водоема вода испаряется. Некоторое количество воды просачивается в грунт и уходит в более глубокие слои. Это явление называют фильтрацией.
Понятно, что не любое озеро может стать истоком реки. Это происходит только в том случае, если приток, то есть поступление воды в озеро, оказывается больше, чем отток, то есть расход воды на испарение и фильтрацию. Озера, из которых берут начало реки, называют протонными. Когда озеро находится в засушливой местности, с его поверхности испаряется много воды. Такие озера если и дают начало рекам, то реки эти небольшие и появляются лишь во время сильных дождей. Эти озера называют бессточными. А бывают так называемые эфемерные озера — они периодически пересыхают. Эфемерных озер довольно много на севере Казахстана. И что любопытно — в этих озерах есть рыба. Водные обитатели сумели приспособиться к суровым условиям. Например, караси и лини во время засухи зарываются в ил на глубину до полутора метров! Рыбы могут проспать в иле два-три года, пока над ними после обильных дождей вновь не появится озеро.
Вода во всех водоемах обновляется, даже в болотах. Только это обновление происходит с различной скоростью. Мелкие проточные озера обновляются довольно быстро, за несколько недель, а вот такому крупному озеру, как Байкал, на полное обновление воды требуется около 380 лет.
Поскольку озера «малоподвижны», они являются своеобразными кладовыми различных веществ. Естественно, накопление веществ зависит от того, проточное это озеро или бессточное. Пресные озера всегда проточные, поэтому соли в водах этих озер не задерживаются.
Бывают еще солоноватые озера — вода в них содержит небольшое количество солей. Солоноватые озера становятся проточными время от времени, обычно после сильных дождей. В воде бессточных озер всегда довольно много солей. Такие озера называют минеральными. В некоторых минеральных озерах солей столько, что они выпадают в осадок и кристаллизуются, то есть образуют твердые частицы. Эти озера называют соляными. Иногда такие озера пересыхают, и из них образуются солончаки. Соляные озера имеют большое хозяйственное значение — в них добывают соль. Так, в Астраханской области есть соляное озеро Баскунчак, из которого уже очень давно добывают поваренную соль. Ту самую соль, которую мы используем при приготовлении пищи. В озеро Баскунчак соль поступает из подземных источников, в воде которых она содержится в большом количестве.
И в морях, и в океанах, и, конечно же, в озерах слои воды постепенно перемешиваются. Это происходит под воздействием ветра, из-за разницы температур в верхнем и нижних слоях, из-за изменения атмосферного давления и т. д. Перемешиваться может вся вода или только верхние слои. Когда нижние слои воды не участвуют в перемешивании, у дна может скапливаться большое количество сероводорода. Именно это наблюдается в озере Гекгель в Азербайджане. И в России есть такое озеро — оно называется Беловодь и находится во Владимирской области.
В мире есть озера, которые могут внезапно исчезать и так же внезапно появляться снова. Почему это происходит? Оказывается, под котловиной таких водоемов имеются большие пустоты — туда-то и может уходить вода. А в Африке есть озера, из которых поднимаются большие облака углекислого газа. Газ распространяется над берегами, и оказавшиеся поблизости живые существа погибают.
Озера рождаются, взрослеют и умирают. Их жизненный цикл может быть разным: у небольших водоемов жизнь, естественно, гораздо короче, чем у больших. Почему же озера начинают стареть и как это проявляется? Реки, впадающие в них, приносят множество частиц почвы и горных пород. Этот «строительный» материал из года в год оседает на дно. К тому же на берегах и на дне накапливаются останки различных умерших организмов — растений и животных. Если таких отложений много, водоем постепенно зарастает, превращаясь в болото. В Центральной Азии, где климат засушливый, озера со временем превращаются в солончаки или такыры — глинистые площадки. Иногда озера исчезают по другой причине: реки, берущие из них начало, углубляют свое русло, и постепенно вся вода переходит в реку. i
Самому большому озеру в России — Байкалу — по подсчетам ученых, около 20–25 миллионов лет! Тем не менее Байкал продолжает развиваться. Этому способствуют землетрясения, из-за которых в отдельных местах увеличилась глубина озера, а в восточной части в начале 1960-х годов появился большой залив. Ладожское и Онежское озера значительно моложе — им «всего» 10 тысяч лет.
У некоторых озер есть весьма любопытное свойство: они могут накапливать солнечное тепло. Такие озера называют гелиотермальными (от греч. helios — «солнце» и therme — «тепло»). Вода в этих озерах соленая, однако в разных слоях содержание соли неодинаково: в верхнем слое ее мало, а в нижнем — много. Температура слоев тоже разная: верхний слой холодный, а у нижнего может достигать 70 «С! Между холодным и горячим слоями воды есть еще один слой, который и защищает нижний от охлаждения. И в этом «среднем» слое температура и соленость воды уже значительно выше, чем в верхнем слое. Одно из таких озер, Сасык-Куль, находится на Памире. Но представьте — такое озеро есть и в Антарктиде! Озеро Ванда покрыто слоем льда, однако нижние соленые слои воды — горячие. Ученым удалось разработать способы использования этих необычных гелиотермальных озер для получения электроэнергии.
Однако не все озера на свете создала природа, есть и такие, которые созданы людьми. Впервые «рукотворные» озера появились в глубокой древности. Геродот в своих трудах описал водохранилище, созданное египтянами. Но, конечно, массовое сооружение водохранилищ началось в XX веке.
Самое большое рукотворное озеро в мире — это озеро Мид в штате Аризона, США.
Самое большое естественное озеро — Каспийское море. Его площадь 368 тысяч квадратных километров.
Самое большое пресноводное озеро — Верхнее, в Северной Америке.
Самое полноводное и глубокое (1 620 метров) озеро — Байкал.
Самое большое подземное озеро находится в карстовой пещере со «сказочным» названием Драхен Хауклок (переводится как «ноздри дракона»). Пещера находится в Африке, в Намибии.
Самое «высоко лежащее» озеро расположено в Тибете на высоте 5 465 метров над уровнем океана. Это озеро Арпортцо.
Единственное в мире озеро, в котором одна часть воды пресная, а другая соленая, — это Балхаш.
Подземные воды
Из космоса наша планета видится голубой — ведь более 70 % поверхности земного шара покрыто водой. Однако вода находится не только на поверхности земли. Она пребывает и в ее недрах — в жидком, в твердом (подземные льды) и газообразном состоянии. Иногда подземные воды образуют целые озера. И что особенно важно — подземные воды чаще бывают пресными.
О существовании подземных вод люди знали давно, они умели находить места скопления такой воды и рыли здесь колодцы. В наше время для добычи пресной воды бурят специальные скважины, их называют артезианскими. Вообще-то артезианские скважины тоже появились достаточно давно. Впервые их прорыли в XII веке во Франции, в провинции Артуа. Поскольку в Средние века в Европе языком науки и церкви была латынь, а на латыни название французской провинции звучит как Артезия, то и скважины, соответственно, назвали артезианскими.
Над тем, откуда под землей берется вода, люди стали задумываться уже в древности. Древнегреческие философы Фалес и Платон предполагали, что подземные воды образуются в пещерах при остывании воздуха. Определенная логика у этой гипотезы есть, ведь известно, что в воздухе всегда присутствует водяной пар. Римлянин Витрувий высказал другое предположение — что подземные воды образуются в результате таяния снега в горах. Талая вода просачивается в почву, а затем выходит на поверхность в виде источников.
Современные ученые согласны с древними философами. Сейчас исследователи пришли к выводу, что подземные воды образуются разными способами. Некоторые подземные воды образуются из проникающих через трещины и пустоты в глубь земли дождевых и талых вод. Другие появляются из-за конденсации водяных паров в трещинах горных пород. Существуют и иные способы возникновения подземных вод.
Наибольшая глубина, на которой могут залегать подземные воды, пока неизвестна, но ученые активно ведут исследования. В настоящее время в России, на Кольском полуострове, есть скважина глубиной 12 километров. Ученые уверены, что подземные воды имеются и на большей глубине.
Подземные воды играют большую роль в общем круговороте воды. Они питают реки, озера и моря, в то же время часть выпадающих осадков проникает в почву и пополняет запасы подземных вод. Ученые выделили среди подземных вод три уровня. Самый верхний уровень углубляется в почву на 300–500 метров и называется зоной активного водообмена. Эти подземные воды постоянно взаимодействуют с водоемами, располагающимися на поверхности суши, и за несколько десятилетий полностью обновляются.
Следующий уровень простирается от 500 метров до 2 километров и называется зоной замедленного водообмена. Здесь полное обновление вод происходит гораздо медленнее — на это требуется от нескольких десятков до нескольких сотен лет. Самый нижний уровень — это зона пассивного водообмена. Она располагается глубже 2 километров и полностью обновляется за миллионы лет.
А теперь обратим внимание на интересную закономерность: чем глубже находится вода, тем больше в ней солей и тем выше ее температура. Таким образом, в зоне активного водообмена подземные воды чаще всего пресные, в зоне замедленного водообмена — солоноватые, а в зоне пассивного водообмена состав воды очень похож на состав морской воды. В этой зоне встречаются воды, в которых солей даже больше, чем в морской воде.
Что касается температуры подземных вод, то уже на глубине в несколько километров она может достигать 100 °C! Понятно, что в таких условиях вода начинает превращаться в пар.
А как располагаются подземные воды в породах, образующих земную кору? Конечно, строение земной коры очень сложно, но попробуем в упрощенном виде представить, как текут в ее толще подземные воды.
Итак, начнем с верхнего слоя земной коры. Чаще всего он состоит из рыхлых пористых пород. Понятно, что вода легко просачивается сквозь них. Это талая вода, дождевая, вода из рек и озер. Но вода не может углубляться в почву до бесконечности. Рано или поздно она встречает на своем пути слой породы, сквозь которую не может пробиться. Такие слои называют водоупорными, то есть водонепроницаемыми. Вода накапливается вдоль водоупорного слоя и образует водоносный слой, или, как его еще называют, водоносный горизонт. Самый верхний водоносный слой называют грунтовыми водами. Чуть выше грунтовых вод иногда встречаются так называемые верховодки. Это вода, скопившаяся на небольших водоупорных прослойках, например глинистых. Именно грунтовые воды и верховодки наполняют колодцы, которые до сих пор можно увидеть в деревнях.
Ниже грунтовых вод залегают другие слои подземных вод. Но не думайте, что эти слои располагаются строго горизонтально. Нередко одни слои пересекаются с другими. Кроме того, водоносные слои часто имеют выход в реки. Возможно, во время купания в реке вы иногда ощущали более холодные, чем основная масса воды, потоки. В таких случаях говорят, что на дне бьют ключи. Вот это и есть выброс подземных вод. В морях тоже есть выходы подземных вод. Например, в Черном море недалеко от берега есть места, где в соленую воду вливаются струи пресной воды.
Подземные воды имеются почти везде на земном шаре. Даже в Сахаре на глубине 150–200 метров есть подземное озеро с пресной водой! В США, в штате Небраска, расположено большое подземное озеро Огалала с пресной водой, которую люди активно используют.
Гейзеры
Одним из интереснейших явлений природы являются гейзеры. Сам термин «гейзер» взят из исландского языка и образован от глагола geysa — «хлынуть». Гейзер — это горячий источник, периодически извергающий потоки воды и пара.
Главной особенностью гейзеров является то, что их активность чередуется с периодами покоя. Для фонтанирования горячего источника требуется сочетание многих условий. Особое значение имеют форма и глубина подземного канала, мощность давления, поступление холодной воды и нагретого пара. Также на активность гейзеров влияет количество поверхностных вод, проникающих в глубь земной породы во время атмосферных осадков (дождя, снега или града). Поступающие от вулканической магмы пар и газ способствуют нагреванию воды, которая закипает и вырывается из трещин в виде фонтанирующих струй и потоков пара.
Гейзер действует по принципу вулкана — только вместо лавы на поверхность выбрасывается горячая вода. Но это не единственное, что объединяет гейзеры и вулканы. Нередко появление гейзеров связано с поступлением тепла от действующих или недавно прекративших деятельность вулканов. Возникновение гейзеров в районах вулканической деятельности наблюдается в Исландии, на Камчатке, в Индонезии, Новой Зеландии, Северной Америке, Китае и Японии.
Внешне гейзеры выглядят по-разному. Это могут быть конусообразные возвышенности с крутыми склонами, низкие, пологие куполообразные холмики, чашеобразные углубления, небольшие котловины и ямки неправильной формы. В зависимости от формы гейзера в его дне или стенках находятся выходы каналов, из которых и происходит выброс горячей воды и пара.
Действует гейзер так. Вода поднимается из подземных источников. Благодаря притоку тепла от вулкана она нагревается до температуры, превышающей температуру кипения, то есть выше 100 °C. Правда, из-за давления водяного столба закипание происходит не сразу. Вода поднимается к поверхности, и ее давление падает. Поэтому происходит закипание. Образуется большое количество пара, который преодолевает давление воды и извергается наружу. Вода и пар выбрасываются одновременно.
Различают регулярные и нерегулярные гейзеры. У регулярных продолжительность цикла, то есть состояния активности и покоя, — постоянная. У нерегулярных гейзеров продолжительность отдельных стадий сильно колеблется. Период активности может составлять от нескольких минут до получаса и более, а стадия покоя продолжается от нескольких минут до нескольких дней. Похоже, это явление природы само решает, когда ему быть спокойным, а когда активно действовать!
Состав воды, извергаемой гейзерами, в различных областях может отличаться. Чаще всего в ней растворены соли натрия, а также содержится много кремнезема, благодаря чему на склонах гейзера образуются причудливые отложения породы, близкой к другому минералу — опалу. Эта порода называется гейзерит.
Действующие гейзеры представляют собой впечатляющее зрелище. Фонтанирующая струя горячей воды и пара поднимается на большую высоту, которая может достигать нескольких десятков метров. Например, струя Великого Гейзера в Исландии 200 лет назад извергалась через каждые 30 минут и поднималась на 60 метров. Это высота 20-этажного дома! Температура извергающейся воды у разных гейзеров колеблется от 75 до 100 °C.
Еще одна особенность гейзеров — это то, что существуют они очень недолго. Гибель гейзеров происходит по разным причинам: обваливаются стенки водяного канала, понижается уровень грунтовых вод и т. п. Например, гейзер Уаймангу в Новой Зеландии, название которого означает «крылатая вода», просуществовал всего около пяти лет и исчез из-за понижения уровня воды в соседнем озере. Это был один из самых мощных гейзеров, высота его струи достигала 500 метров!
Исчезли и многие другие гейзеры. Тетарата, также находившийся на территории Новой Зеландии, представлял собой ступенчатый холм из розового кремнистого туфа. Он прекратил свое существование во время извержения вулкана Таравера в 1886 году. В настоящее время самым мощным новозеландским гейзером считается Похуту, высота струи которого достигает 20 метров.
В Исландии известно около 30 действующих гейзеров, самым значительным среди них является гейзер Грила («прыгающая ведьма»), высота его фонтана достигает 15 метров. Выброс воды и пара повторяется приблизительно через каждые два часа.
Одно из известнейших скоплений гейзеров — это территория Йеллоустонского национального парка в США, где действует около 200 гейзеров. Самыми мощными среди них признаны Гигант и Старый Служака. Высота фонтана Гигант составляет около 40 метров, а его период покоя продолжается три дня. Старый Служака фонтанирует гораздо чаще — через каждые 50–70 минут, а максимальная высота его струи чуть больше, чем у Гиганта — до 42 метров.
В России крупнейшее скопление гейзеров — около 100 — было расположено на Камчатке в долине реки Гейзерная недалеко от вулкана Кихпиныч. Оно было обнаружено в 1941 году. Около 20 гейзеров, действующих на Камчатке, являлись достаточно крупными. И по величине, и по силе извержений их вполне можно было соотнести с наиболее мощными гейзерами Исландии, США и Новой Зеландии. Самым большим гейзером Камчатки был признан Великан, высота фонтана которого составляет около 40 метров. Долина гейзеров известна во всем мире, однако в 2007 году она сильно пострадала из-за оползня и вызванного им наводнения. Сейчас гейзеры постепенно пробиваются на поверхность, однако ученые считают, что пока рано говорить о полном восстановлении Долины гейзеров.
Есть гейзеры и в Центральной Азии, на западе Тибетского нагорья. Некоторые бьют прямо со дна рек. Кипящая вода, вырываясь на поверхность через определенные промежутки времени, образует смертоносные водовороты, в которых гибнет все живое. Одну из таких рек называют «рекой мертвых рыб».
В некоторых областях, где имеются значительные скопления гейзеров и горячих источников, сооружены электростанции, работающие на геотермальной энергии (запасах глубинного тепла Земли). Такие электростанции есть в Италии (Лардерелло в Тоскане), Исландии (около Рейкьявика), Калифорнии, на Северном острове Новой Зеландии, в районе реки Паужетки на Южной Камчатке и в некоторых других местах. Правда, этот вид добычи энергии не получил широкого распространения, потому что необходимые для выработки электроэнергии условия встречаются редко. Кроме того, при использовании горячей воды, извергаемой гейзерами, металлические трубы быстро портятся. Это происходит из-за коррозии и засорения растворенными в воде соединениями. Эти соединения — карбонат кальция и кремнезем — оседают на стенках труб.
Вода, извергающаяся из гейзеров, используется для отопления жилых домов, парников и теплиц. В теплой воде гейзеров можно купаться даже зимой.
Немецкий географ Э. Бауэр написал очень интересную книгу «Чудеса Земли». В главе, посвященной гейзерам, Бауэр описал область озера Роторуа на северо-востоке Северного острова Новой Зеландии. Люди племени арава называют это место Такива-Ваиарики, что означает «Страна горячей воды». Среди множества «подземных фонтанов» Бауэр отметил один гейзер — Леди Нокс.
«[Этот гейзер,] расположенный в тихой лесистой долине, известен своим утонченным воспитанием: по утрам он приводится в действие порцией мыла. Экскурсовод высыпает в отверстие гейзера прихваченное с собой ведерко мыльного порошка (мыло служит как бы смазкой для воды) и длинным шестом взбалтывает порошок в канале. Через несколько минут Леди Нокс начинает пениться. Выждав немного, экскурсовод накрывает отверстие мешком и проталкивает его шестом в канал, чтобы пена не шла через край. Толпа туристов отступает к склону, не отрывая глаз от жерла. Глухой взрыв! Мешок взлетает вверх на мощной струе. Леди Нокс заработала!
С полчаса над белыми натеками висит серебристый столб воды высотой 10–15 метров, словно выброшенный пожарным рукавом. Леди Нокс шипит и гудит, как и положено уважающему себя гейзеру. Фонтан переливается на солнце, в воздухе между соснами изгибается радуга. Затем напор начинает спадать, вода становится горячее и, наконец, сменяется паром….»
И Леди Нокс вновь затихает — до следующей порции мыла.
Ледники
Существуют ледники горные и покровные. В горах ледники сначала образуются в углублениях, но когда ледник становится большим, часть льда сползает вниз по склону. У подножия горы температура воздуха выше, и сползающий лед начинает таять — так образуются ледниковые реки.
Ученые называют верхнюю часть ледника областью питания, а нижнюю, которая тает, — областью расхода. Летом иногда можно увидеть границу между этими двумя частями — выше лед скрыт снегом, а ниже снега нет. Эта граница называется границей питания или равновесия. Когда происходит существенное потепление климата, граница постепенно поднимается выше.
Ледники могут быть самых разных размеров — от одного до нескольких сотен квадратных километров. Самый большой горный ледник находится на Аляске (США) и носит имя исследователя Севера В. Беринга.
В больших ледниках лед движется, почти как вода в реке. У горных ледников, как и у рек, бывают даже притоки. Правда, скорость движения таких «рек» относительно небольшая — несколько десятков сантиметров в год.
Но иногда случается ледяной паводок. Как известно, обычный паводок происходит, когда уровень воды в реке сильно повышается, река выходит из берегов и затопляет окрестности. А ледяной паводок — это внезапное и очень быстрое движение льда. Сползающий со склона лед тает; за грудой льда накапливается вода, и в какой-то момент ледяная плотина, увлекаемая потоком воды, на большой скорости устремляется вниз. Вот как описал это явление М. Рид в романе «Охотники за растениями»:
«Поверхность ледника двигалась, напоминая бурное море: горы льда вздымались и перекатывались с оглушительным грохотом; огромные синеватые глыбы высоко поднимались над уровнем льда и с треском разбивались об утесы. Густое белое облако снега и ледяных осколков наполнило ущелье, и под этим зловещим покровом некоторое время еще продолжались стук и скрежет».
Полярные ледники формируются примерно так же, как и горные: сначала выпадает снег, который затем уплотняется. Однако полярные ледники покрывают более обширную территорию, чем горные. Эти-то ледники и называют покровными.
У покровных ледников тоже есть области питания и расхода. Только у горных ледников лед тает, а у покровных — откалывается и падает в море. Так образуются айсберги — огромные плавучие глыбы, значительная часть которых скрыта под водой. Правда, зачастую и надводная часть айсберга имеет весьма внушительные размеры: ее высота может достигать 70—100 метров. Особенно много айсбергов образуется у побережья Антарктиды, острова Гренландия и некоторых небольших островов Арктики. Айсберги представляют большую опасность для кораблей: «Титаник» затонул из-за пробоины, полученной при столкновении с айсбергом.
Ученые подсчитали, что ледники занимают на планете второе место после Мирового океана по территории и объему воды. А уж запас пресной воды, столь необходимой всему живому, в ледниках гораздо больше. Известно, что талая вода ледников — самая чистая: в ней почти нет примесей.
В XIX веке, когда еще не было холодильников, лед на продажу брали из природных ледников Норвегии, Аляски и развозили по городам. «Домашние ледники» устраивали в погребах, где и хранили провизию.
Конечно, самым большим «домом» ледников является Антарктида. Мы уже говорили, что здесь находится полюс холода, однако в Антарктиде лед тоже тает, правда, это происходит не на поверхности, как мы привыкли, а под толщей льда. В Антарктиде есть целые озера, находящиеся подо льдом.
Явление, похожее на горные ледяные «реки», наблюдается и среди антарктических ледников. Пока точно не установлено, почему возникают эти ледяные потоки, которые несут лед из центральных районов Антарктиды к побережью. Самым крупным из таких потоков является ледник Тейлора.
Толщина ледников Антарктиды огромна. Они величественно громоздятся над океаном, сверкая ослепительной белизной. Значительная часть подледной территории материка находится ниже уровня моря. Это означает, что если бы ледники Антарктиды растаяли, то большая часть материка очутилась бы под водой. Остались бы лишь группы островов.
Сколько времени нужно, чтобы ледяной покров Антарктиды полностью обновился? Оказывается, на это потребуется 11–12 тысяч лет! А вот небольшой горный ледник вполне может обновиться за несколько десятков лет.
В Северном полушарии расположен большой остров Гренландия. Этот остров в 875 году случайно открыли сбившиеся с курса скандинавские моряки. Первые поселения на острове появились в конце X века. В то время климат острова был значительно теплее, на юге острова росли леса. Серьезное похолодание началось в XIII веке. Все населенные пункты здесь находятся на побережье, основная же часть острова покрыта ледниками.
В ледниках Гренландии, как и в Антарктиде, есть ледяные потоки, самым известным из которых является Якобсхавн. Лед в этом потоке движется очень быстро — со скоростью 7 километров в год.
Подземные льды
Вечная (или многолетняя) мерзлота — это слои подземного льда, которые залегают на разной глубине. Температура воздуха и почвы в районах распространения вечной мерзлоты намного ниже О °С.
Вечная мерзлота является частью криосферы — оболочки Земли, в которой может существовать лед. Легко догадаться, что в ее образовании участвуют и литосфера, и атмосфера, и, естественно, гидросфера, ведь лед — это замерзшая вода.
Такое промерзание почвы хорошо известно не только жителям северных районов. К сожалению, бесснежные, но морозные зимы могут нанести существенный вред — без снежного покрова почва промерзает на довольно большую глубину, и зимующие в ней клубни, корни и семена растений погибают. Однако в средних широтах почва редко промерзает на большую глубину — самое большее на несколько десятков сантиметров. Такая мерзлота является сезонной — ведь весной она быстро растает.
А замерзает в почве, конечно же, вода, которая присутствует в природе практически повсюду. Причем это не только та влага, которая впитывается после дождя или в результате таяния льда и снега, но и грунтовые воды.
При низкой температуре вода замерзает и накрепко соединяет частицы земли и породы. Но если сезонная мерзлота существует всего несколько зимних месяцев, то вечная мерзлота существует гораздо дольше. Ученые установили, что самой старой мерзлоте — 1–1,5 миллиона лет. На некоторых территориях мерзлота существует лишь несколько лет, поэтому ее и называют иногда не вечной, а многолетней.
Лед в вечной мерзлоте распределен неравномерно. Это зависит от разновидности пород и количества присутствующей в них воды. Понятно, что рыхлая почва легче промерзает на большую глубину, чем твердые скалы.
Исследователи выделили несколько разновидностей подземного льда. Самыми распространенными являются лед-цемент и сегрегационные льды. Цемент во влажном виде легко проникает в мелкие трещины, а когда застывает, становится твердым и прочным. Похожие свойства и у льда-цемента.
Сегрегационные (от лат. segregatio — «разделение») льды образуются на глинистых почвах, насыщенных влагой. Вода поступает с большой глубины из подземных источников. При промерзании грунт как бы расслаивается, разделяется: слои льда чередуются со слоями промерзшего грунта. Толщина ледяных слоев бывает разной — и меньше миллиметра, и до нескольких сантиметров.
В некоторых районах в промерзших почвах попадаются довольно крупные массивы льда: иногда вертикальные жилы, иногда горизонтально расположенные толстые слои. Крупные ледяные жилы есть в Якутии и на Колыме.
Ширина ледяных жил может достигать 7—20 метров. Нередко ледяные жилы пересекаются с горизонтальными слоями льда, образуя в почве своего рода ледяной каркас.
Возникают ледяные жилы так: зимой при сильном понижении температуры в промерзшем грунте нередко образуются глубокие трещины. Их называют морозобойными — ведь именно мороз «пробивает» их в толще вечной мерзлоты. Появление этих трещин сопровождается сильным шумом, как будто работает отбойный молоток. Весной в эти трещины проникает вода, а зимой она замерзает. Сначала ширина трещины может составлять несколько сантиметров. Что же касается глубины, то известно, что обычно глубина морозобойных трещин составляет 5–6 метров, в редких случаях возникают трещины глубиной 10–12 метров. Однако ледяные жилы проникают в грунт намного глубже! И дело вот в чем. Во-первых, ледяные клинья растут вширь. Это происходит потому, что на месте однажды появившейся трещины вновь и вновь случаются разрывы, тем более что лед растрескивается легче, чем мерзлый грунт. Весной в образовавшуюся трещину снова проникает вода, которая зимой вновь замерзает, и т. д. Ученые установили, что за 100 лет ширина ледяной жилы может вырасти до 2–3 метров! Но ледяные жилы растут и в глубину. Это довольно сложный процесс. Известный мерзлотовед А. Попов предложил гипотезу, согласно которой рост ледяных жил в глубину сопутствует постепенному повышению поверхности земли. Особенно наглядно это можно продемонстрировать на примере пойм (часть дна речной долины, которая затопляется в половодье, во время паводков) сибирских рек или склонов возвышенностей, где постоянно накапливаются речные и склоновые отложения.
Поскольку морозобойные трещины неоднократно возникают на одних и тех же местах, подземный лед, который в них образуется, назван повторно-жильным. Долгое время ученые спорили, как возникли мощные повторножильные льды, распространенные в северной части Восточной Сибири и на Новосибирских островах. С конца XIX века и до середины XX века большинство исследователей полагали, что эти льды являются остатками древних ледников.
Самые крупные массивы льда, которые могут встречаться в мерзлых грунтах, называют пластовыми льдами. Эти пласты нередко простираются на несколько десятков метров, их толщина также может составлять несколько десятков метров. Пластовые льды обычно залегают на глубине 40–50 метров, но иногда находятся и на глубине 100–150 метров.
Пластовые льды далеко не всегда залегают горизонтально и имеют однородную структуру. Иногда они располагаются наклонно и имеют многочисленные складки. Лед бывает чистым, но может и включать тонкие слои песка и других пород. Пластовые льды довольно часто встречаются в северных районах Западной Сибири, на Чукотке, в северо-западных районах Канады и на Аляске. Что же касается того, как возникают большие массы льда в толще мерзлого грунта, то ученые пока не пришли к однозначным выводам.
В природе встречаются и так называемые ледяные пещеры. Располагаются они вовсе не в вечной мерзлоте и не на вершинах гор. Такие пещеры есть в России (на Урале) и в Западной Европе. Представьте себе пещеры со сталактитами и сталагмитами изо льда! Кристаллы льда образуют причудливые узоры на стенах пещер, ледяные бугры на полу… Но почему в районах с относительно теплым климатом лед в пещерах не тает даже летом? Дело в том, что теплый воздух не проникает в глубь пещер — он легче холодного, и тот попросту выталкивает его. И так происходит независимо от времени года.
На Памире, в районе Горного Бадахшана, есть весьма необычный «островок» многолетней мерзлоты. У подножия одной из гор находится вход в пещеру: из нее постоянно дует сильный холодный ветер. Он действительно холодный — даже в сорокаградусную жару температура «пещерного» ветра не поднимается выше —20 °C. Если около входа в пещеру поставить ведро с водой, то вскоре эта вода превратится в лед.
12—15 тысяч лет назад вечная мерзлота покрывала почти всю территорию России, Западной Европы, Северный Казахстан и юг Западной Сибири. В Северной Америке вечная мерзлота охватывала меньшую территорию, однако и там она доходила до штата Колорадо, который в настоящее время отличается довольно жарким климатом.
Но даже в суровых условиях вечной мерзлоты люди строят жилые дома и предприятия. Правда, при этом необходимо учитывать, что в районах вечной мерзлоты почва обладает иными свойствами, нежели, например, в средних широтах. При минусовых температурах обычные песчаные и глинистые почвы могут выдерживать большие нагрузки, а вот при небольшом потеплении такой грунт становится очень рыхлым и либо оседает, либо вспучивается под тяжестью домов. И при этом любое вмешательство в структуру мерзлоты — осушение территории, устройство котлована или просто удаление снежного покрова — может отразиться на свойствах грунта самым непредсказуемым образом. Архитекторы пришли к выводу, что для нормальной устойчивости зданий надо как можно меньше нарушать естественную структуру мерзлоты. Оптимальным решением признано строительство домов на сваях. Во-первых, не нужно рыть котлован под фундамент. Во-вторых, между зданием и грунтом постоянно проходит воздух. Это условие важно потому, что рядом с домами (и любыми постройками) зимой теплее. Тепло, идущее от домов, может привести к подтаиванию грунта и его разрыхлению. А дальше все понятно — почва начнет оседать или вспучиваться, что отрицательно скажется на состоянии здания. Конечно, для установки свай приходится бурить скважины в грунте. Однако это не столь серьезное изменение структуры мерзлоты, как, например, рытье котлована.
Построенная на сваях Якутская тепловая электростанция работает более 50 лет, и каких-либо деформаций здания не отмечалось.
В настоящее время разработаны более совершенные технологии строительства на мерзлоте. В сваи помещают специальные охлаждающие устройства, которые способствуют более сильному охлаждению мерзлоты и, соответственно, более прочному смерзанию свай с почвой.