Виктор Геннадьевич Смирнов
Земные ландшафты
О книге (от автора)
Обдумывая содержание, стиль и структуру этой книги, автор поставил перед собой три цели:
I. Объяснить читателю особо сложные моменты, с которыми он сталкивается при изучении физической географии.
В книге «Земные ландшафты» основной упор делается именно на объяснение некоторых научных фактов, о которых заранее известно, что они могут быть не до конца понятны человеку, пытающемуся глубже вникнуть в суть вопросов, касающихся физической географии. Ключевые моменты специально повторяются несколько раз – для наиболее глубокого восприятия и повышения запоминаемости.
II. Показать, что физическая география при определенном подходе может быть взаимосвязанной и цельной системой знаний о природе, а не искусственно скомпонованным набором разрозненных наук.
Многим людям сложно представить физическую географию (тем более всю географию) цельной и, следовательно, полноценной наукой. В самом начале, когда человек только приступает к изучению этого раздела (не говоря уже просто обо всей географии), у него в сознании образуется нечто вроде хаоса, состоящего из разобщенных отрывков знаний о поверхности Земли. И однажды он может сделать вывод, что биология, геология, геохимия, геодезия, геофизика, гидрология и метеорология – это действительно науки, а география – это всё и по сути ничего. И в этом, к сожалению, есть своя доля правды, потому как в наши дни о географии можно говорить в первую очередь как о философской ветви естествознания. Другими словами, физическая география – это то же самое, что и философия земной природы. Общие природные закономерности, взаимоотношение природы и общества и другие вопросы – философские категории, о которых в будущем (если ситуация так и не изменится) будут дискутировать на философских факультетах. Сама география как таковая (общее представление о Земле и ее поверхности), разумеется, останется только в качестве педагогической специальности: кто-то должен научить человека находить на глобусе Америку, Китай, а также объяснить, чем отличается холм от горы и озеро от моря.
Максимально приблизить современную географию к реалиям современности и заодно скрепить ее невидимыми научными нитями (чтобы она не распалась на тысячи составляющих) можно следующим образом.
1. Поставить ландшафтоведение в центр физической географии, сделать его консолидирующим ядром этой науки.
Все остальные разделы при таком подходе послужат ландшафтоведению или «предисловием», или «послесловием». В ландшафтоведении (особенно в термине «ландшафт») сходятся все отраслевые физико-географические науки; от него же они и отталкиваются.
2. Соединить физическую географию с социально-экономической ветвью, четко обозначив объект изучения.
На сегодняшний день совершенно очевидно, что объект у географии (как цельной науки) может быть только один – страны мира. Страноведение – замечательная дисциплина, объединяющая все географические науки в одну нерушимую область знаний, которая очень востребована в наше время во многих сферах деятельности. Но пока еще страноведение не имеет самостоятельной силы.
Название науки, которая образуется после объединения двух главных ветвей землеописания (физической и социально-экономической), можно оставить таким, каким оно было всегда – география. Ну а о картографии здесь и говорить не приходится: география с нее начинается, ей же и заканчивается.
В «Земных ландшафтах», которые в силу своей тематики затрагивают исключительно физику природы, был апробирован, разумеется, первый пункт (из двух заявленных). Такая попытка ни на что не претендует, и она, скорее всего, останется в рамках только этой книги.
III. Обозначить наиболее важные и нужные моменты в физико-географической науке.
Книга, по сути, представляет собой тот физико-географический минимум, зная который, можно продвинуться дальше, в более глубокие слои физической географии – самой сложной науки о природе Земли. Автор, развивая тему книги, очертил научный круг, в котором содержатся самые важные сведения и представления о Земле и ее ландшафтной оболочке.
Специфика материала. Материал книги «Земные ландшафты» характеризуется биогеографической направленностью развития (а точнее – фитогеографической направленностью).
Автор считает биоцентрический подход к изучению генезиса природных комплексов единственно правильным в физической географии. По его мнению, появление (и вообще наличие) живого вещества является признаком зрелости ландшафта, то есть показателем полного завершения ландшафтообразующих процессов, восстанавливающих протоландшафтную территорию до уровня природного комплекса (геосистемы) – самого сложного уровня организации любой планетарной поверхности. Эта идея не раз упоминается в книге. В некоторых главах особо подчеркивается, что статусом «природный комплекс» обладают не все земные территории; и тем более не обладают таким статусом – до предела деградированные участки поверхностей других землеподобных планет.
Такое сложное понятие, как «ландшафтное разнообразие», автор отождествляет преимущественно с разнообразием растительного мира. Неживой мир позиционируется в качестве весомого подспорья, арены для поддержания и, возможно, дальнейшего увеличения биоразнообразия. Все грани абиотической природы раскрываются подробно и по классической схеме, в виде рассуждения, без резких субъективных выводов, ненужной полемики и попыток выудить из «океана» географической информации о неживой природе нечто такое, чем можно было бы объяснить всё на свете – и само наличие жизни, и всю ее неповторимую палитру, и многие другие тайны Земли.
Некоторые определения и понятия намеренно не раскрываются до конца. Это сделано для того, чтобы оставить читателю пространство для самостоятельного изучения и анализа тех или иных моментов.
***
Акценты в книге не смещены в сторону только лишь «серьезных», масштабных, закономерностей; наравне с ними рассматриваются ландшафтные явления, казалось бы, совсем незначительные, которые на самом деле таковыми не являются.
Сведения о различных природных явлениях, напрямую не задевающих ландшафтную сферу, даны для того, чтобы сформировать у читателя полноценное представление о Земле в целом, о поверхности земной коры и Мирового океана.
Ландшафтный опыт автора базируется на изучении в основном равнинных территорий в трех географических поясах – умеренном, субтропическом и отчасти тропическом. По этой причине общий материал книги опирается на равнинную часть умеренно-субтропических и северных тропических широт.
Материал «Земных ландшафтов» представлен главным образом в научно-популярной форме, но содержит большое количество довольно сложных физико-географических терминов и определений. Соответственно, книга ориентирована на людей, имеющих достаточно высокий уровень начальных знаний по физической географии.
Предисловие
Отличить земной ландшафт от ландшафта другой планеты Солнечной системы сможет любой человек. Снимки, изображающие поверхности двух планет – Земли и, например, Марса – будут в корне отличаться друг от друга. Сравнивая такие фотографии, мы сразу увидим, что Земля выстлана растительным покровом, а Марс – нет. Однако, изучая фотоматериалы (цветные или черно-белые), на которых запечатлены одни лишь мертвые пустыни, можно впасть в некоторое заблуждение и в итоге перепутать земную поверхность с марсианской или наоборот.
Рис. 1. Земной ландшафт. Фото автора
Рис. 2. Марсианский ландшафт (фотография с открытой лицензией на использование)
Почему же на Земле, которая находится в столь благоприятных условиях, по сравнению с другими планетами земной группы, существуют ландшафты, лишенные жизни?..
Дело в том, что наличие или отсутствие растительности контролируется коэффициентом увлажнения (или радиационным индексом сухости) – универсальным климатическим показателем жизнеспособности ландшафтов любой планеты. Он применим абсолютно ко всем землеподобным планетам. Сбалансированный коэффициент увлажнения наделяет поверхность самой высокой биологической продуктивностью, крайне несбалансированный приводит к полному иссушению местности и в корне уничтожает любые проявления жизни. Чем больше коэффициент уклоняется в сторону дисбаланса, тем меньше и скуднее выражена органическая производительность ландшафта.
Конечно, нет правил без исключений: и в пустынях существуют островки жизни – оазисы. Вода, находящаяся в почве и под ней, насыщает влагой растения не хуже тропических ливней. На Земле не существовало бы «бесплодных» земель, если бы зеркало грунтовых вод в этих местах повсеместно подходило близко к дневной поверхности.
Планеты земной группы и подобные им спутники представляют собой сплошную пустыню, причем самую суровую из всех возможных. Но только ли «неправильный» коэффициент увлажнения повинен в том, что эти планеты находятся в таком состоянии?..
И здесь следует сделать несколько предварительных оговорок. Всякая форма жизни (по крайне мере – земная) приспособлена к существованию в определенном диапазоне температур. Если термические условия заходят за все мыслимые и немыслимые пределы, то даже при идеальном коэффициенте увлажнения (≈1), о растениях не может быть и речи. Венера, славящаяся своими фантастическими для такой планеты температурами (500-600 градусов по Цельсию), конечно, бессильна в биологическом отношении.
Химический состав атмосферы и ее плотность тоже вносят определенные коррективы в саму возможность существования жизни. Ядовитые газы и излишне высокое давление среды создают отрицательный фон для растительности.
Поверхность со стороны космоса должна быть защищена специальными экранами (как на Земле – магнитным полем и озоновым слоем), не пропускающими ту часть спектра электромагнитного солнечного излучения, которая оказывает губительное воздействие на всё живое. При отсутствии таких щитов даже на Земле не смогли бы появиться высшие организмы.
Гидротермический баланс – это условный показатель, приносящий плоды только в том случае, если планета имеет достаточно мягкие, комфортные климатические показатели и может противостоять космической «агрессии» (солнечные ветры и др.).
Предположим, планета дошла до такого уровня, когда все вышеперечисленные условия стали для нее нормой. Что еще может помешать зарождению жизни?.. Отсутствие механизма влагооборота.
Размышляя о влагообороте, следует знать, что в настоящее время он возможен только при наличии крупных естественных резервуаров с водой (размером с океан), которые будут снабжать сушу влагой. Это во-первых. Во-вторых, без правильной атмосферной передачи влаги на сушу и обратно поверхность не сможет регулярно увлажняться, что приведет к гибели растений. А для этого воздушная оболочка планеты должна обладать способностью к уравновешенной циркуляции. В-третьих, для отвода лишней воды и для частичного возвращения ее в океаны суша должна иметь структурированную сетку ячеек стока (как на Земле – углубления для отвода воды и возвышения для поверхностного и подземного стока воды в углубления).
Одним словом, чтобы на какой-либо планете появилась жизнь, хотя бы отдаленно похожая на земную, небесное тело по всем физическим и химическим характеристикам должно обладать полным землеподобием. Большинству этих требований другие планеты не отвечают – в силу своих астрономических, геодезических качеств, строения и состава оболочек и геолого-геоморфологической структуры поверхности.
Итак, при «качественном» (т. е. землеподобном) физико-механическом, химическом, геодезическом состоянии планеты в целом и ее оптимальном астрономическом положении, а также – при наличии «правильно» устроенной сетки ячеек стока присутствие или отсутствие растительного покрова определяется только рамками оптимального соотношения тепла и влаги. Вне этого диапазона о растительности говорить не приходится.
Но – растения растут не из воздуха, а из почвы (грунта). Следовательно, состав твердой поверхности тоже оказывает непосредственное влияние на них. Исследования показывают, что петрография поверхности планет земной группы радикально не отличается от земной – всё те же минералы и горные породы, с некоторыми лишь отклонениями в химическом составе. Если на Земле в образце рыхлого грунта другой планеты посадить какое-нибудь неприхотливое к минеральным веществам растение, оно, скорее всего, приживется. И если речь не идет об откровенно «отравленных» поверхностях, коими обладают планеты-гиганты, то фактор почвы в этом аспекте практически сходит на нет.
Несмотря на всё вышесказанное, фундаментальный вопрос современной физической географии, конечно, лежит в несколько иной плоскости. Даже самые малоэффективные территории Земли при сдвиге климата в благоприятную сторону способны относительно быстро восстановиться до уровня лесных зон. Это означает только одно: Земля обладает высочайшим жизненным потенциалом, который проявляет себя при первой же возможности. Предположим, эволюция планет земной группы однажды поставит их в равные условия с Землей. Сможет ли их грунт произвести на свет нечто подобное?.. Или на такое способна только Земля?.. Ответы на эти вопросы человечество вряд ли когда-нибудь получит.
Земля – пока что единственная известная науке планета, где летом («вечным» или периодическим) можно полюбоваться зеленой природой. Разнообразие растительного мира поражает воображение. Чтобы понять, какими причинами оно обусловлено, нужно достаточно глубоко заглянуть в неживой мир Земли, который, являясь по сущности на сто процентов неодушевленным, как это ни странно, наделен некой силой, способной непрерывно украшать планету неисчислимым множеством видов и форм биоматерии.
Глава 1. Планета Земля
«Земля же была безвидна и пуста, и тьма над бездною…»
Все науки геоцикла (включая геологию, геофизику, геодезию и пр.) объединяет один единственный объект изучения – планета Земля. Физическая география изучает поверхность Земли, а именно ландшафтную оболочку. Но любая планетарная поверхность как таковая – не самостоятельная категория. И поэтому, прежде чем приступить к анализу физико-географических закономерностей, желательно иметь хотя бы общее представление о том, что такое Земля, какое она занимает положение в космическом пространстве и какое имеет строение.
Образование и развитие Земли
Праматерия. Число небесных тел, наполняющих Вселенную (по крайней мере – Метагалактику, т. е. часть Вселенной, которая доступна для современного наблюдения и изучения), настолько велико, что если хотя бы теоретически попытаться сосчитать количество таких астрономических единиц материи, то рано или поздно вся сумма, образно говоря, уйдет в бесконечность. Несмотря на это, согласно одной из гипотез, все космические тела когда-то на заре образования Метагалактики были составной частью единого «вещественно-энергетического облака». Облаком это первичное образование названо условно, поскольку с привычными для нас небесными облаками оно, скорее всего, не имело ничего общего.
Потребовалось очень много времени для того, чтобы в процессе эволюции облако, находившееся, судя по всему, в состоянии жидкого водорода (самого распространенного элемента во Вселенной), перешло в состояние резкого усиленного «распада» на первичные единицы материи, которые стали удаляться друг от друга во всех направлениях трехмерного пространства со скоростью, намного превышающей скорость света. Причиной такому положительно катастрофическому явлению послужил мощнейший энергетический «импульс», созревший, видимо, в центральной части облака.
Теоретически праматерия до «распада» не подавала никаких признаков высокой энергетической активности. Такой «парадокс» был преодолен в процессе, как уже говорилось, развития праматерии.
Что это было за «облако», как оно выглядело, из чего точно состояло, какими обладало размерами и т. д. – эти каверзные вопросы пока что отложены в долгий ящик. Помимо этого, неизвестно, существовало ли оно в «подвешенном» состоянии внутри уже сформированного «чистого пространства» (абсолютного вакуума), или же само по себе составляло «первичное пространство», которое до сих пор расширяется под действием неких сил.
На определенном этапе скорость взаимного удаления первичных единиц материи снизилась до «нормальных» (современных) значений. Астрофизическая обстановка в срединных, околопериферийных и периферийных секторах образовавшейся Вселенной стабилизировалась. Из «разбежавшихся» во все стороны частей праматерии образовались «туманности», впоследствии превратившиеся в современные галактики (эллиптические, спиральные, неправильные), галактические скопления (от нескольких сотен до нескольких тысяч галактик) и сверхскопления (от 10 тысяч галактик). Первичные (исходные) «туманности», по современным представлениям, не были похожи на диффузные и планетарные газопылевые туманности (внутригалактические облака) нашего времени, входящие в состав современных галактик наряду со звездами (одиночными, двойными, кратными) и звездными скоплениями (шаровыми и рассеянными). И тем более вещество их не могло, конечно, представлять собой некую туманообразную субстанцию. Повторимся: все эти названия и определения чрезвычайно условны и неоднозначны.
Помимо этого, не до конца выяснено, чем именно было заполнено межзвездное пространство эпохи первичных «туманностей» (в настоящее время оно заполнено разреженным межзвездным газом, межзвездной пылью, космическими лучами (потоками заряженных частиц, которые движутся со скоростями, близкими к скорости света), а также – гравитационными и магнитными полями).
Вот так в самой что ни на есть упрощенной (примитивной), грубой и, естественно, спорной схеме можно представить праматерию и последующую ее трансформацию в небесные тела, объекты и межзвездное пространство. Но это лишь одна из многих гипотез образования Вселенной, которая к тому же является недоказуемой. Подтвердить и опровергнуть эту модель невозможно.
Этапы развития Земли. Всю историю развития Земли можно разделить на три крупных этапа: добиогенный, биогенный, антропогеновый.
Добиогенный этап развития Земли. Праматерия содержала в себе материал, из которого через энное количество миллиардов лет сформировались все небесные тела, в том числе и Земля.
Земля появилась приблизительно 5 миллиардов лет назад из частиц газопылевого облака. Из него же сформировались другие планеты Солнечной системы, а также и само Солнце. В процессе вращения облака отдельные частицы вещества сталкивались, соединялись, укрупнялись. В итоге облако распалось на несколько отдельных вихрей, собственное вращение которых в конечном итоге завершило первую стадию формирования всех планет и Земли в частности.
Таким образом наращивались планетарные тела. Это длилось от 200 до 500 миллионов лет. Но сформировавшаяся Земля была только геодезически близка к своему современному состоянию. По остальным же параметрам она значительно отличалась от того, что мы знаем о ней сейчас.
Как известно, гравитация постепенно дифференцировала (разделяла) вещество Земли в течение нескольких миллиардов лет. Тяжелые элементы просочились к центру планеты и образовали ядро, относительно тяжелые элементы составили мантию и земную кору, легкие – гидросферу. Из самых легких элементов была сформирована атмосфера – физическая смесь газов. Поэтому после того, как процесс дифференциации был завершен, Земля представляла собой идеальную модель в плане гравитационного расчленения вещества. Проще говоря, вся поверхность Земли в то время была покрыта водой.
Позднее, когда Земля вошла в биогенную стадию, внутреннее развитие ядра и мантии дало начало ряду энергетических потоков, высоко поднявших дно тогдашнего всеобъемлющего Океана над уровнем воды. Так появилась суша. Она была представлена одним большим участком (сейчас он называется Пангеей), окруженным со всех сторон водами протоокеана Панталасса.
Биогенный и антропогеновый этапы развития Земли. Первые простейшие микроорганизмы появились, предположительно, в конце архея (но это спорно). Древний Мировой океан к тому времени по своему состоянию приблизился к настоящему – достаточно опреснился, обогатился всеми нужными элементами и избавился от ненужных, основательно аэрировался и т. п.
Биогенный этап сменился антропогеновым, продолжающимся и по сей день. Он начался с появления первых людей.
Структура геохронологической шкалы (основные черты). Более точное представление о развитии Земли дает геохронологическая шкала. Согласно ей, вся история Земли делится на несколько грандиозных временных промежутков, которые были названы эонами. Выделяют четыре эона: доархей, архей (AR), протерозой (PR), фанерозой.
Архей и протерозой объединяются в один геологический этап, называемый докембрием (криптозоем). По сути, докембрий – это мегаэон. В те далекие времена наша планета была практически пуста в плане жизни. Доархей в докембрий не включается.
Эон фанерозой начался с резкого появления первых более или менее развитых организмов, стремительного увеличения их числа и видового разнообразия. До этого времени существовали только примитивные организмы. Фанерозой продолжается и в наше время. Мы живем в эпоху фанерозоя. Закончится он, видимо, тогда, когда Земля вернется к абиогенной стадии существования. В теории такое событие может произойти, на практике же всё гораздо сложнее.
Возникает вопрос: если докембрий можно назвать мегаэоном, то почему фанерозой таковым в науке не считается?.. Дело в том, что докембрий длился очень долго – несколько миллиардов лет, а фанерозой начался всего лишь несколько сотен миллионов лет тому назад. Уже это обстоятельство говорит о том, что фанерозой пока не может называться мегаэоном. Спустя миллиарды лет, если полноценная жизнь всё же сохранится на Земле, фанерозой можно будет определить как мегаэон.
Все эоны делятся на эры. Доархей – самый древний эон. Он начался с образования Земли. Сколько он длился и что происходило в то время, никто не может знать наверняка, и поэтому этот эон на эры не делится. А вот архей уже насчитывает три эры: ранний архей, средний архей, поздний архей. В эти эры сформировались гидросфера и ядро Земли, появились первые микроорганизмы.
Протерозой делится на две эры: ранний протерозой, поздний протерозой, или рифей (RF). В протерозое атмосфера интенсивно развивалась, обогащалась кислородом, на суше развивались орогенные области и микроорганизмы.
Фанерозой делится на три эры: палеозойская (PZ), мезозойская (MZ), кайнозойская (KZ). В эти эры появляются животные и растения, а в конце кайнозойской эры – человек.
Эры делятся на периоды. В палеозое насчитывается шесть периодов: кембрийский (E), ордовикский (O), силурийский (S), девонский (D), каменноугольный (C), пермский (P).
В мезозое – три периода: триасовый (T), юрский (J), меловой (K). В кайнозое – три периода: палеогеновый (Pg), неогеновый (N), четвертичный, или антропогеновый (Q). Считается, что человек появился в четвертичном периоде; поэтому данный геологический отрезок еще называется антропогеновым.
Периоды кайнозойской эры делятся еще и на эпохи. Палеоген разделяется на: палеоцен (P1), эоцен (P2), олигоцен (P3). Неоген разделяется на две эпохи: миоцен (N1), плиоцен (N2). В антропогене – две эпохи: плейстоцен (Q1), голоцен (Q2). Таким образом, современный человек живет в эпоху голоцена.
Вышеописанная геохронологическая схема имеет и другой вариант. В альтернативной схеме геологическая история Земли делится на три эона: дорифей, рифей, фанерозой.
В дорифей входит архейская эра и ранний протерозой. Архейская эра на периоды не делится, а протерозойская эра в данном варианте состоит из следующих периодов: средний и нижний (ранний) протерозой, нижний рифей, средний рифей, верхний рифей, завершающий рифей (венд).
В рифейский эон входят, таким образом, четыре последних периода протерозойской эры – от нижнего рифея до венда.
Эон фанерозой состоит из трех эр: палеозойская эра, мезозойская эра, кайнозойская эра. Периоды этих эр имеют те же самые названия, что и в другой схеме (которая была описана ранее); и последовательность периодов – от кембрийского до антропогенового – полностью совпадает.
В некоторых случаях понятие «эон» сводится на нет и заменяется понятием «эра». Согласно такому взгляду существует архейская эра, протерозойская, палеозойская, мезозойская и кайнозойская. Подобное видение является положительно упрощенным, и хорошо подходит для начального изучения геохронологической истории Земли.
Такой этап в развитии Земли, как антропогеновый, когда на природу начал воздействовать человек, начался относительно недавно. За этот небольшой промежуток времени общество пока не успело дойти до такого состояния, когда человеческая деятельность может оказать сильное негативное воздействие на самые мощные природные факторы – вращение Земли, климат, эндогенные геологические процессы и пр. Конечно, вызывает много опасений ядерное и климатическое оружие, использование которого может спровоцировать развитие апокалиптического сценария с последующей постапокалиптической эрой.
Антропогеновый этап, в принципе, является частью биогенного этапа; но специфика этого временного интервала настолько уникальна, что не присвоить ему особый статус было бы нелогично.
