§ 22. Зовнішні процеси, що змінюють земну кору

ЩО ТАКЕ ЗОВНІШНІ ПРОЦЕСИ. Земну поверхню формують не тільки внутрішні, а й зовнішні процеси. До них належать вивітрювання, робота вітру, поверхневих і підземних вод, моря, льодовиків, діяльність людини. Зовнішні процеси, на виміну від внутрішніх, відбуваються на поверхні або у верхній частині земної кори.

Відрізняються зовнішні процеси від внутрішніх і тим, що черпають енергію не всередині планети, а зовні. Вони «використовують» енергію Сонця (сонячне тепло), силу земного тяжіння, життєдіяльність організмів. На перший погляд, ці сили видаються значно слабшими. Проте це тільки здається. Недарма в народі кажуть: «Вода камінь точить». Зовнішні процеси виконують одночасно і руйнівну, і створювальну (творчу) роботу.

ВИВІТРЮВАННЯ. Воно охоплює майже всю поверхню планети і є найпоширенішим з усіх зовнішніх процесів. Розрізняють фізичне, хімічне й органічне вивітрювання.

Фізичне вивітрювання — це руйнування гірських порід до уламків під впливом коливань температури та замерзання води в їх тріщинах. Особливо активно воно відбувається там, де великі контрасти температур протягом доби: у пустелях і горах. У пустелях температура піску і скель удень може сягати +80°С, а вночі спадає майже до 0 °С. Багаторазове нагрівання й охолодження призводить до швидкого розтріскування порід (мал. 74). Руйнівна дія замерзлої води особливо поширена у полярних районах. Вода під час замерзання у тріщинах збільшується в об’ємі й розширює їх. Згодом суцільна брила руйнується.

Мал. 74. Фізичне вивітрювання

Органічне вивітрювання — це руйнування гірських порід організмами. Найчастіше його починають бактерії, мохи і лишайники, які оселяються на породах (мал. 75). Коріння рослин, потрапляючи у тріщини порід, сприяє розтріскуванню. Серед тварин відчутно впливають на породи землерийні (миші, кроти), дощові черв’яки , мурашки та ін.

Мал. 75. Органічне вивітрювання: лишайники, що оселяються на скелях, руйнують породи

Хімічне вивітрювання — це руйнування гірських порід під дією повітря і води з розчиненими в ній речовинами. Вони здатні роз’їдати породи, утворюючи з них нові мінерали і породи. Так, твердий польовий шпат перетворюється на м’яку глину. Найактивніше хімічне вивітрювання відбувається в районах, де переважає волога й тепла погода.

Унаслідок вивітрювання утворюються пухкі відклади, які легко розвіюються вітром і розмиваються текучими водами.

РОБОТА ВІТРУ. Вітер виконує три види роботи: руйнівну, транспортну і нагромаджувальну.

Руйнівна робота вітру виявляється у видуванні й розвіюванні пухких порід. Вітер може здувати величезні маси порід і ґрунту. Наприклад, У США підчас бурі в 1934 р. тільки за один день звіяло близько 300 млн тонн ґрунту. Підхоплені вітром піщинки вдаряються об скелі та обточують, шліфують кам’яні виступи. У результаті утворюються не лише подряпини, а й чудернацькі скульптурні форми, які називають останцями. Часто вони нагадують стовпи, гриби, фігури людей (мал. 76). Химерні останці, наприклад, є в Криму: на гірському масиві Демерджі вони утворили Долину привидів.

Мал 76. Останці

РЕКОРДИ СВІТУ ЛЮДЕЙ І ПРИРОДИ

Найпотужніші ураганні вітри, що бувають у пустелі Сахарі в Африці, переносять пил на відстань до 2500 км і відкладають його в Європі або Атлантичному океані. За швидкості 5 м/с вітер може переносити пил, 20 м/с — гравій, 25-50 м/с (під час урагану) — гальку, дрібні уламки порід.

Транспортна робота вітру полягає у перенесенні уламків порід на великі відстані. Так, пилова буря у 1926 р. з півдня України занесла пил і чорнозем на північ Європи аж до Балтійського моря.

Створювальна (нагромаджувальна) робота вітру — це відкладання перенесених уламків і утворення різноманітних еолових форм поверхні. Всюди, де є пісок, формуються брижі — ланцюги дрібних піщаних валиків (мал. 77). У пустелях, долинах річок, на узбережжях морів вітер нагортає дюни — піщані горби заввишки 10-20 м, рідко — 100 м. В Україні вони поширені в долині Дніпра, на узбережжях Чорного й Азовського морів. У піщаних пустелях утворюються бархани — горби з піску висотою 70-150 м у вигляді півмісяця (мал. 78). Дюни і бархани постійно переміщуються і за рік можуть «пройти» сотні метрів. Відомі випадки, коли через «наступ пісків» були повністю засипані міста.

ПОДОРОЖ У СЛОВО

Еолові форми поверхні дістали свою назву від імені міфічного давньогрецького бога вітрів Еола.

Мал. 77. Піщані брижі

Мал. 78. Бархани

РОБОТА ПОВЕРХНЕВИХ І ПІДЗЕМНИХ ВОД. Воду, які вітер, називають невтомною трудівницею. Поверхневі води — річки і тимчасові потоки (після сильних дощів або танення снігу) — здійснюють велику роботу, змінюючи поверхню. Їх руйнівна дія полягає у розмиванні порід. Таке руйнування називають ерозією. У породах річки прорізають собі видовжені заглиблення — річкові долини. Кожна річка розмиває береги, переносить і відкладає зруйнований матеріал на вигинах русла і в гирлі.

ПОДОРОЖ У СЛОВО

Слово ерозія у перекладі з латинської означає роз’їдання.

Тимчасові потоки прорізають на поверхні вимоїни — заглиблення 1-2 м (мал. 79). Якщо вони не закріплені корінням рослин, то після чергових злив поглиблюються і розширюються. У результаті вимоїни перетворюються на яри (мал. 80). Яри після кожного дощу збільшуються. З часом ерозія згасає, зменшується. Схили яру стають пологими. На них виростають трави і кущі. Тоді яр поступово перетворюється на балку й ерозія припиняється (мал. 81). Вимоїни та яри виникають через рясні опади і наявність порід, що легко розмиваються.

Мал. 79. Вимоїна

Мал. 81. Балка

Підземні води здатні розчиняти деякі гірські породи, наприклад: вапняки, крейду, гіпс, сіль. Унаслідок їх розчинення і вимивання під землею утворюються порожнини — печери (мал. 82).

РЕКОРДИ СВІТУ ЛЮДЕЙ І ПРИРОДИ

Найбільшою печерою у світі є Мамонтова (США) завдовжки 361 км. В Україні найбільші печери є на Поділлі — Оптимістична (201 км) та Криму — Червона (14 км).

Мал. 82. Печера — результат розчинення порід підземними водами

ДІЯЛЬНІСТЬ ЛЮДИНИ. До зовнішніх природних процесів належить і діяльність людини. Її вплив на земну поверхню стає дедалі відчутніший. Як і сили природи, вона руйнує поверхню, коли видобуває корисні копалини, обробляє землі, будує різні споруди і шляхи. Людина утворює на поверхні штучні (неприродні) форми — заглибини-кар’єри, насипи.

Отже, зовнішні процеси руйнують підвищення, заповнюють відкладами западини, згладжують нерівності земної поверхні. Водночас вони розчленовують її, утворюючи яри та долини. Зовнішні процеси відбуваються постійно й одночасно з внутрішніми. У результаті їх взаємодії поверхня Землі набуває складного вигляду й неперервно змінюється.

ЗАПАМ’ЯТАЙТЕ

• Зовнішні процеси — це вивітрювання, робота вітру, поверхневих і підземних вод, діяльність людини.

• Вивітрювання — це руйнування гірських порід унаслідок коливань температури повітря, дії води, впливу організмів.

• Ерозія — це руйнування гірських порід поверхневими проточними водами.

ЗАПИТАННЯ І ЗАВДАННЯ

• 1. Які явища належать до зовнішніх процесів?
• 2. Що називають вивітрюванням? Які є види вивітрювання?
• 3. Які наслідки роботи вітру і де їх можна побачити?
• 4. Яку роботу здійснюють поверхневі, а яку — підземні води?
• 5*. Чи здатна людина змінювати поверхню Землі?

ПОПРАЦЮЙТЕ В ГРУПІ

Розкажіть, у чому полягає руйнівна, транспортна й створювальна робота зовнішніх сил:

Які форми поверхні утворюються внаслідок їх дії?

ШУКАЙТЕ В ІНТЕРНЕТІ

Знайдіть в Інтернеті зображення останців. Які фігури вони можуть утворювати?

Що таке внутрішні хвилі і як їх побачити – пояснює дослідниця

Я вивчаю динаміку внутрішніх хвиль великих амплітуд. На нашому жаргоні моя професія називається “модельєр“. Тільки я займаюсь не створенням вбрання, а численним моделюванням стратифікованих течій.

Вони виникають, коли у рідині є шари з різною густиною . Так відбувається у всіх природних водоймах.

Наприклад, якщо річка впадає в море, прісну воду виноситиме на поверхню, а знизу вода буде солоною, оскільки має більшу густину .

В озерах верхній шар прогрівається, а нижній – ні. Знову – стратифікація.

На межі цих середовищ виникають внутрішні хвилі, які не побачиш очима.

Внутрішні хвилі відкрив Бенджамін Франклін.

Дорогою з Мадейри корабель почало хитати, і Франклін побачив ці хвилі в італійській лампі, що стояла на столі. Вона була наполовину залита олією, наполовину – водою.

Він це задокументував. Це стало першим задокументованим спостереженням внутрішніх хвиль.

Впродовж усієї історії моряки зіштовхувались з явищем “мертвої води”.

Корабель ні з того, ні з сього зупинявся у морі. Причиною були внутрішні хвилі, які не давали кораблю рухатись далі.

Тисячі років моряки звинувачували морських чудовиськ, а 100 років тому Нансен під час своєї експедиції на шхуні “Фрам” показав, що річ у внутрішніх хвилях.

Він вивчав феномен “мертвої води”. Коли “Фрам” рухався біля фіордів (довга, вузька морська затока, походить від затоплення морем долини колишнього льодовика – УП), у яких тала прісна вода була над солоною, завдяки чому утворювались внутрішні хвилі.

При вивченні динаміки внутрішніх хвиль в озерах ми отримали несподіваний цікавий результат. Ймовірно, він зможе відповісти на загадку озера Лох-Несс.

Більше ста років вченим відомо, що в озері Лох-Несс існують величезні внутрішні хвилі.

Саме озеро розташоване в тектонічному розломі.

Верхній шар влітку прогрівається, а осінню вздовж озера дмуть вітри, переганяючи прісну воду на один край.

Потім вітер припиняється і шар між двома розділами починає хитатися.

Так утворюється внутрішній бор (аномально висока хвиля припливу), наприклад, поверхневий бор припливу рухається вверх річкою Амазонка.

Коли він починає взаємодіяти з краєм озера, виникає внутрішний кумулятивний струмінь.

Такий же кумулятивний струмінь виникає, якщо в домашніх умовах різко опустити лійку у воду – струмінь злетить догори.

Якщо такий струмінь – всередині шару води, то на поверхні може виникнути слід, який схожий на корабельну хвилю.

Для стороннього спостерігача вона виникає ні з того, ні з сього.

А оскільки озеро Лох-Несс розташоване біля Інвернессу, де розташовані старовинні середньовічні замки, гріх не вигадати легенду про чудовисько.

Серед загадкових історій не останнє місце займають історії про раптово затонули підводні човни.

Наприклад, відомий інцидент із загибеллю атомного підводного човна “Трешер” стався поруч з мисом Кейп-Код.

Тут є великі внутрішні хвилі, які за однією з версій стали причиною загибелі судна.

Про вплив внутрішніх хвиль на довкілля

Океан можна умовно розділити на два шари: тоненький поверхневий з температурою близько 22 градусів, і глибинний з температурою 4 градуси.

Океан практично не перемішується. Але якщо це відбувається, то частково завдяки внутрішнім хвилям.

Розуміння кліматичних процесів, які виникають у результаті такого перемішування і вписування цих процесів у глобальні кліматичні моделі – одна з основних задач океанографії.

Одне з найцікавіших морів у світі – Південно-Китайське море. Там народжуються найбільші внутрішні хвилі у світовому океані.

Якщо поверхнева хвиля цунамі біля берега може досягати максимум 30-40 м, то амплітуда внутрішніх хвиль у Південно-Китайському морі досягає 250 м.

Такі хвилі генерує приплив щодня.

Вони впливають на всю довколишню екосистему, оскільки можуть захоплювати планктон у свої ядра и переносити його на величезні відстані, нахиляти бурові платформи і спотворювати сигнали від підводних човнів.

Про процес дослідження

Виникнення та життєвий цикл внутрішніх хвиль – дуже складний процес, який непросто описати.

Ми проводимо комп’ютерне моделювання – своєрідний чисельний експеримент (in silico).

Ділимо процес на простіші підпроцеси, і спочатку вивчаємо, як хвилі зароджуються, як поширюються, взаємодіють з неоднорідностями дна і, нарешті, руйнуються в лабораторних установках.

Потім беремо гідродинамічні рівняння Нав’є-Стокса і за їх допомогою рахуємо.

Такі розрахунки вимагають високих обчислювальних потужностей.

Ми працюємо з корейцями та китайцями, вони дозволяють нам користуватися своїми суперкомп’ютерами, тому що в Україні таких немає.

Процеси в озері Лох-Несс я рахувала на корейському суперкомп’ютері й процес обрахунків тривав 5 діб.

Про прикладну математику та нестандартні рішення

Я займалась математикою з дитинства. Вчилася в ліцеї “Лідер”. Мій вчитель, напевно, був найкращим вчителем міста.

Він вчив нас вирішувати красиві задачі. Це приносило задоволення.

Але я поняття не мала, як це можна застосувати в житті.

Потім вступила на мехмат в Шевченка (механіко-математичний факультет в КНУ ім. Т Шевченка, – УП), і там лишилось це ж питання.

Хоча в механіці математика ставала більш прикладною, але задачі здавалися чисто умоглядними.

Я захистила дисертацію на тему хвиль у твердих тілах.

Це було академічне дослідження, тож питання “Що з цим робити на практиці” залишалося.

Аж допоки я не потрапила в Інститут проблем математичних машин і систем до відділу Володимира Мадерича.

Відділ був заснований після Чорнобильської катастрофи і тут створювали різні чисельні моделі, за допомогою яких моделювали радіоактивне забруднення річок, водойм та атмосфери.

Через це у нас були багато європейських та міжнародних проектів, ми отримували гранти і у відділ потрібні були люди. Тоді я й опинилась тут.

Робота з замовниками показала, що математика дуже прикладна річ.

До тебе приходить людина з певною проблемою, а ти маєш інструменти – математичний апарат та чисельні моделі. І ти починаєш думати, як цими інструментами вирішити конкретне завдання.

Мій науковий керівник Володимир Мадерич навчив мене шукати нестандартні рішення, використовуючи підручні методи.

Ми не можемо переплюнути китайців з їхніми ресурсами: суперкомп’ютерами та величезною кількістю мотивованих працівників. Н е переплюнемо їхні наукові колективи, які можуть собі дозволити купувати готові комерційні чисельні моделі і проводити якісні обрахунки, али ми можемо давати яскраві ідеї та нестандартні розв’язки.

Перед нами часто стоять завдання, які здаються неможливими. Ми не маємо готового рішення, але сідаємо і думаємо, що з цього всього можна скласти.

Робота в Інституті навчила мене знаходити нестандартні рішення. Напевно, саме це розуміння по-справжньому закохало мене в науку та прикладну математику.

Про популяризацію науки

Впродовж останніх кількох років я організовую секцію про внутрішні хвилі на щорічній конференції Європейського геофізичного союзу (EGU).

Зараз там 15000 учасників практично з усіх країн світу. Там є увесь спектр наук про Землю. І не тільки.

Це величезне задоволення спілкуватися з найбільш передовими вченими у твоїй сфері.

Ще 10 років тому я й повірити не могла, що у майбутньому буду дружно бесідувати за чашкою кави з людьми, статті яких я знаю напам’ять.

Ти показуєш їм свої дослідження, а вони дають зворотній зв’язок. Це фантастика!

Про молодих вчених

Молодому вченому важливо знайти правильний для себе колектив.

[L]Навіть якщо це буде зібрання найвідоміших і найтитулованіших вчених України – якщо вони не пишуть англомовні статті й не отримують міжнародні проекти, в такий неінтегрований у світову науку колектив краще не лізти. Діла не буде.

Ось ви знайшли колектив, який працює над міжнародним проектом.

В рамках цієї роботи, як правило, буде можливість участі у міжнародних конференціях.

Для молодих вчених завжди передбачені гранти на участь у конференціях та семінарах.

Подавайтесь на різні гранти та підтримку – як внутрішні, так і зарубіжні.

Відмови – теж результат. Це ваш досвід.

Про науку за кордоном

За кордоном активно популяризують науку. З дитинства дітей вчать, що наука – це круто і цікаво.

У Кореї вмикаєш телевізор, а там на одному каналі розповідають, як вирішувати математичні задачі, на другому – як проводити фізичні експерименти.

А на третьому вивчають мови.

Це якісний науково-популярний продукт і такі відео захоплюють. Звісно, дитина захоче піти в школу і це все вивчати.

У нас же вчені поки що “усі в собі”. Як правило, ми не розповідаємо людям, чим займаємось.

Я бачу, як люди живуть в Кореї та Китаї.

Ми там сидимо на роботі до 9 вечора і працюємо без вихідних.

Там таке життя, що ти маєш повністю присвятити себе роботі. Ти елемент системи.

З дітьми сидять бабусі та дідусі, або жінка не працює, і її забезпечує чоловік.

Щоб бути успішними в Кореї чи Китаї, треба цілодобово сидіти на роботі добами, без цього ніяк.

На робочому місці у всіх стоять розкладачки.

В Україні я можу сама планувати свій графік і знаходити час на родину, соціальну активність та подорожі.

Тому краще жити в Україні, а туди їздити на короткі відрядження.

Я вірю, що в Україні все налагодиться. Зараз ми переживаємо спад. А після спаду – завжди підйом.

Фотографії Максима Побережного