Почему на Земле не может быть гор выше 10 километров

Если взглянуть на карту высочайших вершин нашей планеты, сразу бросается в глаза любопытная деталь. Эверест возвышается на 8849 метров над уровнем моря, К2 (её также называют Чогори) чуть ниже. И что самое интересное, ни одна вершина на суше не перешагивает отметку в девять километров. Между тем на Марсе вулкан Олимп достигает почти 22 километров, а некоторые вершины на спутнике Юпитера Ио тоже значительно выше земных. Почему Земля, с её активной тектоникой и мощными силами горообразования, не способна создать горы высотой в десять километров и более?

Всё упирается в базовые законы физики. Гора представляет собой колоссальную массу породы, которая давит на своё основание. Давление в основании приближённо равно произведению высоты горы, ускорения свободного падения и плотности породы (P = ρ⋅g⋅h, где P — давление, ρ — плотность, g— ускорение свободного падения, h — высота).

Когда это давление превышает предел прочности материала на сжатие, порода перестаёт выдерживать нагрузку. Для типичных горных пород, например, у гранита типичное значение сопротивления сжатию составляет примерно 250 мегапаскалей. Плотность такой породы порядка 2700 кг/м³, а величина ускорения свободного падения на нашей планете примерно 10 м/с².

Прикинем максимальную высоту горы. Когда давление становится равным прочности, дальше расти нельзя.

Значит, максимальная высота h=σсж/(ρ⋅g)​, где σсж​ — прочность на сжатие.

Подставляем числа. Получаем, что h = (250 ⋅ 10⁶) / (2700 ⋅ 10) ≈ 9259 м =9,3 км.

Однако это грубая оценка. На самом деле предел прочности гранита неоднороден, а в массиве из-за трещин и слоистости эффективная прочность ниже, чем у «идеального» образца в лаборатории. В целом в зависимости от конкретной прочности породы, формы горы и наличия бокового подпора теоретический предел обычно оценивают примерно в 10 километров. Именно около этой отметки собственный вес горного массива и деформация земной коры начинают играть особенно существенную роль.

Если бы гора продолжала расти выше, породы в её основании начали бы разрушаться или переходить в пластическое состояние, буквально «течь» под чудовищным давлением. Основание расползалось бы в стороны, а вершина постепенно оседала бы. Даже если бы тектонические силы временно вытолкнули массив выше этого порога, такая гора не смогла бы просуществовать долго, поскольку её собственный вес быстро «съел» бы избыточную высоту.

На практике дело обстоит ещё строже. Земная кора не является жёсткой неподвижной платформой. Она состоит из литосферных плит, которые «плавают» на более пластичной мантии. Чем выше и тяжелее гора, тем сильнее она продавливает кору вниз. При достаточной нагрузке основание погружается глубже, нагревается и начинает размягчаться. В результате материал растекается горизонтально, а высота перестаёт расти. Геологи сравнивают этот процесс с тестом, которое поднимается, а потом расползается по столу. Силы столкновения плит продолжают действовать, но равновесие уже достигнуто.

К этим внутренним ограничениям добавляется ещё один внешний фактор, эрозия. На Земле есть вода в жидком, твёрдом и парообразном состоянии. Дожди, реки, снег и ледники постоянно разрушают склоны. Ледники работают как гигантские напильники, формируя чашеобразные впадины и унося обломки вниз. Замерзающая вода в трещинах раскалывает породу. Ветер и температурные перепады ускоряют процесс.

В итоге движения земной коры поднимают горы, а эрозия их стачивает. На Тибетском плато, например, средняя высота поверхности стабилизировалась примерно на отметке около пяти километров, хотя отдельные пики, такие как Эверест, поднимаются значительно выше.

Именно сочетание этих факторов объясняет, почему земные горы останавливаются задолго до теоретического максимума. Эверест всё же продолжает медленно расти, на несколько миллиметров в год благодаря продолжающемуся столкновению Индийской и Евразийской плит. Но он уже близок к тому равновесию, при котором дальнейший рост уравновешивается оседанием и разрушением. Даже если когда-нибудь тектонические силы смогут поднять вершину чуть выше, эрозия и пластическая деформация быстро вернут её к нынешним значениям.

Для сравнения полезно посмотреть на другие планеты Солнечной системы. На Марсе сила тяжести почти в 2,7 раза слабее земной. Поэтому тот же расчёт предела прочности даёт значительно большую высоту. Кроме того, на Марсе нет активной тектоники плит и почти нет жидкой воды, а значит, эрозия работает гораздо слабее. Вулканы могут расти миллионы лет, наслаивая лаву, и никто не «срезает» их вершины.

На Земле же всё устроено иначе. Если измерять высоту горы не от уровня моря, а от настоящего основания, то самой высокой оказывается вовсе не Эверест, а вулкан Мауна-Кеа на Гавайях. От океанического дна до вершины он поднимается примерно на 10,2 километра.

И это уже практически тот самый теоретический предел, который предсказывает физика прочности пород. Её подводная часть частично «поддерживается» водой, поэтому нагрузка на основание меньше, чем у полностью надводной горы. Но дальше расти ей мешают те же законы, а именно избыточный вес и пластичность основания.

Так что природа нашей планеты сама создаёт естественное ограничение высоты гор, выше которого горы просто не могут устойчиво существовать. Речь не идёт о строго заданном потолке в 10 километров. Высота зависит от целого комплекса факторов, включая гравитацию, строение коры, свойства пород, тектоническое поднятие и эрозию. И пока Земля остаётся Землёй, с её силой тяжести, атмосферой и активной гидросферой, вершины выше десяти километров на суше так и останутся уделом других миров.