Когда полюса Земли сдвинулись к экватору: древние моря раскрыли эпохи резких поворотов планеты

Географические полюса Земли служат постоянными ориентирами. На картах они всегда находятся в одних и тех же точках, обозначая выходы воображаемой оси, вокруг которой вращается планета. Однако данные геологии показывают, что в прошлом участки суши, находившиеся у Северного или Южного полюса, могли со временем переместиться в тропические широты, а территории с экватора — уйти в полярную зону.

В геофизике это явление называют истинным движением полюсов. При таком процессе сама ось вращения Земли в космическом пространстве практически не меняет своего положения. Вместо этого вся внешняя твердая оболочка планеты — земная кора вместе с подстилающей ее мантией — целиком смещается относительно этой оси, скользя по жидкому металлическому слою внешнего ядра.

В научном сообществе долгие годы шли споры о том, с какой скоростью может происходить такое движение. Многие исследователи полагали, что истинное движение полюсов либо вовсе незначительно, либо идет крайне медленно — со скоростью не более одного сантиметра в год, что делает его незаметным на фоне других геологических процессов. Однако группа ученых под руководством Мэтью Домейера из Университета Осло представила доказательства того, что внешняя оболочка Земли способна смещаться быстро. В исследовании, опубликованном в журнале Science, авторы показали, что за последние 320 миллионов лет планета пережила несколько эпизодов резкого смещения полюсов. Чтобы доказать это, исследователи использовали нестандартный индикатор — следы древних морских затоплений на континентах.

Три разных типа движения: разделение понятий

Чтобы понять суть открытия, необходимо разделить три процесса, которые часто путают между собой.

Первый процесс — это дрейф магнитных полюсов. Магнитное поле Земли генерируется движением жидкого расплавленного железа во внешнем ядре на глубине около трех тысяч километров. Магнитные полюса постоянно перемещаются, могут менять полярность и не совпадают с географическими полюсами. Это движение связано исключительно с физикой жидкого ядра и не перемещает континенты.

Второй процесс — тектоника плит. Земная кора разбита на отдельные твердые плиты, которые медленно плавают по верхней части мантии. Они сталкиваются, расходятся и трутся краями, формируя горы, впадины и океаны. При тектоническом движении плиты меняют положение относительно друг друга. Африка может сближаться с Европой, а Южная Америка — удаляться от Африки, но это локальные перемещения отдельных фрагментов коры.

Третий процесс — истинное движение полюсов. В этом случае отдельные плиты не обязательно должны двигаться относительно друг друга. Вся совокупность континентов и мантия планеты сдвигаются одновременно, как один сплошной жесткий каркас. Географические полюса при этом оказываются в других точках земной поверхности. Если представить точку на экваторе, то при смещении твердой оболочки на тридцать градусов эта точка сместится на тридцатую параллель, оказавшись в субтропиках, хотя расстояние между соседними континентами останется прежним.

Почему прежний метод поиска зашел в тупик

На протяжении десятилетий главным инструментом для изучения древних полюсов оставался палеомагнетизм. Метод основан на свойствах минералов, содержащих железо (например, магнетита). Когда вулканическая лава изливается на поверхность и начинает остывать, магнитные зерна в ней ориентируются строго вдоль силовых линий магнитного поля Земли. После затвердевания породы это положение фиксируется.

Измеряя угол наклона магнитных зерен в лаборатории, ученые могут вычислить широту, на которой порода находилась в момент своего образования. Если порода застыла на экваторе, магнитные линии будут параллельны поверхности. Если у полюса — направлены почти вертикально в землю.

Несмотря на научную ценность, палеомагнитный метод имеет серьезные ограничения:

1. Разрушение пород. Древние геологические слои непрерывно разрушаются дождями, ветром и ледниками. Сохранившиеся образцы распределены по планете неравномерно.
2. Вторичный нагрев. Если порода за миллионы лет своего существования подвергалась повторному нагреву от магматических очагов или тектонического давления, ее первоначальная намагниченность стирается и заменяется новой.
3. Фрагментарность временной шкалы. Палеомагнетизм дает точечные данные: он позволяет узнать, где находилась порода в конкретный момент извержения, но не дает непрерывной картины движения между извержениями.

Из-за этих пробелов ученые не могли прийти к согласию. Одни считали резкие изменения намагниченности пород доказательством быстрого движения полюсов, другие утверждали, что это ошибки измерений или результат локального сминания слоев коры при горообразовании. Для решения задачи требовался независимый глобальный метод.

Физический механизм: почему вода реагирует первой

Мэтью Домейер и его коллеги решили отказаться от анализа магнитных минералов и обратились к физике гидросферы. Их метод строится на том факте, что Земля не является идеальным шаром. Из-за вращения вокруг своей оси на планету действует центробежная сила. Эта сила максимальна на экваторе и равна нулю на полюсах.

В результате центробежного эффекта планета сплюснута: радиус Земли на экваторе примерно на 21 километр больше, чем радиус, измеренный от центра до полюса. Это создает постоянное экваториальное расширение — выпуклость, которая проходит по всей окружности экватора. Выпуклость существует как в твердом теле планеты (в скальных породах коры и мантии), так и в жидкой оболочке (в Мировом океане).

Если твердая оболочка Земли начинает быстро смещаться относительно оси вращения, то старое экваториальное расширение суши оказывается на новых, более высоких широтах, где центробежная сила меньше. Одновременно с этим участки, которые раньше были ближе к полюсам, выходят на новый экватор, где центробежная сила максимальна.

В этой ситуации жидкая вода и твердая порода ведут себя совершенно по-разному из-за колоссальной разницы в плотности и текучести:

• Океаны состоят из подвижной воды. Водная масса реагирует на изменение сил вращения практически сразу — в течение нескольких дней или недель. Вода стремительно оттекает от новых полюсов и скапливается вдоль нового экватора, формируя новое водное расширение.
• Мантия состоит из твердых силикатных пород. Хотя на больших глубинах мантия под воздействием огромной температуры способна медленно течь, ее вязкость в миллиарды раз превышает вязкость воды. Чтобы твердая порода деформировалась и приняла новую равновесную форму, соответствующую новому экватору, требуются сотни тысяч или даже миллионы лет.

Из-за этой разницы в скорости отклика возникает масштабный сдвиг береговых линий. Океан меняет свою форму мгновенно, а твердая земля под ним остается прежней формы.

В результате на планете формируется строго определенная геометрическая картина изменений уровня моря, состоящая из четырех зон:

1. В двух противоположных секторах Земли, которые смещаются от полюсов к новому экватору, уровень моря резко повышается. Вода наступает на континенты, затапливая огромные равнинные площади суши.
2. В двух других противоположных секторах, которые уходят от старого экватора ближе к новым полюсам, уровень моря столь же резко падает. Океан отступает, осушая мелководья и обнажая морское дно на тысячи километров.

Такую систему из четырех зон (две зоны подъема и две зоны спада) невозможно объяснить обычными климатическими причинами. Когда на планете наступает ледниковый период, вода замерзает в ледниках, и уровень Мирового океана падает везде одновременно. Когда климат теплеет и льды тают, океан равномерно поднимается по всему земному шару. И только поворот всей внешней оболочки Земли относительно оси вращения способен вызвать одновременный подъем уровня моря в одних регионах и спад в противоположных.

Анализ 320 миллионов лет геологических данных

Чтобы обнаружить этот специфический рисунок затоплений, исследовательская группа использовала глобальные цифровые карты, реконструирующие распределение суши и моря за последние 320 миллионов лет. Этот гигантский временной интервал включает в себя формирование и распад суперконтинента Пангея, эпоху динозавров и появление современных материков.

Весь исследуемый отрезок времени авторы разбили на равные последовательные периоды продолжительностью по 10 миллионов лет. Для каждого периода геологи собрали данные о том, какие части континентов в то время находились под водой, а какие оставались сушей. Эти сведения получают из анализа осадочных пород: известняки, глины с остатками морских раковин и древние песчаники четко указывают границы береговых линий прошлого.

Затем ученые сопоставили карты соседних эпох между собой. Компьютерная программа отслеживала, где именно моря наступали на сушу, а где отступали. После этого алгоритм сравнивал полученные реальные контуры затоплений с теоретической моделью: как именно должна была распределиться вода, если бы планета в этот момент пережила смещение твердой оболочки.

Моделирование полностью подтвердило расчеты. В геологической летописи обнаружились отчетливые следы четырех масштабных эпизодов быстрого истинного движения полюсов:

1. 200-190 миллионов лет назад (ранний юрский период). В это время суперконтинент Пангея только начинал раскалываться на части.
2. 150-140 миллионов лет назад (рубеж позднего юрского и раннего мелового периодов).
3. 100-90 миллионов лет назад (середина мелового периода). Эпоха расцвета гигантских динозавров и очень теплого климата.
4. 30-20 миллионов лет назад (эпохи олигоцена и миоцена). Время, когда на планете уже формировались современные млекопитающие и устанавливались устойчивые ледовые шапки.

Из этих четырех интервалов два проявились в данных наиболее отчетливо: события середины мела (100-90 миллионов лет назад) и рубежа юры и мела (150-140 миллионов лет назад). В эти эпохи смещение твердой оболочки происходило настолько интенсивно, что вызвало синхронные морские трансгрессии и регрессии, зафиксированные на всех исследованных континентах.

Причины смещения: почему мантия срывается с места

Почему твердая внешняя оболочка Земли вообще начинает двигаться относительно оси вращения? Причина кроется в законах физики вращающихся тел и перераспределении массы внутри самой планеты.

Любое вращающееся тело стабильно только тогда, когда его максимальная масса сосредоточена в плоскости вращения — то есть на экваторе. Земля непрерывно живет сложной внутренней жизнью:

• В недрах планеты более холодные и тяжелые куски литосферных плит тонут вглубь мантии, опускаясь на сотни километров к ядру.
• Одновременно с этим из глубин поднимаются гигантские потоки горячего и менее плотного мантийного вещества — мантийные плюмы.

Если в результате конвекции в мантии крупная концентрация тяжелой массы оказывается на средних широтах, вращение планеты теряет первоначальное динамическое равновесие. Возникает центробежный дисбаланс.

Чтобы восстановить устойчивое вращение и минимизировать энергию, планета стремится переместить эту избыточную массу на экватор. Поскольку изменить положение оси вращения в пространстве мешает колоссальный момент импульса Земли, планета находит более простой выход: она проворачивает свою внешнюю твердую оболочку целиком по слою жидкого внешнего ядра. Тяжелая область мантии сдвигается к экватору, а прежние экваториальные и полярные регионы меняют свои широты.

Когда мантия перестраивается, движение прекращается до тех пор, пока новые геологические процессы внутри Земли снова не накопят критическую массу для следующего сдвига.

Экологические и климатические последствия

Быстрое смещение твердой оболочки планеты имеет огромное значение для понимания истории климата и эволюции жизни.

Хотя в человеческом понимании период в 10 миллионов лет кажется огромным, для геологии это крайне короткий срок. При быстром движении полюсов континенты перемещаются через климатические пояса значительно быстрее, чем при обычном тектоническом дрейфе плит.

Смещение оболочки приводит к цепочке масштабных последствий:

1. Резкая смена режима освещенности. Угол падения солнечных лучей определяет количество тепла, получаемого поверхностью. Территория, сместившаяся из умеренных широт к экватору, начинает получать в разы больше солнечной энергии. И наоборот, участки суши, ушедшие в приполярные широты, сталкиваются с полярным днем и полярной ночью, к которым местная растительность и животный мир могут быть не приспособлены.
2. Перестройка ветров и морских течений. Направление ветров на планете зависит от силы Кориолиса, которая определяется вращением Земли. Когда суша меняет широту, меняется вся система циркуляции атмосферы. Влажные регионы могут стремительно превращаться в засушливые пустыни, а сухие территории — становиться зонами постоянных дождей. Океанические течения, переносящие тепло от экватора к полюсам, наталкиваются на новые контуры сместившихся континентов и меняют свои пути.
3. Кризис прибрежных морских экосистем. Большая часть морской жизни в древности концентрировалась на мелководных шельфах вокруг материков. При быстром движении полюсов эти зоны подвергались стрессу. В одних местах море быстро отступало, оставляя коралловые рифы и сообщества моллюсков высыхать на суше. В других местах вода заливала низменности суши на сотни километров вглубь, уничтожая наземные экосистемы и создавая новые изолированные морские бассейны.

Новое понимание геологической истории

Работа группы Мэтью Домейера меняет устоявшиеся представления о динамике нашей планеты. Ранее многие необъяснимые колебания уровня моря и резкие изменения климата в геологическом прошлом пытались объяснить исключительно локальными тектоническими движениями или глобальными изменениями объема ледовых щитов.

Теперь ученые получили доказанный инструмент, связывающий колебания уровня древних морей с фундаментальной механикой вращения Земли. Тот факт, что за последние 320 миллионов лет удалось надежно зафиксировать четыре эпизода быстрого истинного движения полюсов, указывает на регулярность этого процесса.

Авторы исследования подчеркивают, что эти четыре случая — лишь те, которые удалось выявить на основе имеющихся карт. Подобные масштабные смещения твердой оболочки Земли с высокой вероятностью происходили и в более ранние геологические эпохи — сотни миллионов и миллиарды лет назад.

Земля предстает перед нами не как жесткая застывшая сфера, а как подвижная система, в которой внешние каменные слои регулярно скользят по жидким недрам, перекраивая карту мира, распределение океанов и условия развития земной жизни.

Источник: Science