Лекция №15. Природные и антропогенные катастрофические процессы

Существует тенденция рассматривать многие природные процессы как медленно и регулярно протекающие и именно с ними связывать темпы и направленность развития экосферы. Сведения о быстрых процессах воспринимаются как упоминания о «нетипичных» явлениях, или даже аномальных в общей картине развития экосферы. Сложилось также мнение, что катастрофические процессы могут быть лишь в заселенных областях, причем только при определенных величинах ущерба. На самом же деле уничтожение растительности, рельефа, животного мира, вод, атмосферы – такие же катастрофы, хотя иногда и без человеческих жертв. Они происходили на Земле задолго до появления человека и происходят сейчас. Вмешательство человека в напряженное состояние земной поверхности лишь усугубляет эту проблему.

Активное вмешательство человека в развитие природы существенно увеличивает интенсивность природных процессов. Например, в Японии урбанизация привела к увеличению таких природных катастроф, как оползни, обвалы, сели и пр.

До сих пор в отечественной и зарубежной литературе встречаются самые разнообразные термины, обозначающие природные катастрофические явления. К общим среди них относятся: стихийные бедствия, природные катастрофы, опасные процессы, природная опасность, к частным – катастрофические наводнения, экстремальные дожди, катастрофическая волновая эрозия и др. Наиболее сложным для использования оказался сам термин катастрофа. Исследователи этой проблемы пока расходятся в определении этого термина. Между тем, это отнюдь не академический вопрос, поскольку в ряде стран с ним связываются размеры федеральной помощи пострадавшему району. Можно согласиться с тем, что катастрофа – внезапное бедствие или событие, влекущее за собой тяжелые последствия (Словарь иностранных слов, М., 1952). Однако, иногда к катастрофам относят те природные явления, которые оказываются губительными для живых организмов, в том числе и людей. В этих случаях такие условия, как скорости процессов, их повторяемость, необычные результаты из данного определения исключаются и термин приобретает другой смысл.

Единой научной классификации катастрофических процессов пока нет. Более определенно классифицируются стихийные бедствия. «Стихийные бедствия связаны с экстремальными событиями, которые превосходят обычную способность социальной системы отражать, поглощать или смягчать их. Экстремальным считается любое событие в геофизической системе, приобретающее сравнительно большое отклонение от среднего значения.»

Таким образом, катастрофа – это событие или быстрый процесс, изменяющие природную систему. Стихийное бедствие – не обязательно изменяет природную систему, но наносит значительный ущерб хозяйству.

Стихийные бедствия разделяются на:

1) гидрометеорологические (ураганы, тайфуны, наводнения, смерчи, нагоны морских вод, снежные бури, засухи, пыльные бури, ливни, град, гололед, ранние и поздние заморозки, пожары),

2) гидрогеоморфологические (лавины, сели, русловую и овражную эрозию, оползни, обвалы, карст, абразию, цунами),

3) эндогенные (землетрясения, вулканические извержения).

Среди перечисленных бедствий комиссия ЮНЕСКО определила наиболее важные: тропические циклоны, наводнения, смерчи, нагоны морских вод, снежные бури, засухи, пожары, лавины, оползни, абразию, землетрясения, вулканические извержения, цунами.

Катастрофическими процессами ученые интересовались давно. В науках о Земле катастрофические теории развития процессов сменялись эволюционными, а затем вновь появлялись идеи катастрофизма. Особенно это характерно для биологии и геологии. Так, исследователи рассматривали возможность существования всемирного потопа – гигантской волны, возникшей при образовании вулканов в Индийском океане и пересекшей весь азиатский материк с юга на север. Существовали идеи полного уничтожения в геологическом прошлом флоры и фауны и появления новых на их месте.

В первой половине 20 века на основе математического анализа редких и неожиданных событий появилась теория катастроф. В этой теории катастрофами называют скачкообразные изменения, возникающие в виде внезапного ответа системы на плавное изменение внешних условий. Система в результате теряет устойчивость. Потеря устойчивости может быть мягкой и жесткой. При мягкой потере устойчивости устанавливается колебательный режим, мало отличающийся от состояния равновесия. Жесткий вид потери устойчивости характеризуется тем, что система уходит из стационарного режима скачком и перескакивает на другой режим движения. Таким образом, при плавном изменении внешних условий системы катастрофа может произойти, а может и отсутствовать (катастрофа только при жесткой потере устойчивости).

Обычно, чем сложнее устроена система, тем она устойчивей, поскольку ее компоненты могут сглаживать внешнее влияние. Если же система уже была нарушена, в ней недостает каких-то компонентов, то вывести ее из состояния равновесия и привести к катастрофе может даже незначительный внешний фактор. Так, например, если на какой-то территории удалена естественная растительность, то катастрофический смыв грунта, оползни, могут начаться даже от не очень сильных и продолжительных ливней.

Для системы существуют так называемые пороговые значения, при достижении которых она обязательно переходит на новый уровень, возможно скачкообразно. Установление таких пороговых значений для природных процессов позволяет прогнозировать их дальнейшее развитие.

Один катастрофический процесс может привести в действие другие процессы, тоже носящие катастрофический характер. Так, цунами возникают при землетрясениях, наводнения – при катастрофических ливнях и т.д. Поэтому для каждой территории надо устанавливать все сочетания процессов.

Далее мы рассмотрим основные природные катастрофические процессы. Важно разделить их все на эндогенные и экзогенные. Эндогенные процессы вызваны действием внутренних сил, под поверхностью планеты. Экзогенные процессы – внешние, протекающие на поверхности. Существуют промежуточные – эндо-экзогенные процессы, связанные с действием как внешних, так и внутренних сил.

Землетрясения. Это процесс эндогенный. Причинами землетрясений служат кратковременные сдвиги блоков литосферы в вертикальном или горизонтальном направлениях. Наиболее опасными являются мелкофокусные землетрясения, очаги которых располагаются на глубинах от 5 до 15 км. Физические причины глубокофокусных землетрясений (более 100 – 300 км) остаются пока предполагаемыми и слабоизученными. В горных породах из-за крупных дислокаций накапливается напряжение, при достижении порогового значения напряжение разряжается путем подвижек горных пород, которое приводит к возникновению высокочастотных волн. Эти волны вызывают сейсмические колебания, которые и производят трансформацию поверхности Земли. Место, где подземный толчок впервые достиг земной поверхности, называется эпицентром. Из эпицентра колебания распространяются концентрически, постепенно затухая. Результатом сейсмических толчков являются всевозможные горизонтальные и вертикальные дислокации пород, образование трещин и разломов (длиной – первые десятки километров, шириной – до 10 м, вертикальные смещения – первые метры). Землетрясения приводят к сходу лавин, обвалам, цунами, разрушению зданий, изменению русел рек, формированию озер и пр.

Для оценки интенсивности землетрясений используют сейсмическую шкалу. В России и европейских странах принята 12-бальная шкала (в Латинской Америке – 10-бальная, в Японии – 7-бальная). Землетрясение оценивается по видимым и ощущаемым последствиям.

1 балл – неощутимое; 2 балла – едва ощутимое, 3 балла – слабое, 4 балла – заметное сотрясение, 5 баллов – пробуждение, 6 баллов – испуг, 7 баллов – повреждение зданий, 8 баллов – сильные повреждения зданий, 9 баллов – всеобщее повреждение зданий, 10 баллов – всеобщие разрушения зданий, 11 баллов – катастрофа, 12 баллов – изменения рельефа в больших размерах.

Для оценки энергии (магнитуды) сейсмических волн используют шкалу Рихтера. Максимальное значение магнитуды около 9. За год на Земле фиксируется 1 землетрясение магнитудой 8; 10 с магнитудой 7,0 – 7,9; 100 с магнитудой 6 – 6,9; 1000 с магнитудой 5,0 – 5,9. Магнитуда землетрясений определяется при помощи сейсмографов – приборов, фиксирующих колебания земной поверхности.

На Земле существует два основных сейсмических пояса – Тихоокеанский (по окружности Тихого океана) и Средиземноморский (от Средиземного моря через Азию к Малакке, плюс прибайкалье). Они приурочены к зонам молодой складчатости. В океанах сейсмически активны срединно-океанические хребты. Сложен вопрос о прогнозе землетрясений. Иногда приборы позволяют зафиксировать напряжение, первые маломощные толчки. Иногда землетрясение застает врасплох. Прежде всего, в сейсмически опасных районах строительство должно вестись с учетом этого фактора, тем более, что существуют такие разработки. Обычно, большое число жертв землетрясений связано именно с неправильным строительством.

Вулканизм. Вулканизм относят к эндо-экзогенным процессам, поскольку он имеет эндогенное происхождение, но протекает на поверхности. Не все вулканические процессы являются быстрыми и катастрофическими. Для вулканов центрального типа (наиболее распространенных в наше время) характерны 2 стадии процесса – эксплозивная (взрывная) и эруптивная (выброс и накопление вулканических продуктов). До и после извержения вулкан находится в состоянии покоя. Различают действующие и потухшие вулканы. Действующие вулканы отличаются от потухших тем, что и в состоянии покоя на них наблюдаются признаки текущих процессов – фумароллы (газовые выделения из трещин вулкана), гейзеры (водяные фонтаны), горячие источники.

Рассмотрим извержение вулкана на примере Везувия. Этот вулкан – действующий, хорошо изученный. Его высота 1277 м, до высоты 800 м – сады, виноградники, сосновые рощи. Известно, что в 79 году н.э. извержение Везувия погубило Помпеи. С тех пор не раз случались извержения этого вулкана. Извержение в 1906 году было хорошо описано. Предыдущее извержение было в 1872 г., после него вулкан находился в состоянии покоя. В 1905 году было отмечено поднятие некоторых участков конуса, в 1906 году на склонах вулкана возникли трещины, из которых текла лава. Одновременно происходило бурное извержение рыхлых материалов на вершине. 7 марта из трещины на склоне вулкана вылилось громадное количество жидкой лавы, которая быстро потекла по склонам горы, следуя неровностям рельефа. Она уничтожила часть городка на склоне. В тот же день вершина конуса извергла расплавленную лаву, поднимавшуюся в воздух, подобно раскаленным фонтанам. Лава затвердевала в воздухе и падала на землю в виде веретенообразных тел с закругленными концами. Это так называемые вулканические бомбы. Лава, смешанная с пеплом образует шлак. Затем над кратером образовался громадный столб из плотных темных вихрей, подобных грозовым тучам. Это водяной пар, смешанный с пеплом. Выделение водяного пара происходит почти непрерывными выбросами в вертикальном направлении, вследствие чего пепел падает вокруг кратера. В полночь с 1 на 2 апреля произошли два сильных взрыва, сопровождающихся сильным грохотом и землетрясением. При этом было выброшено громадное количество мелкого пепла, покрывшего толстым слоем большую территорию. Было убито и ранено 250 человек. После этого интенсивность взрывов упала, в начале мая взрывы прекратились. Подобным извержением была уничтожена Помпея. Везувий пробудился снова в 1957 – 59 годах. Это было последнее на сегодняшний день извержение.

Человеку редко приходилось наблюдать весь процесс формирования вулкана - от начала до конца. К такому случаю относится образование мексиканского вулкана Парикутин (2775 м) в 1943 г. Он возник на пологом склоне, разорванном длинной и извилистой тектонической трещиной. Сначала из трещины послышался гул, в воздух поднялись столбы пара и дыма, а затем полетели вулканические бомбы и пепел, и только потом показался небольшой поток лавы. Извержение пульсировало, то усиливаясь, то затухая. В первые 6 дней на ровном склоне сформировался пеплово-лавовый конус высотой 167 м, который через 10 недель достиг высоты в 360 м. Облака пепла поднимались на высоту в несколько километров. Жидкая лава разрушила несколько деревень. После 1952 года деятельность вулкана почти прекратилась, но окончательно потухшим его считать нельзя.

Если вулкан образован жидкой и подвижной лавой, то не формируется крупного вулканического конуса. Потоки лавы быстро растекаются, накладываясь друг на друга. Такой вулкан имеет пологие склоны, а лавовые потоки распространяются на значительные расстояния. Такие вулканы характерны для Исландии, Гавайи. Остров Гавайи состоит из трех вулканов значительных размеров, но с пологими склонами. На вершине формируется лавовое плато с гигантским кратером, заполненным озером.

Извержение вулкана предсказать значительно легче, чем землетрясение. Проявлению вулканизма свойственна даже некоторая цикличность (как у Везувия). На начинающееся извержение указывают многие показатели, такие как опускания и поднятия отдельных частей территории, выбросы пепла и пара. Конечно, извержение вулкана – явление катастрофическое, но зачастую предсказуемое. С Помпеями было то же самое. Сначала были незначительные выбросы пепла, люди из города ушли, но потом вернулись. И тут то их накрыло, причем не лавой, а именно раскаленным пеплом.

Извержения вулканов одновременно играют роль положительного фактора, влияющего на экологическую обстановку территории. Многие вулканы сделали больше добра, чем зла. Во-первых вулканы создали поверхность суши площадью во многие сотни тысяч квадратных километров. Во-вторых, участки суши, созданные в историческое время были в большинстве случаев плодородны. Выпадающие вулканический пепел и его производные увеличивают плодородие почв. В Индонезии сотни хижин и деревень теснятся вокруг подножий действующих вулканов, где мощность слоя пепла колеблется от 1-3 до 15-30 м. На пепле очень быстро прорастают тропические растения. Через 40 лет после извержения уже растет густой лес.

Районы распространения вулканов на земной поверхности во многом совпадают с зонами сейсмической активности, что не удивительно, поскольку первопричина тут одна. Характерно большое количество вулканов, приуроченное к зоне Великих озер Африки. Много действующих вулканов на Зондских островах.

Цунами. Цунами занимают промежуточное положение в ряду быстрых и медленных процессов. Это сейсмогенные морские и озерные волны. Они возникают чаще всего при субвертикальном смещении блоков земной коры. Известны цунами, возникшие при подводных оползнях, взрывах вулканов. Скорости цунами могут достигать 700 км/ч, расстояние между волнами в открытом море до 100 км. Хотя цунами обладают 1 – 10% энергии вызывающих их землетрясений, этой энергии может хватить на отрыв со дна блоков коралловых рифов размером в 1,5 км (Гавайские острова). Интенсивность цунами, как и землетрясений, измеряется магнитудой.

В настоящее время функционирует служба оповещения цунами, созданная в 1952 г. несколькими тихоокеанскими странами, в том числе Россией. Но цунами отмечались также в Черном, Азовском, Средиземном, Каспийском морях и даже в оз. Байкал.

Теперь поговорим об экзогенных катастрофических процессах.

Обвалы и оползни. Ранее мы упоминали о сейсмогенных обвалах и оползнях, как примерах быстрых процессов. Однако и медленно развивающиеся оползни представляют скрытую опасность, способную неожиданно превратиться в катастрофу.

Обвалом называется процесс отрыва от основной массы горных пород крупных глыб и последующего их перемещения вниз по склону. Образованию обвала предшествует формирование трещины или системы трещин, по которым затем происходит отрыв блока породы. Обвалы наблюдаются как в горах, так и на равнинах, но наиболее грандиозны обвалы в горах. Обвал является ярким примером жесткой потери устойчивости системы.

В отличие от обвалов при оползне происходит перемещение монолитного блока породы. Процессы оползания всегда обусловлены гидрогеологически. Они возникают, если водопроницаемые породы подстилаются водонепроницаемыми. Водоупорный горизонт служит поверхностью скольжения, по которой происходит оползание блока породы (вышележащей) вниз по склону. Причинами формирования катастрофических оползней являются:

1) потеря устойчивости потенциально оползневого тела в результате резкого увеличения веса (например, при насыщении грунта водой во время сильных дождей),

2) потеря устойчивости склона при подрезании его основания рекой или в результате хозяйственной деятельности человека.

Возникают оползни на крутых склонах (более 15) в горах или на равнинах по берегам рек, озер, морей в различных климатических условиях. Важным фактором формирования оползней являются сильные осадки (например, тайфуны в Японии) и сейсмическая активность.

Снежные лавины. Лавина – это скользящая и низвергающаяся вниз по склону снежная масса. Лавины – характерная особенность горных склонов, на которых образуется устойчивый снежный покров. Сход лавины – процесс быстрый, вызывающий значительные изменения рельефа, растительности и часто уносящий человеческие жизни. Лавины могут сходить широким фронтом или по фиксированным руслам. Вторые имеют четко выраженные лавиносборные понижения и проходят в одних и тех же местах достаточно регулярно. Существуют еще прыгающие лавины, которые в продольном профиле имеют отвесные участки. В этих местах они как бы прыгают, обрушиваясь на нижележащую поверхность. По характеру рельефа и растительности можно выделить лавиноопасные районы, где велика вероятность схода лавин. Особенно быстрые и разрушительные лавины происходят весной, когда снег насыщен водой и текуч. Поэтому, по погодным условиям можно судить возможности активизации лавинных процессов.

На формирование лавин влияет растительность местности. На залесенных склонах меньше предпосылок для схода лавины, поскольку снег удерживается деревьями. Наоборот, вырубка леса приводит к активизации этих катастрофических процессов. При строительстве в лавиноопасных районах важно учитывать то, что естественные участки, лишенные древесной растительности указывают на былые сходы лавин в этом месте.

Паводки и наводнения. Паводки и наводнения встречаются практически во всех ландшафтно-климатических условиях. Они бывают обусловлены погодными условиями: либо обильными осадками, либо резким весенним потеплением. В русла рек поступает огромное количество воды, реки выходят из берегов и затопляют прилежащие территории. А, поскольку, большинство городов и поселков строится в непосредственной близости от рек, они оказываются затопленными. Наводнения приводят к разрушениям дорог, зданий, человеческим жертвам. Подъем воды происходит обычно не мгновенно, но достаточно быстро – несколько суток, потом происходит постепенный спад воды. Если сток реки зарегулирован водохранилищем, то вероятность наводнения значительно снижается. Однако и водохранилище может не справиться с огромным количеством воды. Частые наводнения в России на сибирских реках (Обь, Лена, Енисей) происходят из-за того, что они текут с юга на север. В верхнем течении уже начинается половодье, а нижнее еще сковано льдом. В итоге, лед образует плотину, вода поднимается и затопляет территорию в долине реки. Здесь эффективным методом борьбы является взрывы льда.

Селевые потоки. Сели – это потоки, состоящие из рыхлого обломочного материала и воды. Они могут быть грязекаменными, водокаменными, грязевыми. Некоторой разновидностью их являются водоснежные потоки. В отличие от просто текучей воды, вода, насыщенная грязью и камнями приобретает свойство вязкой текучести, развивает куда большие скорости и обладает большей энергией. Продукты выветривания, скопившиеся у подножья склонов, захватываются потоками воды, текущими с гор и устремляются вниз по руслу. Они могут развивать скорость до 80 км/ч и проходить по дну долин расстояние до 100 км, погребая под своими отложениями населенные пункты, угодья и пр.

Особенно опасным условием возникновения селей является совпадение времени интенсивного таянья ледников и ливневых осадков. Относительно места схода селя нельзя быть уверенными. Здесь важно наличие в русле и на склонах рыхлого материала, который насыщается водой и превращается в сель. Конечно, сели представляют опасность для строений в руслах, но в горных условиях именно в руслах и долинах селятся люди.

Водоснежные потоки – разновидность селевых потоков, характерная для горных стран умеренного пояса. Водоснежные потоки состоят из воды, снега и обломочного материала. Они тоже развивают значительные скорости и уничтожают строения в долинах.

Эрозия почв. Скорости эрозии могут достигать больших значений (вплоть до смыва всего плодородного слоя за один ливень) при определенных условиях. Этими условиями являются интенсивность выпадения осадков, уклон местности, отсутствие растительности, характер субстрата, неправильное возделывание территории. Линейная эрозия (то есть образование оврагов, промоин и пр.) тоже может иметь катастрофические скорости. Овраги могут расти со скоростью до первых десятков м в год, в средней полосе – первые метры в год. Из-за неправильного хозяйственного использования рост оврагов может активизироваться. Так, например, на полигоне в Калужской области строительство грунтовой дороги, проходящей через водосборное понижение оврага и закладка дюкера привели к концентрации стока в дюкере и росту оврага.

Ураганы и смерчи. Ураганы и смерчи – довольно распространенное явление в различных природных условиях. В некоторых районах складываются благоприятные условия для формирования ураганов. Например, когда хорошо прогретая суша расположена рядом с холодным морем, различия в давлении воздуха приводят к появлению сильного ветра. То же происходит при столкновении двух разных воздушных масс. Это ветра, достигающие очень больших скоростей (предположительно до 120 м/с). Ежегодно на земле возникает около 1,5 тысяч смерчей, продолжительность которых колеблется от нескольких часов до нескольких суток. Из-за больших скоростей движения воздуха происходит его разрежение и, как следствие, втягивание воды и грунта, «взрывы» построек, опрокидывание и даже перенос по воздуху машин и пр. При воздействии ураганов и смерчей на поверхность воды нередко возникают штормовые нагоны и связанные с ними наводнения. Перенося воду, смерчи могут активизировать оползни, эрозию и пр.

Пирогенные процессы. Пирогенные процессы, или пожары, включают в себя предварительное иссушение потенциально горючего материала, возгорание и превращение его в качественно новый материал, воздействие высоких температур на приземные слои атмосферы и связанный с этим эоловый перенос вещества вихревыми воздушными потоками, воздействие высоких температур на горные породы, уничтожение живых организмов.

Пожар обычно кратковременен. Но в некоторых условиях горение может продолжаться до нескольких месяцев (например, торфяники). Естественные пожары (без участия человека) в основном возникают от действия линейной или шаровой молнии. Довольно редко источниками огня служат горящая лава при извержении вулкана, самовозгорание торфа или угля. Средняя температура горения составляет 150 - 300, но может достигать 500 - 600. Такие температуры приводят не только к выгоранию органики, но даже к растрескиванию камней, появлению плотных горизонтов в почве. Выгорающая растительность – фактор активизации различных процессов (эоловых, эрозионных). Торфяники обычно горят из-за того, что в сухое лето температура внутри торфа становится такой, что торф начинает тлеть. Этот процесс может проходить без открытого огня и тянуться месяцами. В воздух пронимается дым, такой пожар сложно погасить.

Дата добавления: 2014-01-06