Происхождение Солнечной системы

Воздушная оболочка Земли — атмосфера, содержащая такой жизненно необходимый для существования живых организмов химический элемент, как кислород, по мнению ученых, сформировалась постепенно. Предполагают, что небольшое количество кислорода в атмосфере появилось первоначально вследствие усиленной дегазации земных пород, при которой из них выделялись пары воды и газы. Поскольку температура на поверхности Земли была более низкой, то пары воды конденсировались в жидкость и образовали ее гидросферу. Атмосфера теряла легкие газы — водород и гелий, но сохраняла более тяжелые, кислород и азот, хотя исчезало также небольшое количество молекулярного кислорода. По гипотезе О.Ю Шмидта, образование газов и паров воды могло произойти за счет разогревания земных пород и слоев в результате радиоактивного распада веществ, содержащихся внутри Земли.

Однако в дальнейшем некоторая часть кислорода в атмосферу стала попадать благодаря разложению углекислого газа простейшими микроорганизмами, а в последующем значительное его количество постоянно поступает за счет реакции фотосинтеза растений. Таким способом возникшая жизнь на нашей планете поддерживала свое существование. Для понимания этих процессов большое значение имеет выдвинутая свыше двух десятилетий назад Гея-гипотеза (от греч. Гея — Земля). Она была создана английским химиком Д. Лавлоком и американским микробиологом Л. Маргулис. Согласно этой гипотезе, поддержание длительной неравновесности земной атмосферы обязано жизненным процессам, совершающимся на Земле.

В настоящее время атмосфера у поверхности Земли по химическому составу на 78,1% состоит из азота, 21% — кислорода, 0,9% — аргона и незначительных долей процента других газов (водород, углекислый газ, гелий, неон). На расстоянии до 100 км процентное содержание элементов в атмосфере остается почти постоянным, но с высотой увеличивается доля легких газов. На очень больших высотах начинают преобладать водород и гелий.

Плотность воздуха и его давление с высотой убывают, а температура хотя в целом понижается, но изменяется более сложным образом. В нижних слоях атмосферы содержится также водяной пар, который играет существенную роль в процессе обмена теплом и влагой с поверхностью Земли. Именно этот обмен является основой круговорота воды, вызывая образование облаков и выпадение осадков. Вследствие неравномерного нагревания воздух в атмосфере находится в постоянном движении, образуя циклоны и антициклоны, которые определяют погоду на Земле, а во взаимодействии с водой океанов и морей существенно влияют на климат. Иногда в результате такого взаимодействия возникают штормы, ураганы, смерчи и другие разрушительные явления в природе.

На высоте около 25 км расположен озоновый слой, который предохраняет все живое на Земле от губительных космических, рентгеновских и других жестких излучений. Атмосфера рассеивает солнечный свет и другие излучения. Она обладает также собственным электрическим полем, благодаря которому в ней возникают различные электрические, оптические и звуковые явления.

Гидросфера, занимающая большую часть поверхности Земли (70%), по-видимому, возникла вместе с атмосферой на очень ранней стадии формирования нашей планеты. В процессе формирования Земли сначала, по-видимому, из тяжелых частиц образовалось прото-ядро, которое присоединило к себе вещество, ставшее впоследствии мантией. Действие гравитационных сил привело к интенсивному сжатию вещества Земли и, как следствие, к ее уплотнению и уменьшению размеров. Одновременно с этим происходил процесс усиленной дегазации, при котором выделялись газы и пары воды. Попадая на поверхность планеты, где температура была более низкой, пары воды конденсировались в жидкость, легкие газы водород, гелий и некоторые другие покидали планету, а более тяжелые кислород и азот удерживались гравитационными силами и составили в дальнейшем атмосферу Земли. Такие предположения подтверждаются экспериментальными исследованиями и в настоящее время считаются достаточно обоснованными для объяснения происхождения гидросферы и атмосферы Земли, хотя происхождение кислорода в атмосфере может быть объяснено и другими причинами.

Атмосфера и гидросфера тесно взаимодействуют между собой, что i наглядно подтверждается процессами круговорота воды и воздуха на планете. Одновременно с этим обе сферы оказывает заметное воздействие на литосферу, медленно, постепенно, но неуклонно меняя верхнюю часть земной коры. Сама кора состоит в основном из 8 химических элементов: кислорода, кремния, алюминия, железа, кальция, магния, натрия и калия, причем почти половину ее массы составляет кислород, содержащийся в окислах металлов.

Значительное влияние на все геологические процессы оказывает позднее появившаяся биосфера, о которой речь пойдет в следующих главах.

АСТЕНОСФЕРА [άσθενος (астэнос) — слабый] — предполагаемый слой мантии, подстилающий литосферу, способный к вязкому или пластическому течению под действием относительно малых напряжении, позволяющий путем медленных движений постепенно создавать условия гидростатического равновесия. Термин введен Барреллом (Barrell) в 1914 г. после открытия явлений изостазии. Понятие А. аналогично понятию “жидкий подкоровый слой”, предложенному Дэна (1873) и др. для объяснения орогенических и др. движений земной коры, хотя А. приписывают более высокую вязкость. Концепция А. укрепилась данными о наличии волновода, и теоретическими расчетами, устанавливающими в верхней мантии наличие минимума для величин вязкости (1019—1021 пуаз) и сопротивления пластическому течению (Магницкий, Артюшков, 1968). Средняя глубина А. оценивается ~100—200 км, под срединно-океанскими хребтами 30—50 км. Предполагается (Гутенберг, 1963), что А. “является главным местоположением процессов, вызывающих горизонтальные и вертикальные движения протяженных участков земной коры”.

АТМОСФЕРА- газовая оболочка, окружающая небесное тело. Ее характеристики зависят от размера, массы, температуры, скорости вращения и химического состава данного небесного тела, а также определяются историей его формирования начиная с момента зарождения. Атмосфера Земли образована смесью газов, называемой воздухом. Ее основные составляющие - азот и кислород в соотношении приблизительно 4:1. На человека оказывает воздействие главным образом состояние нижних 15-25 км атмосферы, поскольку именно в этом нижнем слое сосредоточена основная масса воздуха. Наука, изучающая атмосферу, называется метеорологией, хотя предметом этой науки являются также погода и ее влияние на человека. Состояние верхних слоев атмосферы, расположенных на высотах от 60 до 300 и даже 1000 км от поверхности Земли, также изменяется. Здесь развиваются сильные ветры, штормы и проявляются такие удивительные электрические явления, как полярные сияния. Многие из перечисленных феноменов связаны с потоками солнечной радиации, космического излучения, а также магнитным полем Земли. Высокие слои атмосферы - это также и химическая лаборатория, поскольку там в условиях, близких к вакууму, некоторые атмосферные газы под влиянием мощного потока солнечной энергии вступают в химические реакции. Наука, изучающая эти взаимосвязанные явления и процессы, называется физикой высоких слоев атмосферы.

Биосфера

 (от греч. bios - жизнь и sphaira - шар: Зюсс, 1875; Вернадский, 1926), экосфера (многие западноевропейские авторы), биогеосфера (Дылис, 1964) - одна из земных оболочек (геосфер), в которой благодаря живым организмам преобразуется солнечная энергия, совершаются биогеохимические превращения веществ и преобладают вещества биогенного происхождения. Биосфера распространяется на стратосферу, тропосферу, гидросферу (воды океана и суши), часть литосферы. Верхняя граница биосферы ограничена озоновым экраном, задерживающим большую часть губительных для живых существ ультрафиолетовых лучей, а нижняя - тепловым барьером. Общая мощность биосферы может достигать 40 км.

ЛИТОСФЕРА— [σφαιρα (ρфера) — шар] — верхняя твердая оболочка Земли, имеющая большую прочность и переходящая без определенной резкой границы в нижележащую астеносферу, прочность вещества которой относительно мала. Л. в современном понимании включает земную кору, т. е. верхнюю сиалическую оболочку Земли, и отделенную от нее границей Мохоровичича жесткую верхнюю часть верхней мантии Земли, имеющую, судя по изучению ксенолитов, оливин-пироксеновый состав. Сверху Л. ограничена атмосферой и гидросферой, которые частично в нее проникают. Мощн. Л. неопределенна и колеблется, вероятно, от 50 до 200 км, в том числе мощность верхней её части — земной коры — достигает 30—60 км под континентами и 5—10 км под океанами; нижележащая часть Л. сложена ультраосновными породами.

Гипотеза Х. Альвена. В середине ХХ века Ханнес Альвен предложил гипотезу образования планет главным образом в результате действия электромагнитных сил. Альвен предположил, что в начальный период своего существования Солнце обладало очень сильным магнитным полем. Под действием излучения и столкновений атомы первоначально нейтральной туманности ионизировались и увлекались вслед за вращающимся светилом. Постепенно Солнце теряло свой вращательный момент, передавая его газовому облаку. Трудность данной гипотезы состояла в том, что атомы более лёгких элементов должны были ионизироваться на меньшем расстоянии от Солнца, нежели тяжёлые, что противоречило наблюдательным данным. Тогда Ф. Хойл предположил, что первоначальная туманность уже обладала магнитным полем, вследствие чего могла происходить передача углового момента. Кроме того, Хойл допустил, что момент передаётся не всем частицам туманности, а только газообразным: «Приобретая момент количества движения, планетное вещество удалялось от солнечного сгущения. Нелетучие вещества конденсировались и отставали от движущегося наружу газа. Именно с этим процессом связан тот факт, что планеты земной группы: 1) имеют малые массы; 2) почти полностью состоят из нелетучих веществ; 3) находятся во внутренней части системы».

 Подобный механизм, по  мнению Хойла, создаёт условия для существования возле Солнца каменно-железной зоны, которая в промежутке между орбитами Марса и Юпитера переходит в водно-аммиачную зону. С дальнейшим удалением от Солнца вода и аммиак вымораживаются, а водород уходит в межзвёздные области. В этом районе концентрируются лишь более тяжёлые углеводороды.

 Однако, теория Альвена - Хойла не смогла удовлетворительно объяснить происхождение спутников и причину различного наклона осей вращения планет.

Шмидта гипотеза. в астрономии, космогоническая гипотеза, главной частью которой является предположение об образовании планет путём объединения холодных твёрдых тел различных размеров, обращавшихся вокруг Солнца. Разработана в 1943 О. Ю. Шмидтом на основе критического изучения истории планетной космогонии и анализа закономерностей движения планет. Шмидту впервые удалось объяснить причины прямого осевого вращения планет (т. е. вращения в том же направлении, что и обращение вокруг Солнца) и открыть путь к объяснению закономерности расстояний планет от Солнца. Предположение об образовании Земли и родственных ей планет путём аккумуляции твёрдых тел приводит к заключению об относительно холодном начальном их состоянии. Этот вывод Ш. г. повлек за собой пересмотр многих представлений о геофизической, геологической, геохимической истории Земли. На основе Ш. г. многие стороны процесса аккумуляции и дальнейшего развития планет были изучены сотрудниками и сторонниками Шмидта.

Земна́я кора́ — внешняя твёрдая оболочка Земли (геосфера). Ниже коры находится мантия, которая отличается составом и физическими свойствами — она более плотная, содержит в основном тугоплавкие элементы. Разделяет кору и мантию граница Мохоровичича, или сокращённо Мохо, на которой происходит резкое увеличение скоростей сейсмических волн. С внешней стороны большая часть коры покрыта гидросферой, а меньшая находится под воздействием атмосферы. Кора есть на Марсе и Венере, Луне и многих спутниках планет-гигантов. На Меркурии, хотя он и принадлежит к планетам земной группы, кора земного типа отсутствует. В большинстве случаев она состоит из базальтов. Земля уникальна тем, что обладает корой двух типов: континентальной и океанической. Масса земной коры оценивается в 2,8·1019 тонн (из них 21 % — океаническая кора и 79 % — континентальная). Кора составляет лишь 0,473 % общей массы Земли.

Мантия — часть Земли, от  земной коры и до границы с ядром. В мантии находится большая часть вещества Земли. Мантия есть и на других планетах. Земная мантия находится в диапазоне от 30 до 2 900 км.

В ее пределах по сейсмическим данным выделяются: верхняя мантия слой В глубиной до 400 км и С до 800-1000 км (некоторые исследователи слой С называют средней мантией); нижняя мантия слой D до глубины 2700 с переходным слоем D1 от 2700 до 2900 км.

МОХОРОВИЧИЧА ГРАНИЦА (ПОВЕРХНОСТЬ) (МОХО, М) — планетарная поверхность раздела, которая принята за нижнюю границу земной коры. Названа в честь югославского сейсмолога Мохоровичича, который первый в 1909 г. выделил сейсмические волны, связанные с этой границей. На М. г. скорость распространения продольных сейсмических волн возрастает с 6,9—7,4 до 8,0—8,2 км/сек, плотность увеличивается с 2,8—2,9 до 3,2—3,3 г/см3. В некоторых уникальных р-нах М. г. выражена нечетко, физ. параметры изменяются по вертикали постепенно в интервале нескольких км. О природе М. г. нет единой точки зрения. Геофиз. данные показывают, что ниже М. г. располагаются либо п. ультраосновного состава (типа перидотитов), либо плотные п. основного состава — эклогиты. Источником сведений о п., размещающихся заведомо ниже М. г., являются ксенолиты, включенные в кимберлитовую п. алмазоносных трубок взрыва. Ксенолиты, найденные в изверженных п. Якутии и Ю. Африки, подтверждают, что возможен и перидотитовый, и эклогитовый состав мантии, а также переслаивание перидотитов с линзами эклогитов. Таким образом, М. г. либо разделяет среды разного хим. состава, либо является фазовой границей между средами одного хим. состава. Анализ термодинамических условий свидетельствует, что в океанах, где М. г. залегает на глубине 10—12 км, она разделяет п. основного и ультраосновного состава, тогда как в областях активного горообразования М. г., располагающаяся на глубине 55—65 км, вероятнее всего, соответствует переходу габбро — эклогит. Выяснение природы М. г. важно для обоснования гипотез горообразования и общей эволюции земной коры.