Концепции планетарной эволюции и строение Земли

КОНЦЕПЦИИ ПЛАНЕТАРНОЙ ЭВОЛЮЦИИ

И СТРОЕНИЕ ЗЕМЛИ

Проблема происхождения  и развития Земли и других планет Солнечной системы неразрывно связана с историей Солнца. Начиная с 18 века, выдвигались различные гипотезы происхождения Солнечной системы (всего их более 50). Большинство гипотез имели определенные недостатки и противоречия, которые наука пыталась преодолеть.

Одной из первых, например, была небулярная (от лат. «небула» – туман, облако) гипотеза Канта-Лапласа, в основе которой находилось предположение о том, что С.С. возникла в результате развития туманности. В 1775 г. нем. ученый И. Кант пытался объяснить единообразный характер движения планет формированием их из рассеянного вещества (пылевого облака), вращающегося вокруг Солнца. В 1796 г. франц. ученый П. Лаплас выдвинул гипотезу об образовании Солнца и всей Солнечной системы из сжимающейся газовой туманности. Согласно Лапласу, часть газового вещества отделилась от центрального сгустка под действием возросшей при сжатии центробежной силы, что следует из закона сохранения момента количества движения. Это вещество послужило материалом для образования планет.

В 20-30-х гг. ХХ в. широкой известностью пользовалась гипотеза англ. астронома Дж. Джинса, считавшего, что планеты образовались из вещества, вырванного из Солнца притяжением пролетевшей поблизости звезды. Однако в конце 30-х гг. выяснилось, что гипотеза Джинса не способна объяснить огромные размеры планетной системы. Чтобы вырвать вещество из Солнца, звезда должна была пролететь очень близко от него, а в таком случае это вещество и возникшие из него планеты должны были бы кружиться в непосредственном соседстве с Солнцем. Кроме того, вырванное вещество было бы весьма горячим, поэтому оно скорее рассеялось бы в пространстве, чем собралось в планеты.

В 1943 г. О.Ю. Шмидт выдвинул идею об аккумуляции планет из облака холодных тел и частиц, которое было захвачено Солнцем. Это облако (протопланетная туманность), вращалось вокруг него и приобретало форму диска. Из этого диска возникла система колец, которые затем распадались на множество отдельных сгустков – планетезималий. Образование планетезималий продолжалось десятки тысяч лет. Формирование же самих планет длилось до ста миллиона лет. В результате столкновений планетезималий друг с другом наиболее крупные из них постепенно увеличивались в размерах, образовав сначала допланетные тела, а затем – планеты. Как только планеты оформились настолько, что возле них появилось достаточно сильное собственное магнитное поле, начался процесс образования спутников, в миниатюре повторяющий то, что произошло при образовании самих планет.

Вещество протопланетной туманности под действием электромагнитного поля Солнца ионизировалось и, в зависимости от химического состава, тормозилось на разном расстоянии от звезды. Таким образом, изначально шла дифференциация вещества первичного газопылевого облака: вблизи от Солнца концентрировалось более тяжелое, пылевидное вещество, и здесь образовались планеты земной группы (плотность – 3 – 5,5 г/см³), а на больших расстояниях выделилась газовая составляющая протопланетного облака, поэтому плотность планет-гигантов низкая (1 – 2 г/см³).

Малые тела (астероиды и кометы) являются неприсоединившимися к  планетам древнейшими остатками  промежуточной аккумуляции первовещества. Причем астероиды – это каменистые образования внутренней зоны С.с. (остатки пылевидного вещества), а кометы – ледяные тела внешней зоны (замерзшие остатки газовой составляющей первичного вещества).

Современное естествознание исходит из того, что Земля - часть Вселенной, она «выросла» до современной массы за миллионы лет из огромного газового облака, возникшего после Большого Взрыва. Возраст Земли на сегодняшний момент составляет приблизительно 4,6 млрд. лет.

Земля, как и другие планеты, проходила ранние фазы эволюции:

1. Фаза аккреции (рождения) представляла собой непрерывное выпадение на растущую планету планетезималий, мелких тел и частиц. Сформировалось 95% массы планеты. Температура поверхности низкая.

2. Фаза расплавления. Происходит химическая дифференциация вещества Земли, которая привела к формированию ядра планеты и мантии вокруг него. Поверхность представляла собой тяжелую расплавленную массу вещества, в которую продолжали падать космические тела.

3. Лунная фаза – время остывания поверхности планеты. Образовалась первичная кора, состоящая из базальтов и гранита. Когда температура упала ниже 100⁰С, в атмосфере конденсировалась вода и выпала на Землю, покрыв полностью ее поверхность - образовалась гидросфера.

Более 2,5 млрд. лет назад поверхность Земли была полностью покрыта океаном. Затем под действием внутренних сил в процессе землетрясений и вулканических извержений, началось поднятие отдельных участков земной коры. Так возникли первые участки суши – основы современных материков.

В ходе геологического развития шел  процесс формирования земной коры, который был цикличным. Чередовались периоды преобладания моря и преобладания суши. Смена эпох моря и суши вызывала потепления и похолодания климата. В дальнейшем на облик Земли существенное влияние оказала возникшая на ее поверхности жизнь. Как сказал В.И. Вернадский, весь настоящий  облик нашей планеты фактически сформирован жизнью.

Что касается атмосферы, первоначально она была очень разреженной, состояла из летучих соединений, которые распространены в космосе. Но около 3 млрд. лет назад Земля уже была окутана достаточно плотной атмосферой, которая в основном состояла из азота и углекислого газа. С развитием жизни, атмосфера насыщалась кислородом.

С точки зрения геохронологии, вся история Земли условно  разделена на два крупнейших интервала времени, названных эонами. Первый крупнейший временной интервал, занимающий 6/7 всей истории планеты с момента ее зарождения, называется криптозойский эон (криптозой – скрытая жизнь). Это время формирования Земли как космического тела, образования земной коры и основного рельефа поверхности, уплотнения атмосферы и образования океана. Основной чертой криптозоя является ярко выраженный геологообразующий характер всех протекавших в этот период процессов.

Второй крупнейший временной  интервал называется фанерозойским эоном (фанерозой - явная жизнь). Он начался 570 млн. лет назад и его основной характеристикой является формирование в течение него простейших биологических видов, постепенное их усложнение, увеличение количества и разнообразия самых различных форм жизни на Земле, включая и самого человека. То есть, фанерозой является временем истинного расцвета биосферы нашей планеты.

В результате 4,6 млрд. лет эволюции Земля приобрела свой нынешний облик.

Современное строение Земли

Земля имеет форму, близкую к шарообразной. Она слегка сплющена со стороны полюсов и представляет собой уникальное геометрическое тело - геоид. Сжатие у полюсов объясняется вращением Земли вокруг своей оси.

Диаметр Земли в среднем составляет около 12 700 км, а масса - около 6×10²⁴ кг. Длина экватора – 40 075 км. Наклон оси к плоскости орбиты (эклиптики) составляет 23⁰26’. Вращаясь вокруг своей оси со скоростью (на экваторе) более 400 м/с, Земля движется по эллиптической орбите вокруг Солнца со скоростью около 30 км/с.

Внутреннее строение:

Земной шар состоит из концентрических  слоев – геосфер.

В центре находится ядро, состоящее из твердой внутренней части — собственно ядра радиусом 1300 км и окружающей её внешней части — жидкой фазы, радиусом 2200 км. Температура земного ядра — более 5000 °С. Внутреннее ядро состоит на 80% из железа, на 20% из никеля. Внешнее ядро состоит из жидкого железа, в результате постоянной циркуляции которого, образуется мощное магнитное поле планеты, защищающее Землю от активного солнечного излучения.

За жидкой частью ядра следует мантия — самый толстый (около 3000 км) слой кристаллической породы, составляющий 2/3 всего объема Земли. Ее динамика, подвижность предопределяют многие явления на земной поверхности. Она подвижна, имеет высокую температуру (около 3000⁰), но, тем не менее, не расплавлена. Огромное давление земных недр препятствует полному расплавлению пород мантии. Поэтому она приобретает пластичность и вязкость, по консистенции похожа на пластилин. Именно в мантии образуется энергия землетрясений, вулканизма, движения коры. При образовании трещин в коре жидкая магма изливается под давлением на поверхность Земли, происходят извержения вулканов.

Далее идет промежуточный слой – астеносфера, а над ней – земная кора. Под материками и океанами кора неодинакова. Материковая кора существенно более сложная и состоит из трех слоев: верхнего осадочного, среднего гранитного и нижнего базальтового. Она тянется местами до 80 км  вглубь земного шара. Намного проще строение океанической коры, которая не превышает по толщине 10 км и состоит только из рыхлых осадочных пород, лежащих на тонком базальтовом основании.

Внешнее строение Земли – географические оболочки:

Литосфера – верхняя, твердая оболочка Земли, включающая в себя земную кору и верхнюю, наиболее подвижную часть мантии – астеносферу. Вещество астеносферы находится в пластическом (переходном между твердыми телами и жидкостью) состоянии. Литосфера состоит из отдельных плит, которые находятся в постоянном движении. Изучением процессов движения литосферных плит занимается отрасль геологии, которая называется глобальной тектоникой. Всего литосферных плит насчитывается 20. Подобно гигантским плотам, литосферные плиты скользят по вязкому веществу астеносферы. За миллионы лет «плавания» тектонические плиты неоднократно меняли поверхность Земли, образовывая новые материки. Границы между плитами могут проходить как по суше, так и по дну океана. В тех областях, где проходят границы между плитами, нередко активизируются процессы горообразования, происходят землетрясения и извержения вулканов.

Еще в начале ХХ века немецкий геофизик А. Вегенер выдвинул гипотезу о существовании когда-то единого древнейшего материка - Пангея (греч. «вся земля»). Действительно, если посмотреть на глобус, то можно заметить явное сходство береговых очертаний Северной и Южной Америки с очертаниями Европы и Африки. Сегодня известно, что процесс  формирования и распада Пангеи происходил неоднократно. Длительность таких циклов составляет 500-600 лет. Последний раскол Пангеи на две части произошел примерно 120 миллионов лет назад: образовались Лавразия – северная часть, Гондвана – южная часть, которые стали расходиться друг от друга со скоростями по несколько см в год. Данный процесс называется континентальным дрейфом и продолжается и в настоящее время. Литосферные плиты перемещаются медленно – единицы сантиметров в год. В нашу эпоху наибольшей скоростью обладает Южно-Американская плита, которая движется со скоростью 16 см в год.

Все процессы, благодаря  которым постоянно видоизменяется земная поверхность, называются геодинамическими процессами и делятся на две большие группы:

Эндогенные  процессы вызваны внутренними силами Земли и совершаются в ее недрах. Они проявляются в виде тектонических движений (например, поднятие и опускание земной коры, землетрясения, образование элементов рельефа), процессов вулканизма и формирования месторождений полезных ископаемых.

Экзогенные  процессы происходят на поверхности Земли или на небольшой глубине в земной коре. Они обусловлены энергией солнечного излучения, гравитационной силой и жизнедеятельностью организмов. Например: выветривание, заболачивание, оползни, лавины, обвалы, деятельность морей, озер, ледников.

Химический  состав земной коры. Земная кора в основном состоит из восьми химических элементов: кислород (48%), кремний (26%), алюминий (8%), железо (5%) кальций, магний, натрий и калий от 2 до 5 %.

Гидросфера – водная оболочка Земли. Она включает в себя подземные воды, воды рек, озер, морей, океанов. Вода покрывает 71% всей поверхности нашей планеты. Общий объем гидросферы очень велик – примерно полтора миллиарда кубических километров. Почти три четверти объема воды входит в состав морей и океанов. На долю пресной воды (в ледниках, озерах и реках) приходится только 3% воды. Без воды не может существовать ни одно живое существо на Земле. Важнейшей проблемой в наше время стала проблема снабжения водой городов, поселков и промышленных центров.

Одну четвертую часть  всех запасов воды составляют подземные воды. Подземными называются воды, находящиеся под поверхностью Земли в жидком, твердом и газообразном состоянии. Они образуются в результате просачивания воды, выпавшей на поверхность Земли, конденсации водяных паров, поступивших из атмосферы, а также в результате образования водяных паров при остывании магмы на глубине и конденсации их в верхних слоях земной коры. Глубинные подземные воды, подогреваемые магмой, дают начало горячим источникам – гейзерам.

Атмосфера - воздушная оболочка Земли - защищает земную поверхность от губительного воздействия на живые организмы ультрафиолетового излучения Солнца, а также предохраняет Землю от космической пыли и метеоритов. Состоит атмосфера из механической смеси газов: азот – 78%, кислород – 21%, а также водород, углекислый газ, инертные газы.

Атмосфера имеет слоистое строение и общую толщину > 800 км.

Нижняя и самая плотная  часть атмосферы - Тропосфера. Ее верхняя граница проходит на высоте 10-18 км. Температура в этом слое понижается с увеличением высоты и в верхних слоях составляет минус 55. Здесь возникают циклоны и антициклоны, наблюдаются туманы и дожди, снегопады, грозы и другие погодные явления.

 Выше расположена стратосфера, которая простирается до высоты 50-55 км. Плотность воздуха и давление здесь незначительны. Здесь находится озоновый слой, который образует защитный экран, поглощающий жесткое космическое излучение, губительное для всего живого.

Третий слой - мезосфера – до высоты 80 км. В этом слое при помощи температурных зондов ученые проводят температурные измерения. Ее роль состоит в поглощении озоном, водяным паром и углекислым газом ультрафиолетовой радиации Солнца.