Гусейханов М.К., Раджабов О.Р. Концепции современного естествознания

Подождите немного. Документ загружается.

Немецкий философ И. Кант в своей книге "Всеобщая

естественная история и теория неба" (1755 г.) развил гипотезу,

согласно которой в начале мировое пространство было заполнено

материей, находившейся в состоянии первозданного хаоса. Под

действием двух сил—притяжения и отталкивания—материя со

временем переходила в более разнообразные формы. Элементы,

имеющие большую плотность, по закону всемирного тяготения

притягивали менее плотные, вследствие этого образовались

отдельные сгустки материи. Под действием же сил отталкивания

(которые якобы особенно эффективны, когда вещество находится в

распыленном состоянии) прямолинейное движение частиц к центру

тяготения заменялось кругообразным. Вследствие столкновения

частиц вокруг отдельных сгустков и формировались планетные

системы. Все это представлялось Канту настолько очевидным, что

он не удержался от замечания, ставшего как бы символом

естествознания: "Дайте мне материю, и я построю из нее мир, т. е.

дайте мне материю, и я покажу всем, как из нее должен образоваться

мир..."

Совершенно другая гипотеза о происхождении планет была

изложена в книге П. Лапласа "Изложение системы мира" (1769 г.).

По Лапласу, на ранней стадии своего развития Солнце представляло

собой огромную, медленно вращающуюся туманность. Под

действием силы тяжести протосолнце сжималось, поэтому оно

принимало сплюснутую форму. И как только на экваторе сила

тяжести уравновешивалась центробежной силой инерции, от

протосолнца отделялось гигантское кольцо, которое в дальнейшем

охлаждалось и разрывалось на отдельные сгустки. Из них и

формировались планеты. Такой отрыв колец от протосолнца, по

Лапласу, происходил несколько раз. Аналогичным путем

образовались и спутники планет. Гипотеза Лапласа, бывшая весьма

популярной на протяжении почти ста лет, оказывалась не в

состоянии объяснить перераспределение момента количества

движения между Солнцем и планетами. Расчет показывает, что если

бы все планеты упали на Солнце (т. е. вернули ему потерянный им

момент количества движения), то скорость его вращения была бы

недостаточной для того, чтобы могло проис-

310

ходить отделение колец. Кроме того, для этой и других гипотез, по

которым планеты и их спутники образуются из горячего газа,

камнем преткновения является еще следующее: из горячего газа

планета сформироваться не может, так как этот газ очень быстро

расширяется и рассеивается в пространстве.

В 20-е годы XX в. английский астроном Д. Джинс разработал

приливную теорию происхождения Солнечной системы. По этой

теории в результате случайного сближения Солнца с какой-то

звездой на Солнце образовалась гигантская приливная волна,

приведшая к тому, что из двух противоположных точек его

поверхности началось мощное извержение струй газа. Эти газовые

массы очень быстро сгущались в облака, в которых росли

планетезимали — небольшие твердые тела, из которых в

дальнейшем сформировались планеты.

В 30-х годах было высказано предположение (Г. Рессел), что в

прошлом Солнце было двойной звездой. Один из компонентов был

разорван встречной звездой и образовал облако, из которого позже

сформировались планеты. В дальнейшем эту гипотезу

видоизменили (Ф. Хойл в 1944 г.). Было выдвинуто предположение,

что один из компонентов вспыхнул как сверхновая, сбросил газовую

оболочку. Звезды разошлись, а из газовой оболочки образовалась

планетная система.

Большую роль в разработке установившихся в настоящее время

взглядов на происхождение планетной системы сыграли работы

нашего соотечественника О. Ю. Шмидта. В основе теории О. Ю.

Шмидта лежат два предположения: планеты сформировались из

холодного газопылевого облака; это облако было захвачено

Солнцем при его обращении вокруг центра Галактики. На основе

этих предположений Шмидту удалось объяснить некоторые

закономерности в строении Солнечной системы — распределение

планет по расстояниям от Солнца, вращение и др. Гипотез было

много, но если каждая из них хорошо объясняла часть

исследований, то другую часть не объясняла (рис. 13.1).

При разработке космогонической гипотезы прежде всего

необходимо решить вопрос: откуда взялось вещество, из кото-

311

Рис. 13.1. Образование планет по гипотезе О. Ю. Шмидта

рого со временем сформировались планеты? Здесь возможны три

варианта:

1. Планеты образуются из того же газопылевого облака, что

и Солнце (И. Кант).

2. Облако, из которого образовались планеты, захва

чено Солнцем при его обращении вокруг центра Галактики

(О. Ю. Шмидт).

3. Это облако отделилось от Солнца в процессе его эволюции

(П. Лаплас, Д. Джинс и др.).

Общую схему развития нашей планетной системы можно

описать следующим образом.

Около 5 млрд лет назад в протяженном газопылевом облаке,

пронизанном магнитными силовыми линиями, образовалось

центральное сгущение — протосолнце, которое медленно

сжималось. Другая часть облака, массой в 10 раз меньшей, медленно

вращалась вокруг него. В результате столкновения атомов, молекул

и пылинок туманность постепенно сплющивалась и разогревалась.

Так вокруг Солнца образовался протяженный газопылевой диск. Его

магнитное поле, "наматываясь" на про-

312

тосолнце, способствовало передаче момента внешним слоям диска.

По одному из вариантов эволюции протопланетного облака,

рассмотренному В. С. Сафроновым, вначале в этом облаке

произошло деление компонентов — газа и пыли. Оседание пыли к

центральной плоскости произошло примерно за 1000 оборотов

облака вокруг Солнца. Одновременно протекал процесс роста

пылинок до к 1 см.

Под действием светового давления легкие химические

элементы водород и гелий "выметались" из близких окрестностей

Солнца. И, наоборот, попадая на пылинки, световые лучи тормозили

их движение вокруг Солнца. При этом пылевые частицы теряли

свой орбитальный момент количества движения и приближались к

Солнцу. Этот механизм торможения "работает" даже в случае, если

размеры частицы достигают нескольких метров. В конечном итоге

это и привело к существенному различию в химическом составе

планет, их разделению на две группы. Таким образом, вблизи

экваториальной плоскости Солнца образовался слой пыли

повышенной плотности. Как только плотность этого слоя достигла

критического значения, в нем возникла гравитационная

неустойчивость. Вначале образовались кольца, которые быстро

распались на отдельные сгущения. Их исходные размеры и массы на

расстоянии в одну астрономическую единицу от Солнца достигали

40 км и 5 • 10

кг, а на расстоянии Юпитера — соответственно 10

км и 10

кг. За счет собственной тяжести происходило дальнейшее

сжатие сгустков, их уплотнение, рост больших и разрушение малых.

Превращение сгущенной пыли в отдельные твердые тела

продолжалось всего 10 000 лет на расстоянии в 1 а.е. и около 1 млн

лет на расстоянии Юпитера от Солнца.

Далее в результате взаимных столкновений происходило

слипание отдельных пылинок и образование твердых тел. Расчеты

показывают, что эффективность взаимных столкновений

пропорциональна четвертой степени радиуса сгущения (плане-

тезимали). Это привело к быстрому росту размеров наибольших из

них. В результате столкновений их орбиты приближались

313

к круговым, а сами они превращались в зародыши планет. Со

временем выживали лишь те из них, орбиты которых с учетом их

взаимного притяжения оказались устойчивыми.

Подобно планетам земной группы, формировались зародыши

планет-гигантов — Юпитера и Сатурна, хотя время их конденсации

было в несколько раз большим. В данном случае, как только масса

протопланеты достигала величины двух-трех масс Земли,

начиналась интенсивная аккреция газа, входящего в протопланетное

облако.

Чтобы согласовать расчеты с наблюдениями, приходится

ввести допущение, что в процессе роста планет-гигантов

значительное количество твердого вещества было выброшено из

Солнечной системы. Это привело к образованию на ее периферии

облака комет, которое частично сохранилось и до наших дней.

Направление и скорость вращения планеты вокруг своей оси

устанавливаются статистически как суммарный результат

объединения многих планетезималей и выпадения на зародыш

планеты тел из "спутникового роя", окружающего каждую планету

на раннем этапе ее формирования. Как оказалось, по наклону оси

вращения планеты к плоскости эклиптики можно оценить массу

самых больших тел, выпадавших на планету. В частности, для

нашей планеты эти массы не превышали 0,001 массы Земли. То, что

ось вращения Урана наклонена к плоскости ее орбиты под углом

98°, связано с влиянием Юпитера и Сатурна. Как только массы этих

планет возросли до двух-трех масс Земли, они своим притяжением

вносили возмущения в движение других планетезималей, придавая

им большие скорости, достаточные для того, чтобы вылетать за

пределы Солнечной системы. Случайное столкновение этих тел с

протоураном и привело к упомянутой аномалии в его вращении

вокруг своей оси. Массы наибольших тел, выпадавших на Уран,

достигали величины 0,07 массы этой планеты.

Зародыши планет-гигантов не только препятствовали

формированию планеты в зоне астероидов между Марсом и

Юпитером, но привели и к значительному уменьшению конечной

массы планеты Уран.

314

Несмотря на сходство образования и состава исходного

материала планет земной группы, в настоящий момент заметно

различие в достигнутом уровне развития планет. На других

планетах отсутствуют не только признаки жизни, но даже такие

химические соединения, которые в ходе дальнейшей эволюции

могли бы привести к появлению примитивных органических форм.

Земля же обладает богатым, в высшей степени развитым

органическим миром.

Сравнение физических характеристик планет земной группы

позволило выявить ряд общих закономерностей их происхождения

и последующей эволюции. В раннюю историю своего

существования все планеты, как Земля, пережили три общие для

них фазы развития:

1) фазу аккреции; 2) фазу расплавления внешней среды (а

возможно, и недр) и 3) лунную фазу (стадию первичной коры).

Совокупность этих фаз составляет раннюю историю планет. В

раннюю историю Земля в своем развитии не отличалась от других

планет. Во все последующее время до современной эпохи

включительно, т. е. на протяжении 3,5-4,0 млрд лет, все планеты, за

исключением Земли, развивались более или менее однотипно, хотя

степень активности как внутренних, так и внешних планетных

процессов была разной. Чем большую массу имеет планета, тем

большее количество радиогенной и гравитационной энергии

образуется в ее недрах. Соответственно и более активно протекают

у планеты эндогенные процессы — вулканизм и тектонические

движения. У небесных тел (Луны и Меркурия) вулканизм

прекратился уже более 3 млрд лет назад. На Марсе он до недавнего

времени был весьма активным. На Венере (по косвенным данным) и

на Земле интенсивный вулканизм продолжался на протяжении всей

их истории, вплоть до настоящего времени.

К числу общих закономерностей развития планет земной

группы относятся следующие:

1. Все планеты произошли из единого протопланетного

газопылевого облака (туманности) в результате его конденсации и

аккреции образовавшихся сгустков материала и рассеянного

315

вещества. Более крупные скопления росли быстрее за счет

присоединения к себе меньших агрегатов и рассеянного материала и

превращались в зародыши планет — планетезимали.

2.В конце стадии аккреции, т. е. приблизительно 4,5 млрд лет

назад, под влиянием быстрого накопления тепловой энергии за счет

трансформированной метеоритной кинетической энергии внешняя

оболочка планет претерпела полное расплавление.

3.В результате последующего остывания внешних слоев

литосферы образовалась кора. В ее состав вошли более легкие

компоненты основной магмы. Более тяжелые, благодаря

гравитационной дифференциации, сконцентрировались ниже коры,

образовав мантию планеты. На этот же период приходится

расплавление и центральной области планеты за счет накопления

радиогенной и гравитационной энергии. Таким образом, на раннем

этапе существования планет произошла дифференциация их

вещества на ядро, мантию и кору.

4.Индивидуально происходило развитие внешней области

планет. Формирование природной обстановки происходило и

происходит под влиянием климатического фактора, но степень его

полноты весьма неодинаковая на разных планетах, а отсюда и

неодинаков эффект его действия. Важнейшим условием здесь

является наличие или отсутствие у планеты атмосферы и

гидросферы. Причем определяющим следует признать не сам факт

их наличия или отсутствия, а определенное сочетание их

параметров. Для атмосферы это будут химический состав,

плотность, температурный режим, циркуляция и т. д.; для

гидросферы — общая масса воды и ее фазовое состояние — твердое,

жидкое или газообразное. Из них наибольшей активностью обладает

вода в жидкой фазе.

5.Вследствие полного отсутствия воды на безатмосферных

Луне и Меркурии или наличия ее в малом количестве и не в жидкой

фазе на Марсе и Венере на этих планетах экзогенные процессы не

могут подавить морфологический эффект метеоритной

бомбардировки, поэтому кратерный тип рельефа безраздельно

господствует на Луне, Меркурии, Венере и преобладает на Марсе.

Марс в прошлом имел более теплый и влажный климат,

316

жидкую воду и относительно высокую активность экзогенных

процессов, действие которых выразилось в существенной

переработке первичного рельефа ударных кратеров.

6. С циркуляцией воды во внешней оболочке Земли связано

функционирование на нашей планете мощного комплекса

экзогенных процессов, оказывающих огромное влияние на другие

компоненты — литосферу, органический мир, вовлечение их в

глобальные круговороты.

13.3. Происхождение и эволюция Земли

Человек познает сам себя только в той

мере, в какой он познает мир.

И. Гете

Время существования Земли делится на два существенно

различных периода: ранняя история и геологическая история.

I. Ранняя история Земли разделяется на три фазы эволюции:

фазу рождения, фазу расплавления внешней сферы и фазу

первичной коры (лунную фазу). Охарактеризуем их кратко.

Фаза рождения продолжалась 100 млн лет. При этом на

растущую Землю падало большое количество крупных тел. Вместе с

крупными телами на Землю падали и самые крупные объекты —

планетезимали, зародыши "неудавшихся" планет. Их поперечники

измерялись многими километрами и даже первыми десятками

километров. В фазу рождения Земля приобрела приблизительно

95% современной массы.

Фаза расплавления датируется 4,6-4,2 млрд лет назад

(длительность 0,4 млрд лет). Во время аккреции Земля долго

оставалась холодным космическим телом, и только в конце этой

фазы, когда началась предельно интенсивная бомбардировка ее

крупными объектами, произошло сильное разогревание, а затем

полное расплавление вещества сначала внешней зоны планеты,

потом и внутренней области. Наступила продолжительная фаза

гравитационной дифференциации вещества: тяжелые химические

элементы и их соединения опускались

317

вниз, легкие поднимались вверх. Поэтому постепенно в процессе

дифференциации вещества в центре Земли сосредоточивались

тяжелые химические элементы (железо, никель и др.), из которых

образовалось ядро, из более легких соединений возникла мантия

Земли. Кремний и другие химические элементы стали основой

формирования континентов, а самые легкие химические соединения

образовали океаны и атмосферу Земли. В земной атмосфере

первоначально было много водорода, гелия и таких

водородосодержащих соединений, как метан, аммиак, водяной пар.

Со временем водород и гелий улетучились.

Лунная фаза продолжалась 400 млн лет от 4,2 до 3,8 млрд лет

назад. При этом остывание расплавленного вещества внешней

сферы Земли привело к образованию тонкой первичной коры

базальтового состава. В это же время происходило формирование

гранитного слоя материковой коры. Континенты сложены в

основном гранитами и гнейсами, т. е. горными породами,

содержащими 65-70% кремнезема Si0

и значительное количество

щелочей — калия и натрия. Между тем ложе океанов выстилается

базальтами — породами, содержащими 45-50% Si0

и богатыми

магнием и железом. Таким образом, континенты оказываются

построенными менее плотным, более легким материалом, чем дно

океанов. К тому же кора континентов намного толще (в среднем 35-

40 км), чем кора океанов (5-7 км). Благодаря этому континенты

минимум на 5-6 км возвышаются над ложем океанов. На некоторой

глубине, где в верхней мантии находится пластичный слой (так

называемая астеносфера), легкие, но толстые континентальные

глыбы и тяжелые, но тонкие океанские плиты должны

уравновешивать друг друга (закон изостазии, равновесия). Поэтому,

главным фактором формирования рельефа земной поверхности

является взаимодействие движущихся в горизонтальном

направлении литосферных плит. В зонах разлома плит, проходящих

в океанах, происходит образование срединно-океанских хребтов.

Из-за широкого распространения метеорных кратеро фаза

существования ранней коры называется лунной фазой В лунную

фазу существования Земля постепенно охлаждалас

318

от температуры плавления базальтов (1000-800 °С) до 100 °С. С

преодолением температурного рубежа +100 °С связано все

последующее преобразование природной среды и эволюция земной

коры.

II. Геологическая история — это принципиально новый

период развития Земли как планеты в целом, так и особенно ее коры

и природной среды. После охлаждения земной поверхности до

температуры ниже 100 °С на ней образовалась огромная масса

жидкой воды, которая представляла собой не простое скопление

неподвижных вод, а находящихся в активном глобальном

круговороте. В структурном отношении круговорот распадался на

звенья: атмосферное (испарение, перенос влаги, осадки), ли-

тосферное (поверхностные и подземные стоки), океаническое. В

процессе круговорота происходит поглощение солнечной энергии и

распределение ее по земной поверхности.

Глобальная эволюция Земли происходила под влиянием

факторов — космического, эндогенного и экзогенного. К

эндогенной энергии относится гравитационная энергия. Земля

обладает наибольшей массой из планет земной группы и поэтому

имеет наибольшую внутреннюю энергию — радиогенную,

гравитационную и др.

В экзогенном факторе необычайную активность проявила вода,

находившаяся раньше в виде пара в атмосфере. Земля стала тем

космическим телом, которое оказалось неблагоприятным для

длительного сохранения ударных кратеров вследствие высокой

активности действующих на ней экзогенных процессов разрушения.

За счет парникового эффекта температура поверхности

повышается на 38°; вместо 250 К (-23 °С) стало 288 К (+15 °С). Если

бы этого не произошло, то в природной среде жидкой воды было бы

не 95% общего количества в гидросфере, а во много раз меньше.

Мощность потока солнечной радиации у верхней границы земной

атмосферы (солнечная постоянная) составляет 1,95 (кал/см

) мин,

что в годовом исчислении выражается в 1000 (ккал/см

) год. В связи

же с шарообразностью Земли, а следовательно, с учетом

неосвещенной Солнцем стороны планеты, а

319