Новоженов В.А. Концепции современного естествознания

Подождите немного. Документ загружается.

172

почти по круговым орбитам сверхзародыши пол учались путём

объединения ранее возникших зародышей и обобществления их

зон питан ия.

Уменьшение числа зародышей и появление

сверхзародышей происходили до тех пор, пока возникаю щие

крупные и массивные тела не оказались на таких расстояниях,

где взаимное притяжение не могло уже существенно изменить

их орбиты. Эти безопасные расстояния и стали залогом

устойчивости будущей Солнечной системы. Формирование

спутников планет, в том числе и нашей Луны, в общих чертах,

было сходным процессом. Планетам земной группы и планетам-

гигантам понадобилось различное время для своего роста.

Например, по некоторым оценкам, наша планета выросла за 100

миллионов лет. Планеты - гиганты росли дольше. Это прежде

всего связано с наложением зон питания, т.е. с появлением

объединённых зон питания протоюпитера и протосатурна, а

затем и других будущих планет- гигантов. По мере роста массы

протоюпитера тела из его зоны питания начали долетать до

протосатурна, а затем, примерно через 150 миллионов лет

после начала формирования планет, и в самые отдалённые

области планетной системы, а также до орбиты уже

сформировавшегося Марса. На определённой стадии своего

роста будущие планеты-гиганты, особенно Юпитер, не только

«простреливали» телами из своих зон питания Солнечную

систему, но и сообщали телам скорости, близкие к

параболическим, и выбрасывали их за пределы планетной

системы.

При рассмотрении роста сверхзародышей планет-гигантов

надо учитывать процесс захвата ими газа, образующего вторую

составляющую допланетного облака, собравшегося за

пределами орбит планет земной группы. Газ в зонах питания

Юпитера и Сатурна вначале тормозил движение тел, уменьшая

их относительные скорости, и тем самым задерживал скорость

роста зародышей. Но когда зародыши выросли настолько, что

могли увеличивать свою массу за счёт захвата (аккреции) газа,

преимущественно водорода, их рост ускорился. Некоторая часть

газа покинула пределы Солнечной системы.

Направление движения планет вокруг Солнца и различные

наклоны осей планет к плоскости эклиптики объясняются

следствием роста протопланетных тел. Тела и частицы, падая

173

на формирующуюся планету, передавали ей мо мент количества

движения. Следовательно, направление движения планеты

вокруг Солнца есть результирующий момент количества

движения множества падений. Преобладающее в Солнечной

системе прямое движение планет отражает характер общего

вращения тел и частиц вокруг Солнца ещё до возникновения

планет. В статистическом процессе усреднения моментов

количества движения отдельных тел и частиц могли появиться и

аномалии, результатом которых стало обратное движение

Венеры. Различные наклоны осей планет в настоящее время

объясняют падением крупных тел на зародыши. По

наблюдаемым наклонам осей планет удалось оценить массы

тел, падавших на зародыши. Так, например, массы тел,

участвовавших в формировании Земли, примерно в тысячу раз

меньше нынешней массы нашей планеты. Массы тел, па давших

на Уран и определивших положение в пространстве оси этой

планеты, были сравнимы с массой Земли.

Конечно, не только механические процессы сопровождали

стадии образования планет. Сложные переплетения различных

физических процессов (тепловые, магнитогидродинамические и

др.) участвовали в образовании и эволюции планетной системы.

Так, например, крупные массы тел, падая на относительно

холодную Землю и глубоко врезаясь в неё, разогревали нашу

планету до температуры 1500 К в области верхней мантии.

Такой разогрев оказался сильнее, чем это могло произойти за

счёт энергии других м еханических (гравитационное сжатие,

приливные воздействия Луны) и немеханических (распад

радиоактивных элементов) процессов. Наша Земля росла не

просто тихо и холодно, сталкиваясь с небольшими метеоритами,

а испытывала мощные удары, разогревалась, частично

плавилась, изменяла свою структуру, с юности формировала

ядро и оболочки. В настоящее время Земля имеет

расплавленное железно-никелевое ядро. Вещества,

содержащие более лёгкие элементы (кремний, магний, кальций

и др.), постепенно поднимались вверх, образуя мантию и кору

Земли. Самые лёгкие элементы вошли в состав океана и

первичной атмосферы Земли. Состав атмосферы постепенно

изменялся: улетучились самые лёгкие водород и гелий, в

результате фотосинтеза появился кислород.

174

Эволюция атмосферы Земли имеет прямое отношение к

тем условиям (температура, наличие воды), которые

существуют на Земле сейчас и необходимы для развития жизни

на нашей планете. На ближайших планетах Солнечной системы

ситуация совершенно другая. На Земле есть вода, в атмосфере

много кислорода, средняя температура +15

С. На Венере и

Марсе сейчас свободной воды нет (на Марсе вода, возможно,

есть в подповерхностном слое вечной мерзлоты), состав

воздуха не пригоден для дыхания земных обитателей. Средняя

температура на Марсе –60

С, на Венере +460

С.

Всегда ли было так? Не исключено, что в прошлом состав

атмосферы на планетах земной группы был иным. В частности,

большое значение могло иметь содержание углекислого газа, от

которого во многом зависит парниковый эффект. Чем больше

диоксида углерода в атмосфере, тем больше может

разогреваться атмосфера и поверхность планеты в результате

парникового эффекта. Углекислый газ, как и пары воды,

пропускает солнечные лучи, но поглощает и переизлучает

тепловое излучение поверхности Земли. Количество

углекислого газа может изменяться за счёт поступления в

атмосферу из карбонатных пор од или вывода из неё. На Земле

даже происходит длительный, порядка 500 тысяч лет,

геохимический цикл, в ходе которого углекислый газ из

атмосферы переходит в твёрдые породы, а потом из них снова в

воздух. Такой цикл «работает» на Земле, а на Венере и на

Марсе он нарушился. В результате этого Марс потерял

возможность возвращать углекислый газ в атмосферу, а Венера

– выводить его из атмосферы.

Планета, на которой мы живем – Земля, из космоса видна

как небольшой голубой шар. Это уникальная планета, хотя бы

потому, что именно на ней возникла, развилась до с овременных

форм жизнь. Поэтому рассмотрим подробнее некоторые

характеристики Земли.

Строение Земли

Современная наука о Земле рассматривает нашу планету

как систему взаимодействующих друг с другом процессов,

охватывающих органическую и неорганическую природу. Одни

175

из этих процессов протекают быстрее, другие медленнее, но

состояние Земли в целом оказывается поразительно

устойчивым. Ученые, изучающие Землю, работают с целой

иерархией пространственных и временных масштабов. Размеры

объектов исследования меняются от глобальных до

микроскопических, объемы – от миллионов кубических

километров до мельчайших межатомных пространств. Даже при

решении одной конкретной задачи нередко приходится иметь

дело с широчайшим диапазоном линейных масштабов.

Например, землетрясение, вызванное смещением пород по

разрыву на несколько сантиметров, возбуждает сейсмические

волны, распространяющиеся в Земле на тыс ячи километров.

Протяженность геологических событий во времени

изменяется от кратковременных явлений типа землетрясения,

извержения вулкана или падения метеорита до процессов

длительностью в тысяч и (изменение полярности магнитного

поля Земли, прецессия земной оси), миллионы (дрейф

континентов) и даже миллиарды лет (формирование

современной кислородной атмосферы).

К концу XX в. установился взгляд на Землю как на

своеобразную самоорганизующуюся систему, подобную живому

организму. Крупные составные части Земли, такие как

атмосфера, океаны, кора, мантия и ядро, рассматриваются как

сложная взаимодействующая система с циклической передачей

вещества и энергии от одной части к другой. С этой точки зрения

весь геологический этап истории Земли представляется не

беспорядочным нагромождением фактов и событий, а

отражением крупномасштабных циклов гигантской «машины».

Сравнение с машиной отражает одну из важнейших

особенностей Земли: несмотря на все изменения на

поверхности, наблюдаемые в самых разных масштабах

пространства и времени, земные процессы в целом остаются

удивительно постоянными.

Если «машина» работает уже миллиарды лет, то как она

была устроена с самого начала? Через какой последовательный

ряд устойчивых состояний она прошла, прежде чем приобрела

свой сов ременный вид?

Согласно современным представлениям о происхождении

Солнечной системы, Земля оформилась до своих теперешних

размеров около 4,5 млдр лет тому назад в результате двух

176

процессов: конденсации первичного протосолнечного

газопылевого облака; аккумуляции и слияния планетезималей.

Ранний геологический этап истории Земли проходил в условиях

непрерывной аккреции (выпадания вещества извне) и быстрого

роста температуры. Разогрев Земли был вызван

одновременным воздействием трех факторов: распадом

радиоактивных элементов, столкновениями с падающим

материалом, контракцией (сжатием) тела молодой планеты.

Рост температуры привел к плавлению и дифференциации

вещества Земли с расслоением ее на яд ро, мантию и кору.

Задача воссоздания истории Земли в ее ранние дни очень

сложна, так как ни гор, ни осадков того времени не сохранилось.

Отрывочние данные имеются лишь начиная с 4 млрд лет

(возраст древнейших пород, обнаруженных на северо-западе

Канады). Некоторые пробелы позволяют заполнить

исследования Луны, где из-за отсутствие атмосферы и воды

сохранились древнейшие породы, а также изучение планет,

астероидов и метеоритов. Все эти данные в совокупности

отчетливо свидетельствуют о том, что главные циклы,

производимые геологической машиной, были близки к

сегодняшним.

Как проявляются циклические процессы Земли? Через

какое время повторяются циклы? В чем причина и движущая

сила этих процессов?

Общий геологический цикл, который прох одят горные

породы, впервые был установлен Геттоном в конце XVIII в.

Согласно Геттону, горные породы подвергаются выветриванию,

что приводит к образованию осадка, который потом

захороняется. При погружении на глубину осадочные породы

испытывают метаморфизм и (или) плавление. Позже они

деформируются и перемещаются вверх вместе с растущими

горными цепями. однако лишь для того, чтобы снова

подвергнуться выветриванию и совершить новый цикл. в

геологическом цикле участвует вся земная кора, в него

вовлечено также и вещество более глубоких слоев – мантии- до

глубин в сотни километров. Несмотря на многочисленные споры

относительно механизма, приводящего в действие цикл Геттона,

его суть остается незыблемой. Современная теория тектоники

плит фактически является дальнейшей разработкой этих идей.

177

Другим примером глобального цикла является

гидрологический цикл – круговорот воды в природе. В

гидрологическом цикле перенос вещества также

осуществляется между разными частями и разными оболочками

земного шара. Из одного огромного резервуара – атмосферы –

вода выпадает на сушу и в море. Часть атмосферных осадков

временно задерживается в виде грунтовых вод и в озерах.

Остальная масса различными путями сбрасывается в другой

гигантский резервуар - Мировой океан. Испаряясь с поверхности

суши и моря, вода попадает обратно в атмосферу и тем

завершает один оборот своего вечного цикла. Глобальный

среднегодовой баланс воды весьма постоянен: всегда примерно

одно и то же количество воды содержится в атмосфере,

Мировом океане, полярных ледниковых покровах и на

континентах. Однако в геологической истории Земли были

периоды, когда баланс в глобальной системе несколько

смещался. Одно из таких изменений связано с ледниковыми

периодами, когда значительная часть воды из океана

переходила в ледниковые покровы. Это приводило к

перестройке общего баланса, в результате чего происходило

резкое изменение климата, понижение уровня моря и осушение

больших площадей континентального шельфа.

Еще один пример крупномасштабного переноса

химических элементов от одной части Земли к другой дает так

называемый карбоновый цикл – круговорот углекислого газа

(двуокиси углерода) в атмосфере, океане и земной коре. Из

атмосферы двуокись углерода поглощается растениями в

процессе фотосинтеза. В результате создаются земные запасы

углерода органического происхождения. Уг лерод удерживается

в отмершем веществе растений и животных. Вновь образуемое

богатое углеродом вещество захороняется в виде осадков,

входя в состав земной коры. В это же время в другом месте идет

процесс размывания известняков и органического вещества. В

результате окисления образуется углекислый газ, который снова

возвращается в атмосферу, замыкая грандиозный цикл.

Изучать Землю не только невероятно интересно, но и

важно, например, из экологических и экономических

соображений, например, для извлечения из нее нефти, газа и

других полезных ископаемых, образовавшихся в далеком

прошлом в определенные геологические эпохи в определенных

178

местах; для расчета оставшихся ресурсов планеты и т.д.

Естествоиспытатели стремятся понять, что, как и когда на Земле

происходило, и на этой основе построить модели глобальных

процессов. О ледниковых периодах, например, хочется знать и

потому, что это позволит предсказать характер следующего

оледенения, но и взглянуть, хотя бы краешком глаза, на условия

жизни древнего человека. Моделирование глобальных

катастроф не только позволяет воссоздать картину гибели

динозавров 65 млн лет назад в результате падения крупного

космического тела, но и рисует инфернальные последствия

мировой ядерной войны.

Форма, размеры оболочки Земли

Александрийский ученый Эратосфен впервые определил

радиус Земли.

По мере развития знаний о природе Земли продолжали

совершенствоваться и знания о ее форме. После работ И.

Ньютона появилось предположение, что ввиду осевого

вращения земной шар должен быть сжат у по люсов. В XVIII в.

удалось доказать, что Земля имеет форму сфероида или

эллипсоида, сплюснутого вдоль оси вращения. Сжатие Земли

невелико. Разница между полярным и экваториальным

радиусами составляет 21,4 км. В XIX в. было установлено, что

форма Земли еще сложнее. Неоднородный состав недр

является одной из причин отклонения от правильной формы

сфероида. Геометрическая фигура Земли получила название

геоида («землеподобный»).

Геоид – это фигура, поверхность которой всюду

перпендикулярна направлению силы тяжест и.

Превышения и понижения геоида над сфероидом

колеблются в пределах 50-100 м. Поверхность океана совпадает

с поверхностью геоида. На суше реальная физическая

поверхность Земли может отступать о поверхности геоида на

несколько километров.

На практике при проведении геодезических и

картографических работ используют модель эллипсоида,

получившего имя Ф. Н. Красовского, под руководством которого

проведены все расчеты. Эллипсоид Красовского имеет

следующие характеристики:

179

экваториальный радиус – 6378, 2 км

полярный радиус - 6356, 8 км

длина меридиана - 40008,5 км

длина экватора - 40075,7 км

площадь поверхности - 510 млн км

объем Земли - 1,083 млрд км

масса Земли - 5,98

кг.

Научным доказательством шарообразности Земли

считаются: фотографии и измерения из Космоса, градусные

измерения на поверхности Земли; лунные затмения.

Размеры и масса Земли определяют силу земного

притяжения, которой достаточно для удержания атмосферы и

гидросферы. Расстояние от Солнца определяет энергетический

поток, приходящ ий на Землю и позволяющий основной массе

воды находиться в жидком состоянии. Эти характеристики

являются основополагающими при обсуждении проблем

проявления жизни на нашей планете.

Земля движется вокруг Солнц а со скоростью 30 км/сек.

При этом она вращается вокруг оси. Скорость движения точки

на поверхности зависит от широты и в средних широтах она

составляет около 250 м/сек. Ось вращения Земли не является

неподвижной, она описывает в пространстве конус. Ось конуса

перпендикулярна к плоскости эклиптики. Это движение

называется прецессией. Из-за прецессии земная ось имеет

различное направление. Сейчас она направлена на Полярн ую

звезду, а через 12000 лет вблизи полюса бут находиться Вега.

Период прецессии 24000-26000 лет. ежегодно направление

земной оси отклоняется на 50 угловых секунд. Во время

прецессии земная ось «кивает» с амплитудой около 9 угловых

секунд (нутация оси). Период нутации 19 лет.

Земля имеет оболочечное строение. Корни представлений

об оболочечном строении Земли уходят в глубокую древность. В

мифах и сказаниях Индии, Китая, Вавилона, Египта мотивы

разделения Земли на отдельные сферы звучат достаточно

отчетливо. Элементы-стихии (земля, вода, воздух, огонь)

античных философов характеризуются сложными

пространственными отношениями. Религиозные мыслители

конструировали иерархические сферы земного и небесно го

бытия. Великие географические открытия XV-XVI вв.

окончательно убедили людей в сферичности Земли. Как

180

эмпирическое обобщение сложилось представление о трех

оболочках Земли: каменной, водной, воздушной. После

основополагающих работ австралийского геолога Э. Зюсса и

русского натуралиста В.И. Вернадского в естествознании

утвердилось представление о еще одной, особой, оболочке

Земли – биосфере, охватывающей область распространения

живых организмов.

Геосферой называется оболочка Земли, приблизите льно

симметричная относительно ее центра и состоящая в основном

из вещества, находящегося в одном из физических состояний.

Главными вещественными оболочками Земли являются:

экзосфера, ионосфера, мезосфера, стратосфера, тропосфера,

гидросфера, земная кора, мантия, ядро. По какомму-либо

особому свойству вещества выделяют функциональные

геосферы: по встречаемости осадочных пород – стратисферу;

по с оотношению температуры и давления, обусловливающему

расплавленное состояние горных пород – астеносферу; по

распространению живого - биосферу и т.д.

По комплексу признаков выделяют ландшафтную сферу,

охватывающую тропосферу, гидросферу, часть земной коры

(литосферу). Предложено достаточно много терминов, почти

синонимов этого понятия: физико-географическая сфера,

географическая сфера, эпигенема, фитогеосфера, биогеосфера,

эпигеосфера, симмисфера. В рамках знаний о ландшафтной

сфере разрабатываются представления о антропосфере,

психосфере, социосфере, техносфере, ноосфере.

По проявлению физических полей Земли выделяют

геогравиосферу, геоэлектромагнитосферу, сейсмосферу.

Геосферы связаны и взаимно проникают в друг друга через

отдельные компоненты. Так, связь литосферы и атмосферы

осуществляется через пыль; атмосферы и гидросферы – через

растворенный в воде воздух и парообразное состояние воды.

Внутреннее с троение Земли

Главные сведения о внутреннем строении Земли

получены двумя способами: прямым б урением скважин и

анализом физических полей Земли.

181

Прямое бурение дает сведения о строении Земли до

глубин 3-5 км. Сверхглубокие скважины позволяют заглянуть за

десятикилометровый рубеж.

Самая большая м асса сведений получена путем анализа

физических полей, ос новным из которых является поле упругих

сейсмических волн, возникающее в очаге землетрясений.

Землетрясения проявляются в виде подземных толчков и

играют заметную роль в жизни Земли. Ежегодно регистрируются

свыше одного миллиона подземных толчков, но лишь немногие

из них оказываются разрушительными и катастрофическими.

Земля охвачена землетрясениями неравномерно. Обычно они

концентрируются вблизи узких, активных зон земной коры,

которые называются сейсмическими. Больше всего

землетрясений (до 80%) регистрируются по периферии Тихого

океана, в так называемом тихоокеанском сейсмическом поясе.

Вторым по активности является средиземноморско-

индонезийский сейсмический пояс, протянувшийся от

Гибралтара через Средиземное море, Ближний Восток и

Гималаи к островам Индонезии, где он и стыкуется с

тихоокеанским.

Сейсмические волны в считанные минуты пронизывают

всю планету. По характеру их распространения можно судить о

состоянии вещества внутри Земли. К настоящему времени

накопленные сведения позво ляют выделить три основные

внутренние структуры: ядро, мантию, земную кору.

Границы между этими структурами носят имена

исследователей, открывших их. Граница Мохоровичича (по

имени хорватского геофизика) отделяет земную кору от мантии

и расположена на глубинах 30-70 км на континентах и 5-10 км

под дном океана. Граница Вихерта-Гутенберга (по именам

американских исследователей) разделяет мантию и ядро и

находится на глубине 2900 км. Кроме этих основных

поверхностей раздела выделяют еще несколько

второстепенных, что свидетельствует о сложном слоистом

строении Земли.

Ядро Земли занимает примерно 17% объема земного

шара. На его долю приходится около 34% массы Земли. В

структуре ядра выделяют три основных слоя: внутреннее ядро

(субъядро) занимает объем глубже 5120 км; переходная область

в интервале глубин 4980-5120 км; внешнее ядро о границы