Орленок В.В. История океанизации Земли

Подождите немного. Документ загружается.

лет биосфера развивалась преимущественно под защитой воды и льда,

то в докарбоновое или более раннее время условия обитания на Вене-

ре были лучше земных. Она располагается ближе к Солнцу и получала

больше тепла, когда Светило пребывало в стадии оранжевого спек-

трального класса с температурой поверхности около 3000°С.

Следовательно, на Венере было достаточно времени для полной

эволюции ее протовещества и развития органической жизни. 320 млн.

лет назад на Земле возникли гигантские тропические леса, давшие

позднее пищу огромным травоядным ящерам. Аналогичные условия

вполне могли сложиться и на Венере, и к началу карбонового периода

здесь могла существовать флора и фауна, подобная земной. В конце

карбона многочисленные морские бассейны покрывали венерианскую

поверхность

Трагическая судьба планеты началась, когда Светило из стадии

оранжевого спектрального класса стало превращаться в желтую звезду

с температурой поверхности 6000°С Горячие солнечные лучи быстро

высушили венерианские моря и испепелили все живое. Вода перешла

в газообразное состояние и вместе с углекислотой и азотом окутала

планету непроницаемым мощным слоем. Возник парниковый эффект,

который повысил температуру и без того раскаленной поверхности

планеты. По данным советских космических аппаратов типа «Венера»,

которые опустились на поверхность планеты, измеренная температура

оказалась действительно испепеляющей +475°С.

Будущие космические исследования этой планеты должны быть

направлены на поиски гранитно-метаморфической коры, которая

должна содержать остатки органической жизни, если таковая действи-

тельно была. Обнаружение таких пород позволит решить фундамен-

тальную проблему действительного изменения солнечной постоянной

в последние сотни миллионов лет. Появится также возможность на

примере Солнца определить характерное время жизни различных

классов звезд и тем самым существенно скорректировать наши пред-

ставления о Вселенной.

По сравнению с Землей Марс имеет массу почти в 10 раз меньшую.

Тем не менее достаточную для возникновения в его недрах длитель-

ной активности и дифференциации протовещества. Однако вследствие

относительно малой массы эта активность угасла примерно 1,5 млрд

лет назад.

Марс за время своей активности произвел примерно 0,075 Миро-

вого океана свободной воды Однако космические исследования пока-

зывают, что жидкой воды на его поверхности в настоящее время нет.

Вода на Марсе находится в небольших количествах в виде снега на

полярных шапках и в виде пара в очень разреженной атмосфере Марс

в полтора раза дальше отстоит от Солнца и получает значительно

меньше тепла, чем Земля Температура на большей части его дневной

поверхности не превышает -5 - +15°С Лишь на экваторе полуденная

температура достигает +10°С. На полюсах она падает до

-120°С. Таким образом, лишь в узкой приэкваториальной полосе на

несколько часов в день появляются условия для существования жид-

кой воды на марсианской поверхности На большей части остальной

поверхности планеты таких условий нет. Там царит вечный холод Из-

за большой разреженности марсианской атмосферы жидкая вода не

может долго существовать Она быстро выкипает, превращаясь в пар

Ввиду малой массы Марс не может также долго удерживать мощную

атмосферу. Все это позволяет заключить, что и на Марсе отсутствуют

благоприятные условия для формирования и длительного удержания

жидкой воды на поверхности Следовательно, нет здесь необходимых

условий и для развития сколько-нибудь существенной биосферы, ко-

торая смогла бы повлиять на газообразный состав атмосферы Про-

стейшие формы органической жизни здесь следует искать в зоне дли-

тельного существования свободной воды, т е в приэкваториальной

области планеты и в подповерхностных резервуарах

Что же касается других более отдаленных планет Юпитера, Сатур-

на, Урана и Нептуна и их спутников, то из-за очень малого количества

солнечного тепла, получаемого их поверхностью, возможность фор-

мирования на них мощной гидросферы (кроме ледяных покровов)

практически исключена. Следовательно, нет там и развитых форм

жизни

6.7. Роль Луны в жизни Земли

Порой сами того не сознавая, люди чувствуют себя менее зате-

рянными в бездне мироздания, когда в вечереющем небе над ними

поднимается желтый диск, или бледный месяц Луны Вечная спутница

Земли - Луна - с дистанции 380 тыс км видела все, что происходило

на земной поверхности Только она одна могла бы во всех подробно-

стях рассказать нам доподлинную историю Земли Она же увидит и ее

финал

1S2

Только у двух из девяти планет Солнечной системы нет спутников

- у Венеры и Меркурия Вокруг остальных семи планет обращается 57

спутников. Кое-кто может подумать, что в этом отношении другим

планетам больше повезло Например, вокруг Юпитера - самой гигант-

ской из всех планет - обращается 16 спутников Вокруг Сатурна, зна-

менитого своими кольцами, - 17 Даже далекий Уран, едва различи-

мый в телескоп, имеет 15 спутников - лун Несмотря на то, что неко-

торые из этих спутников имеют размеры, сравнимые с Землей

(например, Ганимед и Каллисто у Юпитера, Титан у Сатурна и Тритон

у Нептуна), - все они просто карлики в сравнении с размерами мате-

ринской планеты, вокруг которой обращаются. Их масса обычно

меньше 0,001 массы планеты

Земля же лишь в 81 раз массивнее Луны. Поэтому этот косми-

ческий ансамбль можно рассматривать как двойную планету.

Если бы Луна имела близкую к земной массу и отстояла несколько

дальше от Земли, то человечество получило бы блестящую возмож-

ность реального общения с инопланетянами, а ученые - вести сравни-

тельные исследования двух миров Впрочем, наше неумение жить

мирно на одной планете ставит под сомнение целесообразность такого

пожелания

Роль Луны в развитии культуры человеческой цивилизации обще-

известна, особенно в поэзии Но как сейчас будет показано, если бы ее

не было, или вокруг Земли обращалось не одна, а несколько лун, то

поэзия могла и не возникнуть, ибо эволюция нашей планеты закончи-

лась бы на стадии силурийских илоедов

Луна постоянно обращена к Земле одной стороной и делает вокруг

планеты полный оборот за 27 суток. Великий английский ученый Иса-

ак Ньютон, анализируя законы движения планетных тел, установил

закон всемирного тяготения, хорошо известный читателю из школь-

ного курса физики По этому закону все тела во Вселенной притяги-

ваются друг к другу с силой пропорциональной произведению их масс

и обратно пропорционально расстоянию между ними Под действием

сил притяжения со стороны Луны на земной поверхности, обращен-

ной к Спутнику, возникает приливный горб (рис. 25) Точно такой же

горб образуется и на противоположной стороне Земли В вертикаль-

ной плоскости к линии притяжения центров масс возникает отлив

Размах амплитуды лунных приливов равен 53,5 см, солнечных - 24,6

см; суммарное влияние составляет 78 см Однако эти значения теоре-

тической высоты прилива верны для жидкой модели Земли В абсо-

лютно твердой Земле никаких приливных деформаций поверхности не

происходило бы По данным наблюдений, реальная высота прилива

составляет 65%, или около 51 см, от теоретического. Таким образом,

земной шар реагирует на приливное взаимодействие как упруго-вязкое

тело, отличное от жидкой и абсолютно твердой модели.

В весовом (массовом) отношении в результате лунно-солнечного

притяжения вес массы в 1 т (IO

г) изменяется всего на 0,2 г На пер-

вый взгляд это ничтожная величина. Но если сравнить ее с массой

всей Земли или ее оболочек, в том числе водной, то получаются вну-

шительные цифры изменение массы Земли составит 12-Ю

" г, земной

коры - IO

lli

Г, воды - 2-IO

г. Если же учесть, что эти гигантские массы

смещаются в теле Земли дважды в сутки и регулярно на протяжении

многих сотен миллионов и миллиардов лет, то становится более по-

нятной роль гравитационного взаимодействия Земли, Луны и Солнца

в эволюции протопланетного вещества, в их недрах.

Например, давно замечена тесная связь между периодичностью

максимальных приливных взаимодействий и проявлением сильных

землетрясений и вулканизма Сильные возмущения происходят не

только в водной оболочке и земной поверхности. Периодические вза-

имные смещения испытывают массы вещества внутри Земли, особен-

но в высокотемпературных расплавленных зонах внешнего ядра и ас-

теносфере

Рис 25. Система Земля - Луна

IfU

Постоянное перемешивание вещества и появляющаяся при этом

добавочная теплота от взаимного трения частиц должны были способ-

ствовать ускорению термохимических реакций и общей дифференциа-

ции вещества.

Возникавшие при этом уменьшения давлений или повышения тем-

пературы способны были в условиях внешнего ядра ускорить химиче-

ское разложение гидридов металлов протовещества.

Таким образом, Луна явилась своего рода катализатором и регуля-

тором внутренней активности Земли. Не будь ее, эволюция протове-

щества в земных условиях, несомненно, сильно замедлилась бы. С

другой стороны, при наличии у Земли нескольких спутников химиче-

ское разложение протовещества происходило бы более интенсивно, и

активность Земли угасла бы быстрее. По этой причине можно предпо-

лагать, что на Венере, не имеющей спутника, внутренняя активность

шла бы менее интенсивно, если ей его не заменяло более сильное сол-

нечное гравитационное взаимодействие. Следовательно, эволюция

обеих планет шла примерно одинаковыми темпами

Приливное взаимодействие Земли и Луны постепенно уменьшает

скорость вращения обеих планет В результате Луна уже прекратила

свое вращение и постоянно обращена к Земле одной стороной. С мо-

мента своего образования значительно уменьшилась скорость враще-

ния и Земли. Это находит подтверждение в непосредственных астро-

номических измерениях, а также при изучении древних вавилонских,

египетских и шумерских записей о наблюдениях солнечного затмения,

выполненных более 2000 лет назад.

Дополнительную информацию по этому вопросу дают исследова-

ния ископаемых кораллов различного возраста В течение светового

дня у коралла наращивается один поясок По количеству поясков уда-

ется установить продолжительность года в различные геологические

эпохи. У более древних кораллов количество поясков оказывается за-

метно больше, чем у молодых и тем более современных. В результате

было установлено, что по сравнению с силуром (440 млн. лет назад)

скорость вращения Земли уменьшилась на 2,47 часа На столько же

увеличилась продолжительность суток Все три рассмотренные и неза-

висимые источника дают один внутренне согласованный результат -

уменьшение скорости вращения Земли происходит в среднем на две

секунды в каждые 100000 лет Вследствие уменьшения скорости вра-

щения Земли происходит обмен моментами количества движения с

Луной. В результате скорость вращения Луны вокруг своей оси

3ак. 13184

1S5

уменьшалась быстрее, чем Земли, и одновременно возрастало рас-

стояние между ними Средняя скорость удаления спутника, по расче-

там П. Мельхиора, составляет 3,6 см в год. Если это удаление шло так

же равномерно, как и замедление вращения, что, очевидно, взаимосвя-

зано, то при скорости 3,6 см в год за 4,5 млрд. лет Луна удалилась от

Земли на расстояние 162 тыс. км. Следовательно, в эпоху сразу после

образования планет она находилась на расстоянии в 2,4 раза ближе

современного Столь близкое расположение Луны должно было бы

вызвать на Земле катастрофические приливные деформации коры и

глубинного вещества Это событие должно было бы отразиться в до-

кембрийской геологии в виде колоссального по объему вулканизма и

других явлений Одновременно аналогичные события должны были

произойти и на Луне Однако ничего подобного в действительности не

запечатлено в истории обеих планет Есть основания предположить,

что современная скорость приливного торможения не всегда была та-

ковой, а приобретена Землей лишь сравнительно недавно

С другой стороны, наблюдаемое приливное торможение вызвано

главным образом океанскими приливными волнами Не будь их, ско-

рость торможения была бы значительно меньше Но, как мы знаем,

океаны современных размеров и глубины появились лишь в конце па-

леогена, т.е. 30 - 50 млн. лет назад В докайнозойское время обширных

и глубоководных бассейнов еще не было, а в небольших мелководных

морях приливы ничтожно малы Следовательно, современную ско-

рость удаления Луны, вызванную приливным торможением Мирового

океана, мы должны распространять не на всю историю Земли, а лишь

на период активной океанизации, т е 30 - 50 млн. лет. С учетом ска-

занного, найдем расстояние, на которое удалилась Луна за последние

50 млн. лет: 3,6 см/год х 50- IO

лет = 180-IO

см, т.е. удаление состави-

ло 1800 км

В докайнозойскую эпоху, вследствие слабого приливного тормо-

жения, скорость удаления была, по меньшей мере, на порядок ниже

современной: 0,36 см/год х 4,5-IO

лет = 1,62-IO

см, т.е. удаление со-

ставило 16200 км. Следовательно, Луна и Земля в момент своего обра-

зования находились всего на 17-20 тыс км ближе, чем сейчас, что не

могло существенно повлиять на величину тогдашних приливов

Таким образом, наибольшее приливное торможение Земля испыта-

ла в конце первой крупной фазы океанизации, т.е. в конце палеогена

До этого она вращалась с большей скоростью и должна была иметь

большее полюсное сжатие и большее вздутие по экватору Из наблю-

186

дений эволюции искусственных спутников Земли такое вздутие эква-

тора действительно установлено. Оно равно 70 м Было также доказа-

но, что оно не соответствует современной скорости вращения. Следо-

вательно, возраст установленного экваториального вздутия составляет

25 - 50 млн лет. Оно приобретено планетой в докайнозойскую эпоху

при большей, чем теперь, скорости вращения

Все имеющиеся данные указывают, что первоначальная скорость

вращения Земли и Луны была значительно больше современной, а их

гравитационное взаимодействие сильнее, вследствие более близкого

расположения их на орбите В этих условиях становятся понятными

причины быстрого разогрева планеты, образования термореакционных

зон внутри Земли и более раннее завершение активности Луны При-

ливные перемещения частиц протовещества способствовали быстрому

выделению огромных количеств тепла и разогреву недр планет В ус-

ловиях Луны, вследствие большей массы Земли, приливный эффект

был значительно больше, что ускорило процессы ее эволюции

Земля еще 300 - 350 млн. лет будет иметь водную оболочку. Сле-

довательно, при сохранении современной скорости замедления, рав-

ной 20 с за 1 млрд лет, к концу своей активной жизни скорость ее

вращения уменьшится еще на 2 часа. Продолжительность суток увели-

чится до 26 часов В конце концов наступит момент, когда Земля так-

же полностью прекратит свое вращение и будет постоянно обращена к

Луне одной стороной Но поскольку земное магнитное поле создается

в результате быстрого вращения планеты, то оно исчезнет, так же, как

исчезло у Луны, Меркурия и Венеры, давно остановивших свое вра-

щение под действием силы тяготения Земли и Солнца

Итак, роль Луны в жизни Земли оказывается значительна Это по-

зволяет по-новому взглянуть на роль спутников в процессе эволюции

других планет.

6.8. Почему Земля не стала звездой?

Установив, что океанизация - это финальный этап эволюции Земли

и объяснив природу этого явления, мы ввели в научный оборот новое

фундаментальное свойство, неизвестное ранее для планет Суть его

заключается в том, что в истории развития планет неизбежно наступа-

ет период усиленной (спонтанной) дегидратации протовещества недр

Начало и продолжительность ее всецело определяется общей массой

планетного вещества

187

Чем больше масса - тем раньше начинается дегидратация, дли-

тельней и интенсивней ее финальный всплеск. Так, в условиях Земли

начало дегидратации и выноса на поверхность свободной воды вос-

ходит к 3,9 млрд. лет назад. Океанизация же наступила лишь в послед-

ние 50 - 60 млн лет жизни планеты, и продолжительность ее для Зем-

ли составляет всего 120 - 140 млн. лет, т.е. немногим более 2% от все-

го периода ее геологической активности.

На планетах с массой меньше земной на порядок и более про-

должительность и интенсивность океанизации будут много меньше.

Например, на Меркурии (М = 3,3-IO

г), Луне (М = 7,3-IO

г) и

Марсе (М = 6,4-10

'' г) дегидратация, начавшись одновременно с на-

чалом геологической активности, закончилась много раньше полной

выработки протовещества в центральной активной зоне планет и, ко-

нечно, не имела таких масштабов, как на Земле Исключение, воз-

можно, представляет Венера, имеющая массу, сравнимую с земной

(М = 4,8-IO

г, против 5,97-IO

г у Земли). Примерно 300 - 400 млн

лет назад на ней вполне могли существовать морские и океанические

бассейны, которые постепенно испарились после перехода Светила в

стадию горячей звезды желтого спектрального класса. Что же касается

комет и астероидов, имеющих ничтожную в сравнении с планетой

массу (от 1,4-IO

г до нескольких килограмм и даже грамм), то из-за

отсутствия соответствующих термодинамических условий внутри этих

тел ни о какой внутренней активности здесь не может быть и речи

Для того чтобы понять причины различной внутренней активности

космических объектов больших и малых масс, обратимся к данным

физики высоких давлений и температур

При нормальном давлении и температуре вещество характеризует-

ся большим разнообразием химических и физических свойств, так как

атомы и молекулы пребывают в равновесном состоянии и отличаются

множественностью комбинаций их взаимного расположения При по-

вышении температуры происходит освобождение энергии атомов и

молекул. При повышении давления происходит деформация решетки

атомов и молекул и ускорение обмена электронами верхних оболочек

атомов По мере роста температуры и давления уменьшается физиче-

ское и химическое разнообразие вещества Так, при температуре не-

сколько тысяч Кельвина происходит диссоциация молекул - разрыв ее

на атомы Уже при T= IO

К происходит ионизация составляющих газ

атомов, возникает плазма, состоящая только из ионов и электронов,

химический потенциал которой становится практически нулевым

188

Именно такие температуры развиваются в недрах крупных планет. При

дальнейшем росте температуры до IO

К происходит полная иониза-

ция плазмы и вещество состоит из голых ядер и свободных электро-

нов Это пороговая температура начала ядерных превращений Такие

температуры развиваются в недрах небольших звезд типа нашего

Солнца.

Как следует из уравнения Менделеева-Клайперона, которое в пер-

вом приближении отражает изменение термодинамической обстанов-

ки в планетах и звездах:

где R - газовая постоянная; M - молярная масса; р - плотность вещест-

ва, P - давление; T - температура, с ростом давления происходит уве-

личение температуры в недрах космического объекта При сжатии ве-

щества до значений IO'' - IO

атм, какие реализуются в недрах больших

планет (Земли и Юпитера соответственно), электронные оболочки

атомов деформируются и электроны все меньше становятся связанны-

ми с определенным атомом. Происходит частичная металлизация ве-

щества Наружные электроны оболочки атомов вещества при давлени-

ях 10 атм отрываются, а внутренние уплотняются, что приводит к

сглаживанию химических свойств вещества. Следовательно, при вы-

соких давлениях и температуре химический потенциал протовещества

планет уменьшается Это накладывает серьезные ограничения на воз-

можность термохимической дифференциации в широком объеме в не-

драх планет Химическая активность вещества становится возможной

лишь в зонах, где давление становится меньше 10

атм, а температура

К В условиях Земли это могут быть верхние зоны внешнего жид-

кого ядра, а не вся его область, как предполагалось ранее

При дальнейшем повышении давления до IO

атм (10

Па) веще-

ство приводится в состояние, когда термодинамически выгодными

оказываются ядерные реакции захвата электронов ядрами с одновре-

менным испусканием нейтрино Такие условия сжатия реализуются на

Солнце

Таким образом, термодинамический режим в недрах планет и звезд

обусловлен давлением и температурой, которые в свою очередь пол-

ностью определяются величиной первоначальной массы астрономи-

ческого тела.

Окружающий нас мир - это прежде всего иерархия масс вещества

от элементарных частиц до макрообъектов с гигантскими астрономи-

189

ческими массами. Существование иерархии масс обусловлено наличи-

ем определенной связи между элементами вещества, не дающей им

распасться Для того чтобы разрушить эту связь, надо преодолеть

энергию взаимодействия между элементами массы, будь то ядро или

атом, планета или звезда.

Известно четыре вида фундаментальных взаимодействий - сильное,

электромагнитное, слабое и гравитационное. Последнее является наи-

более универсальным, т.е. существует как в макро-, так и в микро-

телах Для тел же огромных астрономических масс гравитационное

взаимодействие приобретает решающее значение Вместе с тем на

уровне ядерных и атомных систем, а также малых масс (метеориты,

кометы, астероиды) этот вид взаимодействий не играет сколько-ни-

будь существенной роли

Следует отметить, что все четыре вида фундаментальных взаимо-

действий реализуются в определенных пространственно-временных

рамках Так, границы сильных и слабых взаимодействий, сущест-

вующих в микромире, не превосходят радиуса IO"

м, а их длитель-

ность - IO"

- IO

с. Радиус действия гравитационных и электромаг-

нитных взаимодействий неограничен Поэтому они проявляют себя в

астрономических масштабах как в пространстве, так и во времени

В своем анализе обстановки на других планетах мы должны исхо-

дить прежде всего из того, что нам известно по Земле Так, пока-

зателем внутренней геологической активности планет является нали-

чие у них атмосферы Но источником ее может быть только вулка-

низм Однако мощный вулканизм не может существовать без развито-

го жидкого ядра и астеносферы Наличие жидкого ядра в свою очередь

продуцирует у вращающейся планеты мощное магнитное поле Отсут-

ствие такового у геологически активной Венеры объясняется отсутст-

вием у нее осевого вращения Планета давно остановила свое враще-

ние, впрочем, как и Меркурий, благодаря сильному приливному тор-

можению со стороны гигантской массы Солнца

С другой стороны, отсутствие у быстро вращающегося Марса маг-

нитного поля свидетельствует об отсутствии у него жидкого ядра Нет

здесь и вулканизма, и атмосферы Геологическая жизнь давно угасла

на этой планете То же самое можно сказать и о недрах Меркурия и

Луны Все это - трупы планет, некогда испытавших краткую геологи-

ческую активность, в финале которой произошла микроокеанизация

Следы присутствия воды хорошо фиксируются на фотоснимках Марса,

предполагаются по характеру выветрелости пород на Венере На Луне

следы водной деятельности замаскированы лавовыми извержениями

190