Форма, размеры и строение земного шара
Земля имеет сложную конфигурацию. Ее форма не соответствует ни одной из правильных геометрических фигур. Говоря о форме земного шара, считают, что фигура Земли ограничивается воображаемой поверхностью, совпадающей с поверхностью воды в Мировом океане, условно продолженной под материками таким образом, чтобы отвесная линия в любой точке земного шара была перпендикуляром к этой поверхности. Такую форму называют геоидом, т.е. формой, свойственной только Земле.
Изучение формы Земли имеет довольно длинную историю. Первые предположения о шарообразной форме Земли принадлежат древнегреческому ученому Пифагору (571-497 гг. до н.э.). Однако научные доказательства шарообразности планеты были приведены Аристотелем (384-322 гг. до н.э.),первым объяснившим природу лунных затмений как тень Земли.
В 18 веке И.Ньютон (1643-1727 гг.) рассчитал, что вращение Земли обуславливает отклонение ее формы от точного шара и придает ей некоторцю сплюстнутость у полюсов. Причиной этого является центробежная сила.
Определение размеров Земли тоже издавна занимало умы человечества. Впервые размеры планеты рассчитал александрийский ученый Эратосфен Киренский (около 276-194 гг. до н.э.): по его данным радиус Земли составляет около 6290 км. В 1024-1039 гг. н.э. Абу Рейхан Бируни вычислил радиус Земли, оказавшийся равным 6340 км.
Впервые точное вычисление формы и размеров геоида было произведено в 1940 году А.А.Изотовым. Рассчитанная им фигура названа в честь известного русского геодезиста Ф.Н.Красовского эллипсоидом Красовского. Эти вычисления показали, что фигура Земли представляет собой трехосный эллипсоид и отличается от эллипсоида вращения.
По данным измерений, Земля - сплюснутый с полюсов шар. Экваториальный радиус (большая полуось эллипслида - а) равен 6378 км 245 м, полярный радиус (малая полуось - б) составляет 6356 км 863 м. Разница между экваториальным и полярным радиусами равна 21 км 382 м. Сжатие Земли (отношение разности между а и б к а) составляет (а-б)/а=1/298,3. В тех случаях, когда не требуется большая точность, средний радиус Земли принимают равным 6371 км.
Современные измерения показывают, что поверхность геоида несколько превышает 510 млн.км, а объем Земли составляет примерно 1,083 млрд. км. Определение других характеристик Земли - массы и плотности - производится на основании фундаментальных законов физики.Так масса Земли равна 5,98*10 т.Значение средней плотности оказалось равным 5,517 г/см.
Общее строение Земли
К настоящему времени по сейсмологическим данным в Земле выделяют около десяти границ раздела, свидетельствующих о концентрическом характере ее внутреннего строения. Основными из этих границ являются: поверхность Мохоровичича на глубинах 30-70 км на континентах и на глубинах 5-10 км под дном океана; поверхность Вихерта - Гутенберга на глубине 2900 км. Эти основные границы делят нашу планету на три концентрические оболочки - геосферы:
Земную кору - внешнюю оболочку Земли, расположенную над поверхностью Мохоровичича;
Мантию Земли - промежуточную оболочку, ограниченную поверностями Мохоровичича и Вихерта - Гутенберга;
Ядро Земли - центральное тело нашей планеты, расположеное глубже поверхности Вихерта - Гутенберга.
Кроме основных границ выделяют ряд второстепенных поверхностей внутри геосфер.
Земная кора. Эта геосфера составляет небольшую долю от общей массы Земли.По мощности и составу выделяют три типа земной коры:
Континентальная кора характеризуется максимальной мощностью, достигающей 70 км. Она состомт из магматических, метаморфических и осадочных горных пород, которые образуют три слоя. Мощность верхнего слоя (осадочные) обычно не превышает 10-15 км. Ниже залегает гранитно-гнейсовый слой мощностью 10-20 км. В нижней части коры залегает бальзатовый слой мощностью до 40 км.
Океаническая кора характеризуется небольшой мощностью - снижающейся до 10-15 км. Она так же состоит из 3 слоев. Верхний, осадочный, не превышает нескольких сот метров. Второй, бальзатовый, общей мощностью 1,5-2 км. Нижний слой океанической коры достигает мощности 3-5 км. В составе данного типа земной коры отсутствует гранитно-гнейсовый слой.
Кора переходных областей обычно характерна для периферии крупных континентов, где развиты окраинные моря, имеются архипелаги островов. Здесь происходит замена континентальной коры на океаническую и, естественно, по строению, мощности и плотности пород кора переходных областей занимает промежуточное место между указаными выше двумя типами кор.
Мантия Земли. Эта геосфера является самым крупным элементом Земли - она занимает 83% ее объема и составляет около 66% ее массы. В составе мантии выделяют ряд границ раздела, основными из которых являются поверхности, залегающие на глубинах 410, 950 и 2700 км. По значениям физических параметров эта геосфера делится на две субоболочки:
Верхняя мантия (от поверхности Мохоровичича до глубины 950 км).
Нижняя мантия (от глубины 950 км до поверхности Вихерта - Гутенберга).
Верхняя мантия в свою очередь подразделяется на слои. Верхний, залегающий от поверхности Мохоровичича до глубины 410 км, называется слоем Гутенберга. Внутри этого слоя выделяют жесткий слой и астеносферу. Земная кора вместе с твердой частью слоя Гутенберга образует единый жесткий слой, лежащий на астеносфере, который называется литосферой.
Ниже слоя Гутенберга залегает слой Голицина. Который иногда называют средней мантией.
Нижняя мантия имеет значительную мощность, почти 2 тыс км, и состоит из двух слоев.
Ядро Земли. Центральная геосфра Земли занимает около17% ее объема и составляет 34% е массы. В разрезе ядра выделяют две границы - на глубинах 4980 и 5120 км. В связи с чем оно подразделяется на три элемента:
Внешнее ядро - от поверхности Вихерта - Гутенберга до 4980 км. Это вещество, находящееся высоких давлений и температур, не является жидкостью в обычном понимании. Но обладает некоторыми ее свойствами.
Переходная оболочка - в интерваде 4980-5120 км.
Субъядро - ниже 5120 км. Возможно, находится в твердом состоянии.
Химический состав Земли схож с составом других планет земной группы <#"justify">·литосфера (кора и самая верхняя часть мантии)
·гидросфера (жидкая оболочка)
·атмосфера (газовая оболочка)
Водой покрыто около 71% поверхности Земли, средняя её глубина примерно 4 км.
Атмосфера Земли: более чем на 3/4 - азот (N2); примерно на 1/5 - кислород (О2). Облака, состоящие из мельчайших капелек воды, закрывают примерно 50% поверхности планеты. Атмосферу нашей планеты, как и её недра, можно разделить на несколько слоёв. ·Самый нижний и плотный слой называется тропосферой. Здесь находятся облака.
·Метеоры зажигаются в мезосфере.
·Полярные сияния и множество орбит искусственных спутников - обитатели термосферы. Там же парят призрачные серебристые облака.
Гипотезы происхождения Земли. Первые космогонитические гипотезы
Научный подход к вопросу о происхождении Земли и Солнечной системы стал возможен после укрепления в науке мысли о материальном единстве во Вселенной. Возникает наука о происхождении и развитии небесных тел - космогония. Первые попытки дать научное обоснование вопросу о происхождении и развитии Солнечной системы были сделаны 200 лет назад. Все гипотезы о происхождении Земли можно разбить на две основные группы: небулярные (лат. «небула» - туман, газ) и катастрофические. В основе первой группы лежит принцип образования планет из газа, из пылевых туманностей. В основе второй группы - различные катастрофические явления (столкновение небесных тел, близкое прохождение друг от друга звезд и т.д.). Одна из первых гипотез была высказана в 1745 году французским естествоиспытателем Ж.Бюффоном. Согласно этой гипотезе, наша планета образовалась в результате остывания одного из сгустков солнечного вещества, выброшенного Солнцем при катастрофическом столкновении его с крупной кометой. Мысль Ж.Бюффона об образовании Земли (и других планет) из плазмы была использована в целой серии более поздних и более совершенных гипотез «горячего» происхождения нашей планеты.
Небулярные теории. Гипотеза Канта и Лапласа
Среди них, безусловно, ведущее место занимает гипотеза, разработанная немецким философом И.Кантом (1755). Независимо от него другой ученый - француский математик и астроном П. Лаплас - пришел к тем же выводам, но разработал гипотезу более глубоко (1797). Обе гипотезы сходны между собой по существу и часто рассматриваются как одна, а авторов ее считают основоположниками научной космогонии. Гипотеза Канта - Лапласа относится к группе небулярных гипотез. Согласно их концепции, на месте Солнечной системы располагалась ранее огромная газо-пылевая туманность (пылевая туманность из твердых частиц, по мнению И. Канта; газовая - по предположению П.Лапласа). Туманность была раскаленной и вращалась. Под действием законов тяготения материя ее постепенно уплотнялась, сплющивалась, образуя в центре ядро. Так образовалось первичное солнце. Дальнейшее охлаждение и уплотнение туманности привелок увеличению угловой скорости вращения, вследствие чего на экваторе произошло отделение наружной части туманности от основной массы в виде колец, вращающихся в экваториальной плоскости: их образовалось несколько. В качестве примера Лаплас приводил кольца Сатурна. Неравномерно охлаждаясь, кольца разрывались, и вследствие притяжения между частицами происходило образование планет, обращающихся вокруг Слнца. Остывающие планеты покрывались твердой коркой, на поверхности которой стали развиваться геологические процессы. И.Кант и П.Лаплас верно подметили основные и характерные черты строения Солнечной системы: ) подавляющая часть массы (99,86%) системы сосредоточена в Солнце; ) планеты обращаются почти по круговым орбитам и почти в одной и той же плоскости; ) все планеты и почти все их спутники вращаются в одну и ту же сторону, все планеты вращаются вокруг своей оси в ту же сторону. Значительной заслугой И.Канта и П. Лапласа явилось создание гипотезы, в основу которой была положена идея развития материи. Оба ученых считали, что туманность обладала вращательным движением, вследствие чего произошло уплотнение частиц и образование планет и Солнца. Они полагали, что движение неотделимо от материи и так же вечно,как и сама материя. Гипотеза Канта-Лапласа существовала в течене почти двух сотен лет. Впоследствии была доказана ее несостоятельность. Так, стало известно, что спутники некоторых планет, например Урана и Юпитера, вращаются в ином направлении, чем сами планеты. По данным современной физики, газ, отделившийся от центрального тела, должен рассеятьсяи не может сформироваться в газовые кольца, а позднее - в планеты. Другими существенными недостатками гипотезы Канта и Лапласа являются следующие: Известно, что момент количества движения во вращающемся теле всегда остается постоянным и распределяется равномерно по всему телу пропорционально массе, расстоянию и угловой скорости соответствующей части тела. Этот закон распространяется и на туманность, из которой сформировались Солнце и планеты. В Солнечной системе количество движения не соответствует закону распределения количества движения в массе, возникшей из одного тела. В планета Солнечной системы сосредоточено 98% момента количества движения системы, а Солнце имеет только 2%, в то время как на долю Солнца приходится 99,86% всей массы Солнечной системы. Если сложить моменты вращения Солнца и других планет, то при расчетах окажется, что первичное Солнце вращалось с той же скоростью, с какой сейчас вращается Юпитер. В связи с этим Солнце должно было обладать тем же сжатием, что и Юпитер. А этого, как показывают расчеты, недостаточно, чтобы вызвать дробление вращающегося Солнца, которое, как считали Кант и Лаплас, распалось вследствие избытка вращения. В настоящее время доказано, что звезда, обладающая избытком вращения, распадается на части, а не образует семейство планет. Примером могут служить спектрально-двойные и кратные системы. Катастрофические теории. Гипотеза Джинса земля космогонический концентрический происхождение После гипотезы Канта-Лапласа в космогонии было создано еще несколько гипотез образования Солнечной системы. Появляются так называемые катострофические, в основе которых лежит элемент случайности, элемент счастливого стечения обстоятельств: В отличии от Канта и Лапласа, которые «позаимствовали» у Ж.Бюффона лишь идею «горячего» возникновения Земли, последователи этого течения развивали еще и саму гипотезу катасттрофизма. Бюффон полагал, Земля и планеты образовались за счет столкновения Солнца с кометой; Чемберлен и Мультон - образование планет связано с приливным воздействием проходящей мимо Солнца другой звезды. В качестве примера гипотезы катострофического направления рассмотрим концепцию английского астронома Джинса (1919г.). В основу его гипотезы положена возможность прохождения вблизи Солнца другой звезды. Под действием ее притяжения из Солнца вырвалась струя газа, которая при дальнейшей эволюции превратилась в планеты Солнечной системы. Газовая струя по своей форме напоминала сигару. В центральной части этого вращающегося вокруг Солнца тела образовались крупные планеты - Юпитер и Сатурн, а в концах «сигары» - планеты земной группы: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Плутон. Джинс полагал, что прохождение звезды мимо Солнца, обусловившее образование планет Солнечной системы, позволяет объяснить несоответствие в распределении массы и момента количества движения в Солнечной системе. Звезда, вырвавшая газовую струю из Солнца, придала вращающейся «сигаре» избыток момента количества движения. Таким образом устранялся один из основных недостатков гипотезы Канта-Лапласа. В 1943 г. русский астроном Н.И.Парийский вычислил, что при большой скорости звезды, проходившей мимо Солнца, газовый протуберанец должен был уйти вместе со звездой. При малой скорости звезды газовая струя должна была упасть на Солнце. Только в случае строго определенной скорости звезды газовый протуберанец мог бы стать спутником Солнца. В этом случае его орбита должна быть в 7 раз меньше орбиты самой близкой к Солнцу планеты - Меркурия. Таким образом, гипотеза Джинса, так же как и гипотеза Канта-Лапласа, не смогла дать верного объяснения непропорциональному распределению момента количества движения в Солнечной системе Кроме того, расчеты показали, что сближение звезд в мировом пространстве практически исключено, и даже если бы это произошло, проходящая звезда не могла бы придать планетам движение по круговым орбитам.
Современные гипотезы
Принципиально новая идея заложена в гипотезах «холодного» происхождения Земли. Наиболее глубоко разработана метеоритная гипотеза, предложенная советским ученым О.Ю.Шмидтом в 1944 году. Из других гипотез «холодного» происхождения следует назвать гипотезы К.Вейцзекера (1944 г.) и Дж.Койпера (1951г.), во многом близкие к теории О.Ю.Шмидта, Ф. Фойл (Англия), А. Камерон (США) и Э. Шацман (Франция). Наиболее популярными являются гипотезы о происхождении Солнечной системы, созданные О.Ю. Шмидтом и В.Г.Фесенковым. Оба ученых при разработке своих гипотез исходили из представлений о единстве материи во Вселенной, о непрерывном движении и эволюции материи, являющихся ее основными свойствами, о разнообразии мира, обусловленного различными формами существования материи. Гипотеза О.Ю. Шмидта
Согласно концепции О.Ю.Шмидта, Солнечная система образовалась из скопления межзвездной материи, захваченной Солнцем в процессе движения в мировом пространстве. Солнце движется вокруг центра Галактики, совершая полный оборот за 180 млн.лет. Среди звезд Галактики имеются большие скопления газово-пылевых туманностей.Исходя из этого, О.Ю.Шмидт полагал, что Солнце при движении вступило в одно из таких облаков и захватило его с собой. Вращение облака в сильном гравитационном поле Солнца привело к сложному перераспределению метеоритных частиц по массе, плотности и размерам, в результате чего часть метеоритов, центробежная сила которых оказалась слабее силы тяготения, была поглощена Солнце. Шмидт полагал, что первоначальное облако межзвездной материи обладало некоторым вращением, в противном случае его частицы выпали бы на Солнце. Облако превращалось в плоский уплотненный вращающийся диск, в котором вследствие увеличения взаимного притяжения частиц происходило сгущение. Образовавшиеся сгущения-тела росли за счет присоединяющихся к ним мелких частиц, как снежный ком. В процессе обращения облака, при сталкивании частиц началось их слипание, образование более крупных по массе агрегатов и присоединение к ним - аккреция более мелких частиц, попадающих в сферу их гравитационного влияния. Таким путем образовались планеты и обращающиеся вокруг них спутники. Планеты стали вращаться по круговым орбитам вследствие усреднения орбит малых частиц. Земля, по мнению О.Ю.Шмидта, также образовалась из роя холодных твердых частиц. Постепенное разогревание недр Земли произошло за счет энергетики радиоактивного распада, что привело к выделению воды и газа, входивших в небольших количествах в состав твердых частиц. В результате возникли океаны и атмосфера, обусловившие появление жизни на Земле. О.Ю.Шмидт, а позднее его ученики дали серьезное физико-математическое обоснование метеоритной модели формирования планет Солнечной системы. Современная метеоритная гипотеза объясняет не только особенности движения планет(форму орбит, разные направления вращения и др.), но и фактически наблюдаемое распределение их по массе и плотности, а также соотношение планетарных моментов количества движения с солнечным. Ученый считал, что имеющиеся несоответствия в распределении моментов количества движения Солнца и планет объясняются разными первоначальными моментами количества движения Солнца и газово-пылевой туманности. Шмидт расчитал и математически обосновал расстояния планет от Солнца и между собойи выяснил причины образования крупных и мелких планет в разных частях Солнечной системы и разницу в их составе. Посредством расчетов обоснованы причины вращательного движения планет в одну сторону. Недостатком гипотезы является рассмотрение вопроса о происхождении планет изолированно от образования Солнца - определяющего члена системы. Концепция не лишена элемента случайности: захвата Солнцем межзвездной материи. Действительно, возможность захвата Солнцем лостаточно крупного метеоритного облака очень мала. Более того, по рассчетам, такой захват возможен только при гравитационном содействии дркгой, близко находящейся звезды. Вероятность сочетания таких условий настолько незначительна, что это делает возможность захвата Солнцем межзвездного вещества событием исключительным.
Гипотеза В.Г. Фесенкова
Работы астронома В.А.Амбарцумяна, доказавшего непрерывность образования звезд в результате конденсации вещества из разряженных газово-пылевых туманностей, позволили академику В.Г.Фесенкову выдвинуть новую гипотезу (1960 г.),связывающюю происхождение Солнечной системы с общими закономерностями формирования материи в космическом пространстве. Фесенков полагал, что процесс образования планет широко распространен во Вселенной, где имеется много планетных систем. По его мнению, формирование планет связано с образованием новых звезд, возникающих в результате сгущения первоначально разреженного вещества в пределах одной из гигантских туманностей («глобул»). Эти туманности представляли собой весьма разреженную материю (плотностью порядка 10 г/см) и состояли из водорода, гелия и небольшого количества тяжелых металлов. Сначала в ядре «глобулы» сформировалось Солнце, которое было более горячей, массивной и быстро вращающейся звездой, чем в настоящее время. Эволюция Солнца сопровождалась неоднократными выбросами материи в протопланетное облако, в результате чегооно потеряло часть массы и передалообразующимся планетам значительную долю своего момента количества движения. Расчеты показывают, что при нестационарных выбросах материи из недр Солнца могло сложиться фактически наблюдаемое соотношение моментов количества движения Солнца и протопланетного облака(а следовательно и планет).Одновременное образование Солнца и планет доказывается одинаковым возрастом Земли и Солнца. В результате уплотнения газово-пылевого облака сформировалось звездообразное сгущение. Под влиянием быстрого вращения туманности значительная часть газово-пылевой материи все больше удалялась от центра туманности по плоскости экватора, образуя нечто вроде диска. Постепенно уплотнение газово-пылевой туманности обусловило формирование планетных сгущений, образовавших впоследствии современные планеты Солнечной системы. В отличие от Шмидта Фесенков полагает, что газово-пылевая туманность находилась в раскаленном состоянии. Большой его заслугой является обоснование закона планетных расстояний в зависимости от плотности среды. В.Г.Фесенков математически обосновал причины устойчивости момента количества движенияв Солнечной системе потерей вещества Солнца при выборе материи, вследствие чего произошло замедление его вращения. В.Г.Фесенков приводит также доводы в пользу обратного движения некоторых спутников Юпитера и Сатурна, объясняя это захватом планетами астероидов. Большую роль Фесенков придавал процессам радиоактивного распада изотопов К, U, Th и других, содержание которых тогда было значительно выше. К настоящему времени теоритически рассчитан ряд вариантов радитогенного разогрева недр, наиболее детальный из которых предложен Е.А.Любимовой (1958г.). В соответствии с этими расчетами через один миллиард лет температура недр Земли на глубине нескольких сот километров достиглатемпературы плавления железа. К этому времени, по-видимому, относится начало образования ядра Земли, представленного опустившимися к ее центру металлами - железом и никелем. Позже, при дальнейшем повышении температуры, из мантии началось выплавление наиболее легкоплавких силикатов, которые в следствии небольшой плотности поднимались вверх. Этот процесс, теоритически и экспериментально изученный А.П.Виноградовым, объясняет образование земной коры. Также нужно отметить две гипотезы, развившиеся к концу 20 века. Они рассматривали развитие Земли, не затрагивая развитие Солнечной системы в целом. Земля была целиком расплавлена и в процессе истощения внутренних тепловых ресурсов (радилактивных элементов) постепенно стала остывать. В верхней части образовалась твердая корка. И при уменьшении объема остывшей планеты эта корка ломалась, и формировались складки и другие формы рельефа. Полного плавления вещества на Земле не было. В относительно рыхлой протопланете формировались локальные очаги плавления (этот термин ввел академик Виноградов) на глубине около 100 км. Постепенно количество радиоактивных элементов уменьшалось, и температура ЛОП снижалась. Из магмы кристализовывались и выпадали на дно первые высокотемпературные минералы. Химический состав этих минералов отличался от состава магмы. Из магмы извлекались тяжелые элементы. И остаточный расплав относительно обогащался легкими. После 1 фазы и дальнейшего понижения температуры из раствора кристализовывалась следующая фаза минералов, также содержащая больше тяжелых элементов. Так происходило постепенное остывание и кристализация ЛОПов. Из первоначального ультраосновного состава магмы образовалась магма основного бальзатового состава. В верхней части ЛОПа образовывалась флюидная шапка (газово-жидкая). Бальзатовая магма обладала подвижностью и текучестью. Она прорвалась из ЛОПов и излилась на поверхность планеты, сформировав первую жесткую базальтовую корку. Флюидная шапка также прорвалась на поверхность и, смешавшись с остатками превичных газов, сформировала первую атмосферу планеты. В составе первичной атмосферы были окислы азота. Н, Не, инертные газы, СО, СО, НS, HCl, HF, CH, пары воды. Свободного кислорода почти не было. Температура поверхности Земли была около 100 С, жидкой фазы не было. Внутренность довольно рыхлой протопланеты имела температуру близкую к температуре плавления. В этих условиях интенсивно протекалм процессы тепломассопереноса внутри Земли. Они происходили ввиде тепловых конвекционных потоков (ТКП). Особенно важны ТКП, возникающие в поверхностных слоях. Там развивались ячеистые тепловые структуры, которые временами перестраивались в одноячеистую структуру. Восходящие ТКП передавали импульс движения на поверхность планеты (бальзатовая корка), и на ней создавалась зона растяжения. В результате растяжения в зоне подъема ТКП образуется мощный протяженный разлом длиной от 100 до 1000 км. Их назвали рифтовые разломы. Температура поверхности планеты и ее атмосфера остывает ниже 100 С. Из первичной атмосферы конденсируется вода и формируется первичная гидросфера. Ландшафт Земли представляет собой мелководный океан с глубиной до 10 м, с отдельными вулканическими псевдоостровами, обнажающимися во время отливов. Постоянной суши не было. При дальнейшем понижении температуры ЛОП полностью раскристализовывались и превращались в жесткие кристаллические ядра в недрах довольно рыхлой планеты. Поверхностный покров планеиы подвергался разрушению со стороны агрессивных атмо- и гидросферы. В результате всех этих процессов происходило образование магматических, осадочных и метаморфических пород. Таким образом, гипотезы о происхождении нашей планеты объясняют современные данные о ее строении и положении в Солнечной системе. И освоение космоса, запуски спутников и космических ракет дают много новых фактов для практической проверки гипотез и дальнейшего совершенствования.
Литература
1. Вопросы космогонии, М., 1952-64 2. Шмидт О. Ю., Четыре лекции о теории происхождения Земли, 3 изд., М., 1957; Левин Б. Ю. Происхождение Земли. «Изв. АН СССР Физика Земли», 1972, № 7; Сафронов В. С., Эволюция допланетного облака и образование Земли и планет, М., 1969; . Каплан С. А., Физика звезд, 2 изд., М., 1970; Проблемы современной космогонии, под ред. В. А. Амбарцумяна, 2 изд., М., 1972. Аркадий Леокум, Москва, «Джулия», 1992 г.
1. Введение ………………………………………………2 стр.
2. Гипотезы образования Земли………………………...3 - 6 стр.
3. Внутреннее строение Земли …………………………7 - 9 стр.
4. Заключение……………………………………………10 стр.
5. Список литературы …………………………………..11 стр.
Введение.
Во все времена люди хотели знать, откуда и каким образом произошел мир, в котором мы живем. Существует множество легенд и мифов, пришедших из древних времен. Но с появлением науки в ее современном понимании, на смену мифологическим и религиозным приходят научные представления о происхождении мира.
В настоящее время в науке создалось такое положение, что разработка космогонической теории и реставрация ранней истории Солнечной системы могут осуществляться преимущественно индуктивным путем, основанным на сравнении и обобщении полученных совершенно недавно эмпирических данных по материалу метеоритов, планет и Луны. Поскольку о строении атомов и поведении их соединений при различных термодинамических условиях нам стало известно очень многое, а о составе космических тел были получены совершенно достоверные и точные данные, то решение проблемы происхождения нашей планеты поставлено на прочную химическую основу, которой были лишены прежние космогонические построения. Следует в ближайшее время ожидать, что решение проблем космогонии Солнечной системы вообще и проблемы происхождения нашей Земли в частности достигнет больших успехов на атомно-молекулярном уровне, подобно тому, как на этом же уровне генетические проблемы современной биологии блестяще решаются на наших глазах.
При современном состоянии науки физико-химический подход к решению проблем космогонии Солнечной системы является совершенно неизбежным. Поэтому давно известные механические особенности Солнечной системы, которым классические космогонические гипотезы уделяли главное внимание, должны быть истолкованы в тесной связи с физико-химическими процессами в ранней истории Солнечной системы. Последние достижения в области химического изучения отдельных тел этой системы позволяют нам совершенно по-новому подходить к реставрации истории вещества Земли и на этой основе восстановить рамки тех условий, в которых происходило рождение нашей планеты – становление её химического состава и формирование оболочечной структуры.
Таким образом, цель данной работы – рассказать о наиболее известных гипотезах образования Земли, а также о ее внутреннем строении.
Гипотезы образования Земли.
Во все времена люди хотели знать, откуда и каким образом произошел мир, в котором мы живем. Существует множество легенд и мифов, пришедших из древних времен. Но с появлением науки в ее современном понимании, на смену мифологическим и религиозным приходят научные представления о происхождении мира. Первые научные гипотезы относительно происхождения Земли и солнечной системы, основанные на астрономических наблюдениях, были выдвинуты только лишь в 18 веке.
Все гипотезы о происхождении Земли можно разбить на две основные группы:
1. Небулярная (лат. «небула» - туман, газ) – в основе лежит принцип образования планет из газа, из пылевых туманностей;
2. Катастрофическая – в основе лежит принцип образования планет из-за различных катастрофических явления (столкновение небесных тел, близкое прохождение друг от друга звезд и т.д.).
Небулярные гипотезы Канта и Лапласа. Первой научной гипотезой о происхождении Солнечной системы была гипотеза Иммануила Канта (1755). Кант считал, что солнечная система возникла из некой первичной материи, до того свободно рассеянной в космосе. Частицы этой материи перемещались в различных направлениях и, сталкиваясь друг с другом, теряли скорость. Наиболее тяжелые и плотные из них под действием силы притяжения соединялись друг с другом, образуя центральный сгусток - Солнце, которое, в свою очередь, притягивало более удаленные, мелкие и легкие частицы. Таким образом возникло некоторое количество вращающихся тел, траектории которых взаимно пересекались. Часть этих тел, первоначально двигавшихся в противоположных направлениях, в конечном счете были втянуты в единый поток и образовали кольца газообразной материи, расположенные приблизительно в одной плоскости и вращающиеся вокруг Солнца в одном направлении, не мешая друг другу. В отдельных кольцах образовывались более плотные ядра, к которым постепенно притягивались более легкие частицы, формируя шаровидные скопления материи; так складывались планеты, которые продолжали кружить вокруг Солнца в той же плоскости, что и первоначальные кольца газообразного вещества.
Независимо от Канта другой ученый – французский математик и астроном П.Лаплас – пришел к тем же выводам, но разработал гипотезу более глубоко (1797). Лаплас полагал, что Солнце существовало первоначально в виде огромной раскаленной газообразной туманности (небулы) с незначительной плотностью, но зато колоссальных размеров. Эта туманность, согласно Лапласу, первоначально медленно вращалась в пространстве. Под влиянием сил гравитации туманность постепенно сжималась, причем скорость ее вращения увеличивалась. Возрастающая в результате центробежная сила придавала туманности уплощенную, а затем и линзовидную форму. В экваториальной плоскости туманности соотношение между притяжением и центробежной силой изменялось в пользу этой последней, так что в конечном счете масса вещества, скопившегося в экваториальной зоне туманности, отделилась от остального тела и образовала кольцо. От продолжавшей вращаться туманности по- следовательно отделялись все новые кольца, которые, конденсируясь в определенных точках, постепенно превращались в планеты и другие тела солнечной системы. В общей сложности от первоначальной туманности отделилось десять колец, распавшихся на девять планет и пояс астероидов - мелких небесных тел. Спутники отдельных планет сложились из вещества вторичных колец, оторвавшихся от раскаленной газообразной массы планет.
Вследствие продолжавшегося уплотнения материи температура новообразованных тел была исключительно высокой. В то время и наша Земля, по П. Лапласу, представляла собой раскаленный газообразный шар, светившийся подобно звезде. Постепенно, однако, этот шар остывал, его материя переходила в жидкое состояние, а затем, по мере дальнейшего охлаждения, на его поверхности стала образовываться твердая кора. Эта кора была окутана тяжелыми атмосферными парами, из которых при остывании конденсировалась вода. Обе теории сходны между собой по существу и часто рассматриваются как одна, взаимно дополняли друг друга, поэтому в литературе они часто упоминаются под общим названием как гипотеза Канта-Лапласа. Поскольку наука не располагала в то время более приемлемыми объяснениями, у этой теории было в XIX веке множество последователей.
Катастрофическая теория Джинса. После гипотезы Канта – Лапласа в космогонии было создано еще несколько гипотез образования Солнечной системы. Появляются так называемые катастрофические гипотезы, в основе которых лежит элемент случайного стечения обстоятельств. В качестве примера гипотезы катастрофического направления рассмотрим концепцию английского астронома Джинса (1919). В основу его гипотезы положена возможность прохождения вблизи Солнца другой звезды. Под действием ее притяжения из Солнца вырвалась струя газа, которая при дальнейшей эволюции превратилась в планеты Солнечной системы. Джинс полагал, что прохождение звезды мимо Солнца позволило объяснить несоответствие в распределении массы и момента количества движения в Солнечной системе. Но в 1943г. Русский астроном Н. И. Парийский вычислил, что только в случае строго определенной скорости звезды газовый сгусток мог бы стать спутником Солнца. В этом случае его орбита должна быть в 7 раз меньше орбиты самой близкой к Солнцу планеты – Меркурия.
Таким образом, гипотеза Джинса не смогла дать верного объяснения непропорциональному распределению момента количества движения в Солнечной системе. Самым большим недостатком этой гипотезы является факт случайности, что противоречит материалистическому мировоззрению и имеющимся фактам, говорящим о нахождении планет в других звездных мирах. Кроме того, расчеты показали, что сближение звезд в мировом пространстве практически исключено, и даже если бы это произошло, проходящая звезда не могла бы придать планетам движение по круговым орбитам.
Теория Большого Взрыва. Теория, которой придерживается большинство современных ученых, утверждает, что Вселенная образовалась в результате так называемого Большого Взрыва. Невероятно горячий огненный шар, температура которого достигала миллиардов градусов, в какой-то момент взорвался и разбросал во всех направлениях потоки энергии и частиц материи, придав им колоссальное ускорение. Поскольку огненный шар, разлетевшийся на части в результате Большого Взрыва, имел колоссальную температуру, крохотные частицы материи обладали поначалу слишком большой энергией и не могли соединиться друг с другом, чтобы образовать атомы. Однако спустя примерно миллион лет температура Вселенной понизилась до 4000"С, и из элементарных частиц стали формироваться различные атомы. Сначала возникли самые легкие химические элементы - гелий и водород, формировалось их скопление. Постепенно Вселенная охлаждалась все сильнее и образовывались более тяжелые элементы. В течении многих миллиардов лет происходило наращивание масс в скоплениях гелия и водорода. Разрастание массы идет до достижения некоторого предела, после чего сила взаимного притяжения частиц внутри газопылевого облака очень сильная и тогда облако начинает сжиматься (коллапсировать). В процессе коллапса внутри облака развивается высокое давление, условия благоприятные для реакции термоядерного синтеза – слияние легких ядер водорода с образованием тяжелых элементов. На месте коллапсирующего облака рождается звезда. В результате рождения звезды более 99% массы первоначального облака оказывается в теле звезды, а остальные формируют рассеянные облака твердых частиц из которых в дальнейшем формируются планеты звездной системы.
Современные теории. В последние годы американскими и советскими учеными был выдвинуты ряд новых гипотез. Если раньше считалось, что в эволюции Земли происходил непрерывный процесс отдачи тепла, то в новых теориях развитие Земли рассматривается как результат многих разнородных, порой противоположных процессов. Одновременно с понижением температуры и потерей энергии могли действовать и другие факторы, вызывающие выделение больших количеств энергии и компенсирующие таким образом убыль тепла. Одно из таких современных предположений – «теория пылевого облака»,его автор американский астроном Ф. Л. Уайпль (1948). Однако по существу это ничто иное как видоизмененный вариант небулярной теории Канта-Лапласа. Также популярными являются гипотезы русских ученых О.Ю.Шмидта и В.Г. Фесенкова. Оба ученых при разработке своих гипотез исходили из представлений о единстве материи во Вселенной, о непрерывном движении и эволюции материи, являющихся ее основными свойствами, о разнообразии мира, обусловленного различными формами существования материи.
Любопытно, что на новом уровне, вооруженные более совершенной техникой и более глубокими познаниями о химическом составе солнечной системы, астрономы вернулись к мысли о том, что Солнце и планеты возникли из обширной, нехолодной туманности, состоящей из газа и пыли. Мощные телескопы обнаружили в межзвездном пространстве многочисленные газовые и пылевые «облака», из которых некоторые действительно конденсируются в новые звезды. В связи с этим первоначальная теория Канта-Лапласа была переработана с привлечением новейших данных; она может сослужить еще хорошую службу в деле объяснения процесса возникновения солнечной системы.
Каждая из этих космогонических теорий внесла свой вклад в дело выяснения сложного комплекса проблем, связанных с происхождением Земли. Все они рассматривают возникновение Земли и солнечной системы как закономерный результат развития звезд и вселенной в целом. Земля появилась одновременно с другими планетами, которые, как и она, вращаются вокруг Солнца и являются важнейшими элементами солнечной системы.
Основным документом, при помощи которого исследуют историю Земли, служит горная порода.
Самые древние свидетельства, имеющиеся в нашем распоряжении, относятся к архейскому времени. Они-то и являются для историка Земли исходными, но очевидно, что хотя многие из древних пород (например, уранинит из Манитобы) образовались около 2 млрд. лет назад, их вовсе нельзя рассматривать как действительное начало геологической летописи. Восстанавливать это начало приходится косвенными способами.
Две коренные проблемы нуждаются в освещении: происхождение Земли и возникновение на ней жизни. Поколения учёных трудились над этими вопросами, но лишь советской науке, вооружённой методом диалектического материализма, оказалось под силу разгадать в общей форме обе мировые загадки.
Наиболее достоверную теорию происхождения планет солнечной системы разработал О. Ю. Шмидт. Теория исходит из факта вращения Галактики и наличия в её центральной плоскости тёмных облаков космической пыли и газа. Солнце, участвуя в галактическом вращении, захватило и увлекло за собой часть такого облака. Возможно также, что Солнце само возникло из подобного облака и захватило вещество из собственной материнской среды. Но в обоих случаях оно оказалось внутри обширного роя твёрдых частиц, двигавшихся вокруг него под влиянием притяжения по эллиптическим орбитам. Пылинки, твёрдые тельца, сталкиваясь в неупругих ударах, теряли часть своей кинетической энергии (она превращалась в теплоту, излучаемую в пространство), что привело сначала к уплотнению роя, а при достижении последним некоторой критической плотности - к образованию сгущений, которые, неоднократно дробясь и снова объединяясь, в конце концов сложились в планеты.
Вблизи Солнца захваченное облако быстро редело: одни его частицы падали на Солнце, другие оттеснялись лучевым давлением к внешней зоне системы; летучие компоненты твёрдых телец испарялись под действием солнечного нагрева. Оттого вблизи Солнца образовались плотные, но сравнительно небольшие планеты, а вдали от него, где такого обеднения исходного материала не было и сохранились газы в твёрдых частицах, возникли планеты большие, но гораздо менее плотные. Этим и объясняется характерное деление планет на внутренние (Меркурий, Венера,. Земля, Марс), обладающие малыми размерами, высокой плотностью, медленным вращением вокруг оси и ограниченным числом (или отсутствием) спутников, и внешние (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун), отличающиеся крупными размерами, малой плотностью, быстрым вращением на оси и большим числом спутников. На самой далёкой окраине облака, где материнский рой сходил на нет, из его остатков возник маленький Плутон (и, возможно, ещё несколько небольших планет, пока не открытых).
Частицы, захваченные Солнцем, могли первоначально двигаться в различных плоскостях, но всё же большинство орбит должно было совпадать с какой-то преобладающей плоскостью. В отношении преобладающей плоскости частицы могли сначала двигаться как в прямом, так и в обратном направлении, но, вследствие неравномерного распределения плотности роя, и здесь одно из направлений должно было стать господствующим. Наконец, эллиптические орбиты частиц могли вначале иметь различно ориентированные оси; однако, взаимодействуя при сближении, тельца взаимно возмущали свои орбиты, что и привело к равномерному распределению осей, т. е. придало орбитам круговую (или очень близкую к ней) форму. Так осреднением динамических и физических характеристик пылинок при слипании их в более крупные тела объясняет теория О. Ю. Шмидта тот факт, что все планеты обращаются вокруг Солнца в одном направлении и имеют почти одинаковые круговые орбиты, лежащие почти в одной плоскости.
Ни одна из многочисленных прежних гипотез не могла объяснить, свойственное солнечной системе распределение момента количества движения: Солнце, обладающее 99% общей массы системы, содержит только 2% момента количества движения, тогда как планеты со своей ничтожной суммарной массой имеют вместе 98% момента количества движения. Момент количества движения есть произведение массы тела на его скорость и на его расстояние от центра вращения. В системе тел момент количества движения есть сумма моментов отдельных тел. Теория Шмидта полностью решает вопрос. Пылевая материя могла быть захвачена Солнцем как на близком, так и на далёком расстоянии. В последнем случае она будет обладать очень большим моментом количества движения. При сложении частиц в планеты этот момент сохраняется.
Наконец, теория впервые научно обосновывает закон планетных расстояний, установленный давно чисто эмпирически, но до последнего времени не поддававшийся истолкованию, и предвычисляет, что расстояния планет от Солнца (в астрономических единицах) должны быть такие: Меркурия 0,39, Венеры 0,67, Земли 1,04, Марса 1,49, Юпитера 5,20, Сатурна 10,76, Урана 18,32, Нептуна 27,88 и Плутона 39,44. Сравнение с действительными расстояниями обнаруживает прекрасное совпадение.
Образование планетных систем в недрах нашей и других галактик закономерно и неизбежно, так как облаков тёмной материи во вселенной много, и звёзды либо возникают из этих скоплений, либо встречаются с ними при своём движении. Мы не видим других планетных систем только потому, что современные астрономические средства наблюдения не позволяют этого.
Из теории О. Ю. Шмидта вытекает, что Земля возникла как холодное тело, так как частицы породившего её роя, вследствие равновесия между поглощением ими солнечного тепла и его обратным излучением в пространство, имели температуру около +4°. Нынешнее тепло внутри Земли - результат последующего разогрева под действием распада радиоактивных веществ. Земля создавалась путём беспорядочного накопления частиц самого различного удельного веса. По достижении планетой определённых размеров началась в вязкой среде гравитационная дифференциация: более плотные вещества очень медленно стали опускаться к центру Земли, более лёгкие всплывать кверху, увлекая с собой и геохимически связанные с ними некоторые тяжёлые минералы (в том числе радиоактивные, чем и объясняется современная концентрация последних в наружных слоях). Этот процесс вряд ли закончился, и дифференциация, сопровождаемая выделением не меньшего количества энергии, чем радиоактивный распад (порядка 6 Х 10 27 эргов, или 10 20 калорий в год), всё ещё играет роль мощного механизма вертикальных перемещений масс в земных недрах.
На определённом этапе (когда масса Земли стала значительной) образовалась атмосфера. Газы были и в захваченном Солнцем пылевом облаке, но всё же в основном первичная атмосфера образовалась в результате «выжимания» газов из недр планеты. Источник земной атмосферы - сама Земля. Древнейшая атмосфера отличалась от нынешней тем, что в ней отсутствовали свободный азот и кислород, но было много паров воды, аммиака и углекислого газа.
Возникновение источников внутренней энергии - радиоактивного распада и гравитационной дифференциации - положило начало тектонической деятельности Земли, - поднятиям и опусканиям обширных участков холодной земной поверхности и процессам вулканизма; появились изверженные породы. Во впадинах литосферы скопилась вода, - обозначилось разделение суши и моря. Под действием воды, воздуха и солнечной радиации начались процессы выветривания, переноса обломочного материала и образования первых осадочных пород.
Неизвестно, когда занялась над пустынной Землёй заря жизни, но произошло это наверное до архея. В самих архейских толщах достоверных остатков организмов нет, однако имеются известковые и углистые породы, возникновение которых чаще всего связано с деятельностью и гибелью животных и растений. Кроме того, организмы, найденные в протерозое, отличаются сложным устройством и обязательно должны были иметь предков, гораздо проще устроенных; если предки эти жили в архее, то жизнь должна была появиться ещё раньше.
Жизнь в тех формах, в каких мы её знаем, возможна лишь на планетах и притом в совершенно определённых условиях. Существование её где-нибудь на раскалённых телах (звёздах) или в межзвёздном пространстве невероятно: в первом случае мешают высокие температуры, во втором случае немыслим обмен веществ. Но и не на всех планетах имеется необходимая для жизни обстановка: одни из них, расположенные близко к звезде, слишком горячи, другие, лежащие далеко от звезды, слишком холодны; одни планеты потеряли атмосферу, у других она состоит из ядовитых газов. Единственно на твёрдой поверхности, в присутствии воды и воздуха благоприятного состава и при наличии надлежащего температурного режима, могут появиться первые комки протоплазмы. В солнечной системе жизнь имеется в расцвете на Земле, в стадии угасания на Марсе и в стадии зарождения на Венере. Несмотря на указанные ограничения условий для жизни, живое в мире не может быть исключительным явлением, свойственным только окрестностям нашего Солнца: даже если в каждой галактике есть хотя бы только одна планета, заселённая организмами, число таких очагов жизни в бесконечной Вселенной не поддаётся исчислению.
Живое вещество - особая стадия развития неорганической материи. Жизнь действительно возникла, а не существовала вечно, как это утверждают некоторые авторы. Идея о вечности жизни, т. е. об изначальном бытии (наряду с простой, неорганизованной материей) таких сложных образований, к каким относятся даже простейшие белковые молекулы, отрицает развитие материи, т. е. направлена вразрез с истиной, научно обоснованной и доказанной.
Открытие общих путей происхождения жизни на Земле принадлежит советскому учёному А. И. Опарину.
Теория А. И. Опарина опирается на факты широкого распространения во вселенной углерода (основного элемента, из которого построены органические вещества) и высокую способность атомов углерода соединяться друг с другом или с атомами других элементов. В разных видах и соединениях углерод обнаружен в звёздах, на планетах и в метеоритах, - в последних либо самородный (графит, алмаз), либо в форме карбидов (соединений с металлами) и углеводородов. Нет оснований отрицать присутствие углерода и в частицах пылевой материи, из которых образовалась Земля; в ныне существующих в Галактике газо-пылевых туманностях недавно установлено наличие водорода, метана, аммиака и воды (льда). Стало быть, углерод и его простейшие соединения в виде углеводородов вошли в состав нашей планеты в первые же дни её рождения.
История углерода на Земле - это сначала история бесчисленного количества химических реакций и дальнейшего взаимодействия углеводородов с парами воды и аммиаком. В результате возникали новые, более сложные вещества, построенные уже из углерода, кислорода, водорода и азота, способные к новым реакциям между собой и с окружающей средой в первичных морях и лагунах, куда они попали из атмосферы. В хаосе этих реакций наметился, в конце концов, путь образования и накопления всё более сложных высокомолекулярных соединений, в том числе и подобных белкам.
В смешанном растворе белковых веществ молекулы разных белков собираются обычно в небольшие агрегаты, имеющие вид капель, плавающих в воде, - явление это называется коацервацией. И если первичные, более простые органические соединения были равномерно рассеяны в воде и от последней не обособлены, то после возникновения белковоподобных соединений произошёл знаменательный скачок: началось обособление коацерватных капель, т. е. противопоставление белковоподобных соединений окружающей их среде. Коацерватная капля - это уже нечто индивидуальное, обладающее своей, хотя ещё и нестойкой, структурой; каждая легко притягивает частицы извне, поглощает их, вступает с ними в химические соединения, которые могут и остаться в капле, следовательно - повести её к росту и внутренней химической перестройке либо к распаду. Если синтез в капле при данных условиях внешней среды идёт быстрее распада - капля становится динамически устойчивой, если распад быстрее синтеза - она разрушается. В коацерватных каплях природа как бы делает первые опыты обмена веществ. Только динамически устойчивые капли (что зависело от их индивидуальных особенностей) могли длительно существовать, расти и «размножаться» делением, а такими могли стать лишь те немногие, качества которых непрерывно изменялись в совершенно определённую сторону, обеспечивающую постоянное самовосстановление всей капли в целом. Возникновение капли с внутренне организованной последовательностью химических реакций, т. е. капли динамически весьма устойчивой и способной к самовоспроизведению, и было тем новым скачком, в результате которого сложное, но неживое органическое образование стало живым существом. По мнению некоторых биологов, приобретение белковоподобными соединениями в ходе их развития основных признаков живого не нуждается в стадии комплексных «надмолекулярных» белковых систем (коацерватных капель): такие признаки неизбежно должны были со временем возникнуть при определённых условиях в самой молекуле первичного белка.
Комочки первозданной жизни не имели ещё клеточной структуры; прошли тысячелетия, прежде чем развились древнейшие одноклеточные организмы, предки многоклеточных. Прошли также тысячелетия, прежде чем изменился и способ питания первых организмов, которые сначала использовали для этой цели только органические вещества, но затем, в связи с уменьшением запасов этой пищи, были как бы поставлены перед выбором: либо погибнуть, либо приобрести умение питаться неорганическими соединениями. В дальнейшем в протоплазме одной группы организмов выработались пигменты, послужившие толчком к появлению простейших растений типа синезелёных водорослей, способных к ассимиляции CO 2 . Водоросли не только резко увеличили количество органического вещества в природе, но и освободили другие группы живых существ от необходимости эволюционировать в сторону автотрофности; эти группы, питавшиеся теперь водорослями, остались гетеротрофными и тем самым стали родоначальниками будущего мира животных.
Колыбелью жизни считают море. Это предположение, хотя и подвергалось сомнению, никогда не было опровергнуто убедительными доводами. Море - исключительно подходящая среда для развития организмов: вода как подвижная стихия обеспечивает приток пищи даже сидячим или пассивно плавающим организмам; море содержит в огромных количествах самые разнообразные вещества, необходимые организмам; наконец, значительная стабильность физических условий и химического состава морской воды делает обмен веществ между организмом и средой не случайным процессом, а регулярным и притом протекающим в постоянно благоприятных условиях. Однако речь идёт прежде всего о прибрежных частях моря, где взаимодействие литосферы, гидросферы и атмосферы, т. е. вся сумма географических условий, наиболее содействует поддержанию жизни.
Мы попытались нарисовать вероятную картину развития Земли и её ландшафтной оболочки за огромный период, предшествующий архею. За этот промежуток времени, охватывающий 3-4 млрд. лет, Земля прошла через следующие этапы:
1. Стадия первоначального сгустка материи в материнском пылевом облаке.
2. Стадия небольшой планеты (сравнимой по объёму с нынешним Меркурием), уже способной удерживать около себя постоянную газовую оболочку. Зачатки тектонической деятельности (источники энергии: распад радиоактивных веществ и, возможно, начало гравитационной дифференциации). Выделение с изверженными породами газов Н 2 O, CO 2 и NH 3 и включение их в состав первичной атмосферы.
3. Земля достигает современных размеров. Её внешняя каменная оболочка - вероятно, базальтового состава. Накопление неживого органического вещества и развитие его в сторону образования высокомолекулярных соединений.
4. Появление доклеточных форм жизни. Организмы только гетеротрофные.
5. Появление одноклеточных организмов и возникновение ветви автотрофных живых существ. Обогащение атмосферы свободным кислородом и азотом за счёт жизнедеятельности микроорганизмов.
Обратимся теперь к более поздним периодам жизни Земли. Несмотря на скудость материалов, мы всё же располагаем здесь многими вполне достоверными фактами, на основании которых удаётся вывести достаточно надёжные общие заключения. Развитие ландшафтной оболочки на протяжении геологического времени разбивают на несколько этапов: самые древние и плохо известные удобно объединить под собирательным названием «докембрийских»; за ними следуют этапы каледонский, герцинский (или варисцийский) и альпийский.
Как появилась Земля?
Так приятно осознавать, что планета Земля оказалась наиболее пригодной для различных форм жизни. Здесь идеальные температурные условия, достаточно воздуха, кислорода и безопасного света. Трудно поверить, что когда-то ничего этого не было. Или почти ничего, кроме расплавленной космической массы неопределенной формы, плавающей в условиях невесомости. Но обо всем по порядку.
Взрыв вселенского масштаба
Ранние теории происхождения Вселенной
Ученые выдвигали разные гипотезы, объясняющие рождение Земли. В 18 веке французы утверждали, что причиной оказалась космическая катастрофа в результате столкновения Солнца с кометой. Англичане уверяли, что пролетающий мимо светила астероид отсек его часть, из которой в последствии появился целый ряд небесных тел.
Немецкие умы продвинулись дальше. Прототипом образования планет Солнечной системы они считали холодное пылевое облако невероятных размеров. Позже решили, что пыль была раскаленной. Ясно одно: образование Земли неразрывно связано с формированием всех планет и звезд, входящих в состав системы Солнца.
Большой Взрыв
Сегодня астрономы и физики единодушны во мнении, что Вселенная образовалась после Большого Взрыва . Миллиарды лет назад гигантский огненный шар разлетелся на куски в космическом пространстве. Это вызвало гигантский выброс материи, частички которой обладали колоссальной энергией.
Материалы по теме:
Коротко о нашей планете
Именно мощность последней мешала элементам создать атомы, заставляя отталкиваться друг от друга. Этому способствовала и высокая температура (примерно в миллиард градусов). Но через миллион лет пространство остыло приблизительно до отметки 4000º. С этого момента началось притяжение и образование атомов легких газообразных веществ (водорода и гелия).
Со временем они сгруппировались в скопления, называемыми туманностями. Такими были прототипы будущих небесных тел. Постепенно частицы внутри вращались все быстрее, наращивая температуру и энергию, заставляя туманность сжиматься. Достигнув критической точки, в определенный момент запустилась термоядерная реакция, способствующая формированию ядра. Так родилось яркое Солнце.
Появление Земли – от газа к твердому телу
Молодое светило обладало мощными силами гравитации. Их влияние послужило причиной формирования на разных расстояниях других планет из скоплений космической пыли и газов, в том числе и Земли. Если сравнить состав разных небесных тел солнечной системы, станет заметно, что они не одинаковы.
Меркурий в основном состоит из металла, наиболее стойкому к воздействию солнечного свечения. Венера, Земля обладают скальной поверхностью. А Сатурн и Юпитер остаются газовыми великанами из-за наибольшей удаленности. Кстати, они защищают другие планеты от метеоритов, отталкивая их от своих орбит.
Материалы по теме:
Столкновения Земли с метеоритами
Формирование Земли
Формирование Земли началось по тому же принципу, который лежал в основе появления самого Солнца. Происходило это примерно 4,6 миллиарда лет назад. Тяжелые металлы (железо, никель) в результате гравитации и сжатия проникали в центр молодой планеты, образуя ядро. Высокая температура создавала все условия для череды ядерных реакций. Произошло разделение мантии и ядра.
Выделение тепла плавило и выбрасывало на поверхность легкий кремний. Он стал прототипом первой коры. По мере остывания планеты летучие газы прорывались наружу из недр. Это сопровождалось извержениями вулканов. Расплавленная лава формировала в последствии горные породы.
Газовые смеси удерживались на расстоянии вокруг Земли силой притяжения. Они составили атмосферу, поначалу без кислорода. Встречи с ледяными кометами, метеоритами привели к появлению океанов из конденсата паров и растопленного льда. Материки разъединялись, вновь соединялись, плавая в горячей мантии. Это повторялось многократно почти 4 миллиарда лет.
Путь к жизни
Формируясь, Земля усиливала способность притягивать космические частицы (камни, астероиды, метеориты, пыль). Падая на поверхность, они проникали постепенно в недра (действовали центробежные силы), полностью отдавая собственную энергию. Планета уплотнялась. Химические реакции послужили предпосылками образования первых форм жизни – одноклеточных.
Одна из первых гипотез о происхождении нашей планеты и внешнего вида ее поверхности была описана в двухтомном труде Томаса Барнета "Священная теория Земли", которая вышла в 1681 Однако поскольку мышление ученых в те далекие времена еще не освободилось от влияния традиционных представлений древних греков и библейского мифа о сотворении мира, то гипотеза священника Т. Барнета оказалась на самом деле плодом его буйной фантазии. Подаем краткое содержание этой гипотезы. Когда Бог создал Землю и упорядочил ЕЕ вращения вокруг оси, наша планета получила яйцевидной формы. Поскольку земная ось была тогда перпендикулярна плоскости эклиптики, то времени года в нашем понимании отсутствовали, и на широте Великобритании царила вечная весна. Но люди, которые подобно Мафусаил жили в то время очень долго, завели впоследствии между собой много всякого зла и стали часто ссориться. В гневе Бог приказал разрушить Землю. ее поверхность стала трескаться, подниматься и сминаться, образуя ужасные по виду горы и ущелья. Позже из недр Земли вырвался мощный поток воды, который постепенно затопил всю поверхность Земли. Все эти катастрофы очень потрясли Землю и отразились на ее оси - она потеряла свое первоначальное вертикальное положение, наклонилась, и это привело к появлению времен года. Поверхность же планеты оказалась разбитой на континенты, горы, глубокие впадины (в которые впоследствии стекла вода, образовав океаны).
"Священная теория Земли" породила длительные споры и дискуссии среди ученых, в результате чего появилось несколько новых гипотез о происхождении нашей планеты. В 1695 Джон Вудворд высказал мнение о том, что воды потопа, который Бог в гневе наслал на Землю, растворили горные породы, а позже этот материал был отложен в виде слоев или пластов на дне морей и океанов. Это подтверждается наличием в составе некоторых из них ископаемых континентальных растений и животных.
Уильям Уинстон, на которого произвели огромное впечатление наблюдения Эдмунда Галлея в 1652 г.. За кометой (названной впоследствии его именем), выдвинул гипотезу, согласно которой Земля возникла из обломков какого-то неизвестного кометы. Более того, близкий прохождения другой кометы вызвало всеземной наводнение, превратило орбиту вращения вокруг Солнца с круговой в эллиптическую, а на земной поверхности образовались континенты и океаны. Комета привела в движение горные породы на противоположных сторонах планеты (подобно тому, как Луна вызывает приливы в океанах и морях). На гребнях приливной волны образовались континенты, а во впадинах - Атлантический и Тихий океаны. Уинстон подкрепил свою гипотезу впечатляющими математическими уравнениями, которые доказывали возможность такого действия кометы на породы земной коры. Но поскольку в его расчетах были обработаны далеко не все, ее сразу же подвергли критике. Теологи подкрепляли свои возражения ссылкой на Библию: каким образом Солнце могло существовать до того, как Земля начала вращаться вокруг него, когда в Книге Бытия сказано, что Бог создал это большое светило только на четвертый день после формирования Земли.
Благодаря большим открытием в современных науках о Земле возникли предпосылки для формирования космогонии - науки, занимающейся изучением Вселенной, вопросами происхождения Солнца и планет. Несмотря на всю сложность данной проблемы, уже первые космогонические гипотезы стали пользоваться большой популярностью среди ученых и многих образованных людей.
Широкое признание получили гипотезы, базирующиеся на эволюции газово-пылевой материи. Первая попытка объяснить происхождение Солнечной системы было сделано немецким географом и философом Кантом (1724-1804). 1765 г.. Он издал книгу "Всеобщая естественная история и теория неба», в которой изложил свои взгляды на происхождение Вселенной и планет Солнечной системы. По мнению И. Канта, Вселенная образовалась из первичной рассеянной матери, которая заполняла мировое пространство. Частицы, из которых состояла материя, были неодинаковы по плотности и силы тяжести, они были перемешаны и образовали неподвижный хаос. Постепенно силы взаимного притяжения, возникшие между частями, привели каменный хаос в движение. Результатом сталкивание и слипания частиц было образование сгустков, сначала мелких, затем крупных. Сталкивание сгустков вызвало ее вращения. В конце концов из центрального сгустка образовалось Солнце, а из крупных боковых сгущений, которые привлекли к себе вещество экваториальной туманности, - планеты. Первоначальное состояние планет и Солнца Кант считал горячим. Со временем планеты остыли, стали холодными. То же, по мнению И. Канта, должно произойти в далеком будущем и с Солнцем.
В1796 г.. Вышла книга французского математика и астронома П. Лапласа «Изложение системы мира», в которой была опубликована его космогоническая гипотеза. Она оказалась во многом схожей с гипотезой Канта, хотя П. Лаплас не знал о ее существовании. Он предполагал, что когда-то существовала огромная горячая разреженная туманность. По мере ее охлаждения и сжатия в центре образовалось сгущенное ядро - зародыш нынешнего Солнца. В результате его вращения вокруг оси развилась центробежная сила, которая оттолкнула в экваториальной плоскости часть вещества от оси вращения. Количество газовых колец, отделилась от центрального сгустка материи, отвечала числу планет Солнечной системы. Кольца были неустойчивыми. Вещество в них под влиянием охлаждения постепенно сгущалась. Подобным же образом П.Лаплас объясняет и образования спутников планет.
Гипотезы Канта и Лапласа стали своего рода революционным переворотом во взглядах людей на происхождение окружающего их мира. Эти гипотезы впервые дали научное объяснение образованию Солнечной системы с газово-пылевой материи и коренным образом изменили метафизическое представление о вечности и неизменности
Вселенной, которое тогда существовало. Но с точки зрения современной науки оказалось, что эти гипотезы имеют серьезные недостатки. Современная физика не считает возможным длительное существование в природе устойчивых газовых колец. Газы при выделении, как показывает практика и экспериментальные исследования, не собираются в сгустки, а рассеиваются. Не в состоянии объяснить приведенные гипотезы разнонаправленность вращения по орбитам спутников планет и распределение момента количества движения крупных тел Солнечной системы (который является произведением массы тела на его скорость и расстояние от центра вращения). Так, Солнце, масса которого составляет 99,9% общей массы Солнечной системы, имеет только 2% момента количества движения, одновременно на все планеты с их "мизерной" массой приходится до 98% момента количества движения.
В 1916 появилась "горячая" космогоническая гипотеза английского астронома Дж.-Х. Джинса. Согласно ей, мимо Солнца прошла какая-то звезда. Вследствие влияния ее силы тяжести с Солнца вырвался длинную струю (протуберанец) и образовал туманность с отдельными сгущениями (узлами) - протопланета, что начали вращаться вокруг Солнца. Впоследствии они перешли из газообразного состояния в жидкое, образовалась твердая кора. Приточная гипотеза Дж.-Х. Джинса хорошо объясняла особенности распределения плотности горных пород внутренних планет Солнечной системы, а потому стала на некоторое время популярной в науке.
На основе новых достижений фундаментальных наук, в частности открытие явлений природного радиоактивного распада (впервые удалось доказать выдающимся французским ученым М. Склодовской и П. Кюри), были предложены новые гипотезы, которые объясняли образования планет не из горячей, а с холодной материи. Оригинальной и известной стала опубликованная в 1943 труд "Метеоритная теория происхождения Земли и планет", автором которой является А.Ю. Шмидт (1892-1956). Это была неординарная личность в науке. В двадцать пять лет он уже работал приват-доцентом Киевского университета, позже занимал ответственные посты в Наркомприроди, Наркомфине, Наркомпроса, был директором Госиздата, главным редактором Большой Советской Энциклопедии. Большую популярность принесли ему и полярные исследования, челюскинська эпопея, высадка на лед научной станции "Северный полюс-1". В течение всей сознательной жизни ученый очень увлекался математикой.
О.Ю. Шмидт пытался математически обосновать идею о происхождении планет с холодной пылевой и метеоритной материи, которую захватило Солнце на одном из отрезков пути по Галактике. Такой подход позволил объяснить непропорциональное распределение масс и момента количества движения планет и Солнца. Вещество газово-пылевой туманности под давлением солнечного ветра сортировалась еще в до планетную стадию: легкие элементы были отброшены на край Солнечной системы, а ближе к Солнцу содержались сравнительно тяжелые элементы. Далее под действием сил притяжения куски материи сталкивались, слипались и планеты росли. Однако современные исследования доказали несостоятельность подобного механического захвата туманности, к тому же отсутствие объяснений о создании самого Солнца не могли удовлетворить науку.
В пятидесятых годах стала популярной гипотеза харьковского астронома В. Фесенкова, который подошел к решению проблемы с точки зрения рождения и эволюции звезд. Он считал, что образование туманности происходило за счет выброса вещества из новой или сверхновой звезды. В центре туманности существовал уплотненный сгусток - первичное Солнце, вокруг которого сформировались неоднородности - гигантские "нити" и "фибрилл", что в дальнейшем превратились в небесные тела. Планеты образовались из того вещества газово-пылевой туманности, которая находилась в экваториальной плоскости Солнца. Эта туманность, окружавшей протосолнца, была сплюснутая, уплотнения в ней происходили неравномерно, ибо движение часто был неправильный, вихороподибний. Орбиты сгустков-планет с самого начала мало отличались от круга и находились в одной плоскости.
Многие ученые считают, что протосолнечной туманность, из которой сформировались все тела Солнечной системы, была в течение длительного времени в виде обычной межзвездной намагниченной облака, медленно вращалась. Возможно, поблизости от нее впоследствии образовалась массивная звезда. Со временем смерть этой звезды привела к взрыву сверхновой. Мощные вспышки сверхновых звезд происходят в связи с выгоранием в их центре ядерного топлива. В ядре такой звезды резко снижаются температура и давление, в результате чего ее поверхностные слои под действием собственного огромного веса начинают падать в центр звезды. Происходит так называемое явление коллапса, которое приводит к гибели звезды.
Наличие магнитного поля в газовом облаке, вращающемся и сжимается, играет важную роль при коллапсе облака. По мере того, как вращение облака ускоряется, магнитные силовые линии, ведущие себя как пружинные пластинки, закручиваются. Магнитные натяжения приводят к образованию ядра, которое медленно вращается, а вещество, остается на периферии, быстро крутится вокруг него. Этот эффект позволяет объяснить фактическое распределение момента количества движения в Солнечной системе.
В сжатий облаке быстро развивается плотное, непрозрачное ядро с медленным осевым движением. Вокруг него продолжает вращаться газовый диск - протосолнечной туманность. Газ содержал много частиц пыли. Тонкий диск с холодной пыли был такой же гравитационно неустойчиво, как и облако холодного газа. Частицы пыли привлекались большими по массе сгустками материи, и они вырастали до размеров астероидов. Эти первичные образования получили название планетезималей. Они имели неодинаковую массу и различные скорости. Астероиды и ядра комет, возможно, и являются теми остатками планетезималей, заполнявших когда Солнечной системе.
Между тем молодое Солнце, которое возникло на месте ядра, стало выделять свет и энергию. Это повлияло на свойства планет, образовавшихся. Вблизи Солнца температура была высокой, вследствие чего вещества, оказавшиеся здесь в состоянии льда, быстро испарялись. В этих условиях смогли сохраниться только жаростойкие каменистые и металлические частицы. Поэтому внутренние планеты образовывались преимущественно из материала, который имел большой удельный вес. Они сравнительно небольшие по массе и поэтому не были способны удержать заметное количество водорода и гелия. В внешних областях Солнечной системы температура была достаточно низкой, и ледовые вещества здесь не растаяли. В результате образовались огромные планеты, которые были способны удержать водород и гелий. Хотя внешние планеты Солнечной системы очень массивные, но все они имеют сравнительно малую плотность.
Сейчас широко распространилась гипотеза так называемой аккумуляции небесных тел. Ученые считают, что планеты образовались в результате накопления многих тел меньших размеров, которые двигались вокруг протосолнца за орбитами, что лежали в середине плоского диска. Эта гипотеза позволяет объяснить направления вращения планет по орбите и вокруг собственной оси. В планетах, которые образовались из многих мелких тел, индивидуальные направления обращений усреднялись, в результате их ось вращения оказывалась параллельной оси вращения Солнца. Исключение составляют Уран и Венера. Пожалуй, первый образовавшийся при столкновении лишь нескольких, возможно даже только двух крупных тел. Обратное движение Венеры указывает на то, что в свое время произошло сильное замедление вращения планеты приливными силами Солнца.
Современные представления об образовании Солнца и планет из газопилоподибнои туманности являются общепризнанными. Ученые получили новые веские доказательства эволюции Вселенной. Большой популярностью в мире получила теория о "Большой взрыв" - так коротко называют совокупность процессов, происходивших почти двадцать миллиардов лет назад, в самом начале формирования Вселенной. Полагают, что когда-то вся космическая материя была сосредоточена в сравнительно небольшом по размерам сгустка, который представлял собой очень горячую (миллиарды градусов) сверхплотную вещество. Вследствие сверхмощного взрыва материя разлетелась в разные стороны космического пространства, плотность стала падать, а температура снижаться. Эта гипотеза была подтверждена открытием в 1964 американскими исследователями А. Пензиасом и Р. Вильсоном теплового фонового излучения Вселенной. Излучение назван реликтовым, потому что оно является остатком тепла от той первоначальной горячей материи. "Разбегания" галактик, которое является следствием Большого взрыва, продолжается и по сей день: такой вывод подкрепляется наблюдениями Е. Хаббла, который обнаружил смещение линий спектра галактик в сторону длинноволнового красного конца. Признано, что такое смещение отражает фактические особенности движения галактик, непрерывное рост расстояний между ними. Это означает, что галактики удаляются от нас (и друг от друга) во все стороны и тем быстрее, чем дальше они от нас. Этот процесс охватывает всю наблюдаемую часть Вселенной, а возможно и всю Вселенную.
Таким образом, по мере совершенствования методов исследования Вселенной и накопления новых данных о строении различных небесных тел ученые все глубже проникают в тайны их происхождения. Создание единой теории развития Земли и других планет Солнечной системы - одна из самых сложных проблем современной науки.
Загрузка...
