Естествознание - Петелин Александр. Страница 14

3.2.11. Земля

Наконец мы приблизились к Земле. Можем взглянуть на нее с космической точки зрения, как на планету Солнечной системы: выяснить, каково ее строение, планетарные параметры и свойства и многое другое. Ведь о Земле, наверное, известно намного больше, чем о планетах и других космических телах, которые находятся от нас на огромных расстояниях. Взглянем вначале на Землю из космоса, так легче получить общее представление. Тем более что взгляд из космоса сейчас вполне возможен – имеется большое количество фотографий Земли, сделанных с орбит искусственных спутников, из других точек околоземного пространства, с Луны и более отдаленных областей Солнечной системы (см. рис. 13, 14 на вкладке).

Посмотрим на рис. 14. Ничего неожиданного, голубая планета, темно-синие океаны, зеленовато-коричневые континенты, все узнаваемо, почти как на глобусе. Видны белые облака, закрывающие часть поверхности. Это наш космический дом. Чтобы понять, как он стал таким, каким мы его знаем, и как он устроен внутри, о чем мы знаем не так уж много, заглянем в прошлое. Постараемся представить себе волнующий момент в истории космоса – рождение Земли, а заодно и всех остальных планет Солнечной системы. Как судят об этом естественные науки? Имеются ли какие-либо основания описать процессы образования планет и объяснить, почему Солнечная система такая, какая она есть сейчас, почему Земля стала нашим домом? Детального ответа на все эти вопросы мы дать не сможем, исследования в этой области находятся в стадии развития, данные все время уточняются, появляются новые факты и новые мнения. Да и события эти происходили очень давно, в то время не было фото- и видеоаппаратуры, чтобы зафиксировать происходящее. Не было и самих наблюдателей! Но общая картина, как ее представляют себе ученые, существует. Она построена с помощью известных законов природы на основе имеющихся в распоряжении науки данных.

Самое начало, самый трудный для описания этап. Предполагается, что вначале вокруг уже существующего Солнца вращалось допланетное газопылевое облако – это гипотеза российского академика О. Ю. Шмидта, которая поддерживается большинством ученых, занимающихся этим вопросом. Анализ движения мелких частиц показал, что, вращаясь вокруг Солнца по различным, отличающимся друг от друга орбитам, частицы, которых было огромное множество, неизбежно сталкивались друг с другом. Это приводило к обмену между ними энергией, разогреву и к слипанию их в вакууме. В результате столкновения и слипания «усреднялись» параметры движения частиц, сближались орбиты. К слипшимся частицам присоединялись новые, образовывались сгустки, которые росли в размерах тем быстрее, чем больше становились. Это является следствием закона всемирного тяготения – чем больше (массивнее) тело, тем сильнее оно притягивает к себе другие тела. Так постепенно образовывались первичные зародыши планет. Чем крупнее они становились, тем ближе к круговым (вследствие «усреднения») становились их орбиты. Наклоны орбит также «усреднялись», что на следующем этапе привело к образованию планет, орбиты которых находятся почти в одной плоскости. И изменением формы орбит, и выравниванием плоскостей вращения вокруг Солнца также управлял закон всемирного тяготения.

В областях, близких к Солнцу, частицы, образовавшие планеты, сильно нагревались. Летучие легкие компоненты, входящие в их состав, – замерзшие газы – испарялись. Поэтому поблизости от Солнца образовались небольшие планеты, состоящие из тугоплавких тяжелых элементов, – Меркурий, Венера, Земля и Марс – планеты земного типа. В более далеких и в более холодных частях Солнечной системы легкие элементы, находящиеся первоначально в твердом состоянии, сохранились. Поэтому там образовались планеты-гиганты – Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, состоящие в основном из водорода и его соединений. Совсем далеко от Солнца, там, где вещества в газопылевом облаке оставалось уже немного, образовался небольшой Плутон, орбита которого не смогла прийти к оптимальному виду, так как за ним уже не было значительных масс для образования других тел. По поводу образования Плутона высказываются, правда, и другие предположения.

Модель О. Ю. Шмидта позволяет объяснить многие особенности строения Солнечной системы, в частности эмпирический (выведенный на основе наблюдений) закон планетных расстояний, связывающий радиус орбиты планеты с ее номером, отсчитывающимся в порядке удаления от Солнца. Возникновение систем спутников планет также удовлетворительно может быть объяснено процессом, аналогичным процессу образования самих планет.

Безусловно, остаются вопросы, которые не удается полностью решить в рамках одной, даже очень привлекательной гипотезы. В рождении Земли не все совершенно ясно.

Но какие бы новые данные ни появились в результате новейших исследований, одно положение не может подвергаться сомнению. Ведущую роль в рождении и дальнейшей эволюции Земли играет Солнце. Его поле тяготения, свет и другие виды излучения определяют всю историю Земли.

Итак, Земля родилась из небольшого сгустка частиц протопланетного (газопылевого) облака. Произошло это, по современным данным, примерно 4,5 млрд лет тому назад. Этот срок очень велик. Жизнь одного поколения людей не превышает стомиллионной доли жизни планеты. Со времен античности до нашего времени сменилось не более 60 поколений, а за всю историю Земли могло бы смениться 100 000 000 поколений.

Когда молодая Земля выросла примерно до современной массы, а это произошло примерно через 100–200 млн лет после ее образования, она нагрелась. Главным источником разогрева первично холодной Земли считается тепло, выделяющееся при радиоактивном распаде нестабильных изотопов. Это то же тепло, которое выделяется в ядерных реакторах атомных электростанций. Только для получения большего эффекта люди ускоряют процессы распада, в единицу времени тепла на атомных электростанциях выделяется больше, чем в естественных условиях. Дополнительно нагрев Земли усиливался под действием ударов при столкновении с Землей других сгустков и более мелких тел, которых при образовании планет на орбитах вокруг Солнца было много. Предварительные расчеты показали, что в результате этих процессов температура на глубине 300–500 км под поверхностью выросла до 1500 °C. Разогрев Земли приводил к тому, что более тяжелые вещества плавились и опускались вниз, а более легкие поднимались наверх. Расплавлялись тяжелые металлы, железо, никель и погружались к центру планеты. Вверх поднимались вещества, содержащие кремний, алюминий, кислород, углерод. Этот процесс привел к гравитационному расслоению Земли (расслоению в поле тяжести) и образованию плотного ядра и менее плотных окружающих ядро оболочек.

Действительно ли так происходило, есть ли следы произошедшего расслоения, которые можно обнаружить? Оказывается, образование различных земных слоев – геосфер – на разной глубине под поверхностью действительно произошло, это можно подтвердить с помощью геофизических опытов. Во время землетрясений ударные волны пронизывают недра земного шара и на границах геосфер частично меняют скорость своего прохождения, частично отражаются от поверхности раздела. На специальных сейсмических станциях приборы улавливают эти волны, исследователи сравнивают показания различных станций и определяют центр землетрясения и одновременно устанавливают, на каких глубинах находятся поверхности раздела различных геосфер и через какие породы прошли ударные волны.

В настоящее время выделяются следующие оболочки Земли (см. рис. 15 на вкладке). В центре земного шара находится внутреннее металлическое ядро, в состав которого входят потонувшие в поле тяжести Земли железо и никель. Его радиус примерно 1250 км, т. е. граница внутреннего ядра находится на глубине 5150 км под внешней поверхностью (у нас под ногами). Расчеты показывают, что температура в центре Земли достигает 5000 °C!

Внутренне ядро окружено внешним ядром, верхняя граница которого находится на глубине 2900 км. Внешнее ядро реагирует на сейсмические волны как жидкая среда, видимо, вещество здесь находится в жидком или жидкопластичном состоянии. Ядро окутано слоем, который называется мантией. Мантия имеет сложное строение. До глубины 700 км находится нижняя мантия, вещество нижней мантии однородно по составу, об этом свидетельствуют скорости прохождения через нее сейсмических волн. Верхняя мантия расположена выше, до глубин 100–200 км. Она неоднородна по составу, в ней по мере приближения к поверхности Земли происходит падение температуры до 1000 °C, вещество этого слоя может являться смесью твердых и частично расплавленных пород.