Глава 14.Современные представления о строении Земли

Замечательный русский ученый К. Э. Циолковский назвал Землю колыбелью человечества. Наша планета – это наш родной дом, в котором мы живем и еще долго будем жить. Поэтому планета Земля вызывает особое отношение у человека. В определенном смысле она выделена самой природой. Из всех планет Солнечной системы только на Земле существуют развитые формы жизни, приведшие к появлению разума. Таким образом, только на нашей планете произошел переход через очередную точку бифуркации в эволюции Вселенной, связанный с глубоким качественным скачком к высшим формам упорядоченности. Поэтому нам важно понять, чем Земля отличается от других планет Солнечной системы, каково ее происхождение и строение.

Для этого нужно сопоставить данные о Земле с тем, что нам известно о других планетах, особенно о планетах земной группы. Этими вопросами занимается сравнительная планетология – новое научное направление, возникшее во второй половине XX века.

14.1. Земля среди других планет Солнечной системы

Планеты Солнечной системы делятся на две группы:

• планеты земной группы (внутренние планеты) – Меркурий, Венера, Земля и Марс;

• внешние планеты - Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон.

Внешние планеты Солнечной системы

Внешние планеты значительно отличаются по массе, составу и строению от внутренних планет. Они имеют низкую среднюю плотность (0,7–1,7 г/см³), что определяется их газовым составом. Газовые оболочки внешних планет в основном состоят из водорода и гелия. Также все эти планеты имеют большое число спутников.

Юпитер – самая крупная планета Солнечной системы. Его масса в 31 раз больше массы Земли и в 2,3 раза больше массы всех остальных планет, вместе взятых. Практически вся масса Юпитера – это охлажденное солнечное вещество. Поэтому средняя плотность Юпитера – 1,3 г/см³, что немного превышает плотность воды. Считается, что планета состоит из центрального ядра с массой 40 земных масс, которое сложено из твердого каменного материала в уплотненном состоянии. Далее идет обширная зона, состоящая из водорода. Внутренняя часть этой зоны от центра планеты до 40 000 км находится под давлением 3 млн атмосфер и при температуре 10 000 К. Водород при этих условиях находится в жидком состоянии и приобретает структуру металла. Электрические токи, возникающие в нем, создают мощное магнитное поле планеты.

Внешняя оболочка простирается до 70 000 км и также состоит из жидкого водорода. Над ней находится собственно атмосфера Юпитера, состоящая из водорода, гелия, метана и аммиака. Толщина атмосферы составляет 1000 км. Большое семейство спутников Юпитера (15) представляет Солнечную систему в миниатюре. При этом средняя плотность спутников зависит от расстояния от Юпитера, подтверждая закономерность, общую для Солнечной системы.

Сатурн – вторая по величине планета. У нее самая низкая плотность из всех планет (0,7 г/см³), что указывает на ее в основном газовый состав. Поскольку сутки на планете составляют всего 10 часов, из-за быстрого вращения Сатурн сильно сжат у полюсов. Внутреннее строение Сатурна примерно такое же, как у Юпитера. Самым примечательным свойством Сатурна являются кольца, окружающие планету в экваториальной плоскости. Они состоят из мелкого каменного материала, покрытого льдом. Предполагается, что кольца – это остатки того протопланетного роя, из которого возникли спутники Сатурна (всего их 17).

Урани Нептун – более далекие и хуже изученные планеты. Они имеют более высокую плотность, чем Сатурн, поэтому на них больше веществ, тяжелее водорода и гелия. Эти планеты имеют ядра диаметром 16 000 км, которые окружены мантиями, состоящими изо льда, и газовые оболочки из водорода с примесью метана. Уран и Нептун также имеют спутники, но о них нам почти ничего не известно.

Плутон – самая далекая малая планета, не входящая в семейство газовых гигантов. Его размеры соизмеримы с Луной. Температура на его поверхности всего 50 К, поэтому все газы, кроме водорода и гелия, там выморожены. Считается, что поверхность планеты состоит из метанового льда. В 1978 г. был открыт спутник Плутона – Харон. Так же, как и Земля с Луной, Плутон и Харон представляют двойную планетную систему. Интересно, что масса Харона составляет 1/10 массы Плутона, что является самым высоким показателем в Солнечной системе.

Планеты земной группы

Планеты земной группы отличаются от планет-гигантов, а также друг от друга. Среди них нет двух одинаковых планет. Они отличны по размерам, физико-химическим параметрам, строению недр и поверхностей, составам атмосфер. В основном эти различия определены начальными условиями формирования планет – химическим составом, плотностью вещества в тех частях протопланетного облака, где эти планеты формировались. Также на них влияло расстояние от Солнца, резонансное взаимодействие с ним и другими планетами.

Меркурий – ближайшая к Солнцу планета, имеющая самую высокую среднюю плотность. Это указывает на то, что ядро Меркурия состоит из металлов. Поверхность Меркурия напоминает Луну, так как покрыта многочисленными кратерами ударного происхождения. Атмосферы на планете нет. На освещенной стороне температура достигает 625 К, поэтому молекулы газов приобретают скорость, достаточную, чтобы навсегда покинуть планету.

Венера – планета, по своим размерам, массе и средней плотности наиболее близкая к Земле. У нее самая мощная атмосфера из всех планет земной группы, на 97% состоящая из углекислого газа. Температура у поверхности Венеры достигает 750 К при давлении в 90 атмосфер. На Венере есть кора, аналогичная земной. Внутренняя структура планеты также должна быть похожей на земную – металлическое ядро и силикатная мантия.

Земля – самая крупная из внутренних планет. У нее есть очень крупный спутник – Луна, масса которой составляет 1/81 массы Земли. У Земли очень необычная азотно-кислородная атмосфера, единственная в Солнечной системе. Кроме того, на Земле есть жизнь и разум. Под действием притяжения Солнца Земля, как и другие тела Солнечной системы, обращается вокруг него по эллиптической орбите, мало отличающейся от круговой. Тем не менее, расстояние от Земли до Солнца в течение года меняется почти на 5 млн км. Скорость движения Земли по орбите - около 30 км/с. Вместе с Солнцем Земля участвует в движении вокруг центра Галактики со средней скоростью 250 км/с. Если смотреть на Землю, поднявшись над Северным полюсом, то орбитальное движение Земли происходит против часовой стрелки, т.е. в том же направлении, что и осевое вращение Солнца, и осевое вращение Земли, и обращение Луны вокруг Земли. Это называется прямым вращением.

Притяжение Луны создает приливные деформации как атмосферы с гидросферой, так и твердой оболочки Земли. В результате вращение Земли замедляется, а Луна удаляется от Земли. За столетие период вращения Земли вокруг своей оси возрастает на несколько миллисекунд. 500 млн лет назад земные сутки длились около 21 часа.

Так как Земля имеет сплюснутую форму, а орбита Луны не лежит в плоскости земного экватора, притяжение Луны вызывает медленный поворот земной оси в пространстве – прецессию. Полный поворот происходит за 26 тыс. лет. В результате медленно изменяется картина суточного вращения звездного неба. Около 4 тысяч лет назад полюс мира был вблизи а Дракона, теперь же он расположен вблизи Полярной звезды, а через 12 тыс. лет «полярной» звездой станет Вега. На это движение помимо прочего накладываются периодические колебания направления оси – нутация, период которой составляет 18,6 года. Вместе это приводит к перемещению географических полюсов по земной поверхности. Сейчас Северный полюс смещается в сторону Северной Америки со скоростью 11 см в год.

Луна – наш спутник и ближайшее к нам космическое тело. Поверхность Луны изучена достаточно хорошо. Она состоит из светлых участков, образованных горными системами, и темных участков – морей. Названия для них были предложены еще в XVII в. На лунной карте есть Море Дождей, Море Ясности, Море Изобилия, Море Спокойствия, Океан Бурь и др. Кроме того, на Луне множество кратеров ударного происхождения, самые крупные из которых называются лунными цирками.

Луна представляет собой сферическое тело, сложенное из силикатного материала и лишенное металлического ядра. Луна состоит из коры мощностью 20–30 км, мантии, достигающей глубины 1000 км, и силикатного ядра радиусом 700 км. Лунная кора похожа на земную океаническую кору, а мантия и ядро отличаются от земных. На Луне отсутствует атмосфера, хотя недавно обнаружена вода в виде льда.

До сих пор загадкой остается происхождение Луны. Приведенная нами выше концепция Альвена–Аррениуса не работает при описании Луны. Поэтому Альвен и Аррениус предположили, что Луна начала формироваться как самостоятельная планета, но ее струйный поток в силу невыясненных обстоятельств располагался в непосредственной близости от более мощного струйного потока Земли. Эти потоки пересеклись, и струйный поток Луны был захвачен струйным потоком Земли. Дальнейшее формирование двух планетных тел шло совместно. Вторжение Луны в окрестности Земли прекратило формирование вторичных тел (по гипотезе Альвена–Аррениуса, должно было образоваться пять небольших спутников), и вместо еще одной внутренней планетной системы появилось сообщество планеты и планетоподобного спутника.

Существуют и другие гипотезы. Еще Дж. Дарвин высказал идею возможного отделения Луны от Земли на ранних этапах ее истории. Также высказывается предположение о захвате Луны, сформировавшейся как планета вблизи Солнца, Землей. Это произошло в результате воздействия Меркурия на орбиту Луны (она имела радиус 0,28 а.е.). При этом Меркурий приобрел сильно вытянутую орбиту, а Луна приблизилась настолько близко к Земле, что была захвачена ей. Есть также интересные гипотезы, которые предлагают рассматривать Меркурий в качестве бывшего планетоподобного спутника Венеры, покинувшего «хозяйку» и поднявшего свой статус до полноправной планеты.

Еще одна группа гипотез предлагает варианты катастрофического происхождения Луны. Возможно, Луна появилась в результате касательного столкновения Протоземли с Протомарсом на заре истории этих планет. При этом произошло отделение громадного куска вещества из того места, где сейчас находится впадина Тихого океана. Отделившийся кусок стал Луной, а потеря Землей части своего вещества привела к наблюдаемому сегодня неравномерному распределению ее массы.

Марс - последняя планета земной группы. Он наиболее удален от Солнца и имеет самую низкую среднюю плотность вещества. Марс значительно меньше Земли и имеет маломощную атмосферу (атмосферное давление на поверхности составляет 6 мм рт. ст.), состоящую из углекислого газа. Поэтому поверхность планеты покрыта метеоритными кратерами. На Марсе есть вода, образующая белые полярные шапки. Поверхность Марса имеет характерный красноватый цвет, который придают ей окислы железа. У Марса два спутника – Фобос и Деймос. Они имеют неправильную форму и, возможно, являются захваченными Марсом астероидами.

Современные знания о Солнечной системе в концентрированном виде приведены в табл. 14.1.

Таблица 14.1. Основные данные о планетах земной группы

Сравнительная характеристика планет земной группы

Из всех планет земной группы Земля – самая большая планета. Но как показывают оценки, даже такие размеры и масса оказываются минимальными, при которых планета способна удержать свою газовую атмосферу. Тем не менее, Земля теряет водород и другие легкие газы, что заметно по шлейфу, который тянется за нашей планетой. Венера почти равна по размерам и массе Земле, но она ближе к Солнцу и получает от него больше тепла. Поэтому она давно потеряла весь свой свободный водород. У двух других планет атмосфера либо отсутствует (как у Меркурия), либо сохранилась в очень разреженном состоянии (как у Марса).

Наиболее близкие к Солнцу планеты – Меркурий и Венера обладают очень медленным вращением вокруг оси, продолжающимся десятками и сотнями земных суток. Медленное вращение этих планет, по-видимому, связано с их резонансным взаимодействием с Солнцем и друг с другом. Земля и Марс делают оборот вокруг своей оси примерно за одинаковое время – 24 часа.

Венера – единственная планета, имеющая обратное вращение, противоположное направлению вращения Солнца вокруг своей оси. Она как бы опрокинута «вверх ногами» на своей орбите.

Из всех планет только Земля обладает сильным магнитным полем, на два порядка превосходящим значения магнитных полей у других планет.

Важнейшей характеристикой любой планеты является наличие (или отсутствие) атмосферы. Три из четырех планет обладают заметной атмосферой. Атмосфера Земли кардинально отличается от атмосфер других планет: в ней мало углекислого, газа, много молекулярного кислорода и паров воды. Это связано с тем, что вода морей и океанов Земли хорошо поглощает углекислый газ, а живое вещество биосферы планеты насыщает атмосферу кислородом, образующимся в ходе процессов фотосинтеза. Подсчеты показывают, что если освободить всю поглощенную водой океанов углекислоту и одновременно убрать из атмосферы кислород, накопленный за счет жизнедеятельности растений, состав земной атмосферы стал бы подобным составу атмосфер Венеры и Марса. Относительно малые размеры Марса не позволили ему удержать плотную атмосферу. Тем не менее, раньше она была более плотной из-за процессов активного выделения газов из недр планеты. Тогда, очевидно, условия на планете были более мягкими, без резких перепадов дневных и ночных температур. Сейчас же в разреженной атмосфере Марса возникают настолько мощные пылевые бури, что они поднимают массы песка на высоту многих километров, практически скрывая поверхность планеты от наблюдателей за непроницаемой завесой пыли.

Венера, напротив, имеет очень плотную атмосферу, в основном состоящую из углекислого газа. Возникший из-за этого парниковый эффект разогрел поверхность Венеры до огромных температур. Близость Венеры к Солнцу способствовала быстрой потере водорода, что привело к невозможности появления воды и снижения температуры на поверхности планеты до приемлемого уровня.

На Венере, таким образом, отсутствует гидросфера. Да и в атмосфере пары воды присутствуют в очень незначительном количестве. Причины этого до сих пор неизвестны. Тем не менее, существует предположение, что отсутствие гидросферы, очень медленное обратное вращение и отсутствие своего магнитного поля у Венеры являются следствием некоей общей причины, определившей различия в путях развития Венеры и Земли.

На Марсе в прошлом (примерно миллиард лет назад) существовала гидросфера. А три миллиарда лет назад там, возможно, был океан. В наши дни вода на Марсе существует в виде инея и льда в полярных шапках этой планеты. Также вода должна быть на планете в слое вечной мерзлоты. Поэтому на Марсе может существовать жизнь, по крайней мере, в простейших ее формах.

Лишь на Земле гидросфера развита настолько хорошо, что существует в виде Мирового океана, занимающего большую часть поверхности нашей планеты. Поэтому наша планета должна бы называться не Землей, а Океаном.

Существенно отличаются также и рельефы планет земной группы, что связано с различиями в вулканических и геологических процессов на них. Сегодня считается, что тектоническая активность может служить мерилом жизнеспособности планеты в целом. Если тектоническая деятельность отсутствует или значительно сокращается, можно делать вывод об умирании этой планеты. При тектонической деятельности идет активный обмен веществом и энергией между поверхностью и недрами планеты. При этом формируется и поддерживается атмосфера, гидросфера и господствующие типы рельефа местности. С прекращением тектонической активности планета превращается в мертвое небесное тело, на котором преобладают процессы деградации.

Земля и в наши дни отличается высокой тектонической активностью, ее геологическая история далека от завершения. Это проявляется в периодически случающихся землетрясениях и извержениях вулканов, иногда носящих катастрофический характер. В прошлом Земля отличалась еще большей геологической активностью. Поэтому современный рельеф Земли продолжает меняться. Огромную роль при этом играет воздействие не только эндогенных (тектонических), но и экзогенных процессов – гидросферных, атмосферных и биосферных. На других планетах такое сочетание факторов отсутствует.

Рельеф земной поверхности отличается глобальной асимметрией. Она хорошо заметна на глобусе при сравнении Северного и Южного полушарий, на котором видно, что участки суши и моря симметричны относительно центра Земли.

Средняя глубина Мирового океана близка к 4 км, хотя отдельные впадины достигают глубины почти в 12 км (Марианская впадина), а некоторые вершины и вулканические конусы значительно выступают над поверхностью воды, образуя целые острова.

Рельеф континентальной части планеты более разнообразен: равнины, возвышенности, плато, горные хребты и огромные горные системы сменяют друг друга. Отдельные участки суши лежат ниже уровня моря (район Мертвого моря, Нидерланды), а некоторые горные вершины достигают высоты почти в 9 км.

Асимметричны не только рельефы, но и тепловые режимы Северного и Южного полушарий. Северное полушарие более теплое, чем Южное. Так, в Северном полушарии температура опускается до – 70°С, а в Южном – до – 90°С. Кроме того, в Южном полушарии расположен абсолютный полюс ветров (в Антарктиде) и «ревущие сороковые» широты – зона постоянных бурь и ураганов. Неодинаковы и тепловые режимы Западного и Воcточного полушарий. Так, в Америке климат более умеренный, чем в Азии. Это связано с тем, что в Азии горные цепи расположены по параллелям и задерживают перемещение воздушных масс в направлении с юга на север. Поэтому значительная часть азиатской территории содержит многолетнемерзлые грунты. А в Восточной Сибири зимой обычно устанавливается устойчивый антициклон с низкими температурами. Кроме того, в Западном полушарии больше воды, чем в Восточном. Это также смягчает американский климат.

Рельефы Марса и Венеры формировались в иных условиях, чем на Земле. Отсутствие гидросферы исключает разделение на океанский и континентальный рельефы. Иначе проходила и тектоническая деятельность на этих планетах.

В наши дни на Марсе отсутствует вулканическая активность, хотя еще сто миллионов лет назад она была довольно бурной. От того времени сохранились конусы потухших вулканов, покрытая лавами большая часть поверхности планеты, а также характерные разломы и сбросы марсианской коры.

Одним из следствий затухания вулканической деятельности стало резкое сокращение поступления газов из недр планеты в атмосферу. А поскольку масса Марса недостаточна для удержания плотной атмосферы, она начала редеть. Все говорит о том, что геологическая эволюция Марса завершилась.

У Марса, как и у Земли, наблюдается небольшая асимметрия двух полушарий. Рельеф Северного полушария равнинный, с хорошо выраженными признаками прошлой вулканической деятельности. Здесь располагаются крупнейшие вулканические конусы планеты, в том числе гигантские горы Арсия, Акреус, Павонис и Олимп. Диаметры их оснований достигают 500–600 км, высоты над уровнем поверхности – 26–27 км, диаметры кратеров на вершинах – 60–100 км. Южное же полушарие почти сплошь покрыто кратерами ударного происхождения и напоминает лунный ландшафт. Нет на Марсе ни литосферных плит, ни геосинклинальных областей, присутствующих на Земле.

Поверхность Венеры в основном представляет собой равнину, на фоне которой выделяются две обширные горные области – Земля Иштар и Земля Афродиты. Их средняя высота над равниной – 4 км, простираются они на несколько тысяч километров. Судя по всему, на Земле и Венере шли сходные процессы горообразования: складчатые смятия коры, появляющиеся при горизонтальных сжатиях.

Средний возраст исследованной территории Венеры оценивается в 1 млрд лет. Процессы разрушения поверхностных структур, бурно протекающие на Земле, на Венере идут удивительно медленно: за миллиард лет разрушенный слой не превысил нескольких десятков метров. Подобные темпы разрушения характерны для малых безатмосферных планет типа Меркурия. На Венере причиной такой стабильности является отсутствие гидросферы, окислительной атмосферы, а также тектонической активности в наши дни.

Таким образом, утверждения о том, что Венера – молодая планета, только начинающая свою геологическую историю, неверны. Она уже миновала пору активного планетного развития и в этом отношении близка к Марсу. Сходство Венеры и Марса объяснимо – основным геологообразующим процессом на этих планетах была тектоническая активность.

В современную эпоху только Земля остается «живой» планетой, ее геологическое развитие продолжается.

Главным отличием Земли от других планет является хорошо развитая биосфера. Вершиной эволюции жизни на нашей планете стал человек, обладающий разумом.

Образование Земли

Согласно современным космологическим представлениям, Земля образовалась примерно 4,5 млрд лет назад путем гравитационной конденсации из рассеянного в околосолнечном пространстве газопылевого вещества, содержащего все известные в природе элементы.

Возраст Земли

Лишь в XX в. удалось установить точный возраст нашей планеты. В этом помогли новые методы, связанные с изучением радиоактивных веществ и их распада. В настоящее время имеется достоверная информация о горных породах с возрастом до 3,5 млрд лет. Однако известные наиболее древние отложения в Австралии соответствуют возрасту 4,2–4,3 млрд лет.

Тем не менее, древнейшие породы по составу и структуре не отличаются от аналогичных пород более молодых геологических эпох. Поэтому у нас нет доказательств того, что обнаруженные древнейшие породы возникли одновременно с образованием Земли как планеты. Первичная земная кора, которая в известной степени соответствовала бы дате завершения образования Земли, уничтожена под действием внешних (ветра, воды, живых организмов) и внутренних (магматической деятельности, переплавления, метаморфизма) геологических агентов. По образному выражению Ч. Лайеля, первичный материал Земли перемолот на мельнице Нептуна и переплавлен в кузнице Вулкана.

Следовательно, на основании данных о возрасте древнейших минералов и горных пород можно сделать вывод, что возраст Земли превышает 4 млрд лет, и до этой даты наша планета прошла определенный, хотя и неизвестный путь развития.

На возраст Земли также указывают данные исследования метеоритов – твердых тел Солнечной системы. Они относятся к наиболее изученным космическим объектам и несут ценную информацию. Исследования показывают, что возраст как железных, так и каменных метеоритов совпадает и составляет примерно 4,5–4,6 млрд лет.

Схожие данные получены и при исследовании лунных пород. Образцы этих пород были доставлены на Землю, как с помощью космических станций «Луна», так и экипажами американских космических кораблей «Аполлон». Оказалось, что возраст самых древних лунных образцов совпадает с возрастом самой Луны и составляет 4–4,5 млрд лет. Значит, первичная лунная кора возникла вскоре после образования Луны, и отдельные участки этой коры сохранились до сегодняшнего дня.

Такое совпадение данных для разных тел Солнечной системы не может считаться случайным, поэтому делается вывод о возрасте нашей планеты, равном примерно 4,5 млрд лет. К этому времени завершилось формирование нашей планеты.

Сегодня считается, что геологическая история нашей планеты составляет около 4 млрд лет, а 0,6 млрд лет – это ранняя история Земли.