Возникновение и эволюция Солнечной системы и Земли

Солнце - желтый карлик (параметры - в предыдущем параграфе), движется со скоростью примерно 250 км/с вокруг центра Галактики. Его возраст ~6 млрд. лет. Испускание Солнцем энергии в виде электромагнитного излучения, в соответствии с формулой Эйнштейна , ведет к ежегодной потере массы, равной ~7·10^-14· . От Солнца (солнечной короны) в окружающее пространство исходит солнечный ветер - поток плазмы, состоящей из протонов (ядер Н), электронов, ядер Не, ионов O, Si, S, Fe и других элементов, уменьшающий ежегодно массу Солнца на ~2·10^-14· .

В состав Солнечной системы, кроме самого Солнца, входят 9 планет (в 2006 г. Плутон решили считать не планетой, а астероидом, и планет осталось 8) и их спутники, множество малых планет (астероидов), движущихся в основном между орбитами Марса и Юпитера, комет и метеорных тел.

Возраст земной коры и, по-видимому, возраст планет Солнечной системы ~5 млрд. лет.

Гипотезы, объясняющие происхождение Солнечной системы из газопылевого облака, выдвигали И. Кант (нем., 1755 г.), П.С. Лаплас (фр., 1796 г.), в середине нашего века О.Ю. Шмидт (сов.), затем развивали Х. Альфвен (шв.) и Ф. Хойл (англ.). Основная идея гипотезы заключается в уже описанном выше гравитационном коллапсе (сжатии, уплотнении) частиц околосолнечной газопылевой туманности к случайным сгущениям вещества, неизбежно возникающим в такой туманности. Вопросы о причине вращения планет и о различии их химического состава (близкие к Солнцу планеты имеют большую плотность и содержат больше тяжелых элементов, чем удаленные) решались разными авторами по-разному.

По Лапласу исходная туманность уже вращалась, по Шмидту вначале движение было хаотическим, но преобладало определенное направление вращения, в котором и стали в результате соударений двигаться все частицы. По Альфвену излучение Солнца ионизовало атомы туманности и магнитное поле изначально вращавшегося Солнца вовлекло во вращение всю массу туманности.

В результате вращения туманность становилась более плоской, превратилась в диск, в котором и возникли планеты. Это объясняет, почему орбиты всех планет лежат в одной плоскости.

Различие в химическом составе планет О.Ю. Шмидт объясняет тем, что легкие элементы (водород и гелий) улетучивались из более прогретой центральной части туманности и конденсировались на ее периферии.

Завершенной теории эволюции Солнечной системы в настоящее время еще нет.

Планета Земля имеет радиус =6.4 тыс. км, массу =6.0·10²⁴ кг, ее средняя плотность составляет примерно 5500 кг/м³. Она движется вокруг Солнца по орбите радиусом 150 млн. км со скоростью 30 км/с.

Энергетика Земли не вполне изучена. На поверхности основным источником энергии является солнечное излучение, мощность которого за пределами атмосферы равна 1.36 кВт на 1 м² поверхности, перпендикулярной к лучам. Источником разогрева внутренней части является, вероятно, энергия, выделяющаяся при распаде ядер тяжелых элементов.

Твердая часть Земли - литосфера, на части поверхности расположен слой воды - гидросфера, над поверхностью - газовая и плазменная оболочка - атмосфера.

Под тончайшим и не повсеместным, но жизненно важным для человечества слоем почвы располагается на обширных площадях, но также не повсеместно, слой осадочных пород (пески, песчаники, глины, мел, известняк), возникших в результате осаждения на дно бывших океанов и морей солей, продуктов жизнедеятельности микроорганизмов и сносимых в океаны частиц песка и других минеральных частиц. Каменный уголь и нефть также можно отнести к составляющим земной коры осадочного происхождения.

Глубже располагается земная кора (на суше толщиной 30-40 км, под горами до 80 км, под океанами 5-8 км), состоящая из гранитного и более глубинного базальтового слоев. Базальтовый слой отделяется от ниже залегающих пород поверхностью А. Мохоровичича, являющейся нижней границей земной коры.

Далее до глубины ~2900 км простирается мантия или оболочка Земли; в центре находится ядро радиусом 3470 км. Плотность земного вещества нарастает с увеличением глубины из-за огромного давления вышележащих слоев и, возможно, из-за изменения химического состава. Плотность возрастает от 2600 кг/м³ на поверхности до 5000-6000 кг/м³ в мантии, затем при переходе к ядру следует скачок до ~9000 кг/м³ и последующее нарастание до значений, оцениваемых по разным моделям, от ~10 тыс. до 18 тыс. кг/м³.

Температурный профиль Земли исследован недостаточно, но считается, что температура в земной коре быстро нарастает, затем ее рост замедляется и, достигнув значения 2000-3000 К, температура остается постоянной.

Физические свойства вещества при столь высоких температурах и огромных давлениях, превышающих, например, на внешней границе ядра 1,4 млн. атм., становятся отличными от наблюдаемых в обычных условиях, что может быть объяснено, например, разрушением электронных оболочек атомов. Земное ядро или его внешняя часть по данным сейсмических исследований проявляют свойства жидкости, а в мантии вещество остается твердым ввиду большого давления, хотя температура и превышает температуру плавления горных пород.

Литосфера Земли не находится в неизменном состоянии. В ней протекают чрезвычайно мощные процессы, проявляющиеся на исторически малых отрезках времени в таких явлениях, как землетрясения, вулканическая деятельность, а на протяженных временных интервалах - в изменении рельефа местности (горообразовании, исчезновении и возникновении морей), в изменении очертаний континентов, вплоть до их разделения и возникновения новых.

Источником такой геологической активности являются, в первую очередь, процессы конвективного перемещения вещества в верхней части мантии, подстилающей земную кору. Так, на глубине 50-100 км на участках с пониженным давлением вышележащих слоев перегретое вещество переходит из твердого в жидкое состояние, образуя очаги магмы - расплавленной горной породы. Прорывы магмы на поверхность создают вулканы. Очаги землетрясений также лежат на глубинах до нескольких сот километров.

Для объяснения эволюции материков и рельефа принято считать, что земная кора состоит из огромных прочных и толстых литосферных плит, разделенных участками более тонкой и менее прочной земной коры. Последние, как правило, совпадают с углублениями в поверхности, заполненными водой, то есть с морями и океанами. На поверхности литосферных плит (например, в европейской части России) медленные процессы изменения рельефа обусловлены влиянием гидро- и атмосферы, а в последние века - и деятельностью людей. В местах же истончения или столкновения плит геологическая активность высока - идет изменение рельефа, значительна сейсмическая и вулканическая активность.

Осадкообразование в гидросфере, вулканическая деятельность и другие виды рельефообразование, приводящие к уходу вглубь поверхностных слоев и выходу наружу глубинных слоев, являются источником образования месторождений полезных ископаемых и используемых в человеческой деятельности горных пород.

В соответствии с происхождением горные породы подразделяют на магматические (изверженные), например - базальт, гранит, габбро, пемза, уже упомянутые осадочные, образовавшиеся из обломков ранее существовавших пород, при кристаллизации солей из водных растворов и в результате жизнедеятельности организмов, а также метаморфические, возникшие из магматических и осадочных пород в результате воздействия давления, температуры и химических процессов после их погружения вглубь коры, например кварциты, возникшие из песчаников, мраморы, возникшие из известняков, сланцы. Каждому типу горных пород, как правило, присущи месторождения определенных ископаемых.

По вопросу о постепенном или скачкообразном характере эволюции Земли исторически сформировались два взгляда. Ж. Кювье (фр.), создатель палеонтологии, обнаружив, что целые группы животных (например, ящеры) вымерли за малый срок, предложил в начале 19-го века теорию катастроф, по которой основные изменения рельефа и жизни на Земле происходили очень быстро в результате грандиозных геологических катаклизмов.

Английский геолог Ч. Лайель во второй половине 19-го века обнаружил, что в Европе вулканические отложения возникли не за короткий, а за большой промежуток времени. В слоях породы все более молодого возраста он обнаружил постепенное уменьшение количества животных вымерших форм и постепенное нарастание количества животных современных форм. В результате он создал учение (актуализм), по которому во все времена действовали те же силы, что и сейчас, и с примерно постоянной интенсивностью (принцип униформизма).

По-видимому, истина лежит посередине: огромные изменения могут быть вызваны и неинтенсивными продолжительными воздействиями, но не исключены и периоды скачкообразных катастрофических изменений на Земле. Последние могут быть вызваны и космическими причинами, к примеру - падением больших метеоритов. Иначе трудно объяснить имевшие место в прошлом резкие изменения климата, возможное изменение положения оси вращения Земли, свидетельством чего является тот факт, что некогда Антарктида была покрыта растительностью.

Геологическая история Земли и история развития жизни на ней подразделяется на эры, делящиеся, в свою очередь, на периоды. Не приводя разделения на периоды, перечислим эры.

Архейская эра началась 3 500 млн. лет назад, в этой эре появились микроскопические растительные организмы.

Протерозойская - началась 1 900 млн. лет назад, появились водоросли, первые беспозвоночные животные.

Палеозойская - началась 570 млн. лет назад, появились рыбы, позвоночные вышли на сушу, появились наземные растения.

Мезозойская эра началась 225 млн. лет назад, произошел расцвет пресмыкающихся (динозавров) и их вымирание к концу эры, появились млекопитающие, распространились хвойные и возникли цветковые растения.

Кайнозойская эра началась 70 млн. лет назад и длится до сих пор. В эту эру развились современные группы и виды животных (в первую очередь - млекопитающих, птиц и насекомых) и растений, примерно 25 млн. лет назад возникли человекообразные обезьяны.

В кайнозойской эре последний период, называемый четвертичным или антропогеном, начался лишь миллион лет назад и ознаменовался появлением человека, формированием современных флоры и фауны.

Анализируя очертания континентов, направления и скорости их современного движения, распространение различных видов современных и древних животных, удается реконструировать историю формирования континентов. Первую реконструкцию выполнил в 1915 г. А. Вегенер (нем.).

Вероятно, еще в середине палеозойской эры существовал единый массив суши, названный Вегенером Пангеей (греч. - вся Земля). К концу палеозойской эры Пангея раскололась на Лавразию, включавшую Северную Америку, Евразию и северную часть Атлантического океана, Гондвану, включавшую Южную Америку, Африку и южную часть Атлантического океана, и Австралию.

В мезозойскую эру развилось множество внутриматериковых морей, занимавших значительную часть Европы и разделивших Северную Америку и Евразию. В конце мезозойской эры Гондвана разделилась на Африку и Южную Америку; на западном побережье Америк, удалявшихся от Евразии и Африки, возникла горная складка - Анды и Кордильеры.

В кайнозойскую эру сформировались континенты в очертаниях, близких к современным. Индийский материк, отколовшийся от Гондваны, столкнулся с Азией и появились Гималаи и Тибет. Но на значительной части Центральной и Восточной Европы еще находилось море. Лишь формирование Альп, Апеннинских и Пиренейских гор, Карпат, Кавказа, начавшееся 25 млн. лет назад, придало Европе современные очертания. Апеннины

Четвертичный период (антропоген) начался при сравнительно теплом климате (в Европе жили слоны, верблюды, носороги), но во второй его половине наступило похолодание, после которого сформировался тот рельеф поверхности Земли, животный и растительный мир, которые существуют и сейчас.

3/4 массы атмосферы Земли сосредоточено в слое толщиной 6-15 км, называемом тропосферой, в которой температура изменяется от температуры поверхности до некоторого постоянного значения. Далее температура с высотой не изменяется - это стратосфера, простирающаяся до высоты 40 км. Тропосфера тем толще, чем теплее на поверхности, но так как с высотой температура в тропосфере снижается, тем холоднее стратосфера в данном месте. Над Арктикой тропосфера имеет толщину ~8 км, а температура стратосферы ~-45ºС, над экватором толщина тропосферы достигает 17 км, а температура стратосферы -80ºС. В тропосфере – «фабрике погоды» - развиваются различные погодные явления: облачность, снег, дождь.

Над стратосферой до уровня 80 км простирается мезосфера, далее до высоты 800 км - ионосфера, состоящая не из молекул газов, а ионов, образовавшихся в результате разрушения молекул солнечным излучением.

Земля обладает довольно сильным магнитным полем, наличие которого объясняет теория Я.И. Френкеля (сов., 1947 г.). По этой теории процессы в земном ядре подобны работе динамо-машины с самовозбуждением. Роль ротора играют струи жидкого металла в ядре, закручивающиеся в результате вращения Земли в вихри (витки). Какое-то первоначальное магнитное поле, например, космического происхождения, создавало в этих витках индукционный ток, магнитное поле которого намагничивало ядро Земли.

Возникшее магнитное поле Земли усиливало индукционный ток в «витках ротора», что вызывало дальнейшее увеличение магнитного поля тока и намагничивание земного ядра до насыщения.

Важнейшая для жизни роль магнитного поля Земли - его способность задерживать падающий на нашу планету поток заряженных частиц, формируя радиационные пояса Земли, начинающиеся на высоте ~500 км и тянущиеся на несколько тысяч километров от земной поверхности.

Радиационные пояса, атмосфера, в том числе - озоновый слой, защищают Землю от части ультрафиолетового и почти всего рентгеновского излучения Солнца, космических лучей, микрометеоритов, пропуская при этом на Землю видимый свет, а в обратном направлении - тепловое излучение Земли. Благодаря этому на нашей планете существуют условия, достаточно комфортные для возникновения жизни и развития цивилизации.