Основные этапы развития наук о Земле

          Введение 

     Вот уже четыре с половиной миллиарда  лет Земля вращается вокруг Солнца. Разумеется, наша планета не всегда была такой, как сейчас. Лицо Земли, как лицо живого существа, с возрастом  стареет. Меняется состав океанов и атмосферы, вырастают и разрушаются горы, зарождаются и высыхают моря, реки прокладывают себе новый путь и прорезают в древних горах глубокие каньоны. И под воздействием этих глобальных перемен жизнь на Земле тоже меняется. Какие бы события ни происходили на Земле, растения, животные и микроорганизмы ухитрялись приспосабливаться к новым условиям. Откуда же мы знаем об этом? История — наука о человечестве. А о возникновении Земли и развитии жизни на ней рассказывают геология и палеонтология (наука об ископаемых).  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Основные  этапы развития наук о Земле

     Вопрос  ранней эволюции Земли тесно связан с теорией ее происхождения. Сегодня известно, что наша планета образовалась около 4,5 млрд. лет назад. В процессе формирования Земли из частиц протопланетного облака постепенно увеличивалась ее масса. Росли силы тяготения, а следовательно, и скорости частиц, падавших на планету. Кинетическая энергия частиц превращалась в тепло, и Земля все сильнее разогревалась. При ударах на ней возникали кратеры, причем выбрасываемое из них вещество уже не могло преодолеть земного тяготения и падало обратно.

       Чем крупнее были падавшие объекты, тем сильнее они нагревали Землю. Энергия удара освобождалась не на поверхности, а на глубине, равной примерно двум поперечникам внедрившегося тела. А так как основная масса на этом этапе поставлялась планете телами размером в несколько сот километров, то энергия выделялась в слое толщиной порядка 1000 км. Она не успевала излучиться в пространство, оставаясь в недрах Земли. В результате температура на глубинах 100-1000 км могла приблизится к точке плавления. Дополнительное повышение температуры, вероятно, вызвал распад короткоживущих радиоактивных изотопов.

       По-видимому, первые возникшие расплавы представляли собой смесь жидких железа, никеля и серы. Расплав накапливался, а затем вследствие более высокой плотности просачивался вниз, постепенно формируя земное ядро. Таким образом, дифференциация (расслоение) вещества Земли могла начаться еще на стадии ее формирования. Ударная переработка поверхности и начавшаяся конвекция, несомненно, препятствовали этому процессу. Но определенная часть более тяжелого вещества все же успевала опустится под перемешиваемый слой. В свою очередь дифференциация по плотности приостанавливала конвекцию и сопровождалась дополнительным выделением тепла, ускоряя процесс формирования различных зон в Земле.

       Предположительно ядро образовалось за несколько сот миллионов лет. При постепенном остывании планеты богатый никелем железоникелевый сплав, имеющий высокую температуру плавления, начал кристализовываться - так (возможно) зародилось твердое внутреннее ядро. К настоящему времени оно составляет 1,7% массы Земли. В расплавленном внешнем ядре сосредоточено около 30% земной массы.

       Развитие других оболочек продолжалось гораздо дольше и в некотором отношении не закончилось до сих пор.

       Литосфера сразу после своего образования имела небольшую толщину и была очень неустойчивой. Она снова поглощалась мантией, разрушалась в эпоху так называемой великой бомбардировки (от 4,2 до 3,9 млрд. лет назад), когда Земля, как и Луна, подвергалась ударам очень крупных и довольно многочисленных метеоритов. На Луне и сегодня можно увидеть свидетельства метеоритной бомбардировки - многочисленные кратеры и моря (области, заполненные излившейся магмой). На нашей планете активные тектонические процессы и воздействие атмосферы и гидросферы практически стерли следы этого периода.

       Около 3,8 млрд. лет назад сложилась первая легкая и, следовательно, "непотопляемая" гранитная кора. В то время планета уже имела воздушную оболочку и океаны; необходимые для их образования газы усиленно поставлялись из недр Земли в предшествующий период. Атмосфера тогда состояла в основном из углекислого газа, азота и водяных паров. Кислорода в ней было мало, но он вырабатывался в результате, во-первых, фотохимической диссоциации воды и, во-вторых, фотосинтезирующей деятельности простых организмов, таких как сине-зеленые водоросли.

     600 млн лет назад на Земле было несколько подвижных континентальных плит, весьма похожих на современные. Новый сверхматерик Пангея появился значительно позже. Он существовал 300-200 млн. лет назад, а затем распался на части, которые и сформировали нынешние материки.

     Что ждет Землю в будущем? На этот вопрос можно ответить лишь с большой  степенью неопределенности, абстрагируясь  как от возможного внешнего, космического влияния, так и от деятельности человечества, преобразующего окружающую среду, причем не всегда в лучшую сторону.

     В конце концов недра Земли остынут до такой степени, что конвекция в мантии и, следовательно, движение материков (а значит и горообразование, извержение вулканов, землятрясения) постепенно ослабнут и прекратятся. Выветривание со временем сотрет неровности земной коры, и поверхность планеты скроется под водой. Дальнейшая ее судьба будет определяться среднегодовой температурой. Если она значительно понизится, то океан замерзнет и Земля покроется ледяной коркой. Если же температура повысится (а скорее всего именно к этому и приведет возрастющая светимость Солнца), то вода испарится, обнажив ровную поверхность планеты. Очевидно, ни в том, ни в другом случае жизнь человечества на Земле будет уже невозможна, по крайней мере в нашем современном представлении о ней. 
 

2. История геологического развития земли

         Геологическая история Земли

     Геологическая история Земли - последовательность событий в развитии Земли как  планеты: образование горных пород, возникновение и разрушение форм рельефа, погружение суши под воду (наступание моря), отступание моря, оледенение, появление и исчезновение различных видов животных и растений и т.д. Продолжительность геологической истории Земли измеряется многими миллионами лет.

     Обрисованная  выше последовательность основных событий  в истории земной коры, формирование океанов и материков не укладываются в рамки широко распространенного  представления о том, что континенты прогрессивно растут за счет океанов. Современные океаны — отнюдь не реликты (остатки) первичного океана, а геологические структуры континентов, нередко срезанные более молодыми океаническими впадинами; все это противоречит мнению о том, что океаны первичны. В самом деле, как объяснить, почему в течение 4,5 млрд. лет на одних участках процессы разделения вещества мантии привели к созданию мощной континентальной коры, а на других участках процесс этот остановился на стадии формирования примитивной океанической коры? Предположим, такое постоянство можно было бы объяснить первичной неоднородностью мантии. Но это не вяжется с целым рядом фактов общего структурного плана строения литосферы; противоречит этому и история современных геосинклиналей и платформ.

     Не  вполне удовлетворителен и другой взгляд, согласно которому развитие земной коры долгое время шло по пути приращения континентальной коры и лишь в мезозое начался распад континентов, при этом новые океаны образовались либо из-за раздвига континентальных глыб («дрейф континентов»), либо из-за обрушения, погружения и переработки континентальной коры («океанизация»).

     Очевидно, обе эти гипотезы чрезмерно упрощают гораздо более сложный в действительности путь развития литосферы. На ранних этапах, в условиях сильного теплового потока и высокого содержания летучих и легкоплавких веществ в верхней мантии, сначала формировалась первичная океаническая кора (к 4,0 млрд. лет до н. э.), а затем и первичная континентальная (к 3,5—2,0 млрд. лет до н. э.). Этот процесс, постепенно ослабевая, закончился в основном к 2,0 млрд. лет до н. э. созданием, вероятно, довольно равномерного и сравнительно небольшой мощности (в среднем не более 30—35 км) слоя континентальной коры. Вместе с тем со временем ослабевал и тепловой поток из недр, а повсеместная подвижность коры сменилась неравномерной ее подвижностью вдоль сети глубинных разломов в охлажденной твердой оболочке Земли. Затем наступило время раздробления континентальной коры; заложились широкие подвижные геосинклинальные пояса, внутренние части которых на начальных стадиях своего развития приближались к океанам по размерам и характеру коры. Позже в подвижных поясах возникли зоны резкого утолщения коры — местами она почти вдвое толще «нормальной» первичной континентальной коры. Иначе говоря, произошло перераспределение коры: ее толщина на одних площадях резко возросла, а на других не менее резко уменьшилась, при этом возрастала мощность (толщина) литосферы под континентами в связи с погружением ее подошвы. В то же время мощность литосферы под океанами стала уменьшаться, что связано с образованием глубоких разломов

     — рифтов, в которых выступы глубинного подкоркового слоя пониженной плотности и вязкости достигают подошвы коры.

     Таким образом, в ходе эволюции земной коры в верхней мантии (т. е. сферы Земли, охватываемой тектоническими процессами) возрастала неоднородность коры, определившая различия между океаническим и континентальным полушариями Земли, при этом проявлялся наиболее общий закон развития нашей планеты — шло усложнение вещественного состава и структуры земной коры, усиливалась дифференциация и разновременность протекания глубинных процессов в течение геологической истории.

     Конечно, наука идет вперед, совершенствуются и наши представления о прошлом, столь необходимые как для  понимания современных геологических процессов, так и для прогноза на будущее. А о том, как отражаются геологические процессы на современном лике нашей планеты, прочитайте в разделе «Поверхность Земли». 
 

3. Внутреннее  строение Земли

     ЗЕМЛЯ, третья от Солнца большая планета  Солнечной системы. Благодаря своим уникальным, быть может, единственным во Вселенной природным условиям, стала местом, где возникла и получила развитие органическая жизнь. 

     Рис.1 Строение Земли  

     [1] Толщина Земной коры (внешней  оболочки) изменяется от нескольких километров (в океанических областях) до нескольких десятков километров (в горных районах материков). Сфера земной коры очень небольшая, на ее долю приходится всего около 0,5% общей массы планеты. Основной состав коры - это окислы кремния, алюминия, железа и щелочных металлов. В составе континентальной коры, содержащей под осадочным слоем верхний (гранитный) и нижний (базальтовый), встречаются наиболее древние породы Земли, возраст которых оценивается более чем в 3 млрд. лет. Океаническая же кора под осадочным слоем содержит в основном один слой, близкий по составу к базальтовым. Возраст осадочного чехла не превышает 100-150 миллионов лет.

     [1-2] От низ лежащей мантии земную кору отделяет во многом еще загадочный Слой Мохо (назван так в честь сербского сейсмолога Мохоровичича, открывшего его в 1909 году), в котором скорость распространения сейсмических волн скачкообразно увеличивается.

     [2] На долю Мантии приходится  около 67% общей массы планеты.  Твердый слой верхней мантии, распространяющийся до различных  глубин под океанами и континентами, совместно с земной корой называют  литосферой - самой жесткой оболочкой Земли. Под ней отмечен слой, где наблюдается некоторое уменьшение скорости распространения сейсмических волн, что говорит о своеобразном состоянии вещества. Этот слой, менее вязкий и более пластичный по отношению к выше и ниже лежащим слоям, называют астеносферой. Считается, что вещество мантии находится в непрерывном движении, и высказывается предположение, что в относительно глубоких слоях мантии с ростом температуры и давления происходит переход вещества в более плотные модификации. Такой переход подтверждается и экспериментальными исследованиями.

     [3] В нижней мантии на глубине  2900 км отмечается резкий скачок не только в скорости продольных волн, но и в плотности, а поперечные волны здесь исчезают совсем, что указывает на смену вещественного состава пород. Это внешняя граница ядра Земли.

     [4-5] Земное ядро открыто в 1936 году. Получить его изображение было чрезвычайно трудно из-за малого числа сейсмических волн, достигавших его и возвращавшихся к поверхности. Кроме того, экстремальные температуры и давления ядра долгое время трудно было воспроизвести в лаборатории. Земное ядро разделяется на 2 отдельные области: жидкую (ВНЕШНЕЕ ЯДРО) и твердую (BHУTPEHHE), переход между ними лежит на глубине 5156 км. Железо - элемент, который соответствует сейсмическим свойствам ядра и обильно распространен во Вселенной, чтобы представить в ядре планеты приблизительно 35% ее массы. По современным данным, внешнее ядро представляет собой вращающиеся потоки расплавленного железа и никеля, хорошо проводящие электричество. Именно с ним связывают происхождение земного магнитного поля, считая, что, электрические токи, текущие в жидком ядре, создают глобальное магнитное поле. Слой мантии, находящийся в соприкосновении с внешним ядром, испытывает его влияние, поскольку температуры в ядре выше, чем в мантии. Местами этот слой порождает огромные, направленные к поверхности Земли тепломассопотоки - плюмы.

     [6] ВНУТРЕННЕЕ ТВЕРДОЕ ЯДРО не  связано с мантией. Полагают, что  его твердое состояние, несмотря  на высокую температуру, обеспечивается гигантским давлением в центре Земли. Высказываются предположения о том, что в ядре помимо железоникелевых сплавов должны присутствовать и более легкие элементы, такие как кремний и сера, а возможно, кремний и кислород. Вопрос о состоянии ядра 3емли до сих пор остается дискуссионным. По мере удаления от поверхности увеличивается сжатие, которому подвергается вещество. Расчеты показывают, что в земном ядре давление может достигать 3 млн. атм. При этом многие вещества как бы металлизируются - переходят в металлическое состояние. Существовала даже гипотеза, что ядро Земли состоит из металлического водорода. 

Форма, размеры и движение Земли 

     По  форме Земля близка к эллипсоиду, сплюснутому у полюсов и растянутому в экваториальной зоне. Средний радиус Земли 6371,032 км, полярный 6356,777 км, экваториальный 6378,160 км. Масса Земли 5,976·1024 кг, средняя плотность 5518 кг/м3.

     Земля движется вокруг Солнца со средней  скоростью 29,765 км/с по эллиптической, близкой к круговой орбите (эксцентриситет 0,0167); среднее расстояние от Солнца 149,6 млн. км, период одного обращения  по орбите 365, 24 солнечных суток. Вращение Земли вокруг собственной оси происходит со средней угловой скоростью 7,292115·10-5 рад/с, что примерно соответствует периоду в 23 ч 56 мин 4,1 с. Линейная скорость поверхности Земли на экваторе около 465 м/с. Ось вращения наклонена к плоскости эклиптики под углом 66° 33" 22"". Этот наклон и годовое обращение Земли вокруг Солнца обуславливают исключительно важную для климата Земли смену времен года, а собственное ее вращение смену дня и ночи. Вращение Земли из-за приливных воздействий неуклонно (хотя и очень медленно на 0,0015 с за столетие) замедляется. Имеются и небольшие нерегулярные вариации продолжительности суток.