Планета Земля и её сходства и различия с другими планетами земной группы

Толщина коры непостоянна, она изменяется от нескольких километров в океанических областях до нескольких десятков километров в горных районах материков. В самых грубых моделях Земли кору представляют в виде однородного слоя толщиной порядка 35 километров. Ниже, до глубины примерно 2900 км, расположена мантия. Она, как и земная кора, имеет сложное строение.

Ещё в XIX столетии стало  ясно, что у Земли должно быть плотное ядро. Действительно, плотность  наружных пород земной коры составляет около 2800 кг/м3 для гранитов и примерно 3000 кг/м3 для базальтов, а средняя  плотность нашей планеты – 5500 кг/м3. В то же время существуют железные метеориты со средней плотностью 7850 кг/м3 и возможна ещё более значительная концентрация железа. Это послужило  основанием для гипотезы о железном ядре Земли. А в начале XX в. были получены первые сейсмологические свидетельства его существования.

Граница между ядром  и мантией наиболее отчётливая. Она  сильно отражает продольные (Р) и поперечные (S) сейсмические волны и преломляет Р-волны. Ниже этой границы скорость Р-волны резко падает, а плотность вещества возрастает: от 5600 кг/м3 до 10000 кг/м3. S-волны ядро вообще не пропускает. Это означает, что вещество там находится в жидком состоянии.

Есть и другие свидетельства в пользу гипотезы о жидком железном ядре планеты. Так, открытое в 1905г. изменение магнитного поля Земли в пространстве и по интенсивности привело к заключению, что оно зарождается в глубинах планеты. Там сравнительно быстрые  движения могут происходить, не вызывая  катастрофических последствий. Наиболее вероятный источник такого поля –  жидкое железо (т.е. проводящее токи) ядро, где возникают движения, действующие  по механизму самовозбуждающегося  динамо. В нём должны существовать токовые петли, грубо напоминающие витки провода в электромагните, которые и генерируют различные  составляющие геомагнитного поля.

В 30–е гг. сейсмологи установили, что у Земли есть и  внутреннее, твёрдое ядро. Современное  значение глубины границы между  внутренним и внешним ядрами примерно 5150 км.

Граница наружной зоны Земли – расположена на глубине  порядка 70 км. Литосфера включает в  себя как земную кору, так и часть  верхней мантии. Этот жёсткий слой объединяется в единое целое его  механическими свойствами. Литосфера  расколота примерно на десять больших  плит, на границах которых случается  подавляющее число землетрясений.

Под литосферой на глубинах от 70 до 250 км существует слой повышенной текучести – так называемая астеносфера  Земли. Жёсткие литосферные плиты плавают в «астеносферном океане».

В астеносфере температура  мантийного вещества приближается к  температуре его плавления. Чем  глубже, тем выше давление и температура. В ядре Земли давление превышает 3600 кбар, а температура – 6000 С0.

Тектоника плит 

Ещё в 1912 г. немецкий исследователь Альфред  Вегенер выдвинул гипотезу дрейфа континентов. На эту идею его натолкнули поразительное соответствие очертаний береговых линий материков Африки и Южной Америки, а также явные следы глобального изменения климата в прошлом во многих регионах мира. Но гипотеза поначалу была отвергнута научным сообществом, так как не указывала причин дрейфа. В 30 – е гг. английский геолог Артур Холмс предложил объяснить движение континентов тепловой конвекцией. В 50 – гг., когда широко проводились исследования дна океана, гипотеза о крупны горизонтальных перемещениях в литосфере получила новые подтверждение. Значительную роль в этом сыграло изучение магнитных свойств пород, слагающих океаническое дно.

Ещё в начале XX в. было установлено, что намагниченность современных лав соответствует нынешнему магнитному полю Земли, а у древних лав она часто ориентирована под большими углами или вообще противоположна направлению современного поля. По сути дела эта картина отражает состояние магнитного поля в предшествующие геологические эпохи. В базальтовых лавах много железа, и они, затвердевая по мере охлаждения, намагничивались в соответствии с существовавшим в тот период геомагнитным полем.

Имелись также данные о перемене полярности: северный магнитный  полюс Земли становился южным, и  наоборот. Зарегистрировано 16 инверсий магнитных полюсов за последние  несколько миллионов лет. (Причины  такой переполюсировки до сих пор окончательно не выяснены, предположительно её вызвали процессы, происходившие в жидком ядре.). И, как оказалось, график этих инверсий свидетельствовал в пользу крупномасштабных перемещений материков.

Магнитная съёмка тихоокеанского дна в 1955 и 1957 гг. обнаружила простирающиеся почти параллельно с севера на юг «полосы» с магнитными полями аномальной напряжённости. А в 1963 г. были открыты  полосовые магнитные аномалии, вытянутые  параллельно хребту Карлсберг в Индийском океане. К этому времени уже стала довольно известной гипотеза, выдвинутая в 1960г. профессором Принстонского университета (США) Гарри Хессом и названная позже гипотезой спрединга, или «расширения морского дна». По ней, горячая полурасплавленная мантийная масса поднимается под срединно – океаническими хребтами, распространяется в стороны от них в виде мощных потоков, которые разрывают и расталкивают плиты литосферы в разные стороны. Мантийное вещество заполняет образовавшиеся с обеих сторон от хребтов трещины – рифты.

На площадь поверхности  Земли (как и её объём) практически не изменилась за время её существования. Поэтому если новые участки поверхности наращиваются вдоль хребтов, то где – нибудь они должны и уничтожаться. Вероятнее всего, это происходит в глубоководных океанских желобах. Эти так называемые зоны субдукции (поглощения) расположены вдоль вулканических дуг, протянувшихся в Тихом океане от Аляски вдоль Алеутских островов к Японии, Марианским островам и Филиппинам вплоть до Новой Зеландии и вдоль берегов Америки. Когда в этих зонах земная кора опускается до глубины 100 – 150 км, часть вещества плавится, образуя магму, которая затем в виде лавы прорывается наверх и извергается в вулканах.

Таким образом, земная кора создаётся в рифтовых зонах океанов, как ленточный конвейер, движется со средней скоростью 5 см в год, постепенно остывая.

Гипотеза спрединга может хорошо объяснить магнитные аномалии морского дна. Если расплавленная порода, изливающаяся в срединно – океанических хребтах, затвердевает с обоих сторон от них, а затем расползается в противоположных направлениях, то она будет создавать полосы, намагниченные согласно с ориентацией магнитного поля в период их застывания. Когда поверхность меняется, вновь образовавшееся морское дно намагничивается в противоположном направлении. Чередование полос даёт подробную картину формирования морского дна по обеим сторонам от активного хребта, причём одна сторона является зеркальным отражением другой.

Первые же магнитные  карты тихоокеанского дна у берегов  Северной Америки, в районе хребта Хуан-де-Фука, показали наличие зеркальной симметрии. Ещё более симметричная картина обнаружена с обеих сторон центрального хребта в Атлантическом океане.

Используя концепцию  дрейфа материков, известную сегодня  как «новая глобальная тектоника», можно восстановить взаимное расположение континентов в далёком прошлом. Оказывается, 200 млн. лет назад она  составляли единый материк. 
 

Возраст Земли 

Согласно данным радиоизотопных датировок, возраст  Земли составляет 4,6—5 миллиардов лет. Остатки растений и животных позволяют  узнавать возраст горных пород. Широко известен каменноугольный период, когда  образовались крупнейшие месторождения  на территориях, где ныне находятся  Донбасс, Кузбасс и многие другие районы. В Поволжье крупные месторождения  нефти заключены в породах, которые  отлагались во время девонского периода, а знаменитые месторождения фосфоритов в Южном Казахстане приурочены к  осадкам морей кембрийского периода. Таким образом, в разное время  на Земле отлагались разные ископаемые. Поэтому для их поисков надо уметь  узнавать, в какую эпоху отлагались соответствующие слои и чем они  отличаются от более молодых и  более древних осадочных толщ.

На помощь геологам приходит палеонтология — наука  об организмах геологического прошлого и о развитии живой природы  в течение геологических времён. Если мы находим в пласте известняка панцирь трилобита, то можно уверенно сказать, что известняк образовался  в палеозойскую эру. Этот пласт гораздо  старше, чем слои, в которых найдены  кости млекопитающих животных. Иногда бывает достаточно небольшой раковинки, крохотного обломка окаменевшей  древесины, чтобы определить, в какой  период отлагались те или иные слои.

Изучив последовательно  смену событий — и геологических  и биологических, учёные разделили  всю долгую историю нашей планеты  на пять наиболее крупных отрезков — эр. Три последние эры —  палеозойская, мезозойская и кайнозойская (от греческих слов «палеос» — древний, «мезос» — средний, «кайнос» — новый и «зое» — жизнь) — разделяются на несколько периодов, а периоды в свою очередь — на эпохи и века. Две наиболее древние и самые продолжительные эры — архейская и протерозойская (по-гречески «археос» — древний, старый и «протерос» — первый, начальный) — на периоды, эпохи и века пока не разделяются. Во второй половине протерозойской эры в морях существовало много водорослей и появились первые животные.

Возраст горных пород, устанавливаемый по остаткам растений и животных, называют относительным  геологическим возрастом. Мы можем  узнать, моложе или древнее тот  или иной пласт песчаника или  глины по сравнению с пластами соседнего района.

Но ведь этого  мало. Важно знать, на сколько лет  древнее или моложе, то есть знать  не только относительный, но и абсолютный геологический возраст горных пород, выраженный в миллионах и миллиардах лет. Успехи атомной физики позволяют  геологам достаточно точно определять возраст горных пород. При этом они  используют явления радиоактивности. Атомы некоторых Пральфа- и бета-частицы (это и называется радиоактивным излучением), и превращаются в атомы свинца, гелия и других элементов. Скорость таких превращений для каждого элемента постоянна. Так, уран с атомным весом 238 (238U) превращается в свинец и гелий. Чтобы половина атомов урана превратилась в атомы свинца, требуется 4520 млн лет. Это время называется периодом полураспада урана. Для радия период полураспада 1590 лет, для тория — 13 900 млн лет. Выяснилось, что способностью к радиоактивному распаду обладают некоторые разновидности атомов и у более широко распространённых элементов. Такие разновидности атомов называют радиоактивными изотопами. Радиоактивный изотоп калия (40К) имеет период полураспада в 1,25 млрд лет и превращается в атомы инертного газа аргона, а у изотопа рубидия (87Rb) — 50 млрд лет, и превращается он в атомы стронция. Даже углерод имеет радиоактивные изотопы 14С, которые превращаются в атомы азота, а период полураспада составляет 5760 лет. 

Метод вычисления абсолютного  возраста горной породы по радиоактивным  элементам и изотопам состоит  в том, что учёные — физики и  химики — подсчитывают, сколько  содержится в горной породе атомов радиоактивных элементов — «родителей», а также «новорождённых» элементов  — «детей». Затем зная, сколько  времени нужно для превращения  половины атомов (период полураспада) и сколько атомов распалось в  изучаемой горной породе, составляют простую арифметическую пропорцию. 
 

Происхождение океанов и атмосферы

В земных недрах происходила  не только выплавка базальтового слоя земной коры. Постоянно выделяющиеся во время грандиозных химических реакций газы уже не улетали в  космическое пространство. Масса  планеты настолько возросла, что  была в состоянии удерживать их вблизи поверхности притяжением. Так, возникла первичная атмосфера. Выделяемые при  извержениях пары воды, охлаждаясь, конденсировались и превращались в  жидкость, которая скапливалась в  понижениях рельефа.

Возникновение гидросферы и атмосферы было эпохальным событием в истории Земли. С тех пор  они сосуществуют совместно и  находятся в сложном взаимодействии.

По поводу возникновения  атмосферы учёные выдвигают две  гипотезы. Согласно первой гипотезе, атмосфера  — газообразная выплавка первичного материала, когда-то покрывавшего расплавленную  Землю. Большинство учёных придерживаются второй гипотезы, которая утверждает, что атмосфера является вторичным  образованием, возникшим при освобождении газообразных химических элементов  и соединений из расплавленного вещества. 

Источником газообразных веществ, из которых состояла первичная атмосфера, были расплавленные горные породы земной коры, мантии и ядра. Это говорит  о том, что атмосфера возникла уже после того, как Земля разделилась  на оболочки. Крупнейший американский геохимик Г. Юри предполагает, что такая атмосфера могла состоять из смеси водяного пара, водорода, метана, аммиака и сернистого водорода. Английский геохимик П. Клауд считает, что в ранней атмосфере преобладали пары воды, углекислый газ, угарный газ, хлористый водород, водород и сера. Следовательно, в любом случае первичная атмосфера состояла из лёгких газов, которые удерживались у земной поверхности силами притяжения. Если сравнить древнейшую атмосферу с современной, то в ней отсутствовали привычные нам азот и кислород. Эти газы вместе с парами воды находились тогда в глубоких недрах Земли. Мало в то время было и воды: она в виде гидроксидов входила в состав мантийного вещества. Только после того как из пород верхней мантии стали интенсивно высвобождаться водяной пар и различные газы, возникла гидросфера, а толщина атмосферы и её состав изменились. Кстати, эти процессы продолжаются до сих пор. При извержении вулканов гавайского типа (см.ст. «Вулканы») при температурах 1000—1200° С в газообразных выбросах содержится до 80% паров воды и не менее 6% углекислого газа. Кроме того, в современную атмосферу выбрасывается большое количество хлора, метана, аммиака, фтора, бора и сероводорода.