Естествознание - Александр Петелин

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.

Последняя твердая оболочка нашей планеты – земная кора. Иногда ее объединяют с твердой частью верхней мантии и называют литосферой. По составу она тоже неоднородна, как по вертикали (сверху вниз), так и по горизонтали. Ее верхней границей является поверхность Земли со всеми формами своего рельефа. Нижняя граница, расположенная на разной глубине и как бы отражающая рельеф земной поверхности, названа по имени югославского геофизика А. Мохоровичича, обнаружившего эту границу, поверхностью Мохоровичича. Под горными областями ее глубина может доходить до 80 км, под равнинами она находится не глубже 30–50 км, под океанами ее глубина составляет всего 10–12 км. Земная кора и есть та скорлупа, которая отделяет все, что на ней находится – живой мир, людей и всю человеческую цивилизацию, от частично расплавленного, раскаленного, подвижного внутреннего мира Земли. Толщина этой скорлупки в среднем меньше 1/100 радиуса земного шара, в некоторых же местах еще меньше, почти 1/1000. Об этом стоит подумать.

Современные исследования показали, что земная кора разбита сложной сетью глубоких трещин, которые уходят на большую глубину. Обычно такие трещины – их называют рифтами – соответствуют границам материковых массивов и океанических впадин (например, кольцевая зона разломов вдоль побережья Тихого океана) или горным поясам – Гималайскому, Уральскому и т. д. Горные пояса при этом представляют собой нечто вроде швов, закрывающих старые разломы. Свежие разломы – это рифты вдоль осей срединно-океанических хребтов. На суше аналогом таких рифтов являются Восточно-Африканские разломы.

Рифты разделяют всю земную кору на отдельные блоки – литосферные плиты, или платформы. Считается установленным, что литосферные плиты могут скользить по подстилающим пластичным полурасплавленным породам верхней мантии. Этот ослабленный подстилающий слой называют астеносферой («астенос» в переводе с греческого означает слабый, ослабленный), он делает возможным горизонтальный дрейф блоков литосферы. Впервые гипотезу о дрейфе материков высказал немецкий ученый А. Вегенер в начале XX в. Он обратил внимание на совпадение береговых линий некоторых материков, они как будто совмещаются друг с другом. Стыковка получается более плотной, если брать не береговую линию, а очертание шельфа – материковой отмели. В 1970 г. американские ученые изучили совмещение некоторых материков с помощью ЭВМ. Результат говорит сам за себя: хорошо совместилось более 93 % границ шельфа, т. е. краевой части материков. Особенно хорошо состыковались Африка и Южная Америка, Антарктида и Африка.

Современная теория дрейфа литосферных плит – теория мобилизма – предполагает, что плиты с одного края наращиваются вдоль рифта. Это наращивание происходит за счет выдавливания вещества верхней мантии через рифты срединно-океанических хребтов. Каждая новая порция поступающего снизу вещества давит на породы, возникшие раньше, и отодвигает их в стороны от рифта. Это давление передается далее, и дно океана постепенно расширяется, раздвигая материки. С другого края плиты погружаются в верхнюю мантию под края соседних плит. Так, африканско-индийская плита, расположенная между срединными хребтами Атлантического и Индийского океанов, на западе постоянно наращивается, а на востоке погружается под индоокеанскую плиту. Общая картина расположения литосферных плит показана на рис. 16.

Оставшиеся оболочки Земли, о которых еще не шла речь, – это гидросфера и атмосфера. Гидросфера – жидкая водяная оболочка, а атмосфера – газовая оболочка Земли. Считается, что гидросфера и атмосфера образовались вместе с земной корой в результате высвобождения веществ верхней мантии. Основная часть воды гидросферы, примерно 97 %, занимает океанские впадины и окраины материков, образуя океаны и моря. Большая часть оставшейся воды (около 2 %) образует полярные шапки и горные ледники. Пресные воды континентов – реки, озера, грунтовые и подземные воды – содержат всего 1 %. Гидросфера играет очень важную роль в формировании современного облика земного шара. Воды океанов являются основной средой в тепловом балансе Земли. Медленно нагреваясь, они в теплом сезоне аккумулируют солнечное тепло и медленно отдают его в атмосферу, нагревая массы воздуха. Суша быстро нагревается и быстро теряет тепло. Поэтому только несколько процентов тепла в общий баланс дает суша, а большая часть поступает из океанов. Присутствие жидкой воды на поверхности Земли считается ключевым фактором образования и развития биосферы. Не было бы жидкой воды, не было бы и жизни на нашей планете.