Концепции современного естествознания. Часть 2. Биология и геология - Елена Гороховская

По современным представлениям (на основании анализа состава различных метеоритов, а также полученных экспериментальных геохимических и геофизических данных), в составе Земли преобладают (как по массе, так и по числу атомов) железо, кислород, кремний и магний. В сумме они составляют более 90 % массы Земли (соответственно 34,6 %, 29,5 %, 15,2 %, 12,7 %) [Люстих].

Значительный объем новой информации, особенно о строении атмосферы, был получен в результате исследований глобальных геофизических процессов во время максимальной солнечной активности, проводившихся в рамках Международного геофизического года (1957–58) учеными 67 стран.

На основе измерений с помощью спутников была изучена структура магнитосферы, а также выявлено наличие радиационных поясов вокруг Земли. В конце 1970-х гг. с помощью геодезических спутников (GEOS-3) удалось достичь существенного прогресса в изучении геоида (точной формы Земли). Наряду со спутниковой геодезией широкое развитие получила спутниковая метеорология, что значительно повысило точность метеорологических прогнозов. С 1968 ведется международная программа глубоководного бурения в Мировом океане, что позволило существенно продвинуться в понимании тектонического строения Земли (непосредственному исследованию посредством глубинного бурения доступны сегодня только внешние 12–14 км. (максимальная глубина, достигнутая бурением, составляет немногим более 14 км (скважина Вредефорд в Южной Африке); российская сверхглубокая скважина СГ-3 на Кольском п-ве достигла глубины 12 км), но иногда в эти скважины попадаются «гости» из более глубоких слоев Земли (геосфер)). Большую информацию о недрах дают обломки сверхглубинных пород (ксенолиты) выведенных на поверхность лавой вулканов.

С началом применения мощных компьютеров появилась возможность резкого ускорения и уточнения получаемой геофизической информации. С их помощью с 1980— 90-х гг. развивается геофизическая томография, с помощью которой построены сейсмические разрезы нижней и верхней мантии (рис. 12.1).

Большое значение приобрели данные экспериментальной минералогии, после того как с помощью алмазных наковален удалось добиться получения давлений, отвечаемых предполагаемым, на различных глубинах в мантии, вплоть до ее границы с ядром.

Для изучения максимальных глубин океана стали использоваться обитаемые глубоководные аппараты. В 1960 швейцарец Ж. Пиккар и американец Д. Уолш в батискафе «Триест» достигли дна Марианского желоба – самого глубокого места Мирового океана (11022 м). С 1980— 90-х гг. подводные аппараты с человеком на борту широко используются для выполнения геологических, гидрологических и биологических наблюдений в глубинах океана.

Запуски межпланетных космических аппаратов к Меркурию, Марсу, Венере, а также к более отдаленным планетам позволили также углубить знания о строении и эволюции Земли на основе сравнительного изучения планет (сравнительная планетология). Полученные данные вместе со сведениями о структуре земной коры и глубинных недр планеты послужили основой для разработки моделей развития Земли.

Итак, естественная история Земли выявила особый предмет исследования для основных естественных наук – физики и химии, а применение современных физических и химических инструментов исследования в сочетании с построением физических моделей, породили геофизику (включившую в себя значительную часть геохимии), ставшую ведущей естественной наукой о Земле, использующую первичные идеальные объекты физики (главным образом гидродинамики вязких сред) и химии, что породило два связанных направления: теорию внутреннего строения планеты и теорию тектоники литосферных плит.

12.2. Гипотезы о происхождении Земли и внутреннем источнике ее тепловой энергии 1

В соответствии с современными представлениями Земля сформировалась в результате аккреции (процесса падения различных фрагментов вещества в направлении центра тяжести образующейся планеты, ср. п. 6.3 Части 1) газово-пылевых частиц протопланетного облака (модель «холодного» происхождения Земли, первый вариант которой принадлежит Лапласу). В результате этого постепенно увеличивалась её масса и росла сила тяготения, а следовательно, и скорости частиц и космических тел, падавших на формировавшуюся планету. Кинетическая энергия частиц и тел превращалась в тепло, и Земля всё сильнее разогревалась. Чем крупнее были падавшие тела, тем сильнее они нагревали Землю в эпоху великой бомбардировки (около 4 млрд. лет назад), когда Земля, как и Луна, подвергалась ударам довольно многочисленных и очень крупных (сотни километров в поперечнике) 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 стёрли следы этого. Энергия удара этих метеоритов освобождалась не на поверхности, а на глубине, равной примерно двум поперечникам внедрившегося тела, т.е. эта энергия выделялась в слое толщиной порядка 1000 км. Этот механизм образовал первый гравитационный источник нагревания Земли.

Энергия, выделявшаяся в ударных процессах в период аккреции планет, была, вероятно, достаточна для частичного проплавления планеты. Поскольку температура плавления железа и его сплавов ниже, чем силикатов, тяжелый расплавленный металл мог отделяться от окружающего материала и опускаться к центру планеты, формируя ядро. При этом потенциальная гравитационная энергия преобразовывалась в тепловую2. Этот механизм «гравитационной дифференциации недр» образовал второй гравитационный источник нагревания Земли, который сегодня является главным. Суть его состоит в следующем.

В начальной стадии образования Земли «тяжелые» и «легкие» элементы и их соединения были перемешаны. Рассчитывая тепловой баланс Земли за всю ее историю, геофизики пришли к выводу, что наша планета никогда не была полностью расплавленной и на протяжении всей своей истории представляла собой твердое тело. Но при характерных временах в сотни миллионов лет Земля ведет себя как вязкая жидкость (этим объясняется и ее форма: «эллипсоид с чуть выпяченным Северным полюсом и чуть вдавленным Южным – идеально соответствует той, что должна принимать жидкость в состоянии равновесия»). И в этой вязкой жидкости постепенно тяжелые элементы (в первую очередь железо) опускаются к центру Земли, а легкие поднимаются на поверхность. Выделяющаяся при этом гравитационная энергия (типа энергии падающего тяжелого тела) по расчетам геофизиков составляет «чудовищную величину 4•1030 калорий (или 1030 Дж. – А.Л.) (что эквивалентно триллиону суммарных ядерных боезапасов всех стран мира)… В толще этой «жидкости» постоянно происходят чрезвычайно медленные, но немыслимо мощные движения колоссальных масс вещества, с которыми связаны вулканизм, горообразование, горизонтальные перемещения континентов и т. д… Источником энергии для всех этих процессов является в конечном счете… гравитационная дифференциация вещества в недрах планеты. Соответственно, когда этот процесс завершится полностью, наша планета станет геологически неактивной, «мертвой» – подобно Луне. Согласно расчетам геофизиков, к настоящему моменту уже 85 % имеющегося на Земле железа опустилось в ее ядро, а на «оседание» оставшихся 15 % потребуется еще около 1,5 млрд. лет» [Еськов, с. 30— 31]

Еще одним источником внутренней тепловой энергии является радиогенное тепло, связанное с распадом радиоактивных долгоживущих элементов 238U, 235U, 232Th, 40K, 87Rb (по современным оценкам он дает не более 15 % энергии разогрева). Периоды полураспада этих изотопов соизмеримы с возрастом Земли, поэтому до сих пор они остаются важным источником тепловой энергии. В начальные этапы развития Земли могли быть поставщиками тепла и короткоживущие радиоактивные изотопы, такие, как 26Al, 38Cl и др.

Дополнительным источником внутреннего тепла может быть приливное трение, возникающее при замедлении вращения Земли из-за приливного взаимодействия с Луной и в меньшей степени с Солнцем.

12.3. Внутреннее строение Земли

Внутреннее строение Земли, как и других планет солнечной системы, представляет собой последовательность сферических слоев или геосфер (рис. 12.1). Сферическая форма является следствием действия гравитационных сил, которые в достаточно массивных космических телах являются определяющими. Поэтому астероиды могут иметь любую форму, а планеты – только сферическую (при характерных временах порядка сотен миллионов лет граниты, базальты и прочие твердые породы под действием колоссальных сил гравитации во многих отношениях ведут себя как вязкие жидкости).