Происхождение земли и основные этапы ее эволюции


Существующие методы исследования позволили установить, что примерный возраст нашей планеты составляет 4,5 млрд лет, но о том, как появилась Земля и какие процессы поспособствовали ее формированию, есть лишь теории и гипотезы. Осталось немного геологических свидетельств данных процессов, а современные наблюдения за особенностями формирования планет в других галактиках охватывают слишком короткий период.

Ранние теории происхождения планеты

Ранние этапы формирования планеты являются наименее изученными, поэтому по мере развития науки стали появляться теории, кратко объясняющие, как создавалась Земля. Первые гипотезы формирования планеты появились еще в 17 в., но многие из них уже опровергнуты исследованиями.

Сейчас большинство ученых придерживаются мнения, что зарождение Земли произошло из пыли и газов на ранних этапах формирования Солнечной системы, но и более ранние гипотезы не могут быть полностью опровергнуты.

Концепция Лапласа

Предложенная П. С. Лапласом в 1796 г. гипотеза образования планеты на протяжении длительного времени признавалась в научном обществе, т.к. была частично обоснована математическими расчетами. Этот исследователь предположил, что формирование Солнечной системы и всех ее элементов произошло в результате вращения первичной туманности.


При сжатии центробежная сила может расти быстрее притяжения, но при их равенстве способна возникнуть ротационная неустойчивость, которая будет провоцировать сплющивание туманности и отделение плотного вещества из ее центра. Выброшенные газы и пыль сформировали плоские кольца, а затем вещества под нарастающей силой тяжести стянулись, образовав планеты.

Гипотеза Канта

Кант выдвинул первую космогоническую гипотезу, в которой предположил, что зарождение всех элементов Солнечной системы, в т.ч. Земли, произошло из пыли и газов. Поспособствовала данному процессу сила тяжести. Сначала в центре сформировалось Солнце, а затем появились планеты.

Недостаток гипотез Канта и Лапласа

Гипотезы о происхождении Земли, выдвинутые Лапласом и Кантом, имеют ряд недостатков. Многие современные астрофизики считают следующее: первичная туманность имела настолько малую плотность, что ее вращение не могло происходить так же, как твердого тела. Это ставит под сомнение возможность влияния вращения на процесс формирования центральной звезды и окружающих ее планет.

Кроме того, вещество не может отрываться скачками в экваториальной части формации. Считается, что данный процесс должен быть непрерывным, как при формировании туманности.


Некоторые исследователи отмечают, что кольцо, масса которого равна планете, не смогло бы сгуститься и впоследствии рассеялось под собственным весом. Ядро Солнца выбрасывает большое количество энергии не за счет сжатия, а благодаря термоядерному синтезу.

Теория Фесенкова

В. Г. Фесенков выдвинул несколько теорий формирования Солнца и Земли. Согласно его раннему предположению, звезда зарождается со сверхвысокой температурой, но в дальнейшем из-за остывания и высокой скорости вращения от нее отделяется газовая масса, из которой формируется планета.

Позже В. Г. Фесенков предположил, что возможно формирование планеты могло произойти из первичного холодного облака пыли и газов. Этому процессу предшествует набор избыточной скорости вращения звезды, приводящий к выбросу вещества и к уплотнению газопылевой среды. Зародыши планеты имели плотность около 10 г/см³.

Теории Мультона и Чемберлина

Геолог Т. Чемберлин и астроном Ф. Мультон предположили, что 65-70 млрд лет назад Солнце не имело спутников в виде планет. Однако в дальнейшем к нему приблизилась другая звезда.

Сила ее тяжести стала причиной формирования большой приливной волны, состоящей из веществ в жидком и газообразном состоянии. Она двигалась следом за близко подошедшей звездой.

Оторванные массы при этом стали удерживаться притяжением Солнца на некотором расстоянии от него. В дальнейшем в процессе конденсации газов элементы соединялись друг с другом.


Сформировались небольшие плотные тела, а затем планеты, спутники, метеориты и т.д.

Суждения Джинса

Д. Джинс считал, что после формирования Солнца близко к нему проходила другая звезда, из которой силой притяжения было вынуто некоторое количество материи. Эта смесь газов сгустилась до образования сначала небольших твердых тел, а затем астероидов, планет и т.д. В дальнейшем сформированные тела могли сталкиваться, пока их орбита не стабилизировалась.

Гипотеза Шмидта

О. Ю. Шмидт вдвинул теорию, что сначала сформировалось Солнце, вокруг которого вращалось облако, содержащее частички замерзшего газа и пыли. Находясь в движении, данные элементы уплотнялись, сталкивались и притягивались друг к другу. Постепенно облако уплотнялось и сплющивалось. Твердые элементы начали двигаться по круговой орбите. В дальнейшем из них формировались такие крупные объекты, как планеты.

Предположения Рудника и Соботовича

Е. Соботович и В. Рудник в 1984 г. выдвинули свою теорию зарождения Земли. Согласно их предположению, изначально на месте нашей Солнечной системы была газово-пылевая туманность. В дальнейшем произошло крупное событие, которое повлияло на нее. Велика вероятность, что им стал взрыв сверхновой звезды, располагавшейся рядом.

Выброс большого количества энергии спровоцировал сжатие туманности и начало формирования центрального сгустка — Солнца. Вокруг центра под действием данного процесса образовались кольца, состоящие из пыли, твердых камней и газов. Сжатие и сила тяжести поспособствовали образованию Земли и других планет.

Взрыв вселенского масштаба


Некоторые исследователи придерживаются теории, что Вселенная зародилась в результате большого взрыва. Существовавшая изначально материя или плазма, отличавшаяся крайне высокой температурой, по какой-то причине взорвалась. Вырвавшаяся раскаленная материя и частицы получили большое ускорение. В разные стороны они разлетались неравномерно.

При этом длительное время температура Вселенной была крайне высокой, поэтому разбросанные частицы не могли соединяться. При снижении температуры до 4000°C были сформированы атомы гелия и водорода, отличающиеся малой массой. По мере охлаждения Вселенной появились более тяжелые химические элементы.

После остывания атомы сформировали первичные туманности, состоящие из газа и пыли, а затем тела разных размеров. Данному процессу поспособствовала гравитация. Считается, что формирование галактик произошло примерно через 1-2 млрд лет после большого взрыва. Из туманности сначала сформировалось Солнце, а затем и планеты.

Появление Земли от газа к твердому телу

Сначала сформировавшееся Солнце окружали газы и мелкие частички пыли. Они двигались хаотично, сталкивались и соединялись. При этом на них продолжало оказывать действие притяжение Солнца, а также выделенные из него тела и атомы. Уплотнение газов и пыли поспособствовало формированию сначала камней, метеоров и астероидов, а затем и таких крупных твердых тел, как планеты.

Формирование планеты

Земля — это не твердый камень, а многослойная структура. После того как объем планеты стал достаточно большим, произошло уплотнение ее ядра.

В молодой планете присутствовало много радиоактивных веществ, в т.ч.:


  • иридий;
  • уран;
  • рений;
  • торий;
  • самарий;
  • люцетий и т.д.

Ядерная реакция, протекающая в ядре, и распад изотопов стали причиной расплавления планеты. На раннем этапе формирования почти вся ее поверхность была покрыта расплавленным океаном лавы.

На протяжении миллионов лет наблюдалась повышенная вулканическая активность. При этом на поверхность расплавленной Земли падало большое количество астероидов, комет и метеоров, которые приносили ряд химических веществ.

Постепенно поверхность Земли начала остывать, что создало условия для формирования коры. Однако примерно через 30 млн лет после завершения формирования Земли произошло ее столкновение с другой планетой — Теей. Это стало причиной высвобождения большого количества энергии.

Две планеты слились и снова вернулись в жидкое состояние. При этом большое количество обломков были выброшены в космос, а затем под действием силы притяжения они сформировали кольцо, из которого в дальнейшем образовалась Луна.

Процесс радиоактивного распада длительное время поддерживал Землю в расплавленном состоянии, но постепенно вулканическая активность снизилась, поверхность остыла и сформировалась кора. На ней начала скапливаться вода, что привело к формированию первичного мирового океана. На его поверхности присутствовало большое количество вулканических островов, но они быстро разрушались под действием морской стихии.


Усиление вулканической активности стало причиной разломов в коре, просачивания в них воды и появления нового типа горных пород, таких как гранит. Этот материал стал основой для формирования современных континентов.

Дрейф материков

Первые материки были сформированы из гранита 3,5 млрд лет назад. Данный материал был устойчивым к воздействию воды и при этом достаточно легким и менее плотным, чем базальт, из которого была сформирована океаническая кора.

Из-за разницы в плотности и весе гранитные материки могли дрейфовать по мантии.

На протяжении всего периода развития Земли они неоднократно соединялись, формируя суперконтиненты, а затем снова раскалывались из-за влияния на них внутреннего тепла планеты.

Возникновение жизни

Считается, что жизнь зародилась в период формирования первых материков. Под водой протекали активные вулканические процессы. «Черные курильщики» выбрасывали горячую воду, насыщенную разными микроэлементами. Кроме того, в океан с метеоритами и астероидами попадали аминокислоты и другие соединения.

Особые условия спровоцировали случайное возникновение первых одноклеточных микроорганизмов, которые питались за счет энергии подводных вулканов.


Изменяющиеся условия стали причиной подъема некоторых видов бактерий к поверхности и развития способности получать пищу путем фотосинтеза. На мелководье возле сформировавшихся материков возникли обширные колонии строматолитов. Эти водоросли вырабатывали большое количество кислорода. Увеличение его количества в воде и атмосфере подтолкнуло формирование многоклеточных организмов.

Источник: o-kosmose.ru

      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.


а 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.

r />     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.

вый 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.


Результат эволюции

Источник: galspace.spb.ru

Облако, оторвавшееся от Солнца, представляло собой кольцо, в котором при уплотнении пылинки слипались между собой. Солнце согревало внутреннюю часть этого кольца, вызывая испарение, выводя солнечным ветром более лёгкие элементы в более дальние части кольца, где они замерзали (Т=500К). Так происходило образования планеты.

Земля возникла из солнечного праоблака под влиянием гравитации.

Процесс образования Земли началя около 5 миллиарда лет назад и включает 4 (четыре) фазы.

Первая фаза – процесс формирования Земли – 5 – 4,9 миллиарда лет назад. Первая атмосфера образовалась вокруг Земли во время сгущения пыли и превосходила нашу нынешнюю в 100 раз.

В процессе формирования Земли из частиц планетарного облака её масса постепенно увеличивалась. Росли силы тяготения, а, следовательно, и скорости частиц, падающих на Планету. Кинетическая энергия частиц превращалась в тепло, и Земля всё сильнее разогревалась. Энергия удара освобождалась не на поверхности, а на глубине, в слое толщиной порядка 1000 км. Они не успевали излучать в пространство, оставаясь в недрах Земли. В результате температура на глубинах 100 – 1000 км. приближалась к точке плавления и составляла 10000К. Постепенно рой астероидов рассеялся столкновения с метеоритами стало реже. Земля достигла наших размеров со средним радиусом6371 км.

Вторая фаза – вулканический этап становления Земли 4,9 – 3 миллиарда лет назад. Недра Земли были очень сильно нагреты породы, в глубине её находились в расплавленном состоянии. Не прекращались извержения вулканов, покрывших всю её поверхность. Раскалённая лава остывая, формировала земную кору. Но вот наступил момент, когда в результате охлаждения поверхности Земли водяные пары, выделившиеся при извержениях, превратились в жидкость.

Третья фаза – геологическое формирование Планеты 3 – 2 миллиарда лет тому назад. Продолжался процесс вулканической деятельности.

Началось разрушение горных пород и последующим их переносом ветром и водой по поверхности Земли. Вода работала «не покладая рук» уничтожая потухшие вулканы и равняя, таким образом поверхность Планеты. Так появились осадочные породы.

Повышение температуры Земли до 10000К вызвало распад радиоактивных короткоживущих элементов. Первые возникшие расплавы представляли собой смесь жидкого железа, никеля и серы. Расплав накапливался, а затем вследствие высокой плотности просачивался, вниз постепенно формируя, земное ядро.

Более лёгкие элементы переходили, вверх формируя химический состав литосферы.

В этот период ещё не было разломов в земной коре, ведь разогретые недра находились неглубоко – от 5 до 10 км. и кора, будучи тонкой, оставалась пластичной.

Четвёртая фаза – геотектоническое формирование Планеты – началась 2 миллиарда лет назад — продолжается и сейчас.

В ходе геотектонического формирования Земли континенты испытывали, значительные смещения относительно магнитных полюсов и расположение континентов существенно менялось.

Предполагают, что 600 миллионов лет назад на Земле было несколько подвижных плит весьма похожих на современные. Благодаря перемещению континентов произошло объединение их в единый суперконтинент.

Спустя 300 – 200 миллионов лет он начал распадаться на части, которые в последующем сформировались в материки.

ИТАК:

1.Вселенная образовалась в результате «большого взрыва» — 13,7 миллиардов лет тому назад.

2. Галактики и Звёзды сформировались примерно 12 миллиардов лет тому назад.

3. Солнечная система образовалась примерно 7 миллиардов лет тому назад.

4. Земля образовалась около 5 миллиардов лет тому назад. В процессе образования Земли выделяются четыре фазы:

— процесс формирования Земли – 5 – 4,9 миллиарда лет тому назад;

— вулканический этап становления Земли – 4,9 – 3 млрд. лет тому назад;

— геологический процесс формирования Земли – 3 – 2 миллиарда лет тому назад;

— геотектоническое формирования Земли – 2 миллиарда лет тому назад – не закончен;

Источник: studopedia.ru

Происхождение земли и основные этапы ее эволюции

Появление и развитие жизни на Земле — это уникальное явление во всей Солнечной системе. Но оно не случайно, а было подготовлено сочетанием ряда благоприятных условий. Прежде всего для зарождения жизни должен был сформироваться сложный комплекс активно взаимодействующих природных компонентов, которые в течение чрезвычайно длительного времени в относительно стабильных гидротермальных условиях испытали строго направленную эволюцию.

Эволюция Земли делится на раннюю историю и геологическую историю. Под ранней историей подразумевается катархей. Под геологической же историей понимается все остальное время, от архея до современной эпохи. Временная граница между двумя главными интервалами в истории Земли точно не установлена. Но предположительно она намечается на рубеже от 3,5 до 3,8-3,9 млрд. лет назад. Ранняя история и геологическая история — существенно различные этапы жизни нашей планеты. Если в раннюю историю Земля развивалась так же, как и остальные планеты — Луна, Меркурий, Марс и Венера, — т. е. в очень медленном темпе, то путь развития Земли в геологическое время характеризуется необыкновенно быстрой эволюцией ее внешней области и земной коры. Все же другие планеты продолжают пребывать и в настоящую эпоху как бы в догеологическом прошлом.

Земля, как и другие планеты, пережила ранние фазы эволюции — фазу аккреции («рождения») и фазу расплавления внешней сферы земного шара и фазу первичной коры («лунную фазу»).

Фаза аккреции — это образование ее из хаотического роя твердых, преимущественно каменных, некрупных тел и пылевых частиц. Ее надо представлять себе как непрерывное выпадение на растущую Земли относительно все большего количества крупных тел, укрупняющихся в своем полете при соударениях между собой, и притяжением к себе более удаленных мелких частей материи. Вместе с крупными телами на Землю падали макрообъекты — планетезимали, неудавшиеся планеты. Они имели размеры астероидов или некрупных спутников больших планет.

В фазу аккреции Земля приобрела приблизительно 95% современной массы, на что потребовалось по разным оценкам от 17 млн. лет до 400 млн. лет, в период с 4,6 по 4,2 млрд. лет назад. Во время аккреции Земля долго оставалась холодным космическим телом, и только в конце этой фазы, когда началась предельно интенсивная бомбардировка ее крупными объектами, произошло сильное разогревание, а затем полное расплавление вещества внешней зоны планеты.

Фаза расплавления внешней сферы Земли устанавливается сообразно с ранней историей других планет, в первую очередь Луны, а также Меркурия, Марса. Лунная поверхность образована магматическими породами, которые отвердели 4,0 млрд. лет назад, т.е до этого Луна была расплавленным шаром. К этому же времени относят образование у Земли ядра, мантии и коры. Образование ядра создало условия для образования у Земли диполярного магнитного поля. Установление на Земле самых древнейших палеомагнитных пород с возрастом 3,7 млрд. лет — свидетельство существования в то время ядра, и естественно, мантии

Ландшафты того далекого времени были уникальны. Вся поверхность Земли представляла собой океан раскаленного тяжелого расплава с прорывающимися из него газами. В этот своеобразный океан продолжали стремительно врываться как малые, так и крупные космические тела, удары которых о жидкую поверхность вызывали образование всплесков, фонтанов и другие формы взлета и падения тяжелой жидкости. Над раскаленным океаном простиралось сплошь укутанное густыми тучами небо, с которого на поверхность не падало ни капли воды.

«Лунная фаза». Остывание расплавленного вещества внешней сферы Земли вследствие излучения тепла в космос и ослабления метеоритной бомбардировки, не могущей компенсировать потерю тепла, привело к образованию тонкой первичной коры базальтового состава. В раннюю историю Земли происходило и формирование гранитного слоя материковой коры. Самые древние из выявленных гранитных интрузий имеют возраст не менее 3,5 млрд. лет, т. е. они, безусловно, доархейские. В течение всей фазы формирования коры, поверхность которой имела температуру выше 100° С, продолжалось выпадение преимущественно крупных тел. На всей поверхности нашей планеты создавался типичный для всех других планет земной группы рельеф ударных кратеров. Из-за широкого распространения метеоритных кратеров фаза существования ранней коры называется также «лунной фазой» назвал время первичной горячей коры, когда происходила ее бомбардировка крупными объектами, временем гигантской бомбардировки, датируя ее интервалом от 4,2 до 3,8 млрд. лет назад.

В лунную фазу существования Земля постепенно охлаждалась от температуры плавления базальтов (1000°- 800°) до 100° С. С преодолением температурного рубежа + 100° С связано все последующее преобразование природной среды и эволюция земной коры.

Геологическое время эволюции Земли это принципиально новый период развития нашей планеты в целом, особенно ее коры и природной среды.

Как только температура опустилась ниже 100° С, состояние воды, которая находилась в атмосфере в виде горячего пара, изменилось. Водяные пары атмосферы, а в них была сосредоточена практически вся гидросфера Земли, почти целиком превратились в жидкость, наиболее активное состояние воды по сравнению с ее газовой и твердой фазами. Сухая до того времени Земля стала необычайно обводненной. Сформировались поверхностный и грунтовый стоки, возникли водоемы, и, наконец, океаны. Начался круговорот воды в природе.

На заре геологической истории существовали обширные водоемы — моря и, вероятно, какие-то первоначальные океаны. В 1973 г. геологи Оксфордского университета обнаружили в юго-западной части Гренландии бурый железняк возрастом 3,76 млрд. лет (+- 70 млн. лет). Бурый железняк — осадочная порода, сформировавшаяся в водном бассейне. Еще раньше те же геологи вместе с сотрудниками Управления геологической съемки Гренландии обнаружили в 1971 г. метаморфизованные осадочные породы возрастом 3,98 млрд. лет. Факт обнаружения осадочных пород такого древнего возраста трудно переоценить. Это означает, что временной рубеж между ранней и геологической историей проходит где-то около 4 млрд. лет назад. Следовательно, на всю раннюю историю Земли остается всего 0,6 млрд. лет. Если помимо внешней сферы Земли расплавлялась и центральная область, то на планете могли образоваться океаны, близкие по объему современным. После охлаждения земной поверхности до температуры ниже 100° С на ней образовалась огромная масса жидкой воды, которая представляла собой не простое скопление неподвижных вод, а находящихся в активном глобальном круговороте. Несмотря на эволюцию этого круговорота в ходе времени, основные особенности его сохранились неизменными. В структурном отношении круговорот, как и в настоящее время, распадался на звенья: атмосферное (испарение, перенос влаги, осадки), литосферное (поверхностный и подземный стоки) и океаническое. В процессе функционирования круговорота воды в природе происходит поглощение солнечной энергии и распределение ее по земному шару. Вода благодаря своей необычайной подвижности и химической активности вступает во взаимодействие с природными компонентами, способствуя их взаимосвязям, чем и обеспечивает формирование того глобального природного комплекса, который в настоящее время называется географической оболочкой.

Источник: planetologia.ru

скачать
11. Эволюция Земли
11. 1. Происхождение Земли
Современные гипотезы образования Земли и других планет солнечной системы основаны на выдвинутой в V в. И. Кантом (Германия) и независимо от него П. Лапласом (Франция) концепции образования планет из пылевого вещества и газовой туманности. В  в. эту концепцию развивали О.Ю. Шмидт (СССР), К. Вейцзекер (Германия), Ф. Фойл (Англия), А. Камерон (США) и Э. Шацман (Франция).

Кант и Лаплас обратили внимание на то, что Солнце горячее, а Земля холодная и по своему размеру много меньше, чем Солнце. В то же время Земля — лишь одна из планет. Все планеты обращаются по окружностям, в одну и ту же сторону и почти в одной и той же плоскости. Это составляет основные отличительные черты Солнечной системы, которые должны быть объяснены в первую очередь.

Кант и Лаплас утверждали, что в природе все непрерывно изменяется, развивается. И Земля и Солнце раньше не были такими, какие они сейчас, а составляющее их вещество существовало совсем в другом виде.

Лаплас обосновал свою гипотезу более убедительно. Он считал, что когда-то Солнечной системы не было, а была первичная разряженная и раскаленная газовая туманность с уплотнением в центре. Она медленно вращалась, и размеры ее были больше, чем теперь поперечник самой удаленной от Солнца планеты.

Гравитационной притяжение частичек туманности друг к другу приводило к сжатию туманности и уменьшению ее размеров. Согласно закону сохранения момента импульса при сжатии вращающегося тела скорость его вращения возрастает. Поэтому при вращении туманности большое количество частичек на ее экваторе (которые вращались быстрее, чем у полюсов) отрывались, или, точнее, отслаивались от нее. Вокруг туманности возникало вращающееся кольцо. Вместе с тем туманность, шарообразная вначале, вследствие центробежной силы сплющивалась у полюсов и становилась похожей на линзу.

Все время сжимаясь и ускоряя свое вращение, туманность постепенно отслаивала от себя кольцо за кольцом, которые вращались в одну и ту же сторону и в одной и той же плоскости. Газовые кольца имели неоднородности плотности. Наибольшее сгущение в каждом из колец постепенно притягивало к себе остальное вещество кольца. Так каждое кольцо превращалось в один большой газовый клубок, вращающийся вокруг своей оси. После этого с ним повторялось то же, что с огромной первичной туманностью: он превращался в сравнительно небольшой шар, окруженный кольцами, опять сгущавшимися в небольшие тела. Последние, охладившись, становились спутниками больших газовых шаров, обращавшихся вокруг Солнца и после затвердевания превратившихся в планеты. Наибольшая часть туманностей сосредоточилась в центре; она не остыла до сих пор и стала Солнцем.

Гипотеза Лапласа была научной, поскольку основывалась на законах природы, известных из опыта. Однако после Лапласа были открыты новые явления в Солнечной системе, которые его теория не могла объяснить. Например, оказалось, что планета Уран вращается вокруг своей оси не в ту сторону, куда вращаются остальные планеты. Были лучше изучены свойства газов и особенности движения планет и их спутников. Эти явления также не согласовывались с гипотезой Лапласа и от нее пришлось отказаться.

Известный советский ученый академик О.Ю. Шмидт предложил гипотезу, в разработке которой приняли участие астрономы, геофизики, геологи и другие ученые и согласно которой Земля и другие планеты никогда не были раскаленными газовыми телами, подобными Солнцу и звездам, а должны были образоваться из холодных частиц вещества. Эти частицы первоначально двигались беспорядочно. Затем их орбиты становились круговыми и располагались примерно в одной и той же плоскости. При этом направление вращения частиц в какую-либо определенную сторону со временем начинало преобладать, и в конце концов все частицы стали вращаться в одну и ту же сторону.

В результате столкновения частиц при первоначальном беспорядочном движении энергия их движения частично переходила в тепло и рассеивалась в пространство. Расчеты показали, что в результате этих процессов шарообразное облако постепенно сплющивалось и наконец стало по форме похожим на блин. Далее гравитационное взаимодействие привело к росту более крупных частиц путем захвата ими мелких частиц. Таким образом, большая часть пылинок собралась в несколько гигантских комков вещества, которые стали планетами.

Согласно оценкам, полученным Шмидтом, для образования Солнечной системы потребовалось 6-7 млрд. лет, что по порядку величины согласуется с данными, полученными в результате изотопического анализа.

По гипотезе Шмидта Земля никогда не была огненно-жидкой, а разогрев внутренней области Земли произошел в результате ядерных реакций распада тяжелых элементов, входящих в состав первоначального вещества.
11. 2. Основные этапы эволюции Земли

История Земли по современным представлениям насчитывает примерно 4,6 млрд. лет. Многочисленные результаты исследования земной коры (химический состав и структура горных пород, их распределение по глубине, содержание радиоактивных изотопов, остатков ископаемых живых организмов) позволили установить картину формирования и развития планеты, определить возраст биосферы. Вся история существования Земли подразделяется на временные отрезки, для каждого из которых характерны определенные физические, химические, климатические условия, а также этапы эволюции живой природы.

Возраст горных пород определяется по анализу изотопического состава и, в частности, по радиоуглеродному анализу. Суть его заключается в том, что в тканях живых организмов содержится небольшое и постоянное количество углерода С14, который распадается с периодом полураспада 5760 лет. В результате такого распада отношение масс С14 к С12 в остатках живых организмов уменьшается со временем, прошедшем после смерти организма. Определяя это отношение в породах, содержащих остатки живых организмов можно рассчитать возраст этих пород.

Временные отрезки геохронологической шкалы подразделяют на эры, периоды и т.д. Первый, самый ранний временной отрезок, называемый «катархей» или «лунный период», соответствует формированию Земли, ее атмосферы, водной среды. Жизни на протяжении первых 1 — 1,5 млрд. лет не существовало ни в какой форме, поскольку еще не возникли соответствующие физико-химические условия. На раннем этапе происходили интенсивные тектонические процессы, сопровождавшиеся перераспределением по глубине Земли химических элементов и соединений. Ядерные реакции распада, происходившие в центре и глубинных слоях планеты (они имеют место и сейчас) способствовали разогреву Земли. В атмосфере преобладали соединения серы, хлора, азота, содержание кислорода было в сотни раз меньше, чем сейчас. Более тяжелые элементы перемещались к центру Земли и затем сформировали ядро, более легкие — к поверхности. Интенсивные вулканические и грозовые процессы способствовали формированию водной среды — в ней и начали образовываться первые органические молекулы.

Архей и протерозой — две наиболее крупные эры, в течение которых начала формироваться жизнь на уровне микроорганизмов. Эти две эры объединяют в «надэру» — криптозой (время скрытой жизни). Первые многоклеточные организмы появились в самом конце протерозоя около 600 млн. лет назад.

Примерно 570 млн. лет назад, когда на Земле практически сформировались благоприятные условия для жизни, началось бурное развитие живых организмов. С этого момента наступило «время явной жизни» — фанерозой, Этот отрезок геологической истории подразделяют на 3 эры — палеозой, мезозой и кайнозой. Последняя эра с точки зрения гео- и биологии продолжается до сих пор. Следует отметить, что появление и развитие жизни на земле привело к значительному изменению твердой оболочки Земли (литосферы), гидросферы и атмосферы, а возникновение разумной жизни (человека) за короткий временной интервал вызвало глобальные изменения в эволюции планеты.

Различия в составе горных пород от одной эпохи (периода) к другой в свою очередь обусловлены резкими изменениями природно-климатических и физических условий на планете. Установлено, что климат на Земле многократно менялся; потепления сменялись резкими похолоданиями, происходили поднятия и опускания суши. Случались и крупные космические катастрофы: столкновения с метеоритами, кометами и астероидами. На Земле обнаружено большое число метеоритных кратеров крупных размеров. Самый крупный из них на полуострове Юкатан имеет диаметр более 100 км; его возраст — 65 млн. лет, практически совпадает с окончанием мелового и началом палеогенового периода. Многие палеонтологи именно с этой крупнейшей катастрофой связывают вымирание динозавров.

Изменения климата и температуры во многом обусловлены астрономическими факторами: наклоном земной оси (многократно менялся), возмущениями планет-гигантов, активностью Солнца, движением Солнечной системы вокруг Галактики. Согласно одной из гипотез резкие изменения климата происходят раз в 210 — 215 млн. лет (галактический год), когда Солнечная система, обращаясь вокруг центра Галактики, проходит через газопылевое облако. Это способствует ослаблению солнечного излучения и, как следствие, похолоданию на планете. В эти моменты на Земле наступают ледниковые эпохи — появляются и растут полярные шапки. Последняя ледниковая эпоха началась примерно 5 млн. лет назад и продолжается до сих пор. Ледниковая эпоха характеризуется периодическими колебаниями температуры (раз в 50 тыс. лет). При похолоданиях (ледниковый период) ледники могут распространяться от полюсов к экватору до 30 — 40 градусов. Сейчас мы живем в «межледниковый» период ледниковой эпохи. Наследство ледниковой эпохи — зона вечной мерзлоты (в России свыше половины ее территории).

11. 3. Внутреннее строение Земли.

Материалы, слагающие твердую Землю непрозрачны и плотны. Прямые исследования их возможны лишь до глубин составляющих ничтожную часть радиуса Земли. Самые глубокие пробуренные скважины и имеющиеся в настоящее время проекты ограничены глубинами 10 — 15 км, что составляет немногим более 0,1 % от радиуса. Возможно, что проникнуть на глубину более нескольких десятков километров не удастся. Поэтому сведения о глубоких недрах Земли получают, используя лишь косвенные методы. К ним относятся сейсмический, гравитационный, магнитный, электрический, электромагнитный, термический, ядерный и другие методы. Наиболее надежным из них является сейсмический. Он основан на наблюдении сейсмических волн, возникающих в твердой Земле при землетрясениях. Подобно тому как рентгеновские лучи позволяют исследовать состояние внутренних органов человека, сейсмические волны, проходя через земные недра, дают возможность составить представление о внутреннем строении Земли и об изменении физических свойств вещества земных недр с глубиной.

Сейсмические волны подразделяются на продольные и поперечные в соответствии с тем, что смещение вещества при колебаниях направлено вдоль и поперек направления распространения волны. Продольные волны могут распространяться как в жидкости, так и в твердом веществе, а поперечные — только в твердых породах. Кроме того, скорость продольных волн в твердом веществе примерно в 1,7 раза превышает скорость поперечных волн. Располагая сетью сейсмических станций на поверхности Земли, записывая показания приборов, регистрирующих землетрясения — сейсмографов и сравнивая эти показания, можно определить эпицентр землетрясения, а также скорость распространения волн в различных внутренних областях планеты. Поскольку скорость распространения волн зависит от плотности и упругости вещества, можно получить данные об этих параметрах, а также об агрегатном состоянии вещества (жидкое или твердое) во всей внутренней области Земли.

Помимо пассивного исследования сейсмических волн в настоящее время применяют метод глубинного сейсмического зондирования, предложенный в 1949 г. советским сейсмологом Г.А. Гамбурцевым. Этот метод заключается в использовании генерируемых с помощью взрыва сейсмических волн, которые регистрируются сейсмографами, установленными с интервалом всего 200 — 500 м друг от друга. Этот метод дает самые надежные результаты, однако практическое использование его требует больших денежных затрат.

В результате сейсмических исследований было определено, что внутренняя область Земли неоднородна по своему составу и физическим свойствам, и образует слоистую структуру (рис. 11.1). Здесь мы лишь кратко перечислим размеры и основные физические параметры этих слоев:

Происхождение земли и основные этапы ее эволюции

Рис. 11.1. Внутренние оболочки Земли

1. Верхний слой Земли называется земной корой и подразделяется на несколько слоев. Самые верхние слои земной коры состоят преимущественно из пластов осадочных горных пород, образовавшихся путем осаждения различных мелких частиц, главным образом в морях и океанах. В этих пластах захоронены остатки животных и растений, населявших в прошлом земной шар. Общая мощность (толщина) осадочных пород не превышает 15 — 20 км.

Различие скорости распространения сейсмических волн на континентах и на дне океана позволило сделать вывод о том, что на Земле существуют два главных типа земной коры: континентальный и океанический. Мощность коры континентального типа в среднем 30 — 40 км, а под многими горами достигает местами 80 км. Континентальная часть земной коры распадается на ряд слоев, число и мощность которых изменяются от района к району. Обычно ниже осадочных пород выделяют два главных слоя: верхний – «гранитный», близкий по физическим свойствам и составу к граниту и нижний, состоящий из более тяжелых пород, — «базальтовый» (предполагается, что он состоит главным образом из базальта). Толщина каждого из этих слоев в среднем 15 — 20 км. Однако во многих местах не удается установить резкую границу между гранитным и базальтовым слоями. Океаническая кора гораздо тоньше (5 — 8 км). По составу и свойствам она близка к веществу нижней части базальтового слоя континентов. Но этот тип коры свойствен только глубоким участкам дна океанов, не менее 4 тыс. м. На дне океанов есть области, где кора имеет строение континентального или промежуточного типа. Поверхность Мохоровичича (по имени открывшего ее югославского ученого), на границе которой резко изменяется скорость сейсмических волн, отделяет земную кору от мантии.

2. Мантия распространяется до глубины 2900 км. Она подразделяется на 3 слоя: верхний, промежуточный и нижний. В верхнем слое скорости сейсмических волн сразу за границей Мохоровичича растут, затем на глубине 100 — 120 км под континентами и 50 — 60 км под океанами этот рост сменяется слабым уменьшением скоростей, а далее на глубине 250 км под континентами и 400 км под океанами уменьшение вновь сменяется ростом. Таким образом, в этом слое имеется область пониженных скоростей — астеносфера, характеризуемая относительно малой вязкостью вещества. Некоторые ученые считают, что в астеносфере вещество находится в «кашеподобном» состоянии, т.е. состоит из смеси твердых и частично расплавленных пород. В астеносфере находятся очаги вулканов. Они образуются, вероятно, там, где по каким-либо причинам понижается давление и, следовательно температура плавления вещества астеносферы. Понижение температуры плавления приводит к расплавлению вещества и образованию магмы, которая затем по трещинам и каналам в земной коре может излиться на поверхность Земли.

Промежуточный слой характеризуется сильным возрастанием скоростей сейсмических волн и увеличением электропроводности вещества Земли. Большинство ученых считают, что в промежуточном слое изменяется состав вещества или слагающие его минералы переходят в иное состояние, с более плотной «упаковкой» атомов. Нижний слой оболочки отличается однородностью по сравнению с верхним слоем. Вещество в этих двух слоях находится в твердом, по-видимому, кристаллическом состоянии.

3. Под мантией находится земное ядро с радиусом 3471 км. Оно подразделяется на жидкое внешнее ядро (слой между 2900 и 5100 км) и твердое ядрышко. При переходе от мантии к ядру резко изменяются физические свойства вещества, по-видимому в результате высокого давления.

Температура внутри Земли с глубиной повышается до 2000 -30000С, при этом наиболее быстро она возрастает в земной коре, далее идет замедление, и на больших глубинах температура остается, вероятно постоянной. Плотность Земли возрастает с 2,6 г / см3 на поверхности до 6,8 г / см3 на границу ядра Земли, а в центральных областях составляет примерно 16 г / см3. Давление возрастает с глубиной и достигает на границе между мантией и ядром 1,3 млн. атм, а в центре ядра — 3,5 млн. атм.

11. 4. Внешние оболочки Земли.
Помимо твердой внешней оболочки — литосферы выделяют также водную оболочку — гидросферу и воздушную оболочку — атмосферу. Более точно, под гидросферой понимают совокупность всех вод Земли, находящихся в твердом, жидком и газообразном состояниях. Больше всего на Земле жидкой воды — объем около 1,370.1024 см3. Она образует на поверхности Земли Мировой океан, общая площадь которого равна 3,61.1018 см2, т.е. 70,8 % площади всей земной поверхности. Вода благодаря своим уникальным свойствам имеет исключительно важное значение для создания на Земле оптимального теплового режима. Именно в ней зародилась и без нее была бы невозможна органическая жизнь.

Основная масса льда располагается на суше — главным образом в Антарктиде и Гренландии. Общая масса его около 2,42.1022 г. Если бы этот лед растаял, то уровень Мирового океана повысился бы примерно на 60 м. При этом 10 % суши оказалось бы затопленной морем.

Вода постепенно испаряется с поверхности Мирового океана. Она подхватывается воздушными течениями и переносится на громадные расстояния. После ряда превращений (конденсации, сублимации, коагуляции и т.п.)испарившаяся влага выпадает из атмосферы в виде осадков. Не вся влага при этом возвращается прямо в Мировой океан. Часть осадков выпадает на сушу, откуда они выносятся реками в моря и океаны. Ежегодно реки приносят с суши в Мировой океан более 35.1018 г воды. Во время своего пути по суше вода растворяет различные соли, захватывает мелкие, а иногда и крупные частички и выносит все это в море. Общее количество минерального вещества, выносимого реками в Мировой океан за год равно примерно 35.1014 г. Из них 18.1014 г выпадает в осадок, а 17.1014 г остаются растворенными.

Круговорот воды на Земле существует миллионы лет. Возможно поэтому вода морей и океанов соленая, хотя на этот счет нет единого мнения.

Атмосфера — газовая оболочка, окружающая Землю и вращающаяся с ней как единое целое. Атмосфера образовалась главным образом из газов, выделенных литосферой после формирования планеты. На протяжении миллиардов лет атмосфера Земли претерпела значительную эволюцию под влиянием многочисленных физико-химических и биологических процессов: диссипация газов в космическое пространство, вулканическая деятельность, диссоциация (расщепление) молекул в результате солнечного ультрафиолетового излучения, химические реакции между компонентами атмосферы и горными породами, дыхание и обмен веществ живых организмов.

Столб воздуха над одним квадратным сантиметром земной поверхности имеет массу около 1 кг, а масса всей атмосферы равна 5,16.1021 г.

Атмосфера Земли имеет слоистое строение. Выделяют тропосферу, стратосферу, мезосферу и термосферу.

Тропосфера — это прилегающая к земной поверхности область, в которой температура более или менее равномерно убывает с высотой до -500С и ниже. Верхняя граница тропосферы понижается при движении от экватора к полюсам от 17 до 9 км. В тропосфере заключено свыше 80 % массы атмосферы и практически весь водяной пар. В ней протекают физические процессы, которые обусловливают ту или иную погоду. В тропосфере осуществляются все превращения водяного пара. В ней образуются облака и формируются осадки, очень сильно развито турбулентное и конвективное перемешивание.

Стратосфера характеризуется постоянством или ростом температуры с высотой и исключительной сухостью воздуха. Верхняя граница стратосферы расположена в среднем на высотах 50 — 55 км. Температура стратосферы растет с высотой, достигая на верхней границе 0-100С. Процессы в стратосфере практически не влияют на погоду.

Мезосфера — слой, лежащий над стратосферой и характеризующийся падением температуры с высотой. Верхняя граница мезосферы совпадает с минимумом температуры (около 900С) и расположена на высоте около 85км.

Термосфера находится над мезосферой. Температура в ней быстро растет, достигая 1000 — 20000С на высоте 400 км. Выше 400 км температура почти не меняется с высотой. Температура и плотность воздуха очень сильно зависят от времени суток и года, а также от солнечной активности. В годы максимума солнечной активности температура и плотность воздуха в термосфере значительно выше, чем в годы минимума.

Следует отметить, что все приведенные здесь величины получены путем усреднения их за большие интервалы времени и по огромным площадям. Вне всякого сомнения мгновенные параметры атмосферы значительно отличаются от средних, так как атмосфера — это чрезвычайно изменчивая среда.

Вопросы для самопроверки:

  1. Какие основные гипотезы происхождения Земли существовали в естествознании?
  2. Какие этапы прошла эволюция Земли?
  3. Какие оболочки различают во внутреннем строении Земли?
  4. Что представляют собой внешние оболочки Земли?

скачать

Источник: nenuda.ru


Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.