Глава 1. Гипотезы происхождения Земли

Введение

Земля – третья по порядку от Солнца планета в Солнечной системе. Она занимает пятое место по размеру и массе среди больших планет, но из внутренних планет так называемой «земной» группы, в которую входят Меркурий, Венера, Земля и Марс, она является самой крупной.

Состав и строение Земли в последние десятилетия продолжают оставаться одной из наиболее интригующих проблем современной геологии. Знания о внутреннем строении Земли пока очень поверхностны, так как получены на основании косвенных доказательств. Прямые свидетельства относятся только к поверхностной пленке планеты, чаще всего не превышающей полутора десятков километров. Помимо этого, важно изучать положение планеты Земля в космическом пространстве. Во-первых, чтобы понять закономерности и механизм развития Земли и земной коры, надо знать исходное состояние Земли при ее формировании. Во-вторых, изучение других планет доставляет ценнейший материал для познания ранних стадий развития нашей планеты. И, в-третьих, сравнение строения и эволюции Земли с другими планетами Солнечной системы позволяет понять, почему именно Земля стала родиной человечества.

Изучение внутреннего строения Земли актуально и жизненно важно. С ним связаны образование и размещение многих видов полезных ископаемых, рельефа земной поверхности, возникновение вулканов и землетрясений. Знания о строении Земли необходимы и для составления геологических и географических прогнозов.

На протяжении многих веков вопрос о происхождении Земли оставался монополией философов, так как фактический материал в этой области почти полностью отсутствовал. Первые научные гипотезы относительно происхождения Земли и Солнечной системы, основанные на астрономических наблюдениях, были выдвинуты только лишь в XVIII веке. С тех пор не переставали появляться все новые и новые теории, соответственно росту наших космогонических представлений[1].

Одна из первых гипотез была высказана в 1745 году французским естествоиспытателем Ж. Бюффоном. Согласно гипотезе, наша планета образовалась в результате остывания одного из сгустков солнечного вещества, выброшенного Солнцем при катастрофическом столкновении его с крупной кометой[2].

Мысль Бюффона об образовании Земли из солнечной плазмы была использована в целой серии более поздних и совершенных гипотез «горячего» происхождения Земли. Ведущее место занимает небулярная гипотеза, разработанная немецким философом И. Кантом в 1755 г. и французским математиком П. Лапласом в 1796 г. независимо друг от друга (рис.1). Согласно гипотезе, Солнечная система образовалась из единой раскаленной газовой туманности. Вращение вокруг оси обусловило дискообразную форму туманности. После того, как центробежная сила в экваториальной части туманности превысила силу тяготения, по всей периферии диска начали отделяться газовые кольца. Их остывание привело к формированию планет и их спутников, а из ядра туманности возникло Солнце[3].

Рис. 1. Небулярная гипотеза Лапласа. На этом рисунке наглядно представлено сгущение вращающейся газовой туманности в Солнце, планеты и астероиды

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 планеты Уран, Венера вращаются 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.

Определенным этапом в развитии взглядов на образование Солнечной системы была гипотеза английского астрофизика Джеймса Джинса (рис.2). Он считал, что планеты образовались в результате катастрофы: какая-то относительно большая звезда прошла совсем близко от уже существовавшего Солнца, следствием чего явился выброс из поверхностных слоев Солнца струи газа, из которых впоследствии образовались планеты. Но гипотеза Джинса, так же как гипотеза Канта-Лапласа, не может объяснить несоответствие в распределении момента количества движения между планетами и Солнцем[1].

Рис. 2. Образование солнечной системы по Джинсу

Принципиально новая идея заложена в гипотезах «холодного» происхождения Земли. Наиболее глубоко разработана метеоритная гипотеза, предложенная советским ученым О. Ю. Шмидтом в 1944 г (рис.3). Согласно гипотезе, несколько миллиардов лет тому назад «наше» Солнце встретило при своем движении во Вселенной большую газопылевую туманность. Значительная часть туманности последовала за Солнцем и стала вращаться вокруг него. Отдельные мелкие частицы слипались в крупные сгустки. Сгустки по мере своего движения также сталкивались друг с другом и обрастали все новым материалом, образуя плотные комья – зародыши будущих планет[2].

Рис. 3. Образование солнечной системы по метеоритной гипотезе

О. Ю. Шмидта

По О. Ю. Шмидту, в период формирования Земли ее поверхность оставалась холодной, сгустки сжимались, за счет этого начался процесс самогравитации вещества, внутренняя часть постепенно нагревалась от тепла, выделяемого при распаде радиоактивных элементов. С годами у гипотезы Шмидта появилось много слабых сторон, одна из них – это предположение о захвате Солнцем части встретившегося газопылевого облака. Исходя из закона механики, для захвата Солнцем вещества необходимо было полностью остановить это вещество, а Солнце должно было обладать громадной силой притяжения, способной остановить это облако и притянуть его к себе. К недостаткам метеоритной гипотезы относится малая вероятность захвата Солнцем газово – пылевого (метеоритного) облака и отсутствие объяснения концентрического внутреннего строения Земли [3].

Со временем сложилось еще много теорий, касающихся происхождения Земли и Солнечной системы в целом. На основе взглядов О.Ю. Шмидта (1944), В. Амбарцумяна (1947), B.C. Сафронова (1969) и других ученых сформировалась современная теория планетарного образования Земли и других планет Солнечной системы (рис. 4). Причиной появления планет нашей системы явился взрыв сверхновой звезды. Ударная волна от взрыва около 5 млрд лет назад сильно сжала газопылевую туманность. Концентрация материального вещества (пыли, смесей газов, водорода, гелия, углерода, тяжелых металлов, сульфидов) оказалась настолько значительной, что это привело к началу термоядерного синтеза, росту температуры, давлению, появлению явления самогравитации в первичном Солнце и зарождению протопланет [4].

Рис. 4. Образование солнечной системы (современная теория)

1 – взрыв сверхновой звезды порождает ударные волны, воздействующие на газопылевое облако; 2 – газопылевое облако начинает фрагментироваться и сплющиваться, закручиваясь при этом; 3 – первичная солнечная небула (туманность); 4 – образование Солнца и гигантских, богатых газом планет – Юпитера и Сатурна; 5 – ионизированный газ – солнечный ветер сдувает газ из внутренней зоны системы и с мелких планетезималей; 6 – образование внутренних планет из планетезималей в течение 100 млн лет и формирование облаков Оорта, состоящих из комет

Первичная Земля оказалось связана с Луной приливными взаимодействиями. Луна определила наклон оси ее вращения своей орбитой и массой и обусловила климатическую зональность Земли, возникновение электрического и магнитного полей [4].

После образования земного ядра (на границе архея и протерозоя), содержащего около 63% современной массы, дальнейший рост Земли происходил уже более спокойно и равномерно по тектономагматическим циклам. Таких циклов ученые-тектонисты насчитали около 14. Значительная тектоническая активность на Земле наблюдалась около 2,6 млрд лет назад, перемещение литосферных плит в то время происходило со скоростью 2-3 м в год. Поверхность Земли была окутана плотной углекисло-азотной атмосферой с давлением до 4-5 атм. и температурой до +30…+100 °С. Возник первый неглубокий Мировой океан, дно которого было покрыто базальтами и серпентинитом[3].

В раннем протерозое произошло насыщение первичной водой третьего (серпентинитового) слоя океанической коры. Это сразу сказалось на снижении давления углекислого газа в первичной атмосфере. В свою очередь, уменьшение углекислого газа в атмосфере привело к резкому снижению температуры на поверхности Земли. Появление кислорода и озонового слоя в атмосфере способствовало формированию биосферы и географической оболочки [5].

Процесс расслоения, дифференциации недр на Земле он происходит и сейчас, обеспечивая существование жидкого внешнего ядра и конвекцию в мантии. Атмосфера и гидросфера возникли в результате конденсации газов, выделявшихся на ранней стадии развития планеты [4].