Одна из первых гипотез о происхождении нашей планеты и внешнего вида ее поверхности была описана в двухтомном труде Томаса Барнета "Священная теория Земли", которая вышла в 1681 Однако поскольку мышление ученых в те далекие времена еще не освободилось от влияния традиционных представлений древних греков и библейского мифа о сотворении мира, то гипотеза священника Т. Барнета оказалась на самом деле плодом его буйной фантазии. Подаем краткое содержание этой гипотезы. Когда Бог создал Землю и упорядочил ЕЕ вращения вокруг оси, наша планета получила яйцевидной формы. Поскольку земная ось была тогда перпендикулярна плоскости эклиптики, то времени года в нашем понимании отсутствовали, и на широте Великобритании царила вечная весна. Но люди, которые подобно Мафусаил жили в то время очень долго, завели впоследствии между собой много всякого зла и стали часто ссориться. В гневе Бог приказал разрушить Землю. ее поверхность стала трескаться, подниматься и сминаться, образуя ужасные по виду горы и ущелья. Позже из недр Земли вырвался мощный поток воды, который постепенно затопил всю поверхность Земли. Все эти катастрофы очень потрясли Землю и отразились на ее оси - она потеряла свое первоначальное вертикальное положение, наклонилась, и это привело к появлению времен года. Поверхность же планеты оказалась разбитой на континенты, горы, глубокие впадины (в которые впоследствии стекла вода, образовав океаны).
"Священная теория Земли" породила длительные споры и дискуссии среди ученых, в результате чего появилось несколько новых гипотез о происхождении нашей планеты. В 1695 Джон Вудворд высказал мнение о том, что воды потопа, который Бог в гневе наслал на Землю, растворили горные породы, а позже этот материал был отложен в виде слоев или пластов на дне морей и океанов. Это подтверждается наличием в составе некоторых из них ископаемых континентальных растений и животных.
Уильям Уинстон, на которого произвели огромное впечатление наблюдения Эдмунда Галлея в 1652 г.. За кометой (названной впоследствии его именем), выдвинул гипотезу, согласно которой Земля возникла из обломков какого-то неизвестного кометы. Более того, близкий прохождения другой кометы вызвало всеземной наводнение, превратило орбиту вращения вокруг Солнца с круговой в эллиптическую, а на земной поверхности образовались континенты и океаны. Комета привела в движение горные породы на противоположных сторонах планеты (подобно тому, как Луна вызывает приливы в океанах и морях). На гребнях приливной волны образовались континенты, а во впадинах - Атлантический и Тихий океаны. Уинстон подкрепил свою гипотезу впечатляющими математическими уравнениями, которые доказывали возможность такого действия кометы на породы земной коры. Но поскольку в его расчетах были обработаны далеко не все, ее сразу же подвергли критике. Теологи подкрепляли свои возражения ссылкой на Библию: каким образом Солнце могло существовать до того, как Земля начала вращаться вокруг него, когда в Книге Бытия сказано, что Бог создал это большое светило только на четвертый день после формирования Земли.
Благодаря большим открытием в современных науках о Земле возникли предпосылки для формирования космогонии - науки, занимающейся изучением Вселенной, вопросами происхождения Солнца и планет. Несмотря на всю сложность данной проблемы, уже первые космогонические гипотезы стали пользоваться большой популярностью среди ученых и многих образованных людей.
Широкое признание получили гипотезы, базирующиеся на эволюции газово-пылевой материи. Первая попытка объяснить происхождение Солнечной системы было сделано немецким географом и философом Кантом (1724-1804). 1765 г.. Он издал книгу "Всеобщая естественная история и теория неба», в которой изложил свои взгляды на происхождение Вселенной и планет Солнечной системы. По мнению И. Канта, Вселенная образовалась из первичной рассеянной матери, которая заполняла мировое пространство. Частицы, из которых состояла материя, были неодинаковы по плотности и силы тяжести, они были перемешаны и образовали неподвижный хаос. Постепенно силы взаимного притяжения, возникшие между частями, привели каменный хаос в движение. Результатом сталкивание и слипания частиц было образование сгустков, сначала мелких, затем крупных. Сталкивание сгустков вызвало ее вращения. В конце концов из центрального сгустка образовалось Солнце, а из крупных боковых сгущений, которые привлекли к себе вещество экваториальной туманности, - планеты. Первоначальное состояние планет и Солнца Кант считал горячим. Со временем планеты остыли, стали холодными. То же, по мнению И. Канта, должно произойти в далеком будущем и с Солнцем.
В1796 г.. Вышла книга французского математика и астронома П. Лапласа «Изложение системы мира», в которой была опубликована его космогоническая гипотеза. Она оказалась во многом схожей с гипотезой Канта, хотя П. Лаплас не знал о ее существовании. Он предполагал, что когда-то существовала огромная горячая разреженная туманность. По мере ее охлаждения и сжатия в центре образовалось сгущенное ядро - зародыш нынешнего Солнца. В результате его вращения вокруг оси развилась центробежная сила, которая оттолкнула в экваториальной плоскости часть вещества от оси вращения. Количество газовых колец, отделилась от центрального сгустка материи, отвечала числу планет Солнечной системы. Кольца были неустойчивыми. Вещество в них под влиянием охлаждения постепенно сгущалась. Подобным же образом П.Лаплас объясняет и образования спутников планет.
Гипотезы Канта и Лапласа стали своего рода революционным переворотом во взглядах людей на происхождение окружающего их мира. Эти гипотезы впервые дали научное объяснение образованию Солнечной системы с газово-пылевой материи и коренным образом изменили метафизическое представление о вечности и неизменности
Вселенной, которое тогда существовало. Но с точки зрения современной науки оказалось, что эти гипотезы имеют серьезные недостатки. Современная физика не считает возможным длительное существование в природе устойчивых газовых колец. Газы при выделении, как показывает практика и экспериментальные исследования, не собираются в сгустки, а рассеиваются. Не в состоянии объяснить приведенные гипотезы разнонаправленность вращения по орбитам спутников планет и распределение момента количества движения крупных тел Солнечной системы (который является произведением массы тела на его скорость и расстояние от центра вращения). Так, Солнце, масса которого составляет 99,9% общей массы Солнечной системы, имеет только 2% момента количества движения, одновременно на все планеты с их "мизерной" массой приходится до 98% момента количества движения.
В 1916 появилась "горячая" космогоническая гипотеза английского астронома Дж.-Х. Джинса. Согласно ей, мимо Солнца прошла какая-то звезда. Вследствие влияния ее силы тяжести с Солнца вырвался длинную струю (протуберанец) и образовал туманность с отдельными сгущениями (узлами) - протопланета, что начали вращаться вокруг Солнца. Впоследствии они перешли из газообразного состояния в жидкое, образовалась твердая кора. Приточная гипотеза Дж.-Х. Джинса хорошо объясняла особенности распределения плотности горных пород внутренних планет Солнечной системы, а потому стала на некоторое время популярной в науке.
На основе новых достижений фундаментальных наук, в частности открытие явлений природного радиоактивного распада (впервые удалось доказать выдающимся французским ученым М. Склодовской и П. Кюри), были предложены новые гипотезы, которые объясняли образования планет не из горячей, а с холодной материи. Оригинальной и известной стала опубликованная в 1943 труд "Метеоритная теория происхождения Земли и планет", автором которой является А.Ю. Шмидт (1892-1956). Это была неординарная личность в науке. В двадцать пять лет он уже работал приват-доцентом Киевского университета, позже занимал ответственные посты в Наркомприроди, Наркомфине, Наркомпроса, был директором Госиздата, главным редактором Большой Советской Энциклопедии. Большую популярность принесли ему и полярные исследования, челюскинська эпопея, высадка на лед научной станции "Северный полюс-1". В течение всей сознательной жизни ученый очень увлекался математикой.
О.Ю. Шмидт пытался математически обосновать идею о происхождении планет с холодной пылевой и метеоритной материи, которую захватило Солнце на одном из отрезков пути по Галактике. Такой подход позволил объяснить непропорциональное распределение масс и момента количества движения планет и Солнца. Вещество газово-пылевой туманности под давлением солнечного ветра сортировалась еще в до планетную стадию: легкие элементы были отброшены на край Солнечной системы, а ближе к Солнцу содержались сравнительно тяжелые элементы. Далее под действием сил притяжения куски материи сталкивались, слипались и планеты росли. Однако современные исследования доказали несостоятельность подобного механического захвата туманности, к тому же отсутствие объяснений о создании самого Солнца не могли удовлетворить науку.
В пятидесятых годах стала популярной гипотеза харьковского астронома В. Фесенкова, который подошел к решению проблемы с точки зрения рождения и эволюции звезд. Он считал, что образование туманности происходило за счет выброса вещества из новой или сверхновой звезды. В центре туманности существовал уплотненный сгусток - первичное Солнце, вокруг которого сформировались неоднородности - гигантские "нити" и "фибрилл", что в дальнейшем превратились в небесные тела. Планеты образовались из того вещества газово-пылевой туманности, которая находилась в экваториальной плоскости Солнца. Эта туманность, окружавшей протосолнца, была сплюснутая, уплотнения в ней происходили неравномерно, ибо движение часто был неправильный, вихороподибний. Орбиты сгустков-планет с самого начала мало отличались от круга и находились в одной плоскости.
Многие ученые считают, что протосолнечной туманность, из которой сформировались все тела Солнечной системы, была в течение длительного времени в виде обычной межзвездной намагниченной облака, медленно вращалась. Возможно, поблизости от нее впоследствии образовалась массивная звезда. Со временем смерть этой звезды привела к взрыву сверхновой. Мощные вспышки сверхновых звезд происходят в связи с выгоранием в их центре ядерного топлива. В ядре такой звезды резко снижаются температура и давление, в результате чего ее поверхностные слои под действием собственного огромного веса начинают падать в центр звезды. Происходит так называемое явление коллапса, которое приводит к гибели звезды.
Наличие магнитного поля в газовом облаке, вращающемся и сжимается, играет важную роль при коллапсе облака. По мере того, как вращение облака ускоряется, магнитные силовые линии, ведущие себя как пружинные пластинки, закручиваются. Магнитные натяжения приводят к образованию ядра, которое медленно вращается, а вещество, остается на периферии, быстро крутится вокруг него. Этот эффект позволяет объяснить фактическое распределение момента количества движения в Солнечной системе.
В сжатий облаке быстро развивается плотное, непрозрачное ядро с медленным осевым движением. Вокруг него продолжает вращаться газовый диск - протосолнечной туманность. Газ содержал много частиц пыли. Тонкий диск с холодной пыли был такой же гравитационно неустойчиво, как и облако холодного газа. Частицы пыли привлекались большими по массе сгустками материи, и они вырастали до размеров астероидов. Эти первичные образования получили название планетезималей. Они имели неодинаковую массу и различные скорости. Астероиды и ядра комет, возможно, и являются теми остатками планетезималей, заполнявших когда Солнечной системе.
Между тем молодое Солнце, которое возникло на месте ядра, стало выделять свет и энергию. Это повлияло на свойства планет, образовавшихся. Вблизи Солнца температура была высокой, вследствие чего вещества, оказавшиеся здесь в состоянии льда, быстро испарялись. В этих условиях смогли сохраниться только жаростойкие каменистые и металлические частицы. Поэтому внутренние планеты образовывались преимущественно из материала, который имел большой удельный вес. Они сравнительно небольшие по массе и поэтому не были способны удержать заметное количество водорода и гелия. В внешних областях Солнечной системы температура была достаточно низкой, и ледовые вещества здесь не растаяли. В результате образовались огромные планеты, которые были способны удержать водород и гелий. Хотя внешние планеты Солнечной системы очень массивные, но все они имеют сравнительно малую плотность.
Сейчас широко распространилась гипотеза так называемой аккумуляции небесных тел. Ученые считают, что планеты образовались в результате накопления многих тел меньших размеров, которые двигались вокруг протосолнца за орбитами, что лежали в середине плоского диска. Эта гипотеза позволяет объяснить направления вращения планет по орбите и вокруг собственной оси. В планетах, которые образовались из многих мелких тел, индивидуальные направления обращений усреднялись, в результате их ось вращения оказывалась параллельной оси вращения Солнца. Исключение составляют Уран и Венера. Пожалуй, первый образовавшийся при столкновении лишь нескольких, возможно даже только двух крупных тел. Обратное движение Венеры указывает на то, что в свое время произошло сильное замедление вращения планеты приливными силами Солнца.
Современные представления об образовании Солнца и планет из газопилоподибнои туманности являются общепризнанными. Ученые получили новые веские доказательства эволюции Вселенной. Большой популярностью в мире получила теория о "Большой взрыв" - так коротко называют совокупность процессов, происходивших почти двадцать миллиардов лет назад, в самом начале формирования Вселенной. Полагают, что когда-то вся космическая материя была сосредоточена в сравнительно небольшом по размерам сгустка, который представлял собой очень горячую (миллиарды градусов) сверхплотную вещество. Вследствие сверхмощного взрыва материя разлетелась в разные стороны космического пространства, плотность стала падать, а температура снижаться. Эта гипотеза была подтверждена открытием в 1964 американскими исследователями А. Пензиасом и Р. Вильсоном теплового фонового излучения Вселенной. Излучение назван реликтовым, потому что оно является остатком тепла от той первоначальной горячей материи. "Разбегания" галактик, которое является следствием Большого взрыва, продолжается и по сей день: такой вывод подкрепляется наблюдениями Е. Хаббла, который обнаружил смещение линий спектра галактик в сторону длинноволнового красного конца. Признано, что такое смещение отражает фактические особенности движения галактик, непрерывное рост расстояний между ними. Это означает, что галактики удаляются от нас (и друг от друга) во все стороны и тем быстрее, чем дальше они от нас. Этот процесс охватывает всю наблюдаемую часть Вселенной, а возможно и всю Вселенную.
Таким образом, по мере совершенствования методов исследования Вселенной и накопления новых данных о строении различных небесных тел ученые все глубже проникают в тайны их происхождения. Создание единой теории развития Земли и других планет Солнечной системы - одна из самых сложных проблем современной науки.
До сих пор основной теорией происхождения колыбели человечества считается теория Большого Взрыва. По утверждению астрономов, бесконечно долгое время назад в космическом пространстве существовал огромный раскаленный шар, чья температура исчислялась миллионами градусов. В результате химических реакций, происходивших внутри огненной сферы, произошел взрыв, разметавший в пространстве огромное количество мельчайших частиц материи и энергии. Изначально, эти частицы имели слишком высокую температуру. Затем Вселенная остывала, частицы притягивались друг к другу, накапливаясь в одном пространстве. Более легкие элементы притягивались к более тяжелым, возникшим в результате постепенного охлаждения Вселенной. Так образовывались галактики, звезды, планеты.
В подтверждение этой теории ученые приводят строение Земли, чья внутренняя часть, называемая ядром, состоит из тяжелых элементов – никеля и железа. Ядро, в свою очередь, покрыто толстой мантией из раскаленных горных пород, являющихся более легкими. Поверхность планеты, другими словами, земная кора, словно плавает на поверхности расплавленных масс, являясь результатом их остывания.
Формирование условий для жизни
Постепенно земной шар остывал, создавая на своей поверхности все более плотные участки почвы. Вулканическая деятельность планеты в те времена была достаточно активной. В результате извержений магмы в пространство выбрасывалось огромное количество различных газов. Самые легкие, такие, как гелий и водород моментально улетучивались. Более тяжелые молекулы оставались над поверхностью планеты, притягиваемые ее гравитационными полями. Под влиянием внешних и внутренних факторов, пары выброшенных газов становились источником влаги, появились первые осадки, сыгравшие ключевую роль в появлении жизни на планете.
Постепенно внутренние и внешние метаморфозы привели к тому разнообразию ландшафта, к которому человечество давно привыкло:
- образовались горы и долины;
- появились моря, океаны и реки;
- сложился определенный климат в каждой местности, давший толчок развитию той или иной форме жизни на планете.
Мнение о спокойствии планеты и о том, что она сформирована окончательно, неверно. Под воздействием эндогенных и экзогенных процессов, поверхность планеты формируется до сих пор. Своим разрушительным хозяйствованием человек способствует ускорению этих процессов, что ведет к самым катастрофическим последствиям.
Впервые наиболее соответствующую современным взглядам и достижениям науки гипотезу о происхождении нашей планеты предложил известный советский ученый, академик О. Ю. Шмидт и развили его ученики. По этой теории образовалась путем объединения твердых частиц и никогда не проходила через «огненно-жидкую» стадию. Высокая земных недр объясняется накоплением тепла, выделяющегося при распаде радиоактивных , и лишь в малой степени - теплом, выделившимся при ее образовании.
По гипотезе О. Ю. Шмидта рост Земли происходил за счет частиц, выпадавших на ее поверхность. При этом кинетическая частиц переходила в тепловую. Поскольку выделение тепла происходило на поверхности, большая часть его излучалась в пространство, а небольшая доля шла на нагревание поверхностного слоя вещества. Сперва нагревание возрастало, так как увеличение массы, а вместе с тем и притяжение Земли увеличивало силу ударов. Затем по мере того, как вещество исчерпывалось, процесс роста замедлялся, а нагревание стало уменьшаться. По расчетам советского ученого В. С. Сафронова, наибольшую температуру должны были приобрести те слои, которые находятся ныне на глубине около 2500 километров. Их температура могла превышать 1000°. Но центральные и наружные части Земли были вначале холодными.
Разогрев Земли, как полагают академик В. И. Вернадский и его последователи, целиком обусловлен действием радиоактивных элементов. Вещество Земли содержит небольшую примесь радиоактивных элементов: урана, тория, радия. Ядра этих элементов непрерывно распадаются, превращаясь в ядра других химических элементов. Каждый атом урана и тория, распадаясь, сравнительно быстро превращается в целый ряд промежуточных радиоактивных атомов (в частности, в атом радия) и в конце концов в устойчивый атом того или иного изотопа свинца и несколько атомов гелия. При распаде калия образуются кальций и аргон. В результате распада радиоактивных элементов выделяется тепло. Из отдельных частиц это тепло легко ускользало наружу и рассеивалось в пространстве. Но когда образовалась Земля - тело огромных размеров, тепло стало накапливаться в ее недрах. Хотя в каждом грамме земного вещества за единицу времени (например, за год) выделяется очень мало тепла, за миллиарды лет, в течение которых существует наша планета, его накопилось так много, что температура в очагах недр Земли достигла предельно высокого уровня. Согласно расчетам, поверхностные части планеты, из которых тепло и сейчас продолжает медленно ускользать, вероятно, уже прошли через стадию наибольшего разогрева и начали остывать, но в глубоких внутренних частях разогрев, по-видимому, еще продолжается.
Однако нужно заметить, что, по данным вулканологии и петрографии, мы не находим в земной коре пород, которые образовывались бы при более высоких температурах чем 1200°. И на некоторой глубине их температура обычно ниже, ибо наблюдения показывают, что на воздухе при окислении составных частей, например железа, их температура повышается приблизительно на 50°. Глубинные породы содержат примерно такие же минералы, и, следовательно, температура их образования не выше. Более того, ряд других минералов и обломков углей, включенных в глубинных породах, а также включений в минералах говорят о более низкой температуре глубинной магмы, чем у лавы. Этот разогрев недр никак не отражается на поверхности Земли и на условиях жизни на ней, потому что температура поверхности определяется не внутренним теплом, а теплом, получаемым от Солнца. Из-за малой теплопроводности Земли поток тепла, приходящий из ее недр к поверхности, в 5000 раз меньше потока тепла, получаемого от Солнца.
Вещество Солнца также содержит некоторое количество радиоактивных элементов, но выделяемая ими энергия играет ничтожную роль в поддержании его мощного излучения. Во внутренних частях Солнца давление и температура столь высоки, что там непрерывно происходят ядерные реакции -объединение ядер атомов одних химических элементов в более сложные ядра атомов других элементов; при этом выделяется огромное количество энергии, которая и поддерживает в течение многих миллиардов лет излучение Солнца.
С разогреванием Земли, по-видимому, тесно связано происхождение и гидросферы. и газы попали на Землю вместе с твердыми частицами и телами, из которых она образовалась. Хотя температура частиц в зоне планет земной группы была слишком высокая для того, чтобы могло происходить замораживание газов, но и в этих условиях газовые молекулы обильно «налипали» на поверхность частиц. Вместе с этими частицами они вошли в состав более крупных тел, а затем и в состав Земли. Кроме того, как отметил О. Ю. Шмидт, в зону планет земной группы могли залетать ледяные тела из зоны планет-гигантов. Не успев прогреться и испариться, они могли падать на Землю, отдавая ей воду и газы.
Нагревание - лучший способ изгнать из твердого тела находящиеся в нем газы. Поэтому разогревание Земли сопровождалось выделением газов и водяных паров, содержащихся в небольшом количестве в земных каменистых веществах. Прорвавшись на поверхность, водяные пары сгустились в воды морей и океанов, а газы образовали атмосферу, состав которой первоначально существенно отличался от современного. Теперешний состав земной атмосферы в значительной мере обусловлен существованием на поверхности Земли растительной и животной жизни.
Выделение газов и водяных паров из недр Земли продолжается и поныне. При вулканических извержениях в атмосферу в большом количестве выбрасываются водяные пары и углекислый газ, а в разных местах Земли из недр ее выделяются горючие газы.
По последним данным науки, Земля состоит из:
- ядра, по своим свойствам (плотности) подобного железо-никелевым соединениям, а ближе всего к железо-силикатному веществу или металлизированным силикатам;
- мантии, состоящей из вещества, по физическим свойствам приближающегося к горным породам гранатовых перидотитов и эклогитов
- земной коры, иначе говоря, пленки горных пород - базальтов и гранитов, а также пород, близких к ним по физическим свойствам.
Большой интерес представляет вопрос о том, как отразилась теория О. Ю. Шмидта на теории происхождения жизни на Земле, разработанной академиком А. И. Опариным. Согласно теории А. И. Опарина, живое вещество возникло путем постепенного усложнения состава из простых органических соединений (таких, как метан, формальдегид), растворенных в воде на поверхности Земли.
При создании своей теории А. И. Опарин исходил из распространенного в то время представления о том, что Земля образовалась из раскаленных газов и, пройдя «огненно-жидкую» стадию, затвердела. Но на стадии раскаленного газового сгустка метан не мог существовать. В поисках путей образования метана А. И. Опарин привлек схему его образования в результате воздействия горячих водяных паров на карбиды (соединения углерода с металлами). Он полагал, что метан с водяным паром поднимался по трещинам на поверхность Земли и таким образом оказался в водном растворе. Необходимо отметить, что только образование метана происходило при высокой температуре, а дальнейший процесс, приведший к возникновению жизни, протекал уже в воде, т.е. при температуре ниже 100°.
Исследования показывают, что метан в смеси с водяными парами присутствует в выбросах газа только при температурах ниже 100°. При высоких температурах на раскаленной лаве в выбросах метан не обнаруживается.
Согласию теории О. Ю. Шмидта, газы и водяные пары в небольшом количестве с самого начала вошли в состав Земли. Поэтому вода могла появиться на поверхности Земли еще на ранних стадиях развития нашей планеты. В ней с самого начала присутствовали в растворе углеводы и другие соединения. Таким образом, выводы из новой космогонической теории обосновывают наличие у Земли с начала ее существования как раз тех условий, которые нужны для процесса возникновения жизни по теории А. И. Опарина.
Исследования распространения волн землетрясений, проведенные на рубеже XIX и XX веков, показали, что плотность вещества Земли вначале увеличивается плавно, а затем возрастает скачками. Это подтверждало ранее установившееся мнение о том, что в недрах Земли происходит резкое разделение каменистого вещества и железа.
Как теперь установлено, граница плотного ядра Земли расположена на глубине 2900 километров от поверхности. Поперечник ядра превышает одну вторую поперечника нашей планеты, а масса составляет одну треть массы всей Земли.
Несколько лет назад большинство геологов, геофизиков и геохимиков предполагало, что плотное ядро Земли состоит из никелистого железа, подобного тому, которое присутствует в метеоритах. Считалось, что железо успело стечь к центру, пока Земля была огненно-жидкой. Однако еще в 1939 году геолог В. Н. Лодочников отмечал необоснованность этой гипотезы и указывал на то, что мы плохо знаем поведение вещества при тех огромных давлениях, которые существуют внутри Земли вследствие огромного веса вышележащих слоев. Он предсказывал, что наряду с плавным изменением плотности по мере увеличения давления должны существовать и скачкообразные изменения.
Разрабатывая новую теорию, Шмидт выдвинул предположение, что образование железного ядра произошло в результате разделения вещества Земли под действием силы тяжести. Этот процесс начался после того, как в недрах Земли произошел разогрев. Но вскоре необходимость объяснения образования железного ядра отпала, так как взгляды В. И. Лодочникова получили дальнейшее развитие в виде гипотезы Лодочникова - Рамзея. Скачкообразное изменение свойств вещества при очень высоких давлениях было подтверждено теоретическими расчетами.
Расчеты показывают, что уже на глубине около 250 километров давление в Земле достигает 100 000 атмосфер, а в центре оно превышает 3 миллиона атмосфер. Поэтому даже при температуре в несколько тысяч градусов вещество Земли может быть не жидким в обычном смысле слова, а подобно вару или смоле. Под влиянием длительно действующих сил оно способно на медленные перемещения и деформации. Например, вращаясь вокруг своей оси, Земля под действием центробежной силы приняла сплюснутую форму, как будто она является жидкой. В то же время по отношению к кратковременным силам она ведет себя как твердое тело с упругостью, превышающей упругость стали. Это проявляется, например, при распространении волн землетрясений.
Благодаря податливости земных недр в них происходят медленные перемещения веществ под действием силы тяжести. Более тяжелые вещества опускаются вниз, а более легкие — вверх. Эти перемещения столь медленны, что, хотя они и длятся миллиарды лет, создалась лишь небольшая концентрация более тяжелых веществ, прилегающих к центру Земли. Процесс расслоения глубоких недр Земли, можно сказать, только еще начался и происходит до сих пор.
В одной галактике насчитывается около 100 млрд звезд, а всего в нашей Вселенной существует 100 млрд галактик. Если бы вам вздумалось отправиться в путешествие с Земли к самому краю Вселенной, то это заняло бы у вас больше 15 млрд лет при условии, что вы будете передвигаться со скоростью света - 300 000 км в секунду. Но откуда же появилась космическая материя? Как возникла Вселенная? История Земли насчитывает около 4,6 млрд лет. За это время на ней возникали и вымирали многие миллионы видов растений и животных; вырастали и обращались в прах высочайшие горные хребты; громадные материки то раскалывались на части и разбегались в разные стороны, то сталкивались друг с другом, образуя новые гигантские массивы суши. Откуда же мы все это знаем? Дело в том, что, несмотря на все катастрофы и катаклизмы, которыми столь богата история нашей планеты, на удивление многое из ее бурного прошлого запечатлевается в горных породах, существующих и поныне, в окаменелостях, которые в них находят, а также в организмах живых существ, обитающих на Земле в наши дни. Разумеется, эта летопись неполная. Нам попадаются лишь ее фрагменты, между ними зияют пустоты, из повествования выпадают целые главы, крайне важные для понимания того, что происходило на самом деле. И все-таки даже в столь урезанном виде история нашей Земли не уступит в увлекательности любому детективному роману.
Астрономы полагают, что наш мир возник в результате Большого Взрыва. Взорвавшись, гигантский огненный шар разметал по пространству материю и энергию, которые впоследствии сгустились, образовав миллиарды звезд, а те, в свою очередь, объединились в многочисленные галактики.
Теория Большого Взрыва.
Теория, которой придерживается большинство современных ученых, утверждает, что Вселенная образовалась в результате так называемого Большого Взрыва. Невероятно горячий огненный шар, температура которого достигала миллиардов градусов, в какой-то момент взорвался и разбросал во всех направлениях потоки энергии и частиц материи, придав им колоссальное ускорение.
Любое вещество состоит из крохотных частиц - атомов. Атомы - это мельчайшие материальные частицы, способные принимать участие в химических реакциях. Однако они, в свою очередь, состоят из еще более мелких, элементарных, частиц. В мире существует множество разновидностей атомов, которые называются химическими элементами. Каждый химический элемент включает в себя атомы определенных размеров и веса и отличается от других химических элементов. Поэтому в ходе химических реакций каждый химический элемент ведет себя только ему одному присущим образом. Все сущее во Вселенной, от крупнейших галактик до мельчайших живых организмов, состоит из химических элементов.
После Большого Взрыва.
Поскольку огненный шар, разлетевшийся на части в результате Большого Взрыва, имел колоссальную температуру, крохотные частицы материи обладали поначалу слишком большой энергией и не могли соединиться друг с другом, чтобы образовать атомы. Однако спустя примерно миллион лет температура Вселенной понизилась до 4000"С, и из элементарных частиц стали формироваться различные атомы. Сначала возникли самые легкие химические элементы - гелий и водород. Постепенно Вселенная охлаждалась все сильнее и образовывались более тяжелые элементы. Процесс образования новых атомов и элементов продолжается и по сей день в недрах таких звезд, как, к примеру, наше Солнце. Их температура необычайно высока.
Вселенная остывала. Новообразованные атомы собирались в гигантские облака пыли и газа. Частицы пыли сталкивались друг с другом, сливались в единое целое. Гравитационные силы притягивали маленькие объекты к более крупным. В результате во Вселенной со временем сформировались галактики, звезды, планеты.
Земля имеет расплавленное ядро, богатое железом и никелем. Земная кора состоит из более легких элементов и как бы плавает на поверхности частично расплавленных горных пород, образующих мантию Земли.
Расширяющаяся Вселенная.
Большой Взрыв оказался настолько мощным, что вся материя Вселенной с огромной скоростью разлетелась по космическому пространству. Более того, Вселенная продолжает расширяться и по сей день. Мы можем с уверенностью утверждать это потому, что отдаленные галактики все еще отодвигаются от нас, а расстояния между ними постоянно увеличиваются. Значит, когда-то галактики располагались гораздо ближе друг к Другу, чем в наши дни.
Никто точно не знает, как именно образовалась Солнечная система. Основная теория гласит, что Солнце и планеты сформировались из завихряющегося облака космического газа и пыли. Более плотные части этого облака с помощью гравитационных сил притягивали к себе извне все большее количество вещества. В итоге из него возникли Солнце и все его планеты.
Микроволны из прошлого.
Исходя из предположения, что Вселенная сформировалась в результате "горячего" Большого Взрыва, то есть возникла из гигантского огненного шара, ученые попробовали подсчитать, до какой степени она должна была охладиться к настоящему времени. Они пришли к выводу, что температура межгалактического пространства должна составлять около -270°С. Температуру Вселенной ученые определяют и по интенсивности микроволнового (теплового) излучения, идущего из глубин космоса. Проведенные измерения подтвердили, что она в самом деле составляет примерно -270"С.
Каков возраст Вселенной?
Чтобы узнать расстояние до той или иной галактики, астрономы определяют ее размеры, яркость и цвет излучаемого ею света. Если теория Большого Взрыва верна, то, значит, все существующие ныне галактики первоначально были стиснуты в один сверхплотный и горячий огненный шар. Вам достаточно поделить расстояние от одной галактики до другой на скорость, с какой они удаляются друг от друга, чтобы установить, как давно они составляли единое целое. Это и будет возрастом Вселенной. Разумеется, этот метод не позволяет получить точных данных, но все же он дает основания полагать, что возраст Вселенной -от 12 до 20 млрд лет.
Поток лавы вытекает из кратера вулкана Килауэа, расположенного на о-ве Гавайя. Когда лава выходит на поверхность Земли, она застывает, образуя новые горные породы.
Образование Солнечной системы.
Галактики сформировались, по всей вероятности, спустя примерно 1 - 2 млрд лет после Большого Взрыва, а Солнечная система возникла приблизительно на 8 млрд лет позже. Ведь материя распределялась по пространству отнюдь не равномерно. Более плотные области, благодаря гравитационным силам, притягивали к себе все больше пыли и газа. Размеры этих областей стремительно увеличивались. Они превращались в гигантские завихряющиеся облака пыли и газа - так называемые туманности.
Одна такая туманность - а именно солнечная туманность - сгустившись, образовала наше Солнце. Из других частей облака возникли сгустки вещества, ставшие планетами, в том числе Землей. Они удерживались на своих околосолнечных орбитах мощным гравитационным полем Солнца. По мере того как гравитационные силы притягивали частицы солнечного вещества все ближе и ближе друг к другу, Солнце становилось все меньше и плотнее. При этом в солнечном ядре возникло чудовищное давление. Оно преобразовывалось в колоссальную тепловую энергию, а это, в свою очередь, ускоряло ход термоядерных реакций внутри Солнца. В (результате образовывались новые атомы и выделялось еще больше тепла.
Возникновение условий для жизни.
Примерно те же процессы, хотя и в значительно меньших масштабах, происходили и на Земле. Земное ядро стремительно сжималось. Из-за ядерных реакций и распада радиоактивных элементов в недрах Земли выделялось так много тепла, что образующие ее горные породы расплавились. Более легкие вещества, богатые кремнием - похожим на стекло минералом, - отделились в земном ядре от более плотных железа и никеля и образовали первую земную кору. Спустя примерно миллиард лет, когда Земля существенно охладилась, земная кора затвердела и превратилась в прочную внешнюю оболочку нашей планеты, состоящую из твердых горных пород.
Остывая, Земля выбрасывала из своего ядра множество различных газов. Обычно это происходило при извержении вулканов. Легкие газы, такие, как водород или гелий, большей частью улетучивались в космическое пространство. Однако сила притяжения Земли была достаточно велика, чтобы удерживать у ее поверхности более тяжелые газы. Они-то и составили основу земной атмосферы. Часть водяных паров из атмосферы сконденсировалась, и на Земле возникли океаны. Теперь наша планета была полностью готова к тому, чтобы стать колыбелью жизни.
Рождение и гибель горных пород.
Земная суша образуется твердыми горными породами, зачастую покрытыми слоем почвы и растительностью. Но откуда эти горные породы берутся? Новые горные породы формируются из вещества, рождающегося глубоко в недрах Земли. В нижних слоях земной коры температура намного выше, чем па поверхности, а составляющие их горные породы находятся под огромным давлением. Под воздействием жара и давления горные породы прогибаются и размягчаются, а то и вовсе плавятся. Как только в земной коре образуется слабое место, расплавленные горные породы - их называют магмой - прорываются на поверхность Земли. Магма вытекает из жерлов вулканов в виде лавы и распространяется на большой площади. Застывая, лава превращается в твердую горную породу.
Взрывы и огненные фонтаны.
В одних случаях рождение горных пород сопровождается грандиозными катаклизмами, в других проходит тихо и незаметно. Существует множество разновидностей магмы, и из них образуются различные типы горных пород. К примеру, базальтовая магма очень текуча, легко выходит на поверхность, растекается широкими потоками и быстро застывает. Иногда она вырывается из жерла вулкана ярким "огненным фонтаном" - такое происходит, когда земная кора не выдерживает ее давления.
Другие виды магмы гораздо гуще: их густота, или консистенция, больше похожа на черную патоку. Содержащиеся в такой магме газы с большим трудом пробиваются на поверхность сквозь ее плотную массу. Вспомните, как легко пузырьки воздуха вырываются из кипящей воды и насколько медленнее это происходит, когда вы нагреваете что-нибудь более густое, к примеру кисель. Когда более плотная магма поднимается ближе к поверхности, давление на нее уменьшается. Растворенные в пей газы стремятся расшириться, но не могут. Когда же магма наконец вырывается наружу, газы расширяются столь стремительно, что происходит грандиозный взрыв. Лава, обломки горных пород и пепел разлетаются во все стороны, как снаряды, выпущенные из пушки. Подобное извержение случилось в 1902 г. на о-ве Мартиника в Карибском море. Катастрофическое извержение вулкана Моптапь-Пеле полностью разрушило порт Сеп-Пьер. Погибло около 30 000 человек.
Образование кристаллов.
Горные породы, формирующиеся из остывающей лавы, называют вулканическими, или изверженными, горными породами. Пока лава остывает, минералы, содержащиеся в расплавленных породах, постепенно превращаются в твердые кристаллы. Если лава остывает быстро, кристаллы не успевают вырасти и остаются очень маленькими. Подобное происходит при образовании базальта. Иногда лава охлаждается столь быстро, что из нее получается гладкая стеклообразная порода, вообще не содержащая кристаллов, такая, как обсидиан (вулканическое стекло). Подобное, как правило, случается при подводном извержении или когда маленькие частицы лавы выбрасываются из жерла вулкана высоко в холодный воздух.
Эрозия и выветривание горных пород в каньонах Сидар-Брейкс, штат Юта, США. Эти каньоны образовались в результате эрозионного воздействия реки, проложившей свое русло через слои осадочных пород, "выдавленных" кверху движениями земной коры. Обнажившиеся горные склоны постепенно выветрились, и обломки пород образовали на них каменистые осыпи. Посреди этих осыпей торчат выступы все еще твердых скал, которые и образуют края каньонов.
Свидетельства минувшего.
Размеры кристаллов, содержащихся в вулканических породах, позволяют нам судить, насколько быстро остывала лава и на каком расстоянии от поверхности Земли она залегала. Перед вами кусок гранита, как он выглядит в поляризованном свете под микроскопом. Различные кристаллы имеют на этом изображении различный цвет.
Гнейс - метаморфическая горная порода, образовавшаяся из осадочной породы под воздействием тепла и давления. Рисунок из разноцветных полос, которые вы видите на этом куске гнейса, позволяет определить направление, в котором земная кора, двигаясь, давила на слои горных пород. Так мы получаем представление о событиях, происходивших 3,5 млрд лет тому назад.
По складкам и разломам (разрывам) в горных породах мы можем судить, в каком направлении действовали колоссальные напряжения в земной коре в давно минувшие геологические эпохи. Эти складки возникли в результате горообразующих движений земной коры, начавшихся 26 млн лет назад. В этих местах чудовищные силы сдавили слои осадочных горных пород - и образовались складки.
Магма далеко не всегда достигает поверхности Земли. Она может задерживаться в нижних слоях земной коры и тогда остывает гораздо медленнее, образуя восхитительные крупные кристаллы. Именно так возникает гранит. Величина кристаллов в некоторых голышах позволяет установить, каким образом много миллионов лет назад сформировалась данная порода.
Худуз, провинция Альберта, Канада. Дожди и песчаные бури разрушают мягкие горные породы быстрее, чем твердые, и в результате возникают останцы (выступы) с причудливыми очертаниями.
Осадочные "бутерброды".
Не все горные породы похожи на вулканические, такие, как гранит или базальт. Многие из них состоят из множества слоев и похожи на огромную стопку бутербродов. Они образовались когда-то из разрушенных ветром, дождями и реками других горных пород, обломки которых смыло в озера или моря, и они осели на дне под толщей воды. Постепенно таких осадков скапливается огромное количество. Они нагромождаются друг на друга, образуя слои толщиной в сотни и даже тысячи метров. Вода озера или моря давит на эти отложения с колоссальной силой. Находящаяся внутри них вода выдавливается, и они спрессовываются в плотную массу. В то же время минеральные вещества, прежде растворенные в выдавливаемой воде, как бы цементируют всю эту массу, и в итоге из нее формируется новая горная порода, которую называют осадочной.
И вулканические, и осадочные породы могут под воздействием движений земной коры выталкиваться кверху, образуя новые горные системы. В образовании гор участвуют колоссальные силы. Под их воздействием горные породы либо очень сильно нагреваются, либо чудовищно сжимаются. При этом они преобразовываются - трансформируются: один минерал может превратиться в другой, кристаллы расплющиваются и принимают иное расположение. В результате па месте одной горной породы возникает другая. Горные породы, сформировавшиеся при трансформации других горных пород под воздействием вышеупомянутых сил, называются метаморфическими.
Ничто не вечно, даже горы.
На первый взгляд ничего не может быть прочнее и долговечнее, чем огромная гора. Увы, это всего-навсего иллюзия. Если основываться на геологической шкале времени, где счет идет на миллионы и даже сотни миллионов лет, то горы оказываются столь же преходящим, как и все остальное, включая нас с вами.
Любая горная порода, как только начнет подвергаться воздействию атмосферы, моментально будет разрушаться. Если вы взглянете на свежий обломок скалы или расколотый голыш, то увидите, что вновь образовавшаяся поверхность породы зачастую совсем иного цвета, чем старая, долго пробывшая па воздухе. Это объясняется воздействием кислорода, содержащегося в атмосфере, а во многих случаях - и дождевой воды. Из-за них на поверхности горной породы происходят различные химические реакции, постепенно изменяющие ее свойства.
Со временем эти реакции приводят к высвобождению минералов, скрепляющих породу, и она начинает рассыпаться. В породе образуются крохотные трещинки, в которые проникает вода. Замерзая, эта вода расширяется и разрывает породу изнутри. Когда лед растает, такая порода попросту развалится на куски. Очень скоро отвалившиеся куски породы смоют дожди. Этот процесс называется эрозией.
Ледник Мюир на Аляске. Разрушительное воздействие ледника и камней, вмерзших в него снизу и с боков, постепенно вызывает эрозию стен и дна долины, по которой он движется. В результате на льду образуются длинные полосы обломков горных пород - так называемые морены. При слиянии двух соседних ледников соединяются и их морены.
Вода-разрушитель.
Куски разрушенной породы в конечном итоге попадают в реки. Течение тащит их по речному руслу и стачивает ими породу, которая образует само русло, пока уцелевшие обломки не найдут наконец тихое пристанище на дне озера или моря. Замерзшая вода (лед) обладает еще большей разрушительной силой. Ледники и ледниковые покровы волокут за собой множество крупных и мелких обломков горных пород, вмерзших в их ледяные бока и брюха. Эти обломки проделывают глубокие борозды в породах, по которым движутся ледники. Ледник может переносить обломки скал, упавшие на него сверху, на многие сотни километров.
Скульптуры, созданные ветром
Ветер тоже разрушает горные породы. Особенно часто такое случается в пустынях, где ветер переносит миллионы мельчайших песчинок. Песчинки большей частью состоят из кварца, чрезвычайно прочного минерала. Вихрь песчинок ударяется о скалы, выбивая из них все новые и новые песчинки.
Часто ветер нагромождает песок в большие песчаные холмы, или дюны. Каждый порыв ветра наносит на дюны новый слой песчинок. Расположение склонов и крутизна этих песчаных холмов позволяют судить о направлении и силе ветра, их создавшего.
Ледники проделывают на своем пути глубокие U-образные долины. В Нантфранконе, Уэльс, ледники исчезли еще в доисторические времена, оставив после себя широкую долину, которая явно велика для небольшой речки, протекающей по ней ныне. Маленькое озеро на переднем плане перегорожено полосой особо прочной горной породы.
Вопрос о том, как возникла Земля, занимает умы людей уже не одно тысячелетие. Ответ на него всегда зависел от уровня знаний людей. Первоначально существовали наивные легенды о сотворении мира некоей божественной силой. Затем Земля в работах ученых приобрела очертания шара, который являлся центром Вселенной. Потом в XVI веке появилось учение Н. , которое поместило Землю в ряд планет, вращающихся вокруг Солнца. Это был первый шаг в подлинно научном решении вопроса о происхождении Земли. В настоящее время есть несколько гипотез, каждая из которых по-своему описывает периоды становления Вселенной и положение Земли в .
Гипотеза Канта-Лапласа
Это была первая серьезная попытка создать картину происхождения Солнечной системы с научной точки зрения. Она связана с именами французского математика Пьера Лапласа и немецкого философа Иммануила Канта, работавших в конце XVIII века. Они полагали, что прародительницей Солнечной системы является раскаленная газово-пылевая туманность, медленно вращавшаяся вокруг плотного ядра в центре. Под влиянием сил взаимного притяжения туманность начала сплющиваться и превращаться в огромный диск. Плотность его не была равномерной, поэтому в диске произошло расслоение на отдельные газовые кольца. В дальнейшем каждое кольцо начало сгущаться и превращаться в единый газовый сгусток, вращающийся вокруг своей оси. Впоследствии сгустки остыли и превратились в планеты, а кольца вокруг них - в спутники.
Основная часть туманности осталась в центре, до сих пор не остыла и стала Солнцем. Уже в XIX веке обнаружилась недостаточность этой гипотезы, так как она не всегда могла объяснить новые данные в науке, но ценность ее все еще велика.
Советский геофизик О.Ю.Шмидт несколько иначе представлял себе развитие Солнечной системы, работая в первой половине XX века. Согласно его гипотезе, Солнце, путешествуя по Галактике, проходило сквозь газопылевое облако и увлекло часть его за собой. Впоследствии твердые частицы облака подверглись слипанию и превратились в планеты, изначально холодные. Разогревание этих планет произошло позже в результате сжатия, а также поступления солнечной энергии. Разогрев Земли сопровождали массовые излияния лав на поверхность в результате деятельности. Благодаря этому излиянию сформировались первые покровы Земли.
Из лав выделялись . Они образовали первичную , которая еще не содержала кислорода. Больше половины объема первичной атмосферы составляли пары воды, а температура ее превышала 100°С. При дальнейшем постепенном остывании атмосферы произошла , что привело к выпадению дождей и образованию первичного океана. Это произошло около 4,5-5 млрд. лет назад. Позднее началось формирование суши, которая представляет собой утолщенные, относительно легкие части , поднимающихся выше уровня океана.
Гипотеза Ж.Бюффона
Далеко не все были согласны с эволюционным сценарием происхождения планет вокруг Солнца. Еще в XVIII веке французский естествоиспытатель Жорж Бюффон высказал предположение, поддержанное и развитое американскими физиками Чемберленом и Мультоном. Суть этих предположений такова: когда-то в окрестностях Солнца пронеслась другая звезда. Ее притяжение вызвало на Солнце огромную , вытянувшуюся в пространстве на сотни миллионов километров. Оторвавшись, эта волна стала закручиваться вокруг Солнца и распадаться на сгустки, каждый из которых сформировал свою планету.
Гипотеза Ф.Хойла (XX век)
Английским астрофизиком Фредом Хойлом была предложена своя гипотеза. Согласно ей у Солнца была звезда-близнец, которая взорвалась. Большая часть осколков унеслась в космическое пространство, меньшая - осталась на орбите Солнца и образовала планеты.
Все гипотезы по-разному трактуют происхождение Солнечной системы и родственные связи между Землей и Солнцем, но они едины в том, что все планеты произошли из единого сгустка материи, а дальше судьба каждой из них решалась по-своему. Земле предстояло пройти путь в 5 млрд. лет, испытать ряд фантастических превращений, прежде чем мы увидели ее в современном облике. Однако необходимо заметить, что гипотезы, не имеющей серьезных недостатков и отвечающей на все вопросы о происхождении Земли и других планет Солнечной системы, пока еще нет. Но можно считать установленным, что Солнце и планеты образовались одновременно (или почти одновременно) из единой материальной среды, из единого газово-пылевого облака.