Глава 6 Современные науки о Земле

Эволюция и строение Земли.

Земля, как и другие планеты Солнечной системы, образовалась из газопылевого облака, окружавшего Солнце, не более, чем через примерно 0,5 млрд. лет после образования Солнца. Радиус Земли 6,3 тыс. км. Масса 6²¹ тонн. Плотность 5,5 г/см³. Скорость вращения Солнца вокруг Земли составляет 30 км/с. Основными компонентами облака были водород, гелий, а также присутствовали более тяжелые химические элементы. Когда земной шар стал остывать, более тяжелые металлы такие, как железо и никель, опустились в расплавленное ядро, а более легкие элементы такие, как кремний, начали формировать земную кору.

Земля состоит из внутренних и внешних оболочек. Среди внутренних оболочек выделяют мантию и внутреннее и внешнее ядро. Внутреннее ядро твердое и состоит в основном из железа. Во внешнем ядре, жидком, наряду с железом присутствует никель, кремний, сера и кислород. Выше ядра располагается мантия. Она составляет 70 % массы Земли и делится на верхнюю и нижнюю. Верхняя мантия состоит из силикатов железа и магния, нижняя включает смесь окислов магния, кремния и железа. Мантия — твердая, за исключением располагающейся в верхней мантии астеносферы — относительно тонкого пластичного слоя, в котором зарождается магма. Выше астеносферы располагается литосфера, включающая в себя самую верхнюю часть мантии и земную кору.

Внешние оболочки Земли состоят из земной коры, гидросферы и атмосферы. Толщина земной коры 10–80 км. По химическому составу в земной коре преобладает кислород, дальше следуют кремний, алюминий, железо. Земная кора делится на континентальную и океаническую, расположенную ниже уровня моря. Толщина океанической коры 7-10 км. Гидросфера покрывает основную долю земной поверхности. Она состоит из вод мирового океана (97 % всей воды Земли); из воды, испаряющейся с поверхности океанов и выпадающей в виде осадков на сушу, стекающей в ручьи и реки и опять впадающей в океан; из подземных вод, озер и рек; и из криосферы, включающей в себя всю замерзшую воду Земли в форме снега и льда.

В атмосфере Земли, масса которой 5 300 000 млрд. тонн, преобладают азот и кислород. Атмосферу разделяют на тропосферу (по высоте до 9-17 км) — «фабрику погоды», стратосферу (по высоте до 55 км) — «кладовую погоды», ионосферу, которая состоит из заряженных под воздействием излучений Солнца частиц, и зону рассеивания, располагающуюся на высоте 800-1000 км. Пояса радиации из частиц высоких энергий выше атмосферы предохраняют Землю от жестких космических лучей, губительных для всего живого.

Выделяют также магнитосферу, в которой действует магнитное поле Земли, ограничиваемое влиянием частиц солнечного ветра — газообразного вещества, состоящего из свободно движущихся ионов и электронов, вырабатываемого в солнечной атмосфере и выбрасываемого в солнечную систему. «Магнитное поле вокруг Земли сформировано вращением внутреннего ядра как твердого шара, различными течениями в жидком внешнем ядре и медленными течениями в мантии»[50].

Наука, изучающая строение и эволюцию Земли, называется геологией (от греч. «gё» — земля и «logos» — наука). Эта наука возникла в XVIII в., хотя данные о поверхности Земли и ее изменениях известны еще Древнему миру.

В XIX в. в геологии сформировались две концепции развития Земли: 1) посредством скачков («теория катастроф» Ж. Кювье); 2) посредством небольших постоянных изменений в одном и том же направлении на протяжении миллионов лет, которые, суммируясь, приводили к огромным результатам («принцип униформизма» Ч. Лайелля).

Успехи физики XX в. способствовали существенному продвижению в познании истории Земли. В 1908 г. ирландский ученый Д. Джоли сделал сенсационный доклад о геологическом значении радиоактивности: количество тепла, испущенного радиоактивными элементами, вполне достаточно, чтобы объяснить существование расплавленной магмы и извержение вулканов, а также смещение континентов и горообразование. С его точки зрения, элемент материи — атом — имеет строго определенную длительность существования и неизбежно распадается. На свойстве радиоактивных элементов распадаться основано определение абсолютного возраста Земли и горных пород. В следующем 1909 г. русский ученый В.И. Вернадский основывает геохимию — науку об истории атомов Земли и ее физико-химической эволюции.

В соответствии с современными взглядами температура ядра Земли может быть низкой, а процессы в земной коре имеют радиоактивную природу. Сначала Земля была холодной. Атомы радиоактивных элементов, распадаясь, выделяли тепло и недра разогревались. Это повлекло за собой выделение газов и водяных паров, которые, выходя на поверхность, положили начало воздушной оболочке и океанам.

Все геологические процессы разделяют на эндогенные, связанные с внутренней динамикой Земли, и экзогенные, связанные с внешней динамикой Земли. К эндогенным процессам относят тектонические движения, землетрясения, вулканическую деятельность. Они вызываются эндогенными геодинамическими факторами, такими как распад радиоактивных химических элементов, движение литосферных плит, высокая температура, давление, вызываемое силой гравитации, и т. д. Следствием эндогенной динамической активности являются разломы земной коры, вулканы — возвышенности из горячей магмы, покинувшей земную кору (лава), вулканический пепел, покрывающий Землю в результате извержения, вулканические жерла — трещины или отверстия, идущие от магматической камеры к поверхности, кратеры — чашеобразные впадины, центрируемые над жерлом вулкана, термальные источники, гейзеры и т. д.

К экзогенным геологическим факторам относят выветривание — разрушение горных пород под влиянием воды, ветра, льда (экзогенные геодинамические факторы). Следствием экзогенной геодинамической активности являются оползни, образование пещер, заболачивание и т. д.

По мере получения новых данных о более древних пластах земной коры и более древних временах геология XX в. еще дальше продвинула представления об эволюции земного шара. Главный вывод об эволюции Земли соответствует тем результатам, к которым пришли в XX в. другие отрасли естествознания.

Горные породы, составляющие земную кору, делятся на осадочные — образовавшиеся в результате накопления осадков на дне водоемов, магматические — образовавшиеся в результате отвердевания расплавленных пород мантии, и метаморфические, представляющие собой вторично расплавленные и затвердевшие осадочные и магматические породы. Примерами этих типов пород соответственно будут известняк, гранит, мрамор.

Исследования показывают, что полюса на Земле менялись, и когда-то Антарктида была зеленым континентом. Вечная мерзлота образовалась 100 тыс. лет назад после Великого оледенения.

Современная геология выделяет в эволюции Земли три начальных этапа, которые занимают 7/8 всей геологической истории (одно из названий этого периода — докембрий).

Первый этап — этап формирования нашей планеты, который занял промежуток от 3,9 до 4,5 млрд. лет. Его можно назвать этапом возникновения Земли. В этот период возникли первичные гидросфера, атмосфера и литосфера. Земная атмосфера появилась в процессе вулканической деятельности, а водяные пары конденсировались в океане. Возраст земной коры — 3,9 млрд. лет. Границей этого этапа может служить появление живых организмов.

Второй этап — этап формирования современного лика Земли и появления первых живых организмов вплоть до фотосинтезирующих. Он занимает время приблизительно от 3,8 до 2,0 млрд. лет. Этот этап можно назвать этапом возникновения жизни на Земле. Его граница — появление фотосинтеза. Резкое изменение состава атмосферы, превращение ее в кислородную произошло примерно 2 млрд. лет назад и связано с эволюцией жизни.

Третий этап характеризуется широким распространением жизни на Земле. Этот этап продолжался от 2 млрд. лет до периода, названного кембрием (около 570 млн. лет назад). На этом этапе возникали континенты, от него дошли ледниковые отложения. В атмосфере появляется свободный кислород. Это этап возникновения современной биосферы.

Три последующих этапа «явной жизни» (так называемый фанерозой — от греч. «phaneros» — явный, «zoe» — жизнь) делятся соответственно на палеозой («древняя жизнь»), продолжавшийся 340 млн. лет, мезозой («средняя жизнь»), продолжавшийся примерно 160 млн. лет, и кайнозой («новая жизнь») продолжительностью примерно 70 млн. лет. Здесь речь идет скорее о биологической эволюции, о которой подробнее будем говорить ниже.

В палеозое, особенно в каменноугольном периоде, накапливались огромные запасы углей, которые обеспечили энергией промышленную революцию XVIII в. и служат до сих пор энергетической базой человечества.

В мезозое возникли огромные травоядные ящеры и питающиеся ими хищные динозавры. Их массовая и безвозвратная гибель примерно 65 млн. лет назад, а также гибель обильной растительности, существовавшей в то время, — древовидных папоротников, плаунов и хвощей, — знаменовала переход к кайнозою, в котором расцвели млекопитающие и другие дошедшие до наших дней виды жизни.

Наконец, последний период развития Земли в несколько миллионов лет связан с появлением человека и называется антропогеном (от греч. «antr?pos» — человек и «gen?s» — рожденный).

Тектоника литосферных плит.

В 1915 г. немецкий геофизик А. Вегенер, исходя из очертаний континентов, предположил что в геологическом периоде карбоне примерно 200 млн. лет назад существовал единый массив суши, названный им Пангеей (от греч. «pan» — все и «gaia» — богиня Земли). Пангея раскололась на Лавразию и Гондвану. 135 млн. лет назад Африка отделилась от Южной Америки, 85 млн. лет назад Северная Америка отделилась от Европы.

Эта гипотеза противоречила господствовавшим в геологии представлениям о неподвижности континентов в истории Земли. Первоначально в поддержку данной гипотезы свидетельствовало только то, что если мы мысленно соединим ныне существующие континенты, то их очертания хорошо подойдут друг к другу.

Решающим аргументом в пользу принятия данной концепции стало эмпирическое обнаружение в конце 1950-х гг. расширения дна океанов со скоростью несколько миллиметров в год, что послужило отправной точкой создания новой теории эволюции Земли — тектоники литосферных плит. В соответствии с данной теорией литосфера разделена на плиты, нижние части которых погружены в жидкий расплав астеносферы. Плиты имеют толщину 75-250 км. Они движутся под влиянием глубинных конвективных потоков (движение обусловлено разностью давлений в различных точках — такова же природа образования ветров и циклонов), направленных вверх и в стороны и тянущих за собой плиты. Итак, движущей силой служит конвекция в мантии, а источником энергии — радиоактивный распад. Процессы ядерного распада играют роль как бы «мотора» эволюции Земли. Всего насчитывают 15–20 основных плит. Плиты перемещаются со скоростью до 20 см в год (в некоторых районах). На плитах жестко укреплены континенты, которые движутся вместе с плитами, меняя лик планеты. Столкновение плит вызывает горообразовательные процессы. Так, например, столкновение Евразийской плиты с Индо-Австралийской привело к образованию Тибета и Гималаев 40 млн. лет назад. В пределах плит имеются сквозные разломы и возникающие в связи с этим напряжения в горных породах приводят к землетрясениям. Прогнозирование землетрясений представляет сейчас одну из главных задач геологии и геофизики. На протяжении геологической истории Земли континенты неоднократно соединялись в единый континент, который вновь раскалывался. Суперконтинентальный цикл имеет период примерно в 500 млн. лет.

Теорию литосферных плит подтверждают и биологические данные о распространении животных на нашей планете. Теория дрейфа континентов, основанная на тектонике литосферных плит, ныне общепринята в геологии. Она представляет собой научную революцию в геологии XX в., коренным образом изменившую представления об эволюции Земли. До создания тектоники литосферных плит считалось, что основные силы, вызывающие горообразовательные процессы, действуют вертикально; тектоника литосферных плит определила, что они горизонтальные. Хотя значение изменений представлений в геологии кажется не столь важным в сравнении с астрономией, на самом деле это можно назвать «коперниканским переворотом» в геологии.

Как мы увидим в дальнейшем, Земля — это «фабрика» по производству (причем безотходному) сложных соединений, минералов и живых тел.

Геофизика, геохимия, география.

Первые две из названных наук достигли своего расцвета в XX в. и относятся к типу переходных наук, которых в XX в. появилось особенно много (как уже упоминавшаяся астрофизика).

Геофизика изучает физические процессы, происходящие в недрах и на поверхности Земли. Эта наука имеет важное как теоретическое, так и практическое значение. Первое связано с изучением внутреннего строения Земли, которое можно исследовать только особыми физическими методами, но не непосредственно. Существуют специфические методы геофизики: сейсмический, радиоактивный и т. д. Практическое значение геофизики определяется поисками полезных ископаемых, которые все труднее открыть традиционными методами — геологическим молотком и т. п.

Геохимия изучает геохимические процессы, происходящие в недрах и на поверхности Земли; распределение и перемещение химических элементов по лику Земли. Все планеты Солнечной системы построены в основном из небольшого количества химических элементов (около 30). Сложные органические соединения начинали возникать еще на последних ступенях остывания солнечной туманности. Процессы радиоактивного распада, поднимая температуру Земли, сделали возможным осуществление всех химических процессов, происходящих на ней.

Геохимические процессы, т. е. процессы круговорота химических элементов на поверхности и в недрах Земли (так называемые геохимические циклы), находились под влиянием развития жизни. Изучая эти процессы, В.И. Вернадский выяснил, что ключевую роль в их протекании играют все разновидности живого вещества, в том числе простейшие бактерии. Это дало начало еще одной науке — биогеохимии, которая изучает влияние живого вещества на распределение химических элементов на Земле.

География, в отличие от геофизики и геохимии, является одной из самых древних наук. Ее научный статус был не очень высок, что отражалось в самом названии (от греч. «gё» — Земля и «grapho» — пишу, описываю). Географы занимались описанием прежде всего поверхности нашей планеты. В таком понимании значение данной науки должно было бы постепенно сойти на нет, поскольку поверхность Земли достаточно полно описана. Имеется в виду физическая география, поскольку экономическая география принадлежит к числу не естественных, а гуманитарных наук. В XX в. предмет географии существенно изменился, что вдохнуло в нее новую жизнь. География, сохранив свое название, перестала быть описательной наукой, превратившись в конструктивную — науку о способах и путях преобразования лика Земли.

Существуют также науки, которые изучают отдельные виды процессов или участки земной поверхности: геоморфология — наука о рельефе, гидрология — наука о гидросфере, гидрогеология — наука о подземных водах, гляциология — наука о льде и ледниках и т. п.

Эволюция климата.

Еще в Древнем мире люди знали, что погодные условия зависят от угла наклона солнечных лучей к земной поверхности. Само слово «климат» происходит от греч. «klima» — наклон. Угол наклона зависит от широты местности и от времени суток и года. Изменение климата может быть замечено только в масштабе десятилетий, тогда как погода меняется в течение года.

Одной из основных причин резкого изменения климата считают небольшие изменения земной орбиты и наклона земной оси. Климатологи установили, что климат периодически (примерно раз в 100 тыс. лет) существенно менялся и не в отдельных регионах, а на всей планете. Эти периодические изменения климата модифицируют лик нашей планеты. Эволюция климата соответствует периодическим изменениям поверхности Земли, движениям континентов и гидросферы. Только периодичность разная: не 500 млн. лет, как в суперконтинентальном цикле, а 100 тыс. лет.

В настоящее время на эволюцию климата большое влияние оказывает человеческая деятельность. Так, содержание углекислого газа в атмосфере из-за сжигания ископаемого топлива увеличилось за последние 100 лет на 25 %, что усиливает парниковый эффект и ведет к повышению температуры на поверхности Земли, которая выросла за двадцатое столетие на 0,5 градуса. Дальнейшее увеличение грозит непредсказуемыми последствиями для планеты.

Возможные катастрофические изменения климата, связанные с мировой термоядерной войной, могут привести к так называемой «ядерной зиме», когда дым от пожаров, возникших при ядерных взрывах, может помешать доступу к земной поверхности солнечного света, что приведет к понижению температуры на 20–40 градусов и повлечет гибель человечества и высших животных.

Гея-гипотеза.

Эта гипотеза возникла во второй половине XX в. на основе учения о биосфере, экологии и концепции коэволюции. Ее авторы — английский химик Д. Лавлок и американский микробиолог Л. Маргулис. Вначале была обнаружена химическая неравновесность атмосферы Земли, которая рассматривается как признак жизни. По мнению Лавлока, если жизнь представляет собой глобальную целостность, ее присутствие может быть обнаружено через изменение химического состава атмосферы планеты.

Лавлок ввел понятие геофизиологии, обозначающее системный подход к наукам о Земле. Согласно Гея-гипотезе, сохранение длительной химической неравновесности атмосферы Земли обусловлено совокупностью жизненных процессов на Земле. С начала жизни 3,5 млрд. лет назад существовал механизм биологической автоматической термостатики, в котором избыток двуокиси азота в атмосфере играл регулирующую роль, препятствуя тенденции потепления, связанной с возрастанием яркости солнечного света. Другими словами, действует механизм обратной связи (он будет подробно рассмотрен ниже).

Лавлок сконструировал модель, в соответствии с которой при изменении яркости потоков солнечного света растет разнообразие системы, ведущее к возрастанию способности регулировать температуру поверхности планеты, а также к росту биомассы.

Суть Гея-гипотезы состоит в том, что Земля является саморегулирующейся системой, созданной биотой и окружающей средой, способной сохранять химический состав атмосферы и тем самым поддерживать благоприятное для жизни постоянство климата. По Лавлоку — мы обитатели и часть квазиживой целостности, которая обладает способностью глобального гомеостаза, справляющегося с внешними влияниями в пределах своей способности к саморегуляции. Когда подобная система попадает в состояние стресса, близкого к границам саморегуляции, даже маленькое потрясение может толкнуть ее к переходу в новое стабильное состояние или даже полностью уничтожить.

В то же время «Гея» превращает даже вредные для себя элементы в необходимые и, видимо, может выжить даже после ядерной катастрофы. Эволюция биосферы, по Лавлоку, может быть процессом, который выходит за рамки полного понимания, контроля и даже участия человека.

Подходя к Гея-гипотезе с биологический позиций, Л. Маргулис полагает, что жизнь на Земле представляет собой сеть взаимозависимых связей, позволяющих планете действовать как саморегулирующаяся и самопроизводящая система.

Вопросы для повторения.

1. Что изучает геология?

2. Что такое тектоника литосферных плит?

3. Каково строение Земли?

4. Чем занимаются геофизика и геохимия?

5. Чем занимается климатология?

6. Каковы основные особенности Гея-гипотезы?

Задания к семинару.

I. Ответьте на вопросы.

1. Что такое радиоактивный распад и как он влияет на эволюцию Земли?

2. Чем отличается радиоактивный распад от термоядерного синтеза?

3. Что такое глобальная тектоника и как она относится к глобальным проблемам?

4. Что является причиной горообразования и вулканической деятельности?

5. Каково эмпирическое подтверждение расхождения континентов?

6. Как происходит развитие Земли с точки зрения тектоники литосферных плит?

7. Каково строение атмосферы Земли?

8. Чем отличается климат от погоды?

9. Почему сменяются день и ночь, времена года?

10. Почему на экваторе всегда жарко, а на полюсах холодно?

II. Прокомментируйте схему.

Эволюция Земли.

Становление планеты (4,5–3,8 млрд. лет назад) ? возникновение жизни на Земле (3,8–2 млрд. лет назад) ? возникновение современной биосферы (2–0,6 млрд. лет назад) ? палеозой: выход живого вещества на сушу (600–340 млн. лет назад) ? мезозой (340-70 млн. лет назад) ? кайнозой (70-3 млн. лет назад) ? антропоген: появление человека (от 3 млн. лет тому назад).

Литература.

Вернадский В.И. Химическое строение биосферы. — Различные издания.

Мир вокруг нас. — М., 1983.

Чижевский А.Л. Земное эхо солнечных бурь. — М., 1976.

Уильямс Л. Науки о Земле без тайн. — М., 2009.