Дубнищева Т. Концепции современного естествознания. Учебное пособие

ОГЛАВЛЕНИЕ

Глава 10 КОНЦЕПЦИИ СТРОЕНИЯ, ЭВОЛЮЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ И
ЗАРОЖДЕНИЯ СТРУКТУР В МИРЕ ПЛАНЕТ
10.1. Элементы планетной космогонии

За последние 300 лет было предложено несколько космогонических гипотез относительно ранней истории Солнечной системы. Нужно было объяснить: почему орбиты всех планет почти круговые и лежат почти в одной плоскости, совпадающей с экваториальной плоскостью Солнца; почему массы планет составляют 2 % массы Солнца, но обладают 98 % момента импульса Солнечной системы; почему направление обращения вокруг Солнца одинаково почти для всех планет и совпадает с направлением вращения Солнца и вращением вокруг собственных осей; почему все планеты делятся четко на две группы, отличающиеся физическими данными, и пр.
По теории Декарта, мировое пространство было заполнено эфиром — всепроницающей жидкостью, частицы которой участвуют в непрерывном вихревом движении. Эти вихри и закручивают планеты. И. Ньютон предложил теорию, согласно которой небесные тела возникли из разреженной материи из-за неравномерного распределения плотности. Но он не мог объяснить, почему планеты движутся по орбитам, и заявил, что здесь не обошлось без божественного вмешательства. Его сотрудник У. Уис-тон, стараясь не прибегать к религии, полагал, что сначала Земля была кометой, которая вращалась вокруг Солнца, потом столкнулась с другой кометой, и в результате она стала вращаться и вокруг своей оси. Вопрос о возрасте Земли и незаметных в короткие промежутки времени изменениях, которые могут накапливаться на больших интервалах времени, стал обсуждаться в XVIII в. Французский зоолог Жорж Луи Леклерк, граф Бюффон, считал (1745), как и Ньютон, что материя, из которой возникли все планеты, была выброшена из недр Солнца скользящим ударом кометы. Он использовал также идею Лейбница, согласно которой Земля ранее была светящимся телом, а потом остыла. Бюффон даже ставил опыты с раскаленными шарами и заключил, что Земле потребовалось бы для охлаждения примерно 75 тыс. лет, что противоречило Библии. Он сумел объяснить одинаковое направление вращения планет и расположение их почти в одной плоскости. В 1749 г. он написал работу «История и теория Земли», после чего на него начались гонения, заставившие его отречься от нее. Его идеи, еще наивные, вводили историзм в естествознание, заложили основу естественно-научной космогонии и вызвали первую небулярную гипотезу происхождения планет (от лат. nebula— туман, облако).
368

Естественно-научные взгляды философа И.Канта сформировались под влиянием идей Ньютона и Бюффона. Кант считал Вселенную (с центром на Сириусе!) подчиненной строгой иерархии, возникшей под действием сил притяжения и отталкивания в первичной туманности (холодном облаке пыли). Поэтому ее возникновение и развитие он описывал по уровням — от планет до туманностей. Главная сила — всемирное тяготение, но могут быть и другие, еще неизвестные силы. Такова, например, предложенная им сила отталкивания, действующая на уровне отдельных частиц и проявляющаяся на начальных стадиях образования. Из-за действия химических сил при соединении частиц материя в пространстве может распределяться неоднородно. Чем больше плотность, больше и притяжение, и возникшие сгустки укрупнялись. Это предположение при разработке теории гравитационной неустойчивости использовал Джинс. По Канту, орбитальное движение планет возникло «после нецентрального удара частиц как механизма возникновения первичной туманности». В этом философ ошибся — движение могло начаться только при косом ударе туманностей. Он не делал большой разницы между планетами и кометами, даже предполагал, что у Земли может возникнуть хвост. Кант обсуждал действия, которые может вызвать теплота недр планеты. Он считал причинами, противодействующими стремлению к «равновесию», химические процессы внутри Земли (1754), которые зависят от космических сил и проявляются в виде землетрясений и вулканической деятельности. В предисловии к книге «Общая естественная история и теория неба, или опыт об устройстве и механическом происхождении всего мироздания на основании ньютоновских принципов» (1755) Кант писал: «Дайте мне материю, и я построю из нее мир!».
Из анализа имеющихся данных Кант сделал удивительно верные выводы о возможности существования планет далее Сатурна и даже о том, что его кольца состоят из метеоритов, причем подобные кольца могут быть и у других планет. В одной из частей его книги была изложена позиция на возможность жизни на других планетах, для чего Кант собрал имеющиеся сведения о необходимых для жизни температуре, плотности веществ, силе тяжести. И хотя в обществе тогда были распространены идеи о жизни на звездах, планетах и кометах живых существ, он выделил в качестве пригодных для жизни только Венеру и Юпитер.
П.Лаплас исходил из горячей медленно вращающейся туманности, которая по мере охлаждения сжималась. По закону сохранения момента импульса при этом росла скорость вращения и центробежные силы отрывали от нее кольца. Материя в этих кольцах сжималась под действием тяготения, формируя компактные тела. Ученик Лапласа, французский математик Э.Рош, показал, что периоды центрального сгущения туманности должны чередоваться с периодами сокращения ее массы, во время которых про-
369

исходят отрывы экваториальных колец раскаленного вещества. Но причины отрывов оставались непонятными. Фактически эта гипотеза была разработана математиками как задача теоретической механики с неизменными параметрами. Она не объясняла размеров орбит планет-гигантов и медленности вращения Солнца, не отвечала на вопрос, почему момент импульса планет, масса которых составляет всего 0,13 % массы Солнечной системы, почти в 29 раз больше момента импульса Солнца, если Солнечная система изолирована. Это обстоятельство, казалось, требовало ввести в Солнечную систему вмешательство какой-то внешней силы.
Небулярная гипотеза Канта—Лапласа оставалась первой ротационной гипотезой о возникновении Солнечной системы вплоть до конца XIX в.
Приливная или планетозимальная, гипотеза стала популярной в начале XX в.: американцы Т. Чемберлен и Ф. Мультон рассмотрели идею встречи Солнца со звездой, вызвавшей приливной выброс солнечного вещества (1906), из которого и образовались планеты. Дальнейшее развитие происходило в соответствии с гипотезой Канта—Лапласа. С.Аррениус допустил и прямое столкновение Солнца со звездой (1913). В результате появилось некое волокно, распавшееся при вращении на части — основу для планет. Но близкое прохождение звезд — столь редкое явление, что может случиться раз в 1017 лет. Дж. Джинс предположил (1916), что какая-то звезда прошла неподалеку от Солнца и вызвала некие «приливные выступы», принявшие форму газовых струй, из которых и возникли планеты. Поэтому орбиты планет были сначала сильно вытянутыми, но из-за огромного сопротивления пылевой среды между двумя звездами постепенно приближались к круговым. Джинс выделил большую роль Солнца в развитии планет и подошел к решению проблемы перетока вещества в системе тесной двойной звезды как явления не случайного.
Б.Рассел подсчитал (1935) момент импульса приблизившейся к Солнцу звезды — он оказался на порядок меньше среднего момента импульса планет. Ему пришлось предположить, что Солнце в прошлом было двойной звездой. Спутник Солнца вращался от него на расстоянии орбиты Урана или Нептуна, какая-то внешняя звезда столкнулась с ним, отбросила его за пределы Солнечной системы и удалилась сама. Английский астроном Литлтон высказал идею (1936) о принадлежности Солнца в прошлом к тройной звездной системе. Он рассчитал, что при движении двух звезд в разном направлении образующаяся между ними лента вещества могла быть захвачена Солнцем. Советский астроном Н.Н.Парийский, исследуя разнообразные возможности этого процесса при разных скоростях сгустка, вырванного из Солнца, получил, что только при скоростях 400—500 км/с возможно получить подходящие орбиты для планет.
370

В гипотезе шведского астрофизика Х.Альфена (1942) сделано предположение о захвате Солнцем облака межзвездного газа. Атомы газа ионизовались при падении на Солнце и стали двигаться по орбитам в его магнитном поле, поступая в определенные участки экваториальной плоскости. Расчет дал области расположения только внешних планет. Академик О. Ю. Шмидт, один из организаторов освоения Северного морского пути, отказался от изолированности Солнечной системы. Он считал, что если «обратиться к ее движению в Галактике, то отпадет затруднение с моментом количества движения, так как Солнце могло захватить из Галактики материю, обладающую достаточным моментом».
Если считать, что на Землю в сутки падает 1 т метеоритов, то для «вырастания» ее таким путем нужно около 7 млрд лет, а по геологическим данным возраст земной коры оценивается в 3 млрд лет (кора может быть моложе внутренних областей планеты). При образовании планет из метеоритов стало преобладать одно направление вращения планет, орбиты становились почти круговыми. Расчеты Шмидта дали верные расстояния планет от Солнца и определили направление осевого вращения планет; они показали период вращения Солнца в 20 сут (сейчас 25 сут), что считается хорошим результатом. Можно сказать, что Шмидт вернулся к небулярной гипотезе Канта—Лапласа на новом уровне науки, заменив газопылевое облако метеоритным роем. Слипание пылинок приводило к неким твердым фрагментам (планетезималям), которые дали начало протопланетам.
Академик В.Г.Фесенков, один из основоположников астрофизики, считал, что образование планет связано с переходом от одного типа ядерных реакций в глубинах Солнца к другому. Условия равновесия требовали выброса массы Солнца, и этот выброс соответствовал расчетам английского астронома и математика Дж.Дарвина (сына Ч.Дарвина) и русского ученого математика и механика А. М.Ляпунова. Они независимо рассчитали фигуры равновесия вращающейся жидкой несжимаемой массы. Согласно О.Струве, быстро вращающиеся звезды могут выбрасывать вещество в плоскости своих экваторов. В результате этого образуются газовые кольца и оболочки, а звезда теряет массу и момент количества движения. Гипотеза Фесенкова связала жизнь в Солнечной системе в единое целое и избавила космогонию планет от внешних случайных факторов.
Выяснение природы планетарных туманностей, начатое Гер-шелем, имеет особое значение в космогонии планет. Эти туманности возникают из отделившихся наружных оболочек красных гигантов, тогда как ядра этих звезд достаточно быстро, по космическим масштабам, превращаются в белые карлики. Эти чрезвычайно плотные звезды известны давно, но в последние 30 лет стало ясно, как они «вызревают» внутри «нормальных» звезд при
371

их эволюции. За последние годы удалось обнаружить за пределами нашей системы более 60 планет; ближайшая планета обнаружена в августе 2000 г. в системе звезды эпсилон Эридана, и она имеет размеры, близкие к размерам Юпитера.
Эволюцию газопылевого комплекса по разным моделям при разных начальных условиях рассчитывают теперь на ЭВМ. При определенных значениях массы, плотности и температуры такой газопылевой комплекс начинает сжиматься; возникающие неоднородности разрывают его на фрагменты, из которых при сжатии образуются протозвезды (для Солнца это было около 5 109 лег назад). Под действием центробежных сил в экваториальной области Солнца возникли неустойчивые нестационарные потоки газа и пыли, и часть этого вещества оторвалась, унеся с собой избыточный момент количества движения. В экваториальной плоскости Солнца образовался и рос газопылевой диск, появились условия для рождения планет. Во вращающемся и сжимающемся фрагменте, потерявшем часть вещества на образование диска, росли температура и давление, препятствующие дальнейшему сжатию. Во внешних слоях возникли бурные процессы, вызывающие огромные токи в ионизованном газе и сильные магнитные поля. Когда температура достигла 106 К, начались термоядерные реакции, и наше Солнце «загорелось» (прошло 108 лет).
Протопланетное облако к этому времени представляло собой кольцо, в котором при уплотнении пылинки слипались между собой. Солнце нагревало внутреннюю часть этого кольца, вызывая испарение, выгоняя солнечным ветром более легкие элементы в более дальние части кольца, где они «замерзали» (Т= 50 К). Так происходило образование двух групп планет (рис. 10.1). Планеты земной группы образовались почти за те же 100 млн лет. В зависимости от расстояния до Солнца разные части туманности остывали с разной скоростью, что привело к неоднородности протекания химических процессов, усиливающейся давлением солнечного излучения и корпускулярным излучением Солнца. В разных частях облака возникали неоднородности, отразившиеся на составе планет. Космологи Я.Б.Зельдович и И.Д.Новиков рассчитали, что сохранение некоторой вязкости (ее роль может играть магнитное поле) может обеспечить возможность усвоения теряемого звездой момента количества движения. Истекающее вещество, которое может коллапсировать к своему центру, при последующих охлаждении и конденсации может служить источником протопланетного материала. Из недифференцированного вещества внешних слоев Сверхновой звезды могут возникнуть внешние планеты (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун), в которых сохранились газы с преобладанием водорода, а из внутренних слоев — внутренние планеты (Меркурий, Венера, Земля, Марс).
Химическая эволюция протекала по-разному: сначала конденсировались наиболее тугоплавкие элементы и их соединения, потом — летучие. Аккумуляция конденсатов в планеты и метеоритные тела началась еще до завершения процессов конденсации. Агломерация твердых частиц и жидких капель в планетные тела связана, вероятно, с появлением первых конденсатов железа.
372

Сгущение их высокотемпературной части привело к образованию ядер планет, обогащенных железоникелевым сплавом. Вокруг них оседали магнезиально-силикатные породы, образовавшие первичные мантии. Поздние конденсаты — гидратированные силикаты, органические вещества и летучие соединения.
В настоящее время распространена кометная гипотеза происхождения планет А. А. Маркушевича (1992). В газопылевой туманности, имеющей вид дискообразного вращающегося облака и состоящей из мелких пылевидных железосиликатных частиц и газов — воды и водорода, при понижении температуры газы намерзали на пылинки, увеличивая их размер. Возникал состав, свойственный составу комет. Частицы сталкивались между собой, большие по объему концентрировались в центре туманности (на месте современного Солнца), а меньшие оттеснялись на периферию, дав начало планетам. Шло укрупнение и разрастание образующихся тел — астероидов, комет, планет. Центральная масса при своей концентрации способствовала выделению теплоты, и ее оказалось достаточно для развития термоядерных реакций горения водорода и гелия. При образовании планет происходила аккреция (стяжение кометной массы), выделялась теплота, которая разогревала центр сгустка до расплавленного состояния и расслаивала водородную оболочку и железосиликатное ядро. Позже
373

оно расслоилось на железоникелевое ядро и силикатную оболочку, которая не позволяла рассеиваться теплоте в космическое пространство. Так планета приобрела почти сферическую форму.
За счет концентрации в ядре более тяжелых масс скорость ее вращения возрастала и часть расплавленного материала была выброшена центробежными силами за пределы планеты. Выброшенное вещество сформировалось в астероиды, метеориты и спутник — Луну. Оболочка Земли постепенно менялась и исчезала в космосе за счет солнечного излучения, обнажился железосиликатный расплавленный остов планеты. Начались геологические процессы формирования земной коры и остывания атмосферы.
Происхождение регулярных спутников, вращающихся в направлении вращения планеты, аналогично образованию планет. Спутники есть почти у всех планет. Если же спутник вращается в другую сторону, то его происхождение связывают с захватом газопылевого облака. С XVIII в. более пристальный интерес вызывали кометы и спутник Земли — Луна.
На больших расстояниях от Солнца кометы — это глыбы твердого вещества (обычного льда и льда из метана и аммиака) с вмороженными в них частицами метеорного вещества (силикаты и металлы). Масса комет невелика, самые крупные составляют 5-1013—6-1019 кг. При приближении к Солнцу лед начинает испаряться и вокруг ядра кометы образуется оболочка, которая под действием светового давления и солнечного ветра отталкивается в сторону от Солнца, образуя хвост кометы. Этот хвост может тянуться на сотни миллионов километров. Сейчас известно почти 1000 комет, некоторые из них возвращаются к Солнцу по нескольку раз, а другие, появившись раз, уходят в межзвездное пространство. Их орбиты сильно искажены притяжением больших планет, поэтому предполагают, что большие планеты окружены облаком из 100 млрд комет, которые вращаются вокруг Солнца по эллипсам с полуосями около 150 000 а. е. Невооруженным глазом удается увидеть около 6 — 7 комет за 100 лет, хотя их бывает 10—25 за год. Наименьший период обращения у кометы Энке-Баклунда — 3,3 года. Ее открыли в 1786 г. и потому наблюдали уже более 60 раз. Период кометы Галлея 76,03 года, последний раз она прошла перигелий 9 февраля 1986 г., ее наблюдали в Северном полушарии с середины ноября 1985 г. (см. гл. 8). Расчеты показывают, что в 9541 г. до н. э. она прошла от Земли на расстоянии, равном расстоянию от Луны до Земли.
Открытие все новых комет продолжается. В марте 1993 г. была открыта удивительная периодическая комета Шумейкер-Леви (ШЛ-9) — она имела вид цепочки-гирлянды из 21 вторичного ядра, расположенного вдоль прямой линии. Эта комета-поезд из 21 вагона образовалась из-за развала огромного «родительского» ледяного ядра при сближении его с Юпитером в 1992 г. до расстояния 40 тыс. км. Через год после открытия,
374

в июле 1994 г., эта комета столкнулась с Юпитером (выделив энергию в тротиловом эквиваленте 1 МТ) и закончила свое существование. Что-то подобное (меньших масштабов) произошло на Земле 30 июня 1908 г., когда снежный шар диаметром 120 м, вторичный фрагмент ледяного ядра кометы Энке, столкнулся с атмосферой Земли. В районе Подкамен-ной Тунгуски шар взорвался на высоте 8 —9 км и получил название Тунгусского метеорита (но метеорита не нашли, поэтому более верное название — Тунгусское диво-комета). При этом выделилась энергия, эквивалентная 450 Хиросимам. Если бы это произошло на 4 ч позже, то взрыв произошел бы над Санкт-Петербургом. А 65 млн лет назад с Землей столкнулось ледяное ядро диаметром 10 км, в результате на полуострове Юкатан образовался ударно-взрывной кратер. Поскольку кометы несут до 30 % пыли, которая при взрыве поднимается вверх и закрывает Солнце, через 3 — 4 месяца температура на поверхности Земли снизилась до -50°С. Американские ученые Л. и В.Альваресы полагают, что с этой катастрофой связана гибель динозавров.
Изучение астероидов началось в XX в. Первый астероид — Церера — был открыт итальянским астрономом Лд. Пиацци 1 января 1801 г. Вскоре он «потерял» эту планету, и она вновь была открыта немецким астрономом Г. Ольберсом вместе с двумя новыми. Ольберс установил, что их орбиты более вытянуты, чем у известных планет, и пересекаются. Поэтому он предположил, что это — малые тела, оставшиеся от раскола планеты в прошлом (1804). Диаметр Цереры — 770 км, Паллады — 490, Весты — 380, Юноны — 170 км, а большинства других не превышает 10 км. Сейчас известно более 3000 малых планет, вращающихся вокруг Солнца в среднем на расстоянии 2,75 а. е. Структуру пояса астероидов определяет возмущающее влияние соседних планет, в основном Юпитера и Марса. Эксцентриситеты орбит малых планет достигают 0,83, тогда как у больших — около 0,25. Дальше всех от Солнца вращается Гидальго (до 5,72 а. е.), а ближе всех — Икар (до 28 млн км). Общая масса малых планет составляет 0,001 % массы Земли, они не имеют правильных форм, о химическом составе можно судить по выпадению метеоритов из этого пояса.
Астероиды диаметром более 1 км и с орбитами, пересекающими орбиту Земли, составляют 43 %, и они могут столкнуться с ней. При этом могут возникнуть один раз в 100 тыс. лет кратеры диаметром 10 км. В июле 1968 г. астероид Икар диаметром 1,5 км прошел на расстоянии 7 млн км от Земли. В 1998 г. несколько астероидов пролетали близко от Земли: на расстоянии 15 млн км 1 апреля пролетел астероид FX-2, на расстоянии 10 млн км 12 апреля пролетел астероид ЕР-4, а 8 мая на расстоянии 4,8 млн км находился астероид НТ-31. 22 января 1999 г. астероид AM-10 пролетел от Земли на расстоянии 12 млн км, а 17 января астероид АО-10 находился на расстоянии всего 3 млн км. Астероид VB5 7 января 2002 г. пролетел на расстоянии всего 823 тыс. км, это, вероятно, самый опасный астероид для Земли. Над проблемой защиты от астероидной опасности работают многие ученые Европы, России, США и других
375

стран. В 1996 г. Парламентская Ассамблея Совета Европы приняла резолюцию 1080 «Об обнаружении астероидов и комет, опасных для человечества». Существуют различные проекты организации защиты Земли. Много ложной информации об открытии «опасных» небесных тел сообщают СМИ, прорицатели и Интернет, но такие пророчества не подтверждаются.

10.2. Формирование малых тел Солнечной системы,
Луны и Земли. Движения Земли, строение геосфер и изучение процессов

К малым телам Солнечной системы относят спутники, кометы, астероиды, метеоритное вещество и т. д. Метеором называют световое явление, возникающее на высотах от 130 до 80 км при вторжении в атмосферу частиц — метеорного тела из космоса. Несколько раз в год наблюдаются целые метеорные потоки, когда за 1 ч регистрируется не 5 — 15 вспышек, а до 10 000. Это означает, что Земля проходит через рой метеорных частиц, и часто источником этих частиц является хвост кометы.
Некоторые из них люди наблюдали невооруженным глазом — «огненные шары» и «падающие звезды», например. Огненные шары появлялись внезапно на ночном небе и двигались по нему с большой скоростью, разбрасывая искры и неожиданно взрываясь с большим грохотом. Сначала считали, что они имеют земное происхождение, вероятно, отсюда истоки образов Бабы-Яги и Змея-Горыныча. Космическое происхождение этих крупных метеоритов было доказано лишь в XX в. За год на Землю падает и оседает на ней почти 50 тыс. т космической материи. В основном это небольшие пылинки размером около 1 мм. Входя в атмосферу с космическими скоростями (11 — 73 км/с), они быстро теряют свою энергию на ионизацию молекул атмосферы, и мы видим явление метеора или «падающей звезды». На высотах около 80 км и выше такая пылинка быстро испаряется и гаснет, оставляя на небе на несколько секунд тонкий светящийся след. Когда масса метеорного тела около 0,1 кг, его энергия, затраченная на ионизацию воздуха, нагревание и испарение минерального вещества, настолько значительна, что можно заметить даже его угловые размеры. В этом случае мы наблюдаем болид, или яркий метеор, блеск которого может превышать блеск Венеры (4,5 зв. вел.).
Иногда метеорное тело при движении в атмосфере не успевает испариться и достигает поверхности Земли. Этот остаток называют метеоритом. За год на Землю попадает около 2 000 метеоритов, что за 2 млрд лет дает слой поверхности около 10 см. Анализ метеоритного вещества показал, что они бывают каменные, железные и железокаменные. В некоторых каменных есть круглые серые частицы (от греч. хондры — пшеничное зерно), в которых содержатся почти все химические элементы в том же соотношении,
376

как и на Солнце. Окружающее хондры вещество, как и земные породы, состоит из силикатов и минералов. Железные метеориты почти целиком состоят из никелистого железа. Такой сплав мог образоваться лишь при плавлении первичного вещества, образующего достаточно массивное тело, чтобы в нем под действием силы тяжести могло произойти отделение металлов от магмы. Все попытки на Земле создать такое вещество не увенчались успехом. Расчеты показали, что такую структуру можно получить при охлаждении от 600 до 400 °С со скоростью 1 —10 °С за миллион лет! Поэтому формирование таких метеоритов должно происходить в недрах объекта радиусом 100—200 км, окруженного каменистым слоем. Хондриты также должны были разогреваться столь же медленно до 600—1000 °С на глубинах 30 — 50 км. Значит, метеориты родились из астероидов. Считают, что источником теплоты в метеоритном веществе были быстротечные радиоактивные изотопы, которых сейчас почти нет. Например, А1-26 имеет период полураспада 720 000 лет, но проверить это предположение очень трудно. Радиоактивный метод показал, что возраст метеоритов достигает 4,5 млрд лет, что согласуется с данными о возрасте Земли и Солнечной системы в целом.
Следы падений комет и астероидов сохранились в виде кратеров на поверхностях Луны, Меркурия, Марса и спутников всех планет. Если масса тела около 1 кг, то торможение в атмосфере приведет его до остановки уже на высоте 10 — 20 км и дальше оно продолжит свободное падение до поверхности Земли. Если космическое тело имеет массу 100 т и скорость за атмосферой 30 км/с, то оно достигнет поверхности Земли со скоростью 20 км/с, при массе 1000 т — скорость при ударе достигнет 30 км/с. Такие столкновения могут вызвать катастрофический взрыв. Поверхность Земли покрыта метеоритными кратерами, заметны более 130 кратеров ударно-взрывного происхождения диаметрами до 400 км. С борта космической станции они похожи на кольцевые структуры. Аризонс-кий кратер диаметром 1,2 км и глубиной 174 м образовался из-за падения 50 тыс. лет назад астероида массой 500 тыс. т, при взрыве которого выделилась энергия, эквивалентная взрыву 250 мегатонных водородных бомб. Крупнейший метеорит находится в пустыне Адрар (Западная Африка), его масса оценивается в 100000 т. Масса метеорита Гоба (Юго-Западная Африка) — 60 т, Сихотэ-Алинского метеорита, упавшего в 1949 г. в Дальневосточной тайте, — 23 т.
Луна — естественный спутник Земли, расположенный на расстоянии 384 000 км. Это достаточно большой спутник: ее диаметр в 4 раза, а сила тяжести — в 6 раз меньше, чем на Земле. Поэтому систему Земля—Луна подчас называют двойной планетной системой. И естественно, что Луна стала важнейшим объектом космических исследований.
При изучении Луны ведущая роль отводилась автоматическим аппаратам, позволяющим передавать ценную информацию из труднодоступ-
377

ных районов наиболее экономически выгодно. Первая такая наша станция «Луна-1», преодолевшая земное притяжение в январе 1959 г., пролетев в непосредственной близости от ее поверхности (5 — 6 тыс. км), стала первой искусственной планетой Солнечной системы. Она зарегистрировала практическое отсутствие у Луны собственного магнитного поля и наличие солнечного ветра — потоков плазмы в межпланетном пространстве. В сентябре того же года «Луна-2» достигла лунной поверхности в восточной части Моря Дождей в районе кратеров Архимед и Автолик. Так впервые произошел непосредственный контакт с иным небесным телом. Уже через месяц «Луна-3» сфотографировала обратную сторону Луны, недоступную ранее, и оказалось, что на ней мало морей и больше кольцевых образований. Глобальный обзор ее поверхности завершила станция «Зонд-3» в июле 1965 г., после чего были составлены карта и глобус Луны. Станции «Луна-4» — «Луна-9» исследовали окололунное космическое пространство, а «Луна-9», совершившая мягкую посадку в районе Океана Бурь, не провалилась в грунт (ранее считали, что Луна покрыта толстым слоем пыли). Она передала на Землю панораму лунной поверхности. Последующие станции «Луна-10», «Луна-11», «Луна-12» исследовали радиационные поля, они работали как спутники Луны и передавали снимки различных участков поверхности с небольших расстояний. Станция «Луна-13», «прилунившаяся» в районе Океана Бурь в 1966 г., провела ряд экспериментов — были измерены плотность лунного грунта и его механические свойства. Лунный грунт темно-серого цвета, он легко слипался в комки, как влажный песок, но отличался от земных грунтов чрезвычайно низкой теплопроводностью. В нем были обнаружены прозрачные и мутноватые шарики, в зависимости от угла падения света он приобретал различные оттенки цвета.
Эти исследования позволили СССР приступить к проектированию станций нового типа, позволяющих вернуться с Луны на Землю (станции «Зонд-5», «Зонд-6»). Затем «Луна-15» отрабатывала трассу полета и посадку в заданный район, а «Луна-16» — доставку на Землю лунного грунта. И такие образцы грунта с нашего спутника из северо-восточной части Моря Изобилия автоматически (без непосредственного участия человека) были доставлены в земную лабораторию осенью 1970 г. В них содержалось около 70 химических элементов и изотопов, по которым установили возраст пород и их происхождение. Тогда же станция «Луна-17» доставила на Луну «Луноход-1», который перемещался по поверхности Луны в течение почти 10 месяцев, обследовав район Моря Дождей и передав на Землю более 200 панорам поверхности. Были проведены анализы лунного грунта и химического состава пород. Затем заработал и «Луноход-2», который изучал зоны материк—море. Станция «Луна-24» отобрала образцы грунта с глубин до 2 м и доставила их на Землю. Так было получено и доставлено в земную лабораторию 420 кг образцов грунта из 9 районов Луны, определен химический и минералогический состав, установлено внутреннее строение спутника нашей планеты. А в 1969 г. на Луну ступила нога человека — американского астронавта Нейла Армстронга, вышедшего из посадочного модуля космического корабля «Аполлон-11».
Исследование образцов лунного грунта показало, что в период формирования Луна была разогрета до температуры 1000 К. Види-
378

мо, это связано с падением на нее огромного числа метеоритов, что отразилось на ее поверхности. На несколько метров вглубь образовался особый слой — лунный реголит, который составлен из спекшихся пород (большей частью базальтовых). Реголит — хороший теплоизолятор, не позволяющий проникнуть резким колебаниям температур глубже нескольких десятков сантиметров (из-за отсутствия атмосферы колебания температуры на поверхности составляют от +130 до -170 °С). Анализ структуры кристаллических пород позволяет сделать вывод, что они когда-то были полностью расплавлены, а потом быстро охладились. Присутствие базальтов свидетельствует об активной вулканической деятельности, которая почти прекратилась около 3 • 109 лет назад. Возраст пород находится в пределах (3,23—4,65) 109 лет, т. е. Луна образовалась почти одновременно с Землей. В некотором смысле Галилей оказался провидцем, когда назвал обширные темные территории на Луне морями: когда-то лава вытекала через отверстия в коре, затапливая эти участки. Истечение лавы длилось почти 109 лет, о чем известно из исследования лунных пород. Странно, что ее материал содержит повышенное количество тугоплавких лито-фильных элементов и очень малое число летучих. Недавно установлена возможность существования льда в глубинных частях кратеров, хотя у Луны нет ни воды, ни атмосферы. В отдельных местах лунной поверхности зафиксировано небольшое истечение вулканических газов.
Происхождение Луны — предмет ряда гипотез. Одна из них основана на теориях Джинса и Ляпунова — Земля вращалась очень быстро и сбросила часть своего вещества, другая — на захвате Землей пролетавшего небесного тела. Наиболее правдоподобна гипотеза столкновения Земли с планетой, масса которой соответствует массе Марса, происшедшего под большим, «скользящим» углом, в результате которого образовалось огромное кольцо из обломков (железное ядро Земли при этом не пострадало), что и составило основу для Луны (железа на Луне очень мало). Похоже, что она образовалась вблизи Солнца за счет самых ранних доме-таллических конденсатов при высоких температурах. Странными оказались аномалии магнитного поля, которые сильно менялись от точки к точке. При изучении его со спутников было получено значение, которое меньше земного в 1000 раз.
Земля — наиболее крупный и наиболее сложный динамический объект из всех внутренних планет. На Земле еще продолжают идти процессы формирования геосфер, особенно коры, происходит движение литосферных плит, меняется положение континентов. Расстояние Земли от Солнца оказалось оптимальным для развития биосферы в отличие от других планет. Изменение этого расстояния на 20 % от существующего сделало бы невозможным стабильное существование биосферы (или само появление жизни), а
379

при массе, меньшей на 25 %, наша планета не смогла бы удержать столь обширную атмосферу.
Процесс формирования планеты Земля, как и любой из планет, имел свои особенности. Земля зародилась около 5 • 109 лет назад на расстоянии 1 а. е. от Солнца. Как показали исследования Луны, примерно 4,6—3,9 млрд лет назад происходила ее интенсивная бомбардировка межпланетными обломками и метеоритами. Вероятно, они бомбардировали и Землю, а при падении на Землю их вещество нагревалось и дробилось. Это указывает на существование особой неустойчивости в то время в Солнечной системе. Современные представления о значении резонансов в системе (см. 3.10) делают правдоподобным предположение о том, что именно в то время продолжался процесс синхронизации движения планет, уточнявший систему резонансов и современную согласованность динамики всей системы. В этот же период система наиболее чувствительна к внешним (галактическим) воздействиям (особенно в системе Земля — Луна — Солнце могли возрастать приливные силы). Первичное вещество сжималось под действием тяготения, принимало форму шара, недра которого разогревались. Происходили процессы перемешивания, шли химические реакции, более легкие силикатные породы выдавливались из глубины на поверхность и образовывали земную кору, тяжелые — оставались внутри. Разогрев сопровождался бурной вулканической деятельностью, пары и газы вырывались наружу. У планет земной группы сначала не было атмосфер, как на Меркурии и Луне. Иной была и светимость Солнца, а отсутствие атмосферы и гидросферы (а, значит, и облаков, закрывающих сейчас до 0,5 поверхности) сказывалось на отражательных характеристиках. Активизация процессов на Солнце вызывала увеличение вулканической деятельности, рождались из магмы гидросфера и атмосфера, появились облака, водяные пары конденсировались в океанах.
Образование океанов не прекращается на Земле до сих пор, хотя это уже не интенсивный процесс. Обновляется земная кора (и не только силами естественного происхождения!), вулканы выбрасывают в атмосферу огромные количества углекислоты и водяных паров. Первичная атмосфера Земли состояла в основном из СO2. Резкое изменение состава атмосферы произошло примерно 2 млрд лет назад, его связывают с созданием гидросферы и зарождением жизни. Растения каменноугольного периода поглотили большую часть СO2 и насытили атмосферу O2. Последние 200 млн лет состав земной атмосферы практически остается неизменным. Доказательством этого служат залежи каменного угля и мощные пласты отложений карбонатов в осадочных породах. Они содержат большое количество углерода, ранее входившего в состав атмосферы в виде СO2 и СО. В образцах, образовавшихся 3,5
380

млрд лет назад, содержится примерно 60 % С02, а оставшиеся 40% — это соединения серы, аммиак, хлористый и сернистый водород. Совсем ничтожно содержание азота и инертных газов. Свободного кислорода тогда не было — обнаружены легкоокисляе-мые вещества в не окисленном состоянии. Под действием солнечного света из водяного пара освобождалось небольшое количество кислорода, но он окислял в атмосфере аммиак, сероводород, метан. Выделялся азот, постепенно накапливающийся в атмосфере; около 600 млн лет назад доля кислорода достигла 1 %, тогда появились и примитивные одноклеточные организмы. За 200 млн лет содержание кислорода быстро увеличивалось, этому способствовали зеленые растения. По словам Вернадского, «наша планета два миллиарда лет раньше или позже — это химически разные тела».
Земля участвует в двух движениях: вращается вокруг своей оси и обращается вокруг Солнца по эллиптической орбите. Большая полуось орбиты, равная 149,6 • 106 км, принята за астрономическую единицу расстояния (1 а. е.). Расстояние в перигелии (3 января) больше этого расстояния на 2,5 • 106 км, а в афелии (3 июля) — меньше на 2,5 • 106 км. Вращение Земли вокруг своей оси приводит к смене дня и ночи. Осью названа воображаемая линия, проходящая через центр Земли и одну неподвижную на небосводе звезду, называемую Полярной. Ось Земли перпендикулярна экваториальной плоскости. Экватор делит Землю на Северное и Южное полушария. Точки пересечения оси Земли с поверхностью называются полюсами. Плоскость земного экватора наклонена к плоскости орбиты Земли вокруг Солнца на 23,5° и перемещается параллельно самой себе, поэтому в одних участках орбиты земной шар наклонен к Солнцу Северным полушарием, а в других — Южным (см. рис. 2.2). Из-за этого наклона происходит смена времен года и существуют климатические пояса.
В дни равноденствий (21 марта и 23 сентября) оба полюса Земли освещены одинаково, Солнце там видно лишь на горизонте. После 21 марта — дня весеннего равноденствия, принятого за начало астрономического года, область около Северного полюса более обращена к Солнцу, день увеличивается и устанавливается полярный день — Солнце не заходит за горизонт. В Северном полушарии — весна. В это время у Южного полюса — полярная ночь, в полушарии — осень. Границы полярных дня и ночи определены полярными кругами на 66,5° соответственно северной и южной широты. В это время Солнце в полдень достигает своего самого высокого в Северном полушарии (низкого — в Южном) положения над горизонтом, и начинается лето (самый длинный день в Северном полушарии) и зима (самый короткий день — в Южном) — 21 июня. В этот день летнего солнцестояния Солнце находится в зените на так называемом тропике Рака (23,5° северной широты). Далее все происходит в обратном порядке. Когда после дня осеннего равноденствия в Северном полушарии наступит осень, день станет меньше ночи, будет убывать до самого короткого дня — 22 декабря (зимнее солнцестояние), в Южном полушарии после весны наступит лето, а в этот день — самый длинный — оно будет в зените на тропике Козерога (23,5° южной широ-
381

ты). Пояс между тропиками Рака и Козерога называют тропическим (жарким). В этом поясе Солнце дважды в год проходит через зенит, а на самих тропиках — только раз в году. Умеренные пояса лежат между полярными кругами и тропиками. Там не бывает полярных дней и ночей, но и Солнце никогда не бывает в зените.
Суточное вращение Земли происходит почти с постоянной угловой скоростью, определяемой периодом 23 ч 56 мин 4,1 с, что равно одним звездным суткам. Ради удобства жизни поверхность разделили на 24 часовых пояса по меридианам (15° по долготе). Среднее солнечное время в часовом поясе названо поясным, в каждом соседнем часовом поясе оно отличается на 1 ч. За начало выбран меридиан Гринвичской обсерватории около Лондона, отсчет ведется с запада на восток. Линия перемены дат — 12-й часовой пояс (см. гл. 2). Удлинение суток вызывает возникающая из-за приливных сил сила трения, замедляющая вращение Земли вокруг оси. На это впервые указал Кант (1754) и даже попытался оценить. Удлинение суток составляет 0,002 с за 100 лет, его можно обнаружить по рубцам на теле некоторых кораллов. Прирост меняется в течение года, каждому году соответствует своя полоска, как кольцам на срезе дерева. Изучая кораллы, возраст которых 4 • 108 лет, геологи обнаружили, что тогда год состоял из 400 суток, каждые сутки — из 22 ч. По окаменелостям более древних форм было установлено, что 2 • 109 лет назад сутки составляли всего 10 ч.
Форма Земли близка к шарообразной, но при детальном исследовании оказывается более сложной, даже если ее обрисовать поверхностью океана и мысленно продолжать эту поверхность под континентами. Неровности поверхности поддерживаются неравномерным распределением массы внутри земного тела. Эту форму назвали геоидом.
Геоид — это почти эллипсоид вращения; его полярный радиус меньше экваториального на 21,4 км из-за влияния центробежной силы, возникающей в результате вращения Земли вокруг своей оси. Земля на 70 % покрыта водой, 98 % водной оболочки — это Мировой океан, и только 30 % ее поверхности составляет суша. В настоящее время форма Земли уточняется с использованием спутников. Величина сжатия 1/298,2. Известно, что рельеф поверхности очень неровный: наибольшую высоту поверхности имеет гора Эверест в Гималаях, а наибольшая глубина под уровнем океана — 11,022 км (Марианский желоб в Тихом океане). Перепад — 20 км. В середине XIX в. по результатам градусных измерений был получен ряд значений размеров земного эллипсоида. В 1873 г. немецкий ученый И.Листинг ввел понятие о геоиде и наметил пути его изучения, а в 1888 г. русский ученый Ф. А. Слудский внес эти уточнения в теорию фигуры Земли. Ныне геодезия получила прочную теоретическую базу. Развивается и наука о рельефе земной поверхности — геоморфология.
Геосферы — концентрические оболочки Земли, по которым рассматривать строение нашей планеты предложил австрийский гео-
382

лог Э. Зюсс, давший в своем трехтомном труде «Лик Земли» историю земной коры на основе своей гипотезы, объяснявшей тектонические процессы и образование складчатости охлаждением и сжатием планеты. Некоторый собранный им материал еще не потерял ценности.
Земля окружена обширной атмосферой, давление у поверхности равно 0,1 МПа.
Земная атмосфера очень изменилась за свою историю. Верхняя ее граница лежит на высоте более 2000 км. Граница эта нечеткая, так как газы постепенно рассеиваются в космическое пространство. Поскольку с высотой атмосфера становится все более разреженной, основная ее масса сосредоточена в довольно узком слое: 50 % массы находится между уровнем моря и высотой 5 — 6 км, 90 % — на высоте до 16 км, 99 % — на высоте до 30 км. Так что с высотой над поверхностью Земли не только уменьшаются плотность, давление и температура воздуха, но меняются электрическое состояние и состав. Поэтому в ней выделяют несколько сфер. Тропосфера — нижний слой атмосферы, простирается в высоту на 8—12 км, а в тропиках — на 16—18 км. Она содержит почти весь водяной пар, поэтому в ней возникают облака, выпадают осадки, наблюдаются грозы. Примерно через каждый километр происходит понижение температуры на 1 °С. Это связано с прозрачностью воздуха для солнечных лучей, поэтому нагрев идет только от земной поверхности. Верхняя граница следующей области — стратосферы — располагается на высоте 50 — 55 км. В ней температура растет с высотой, хотя ее значение остается ниже нуля по Цельсию; в ней находится озоновый слой и почти нет водяного пара. Эти области разделены тонким слоем в несколько сот метров — тропопаузой. Мезосфера расположена выше и достигает высоты 80 км. Температура в ней с высотой вновь падает до -80 °С; образуются тонкие серебристые облака. Ионосфера (термосфера) расположена выше и достигает высоты 800 км. Где-то на высоте около 100 км температура поднимается до 0 °С, на высоте 150 — 200 км достигает 500 °С и растет далее. Данные, полученные со спутников, показали, что температура может колебаться в пределах 100 °С. Здесь газы находятся в ионизованном состоянии из-за действия ультрафиолетового и корпускулярного излучения Солнца. Ионизованный газ становится электропроводным, поэтому корпускулярное излучение Солнца под влиянием магнитного поля Земли отклоняется в сторону высоких широт, где наблюдается свечение — полярные сияния. Ионосфера влияет на распространение радиоволн, испытывающих отражение от ионизованных слоев. Самая верхняя часть атмосферы — экзосфера — сильно разреженная, но достаточно горячая.
Твердую оболочку Земли называют литосферой. Верхняя часть литосферы — это земная кора, достигающая толщины 35—65 км
383

на континентах и 6 — 8 км — под дном океанов. Под корой расположена мантия, границей между этими слоями служит так называемый слой Мохоровичича. В этом слое скачкообразно возрастает скорость распространения сейсмических волн. На глубине 120 — 150 км под континентом и 60 — 400 км под океаном залегает слой мантии — астеносфера. Это — область с очень низкой вязкостью. Земная кора растрескалась на части, и литосферные плиты, плавая в астеносфере, медленно перемещаются относительно друг друга. Ниже астеносферы, примерно с глубины 410 км, давление на минералы становится очень велико, плотность сильно увеличивается. Сейсморазведка показывает, что на глубине 2920 км плотность становится 10080 кг/м3, тогда как до нее была 5560 кг/м3. Начинается область внешнего земного ядра, внутри которого находится внутреннее ядро радиусом 1250 км. Внешнее ядро — жидкое, так как через него не проходят поперечные волны. Кстати, с наличием жидкого ядра связывают существование магнитного поля Земли. Принято считать, что внутреннее ядро твердое. Возможно, что температура в центре достигает 105 К, а у нижней границы мантии — не выше 5000 К.
Академик Ф.У. Эпинус, известный своими работами по теории электричества и магнетизма, исследовал возможность столкновения кометы с Землей, а также распределение тепловых потоков по земному шару (1761). Он впервые связал тепловые факторы с распределением суши и океанов, утверждая, что океаны в течение лета накапливают теплоту, возвращая ее атмосфере зимой, в отличие от суши, которая быстро нагревается и остывает. На основе своих исследований он предположил, что должен существовать шестой, южный материк. Антарктида была, действительно, открыта через 60 лет экспедицией М. П.Лазарева и Ф. Ф. Беллинсгаузена. Эпинус, выделяя роль вулканов в процессе образования гор, заинтересовался причинами образования на Луне кольцевых гор. Таких гор на Земле не было, и это приводило ученых в замешательство. Эпинус сравнил их с вулканами и сделал вывод об активной вулканической деятельности на Луне в прошлом (1781). Кольцевая форма гор сохранилась из-за отсутствия атмосферы. Так Эпинус первым заявил о том, что на Земле и Луне происходят одинаковые геологические процессы.
Как видно из приведенных фактов, наряду с геологией — наукой о строении, составе и эволюции земной коры — сформировалась геофизика, наука о физических свойствах Земли и о происходящих в ней процессах. Кроме того, в ней исследуют и воздушную, и водную оболочки. Выделилось еще ряд дисциплин. Бурно развивалась стратиграфия — наука о пространственном взаимоотношении и возрасте горных пород и соответственно геологических эпохах. Науки о веществе земной коры — кристаллография и минералогия — становились все более точными.
Под влиянием эволюционного учения Дарвина на смену идеям, объяснявшим изменения в облике планеты и населявших ее
384

животных и растений всякого рода катастрофами, стали выдвигаться гипотезы, рассматривающие геологические явления в их развитии и взаимосвязи. К 1880 г. В.О.Ковалевский заложил основы эволюционной палеонтологии. Изучая ископаемых животных, он установил связь эволюции организмов с изменениями среды. В этом же направлении работали С. Н. Никитин, А. П. Карпинский, А. П. Павлов. Идей дарвинизма в геологии придерживались английский ученый Т.Хаксли, австриец Э.Зюсс и бельгийский палеонтолог Л.Долло. Эволюционная палеонтология оказала большое влияние на развитие естествознания.

10.3. Распространенность и круговороты химических элементов на Земле

Наблюдения небесных тел ведутся уже несколько тысяч лет. Но только сочетание телескопов с методами спектрального анализа, фотографии и методов регистрации излучений в разных областях спектра позволили получить сведения о строении и химическом составе космических тел. История химических элементов, в течение которой сложились определенные пропорции количественных соотношений атомов, определила развитие планет Солнечной системы и нашей Земли. По своему составу (по плотности почти вдвое) внутренние планеты сильно отличаются от внешних. Основными источниками сведений о распространенности химических элементов служат данные о составе Солнца, полученные с помощью спектрального анализа, и результаты лабораторных химических анализов материала земной коры, метеоритов, пород поверхности Луны и планет. Свойства химических элементов, как известно, упорядочены в Периодическую таблицу элементов, и место элемента в таблице Менделеева определяется зарядом его ядра. Известные элементы характеризуются набором изотопов — атомов и тем же зарядом ядра, но с разными массами. Масса изотопа определяется суммой числа протонов и нейтронов в ядре и называется массовым числом. Вещество Земли и планет состоит из 300 изотопов, из которых 273 стабильны. Еще В.И.Вернадский подчеркивал, что в космических телах «распределение атомов зависит от строения их атомов».
Распространенность элементов с ростом порядкового номера убывает неравномерно, причем элементы с четным порядковым номером более распространены, чем с нечетным (в геологии этому соответствует правило Гаркинса—Оддо), особенно элементы с массовым числом, кратным 4, например Не, С, О, Ne, Mg, Si, S, Ar, Ca. На долю таких изотопов в земной коре приходится 86,81 % массы земной коры. Содержание элементов с четными порядковыми номерами составляет 60 % от числа всех
385

Рис. 10.2. Относительная распространенность химических элементов в Солнечной системе в зависимости от порядкового номера
стабильных изотопов (рис. 10.2). Особенно резко эта закономерность проявляется в группе редкоземельных элементов. Эти элементы, имея одинаковое строение наружных электронных оболочек, обладают также близкими химическими свойствами. Ряд максимумов соответствует элементам с ядрами, у которых число протонов или нейтронов равно 2, 8, 20, 50, 82, 126. Этим «магическим» числам соответствуют заполненные ядерные оболочки, характеризующие устойчивые ядра.
Изотопы железа обладают относительно большой энергией связи на нуклон, и они энергетически устойчивы. Один из самых устойчивых изотопов железа — Fe-56 — наиболее распространен в космических телах. Академик А. Е. Ферсман отметил (1935), что в земной коре железо занимает четвертое место по массе и восьмое — по числу атомов, а в метеоритах — второе место по массе и четвертое — по числу атомов. Как отметили космохимики Г. Юри и Э. Зюсс, распространенность элементов и их изотопов определяется ядерными свойствами и что окружающее нас вещество похоже на золу космического ядерного пожара, в котором оно было создано.
Большинство газов (или летучей части солнечного вещества) составляют Н, Не, СН4, СО, О, N, NH3, CO2 и все инертные газы. Основная часть внутренних планет и метеоритов состоит из
386

нелетучих элементов солнечного вещества — Si, Fe, Vg, Ca, Al, Ni, Na. Сравнивая их, советский геохимик А. П. Виноградов показал (1962), что эти породообразующие элементы планет и метеоритов выброшены Солнцем, а не захвачены из других областей Галактики. Некоторые различия в составе планет связаны с вторичными процессами и с тем, что элементы входят в разные соединения, находясь в разных агрегатных состояниях. Особенно близок состав нелетучей части элементов Солнца и каменных метеоритов — хондритов. Летучая часть солнечного вещества, существующая в виде газов при Т > 0 °С, при низких температурах затвердевает, а атомы газов вступают в соединения. Инертные газы в соединения не вступают, оставаясь газами и при низких температурах. Земля и метеориты сохранили летучие элементы в той степени, в какой они проявляли свою активность, и инертные газы в них редки. Изотопный состав элементов С, О, Si, Cl, Fe, Ni, Co, Ba, К, Си одинаков на Земле и в метеоритах. Относительно Солнца таких широких исследований не проведено, но соотношение изотопов 12С/13С такое же, как и на Земле, и равно 0,011. Исследования инертных газов показали идентичность изотопного состава в Солнечной системе, тогда как на других звездах он другой. По свидетельству советского астронома Г.А.Шайна, для некоторых углеродных звезд он меняется от 1 до 50, а для межзвездного газа — 0,2. Эти различия важны для определения происхождения химических элементов, их синтеза в звездах и последующей эволюции.
Итак, все тела Солнечной системы построены из небольшого числа элементов (с 28-го номера распространенность резко падает) и имеют единое происхождение. Метеориты, большинство которых оказались очень древними, дали ценную научную информацию об истории возникновения отдельных тел Солнечной системы. По оценкам, основанным на законе радиоактивного распада урана, тория, рубидия и калия, их возраст около 4,5 — 4,6 млрд лет, т.е. совпадает с возрастом Земли и Луны. В них насчитываются примерно 66 минералов, большинство из них похожи на земные. Вероятно, метеориты образовались тогда же, когда и планеты земной группы.
По геохимическим свойствам все элементы разделены на четыре группы. Это разделение связано с определенной электронной структурой атомов, проявляющейся в смеси веществ при охлаждении и нагревании. Атмофильные элементы склонны накапливаться в атмосферах (это — все инертные газы, кислород, азот, водород); литофильные образуют твердые оболочки планет; халъкофильные создают соединения с серой, подобные ионам меди (от греч. «халькос» — медь); сидерофильные способны растворяться в сплавах железа (от греч. «сидерос» — железо).
Химический состав земной коры, общая масса которой составляет только 0,5 % массы всей Земли, исследовали крупнейшие геохимики: Ф.Кларк, В.И.Вернадский, А.Е.Ферсман,
387

А. П. Виноградов, супруги И. и В. Ноддак и др. Чтобы доказать наличие элемента рения в земной коре и определить его среднее содержание, супруги Ноддак провели 1600 анализов разнообразных минералов и пород. В литосфере наибольшее распространение сейчас получил кислород — 50 % массы всей литосферы; 26 % составляет кремний, 7 —8% — алюминий, 4% — железо; суммарное содержание магния, калия, кальция и натрия — порядка 10 %, а на долю оставшихся (более 80) элементов приходится несколько процентов.
Существенно, что кремний расположен в таблице Менделеева в том же столбце, что и важнейший элемент для живого вещества — углерод. Это подобие свойств отразилось и в истории биосферы. По одной из гипотез, первые формы живого вещества создавались на мокрых глинах. На основе окиси кремния образованы многие минералы, в том числе содержащие алюминий. По подсчетам Вернадского, земная кора (до глубин 16 км) состоит на 85 % из силикатов. Если в сложных алюминиево-кремниевых кислотах водород замещается металлами, то соли этих кислот — алюмосиликаты — становятся основой довольно сложных по составу минералов. Кристаллическую основу алюмосиликатов составляет замкнутая система атомов, содержащая алюмокислородные и крем-некислородные группы — комплексы. В зонах выветривания под действием внешних факторов (воды, солнечного излучения, газов) из них выносятся металлы и остается каолин (состав: кремний, алюминий, водород, вода или группа ОН). Эту конструкцию Вернадский назвал каолиновым ядром. Кольцевая структура ядра обеспечивает ему высокую устойчивость.
В составе атмосферы сейчас преобладают азот и кислород (98,6 % массы всей атмосферы), это соотношение практически неизменно до высот 150 км. Водорода почти в миллион раз меньше, чем кислорода. На высоте 160 км и выше состав атмосферы меняется и, как показали данные, полученные со спутников, водород становится преобладающим на высотах 1500 км.
В морской воде на долю кислорода, водорода, хлора и натрия приходится 99,5 %. Переход к гидросфере — это резкое изменение организации геосфер, вызванное переходом от плотных внутренних геосфер к значительно более подвижным внешним геосферам Земли.
Внутри Земли, по данным А.Е.Ферсмана, доля железа — 37 %, затем следуют кислород и кремний; более тяжелые элементы (около 0,5 % массы Земли) и элементы легче железа. Сравнение химического состава Земли и Солнца показывает, что относительное содержание элементов тяжелее натрия почти одинаково в атмосферах Земли и Солнца, содержание кислорода, углерода, азота, гелия в солнечной атмосфере в десятки раз больше, чем на Земле, а водорода — даже в 100000 раз (рис. 10.3).
388

Радиоактивность — важнейшее свойство Земли, определяющее ее происхождение и химическую эволюцию. Первичные планеты были сильно радиоактивны, и, подвергаясь радиоактивному нагреву, они испытывали химическую дифференциацию, в результате которой у планет земной группы сформировались внутренние металлические ядра. Остатки металлической и сульфидно-металлической фаз, сохранившиеся в первичных мантиях, постепенно стекали к центру и формировали четкие границы ядер. Ли-тофильные элементы переходили вверх, дегазация мантий при выплавлении легкоплавких фракций приводила к базальтовым расплавам, которые изливались на поверхности планет. Газовые компоненты, вырывавшиеся вместе с ними, дали начало первичным атмосферам, которые смогли удержать только крупные планеты. Наиболее массивная среди внутренних планет, Земля, прошла сложнейший путь химической эволюции. На последних стадиях остывания солнечной туманности возникли сложные органические соединения, обнаруженные в метеоритном веществе, которые были усвоены нашей планетой и привели к развитию жизни.
Самопроизвольный распад неустойчивых атомов отражает эволюцию вещества Земли и события эпохи рождения химических элементов, как устойчивых, так и неустойчивых. При распадах выделяется теплота Q. Для Земли сейчас важны радиоактивные изотопы урана, тория и калия, которые распадаются с выделением теплоты:

Тепловой баланс Земли определяется в основном теплотой, выделяемой при распаде этих изотопов. Для объяснения теплового режима земной коры достаточно имеющегося количества радиоактивных элементов в ее толще до глубин 0,9 м (по расчетам (1937) радиохимика академика В.Г.Хлопина). Алюмосили-катная кора Земли более радиоактивна, чем мантия. Считая равными в среднем радиоактивности планеты и метеоритов, можно оценить выделяемую Землей радиогенную теплоту от 9,66 1027 до 43,68 • 1027 Дж/год. Земля теряет теплоту в окружающее пространство путем излучения и теплопроводности. Геотермические

389

измерения показали, что величина тепловых потоков одинакова и на дне океанов, и на материках: за год около 7,98 • 1027 Дж, что меньше количества радиогенной теплоты. По словам Вернадского, «количество создаваемой радиоактивным процессом тепловой энергии не только достаточно для того, чтобы объяснить потерю Землею тепла и все динамические и морфологические воздействия внутренней энергии планеты на ее поверхность — земную кору, но и для того, чтобы поднять ее температуру». В конце 50-х гг. обнаружили, что верхние слои атмосферы излучают избыточную энергию в инфракрасном диапазоне. Это связано с взаимодействием атмосферных газов с коротковолновым излучением Солнца, существенно влияющими на погоду.
Сверхглубокая скважина, пробуренная на Кольском полуострове, позволила проникнуть в недра Земли на глубину 12 км и получить непосредственные данные о составе и условиях внутри Земли. Давление в земных недрах растет с глубиной, причем при глубине 3 км — резко растет, а при глубине 8 км — резко падает. Температура из-за приближения к мантии тоже растет, сначала на 1 °С каждые 100 м (до глубины 3 км), затем по 2,5 °С, а на глубине 10 км достигает 180 °С. Пробуренные толщи Земли показывают, что в этих областях идут активные процессы рудооб-разования, на глубине 4—11 км обнаружены крупные зоны раздробленных пород, образованных при относительно низких температурах и сцементированных сульфидами Fe, Ni, Co, Си. К настоящему времени определены горизонты, на которых преимущественно находятся те или иные важные для жизни полезные ископаемые. Так, благородные металлы чаще всего находятся на глубинах 300 — 800 м, цветные металлы — 600—1200 м, железные руды — 300 — 2000 м, каменный уголь — 700 — 1500 м, нефть и газ — 2500 — 6000 м. Процесс формирования полезных ископаемых тесно связан с историей планеты.
Из законов радиоактивного распада следует, что в прошлом радиоактивность была выше. Так, 4,5 млрд лет назад урана-238 на Земле было вдвое больше, чем сейчас, и энергии он выделял больше. Высокая радиоактивность ранней Земли повышала ее температуру, способствовала плавлению веществ и была ведущим фактором химической дифференциации. По данным геохимика Г. В.Войткевича, свыше 5 млрд лет назад этой теплоты было так много, что вся масса Земли могла находиться даже в газообразном состоянии. Кроме тория, урана и калия существовали радиоактивные изотопы с периодом полураспада менее 108 лет. Они возникли в эпоху ядерного синтеза тяжелых элементов и вошли в состав молодых тел Солнечной системы. Примером может служить йод-129 с периодом полураспада 17,2 млн лет, превращающийся в ксенон-129.
В докембрийском редкоземельном минерале бастиезите обнаружены (1971) долгоживущие радиоактивные элементы плутоний-244 и кюрий-247, имеющие своим конечным продуктом рас-
390

пад ксенон-131 —136. Значит, при «варке» тяжелых элементов бьии и сверхтяжелые трансурановые ядра, пока не полученные в лаборатории (так как с ростом номера элемента неустойчивость трансурановых ядер резко растет). Группа индийских ученых во главе с С. Бандари обнаружила в некоторых метеоритах и лунной пыли следы более 300 треков, которые могли быть вызваны такими трансурановыми элементами, присутствовавшими при затвердевании породы. Большинство «вымерших» радиоактивных изотопов при распаде вьщеляли много больше энергии. Так, если при распаде урана выделяется 2,98 Дж/год, то плутония-244 — 50,5 Дж, кюрия-247 — 160,3 Дж и йода-129 — 5,54 Дж/год.
Все земные геосферы связаны между собой кругооборотами вещества, глобальными потоками энергии и момента импульса. В результате образуется сложная система, состояние которой, во многом похожее на состояние динамического равновесия, создает условия для динамической эволюции планеты. Для всех геосфер характерны многочисленные и закономерные отклонения от однородного (симметричного) состояния, наличие градиентов температур, давлений, потенциалов и т.д., которые и направляют потоки вещества, энергии и информации. Хотя каждая из геосфер имеет свою специфику динамики, обменов, систем обратных связей, многие особенности регулируются взаимодействиями между этими огромными подсистемами. В. И. Вернадский описал минералы и их жизнь, природные геологические тела, в которые соединяются минералы, а также сферы Земли, составленные из этих сфер. Эти знания необходимы в поиске месторождений полезных ископаемых. Совместное рождение минералов, образующих природные тела, называют парагенезисом. Парагенезис минералов мало менялся на обозримых промежутках времени, но глобальные изменения условий на нем отразились. Например, оловянный камень (каситерит) накапливался в наибольших количествах в древнем архее и в третичный период. Вернадский, изучавший геологическую историю, насчитывающую многие миллионы лет и огромные пространственные области Земли, писал: «Все реакции земной коры, насколько их можно проследить до сих пор, представляют собой определенные циклы, определенные круговые системы химических изменений, которые постоянно вновь повторяются».

10.4. Модели появления геологических структур на поверхности Земли

Нептунической (по имени бога морей Нептуна) была названа теория немецкого геолога и минеролога А. Г. Вернера, основавшего (1775) институт для изучения минералов и полезных иско-
391

паемых. Он разработал первую систему классификации горных пород и ландшафтов по внешним признакам. Вернер исходил из того, что Земля была покрыта океаном («всемирный потоп»).
Когда вода отступила, из осевших в воде отложений минералов на протяжении более миллиона лет образовались слои пород, например граниты, путем осаждения кристаллов на дне океана. Ошибочность такого представления стала ясна, когда появились убедительные доказательства того, что граниты возникли в результате охлаждения и затвердевания силикатных расплавов — магм, поднимающихся из земных недр. Эти факты послужили основой для другой, плутонической гипотезы.
Плутонической (по имени бога подземного царства Плутона) названа теория шотландского геолога Дж. Геттона (1795). Он, отказавшись от идеи о потопе, выдвинул версию о медленной эволюции Земли. Под действием ветра, воды, вулканов, землетрясений земная кора разрушалась, а продукты разрушения образовывали на поверхности планеты слои. Теплота земных недр перемещала породы и формировала континенты. Эту теорию поддержал профессор геологии Ч.Лайель, считая, что геологические явления вызваны природными факторами, действующими длительные промежутки времени, и что всюду природные факторы действуют одинаково. Лайель сформировал геологию как научную дисциплину, а его теория, получившая название теории «единообразных изменений», поддерживается современными учеными.
Земная кора делится на океаническую (плотную и однородную) и континентальную (более легкую и гетерогенную по минеральному составу). Верхние слои состоят преимущественно из горных пород, которые образовывались в результате осаждения частиц, разрушенных ветром и водой. В них захоронены остатки окаменевших древних флоры и фауны. В пластах прослеживается история планеты. Осадочный слой достигает толщины 10 —15 км, но покрывает не всю поверхность Земли, до 70 % всех его пород составляют глины. Кора состоит из осадочного, гранитного и базальтового слоев. Это деление условно из-за постоянных движений в литосфере. Среди пород океанического дна важна роль магматических глубинных пород, но их состав более однообразен, чем пород континентов. Геофизические методы исследования показали, что океаническая кора значительно тоньше, в ней нет гранитного, богатого кремнеземом и глиноземом, слоя, имеющегося в континентальной коре.
Возраст осадочных пород — важный параметр в эволюции планеты, как и ископаемые останки. Одноклеточные организмы (размером от 40 мкм до 1 мм) — радиолярии — появились в океанах около 500 млн лет назад, а 160 млн лет назад были распространены так же, как сейчас. Они занимают в океанах верхние горизонты, но их скелеты, состоящие из кремнезема, слаборастворимы,
392

и встречаются на всех глубинах. Кислотой из пород выделяют останки вымерших червеобразных, живших 570 — 200 млн лет назад. Исследуя их, удалось доказать, что разрезы более древних пород иногда залегают поверх молодых, т.е. большие скопления слоев могут перетасовываться. Расшифровать историю помогает и палеомагнетизм пород.
Химическая эволюция континентальной части земной коры проходила от основного, базальтового состава, характерного для океанического типа коры, к кислому, гранитному, и океаническая кора постепенно (примерно 2,5 млрд лет назад) превратилась в континентальную. Этому способствовало несколько факторов:
при формировании ядра планеты в одном из полушарий выделилось больше базальтов;
состав продуктов извержения вулканов менялся, изменяя толщину континентальной коры. Базальтовые магмы обогащались SiO2, А12O3, Fe2O3, Na2O, соответственно уменьшая долю MgO, FeO, CaO;
начался мощный круговорот веществ, включающий переработку первичной коры под действием солнечной энергии, гравитации и всей биосферы (рис. 10.4, а).
Огромные массы земной континентальной коры прошли через состояние осадочных пород, были перемыты водой и изменились под действием многих компонент. Длительный круговорот воды вымывал из коры некоторые базальтовые элементы (наиболее растворимые Са++, Mg++, Fe++), сохраняя малоподвижные типа SiO2, А12O3. Натрий попадал в океан в большом количестве, находился там в растворенном виде, но его значительная часть возвращалась в континентальную кору в виде осадков. Калий задерживался в тонкодисперсных глинах и растительных остатках, поэтому его больше в континентальной коре, чем в океанической (рис. 10.4, б).
В лабораторных условиях моделировали глобальные изменения только последнего геологического периода. Для изучения взаимодействия пар земных слоев изготовили двухслойные модели: лист резины толщиной 1,5 см залили тонким слоем (3—4 мм) легкоплавкого материала (воска или парафина), сцепляющегося с резиной. После остывания модели растянули домкратами. В верхнем слое резины появилась сеть трещин и возникла блоковая структура, характерная для верхнего слоя земной коры. При сильном измельчении от подложки отслоились мельчайшие «блоки», и дробление прекращали. Так проверили идею Вернадского об определенной организованности процессов в земной коре и энергонасыщенности геологической среды.
Гипотезу дрейфа континентов развивал немецкий ученый А. Вегенер (1912), хотя она казалась необоснованной. Сходство очертаний западного берега Африки и восточного берега Южной Америки издавна считали свидетельством разделения еди-
393

ного материка. Вегенер назвал его Пангея (от греч. pan— все + gaia— земля). Итальянский ученый Синднер-Пеллегрини указывал на сходство не только очертаний, но и ископаемых растений и месторождений угля в Америке и Европе. Примерно в это же время гляциолог Ф. Б. Тейлор связывал образование молодых гор третичного периода вокруг Тихого океана с «раскрытием» дна Атлантического океана. Причину он видел в приливных силах Луны
394

после ее захвата Землей в меловом периоде, что и вызвало дрейф континентов. А.Холмс в 1927 — 29 гг. выделил силы конвективного течения в верхней мантии Земли как способные переместить континенты (верхнюю оболочку толщиной 50 — 100 км). Измерения силы тяжести на море и на суше свидетельствовали в пользу гипотезы дрейфа континента.
Район землетрясений образуют узкие и длинные зоны, разделяющие сейсмически активный верхний слой Земли на лито]-сферные плиты— стабильные участки. Плиты (толщиной 75 — 150 км) включают в себя значительную часть верхней мантии. Зоны, ограничивающие плиты, образованы срединно-океаническими хребтами и глубокими и широкими океанскими желобами. По ним расположено большее число действующих вулканов. Плиты перемещаются по поверхности мантии Земли, края плит раздвигаются или сходятся. При раздвижении образуется трещина, в которую поступает вещество мантии; у поверхности оно затвердевает, образуя кору. Этот процесс назван спредингом. Выход вещества — один из процессов рудообразования. Оценка скорости приближения этих элементов к поверхности позволила бы уравнять потребление металла со скоростью формирования руд для достижения устойчивого развития человечества. Если плиты сходятся, их края погружаются в мантию, плита попадает как бы на переплавку.
Гипотеза Вегенера возродилась под влиянием сведений о строении океанического дна и новых данных палеомагнетизма. Оказалось, что континенты в ходе истории Земли испытывали смещения относительно магнитных полюсов, причем по сравнению с концом палеозоя (230 млн лет назад) расположение континентов изменилось. Для понимания процессов потребовалось провести магнитные измерения в океанах. В толще земных осадков установили несколько уровней смены векторов намагниченности пород. Мы живем в эпоху, которая началась около 730 тыс. лет назад, сменив эпоху обратной полярности. Но за этот период бывали и кратковременные смены магнитных полюсов. Исследования геофизиков показали, что возраст пород коры меньше возраста осадочных пород на дне океана и растет в зависимости от расстояния до хребта. Значит, на оси хребта создается новое вещество коры, а образованное ранее смещается от зоны раздвига со скоростью несколько сантиметров в год.
Гипотеза литосферных плит основана на их способности скользить по поверхности астеносферы (расплавленным глубинным породам), чем поверхность Земли приводится в состояние, близкое к гидростатическому равновесию. Эта теория получила признание в 60-е гг. XX в. Считается, что верхний слой коры состоит из 15 жестких плит, из них 50 % — крупные (до 1000 км), которые плавают на горячем, пластичном слое мантии Земли по поверхности астеносферы. При этом плиты могут сталкиваться,
395

погружаться друг под друга и надвигаться одна на другую. Вместе с плитами могут перемещаться и континенты. Эту гипотезу называют гипотезой новой глобальной тектоники, поскольку впервые попытались объяснить развитие Земли с помощью данных, полученных при изучении развития континентов и океанов. Литосферу моделируют системой плит, перемещающихся относительно друг друга со скоростями несколько сантиметров в год. Так, Гималаи, Памир и Тянь-Шань — результат надвигания одной плиты на другую.
При росте плит расширяется океаническая котловина, магма поднимается, застывает и образует вдоль подводного хребта океаническую кору. При замедленном процессе сокращается протяженность спрединговых центров. В настоящее время длина такой системы около 56 тыс. км, а скорости развития порядка 5 см/год (в Атлантике — почти вдвое ниже, в Тихом океане — в 3 раза выше). Умножая среднюю скорость роста на длину спрединговых центров, получим скорость формирования коры — 2,8 км2/год. Средняя площадь океанов — 310 млн км2, т.е. они сформировались за 110 млн лет. Средством проверки гипотезы тектоники плит служила программа бурения с судна «Гломар Челленджер». Результаты бурения дна подтверждают, что океаны более «молоды», чем считали ранее. Возраст западной части Тихого океана — до 180 млн лет, т.е. за последние 2 млрд лет могли возникнуть и исчезнуть до 20 океанов. Если дно и континент принадлежат к одной и той же плите, то континент перемещается вместе с ней. Океаническая кора может погрузиться под континент, присоединяясь к мантии (субдукция). Кора поднимается на хребте, перемещается поперек котловины и погружается вдоль желоба, отделяющего зону субдукции. Породы охлаждаются в океане, растекаются по оси хребта и в стороны от него, и кора постепенно погружается. Некоторые горы на океаническом плато настолько велики, что поднимаются, как острова. Подводные горы чаще всего базальтовые и появляются из «горячих точек», расположенных под плитой. Если плита скользит по магме, возникает целая цепь быстро растущих вулканов, как на Гавайских островах. Скопления минерального сырья по всем границам плит подтверждает существование таких процессов.
Горизонтальные перемещения плит преобладают с 60-х гг. XX в., хотя ранее считалось, что крупные прогибания земной коры заполняются осадками, вызывая вздымания, создающие молодые горные цепи. В местах раздвижения плит развиваются рифты, образуются океанические котловины. Так, в рифтовых впадинах Красного моря обнаружен ил, насыщенный Fe, Mn, Мо, Со, Си и Zn. Аналогичный ил найден и вблизи всех гребней срединных хребтов в океанах. Повышенной активностью обладает и узкая часть Южноамериканского континента, ограниченная Андами. Перу, Боливия и Чили очень богаты рудами металлов, как и
396

восточное побережье Азии. В эти области миллионы лет поддвигается океаническое дно, порождая потоки раскаленной магмы, насыщенной металлами. Вдоль линий столкновения и параллельно им возникают зоны вулканов, вдоль линий скольжения — цепь землетрясений. Структурные элементы, порождаемые тектонической активностью, недолговечны и подвержены самосогласованным изменениям, так как новые блоки коры возникают и при вулканических процессах. Как показали керны, около 11 млн лет назад Африканская и Европейская плиты сблизились и перекрыли Гибралтар, Средиземное море высохло, отложились толщи соли и гипса. Потом пролив открылся, и на сотни лет в нем установился водопад (почти как Ниагарский), заполняя бассейн моря.
Литосферные плиты состоят из фрагментов коры и новых «кусков», называемых экзотическими блоками. При сближении плит одна может поддвинуться под другую и погрузиться в мантию. При этом большая часть коры углубляется в астеносферу, а верхние слои как бы соскабливаются с нее верхней плитой, образуя призму аккреции (от лат. accretio— приращение, увеличение). Так, близ Венесуэлы Карибская плита поддвигается под Южно-Американскую. При столкновении плит несколько увеличивается объем континентальной коры. Вдоль линии столкновения более плотная плита погружается, подвергаясь действию все более высокой температуры. Она несет на себе и осадки, и воду, захваченную пористыми породами. На глубинах 100—150 км эта вода инициирует ряд процессов — частичное плавление пород, образование магмы, обогащенной А1, К, Na, и др. Эта магма содержит до SO70 % кремнезема и отличается от океанической базальтовой своей большей вязкостью и густотой. В этих местах растет давление, вызывающее повышенный вулканизм.
В настоящее время известно несколько сотен действующих вулканов, и большая их часть расположена по берегам Тихого океана. Действующий вулкан Ключевская сопка извергает огромные потоки лавы с периодичностью в 6 —7 лет. Вулкан Безымянный пробудился в 1956 г., и сила извержения была такова, что туча пепла поднялась на высоту 40 м. Этот пепел выпал на площади 500 км2, растопил снег и достиг за двое суток Северного полюса. Раскаленный поток лавы шириной до 30 м имел длину 18 км. В 70-е гг. бурно «заговорил» вулкан Толбачек. Вулкан на одном из Антильских островов при своем извержении в 1902 г. уничтожил целый город за несколько минут, при этом погибли 30 тыс. человек.
Вулканы по краям плит расположены над огромными, поднимающимися вверх «занавесами» мантии, параллельными маркирующим желобам. Длина цепей вулканов достигает 37 тыс. км. На 1 км за 1 млн лет извергается 20—40 км3 нового силикатного материала, который присоединяется к коре (континентальной) со скоростью 0,751,5 км3/год, а сама океаническая кора почти ничего к ней не добавляет. Но над ней возвышаются острова, возникшие за счет спокойного базальтового вулканизма над горячи-
397

ми точками и в результате вулканизма в областях, параллельных зонам субдукции. На дне океанов имеются целые блоки осадков (до 170 млн км3), принесенные реками или оставленные вымершими организмами. Часть этого океанического чехла сублимируется, но большая часть составляет основу экзотических блоков.
Полуостров Индостан — один из самых больших таких блоков. Последние 100 млн лет он был единым, хотя некоторые его части имеют возраст более 1 млрд лет. Считается, что он был частью огромного континента Гондваны, впоследствии разорванного на куски, и дрейфовал на север до столкновения с южной окраиной Азии. Другие экзотические блоки, которые не являются осколками древних материков, имеют возраст до 200 млн лет. Они состоят в основном из гальки, песка и алеврита, их очертания складывались под влиянием столкновений и глубинных деформаций. На Аляске, к примеру, блоки хребта Брукс — огромные, настланные друг на друга пластины. В Кордильерах они имеют вытянутую форму, а в Китае сместились в субширотном направлении, так как Индостан давит на Азию с юга. История формирования блоков не всегда восстанавливаема, но свидетельства движений существуют.
Объем континентальной коры сейчас составляет 7,6 • 109 км3, а древнейшие породы имеют возраст 3,8 млрд лет, т.е. средняя скорость роста континентов составляет около 2 км3/год, или 65 м3/с, что явно завышено, так как на неостывшей Земле она была больше. До 70 % коры образовалось более 2 млрд лет назад, а 30 % формировались 2 млрд лет со скоростью 1 км3/год. С этой скоростью образования коры модель рассчитывалась вплоть до фанеро-зоя (этапа в 600 млн лет), для которого существует ископаемая летопись жизни. По данным палеомагнетизма, в начале периода континенты были изолированы и сосредоточены в области экватора, в последующие 350 млн лет из-за движения континентов возник агломерат Гондваны и Лавразии, затем (250 млн лет назад) при объединении последних сформировался суперконтинент, ориентированный в субмеридианном направлении. Древние ядра континентов увеличивались за счет экзотических блоков, которые наращивались уже 200 млн лет, и Пангея начала распадаться вдоль системы рифов, напоминающих очертания современных океанических центров спрединга, опоясывающих земной шар (на 56 тыс. км).
Какие движения континентов предстоят? По одной из моделей через 108 лет может возникнуть новый континент из Азии и Америки. Атлантический океан будет расширяться, а Тихий закроется из-за субдукции Восточно-Тихоокеанского спредингового центра. По другим моделям могут быть отличия. При столкновении размеры континентов возрастут. Площадь континентов, окружающих Тихий океан, сейчас около 290 млн км2, она вырастет на 9 % за счет экзотических блоков со скоростью 1 км3/год. Большую роль играют в этом процессе осадки. Сей-
398

час самым большим источником сноса осадочного материала является вздымающаяся масса суши, возникшая за счет столкновения Индостана с Азией. Кора почти удвоила свою мощность и образовала Гималаи и Тибет. Шесть крупных речных систем дренируют регион, составляющий 4% общей площади поверхности Земли, и выносят в океан до 40 % общего количества осадков, переносимых реками.
Северо-западная часть Тихого океана (Япония, Азия, Филиппины) имеет континентальную кору из фрагментов древнего континента, каждый из которых окружен поясами экзотических комплексов, наросших за 600 — 250 млн лет в течение палеозоя. Стержнем служила Сибирская платформа, вокруг нее наращивались блоки. Вдоль ее южной границы в раннем палеозое сгрудились вулканические дуги и другие поднятия коры, сформировался Байкальский складчатый пояс. Затем, от 300 до 60 млн лет назад, когда Индостан подошел к Азии, формировались другие районы (Индокитай, Янцзы). Континенты юго-западной части Тихого океана (Антарктида, Австралия и Новая Зеландия) возникли при распаде части Гондваны 120—100 млн лет назад, когда развилась рифтовая система, состоящая из трех частей. Одна из них образовала Тасманово море, а две другие отделили Антарктиду от Австралии и плато Кэмпбелл от Новой Зеландии. Вероятно, восточная часть Антарктиды и западная часть Австралии являются более молодыми надстройками коры.
Движения плит — это периодический процесс, в котором главная движущая сила — тепловая конвекция в нижней мантии, а источник энергии — радиоактивный распад. Здесь важна особенность распространения теплоты через земную кору и ухода ее в окружающее пространство: океаническая кора проводит теплоту вдвое более эффективно, чем континентальная. Если часть поверхности занимает суперконтинент, под ним должна накопиться теплота мантии, ведущая к его вздыманию и разрушению. После раздвижения осколков теплота уходит под образующиеся между ними новые океанические бассейны. Поэтому при непрерывном подведении теплоты к поверхности из-за малой теплопроводности континентов она «прорывается» через нее в отдельные и достаточно короткие отрезки времени. Сначала в недрах континента образуются «горячие точки» вулканов, потом они соединяются в рифтовые долины, вдоль которых происходит раскол континента. Через рифты вещество мантии поступает к поверхности, готовя океанское дно. Дно уплотняется, охлаждается, опускается вниз, углубляя океан, и этот процесс длится примерно 200 млн лет. Затем самая древняя часть нового океанического дна континента, примыкающая к осколкам, уплотняется и погружается под континентальную кору — начинается процесс субдукции. Далее океан закрывается, континенты сближаются, а силы сжатия порождают горы.
Суперконтинентальный цикл длится около 440 млн лет. Суперконтинент устойчив около 80 млн лет, накапливающаяся теплота вызывает зарождение рифтов. Через 40 млн лет континент
399

раскалывается. Через 160 млн лет дрейфующие континенты максимально удаляются, а затем начинают сближаться, и суперконтинент восстанавливается. Если сейчас Атлантический океан находится еще в стадии раздвижения, то потом, когда его кора состарится и начнет погружаться под соседние континенты, он может закрыться.
Удивительные закономерности обнаруживаются при сопоставлении времени развития рифтов и времени интенсивного горообразования. Середины периодов горообразования приходятся примерно на 2600, 2100, между 1800 и 1600, 1100, 650 и 250 млн лет назад. Интервалы между ними порядка 400—500 млн лет. Примерно через 100 млн лет после каждого из них наступала пора рифто-генеза. Возрасты большого числа вынесенных из мантии пород группируются на отрезки времени со средними значениями 2500, 2000, 1700—1500, 1000 и 600 млн лет. Период образования гор, протекавший около 250 млн лет назад, сменился рифтогенезом и разрушением Пангеи, т.е. период эволюции суперконтинента 400— 500 млн лет. Эта периодичность отражается в колебаниях уровня океанов, что является проверкой модели. Кроме этого, в океанической коре непрерывно возникают периодические структуры — «твердые волны». Полоса плотных и тяжелых пород у берегов нагружается осадками с континента, прогибается и уходит вниз. Ее место занимают осадочные породы, в них вновь проникают растворы и цементируют их. Так цикл повторяется. Такие застывшие волны сейчас наблюдаются в Атлантическом, Тихом и Индийском океанах. Эти волны медленные, проходят миллионы лет, пока навстречу этой волне придет аналогичная с другого берега. Когда волны встретятся, возникнет поднятие, называемое срединным хребтом.
Глобальная тектоника литосферных плит — это еще один механизм обменного характера, позволяющий понять эволюцию земных глубин. Расчеты на ЭВМ показали, что под действием теплоты вещество Земли осуществляет кольцеобразное движение, сосредоточенное в верхней зоне на областях порядка 700 км. Эти кольцеобразные звенья играют роль неких ячеек: верхние, наиболее холодные части и являются плитами. Теория позволяет объяснить с позиций механики и химии многие геологические явления. Теория дренажной оболочки, например, находит свое применение при объяснении эволюции материков, что показывает огромную взаимосвязь систем Земли. Темпы развития геофизических исследований позволяют надеяться, что вскоре удастся разрешить многие несогласованности в развитии отдельных концепций о процессах на границе коры с мантией под океанами и создать единое представление о кругообороте вещества в Земле — от первого попадания лучистой энергии на ее поверхность до настоящего времени. На больших глубинах все находится
400

в движении, хотя детали процессов не выяснены. Эта теория создала представление об упорядоченном, детерминированном характере развития верхней оболочки Земли. Нелинейная геодинамика позволила бы включить в рассмотрение «особенности неупорядоченного проявления во времени и пространстве структурообразующих движений в пределах тектоносферы». Создание такой теории позволит описать характер движения вещества в недрах в прошлом и будущем (рис. 10.5).
Метод интерферометрии со сверхдлинной базой (ИСДБ) дал возможность измерить колебания Земли, изменения скорости ее вращения и дрейф материковых плит, используя наблюдения за слабыми радиосигналами от квазаров, расположенных на краю Вселенной. Квазары служат как бы маяками, тем более что их удаленность не позволяет засечь их собственное передвижение в пространстве, да и распределены они по небу достаточно равномерно. Радиотелескопы на Земле, разнесенные на тысячи километров, должны следить за одним и тем же источником радиоизлучения. Метод ИСДБ позволяет засечь изменения положения в мантии или колебания земной коры с амплитудой в несколько сантиметров относительно оси вращения Земли или изменения ориентации оси в пространстве на величину около 10-3 угл. с при ускорении или замедлении вращения. Таким путем, например, установили, что Красное море расширяется со скоростью 1 см/год.
401

10.5. Геохронологическая шкала эволюции Земли

Установление продолжительности отдельных периодов и эпох, как и возраста Земли в целом, заставило обратиться к равномерному процессу, протекающему с известной скоростью в течение исследуемого периода и позволяющему делать количественные измерения. Эти соображения высказали Ломоносов («О слоях земных», 1763) и Ламарк («Гидрогеология», 1802). С этой целью пытались исследовать накопления солей в океане и другие ученые. Они получили оценки, не противоречащие расчетам, полученным другими методами.
Возрасты химических элементов и тел Солнечной системы определили по соотношению изотопов свинца Рb-206 — Рb-208 в метеоритах и земной коре и рассчитали: возраст Земли — 4,55 млрд лет. Возраст радиоактивных ядер в Солнечной системе примерно 4,8 млрд лет, и считают, что тяжелые ядра образовались непосредственно перед формированием планет примерно за 200 млн лет. Академик А. Е. Ферсман разделил время существования атомов Земли на три эпохи: эпоху звездных условий существования, эпоху начала формирования планет, эпоху геологического развития.
Термин «геохронология» принят в науках о Земле для обозначения времени и последовательности образования горных пород, слагающих земную кору. Относительный возраст пород оценивается достаточно просто в одном геологическом разрезе, поскольку каждый налегающий пласт образовался позднее того пласта, на который он ложится. Этот стратиграфический метод применяют и при сравнении возраста пород в разных разрезах, хотя приходится привлекать и данные палеонтологии для сопоставления возраста слоев.
Геохронологическая шкала принята в 1881 г. на Международном геологическом конгрессе, на котором были введены термины: эра, период, эпоха, век, время. Хотя это разделение условно, но на рубеже соседних эр или периодов происходили существенные геологические преобразования, а каждое подразделение обладало качественным своеобразием. Эры — наиболее крупные промежутки времени, включающие катархей (от образования Земли до зарождения жизни); архей (3,5 — 2,6 млрд лет); протерозой (2,6 млрд — 570 млн лет) и фанерозой (570 млн лет — наше время) (рис. 10.6).
По степени изученности вся история планеты делится на две части. Более древняя охватывает огромный интервал времени от
402

570 до 3800 млн лет назад. Ее назвали криптозоем, или периодом со скрытым развитием жизни. Хотя он изучен недостаточно, геологи установили необратимый характер осадкообразования и основные тенденции эволюции Земли под влиянием развивающейся жизни.
Более молодая эра, составляющая 570 млн лет и названная фанерозоем (от греч. phaneros— явный + zoe— жизнь), изучена лучше. К ней относятся формации палеозоя, мезозоя и кайнозоя. Палеозой (570 — 230 млн лет) включает периоды: кембрий (570 — 500 млн лет), ордовик (500 — 440 млн лет), силур (440 — 410 млн лет), девон (410 — 350 млн лет), карбон (350 — 285 млн лет), пермь (285 — 230 млн лет). К мезозою относят периоды: триас (23 — 195 млн лет), юра (195 — 137 млн лет) и мел (137 — 67 млн лет). Кайнозой разделяют на периоды и века. Период палеогена состоит из веков палеоцена (67 — 27 млн лет), эоцена (54—38 млн лет) и олигоцена (38 — 27 млн лет). Период неогена (27 — 3 млн лет) делят на века: миоцен (27 — 8 млн лет) и плиоцен (8 — 3 млн лет). Последний период назвали четвертичным. Он состоит из веков плейстоцена (3 млн—20 тыс. лет) и голоцена (20 тыс. лет — наше время).
Согласно обобщениям академика Н. М. Страхова в настоящее время в истории Земли выделяют четыре этапа химико-биогенного осадкообразования.
Первичные океан и атмосфера, когда живое появлялось в ограниченных масштабах. В ранний архей формировалась водная оболочка Земли, в океанах были растворены выделяемые вулканами
403

продукты: сероводород (H2S), метан (СН4), углекислый газ (С02), соляная (НС1), плавиковая (HF) и борная (Н3В03) кислоты, различные углеводороды. Сульфатов тогда, как и свободного кислорода для их образования из сернистого водорода, почти не было. В атмосфере преобладали С02 и NH3, присутствовали и НС1, H2S04, CH4 и несколько инертных газов. Кислотность воды (рН) была порядка -1—2. Температура на поверхности Земли составляла 65 — 80 "С.
Началось образование первичных осадочных горных пород. Поверхность Земли была похожа на современную лунную: площади между вулканами занимал неглубокий океан, а вулканы выступали в виде островов. Климат был влажный, вулканогенно-осадоч-ный, и климатических поясов в современном понимании не было. Наличие углекислоты в атмосфере способствовало выветриванию изверженных пород, образовывались карбонаты калия, натрия, магния, кальция и коллоидные частицы А1203, Si02, Fe203. Попадая в кислую среду океана, они превращались в хлориды калия, натрия, магния и кальция, что меняло состав первичного океана, уменьшая его кислотность. Вулканические породы поверхности подвергались выветриванию, на них осаждались кремнезем и сульфиды тяжелых металлов. Это происходило в катархейскую эру.
Появление первых организмов вплоть до фотосинтезирующих. К концу архея состав морской воды изменился. Благодаря воздействию силикатов осадочных отложений и карбонатов К, Са, Na, Mg, образовавшихся на поверхности суши при выветривании минералов вулканических пород под действием углекислой атмосферы, кислоты моря нейтрализовались. Кислотность воды уменьшалась, карбонаты вступали в реакцию с соляной кислотой, образуя хлориды. Менялся состав атмосферы. С суши поступали растворенные карбонаты, они не только преобразовывали хлорид-ную воду в хлоридно-карбонатную, но и выпадали в осадок. Так наряду с песчано-глинистыми осадками и продуктами вулканической деятельности на дне океанов начали формироваться карбонатные отложения — доломиты и известняки. Усиленно отлагались хемогенный кремнезем и окислы железа с образованием илов (позже превращенных в железистые кварциты — источники современных месторождений железных руд). Сложившиеся толщи пород архея достигают огромной мощности (10 — 12 км). Они подвергались метаморфизму и складчатости, происходила гранитизация пород. Гранитные тела поднимались вверх в виде гранитных куполов, деформируя другие породы. Возник метаморфический слой с континентальным типом земной коры; на некоторых территориях современных материков, образуя их ядра, появились древние щиты, выступающие над водой.
С возрастанием роли азота атмосфера очищалась от аммиака и метана. Во время образования обширных континентальных мас-
404

сивов стали зарождаться климатические зоны — сухого, холодного (ледникового) и влажного климата. В морской воде начали выделяться доломиты CaMg(C03)2, оседающие химическим путем на океаническое дно, где в основном в илах с прослойками минералов накапливались кремнезем, железо и марганец. Возникли многочисленные глинистые минералы, давшие начало образованию кристаллических сланцев. Все эти следы седиментации (от лат. sedimentum— оседание) расшифровываются с большим трудом.
Большая часть докембрийского периода — третий этап (от 3 млрд до 0,6 млрд лет до нашего времени). Протерозой представлен большим числом сильно метаморфизованных пород на нарастающей земной коре. В раннем протерозое на окраинах сложившихся щитов началось развитие первых геосинклинальных зон, где происходили процессы прогибания коры, накопление мощных вулка-ногенно-осадочных толщ, а затем внедрение гранитных массивов, метаморфизм, складчатость, поднятие этих участков — горообразование и поднятие континентов. Но были участки с медленным развитием этих процессов, и образовались крупные платформы жесткой стабилизации. В геосинклинальных зонах с мощными отложениями осадочных пород возникала складчатость. Процессы регулировались тектоническим развитием литосферы. Земная кора разрасталась по поверхности и в глубину. При этом осадочные породы погружались на глубины, подвергаясь процессам гранитизации и метаморфизма, теряя легкоподвижные компоненты, которые перемещались в верхние горизонты. Большая часть карбонатных материалов разрушалась, переходя в силикатные с выделением углекислоты. То же происходило и с водой.
Затем на окраинах платформ возникли новые геосинклинальные пояса — Тихоокеанский, Средиземноморский, Атлантический, Урало-Монгольский и Арктический; их развитие расширяло площадь континентальной коры. Усиливалось отложение доломитов и известняков, что было связано с появлением сине-зеленых водорослей и изменением состава атмосферы. Выделяющиеся при вулканических процессах сера и водород при наличии кислорода образовывали сульфаты, которые вытесняли из морской воды СO2 в осадок, и наряду с чисто химическими явлениями, за счет связывания карбонатов микроводорослями, большую роль начали играть и органогенные известняки. От этого периода до нас дошли ледниковые отложения. Возникали континенты.
Первичные живые организмы были анаэробными, т. е. жили без кислорода, питаясь готовыми органическими веществами. Но резерв органики, возникающей из смеси неорганических веществ под влиянием жесткого солнечного излучения и грозовых разрядов, иссякал. Поэтому природе следовало бы выработать способы
405

ридно-сульфатной, такие элементы, как Fe, Mn, P, Co, Va, Си, стали существовать в виде малорастворимых, сильно окисленных соединений, и концентрация их в морской воде резко упала. Обилие кислорода снизило подвижность Fe, Mn, P, Va, Cr, Co, Cu, Ni и др., они оказались только в виде взвесей, поэтому их залежи могут быть вблизи берегов моря. На суше процесс накопления солей происходил периодически. В океанах формировались битуминозные глины, горючие сланцы, а на суше — угли.
Для образования углей более подходящими были каменноугольный и пермский периоды, а после ослабевания процесса в триасе — юрский, меловой и палеогенный периоды. Организмы стали использовать для образования скелетов СаС03 и Si02, что сделало состав морской воды щелочным. Начали осаждаться фосфориты, что привело к появлению их месторождений. Так, под влиянием живого вещества океан стал иным, и осадочные породы из закисно-окисных стали углисто-карбонатно-галогенными. Эволюция Земли как планеты и эволюция живого на ней были взаимосвязаны и взаимозависимы. На весь ход миграции химических элементов в верхних оболочках Земли все сильнее — и прямо, и косвенно — влияло живое вещество биосферы.
Изменение облика нашей планеты можно оценить при изменении масштаба восприятия. Для наглядности геолог и путешественник князь П.Н.Кропоткин создал «сценарий» такого «фильма», когда каждая секунда экранного времени соответствует миллиону лет жизни Земли. Первые 2 — 3 мин идут «кадры» сотворения мира: из сгустка космической пыли, газа и обломков погибших миров формируется шарообразное тело планеты. Следующие 40 мин «фильма» — рассказ о древнейшем этапе геологической истории (архейская эра), Земля обрела первичную атмосферу, на ней появилась жизнь. Но развивалась жизнь очень вяло, и почти ничего не изменилось за 2 млрд лет, или 33,3 мин. Только в протерозое всего за 17 мин (1 млрд лет) растительность распространилась из океанов на прибрежные участки суши; появились черви, моллюски, трилобиты. Все развитие жизни (фанерозой) промелькнет за 10 мин — «кадры» будут меняться с огромной скоростью, будут меняться контуры материков, растительность, рельеф, виды животных и т.д. Меняются физические поля и атмосфера. И из этих 10 мин история человека займет лишь 2 с.

10.6. Самоорганизация при образовании планет и взаимодействии геосфер

До недавнего времени считалось, что можно рассматривать моря, леса, горы, атмосферу не только отдельно друг от друга и от всего живого мира, но и по частям или слоям. Тесная взаимосвязь между ними делает такой подход подчас бессмысленным, требует единого подхода. В какой-то степени это следствие успе-
407

хов аналитического естествознания. В. И. Вернадский, разрабатывая модель биосферы, неоднократно отмечал, что Гете мыслил синтетически, не признавая возможности деления природы на части и считая, что ее можно изучать как целое. И Вернадский внес количественные оценки в качественную модель Гете. Для описания природы (особенно в биологии и геологии) практически нельзя пользоваться моделями, которые «отрицают стрелу времени».
Окружающий нас мир, от элементарных частиц до галактик и биосферы, существенно далек от равновесия. В галактиках идет постоянный обмен веществом и излучением между звездами и межзвездными облаками. Внутри звезд протекают грандиозные неравновесные процессы, особенно сильные в пульсирующих звездах типа цефеид. В недрах звезд происходят мощные термоядерные реакции с выделением огромной энергии. На конечных стадиях жизни в звездах типа белых карликов вещество как бы конденсируется в одну гигантскую «молекулу», находящуюся в нижнем квантовом состоянии, резко уменьшающем энергетические потери. В нейтронных звездах возникает упорядоченное состояние вещества, которое похоже на явление сверхтекучести.
Явление самоорганизации было обнаружено в кольцах Сатурна — шестой по порядку от Солнца и второй по величине планете Солнечной системы. По массе она в 3 раза меньше Юпитера, так как ее плотность всего 0,7 г/см3, и состоит она в основном из водорода и гелия. Колец у Сатурна несколько, их толщина менее 3,5 км, а диаметр внешнего из них 275 тыс. км. Они охватывают планету по экватору, никогда не соприкасаясь с ее поверхностью, и вращаются вокруг нее под углом 27° к экватору, поэтому можно видеть кольца то с одной, то с другой стороны. Внутренние кольца вращаются с большей скоростью, чем внешние. Было установлено, что кольца — это плоская система из огромного числа мелких спутников планеты. Их спектры содержат линии, характерные для чистого льда и водяного инея. Среди 24 «настоящих» спутников Сатурна один из самых больших спутников в Солнечной системе по размерам и массе — Титан — имеет атмосферу, состоящую в основном из метана и водорода.
Когда Гюйгенс догадался, что Сатурн окружен «тонким и плоским кольцом», это было столь неожиданно, что он зашифровал свою идею. Кольца Сатурна исследовал Ж.Д.Кассини (1675), установивший промежуток между кольцами А и В (щель Кассини), а его сын, Ж. Кассини, высказал идею метеоритного строения колец. Сквозь щели между тремя кольцами просвечивают звезды. И.Кант описал (1755) кольца как послойно вращающийся разреженный диск сталкивающихся частиц, который из-за этих соударений разбивается на узкие колечки. Исследования Лапласа по устойчивости колец продолжил Максвелл. Он показал, что кольцо не может быть плотным и привел уравнение (называемое сейчас дисперсионным), определяющее собственные частоты колебаний колец.
408

Среди колец Сатурна есть кольца, названные именами Гюйгенса и Максвелла.
Американскими астрономами с борта «Боинга» были открыты 9 колец Урана (1977). Эти кольца оказались очень четко очерченными, без всякой диффузии на краях. В 1986 г. космический аппарат «Вояджер-2» впервые приблизился к Урану, открыв 10 новых спутников и еще 2 кольца. В середине 80-х гг. обнаружили кольца возле Нептуна. Открыты кольца шириной 1000 км и у Юпитера — самой большой планеты Солнечной системы, радиус которой больше земного в 11 раз. Изучение планетных колец показало, что наблюдаемые явления могут быть объяснены столкновениями и коллективными взаимодействиями частиц. Эти пространственные структуры образуются благодаря тому, что в энергетическом отношении они — открытые системы, способные к самоорганизации. Эти выводы проецируются на явления в протопланетном облаке и раскрывают космогонию планет.
В строении колец были обнаружены различные неустойчивости: гравитационная — делит диск на кольца, ширина которых примерно одного порядка с их толщиной; аккреционная (от лат. accretio— приращение, увеличение) — влияет на крупномасштабное расслоение колец; энергетическая (или тепловая) — перемешивает частицы так, что возможны эффекты типа «отрицательной диффузии» — продвижение частиц в более плотные области. В силу действия последней кольца работают как тепловая машина, или открытая система, — энергия орбитального движения из-за вязкого трения превращается в теплоту, уносимую в пространство. Математически прирост плотности кольца описывается так же, как возникновение молекул и радикалов в химических реакциях. Внешние спутники вызывают ряд резонансных явлений в дисках. Так, наблюдаемые щели в кольцах имеют резонансную природу. Щель Кассини в кольцах Сатурна вызывается мощной спиральной волной спутника Мимас, коллективные свойства которой позволяют ей распространиться далеко от точки резонанса. Пыль стабилизирует вихревые процессы внутри спиральной волны. Общая картина взаимосвязей внутри Солнечной системы столь многообразна, что Солнце, планеты, спутники, кольца, околосолнечное и межпланетное пространства образуют целостную и существенно неравновесную нелинейную систему. Конечно, энергетический вклад Земли, например, по сравнению с энергетическими характеристиками солнечных процессов очень мал, но в системах, далеких от равновесия, и малые величины могут при определенных обстоятельствах привести к значительным последствиям.
За счет изменений солнечной активности в Солнечной системе становится переменным поток излучаемой энер-
409

гии. Хотя возникающие вариации излучений малы (порядка 0,1 % общей энергии излучения Солнца), порождаемый ими солнечный ветер может колебаться в интервале двух порядков величины, существенно влияя на планетные магнитосферы и процессы в атмосфере. При этом интенсивность излучения в оптическом «окне прозрачности» атмосферы почти не зависит от солнечной активности, а интенсивность проникающего радиоизлучения, зависящего от нее, очень мала. Ускоренные во вспышках частицы (солнечные космические лучи) преодолевают магнитные поля в атмосфере Солнца, межпланетном и околоземном пространствах (рис. 10.7). Вблизи Земли они вступают в непосредственное взаимодействие с частицами ионосферы и атмосферы, вызывая геофизические явления типа усиленного поглощения коротких радиоволн, приходящих из космоса.
Достаточно устойчивые радиационные пояса Земли, занимающие огромное пространство, которое заполнено заряженными частицами, защищают Землю. Магнитное поле Земли удерживает и перераспределяет потоки космических лучей. Эти области остро реагируют на магнитные бури, происходящие на Солнце. Исследователи земного геомагнетизма С.Чепмен и В.Ферраро показали (1940), что магнитное поле Земли начинает чувствовать воздействие внешнего потока заряженных частиц при плотностях, больших 104 м-3. Критическое значение плотности связано со скоростью частиц vпростым соотношением: п = 6,8 • 10-11v (м-3), где vв
410

(м с-1). Отсюда можно вычислить плотность и спокойного солнечного ветра (Е= 10 эВ, v= 104 м • с-1), п = 10-6 м-3, и возмущенного (Е = 103 эВ, v= 4,35 • 105 м • с-1), п = 10-5. Для солнечных космических лучей Е - 107 эВ, v= 4,35 • 105 м • с-1 и п = 3 • 10-1 м-3. Таким образом, плотность частиц в солнечном ветре заведомо превышает критическое значение, что имеет важные последствия для магнитосферы.

Магнитное поле Земли напоминает поле плоского магнита с двумя полюсами и представляет собой некоторое препятствие для потока солнечной плазмы. Скорость этого потока больше скорости звука в солнечном ветре, поэтому имеет место явление, соответствующее сверхзвуковому обтеканию препятствия в гидродинамике, и перед препятствием образуется ударная волна. Ее фронт имеет форму параболоида, и при прохождении через него солнечной плазмы замедляются ее движения и переход кинетической энергии в тепловую. Такая «разогреваемая» плазма обтекает геомагнитное поле и оказывает на него давление. Но последнее не может сжиматься безгранично. Границей сжатия является мезопауза — область магнитосферы, расположенная на расстоянии примерно 10 земных радиусов от поверхности. Наблюдения с космических аппаратов подтвердили эту картину (рис. 10.8).
Изменения солнечной активности влияют на формирование циклонов. Из-за неравномерного, хотя и малого по величине, нагревания верхних слоев атмосферы начинается слабая горизонтальная подвижка верхних слоев воздуха — адвекция (от лат. advectio— доставка), вызывающая небольшой вертикальный подъем воздуха. Если воздух влажный, при таком подъеме будут конденсироваться водяные пары, выделяться теплота, что усиливает нагрев,

411

а с ним и адвекцию. Рост массы поднимающегося воздуха увеличивает конденсацию. Начинается раскручивание неустойчивости, порог которой сильно зависит от влажности воздуха. В устойчивом состоянии атмосфера может пребывать долго, но вблизи неустойчивого состояния изменение любого малого параметра может сыграть роль «спускового крючка». Тем самым нарушается глобальная циркуляция воздуха, и все течения в атмосфере, связанные с конвекцией, существенно меняются даже от слабых воздействий. Расчеты показали, что близкие в начальный момент решения для неустойчивой гидродинамической модели атмосферы очень быстро расходятся и приводят к сильно отличающимся результатам. Такие расхождения не позволяют сделать надежный прогноз погоды более чем на 5 —7 дней (расхождение параметров почти вдвое).
Процессы, происходящие в земной атмосфере, сложны и связаны с множеством действующих факторов. С помощью модельных экспериментов удалось получить интересные результаты, объясняющие сходные явления в метеорологии, океанологии и астрофизике. Например, обращает на себя внимание факт преобладания западных ветров в Северном полушарии Земли. Казалось бы, атмосфера должна вращаться вместе с твердой оболочкой Земли, но она вращается быстрее — суперротация. Энергия общего упорядоченного движения атмосферы поддерживается в основном за счет крупномасштабных вихрей, или хаотического движения (отрицательная вязкость). С точки зрения обычной термодинамики энергия должна рассеиваться, но тут возникает масштабное явление, соответствующее как бы обратной диффузии, направленной в сторону понижения энтропии.
При исследовании периодичности взаимодействия системы «атмосфера—океан» американские ученые К. Россби и X. Вил-летт обнаружили (1944), что в атмосфере чередуются состояния с повышенной скоростью упорядоченного западно-восточного переноса, при котором энергия вихревого движения понижена, с противоположной ситуацией, когда преобладают неупорядоченные вихревые процессы — циклоны и антициклоны. Был открыт основной закон формирования колебательного процесса циркуляции атмосферы. Среднюю скорость западно-восточного переноса характеризуют индексом Россби, а открытые Россби и Виллеттом колебания — циклом индекса. Все процессы в тропосфере описали в новых терминах и связали с изменением типа циркуляции. На погодных картах обратили внимание на упорядоченные образования — планетарные волны давления, захватывающие огромные пространства и связанные с атмосферными фронтами и зонами осадков и струйных течений, формирующих погоду, которые управляют непонятным механизмом, связанным с циклом индекса. От него зависят амплитуда и длина планетарных волн.
412

Английский ученый Р. Хайд поставил опыт (1953), имитирующий гидродинамические процессы в земном ядре, во многом напоминающие процессы в атмосфере. В кольцевом сосуде вращалась жидкость, причем разница температур между внутренним и внешним цилиндрами могла задаваться извне. При возрастании температурного градиента, как и при увеличении скорости вращения жидкости, в ней возникали упорядоченные структуры (вихри Тейлора), напоминающие планетарные волны. Они более заметны, если к жидкости примешивали порошок. При достижении критических значений разницы температур эти структуры внезапно исчезали, движение становилось хаотическим. Очевидно, что эти явления важны в астрофизике: во многих случаях звезды можно рассматривать как вращающиеся жидкие массы, внутри которых имеются температурные градиенты. Хайд обнаружил явление «качания» вблизи границы перехода от порядка к хаосу, уловив возникновение собственных колебаний системы в передаче энергии от упорядоченного движения к хаотическому и обратно. Эти «качания» метеорологи сопоставили с циклом индекса и придали ему более широкий смысл, считая эти явления общими для всех вращающихся жидкостей и газов. Динамика атмосфер других планет похожа на земную, там тоже есть струйные течения, планетарные волны, цикл индекса. Все они нашли объяснение в особенностях вращения неравномерно нагретой жидкости.
Циркуляция в о к е а н а х напоминает атмосферную — обнаружены «синоптические» вихри, подобные циклонам и антициклонам. В океанических течениях (Гольфстриме, Антарктическом, Куросио) также выделены колебания с периодом 1 — 3 года между упорядоченным и хаотическим типами течения. Все эти явления — примеры диссипативных структур. Их возникновение связано с неравномерностью нагревания планеты солнечными лучами, при котором возникают условия для роста упорядоченности в атмосфере и океане и уменьшения энтропии. Эксперимент Хайда и другие аналогичные опыты показывают, что явление цикла индекса в атмосфере, как и аналогичное ему явление осцилляции в океане, наблюдается в точке фазового перехода между двумя различными режимами вращения неравномерно нагретой жидкости или газа.
Сходства между колебаниями жидкости в лабораторных опытах, колебаниями в планетарных атмосферах и циклом солнечной активности оказались и количественными. Между циклом солнечной активности в 11 лет и циклом индекса в атмосферах также есть подобие. Возможно, эта периодичность солнечной активности связана с существованием индекса в солнечной атмосфере или аналогичным явлением. Чтобы наблюдать структурирование в эксперименте, нужно подобрать соотношение между скоростью вращения и разницей температур. Это еще раз показывает, что наша планета находится в уникальных условиях, а изменения малых параметров, влияющие на климат, могут привести к быстрым и катастрофическим последствиям. Это подтверждают расчеты на ЭВМ, проведенные с целью выяснения последствий ядерного конфликта.
413

На неустойчивость солнечной атмосферы некоторое влияние оказывает и приливное действие со стороны планет. Существуют теории связи расстояний планет от Солнца с волновыми процессами в плазме солнечного ветра, заполняющей Солнечную систему. Эти процессы носят нелинейный неравновесный характер и связаны со многими весьма малыми параметрами системы. Аналогичные процессы с развитием неустойчивостей происходят и в океанах, и в мантии Земли. Тектоника литосферных плит, разрастание дна океанов, формирование желобов объясняются конвекционными процессами. Движение плит земной коры вызывает напряжения, которые создают неустойчивые состояния, зачастую чреватые землетрясениями, извержениями вулканов и т. п.

Вопросы для самопроверки и повторения

1. Какие гипотезы происхождения Земли Вам известны? Какие закономерности движения нашей планеты они могут объяснить? Что общего в эволюции планет земной группы?
2. Какие гипотезы о происхождении Луны Вы знаете? Почему средняя плотность пород Луны меньше, чем пород Земли? Как определяют возраст горных пород?
3. Перечислите в порядке распространенности четыре-пять химических элементов, составляющих земную кору. Какую роль при образовании планетных тел сыграли соединения железа?
4. Почему существует некая закономерность в распределении элементов, связанная с порядковым номером в таблице Менделеева?
5. Что доказывает единое для всех тел Солнечной системы распределение химических элементов?
6. Поясните геохронологическую шкалу. С чем связано такое разделение? Как Вы можете описать первичную атмосферу и океан Земли?
7. Какие изменения происходили на Земле в эру палеозоя? Поясните, что изменилось на Земле с появлением первых организмов.
8. Назовите основные отличия континентальной коры от океанической по составу. Как можно изучать взаимодействие между ними? Какие процессы при этом происходят?
9. В чем суть гипотезы литосферных плит? Как она связана с дрейфом континентов?

1. Поясните процессы роста континентальной коры. В каких областях наблюдается повышенная магматическая активность? Каковы перспективы будущего дрейфа континентов?
2. Объясните, почему состояние протопланетного облака было далеким от равновесия. Какие факторы послужили толчком к образованию планет?

Комментарии (2)
Обратно в раздел Наука