Введение
1. Происхождение Солнечной системы
1.1 Гипотеза Канта-Лапласа
1.2 Гипотеза Джинса-Вулфсона
1.3 Гипотеза Шмидта-Литтлтона
2. Развитие Земли
2.1 Фазы развития Земли
2.2 Геологическая история
2.3 Эволюция атмосферы
2.4 Эволюция биосферы
2.5 Развитие литосферы и рельефа
3. Влияние солнечной активности на земные процессы
Заключение
Список литературы
Вот уже два века проблема происхождения Солнечной системы волнует выдающихся мыслителей нашей планеты. Этой проблемой занималась, начиная от философа Канта и математика Лапласа, плеяда астрономов и физиков XIX и XX столетий. Ей отдал дань наш замечательный соотечественник, человек разносторонне талантливый, Отто Юльевич Шмидт. И все же мы еще очень далеки от ее решения. Какие только тайны не были вырваны у природы за эти два столетия! За последние три десятилетия существенно прояснился вопрос о путях эволюции звезд. И хотя детали удивительного процесса рождения звезды из газово-пылевой туманности еще далеко не ясны, мы теперь четко представляем, что с ней происходит на протяжении миллиардов лет дальнейшей эволюции. Увы, вопрос о происхождении и эволюции планетной системы, окружающей наше Солнце, далеко не так ясен.
На первый взгляд кажется странным и даже парадоксальным, что астрономы смогли узнать о космических объектах, весьма удаленных и наблюдаемых с большими трудностями, гораздо больше, чем о планетах и Солнце, которые (по астрономическим масштабам, разумеется) находятся у нас «под боком». Однако в этом нет ничего удивительного. Дело в том, что астрономы наблюдают огромное количество звезд, находящихся на разных стадиях эволюции. Изучая звезды в скоплениях, они могут чисто эмпирически установить, как зависит темп эволюции звезд от начальных условий, например массы. Если бы не было этого обширного эмпирического материала (прежде всего рассматривавшейся нами выше диаграммы «цвет — светимость» для большого числа скоплений), вопрос об эволюции звезд был бы предметом более или менее бесплодных спекуляций, как это и было примерно до 1950 г.
1. Происхождение Солнечной системы
1.1 Гипотеза Канта-Лапласа
Переходя к изложению различных космогонических гипотез, сменявших одна другую на протяжении последних двух столетий, мы начнем с гипотезы, впервые высказанной великим немецким философом Кантом и спустя несколько десятилетий независимо предложенной замечательным французским математиком Лапласом. Из дальнейшего будет видно, что существенные предпосылки этой классической гипотезы выдержали испытание временем, и сейчас в самых «модернистских» космогонических гипотезах мы легко можем найти основные идеи гипотезы Канта — Лапласа.
Точки зрения Канта и Лапласа в ряде важных вопросов резко отличались. Кант, например, исходил из эволюционного развития холодной пылевой туманности, в ходе которого сперва возникло центральное массивное тело — будущее Солнце, а потом уже планеты, в то время как Лаплас считал первоначальную туманность газовой и очень горячей, находящейся в состоянии быстрого вращения. Сжимаясь под действием силы всемирного тяготения, туманность, вследствие закона сохранения момента количества движения, вращалась все быстрее и быстрее. Из-за больших центробежных сил, возникающих при быстром вращении в экваториальном поясе, от него последовательно отделялись кольца. В дальнейшем эти кольца конденсировались, образуя планеты.
Таким образом, согласно гипотезе Лапласа, планеты образовались раньше Солнца. Однако, несмотря на такое резкое различие между двумя гипотезами, общей их важнейшей особенностью является представление, что Солнечная система возникла в результате закономерного развития туманности. Поэтому и принято называть эту концепцию «гипотезой Канта — Лапласа». Уже в середине XIX столетия стало ясно, что эта гипотеза сталкивается с фундаментальной трудностью. Дело в том, что наша планетная система, состоящая из девяти планет весьма разных размеров и массы, обладает одной замечательной особенностью. Речь идет о необычном распределении момента количества движения Солнечной системы между центральным телом — Солнцем и планетами.
Момент количества движения есть одна из важнейших характеристик всякой изолированной от внешнего мира механической системы. Именно как такую систему мы можем рассматривать Солнце и окружающую его семью планет. Момент количества движения может быть определен как «запас вращения» системы. Это вращение складывается из орбитального движения планет и вращения вокруг своих осей Солнца и планет.
Математически «орбитальный» момент количества движения планеты относительно центра масс системы (весьма близкого к центру Солнца) определяется как произведение массы планеты на ее скорость и на расстояние до центра вращения, т. е. Солнца. В случае вращающегося сферического тела, которое мы будем считать твердым, момент количества движения относительно оси, проходящей через его центр, равен 0,4 MvR, где М — масса тела, v — его экваториальная скорость, R — радиус. Хотя суммарная масса всех планет составляет всего лишь 1/700 солнечной, учитывая, с одной стороны, большие расстояния от Солнца до планет и с другой — малую скорость вращения Солнца, мы получим путем простых вычислений, что 98% всего момента Солнечной системы связано с орбитальным движением планет и только 2% — с вращением Солнца вокруг оси. Момент количества движения, связанный с вращением планет вокруг своих осей, оказывается пренебрежимо малым из-за сравнительно малых масс планет и их радиусов.
Найдем, например, момент количества движения Юпитера I. Масса Юпитера равна M=2х1030
г (т. е. 10-3
массы Солнца), расстояние от Юпитера до Солнца r=7,8х1013
см (или 5,2 астрономической единицы), а орбитальная скорость v = 1,3х106
см/с (около 13км/с). Отсюда I=Mvr= 190х1048
.
В этих единицах момент количества движения вращающегося Солнца равен всего лишь 6х1048
. Все планеты земной группы — Меркурий, Венера, Земля и Марс — имеют суммарный момент в 380 раз меньший, чем Юпитер. Львиная доля момента количества движения Солнечной системы сосредоточена в орбитальном движении планет-гигантов Юпитера и Сатурна.
С точки зрения гипотезы Лапласа, это совершенно непонятно. В самом деле, в эпоху, когда от первоначальной, быстро вращающейся туманности отделялось кольцо, слои туманности, из которых впоследствии сконденсировалось Солнце, имели (на единицу массы) примерно такой же момент, как вещество отделившегося кольца. Так как масса последнего была значительно меньше массы основной части туманности («протосолнца»), то полный момент количества движения у кольца должен быть много меньше, чем у «протосолнца». В гипотезе Лапласа отсутствует какой бы то ни было механизм передачи момента от «протосолнца» к кольцу. Поэтому в течение всей дальнейшей эволюции момент количества движения «протосолнца», а затем и Солнца должен быть значительно больше, чем у колец и образовавшихся из них планет. Но этот вывод находится в разительном противоречии с фактическим распределением момента количества движения между Солнцем и планетами!
Для гипотезы Лапласа эта трудность оказалась непреодолимой. На смену ей стали выдвигаться другие гипотезы. Мы не будем их здесь даже перечислять — сейчас они представляют только исторический интерес. Остановимся лишь на гипотезе Джинса, получившей повсеместное распространение в первой трети текущего столетия. Эта гипотеза во всех отношениях представляет собой полную противоположность гипотезе Канта — Лапласа. Если последняя рисует образование планетных систем (в том числе и нашей Солнечной) как единый закономерный процесс эволюции от простого к сложному, то в гипотезе Джинса образование таких систем есть дело случая и представляет редчайшее, исключительное явление.
Согласно гипотезе Джинса, исходная материя, из которой в дальнейшем образовались планеты, была выброшена из Солнца (которое к тому времени было уже достаточно «старым» и похожим на нынешнее) при случайном прохождении вблизи него некоторой звезды. Это прохождение было настолько близким, что практически его можно рассматривать как столкновение. При таком очень близком прохождении благодаря приливным силам, действовавшим со стороны налетевшей на Солнце звезды, из поверхностных слоев Солнца была выброшена струя газа. Эта струя останется в сфере притяжения Солнца и после того, как звезда уйдет от Солнца. В дальнейшем струя сконденсируется и даст начало планетам.
Что можно сказать сейчас по поводу этой гипотезы, владевшей умами астрономов в течение трех десятилетий? Прежде всего, она предполагает, что образование планетных систем, подобных нашей Солнечной, есть процесс исключительно маловероятный. В самом деле столкновения звезд, а также их близкие взаимные прохождения в нашей Галактике могут происходить чрезвычайно редко. Поясним это конкретным расчетом.
Известно, что наше Солнце по отношению к ближайшим звездам движется со скоростью около 20 км/с. Даже самая близкая к нам звезда — Проксима Центавра находится от нас на расстоянии 4,2 светового года. Чтобы преодолеть это расстояние, Солнце, двигаясь с указанной скоростью, должно потратить приблизительно 100 тыс. лет. Будем считать (что в данном случае правильно) движение Солнца прямолинейным. Тогда вероятность близкого прохождения (скажем, на расстоянии трех радиусов звезды) будет, очевидно, равна отношению телесного угла, под которым виден с Земли увеличенный в 3 раза диск звезды, к 4пи. Можно убедиться, что данное отношение составляет около 10-15
. Это означает, что за 5 млрд. лет своей жизни Солнце имело один шанс из десятков миллиардов столкнуться или очень сблизиться с какой-либо звездой. Так как в Галактике насчитывается всего около 150 млрд. звезд, то полное количество таких близких прохождений во всей нашей звездной системе должно быть порядка 10 за последние 5 млрд. лет.
Отсюда следует, что, если бы гипотеза Джинса была правильной, число планетных систем, образовавшихся в Галактике за 10 млрд. лет ее эволюции, можно было пересчитать буквально по пальцам. Так как это, по-видимому, не соответствует действительности и число планетных систем в Галактике достаточно велико, гипотеза Джинса оказывается несостоятельной.
Несостоятельность этой гипотезы следует также и из других соображений. Прежде всего, она страдает тем же фатальным недостатком, что и гипотеза Канта — Лапласа: гипотеза Джинса не в состоянии объяснить, почему подавляющая часть момента количества движения Солнечной системы сосредоточена в орбитальном движении планет. Математические расчеты, выполненные в свое время Н. Н. Парийским, показали, что при всех случаях в рамках гипотезы Джинса образуются планеты с очень маленькими орбитами. Еще раньше на эту классическую космогоническую трудность применительно к гипотезе Джинса указал американец Рессел.
Наконец, ниоткуда не следует, что выброшенная из Солнца струя горячего газа может сконденсироваться в планеты. Наоборот, расчеты ряда известных астрофизиков, в частности, Лаймана Спитцера, показали, что вещество струи рассеется в окружающем пространстве и конденсации не будет. Таким образом, космогоническая гипотеза Джинса оказалась полностью несостоятельной. Это стало очевидным уже в конце тридцатых годов текущего столетия.
Тем более удивительным представляется возрождение идеи Джинса на новой основе, которое произошло в последние годы. Если в первоначальном варианте гипотезы Джинса планеты образовались из газового сгустка, выброшенного из Солнца приливными силами при близком прохождении мимо него звезды, то новейший вариант, развиваемый Вулфсоном, предполагает, что газовая струя, из которой образовались планеты, была выброшена из проходившего мимо Солнца космического объекта. В качестве последнего принимается уже не звезда, а протозвезда — «рыхлый» объект огромных размеров (в 10 раз превышающий радиус нынешней земной орбиты) и сравнительно небольшой массы. На рис. 1 приведена схема такого «столкновения», основанная на точных расчетах. Положение протозвезды на гиперболической орбите вокруг Солнца приведено для разных моментов времени, которое выражается в секундах. Все явление близкого прохождения протозвезды, схематически изображенное на рис. 1, занимает около 30 лет. Из рисунка видно, как деформируется поверхность протозвезды под влиянием приливных сил. На этом рисунке приведены также различные орбиты захваченных Солнцем отдельных «кусков» протозвездного сгустка. Для каждой такой орбиты указаны кратчайшее расстояние до Солнца и эксцентриситет. Непосредственно видно, что некоторые орбиты так же удалены от Солнца, как орбита Юпитера и даже дальше,— как показывают расчеты,— до 30 астрономических единиц. Таким образом новейшая модификация гипотезы Джинса снимает основную трудность, с которой столкнулся ее первоначальный вариант — объяснение аномально большого вращательного момента планеты.
Рис. 1. Модель столкновения протосолнца с протозвездой. Орбиты захваченных сгустков характеризуются значениями большой полуоси (в единицах 10м
см) и (в скобках) эксцентриситета. Буквой t обозначены моменты времени, выраженные в секундах.
В схеме Вулфсона это достигается предположением о больших размерах «сталкивающегося» с Солнцем объекта и его сравнительно небольшой массе. Из рис. 1 видно, что первоначальные орбиты сгустков были весьма эксцентричны. Так как заведомо не весь захваченный Солнцем газ смог конденсироваться в планеты, вокруг движущихся сгустков должна была образоваться некоторая газовая среда, которая тормозила бы их движение. При этом, как известно, первоначально эксцентричные орбиты постепенно будут становиться круговыми. На это потребуется сравнительно мало времени — порядка нескольких миллионов лет. Каждый такой сгусток будет довольно быстро эволюционировать в протопланету. Вращение протопланет может быть обусловлено действием приливных сил, исходящих от Солнца. В рамках этой модели можно также понять происхождение спутников планет. Последние отделяются от протопланет при сжатии из-за их несимметричной фигуры. Следует заметить, что эта гипотеза сравнительно легко объясняет происхождение больших планет и их спутников. Для объяснения планет земной группы необходимо привлечь новые представления.
Гипотеза Джинса в модификации Вулфсона заслуживает внимания. Она, по существу, связывает образование планет с образованием звезд. Последние образуются из межзвездной газово-пылевой среды группами в так называемых «звездных ассоциациях». В таких группах, как показывают наблюдения, сперва образуются сравнительно массивные звезды, а потом всякая «звездная мелочь», которая эволюционирует в карлики. Это хорошо согласуется с гипотезой Джинса — Вулфсона. Расчеты показывают, однако, что если этот механизм был бы единственной причиной образования планетных систем, то их количество в Галактике было бы весьма мало (одна планетная система, примерно, на 100 000 звезд), хотя и не так катастрофически мало, как в первоначальной гипотезе Джинса. По существу, это является единственным уязвимым пунктом современной модификации гипотезы Джинса. Если с достоверностью будет доказано, что около хотя бы некоторых ближайших к нам звезд имеются планетные системы, эта гипотеза будет окончательно похоронена. Похоже на то, что в настоящее время такое доказательство уже имеется.
Выдающийся советский ученый и общественный деятель О. Ю. Шмидт в 1944 г. предложил свою теорию происхождения Солнечной системы. Согласно О. Ю. Шмидту наша планетная система образовалась из вещества, захваченного из газово-пылевой туманности, через которую некогда проходило Солнце, уже тогда имевшее почти «современный» вид. При этом никаких трудностей с вращательным моментом планет не возникает, так как первоначальный момент вещества облака может быть сколь угодно большим. Начиная с 1961 г. эту гипотезу развивал английский космогонист Литтлтон, который внес в нее существенные улучшения. Нетрудно видеть, что блок-схема «аккреционной» гипотезы Шмидта — Литтлтона совпадает с блок-схемой «гипотезы захвата» Джинса—Вулфсона. В обоих случаях «почти современное» Солнце сталкивается с более или менее «рыхлым» космическим объектом, захватывая части его вещества. Следует, впрочем, заметить, что для того, чтобы Солнце захватило достаточно много вещества, его скорость по отношению к туманности должна быть очень маленькой, порядка ста метров в секунду. Если учесть, что скорость внутренних движений элементов облака должна быть не меньше, то, по существу, речь идет о «застрявшем» в облаке Солнце, которое, скорее всего, должно иметь общее с облаком происхождение. Тем самым образование планет связывается с процессом звездообразования. В следующей главе мы рассмотрим гипотезы, в которых планеты и Солнце образовались из единой «солнечной» туманности. По существу, речь пойдет о дальнейшем развитии гипотезы Канта — Лапласа.
Планеты внутренней группы Солнечной системы образовались одновременно из единого протопланетного газопылевого облака. Они сложены плотным тяжелым веществом и имеют твердую поверхность. Эти особенности позволяют отнести сравниваемые планеты к одному уровню организации вещества. Однако, несмотря на сходство их образования и состава исходного материала, в настоящий момент заметно различие в достигнутом уровне развития планет. На других планетах отсутствуют не только признаки жизни, но даже такие химические соединения, которые в ходе дальнейшей эволюции могли бы привести к появлению примитивных органических форм. Земля же обладает богатым, в высшей степени развитым органическим миром.
Появление и развитие жизни на Земле — это уникальное явление во всей Солнечной системе. Но оно не случайно, а было подготовлено сочетанием ряда благоприятных условий. Прежде всего для зарождения жизни должен был сформироваться сложный комплекс активно взаимодействующих природных компонентов, которые в течение чрезвычайно длительного времени в относительно стабильных гидротермальных условиях испытали строго направленную эволюцию.
Имеется множество геохронологичсских схем, т. е. подразделений истории Земли на интервалы времени разного масштаба. Каждый из них отличается от других особым, присущим только ему состоянием планеты в целом и ее природной средой. И хотя нас интересует главным образом природная обстановка на планете, касаться приходится и недр Земли, поскольку в своем развитии внешняя область неразрывно связана с внутренней.
В истории Земли важно выявить и события, которые накладывали существенный отпечаток на состояние природной среды или служили причиной перехода ее к принципиально новому этапу развития. Спокойные же интервалы времени, когда не происходило качественного изменения природной среды, в дальнейшем или будут опускаться, или о них будет сказано вскользь.
Придерживаясь этой геохронологической схемы, ученые делят время существования нашей планеты на два существенно различных интервала: раннюю историю и геологическую историю. Под ранней историей подразумевается катархей. Это время называется также протоархей, т. е. самое раннее время планеты. Под геологической же историей понимается все остальное время, от архея до современной эпохи. Временная граница между двумя главными интервалами в истории Земли точно не установлена. Но предположительно она намечается на рубеже от 3,5 до 3,8-3,9 млрд. лет назад.
Ранняя история и геологическая история — существенно различные этапы жизни нашей планеты. Если в раннюю историю Земля развивалась так же, как и остальные планеты — Луна, Меркурий, Марс и Венера, — т. с. в очень медленном темпе, то путь развития Земли в геологическое время характеризуется необыкновенно быстрой эволюцией ее внешней области и земной коры. Все же другие планеты продолжают пребывать и в настоящую эпоху как бы в догеологическом прошлом.
Ранняя история. Земля, как и другие планеты, пережила ранние фазы эволюции — фазу аккреции («рождения»), фазу расплавления внешней сферы земного шара и фазу первичной коры («лунную фазу»).
Фаза аккреции. Конкретных данных о фазе аккреции Земли, т. е. образования ее из хаотического роя твердых, преимущественно каменных, некрупных тел и пылевых частиц, нет. Но аккреция как общепланетарный процесс, в реальности которого в настоящее время никто не сомневается, был, естественно, свойствен и Земле. Его надо представлять себе как непрерывное выпадение на растущую Землю относительно все большего количества крупных тел, укрупняющихся в своем полете при соударениях между собой, и притяжением к себе более удаленных мелких агрегатов. Вместе с крупными телами на Землю падали (вонзались в ее поверхность) и самые крупные объекты — планетезимали, зародыши «неудавшихся» планет. Их поперечники измерялись многими километрами и даже первыми десятками километров, т. е. они имели размеры астероидов или некрупных спутников больших планет.
В фазу аккреции Земля приобрела приблизительно 95% современной массы, на что потребовалось всего 17 млн. лет. С окончания фазы аккреции Землю считают вступившей в этап планетарного развития.
Во время аккреции Земля долго оставалась холодным космическим телом, и только в конце этой фазы, когда началась предельно интенсивная бомбардировка ее крупными объектами, произошло сильное разогревание, а затем полное расплавление вещества внешней зоны планеты.
Фаза расплавления внешней сферы Земли устанавливается по аналогии с ранней историей других планет, в первую очередь Луны, а также Меркурия, Марса. Лунная поверхность образована магматическими породами (анортозитами), время кристаллизации которых датируется 4,6—4,0 млрд. лет назад. Эти данные и являются доказательством расплавления внешней сферы Луны в раннюю фазу ее существования, непосредственно вслед за аккрецией. По данным дистанционных исследований, аналогичную фазу пережили Меркурий и другие планеты, у них поверхностные породы — также магматические основного состава. Фазу раннего расплавления внешней сферы Земли признают как планетологи, так и геологи.
В настоящее время большинство планетологов к этому же времени относят и общую дифференциацию вещества Земли, т. е. образование у нее ядра, мантии и коры.
Когда образовалось ядро? Планетологи придают этому вопросу большое значение, поскольку с его появлением связывают внутреннюю активность планеты, а значит, и начало действия эндогенных процессов — тектонических и вулканизма. Образование ядра обусловило возникновение у Земли диполярного магнитного поля. Установление на Земле самых древнейших палеомагнитных пород с возрастом 3,7 млрд. лет — свидетельство существования в то время ядра, а следовательно, и мантии. Считают, что Земля дифференцировалась уже в первые 100 млн. лет своего существования.
Ландшафты того далекого времени были уникальны. Вся поверхность Земли представляла собой океан раскаленного тяжелого расплава с прорывающимися из него газами. В этот своеобразный океан продолжали стремительно врываться как малые, так и крупные космические тела, удары которых о жидкую поверхность вызывали образование всплесков, фонтанов и другие формы взлета и падения тяжелой жидкости. Над раскаленным океаном простиралось сплошь укутанное густыми тучами небо, с которого на поверхность не падало ни капли воды.
«Лунная фаза». Остывание расплавленного вещества внешней сферы Земли вследствие излучения тепла в космос и ослабления метеоритной бомбардировки, не могущей компенсировать потерю тепла, привело к образованию тонкой первичной коры базальтового состава.
В раннюю историю Земли происходило и формирование гранитного слоя материковой коры. Самые древние из выявленных гранитных интрузий имеют возраст не менее 3,5 млрд. лет, т. е. они, безусловно, доархейские. Дж. Шоу считает, что гранитные породы — результат скопления близ поверхности более легких фракций расплавленной массы вещества недр. Он даже полагает, что первичная базальтовая (анортозитовая) кора образовалась уже поверх гранитного слоя. Проблема гранитов очень сложна, и единого мнения об их происхождении нет, тем более что на других планетах кислых пород, к которым относятся граниты, нет. Граниты признаются как вторичные породы, но прошедшие расплавление или глубокий метаморфизм и в конце концов превратившиеся в магматические кристаллические породы. Такого мнения придерживался В. И. Вернадский.
В течение всей фазы формирования коры, поверхность которой имела температуру выше 100°С, продолжалось выпадение преимущественно крупных тел. На всей поверхности нашей планеты создавался типичный для всех других планет земной группы рельеф ударных кратеров. Из-за широкого распространения метеоритных кратеров фаза существования ранней коры называется также «лунной фазой».
В лунную фазу существования Земля постепенно охлаждалась от температуры плавления базальтов (1000°— 800°) до 100° С. С преодолением температурного рубежа + 100°С связано все последующее преобразование природной среды и эволюция земной коры.
Геологическое время — это принципиально новый период развития Земли как планеты в целом, так и особенно ее коры и природной среды.
Как только температура опустилась ниже 100°С, состояние воды изменилось. Водяные пары атмосферы, а в них была сосредоточена практически вся гидросфера Земли, почти целиком превратились в жидкость, наиболее активное состояние воды по сравнению с ее газовой и твердой фазами. Сухая до того времени Земля стала необычайно обводненной. Сформировались поверхностный и грунтовый стоки, возникли водоемы, в том числе и океаны. Начал функционировать круговорот воды в природе.
Конечно, судить о масштабах скопления на поверхности Земли первичных вод трудно, хотя и существуют некоторые признаки, по которым можно ориентировочно оценить глубину бассейна седиментации и химический состав вод. Важен сам факт обнаружения осадочных пород такого древнего возраста. Это означает, что временной рубеж между ранней и геологической историей проходит где-то около 4 млрд. лет назад. Следовательно, на всю раннюю историю Земли остается всего 0,6 млрд. лет.
И все же представить объем воды на Земле в начале ее геологической истории хотя бы приблизительно мы можем. Не в меньшей степени, чем объем воды в первичных океанах, интерес представляет и ее химический состав. Г. Д. Холланд, изучавший состав вод древних океанов, пришел к выводу о сходстве их химического состава водам современного океана. После охлаждения земной поверхности до температуры ниже 100°С на ней образовалась огромная масса жидкой воды, которая представляла собой не простое скопление неподвижных вод, а находящихся в активном глобальном круговороте. Несмотря на эволюцию этого круговорота в ходе времени, основные особенности его сохранились неизменными. В структурном отношении круговорот, как и в настоящее время, распадался на звенья: атмосферное (испарение, перенос влаги, осадки), литосферное (поверхностный и подземный стоки), океаническое. Значение круговорота воды в природе велико. В процессе его функционирования происходит поглощение солнечной энергии и распределение ее по земному шару. Вода благодаря своей необычайной подвижности и химической активности вступает во взаимодействие с природными компонентами, способствуя их взаимосвязям, чем и обеспечивает формирование того глобального природного комплекса, который в настоящее время называется географической оболочкой.
Еще в догеологическое время, в фазу расплавления внешней сферы земного шара (а возможно, и более глубоких его горизонтов), огромные массы выделявшихся газов образовали первичную атмосферу Земли. Основными компонентами выделявшихся из недр Земли газов, как и у других планет — Марса и Венеры, — были углекислый газ и водяной пар; другие компоненты присутствовали только в виде следов. Так что состав первичной атмосферы Земли, образовавшейся за счет выделения газов и воды при расплавлении планетного вещества, был аналогичен составу летучих компонентов при современных вулканических извержениях. По данным А.С. Монина, газы, выделяющиеся из современных вулканов, содержат преимущественно водяной пар. В составе газов базальтовых лав гавайских вулканов с температурами до 1200° С водяной пар составляет 70—80% по объему. В фумарольных газах Курильских островов с температурами около 100° С содержится 79,7% водяного пара. Вторым по значению компонентом, составляющим атмосферу, является углекислый газ. В газах из лав его находится от 6 до 15%. При температурах 800—1000°С из лав отгоняются кроме водяного пара преимущественно «кислые дымы» — НСl и HF, при температуре 500° С — сера и ее соединения — H2
S, SO2
и др., а при более низких температурах — борная кислота и соли аммония. Представляется, что парциальное давление водяного пара ранней атмосферы Земли в несколько раз превышало парциальное давление углекислого газа. Другими словами, атмосфера состояла главным образом из водяного пара с существенной примесью углекислого газа.
Таким образом, в фазу расплавления внешней сферы земного шара практически вся гидросфера находилась в составе атмосферы. Такую своеобразную атмосферу, состоящую в основном из пара воды, Дж. Уолкер назвал «примитивной паровой атмосферой».
Имеются все основания полагать, что в фазу расплавления внешней сферы земного шара выделившийся водяной пар, охлаждаясь на большой высоте, образовывал густой облачный покров и интенсивные дождевые осадки. Однако падающие из облаков капли воды на некоторой высоте над поверхностью планеты, где температура воздуха была выше 100°С, превращались в пар, который снова поднимался вверх. Над раскаленной поверхностью Земли функционировал своеобразный круговорот воды: пар — дождевые осадки — пар и т. д.
Этот круговорот воды в природе, локализованный в первичной атмосфере Земли вблизи температурного уровня 100° С, практически не оказывал влияния на общий ход эволюции планеты и на развитие ее поверхности. Но он был зародышем того могучего круговорота воды на Земле, который сформировался позже и имел огромное влияние на развитие планеты в целом, а особенно ее природной среды.
После охлаждения земной поверхности до температуры ниже 100° С произошел переход атмосферного водяного пара в жидкую воду. На сухой и очень горячей тогда земной поверхности образовался сток, заложилась речная сеть и возникли водоемы. Земная поверхность стала сильно обводненной и начала подвергаться интенсивному воздействию водных потоков. С этого рубежа и начинается геологическая история.
Изменения температурных условий на Земле, а вслед за этим и всей природной обстановки не могли не отразиться и на атмосфере. Изъятие из атмосферы огромного количества воды и образование поверхностного стока и водоемов оказали огромное влияние на состав и эволюцию воздушной среды. Из водной атмосферы она превратилась в основном в углекислую, в которой водяной пар из господствующего компонента превратился во второстепенный, хотя и важный.
Образование на земной поверхности крупных водоемов оказало воздействие на дальнейшую эволюцию атмосферы. В ней началось быстрое уменьшение содержания углекислого газа. СО2
легко растворяется в воде, и преобладающая его часть была поглощена ею. Об этом мы можем с достаточным основанием судить по современным условиям. В настоящее время между атмосферным углекислым газом и растворенным в океанах в условиях равновесного состояния их между собой в океанических водах находится в 60 раз больше углекислого газа, чем его имеется в атмосфере. Если же учесть способность углекислого газа легко переходить из водной среды в формирующиеся толщи осадков, то его содержание в водах океана будет все время уменьшаться, а соответственно будет падать величина парциального давления растворенного газа. Результатом возрастающего неравновесия между парциальным давлением углекислого газа в водной среде и в атмосфере должен явиться переход СО2
из воздушной среды в водную. Это уменьшение содержания углекислого газа в атмосфере должно было продолжаться до тех пор, пока вновь не восстанавливалось равновесие газа в обеих средах. Из только что сказанного следует, что к началу геологической истории состав атмосферы и ее другие параметры сильно изменились. Воздушная среда не только утратила почти всю воду, находившуюся в ней в виде пара, но в ней осталось мало и СО2
. Во много раз уменьшилось и ее давление.
К этому времени и природные условия на Земле резко изменились. Природная среда на нашей планете стала непохожей на ту, что была на других планетах и что была у нее в ранние фазы истории.
Дальнейшая эволюция атмосферы связана главным образом с появлением и развитием органического мира, прежде всего растительности.
До начала геологической истории, т. е. до того времени, когда температура земной поверхности и приземного слоя воздуха оставалась выше 100° С, жизнь на Земле зародиться и существовать не могла. Но когда температура стала ниже 100° С, произошло сильное обводнение поверхности и тем самым создалась обстановка, благоприятная для зарождения жизни.
Воду в космосе всегда считали и продолжают считать необходимым условием зарождения жизни. С наличием воды на Марсе, установленным на основе наземного телескопического спектрального анализа, связывалась вера в существование жизни на этой планете.
Процесс зарождения живого вещества из неживой материи чрезвычайно сложен, и мы не ставим перед собой задачу рассмотреть его. О нем говорится в основополагающем труде А.И. Опарина о зарождении жизни. Для нас важен сам факт зарождения жизни, время, когда это произошло, условия и роль биосферы в формировании глобального природного комплекса — географической оболочки.
Органический мир получает солнечную энергию не только в процессе фотосинтеза. Как показал А. Л. Чижевский, любые бактерии, даже любая клетка живого организма поглощают солнечную радиацию и трансформиуют ее в другие виды биохимической энергии, на основе которой они и развиваются. Этот процесс до сих пор изучается, хотя достоверность факта непосредственного поглощения клетками живого организма солнечной энергии не вызывает сомнения.
Эволюция химических соединений, приведшая к зарождению жизни, началась тоже с появления на Земле масс жидкой воды, т. е. с ранней геологической истории. Эта начальная фаза датируется разными исследователями неодинаково, расхождения составляют сотни миллионов лет. Точно так же по-разному оценивается продолжительность действия направленного процесса образования организмов.
На основании фактов, изложенных выше, можно предположить, что время образования предбиологических систем (коацерватов) продолжалось около 1 млрд. лет. Самые ранние остатки живых организмов возрастом 3,1 млрд. лет обнаружены в сланцах Трансвааля в Южной Африке. Это бактериоподобные образования размером 0,56х0,24 мкм. В более поздних отложениях (1,9 млрд. лет) в районе озера Онтарио, где залегают черные сланцы, были найдены остатки многих видов ископаемых растений: от разнообразных одноклеточных до нитчатых форм. Многие из них напоминали современные сине-зеленые водоросли.
Обнаруженные в Южной Австралии ископаемые остатки, датируемые 0,9—1,0 млрд. лет назад, т. е. — приблизительно конец среднего протерозоя, — относятся к весьма разнообразным организмам. Среди них отпечатки 13 видов медузообразных кишечнополостных, несколько видов организмов, близких восьмилучевым кораллам, некоторые виды червей и животных, не похожих на формы более позднего времени. Можно сказать, что еще задолго до кембрия жизнь на Земле была весьма многообразной. Уже существовал биотический круговорот вещества и энергии. В результате активного синтеза образовалось много кислорода, за счет которого в верхней атмосфере появился озон — защитный экран от проникновения на земную поверхность волн ультрафиолетовой радиации короче 2900 А. При фотосинтезе из атмосферы было извлечено много углекислого газа.
Палеозойская эра — это время древней жизни. Суша в начале палеозоя представляла собой голую пустыню, лишенную как растительных, так и животных организмов. Лишь на прибрежных камнях встречались пленки водорослей и подушки растений, похожих на мох. В море же обильно развивались сине-зеленые и красные водоросли, а также представители почти всех типов животных. Среди них господствующее положение занимали первые членистоногие — трилобиты.
В силуре наряду с обогащением моря организмами происходит массовое заселение суши растениями. В развитии биосферы выход растений на сушу — настоящая революция!
В девоне продолжалось распространение растений на суше; население моря в общем сохранило свои особенности от прежнего времени.
Карбон известен как период необычайного развития наземной растительности в условиях жаркого влажного климата, трансгрессий и регрессий эпиконтинентальных морей. Такие условия способствовали произрастанию огромных древовидных плаунов, хвощей, папоротников и отложению их в прибрежных осадках.
В карбоне и перми южные материки — Африка, Южная Америка, часть Азии с полуостровом Индостан — на значительной площади испытали покровное оледенение.
Мезозойская эра, время «средней» жизни, характеризуется дальнейшим развитием растительного и животного мира как на суше, так и на море.
В триасе произошло взрывное развитие пресмыкающихся и началось массовое распространение рептилий — динозавров, черепах, древних крокодилов, ихтиозавров. В конце периода появились первые млекопитающие.
Итак, начиная с древнейших времен до современной эпохи шло непрерывное развитие биосферы — увеличение разнообразия живых форм и усложнение их организации. Жизнь, зародившись в море, захватила и сушу. В результате жизнедеятельности организмов происходило существенное преобразование и среды, что в свою очередь влияло на развитие живого вещества. Как указывалось М. М. Камшиловым, жизнь возникла в форме биотического круговорота, основанного на взаимодействии синтетиков и деструкторов. Извлекая из окружения средства существования, жизнь изменяет среду своего существования, а следовательно, должна изменяться и сама. Некоторые вещества на длительное время исключались из биотического круговорота. Это — огромные залежи известняков, каменного угля, нефти, железных, марганцевых и медных руд и другие скопления. Биотический круговорот определяется как составная часть климатического круговорота вещества и энергии планеты. Живое вещество воздействует на все другие компоненты природной среды.
Зеленые растения (высшие зеленые растения, водоросли) и фотосинтезирующие бактерии путем фотосинтеза поглощали из воздушной среды углекислый газ и воду, а выделяли из нее кислород.
Таким образом, в процессе фотосинтеза атмосфера обогащается кислородом и теряет углекислый газ.
В современную эпоху сильное влияние на состав, а следовательно, и свойства атмосферы оказывает хозяйственная деятельность человека.
Уже в начале геологической истории (с появлением на земной поверхности огромных масс воды и с началом действия глобального климатического круговорота воды) экзогенные геологические и геоморфологические процессы стали весьма схожими с современными. Это наложило отпечаток и на тектонические процессы, в которых стали принимать участие осадочные породы, отсутствовавшие до того времени на поверхности Земли.
По мнению В. Е. Хаина, в начале геологического времени еще весьма активно протекали процессы вулканизма, регионального метаморфизма и гранитизации. Наряду с магматическими процессами и метаморфизмом широкое распространение получило осадкообразование, мощное накопление осадочных и вулканогенных толщ, а в фазы кульминации тектонических напряжений — и складкообразование.
Уже в архее начинает проявляться геосинклинальный процесс. Архейские области прогибания обладают многими чертами сходства с геосинклиналями более позднего времени. Это относится как к набору формаций, так и к мощности накопленных в прогибах толщ осадков, которая может достигать 10—12 км и более. Многие авторы признают тектонический режим в архее как геосинклинальный, хотя его определяют и как протогеосинклинальный, т. е. продгеосинклинальный.
В результате действия геосинклинального процесса, включающего в себя складчатость, метаморфизм и гранитизацию, происходила консолидация обширных областей земной коры. Она сопровождалась увеличением масс горных пород гранитного слоя материковой коры, возрастанием ее мощности и поднятием поверхности над уровнем моря.
Геосинклинальный процесс — это сложный многофазовый цикличный тектонический процесс, дифференцированный на две основные стадии: собственно геосинклинальную и орогенную. Первая стадия — это интенсивное прогибание поверхности и накопление мощных осадочных и вулканогенных пород. Образование на месте прогиба горных вовышенностей, нередко высокогорного облика, дало основание назвать вторую стадию геосинклинального процесса орогенной стадией. Соответственно и геосинклинальный пояс получает «переименование»: во второй стадии своей эволюции он называется орогенным поясом (т. е. горным поясом). Одновременно к нему применим и термин «складчатый пояс». Это название сохраняется за ним и для последующей фазы разрушения гор, поскольку основная масса слагающих пояс пород представлена складчатыми комплексами. В эту фазу развития геосинклинальной структуры рельеф представляет собой денудационную равнину, или пенеплен, нередко с причудливыми останцовыми формами.
Таким образом, развитие геосинклинали, т. е. формирование геосинклинальной тектонической структуры — основного элемента материковой коры, находится в неразрывной связи с эволюцией рельефа. Каждой стадии и фазе развития геосинклинальной структуры соответствует определенная выраженность рельефа поверхности.
Тектонический процесс неразрывно связан с геоморфологическим. Нередко их рассматривают как единый процесс — морфотектогенез, имеющий два результата действия — тектоническую структуру земной коры и макрорельеф земной поверхности.
В течение геологической истории основным тектоническим процессом формирования земной коры материков был геосинклинальный. Он развивался циклично. В каждом последующем тектоническом цикле геосинклинальные прогибы обычно мигрировали на другие, менее консолидированные участки материковой коры. Происходило также заложение новых геосинклинальных прогибов на океанической коре переходных областей от материка к океану.
Современное состояние Земли характеризуется высокой тектонической активностью. Правда, по сравнению с ранней историей и археем, когда в огромных масштабах происходило расплавление вещества недр, современный вулканизм имеет меньший масштаб. Тем не менее он активно проявляется во всех действующих геосинклиналях, а отчасти и на платформах. Весьма интенсивный вулканизм и магматизм в целом присущи и срединно-океаническим хребтам — их осевой, рифтовой зоне. Примером может служить вулканический район острова Исландия.
В отличие от вулканизма тектонические движения земной коры в новейшее время достигли своего апогея. Созданные неотектоническими движениями горные цепи — Гималаи, Каракорум, Анды, Кордильеры и другие — представляют собой наиболее мощные сооружения за всю геологическую историю.
Начиная с мезозоя большая тектоническая активность захватила и океаническую кору. В осевых зонах океанов образовались глубинные разломы типа рифтов, имеющих тенденцию к расширению. Возникли срединно-океанические хребты, образовавшие глобальную систему общей протяженностью более 60 тыс. км.
В настоящее время современную структуру земной коры материков рассматривают как результат действия геосинклинального процесса. Различие отдельных частей материковой коры определяется возрастом их консолидации, т. е. проявлением заключительной фазы геосинклинального развития. В таком аспекте построены все тектонические карты материков или их отдельных частей.
Последний из семи основных тектонических этапов развития земной коры называют мезо-кайнозойским, континентально-океаническим этапом, он охватывает 250 млн. лет. Это небольшой отрезок истории Земли, и особенность его в том, что наряду с продолжающимся геосинклинальным развитием материков, а отчасти и океана в движение пришла и литосфера океанических впадин.
Уровень солнечной активности (число активных областей и солнечных пятен, количество и мощность солнечных вспышек и т.д.) изменяется с периодом около 11 лет. Существуют также слабые колебания величины максимумов 11-летнего цикла с периодом около 90 лет. На Земле 11-летний цикл прослеживается на целом ряде явлений органической и неорганической природы (возмущения магнитного поля, полярные сияния, возмущения ионосферы, изменение скорости роста деревьев с периодом около 11 лет, установленным по чередованиям толщины годовых колец, и т.д.). На земные процессы оказывают также воздействие отдельные активные области на Солнце и происходящие в них кратковременные, но иногда очень мощные вспышки. Время существования отдельной магнитной области на Солнце может достигать одного года. Вызываемые этой областью возмущения в магнитосфере и верхней атмосфере Земли повторяются через 27 суток (с наблюдаемым с Земли периодом вращения Солнца). Наиболее мощные проявления солнечной активности - солнечный (хромосферные) вспышки происходят нерегулярно (чаще вблизи периодов максимальной активности), длительность их составляет 5-40 минут, редко несколько часов. Энергия хромосферной вспышки может достигать 1025 джоулей, из выделяющейся при вспышке энергии лишь 1-10% приходится на электромагнитное излучение в оптическом диапазоне.
Постоянство энергии, получаемой Землёй от Солнца, обеспечивает стационарность теплового баланса Земли. Солнечная активность существенно не сказывается не энергетике Земли как планеты, но отдельные компоненты излучения хромосферных вспышек могут оказывать значительное влияние на многие физические, биофизические и биохимические процессы на Земле.
Коротковолновое излучение и солнечные космические лучи (в высоких широтах) ионизируют земную атмосферу, что приводит к колебаниям её прозрачности в ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах, а также к изменениям условий распространения коротких радиоволн (в ряде случаев наблюдаются нарушения коротковолновой радиосвязи).
Усиление солнечного ветра, вызванное вспышкой, приводит к сжатию магнитосферы Земли с солнечной стороны, усилению токов на её внешней границе, частичному проникновению частиц солнечного ветра в глубь магнитосферы, пополнению частицами высоких энергий радиационных поясов Земли и т.д. Эти процессы сопровождаются колебаниями напряжённости геомагнитного поля (магнитной бурей), полярными сияниями и другими геофизическими явлениями, отражающими общее возмущение магнитного поля Земли. Так, была установлена корреляция между 11-летним циклом солнечной активности и землетрясениями, урожаями сельхозкультур, числом сердечно-сосудистых заболеваний и т.д. Эти данные указывают на постоянное действие солнечно-земных связей.
Сравнение физических характеристик планет внутренней (земной) группы Солнечной системы позволило выявить ряд общих закономерностей их происхождения и последующей эволюции. В раннюю историю своего существования все планеты пережили три общие для них фазы развития: 1 — фазу аккреции; 2 — фазу расплавления внешней сферы (а возможно, и недр) и 3 — «лунную фазу» (стадию первичной коры). Совокупность этих фаз составляет раннюю историю планет. В раннюю историю Земля в своем развитии не отличалась от других планет.
К числу общих закономерностей развития планет земной группы относятся следующие.
1. Все планеты произошли из единого протопланетного газопылевого облака (туманности) в результате его конденсации и аккреции образовывающихся сгустков материала и рассеянного вещества. Более крупные скопления росли быстрее за счет присоединения к себе меньших агрегатов и рассеянного материала и превращались в зародыши планет — планетезимали.
2. В конце стадии аккреции, т. е. приблизительно 4,5 млрд. лет назад, под влиянием быстрого накопления тепловой энергии за счет трансформированной метеоритной кинетической энергии внешняя оболочка планет претерпела полное расплавление.
3. В результате последующего остывания внешних слоев литосферы образовалась кора. В ее состав вошли более легкие компоненты основной магмы. Более тяжелые благодаря гравитационной дифференциации сконцентрировались ниже коры, образовав мантию планет. На этот же период приходится расплавление и центральной области планет за счет накопления радиогенной и гравитационной энергии. Таким образом, на раннем этапе существования планет произошла дифференциация их вещества на ядро, мантию и кору.
4. В отличие от «сухих» планет — Луны, Меркурия, Марса и Венеры (на Земле в обилии имеется жидкая вода) Землю вполне можно назвать океанической планетой. Важно, что вся ее масса находится в активном глобальном круговороте.
5. С циркуляцией воды во внешней области Земли связано функционирование на нашей планете мощного комплекса экзогенных процессов, оказывающих огромное влияние на другие компоненты — литосферу, органический мир, вовлечение их в глобальные круговороты.
6. В своей совокупности частные компонентные круговороты образуют на Земле общий, глобальный климатический круговорот вещества и энергии, который формирует природную среду или географическую оболочку и обеспечивает ее функционирование.
7. Благодаря стечению ряда благоприятных обстоятельств (наличию жидкой воды, умеренному стабильному тепловому режиму) на Земле возникла и развилась жизнь, появился и быстро эволюционировал человек. Он является не только компонентом природы, но и могучим фактором ее преобразования.
1. Камшилов М.М. Эволюция биосферы. – М., 1999.
2. Криволуцкий А.В. Голубая планета: (Земля среди планет. Географический аспект). – М., 1998.
3. Монин А.С. Популярная история Земли. – М., 1997.
4. Ранняя история Земли. – М., 1998.
5. Солнечная система. – М., 2000.
6. Шкловский И.С. Вселенная, жизнь, разум. – М., 1980.
|
