Походження Всесвіту

Рельєфи поверхні Землі і двох найближчих до неї планет істотно різні, що пояснюється, перш за все, відмінностями вулканічних і геологічних процесів на кожній з них. Вважають, що тектонічна активність може служити мірилом рівня життєздатності планети в цілому. Скорочення, а тим більше припинення такої діяльності розглядається як ознака вмирання планети, завершення циклу її еволюційного розвитку. Адже суть такого розвитку – активний обмін речовиною і енергією між надрами і поверхнею планети, в ході якої формуються і підтримуються атмосфера, гідросфера і пануючі типи рельєфу поверхні. З припиненням тектонічної діяльності планета перетворюється на мертве небесне тіло, на якому переважають процеси деградації.

На Землі тектонічні процеси активно протікають і в наші дні, її геологічна історія далека від завершення. Палеонтологи затверджують, що в епоху ранньої молодості Землі її тектонічна активність була ще вище. Сучасний рельєф планети склався і продовжує видозмінюватися під впливом сумісної дії на її поверхні тектонічних, гідросферних, атмосферних і біологічних процесів. На інших планетах таке поєднання чинників відсутнє.

Рельєф земної поверхні в цілому характеризується глобальною асиметрією двох півкуль (північного і південного): одне з них є гігантським простором, заповненим водою. Це океани, що займають більше 70% всієї поверхні. В іншій півкулі зосереджені підняття кори, створюючи континенти. Океанічна і континентальна різновиду кори розрізняються і по віку, і по хіміко-геологічному складу. Рельєф океанічного дна відмінний від континентального рельєфу.

Систематичні дослідження морського і океанічного дна стали можливі лише в саме останнім часом. Вони вже привели до нового розуміння глобального характеру тектонічних процесів, що відбуваються на Землі. Середня глибина світового океану близька до 4 км, окремі западини досягають в три рази більшої глибини, а окремі конуси значно підносяться над поверхнею води. Головна визначна пам'ятка океанічного рельєфу – глобальна система серединних хребтів, що пнулася на десятки тисяч кілометрів. Уздовж їх центральних частин протягнулися розломи, так звані рифтові зони, через які з мантії на поверхню виходять свіжі маси речовини. Вони розсовують океанічну кору, формуючи її в процесі безперервного оновлення. Вік океанічної кори не перевищує 150 млн. років. Інша характерна особливість процесу – існування зон субдукції, де океанічна кора занурюється під одну з острівних дуг (наприклад, під курильську, Маріанськую та ін.) або під край континенту. Зони субдукції характеризуються підвищеною сейсмічною і вулканічною діяльністю.

Рельєф континентальної частини планети більш різноманітний: рівнини, піднесеності, плато, гірські хребти і величезні гірські системи. Окремі ділянки суші лежать нижче за рівень океану (наприклад, район Мертвого моря), окремі гірські вершини підняті над його рівнем на 8-9 км. Згідно сучасним переконанням, континентальна кора разом з підстилаючими шарами мантії утворює систему літосферних континентальних плит. На відміну від літосфери океанів континентальні плити мають дуже стародавнє походження, їх вік оцінюється в 2,5-3,8 млрд. років. Товщина центральної частини деяких континентальних плит досягає 250 км.

На межах літосферних плит, званих геосинкліналіями, відбувається або стиснення, або розтягування кори, що залежить від напряму місцевого горизонтального зсуву плит.

Попередні підсумки порівняльного зіставлення Землі, Венери і марса можна сформулювати так:

ні на Венері, ні на марсі немає навіть найпростіших форм життя. Залишається відкритим питання про можливе існування якихось форм життя на марсі у віддаленому минулому.

тільки на Землі існує могутня гідросфера, що сформувалася одночасно з планетою. На марсі у минулому імовірно існував різновид гідросфери, на Венері її швидше за все ніколи не було.

в сучасну епоху тільки Земля залишається "живою" планетою, геологічний розвиток якої продовжується і проявляє себе, зокрема, в активній тектонічній діяльності. Марс і Венера у минулому пройшли через період бурхливої сейсмічної і вулканічної активності, але на марсі вона припинилася декілька стільників мільйонів років, а на Венері – більше мільярда років тому. Обидві ці планети, швидше за все, завершують або вже завершили цикл свого еволюційного розвитку.

Численні ознаки говорять про те, що процеси в надрах землі протікали і продовжують протікати інакше, ніж у Венери і марса. На це указують такі чинники, як існування континентальної кори з гранітними породами, явно виражені літосферні плити з їх переміщеннями під дією глибинних процесів, існування у Землі щодо могутнього магнітного поля.

Успіхи науки і техніки зробили доступним пряме вивчення планет Сонячної системи, відкривши принципово нові можливості для порівняльного пізнання нашої власної планети. Тим самим відкрита нова сторінка в збагненні навколишнього нас світу, але на ній поки записані лише перші рядки. Все ще залишається невирішеним питання: що виділило Землю серед сімейства планет одного з нею типу так, що вона змогла стати обителлю життя? Пошук відповіді на це питання може проходити тільки на шляхах руху від приватного до загального, від планети Земля з існуючим на ній життям до усвідомлення космічної природи життя – цієї найважливішої ланки самоорганізації речовини в процесі розвитку матерії.

Будова Землі

Численні науки про Землю і її складові частини в недавньому минулому розвивалися фактично незалежно один від одного. Тепер з'явилася усвідомлена необхідність розглядати планету як єдину систему, як цільне природне тіло, якому властиві свої внутрішні закони розвитку. Швидкому упровадженню такого уявлення в свідомість людей сприяла видатна подія нашого часу – вихід людини в ближній космос. Це дозволило вперше поглянути на Землю ззовні, побачити її відразу всю цілком, наочно переконатися в загальнопланетних масштабах більшості атмосферних і поверхневих явищ, в тісному взаємозв'язку всіх зовнішніх земних сфер – суші, води, повітря і біосфери. Картина виявилася вражаючою.

Сукупність складаються на основі солідної матеріальної бази, у вигляді накопичених фактів, уявлень вимагає розглядати нашу планету не тільки як єдине природне тіло, але і як систему, розвиток якої ініціюється протиборством двох фундаментальних природних тенденцій – прагненням до руйнування впорядкованості і прагненням до утворення все більш впорядкованих систем, що самоорганізовується.

Більшість приватних наук про Землю складає науки про її поверхню, включаючи атмосферу. Кольська надглибока свердловина - на сьогоднішній день найглибша на Землі –12-15 км. З глибин приблизно до 200 км різними шляхами виноситься назовні речовина надр і виявляється доступним для дослідників. Відомості про більш глибокі шари здобуваються непрямими методами – заснованими на реєстрації характеру проходження сейсмічних хвиль різних типів через земні надра. Інша група методів грунтується на допущеннях про структуру і склад протопланетного хмари і на гіпотетичних припущеннях про процес формування в ньому планет. Виходячи їх цього, речовину метеоритів розглядають як реліктові залишки минулого, що відображають склад і структуру речовини протопланетного хмари в зоні формування планет земної групи. На цій основі робляться висновки про збіг речовини метеоритів певного типу з речовиною тих або інших шарів земних глибин. Речовина метеоритів час від часу випадає з космосу на Землю, і воно доступне прямому вивченню. Проте, висновки про склад земних надр, що спираються на дані про хіміко-мінералогічний склад випадаючих на Землю метеоритів, не вважаються надійними.

Зондування надр Землі сейсмічними хвилями дозволило встановити їх оболонкову будову і диференційовану хімічного складу. Розрізняють три головні концентрично розташовані області: ядро, мантія і кора. Ядро і мантія у свою чергу підрозділяються на додаткові оболонки, що розрізняються физико-хімічними властивостями. Ядро займає центральну область земного геоїда і розділяється на дві частини. Внутрішнє ядро знаходиться в твердому стані, воно оточено зовнішнім ядром, перебуваючому в рідкій фазі. Між внутрішнім і зовнішнім ядрами немає чіткої межі, їх розділяє перехідна зона. Про хімічний склад ядра судять по густині речовини в ньому і на підставі припущення, що склад ядра ідентичний складу залізних метеоритів. Тому внутрішнє ядро вважають тим, що складається із заліза (80%) і нікелю (20%). Відповідний сплав при тиску земних надр має температуру плавлення порядка 4 5000С. Згідно тим же уявленням, зовнішнє ядро містить залізо (52%) і евтектику (рідка суміш твердих речовин), утворювану залізом і сіркою (48%). Не виключається невелика домішка нікелю. Температура плавлення такої суміші оцінюється приблизно 32000С. Щоб внутрішнє ядро залишалося твердим, а зовнішнє рідким, температура в центрі землі не повинна перевищувати 4 5000С, але і не бути нижче 32000С. Є і інші оцінки температури в центрі Землі, що дещо розходяться з приведеними і носячи гаданий характер.

З рідким станом зовнішнього ядра пов'язують уявлення про природу земного магнетизму. Магнітне поле Землі мінливе, з року в рік міняється положення магнітних полюсів. палеомагнітні дослідження характеру магнітного поля планети у далекому минулому, засновані на вимірюваннях залишкової намагніченості земних порід, показали, що, наприклад, протягом останніх 80 млн. років мало місце не тільки зміна напруженості поля, але і багатократне систематичне перемагнічування, в результаті якого північний і південний магнітні полюси мінялися місцями. В періоди зміни полярності наступали моменти повного зникнення магнітного поля. Отже, земний магнетизм не може створюватися постійним магнітом за рахунок стаціонарної намагніченості ядра або якоїсь його частини. Припускають, що магнітне поле створюється процесом, названим ефектом динамо-машини з самозбудженням. Роль ротора (рухомого елемента) динамо може грати маса рідкого ядра, що переміщається при обертанні Землі навкруги своєї осі, а система збудження утворюється струмами, що створюють замкнуті петлі усередині сфери ядра.

Густина і хімічний склад мантії, за даними сейсмічних хвиль, різко відрізняються від відповідних характеристик ядра. Мантію утворюють різні силікати (з'єднання, в основі яких кремній). Передбачається, що склад нижньої мантії подібний складу кам'яних метеоритів, хондритів.

Верхня мантія безпосередньо пов'язана з самим зовнішнім шаром – корою. Вона вважається кухнею, де готуються багато складаючих кору порід і їх напівфабрикати. Вважають, що верхня мантія складається з оливина (60%), піроксена (30%) і польового шпату (10%). В певних зонах цього шару відбувається часткове плавлення мінералів, і утворюються лужні базальти – основа океанічної кори. Через рифтові розломи середньоокеанічних хребтів базальти поступають з мантії на поверхню Землі. Але цим не обмежується взаємодія кори і мантії. Крихка кора, що має високий степінь жорсткості, разом з частиною підстилаючої мантії утворює особливий шар завтовшки близько 100 км, званий літосферою. Цей шар спирається на верхню мантію, густина якої помітно вище. Верхня мантія володіє особливістю, що визначає характер її взаємодії з літосферою: по відношенню до короткочасних навантажень вона поводиться як жорсткий матеріал, а по відношенню до тривалих навантажень – як пластичний. Літосфера створює постійне навантаження на верхню мантію і під її тиском підстилаючий шар, званий астеносферою, проявляє пластичні властивості, літосфера "плаває" в ньому. Такий ефект називають ізостазією.

Астеносфера у свою чергу спирається на більш глибокі шари мантії, густина і в'язкість яких зростають з глибиною. Причина цього – здавлення порід, що викликає структурну перебудову деяких хімічних з'єднань. Силікати, складові такій модифікації кремнію, мають дуже компактну структуру, вони переважають в нижній мантії. В цілому ж літосфера, астеносфера і решта мантії можуть розглядатися як тришарова система, кожна з частин якої рухома щодо інших компонентів. Особливою рухливістю відрізняється легка літосфера, що спирається на не дуже в'язку і пластичну астеносферу.

Земна кора, що створює верхню частину літосфери, в основному складається з восьми хімічних елементів: кисень, кремній, алюміній, залізо, кальцій, магній, натрій і калій. Половина всієї маси кори доводиться на кисень, який міститься в ній в зв'язаних станах, в основному у вигляді оксидів металів. Геологічні особливості кори визначаються сумісними діями на неї атмосфери, гідросфери і біосфери – цих трьох самих зовнішніх оболонок планети. Склад кори і зовнішніх оболонок безперервно обновляється, що ілюструватимуться такі дані. Завдяки вивітрюванню і зносу речовина континентальної поверхні повністю обновляється за 80-100 млн. років. Спад речовини континентів заповнюється віковими піднятими їх корами. Життєдіяльність бактерій, рослин і тварин супроводжується повною зміною вуглекислоти, що міститься в атмосфері, за 6-7 років, кисню – за 4000 років. Вся маса води гідросфери (1,4*1018 т) цілком обновляється за 10 млн. років. Ще більш фундаментальний круговорот речовини поверхні планети протікає в процесах, що зв'язують всі внутрішні оболонки в єдину систему.

Існують стаціонарні вертикальні потоки, звані мантійними струменями, вони підіймаються з нижньої мантії у верхню і доставляють туди більш гарячу речовину. До явищ тієї ж природи відносять всередині плитові "гарячі поля", з яким, зокрема, пов'язують найкрупніші аномалії у формі земного геоїда. В таких місцях спостерігаються підняття поверхні океану на 50-70 м від строгої лінії геоїда. Отже спосіб життя земних надр надзвичайно складний. Відхилення від мобілистських положень не підривають ідею тектонічних плит і горизонтальних їх рухів. Але не виключено, що в недалекому майбутньому з'явиться більш загальна теорія планети, що враховує горизонтальні рухи плит і незамкнуті вертикальні перенесення гарячої речовини в мантії.

Самі верхні оболонки Землі – гідросфера і атмосфера – помітно відрізняються від інших оболонок, створюючих тверде тіло планети. По масі це зовсім незначна частина земної кулі, не більш 0,025% всієї його маси. Але значення цих оболонок в житті планети величезне. Гідросфера і атмосфера виникли на ранній стадії формування планети, а може бути, одночасно з її формуванням. Немає сумнівів, що океан і атмосфера існували 3,8 млрд. років тому.

Утворення Землі йшло в руслі єдиного процесу, що викликав хімічну диференціацію надр і виникнення попередників сучасних гідросфери і атмосфери. Спочатку із зерен важких нелетких речовин оформилося протоядро Землі, потім воно дуже швидко приєднало речовину, що стала згодом мантією. А коли Земля досягла приблизно розмірів марса, почався період її бомбардування планетозималіями. Удари супроводжувалися сильним локальним розігріванням і плавленням земних порід і планетозималій. При цьому виділялися гази і пари води, що містилися в породах. А оскільки середня температура поверхні планети залишалася низкою, пари води конденсувалися, утворюючи гідросферу, що росте. В цих зіткненнях Земля втрачала водень і гелій, але зберігала важчі гази. Вміст ізотопів інертних газів в сучасній атмосфері дозволяє судити про джерело, їх породжувач. Це ізотопний склад узгоджується з гіпотезою про ударне походження газів і води, але суперечить гіпотезі про процес поступової дегазації земних надр як джерелі утворення гідросфери і атмосфери. Океан і атмосфера, безумовно, існували не тільки протягом всієї історії Землі як планети, що сформувалася, але і протягом основної фази аккреції, коли протоземля мала розміри марса.

Ідея ударної дегазації, що розглядається як основний механізм утворення гідросфери і атмосфери, одержує все більше визнання. Лабораторними експериментами підтверджувалася здатність ударних процесів виділяти із земних порід помітні кількості газів, у тому числі і молекулярного кисню. А це означає, що деяка кількість кисню була присутня в атмосфері Землі ще до того, як виникла на ній біосфера. Ідеї абіогенного походження деякої частини атмосферного кисню висувалися і іншими ученими.

Висновок

Обидві зовнішні оболонки - гідросфера і атмосфера – щільно взаємодіють один з одним і з рештою оболонок Землі, особливо з літосферою. На них надають пряму дію Сонце і Космос. Кожна з цих оболонок є відкритою системою, що володіє певною автономією і своїми внутрішніми законами розвитку. Всі, хто вивчає повітряний або водний океани, переконано, що об'єкти дослідження знаходять дивну тонкість організації, здатність до саме регуляції. Але при цьому жодна із земних систем не випадає із загального ансамблю, і їх сумісне існування демонструє не просто суму частин, а нову якість.

Серед співтовариства оболонок Землі особливе місце займає біосфера. Вона захоплює верхній шар літосфери, майже всю гідросферу і нижні шари атмосфери. Термін "біосфера" ввів в науку в 1875 р. австрійський геолог Э. Зюсс (1831-1914). Під біосферою розумілася сукупність заселяючої поверхню планети живої матерії разом з середовищем незаселеного. Нове значення цьому поняттю додало В.І. Вернадський, розглядаючий біосферу як системну освіту, як геологічну оболонку Землі. Значущість цієї системи виходить за межі чисто земного світу, вона є ланкою космічного масштабу.