Геологическая эволюция
Земля как планета, ее отличия от др планет земной группы.
Сравнительно недавно - только в 16 веке - Николай Коперник установил, что наша Земля - это третья планета от Солнца. Эксцентриситет ее орбиты мал. Время оборота вокруг оси принято считать сутками, состоящими из 24 часов, а время оборота вокруг солнца называется годом, который состоит из 365,2422 суток. Во время полного оборота вокруг Солнца Земля совершает не целое число оборотов вокруг своей оси, поэтому для счета времени приходится вводить календарные годы состоящие из целого числа суток по 365 или по 366 дней. Земля имеет единственный, но очень крупный спутник - Луну.
Планеты земной группы весьма похожи друг на друга - они имеют схожее строение, небольшие размеры и массы. Орбиты этих планет расположены достаточно компактно вблизи от Солнца, а сами планеты имеют малое количество естественных спутников (Земля - 1, Марс - 2) или не имеют их вовсе (Меркурий и Венера). Планеты земной группы имеют высокую плотность, в несколько раз превышающую плотность воды. Самая большая из планет земной группы, Земля, по массе меньше наименее массивной планеты-гиганта Урана в 14 раз, однако, при этом превосходит наиболее массивный объект пояса Койпера в 500 раз
Строение планет земной группы:
-в центре находится ядро, состоящее преимущественно из железа и никеля
-мантия, состоящая из соединений кремния
-кора, образовавшаяся в результате плавления мантии.
Земля - это единственная планета, имеющая океаны из воды и материки.
Также к уникальным особенностям Земли можно отнести соотношение видимых размеров Солнца и естественного спутника, Луны - они составляют пол градуса. Атмосфера Земли состоит в основном из азота и кислорода. Благодаря наличию воды, "правильному" составу атмосферы и благоприятным климатическим условиям на Земле смогла зародиться жизнь.
Магнитное поле Земли, его структура и роль для жизни на планете
Магнитосфера Земли
Существование постоянного плазменного потока, исходящего от Солнца и называемого солнечным ветром, доказано экспериментально, и полость, в которой заключено магнитное поле, называется магнитосферой.
Она лежит выше области ионосферы. Эта наиболее обширная из всех сфер Земли, хотя количество вещества ее не составляет и сотой доли процента от количества нижележащих областей. Ее внешняя граница определяется тем условием, чтобы величина магнитного поля Земли превышала некоторою постоянную величину – постоянное значение межпланетного магнитного поля. Магнитосфера не есть сфера, это сложное пространственное образование, не симметричное относительно Земли. Со стороны Солнца магнитосфера поджата давлением солнечного ветра и отстоит от поверхности Земли на 10 -12 градусов, а с ночной стороны она вытянута, образуя так называемый магнитный хвост Земли. Последний очень протяжен, и пока точно не установлено, где он кончается. Во всяком случае на расстояниях орбиты Луны он еще зафиксирован космическими аппаратами. Под давлением солнечного ветра магнитные силовые линии, выходящие из областей Северного и Южного полюсов, сносятся с дневной на ночную сторону Земли, образуя упомянутый магнитный хвост, который состоит из двух силовых трубок, соответствующим двум полярным шапкам и разделенных плоским нейтральным слоем с напряженностью магнитного поля около нуля.
Нейтральный слой, "щели" или "каспы", которые разделяют силовые линии дневной стороны и хвоста, представляет особый интерес для нас, т.к. именно эти щели собирают горячую плазму солнечного ветра, вызывая разнообразный спектр ответной реакции земной атмосферы. Во всех других местах земная магнитная броня надежно защищает Землю, и возможно лишь слабое "просачивание" за счет диффузии частиц солнечной плазмы.
Магнитное поле Земли похоже на поле однородной намагниченной сферы с магнитной осью, наклоненной на 11,5° к оси вращения Земли. Южный магнитный полюс Земли, к которому притягивается северный конец стрелки компаса, не совпадает с Северным географическим полюсом, а находится в пункте с координатами приблизительно 76° северной широты и 101° западной долготы. Северный магнитный полюс Земли расположен в Антарктиде. Напряженность магнитного поля на полюсах составляет 0,63 Э, на экваторе – 0,31 Э.
Открытое в 1905 году изменение магнитного поля привело к заключению, что оно зарождается в жидком внешнем ядре планеты. Сравнительно быстрые движения могут происходить там без катастрофических последствий.
В идеальном и гипотетическом предположении, в котором Земля была бы одинока в космическом пространстве, силовые линии магнитного поля планеты располагались бы таким же образом, как и силовые линии обычного магнита из школьного учебника физики, т.е. в виде симметричных дуг протянувшихся от южного магнитного полюса к северному. Плотность линий (напряженность магнитного поля) падала бы с удалением от планеты. На деле, магнитное поле Земли находится во взаимодействии с магнитными полями Солнца, планет и потоков заряженных частиц, испускаемых в изобилии Солнцем. Если влиянием самого Солнца и тем более планет из-за удаленности можно пренебречь, то с потоками частиц, иначе - солнечным ветром, так не поступишь. Солнечный ветер представляет собою потоки мчащихся со скоростью около 500 км/с частиц, испускаемых солнечной атмосферой. Такие потоки порождают сильное магнитное поле, которое и взаимодействует с полем Земли, сильно деформируя его, как это представлено на рисунке. Благодаря своему магнитному полю, Земля удерживает в так называемых радиационных поясах захваченные частицы солнечного ветра, не позволяя им проходить в атмосферу Земли и тем более к поверхности. Частицы солнечного ветра были бы очень вредны для всего живого. При взаимодействии упоминавшихся полей образуется граница (очерченная область в зеленых тонах), по одну сторону которой находится возмущенное (подвергшееся изменениям из-за внешних влияний) магнитное поле частиц солнечного ветра, по другую - возмущенное поле Земли. Эту границу стоит рассматривать как предел околоземного пространства, границу магнитосферы и атмосферы. Вне этой границы преобладает влияние внешних магнитных полей. В направлении к Солнцу магнитосфера Земли сплюснута под натиском солнечного ветра и простирается всего до 10 радиусов планеты. В противоположном направлении имеет место вытянутость до 1 000 радиусов Земли.
Силовые линии магнитного поля Земли образуют своеобразные ловушки для движущихся к ней потоков частиц солнечного ветра. Задержанные магнитным полем частицы образуют радиационные пояса.
Резкие изменения магнитного поля Земли называются магнитными бурями. Магнитные бури часто начинаются через сутки или двое после хромосферных вспышек на Солнце; они вызываются потоками частиц, движущихся с большими скоростями от Солнца. Заряженные частицы, скользя вдоль силовых магнитных линий Земли, могут проникнуть в атмосферу. Сталкиваясь с атомами атмосферы, они вызывают особое свечение, называемое полярным сиянием.
Внутреннее строение и история геологического развития Земли.
Геологическое время началось с момента происхождения Земли 4,6 млрд. лет назад, включает период формирования земной коры и протоокеана и заканчивается с широким распространением высокоорганизованных организмов с хорошо развитым наружным скелетом. Живая материя, помимо других веществ, построена из белков. Поэтому к моменту происхождения жизни температура на земной поверхности должна была упасть настолько, чтобы белки не разрушались. Известно, что ныне температурная граница существования живой материи лежит у 90 С. При этой высокой температуре уже могут образовываться определенные органические соединения, необходимые для образования живой материи, прежде всего белки.
На начальных этапах своей истории Земля представляла собой раскаленную планету. Вследствие вращения при постепенном снижении температуры атомы тяжелых элементов перемещались к центру, а в поверхностных слоях концентрировались атомы легких элементов (водорода, углерода, кислорода, азота), из которых и состоят тела живых организмов. При дальнейшем охлаждении Земли появились химические соединения: вода, метан, углекислый газ, аммиак, цианистый водород, а также молекулярный водород, кислород, азот. Физические и химические свойства воды (высокий дипольный момент, вязкость, теплоемкость и т. д.) и углерода (трудность образования окислов, способность к восстановлению и образованию линейных соединений) определили то, что именно они оказались у колыбели жизни.
Эволюция географической оболочки Земли.
Современное состояние географической оболочки — результат ее длительной эволюции, начавшейся с возникновения планеты Земля.
Характер эволюции космического объекта зависит от его первоначальной массы. Особенности термодинамики объектов в массе менее 1030 г определяют планетный тип эволюции протовещества, для которого характерно развитие термохимических реакций взаимодействия дигитритов и пероксидов металлов:
MeH2 + MeO2 = Me + MeO + H2O + Q.
В результате термохимических реакций, идущих в зоне внешнего ядра Земли, образуются металлы, их окислы, летучие вещества и вода. Легкие продукты реакций и избытки тепла диффундируют под подошву каменной оболочки — перисферы. Из-за более низкой теплопроводности последней они не сразу прорвутся на поверхность планеты, а, скапливаясь под подошвой перисферы, формируют зону вторичного разогрева верхней мантии — астеносферу. Периодическая разгрузка астеносферы от избытков магматического материала, летучих и тепла в результате вулканизма сопровождается формированием в ней разуплотненного пространства. Вышележащая каменная оболочка перисферы, следуя уменьшающемуся объему, пассивно проседает над этими областями, образуя отрицательные формы рельефа на поверхности Земли. Области, где такого проседания не происходит, сохраняются в виде остаточных возвышенностей.
Сокращение поверхности Земли вследствие уменьшения ее объема и прогрессирующего уменьшения радиуса ведет к увеличению контрастности и глубины расчлененности рельефа твердой перисферы. Следовательно, размах амплитуды дифференцированности рельефа планеты прямо пропорционален ее возрасту и внутренеей активности и обратно пропорционален экзогенному фактору, характеризующему интенсивность разрушения рельефа, что в конечном итоге определяется наличием или отсутствием свободной воды на поверхности планеты. Океанические впадины и континентальные блоки — это наивысшие гармоники контракции, образовавшиеся в хода глобального сжатия сферы, каменная оболочка которой — перисфера, — проседая над разуплотненными пространствами астеносферы, пассивно приспосабливается к уменьшающемуся объему шара. Впадины и возвышенности в пределах этих главных геотекстур — гармоники сжатия более высокого порядка, наложившиеся в более поздние этапы развития Земли в ходе ее конракции.
Когда наша планета покрылась твердой корой — литосферой — она первоначально не имела никакой влаги на своей поверхности, потому что даже если бы и выпали атмосферные осадки на раскаленные горные породы, то мгновенно бы испарилась. Только с течением времени, когда уже совершенно остыла земная кора, водяные пары атмосферы, непроницаемые для лучей солнца, мощным слоем окружили землю, тогда стали выпадать осадки и образовались океанические бассейны.
Эта длительная эра земли и в геологии называется архейской, т.е. первоначальной, когда не было еще на земле никакой органической жизни, и только могучие силы огненной магмы, скрытой под отвердевшей корой, производили свои вулканические действия. Так называемая кора проплавлялась, и из трещин в литосфере изливались магматические расплавленные горные породы, которые покрывали собой колоссальные пространства.
Поднималась и опускалась литосфера, движимая внутренней клокочущей силой, земная кора “дышала”, отступала и наступали океаны на континенты, затопляя огромные части суши, размывались горные породы, перемывались морскими прибоями, кора цементировалась и вновь размывалась, смешиваясь с другими породами. Таким образом создавались пласты земной коры, так называемые осадочные отложения, песчаники, глинистые сланцы и другие, а позже, когда в воде появились разнообразные ракушки, то скопления их образовало пласты известняка.
Материки, плавающие на жидкой магме, надвигались друг на друга и образовывались величайшие горные хребты. Те пласты, которые были дном морей и океанов, поднимались в процессе горообразования и становились вершинами гор. Земная кора трескалась, и из трещин извергалась магма.
Описываемые геологические процессы длились в течение всей жизни земли, практически до появления человека, т.е. до конца ледникового периода, когда земля успокоилась, береговые очертания континентов устоялись, прекратились горообразующие процессы. Происходящие кое-где ничтожные изменения, такие, как появление маленьких островов или их исчезновение, так же медленный процесс поднятия Скандинавского полуострова являются остатками былых грандиозных изменений в жизни нашей земли.
Гранит — основная масса литосферы, продукт остывания магмы, является основной материнской горной породой земли.
Тысячи раз 9/10 территории современных континентов становились то сушей, то дном океанов и эпиконтинентальных морей, в течение многих миллионов лет накоплялись мощные пласты многообразных осадочных пород, значительная часть которых сотни раз вновь размывалась и переотлагалась в различных комбинациях.
Разрывы земных пластов настолько мощны, что одни каменноугольные отложения составляли бы в толщину в 40 км пластов, лежащих один на другом.
И только лишь в некоторых местах земного шара остались массивы, которые ни разу не покрывались водами, на них сохранились те горные породы, которые никогда во все время существования земли не размывались морями, не переотлагались в пласт — это гранитные массивы финляндского “щита” и некоторые другие.
Вода — главнейший итог эволюции протовещества. Ее постепенное (до рубежа между мезозойской и кайнозойской эрами) накопление на поверхности планеты сопровождалось вулканизмом и разноамплитудными нисходящими движениями периферии. Это в свою очередь определило ход эволюции газовой оболочки, рельефа, соотношение площади и конфигурации суши и моря, а с ними и условий седиментации, климата и жизни. Иными словами, вырабатываемая планетой и выносимая на поверхность свободная вода, по существу, обусловила ход эволюции географической оболочки. Без нее облик Земли, ее ландшафты, климат, органический мир были бы совершенно иными. Прообраз Земли легко угадывается на безводной и безжизненной поверхности Венеры, отчасти Луны и Марса.
Рубеж мезозоя и кайнозоя характеризуется ускорением выноса свободной воды на поверхность Земли в результате спонтанной дегидратации протовещества (Орленок, 1983, 1985). Внешним проявлением этого процесса явилась океанизация Земли. Это общепланетарный процесс, включающий дегидратацию, массовый вулканизм и опускание обширных сегментов. Стадия океанизации наступает в финале эволюции протопланетарного вещества, а общая длительность этого процесса в условиях Земли определяется в 140-160 млн. лет.
В ходе океанизации происходит формирование континентальных массивов, постепенное увеличение контрастности их рельефа. Скорость и объемы перемещения протовещества из астеносферы на поверхность Земли и последующая их дезинтеграция и размыв в период океанизации, по-видимому, были значительно выше, чем в доокеаническую эпоху.
Для предшествовавших этапов эволюции были характерны лишь более или менее равномерно распределенные по земной поверхности мелководные морские бассейны. Это подтверждается преимущественно мелководным обликом осадков палеозоя и мезозоя в пределах континентальных блоков, отсутствием широтной дифференциации климата и относительно слабой расчлененности рельефа. В таких условиях темпы эволюции географической оболочки, включая накопление, перемещение, и денудацию выносимого из астеносферы материала, были по меньшей мере на порядок менее интенсивными, чем в эпоху океанизации.
Важнейшим показателем внутренней активности планеты и эволюции географической оболочки является гидросфера. Длительное время существовали представления о постоянстве ее объема или небольших и равномерных поступлений за геологическое время. Однаок количественные оценки эндогенных поступлений и фотолитических потерь земной гидросферы показали, что до рубежа мезозоя и кайнозоя скорость выноса свободной воды на опверхность Земли была на порядок ниже, чем в последние 70 млн. лет.
Современный Мировой океан содержит воды 1,6 1024 г. Общая масса вынесенной на земную поверхность воды оценивается величиной 4,2 1024 г. Часть воды поступила невулканическим путем (по глубинным разломам, сольфатарам, фумаролам, ювенильные воды). За последние 70 млн. лет темпы выноса воды возросли более чем на порядок и составили 2,2 1024 г. Таким образом, почти половина выработанной планетой воды поступила на земную поверхность за период океанизации, т.е. за последние 60 млн. лет.
Расчеты показывают, что Земля еще в состоянии произвести около полутора объема вод Мирового океана. При сохранении современных темпов это займет еще примерно 60-70 млн. лет, после чего ресурсы протовещества будут выработаны и поступление воды на поверхность полностью прекратится. При отрицательном балансе водных поступлений и современных темпах фотолиза планета может полностью потерять водную оболочку через 25-30 млн. лет.
Каковы прогнозы на более близкую перспективу?
При наблюдаемых темпах поступления эндогенной воды 0,6 мм в 1000 лет через 10 тыс. лет уровень океана поднимется на 6 м. Это неизбежно будет сопровождаться ускорением таяния полярных ледников Гренландии и Антарктиды. Их исчезновение повысит уровень в ближайшее тысячелетие еще на 63 м, что приведет к затоплению всей низменной суши, треть которой лежит на отметке ниже 100 м. Через 100 тыс. лет уровень моря поднимется на 60 м и достигнет + 120-130 м.
Под водой окажутся все равнины земли. В дальнейшем подъем уровня воды замедлится, пока темпы фотооптических потерь не превысят темпы эндогенных поступлений. Согласно расчетам, максимум океанизации достигнет в ближайшую сотню тысяч лет, а затем начнется падение уровня океана. Таким образом, океанизиция — это финал эволюции планетарного вещества, а продолжительность его в условиях Земли составляет 120-140 млн. лет.
Газовая оболочка Земли формировалась за счет дегазации и вулканизма из зоны астеносферы. В связи с этим следовало ожидать, что ее состав будет близок составу глубинных газов, т.е. она должна содержать H2, CH4, NH3, H2S, CO2 и др. Вероятно, такой состав был в глубоком докембрии. С началом фотолиза паров выносимой воды в атмосфере образовались атомы водорода и свободный молекулярный кислород. Свободные атомы водорода поднимались в верхние зоны атмосферы и диссипировали в космос. Молекулы кислорода достаточно велики, чтобы диссипировать, поэтому, опускаясь в нижние зоны атмосферы, они становятся ее важнейшим компонентом. Постепенно накапливаясь, кислород положил начало химическим процессам в земной атмосфере. Благодаря химической активности кислорода в первичной атмосфере начались процессы окисления глубинных газов. Образовавшиеся пир этом окислы выпадали в осадок. При этом часть газов, в том числе и метана, осталась в коллекторах земной коры, дав начало глубинным залежам нефти и газа.
Фотолитическое образование кислорода атмосферы было основным процессом в начале эволюции Земли. По мере очищения от глубинных газов формировалась вторичная атмосфера на основе углекислоты и двуокиси азота, создавались условия для появления фотосинтезирующих сине-зеленых водорослей и бактерий. С их появлением процесс насыщения атмосферы кислородом значительно ускорился. При ассимиляции углекислоты зелеными растениями образовался кислород, а почвенными бактериями — азот.
По мере накопления свободной воды на поверхности Земли и появление многочисленных морских бассейнов происходит связывание CO2 атмосферы и химическое осаждение доломитов. Повсеместное интенсивное химическое доломитообразование, по Н.М. Страхову (1962), завершался в палеозое и замещался биогенным. Следовательно, в палеозое происходит постепенное уменьшение содержания CO2 в атмосфере и щелочного резерва в морских водах.
Неустойчивая вторичная атмосфера в конце палеозоя переходит в третичную, состоящую из смеси свободного азота и кислорода, причем количество кислорода продолжало накапливаться и в последующее время. Степень устойчивости этой современной атмосферы определяется массой планеты и характером ее взаимодействия с жестким солнечным излучением.
Таким образом, эволюция химического состава атмосферы происходила в тесной взаимосвязи с темпами накопления свободной воды на поверхности Земли и формированием морских седиментационных бассейнов. Вплоть до середины палеозоя (карбона), когда наземная растительность распространилась повсеместно, атмосферный кислород накапливался преимущественно фотолитическим путем. Начиная с карбона это процесс усилился за счет фотосинтеза.
Изменение органического мира мезозоя и кайнозоя, по-видимому, обусловлено в немалой степени “кислородизацией” атмосферы.
В ходе эволюции географическая оболочка осваивалась и насыщалась органическим веществом. Адаптируясь к изменяющимся условиям, биосфера прошла длинный путь от простейших одноклеточных до сложных многофункциональных органических систем, венцом которых около 50 тыс. лет назад стал homo sapiens. “Человек, как всякое живое вещетво, есть функция биосферы, — писал В.И. Вернадский, — а взрыв научной мысли в 20-м столетии был подготовлен всем прошлым земной биосферы”. Постепенная цивилизация человечества явилась не чем иным, как формой организации этой новой геологической силы на поверхности Земли.
Из проведенного анализа также видно, что современный баланс суши и моря оказывается величиной не постоянной. Становится также понятным, что зарождение и развитие земной цивилизации пришлось на лучшую пору эволюции географической оболочки в смысле сбалансированности суши и моря, климатических условий, органического мира и т.д. Однако уже в ближайшие столетия цивилизации придется вести трудную борьбу с наступлением океана, приспосабливаться к новым условиям существования. Многие страны Средиземноморья и Европы начиная с ХII века уже ведут эту борьбу, возводя дамбы и плотины на морском побережье и в устьях рек.
Будущее Земли в значительной мере зависит от ее внутренних ресурсов. А эти ресурсы, как мы видели, еще достаточно велики.
Итог
Земля как планета, ее отличия от других планет земной группы
Химический состав Земли
Магнитное поле Земли, его структура и роль для жизни на планете
Внутреннее строение Земли (ядро внутреннее и внешнее, мантия, земная кора), методы
исследования (сейсморазведка)
Формирование прото-Земли из планетезималей, её гравитационное сжатие, разогрев и начало дифференциации.
Эволюция земной коры: тектоника литосферных плит, её движущие силы
Возраст Земли, методы его оценки (радиометрия земных горных пород и метеоритов)
Возникновение океанов и атмосферы
Атмосфера Земли, ее структура (тропосфера, стратосфера, ионосфера) и химический состав