Земля: атмосфера и гидросфера

Современные концепции развития геосферных оболочек

Возникновение Земли

Теория Канта

Небулярная теория Лапласа

Современные теории

Движение Земли

Земля: атмосфера и гидросфера

История развития Земли

Возникновение Земли

Возраст Вселенной – один из самых базовых параметров астрономии. Согласно последним подсчетам он составляет примерно 13,7 млрд. лет.

По современным представлениям Солнце, планеты и все другие тела Солнечной системы образовались из единого газопылевого облака или туманности приблизительно 4,6 миллиарда лет назад.

Первые научные гипотезы относительно происхождения Земли и Солнечной системы, основанные на астрономических наблюдениях, были выдвинуты только лишь в XVIII веке.

Теория Канта (1755 г.)

Кант считал, что солнечная система возникла из некой первичной материи, до того свободно рассеянной в космосе. Частицы этой материи перемещались в различных направлениях и, сталкиваясь друг с другом, теряли скорость. Наиболее тяжелые и плотные из них под действием силы притяжения соединялись друг с другом, образуя центральный сгусток – Солнце, которое, в свою очередь, притягивало более удаленные, мелкие и легкие частицы.

Т. о. возникло некоторое количество вращающихся тел, траектории которых взаимно пересекались. Часть этих тел, первоначально двигавшихся в противоположных направлениях, в конечном счете были втянуты в единый поток и образовали кольца газообразной материи, расположенные приблизительно в одной плоскости и вращающиеся вокруг Солнца в одном направлении, не мешая друг другу. В отдельных кольцах образовывались более плотные ядра, к которым постепенно притягивались более легкие частицы, формируя шаровидные скопления материи, так складывались планеты, которые продолжали кружить вокруг Солнца в той же плоскости, что и первоначальные кольца газообразного вещества.

1.2. Небулярная теория Лапласа (1796 г.)

Лаплас полагал, что Солнце существовало первоначально в виде огромной раскаленной газообразной туманности (небулы) с незначительной плотностью, но зато колоссальных размеров. Эта туманность, согласно Лапласу, первоначально медленно вращалась в пространстве. Под влиянием сил гравитации туманность постепенно сжималась, причем скорость ее вращения увеличивалась. Возрастающая центробежная сила придавала туманности линзовидную форму.

В экваториальной плоскости туманности соотношение между притяжением и центробежной силой изменялось в пользу последней, так что в конечном счете масса вещества, скопившегося в экваториальной зоне туманности, отделилась от остального тела и образовала кольцо. От продолжавшей вращаться туманности последовательно отделялись все новые кольца, которые, конденсируясь в определенных точках, постепенно превращались в планеты и другие тела солнечной системы.

В общей сложности от первоначальной туманности отделилось десять колец, распавшихся на девять планет и пояс астероидов – мелких небесных тел. Спутники отдельных планет сложились из вещества вторичных колец, оторвавшихся от раскаленной газообразной массы планет. Вследствие продолжавшегося уплотнения материи температура новообразованных тел была исключительно высокой.

В то время и наша Земля, по П. Лапласу, представляла собой раскаленный газообразный шар, светившийся подобно звезде. Постепенно этот шар остывал, его материя переходила в жидкое состояние, а затем, по мере дальнейшего охлаждения, на его поверхности стала образовываться твердая кора. Эта кора была окутана тяжелыми атмосферными парами, из которых при остывании конденсировалась вода. Эти две теории взаимно дополняли друг друга, поэтому в литературе они часто упоминаются под общим названием как гипотеза Канта-Лапласа. Поскольку наука не располагала в то время более приемлемыми объяснениями, у этой теории было в XIX веке множество последователей.

1.3. Современные теории

Среди последующих космогонических теорий можно найти и теорию "катастроф", согласно которой наша Земля обязана своим образованием некоему вмешательству извне, например, близкой встрече Солнца с какой-то блуждающей звездой, вызвавшей извержение части солнечного вещества. В результате расширения раскаленная газообразная материя быстро остывала и уплотнялась, образуя большое количество маленьких твердых частиц, скопления которых были чем-то вроде зародышей планет.

Раньше считалось, что в эволюции Земли происходил непрерывный процесс отдачи тепла, то в новых теориях развитие Земли рассматривается как результат многих разнородных, порой противоположных процессов. Одновременно с понижением температуры и потерей энергии могли действовать и другие факторы, вызывающие выделение больших количеств энергии и компенсирующие таким образом убыль тепла.

Американский астроном Ф. Л. Уайпль предложил "теорией пылевого облака", которая по существу была видоизмененным вариантом небулярной теории Канта-Лапласа.

На новом уровне, вооруженные более совершенной техникой и более глубокими познаниями о химическом составе солнечной системы, астрономы вернулись к мысли о том, что Солнце и планеты возникли из обширной, но холодной туманности, состоящей из газа и пыли. Мощные телескопы обнаружили в межзвездном пространстве многочисленные газовые и пылевые "облака", из которых некоторые действительно конденсируются в новые звезды. В связи с этим первоначальная теория Канта-Лапласа была переработана с привлечением новейших данных.

Движение Земли

Доказательства шарообразности Земли черпались из наблюдений формы края земной тени на диске Луны во время лунных затмений, из наблюдений постепенного появления или исчезновения морских судов при их приближении или удалении от берега, из наблюдений изменения высоты Полярной звезды при переезде с севера на юг, из факта расширения горизонта по мере подъема вверх.

Идея шарообразности Земли возникла еще у древних греков (Пифагор VI в. до н. э., Парменид VI–V вв. до н. э., Аристотель IV в. до н. э.), но потом оставалась в забвении более полутора тысяч лет, до времен Колумба и кругосветных путешествий XVI в.

Размеры земного шара впервые были определены около 240 г. до н. э. Эратосфеном (276–196 гг. до н. э.). Он нашел, что полная окружность равна 250000 стадий, а радиус земного шара R=40000 стадий. Принимая наиболее вероятную длину стадии 160 м, получаем R=6400 км. Современные определения дают R=6370 км .

Вращение земного шара самым естественным образом объясняет смену дня и ночи, восход и заход светил. Широко известны следующие доказательства вращения Земли вокруг своей оси: поворот с течением времени плоскости качаний маятника Фуко относительно окружающих его предметов, сплюснутость Земли, обнаруживаемая из градусных измерений, отклонение падающих тел к востоку, размыв правых берегов рек, текущих в северном полушарии Земли, и левых – в южном полушарии (закон Бэра), пассаты, изменение силы тяжести с широтой (не объясняемое сплюснутостью Земли), направление ветров внутри циклонов и антициклонов и т. д.

Некоторые греческие ученые догадывались и о годичном движении Земли вокруг Солнца. Аристарх Самосский еще в III в. до н. э. считал, что Земля обращается вокруг Солнца.

Годичное движение Земли перемещает наблюдателя и этим вызывает видимое смещение более близких звезд относительно более далеких. В течение года близкие звезды описывают на небе (на фоне более далеких звезд) параллактические эллипсы.

Земля движется вокруг Солнца по эллипсу. Среднее расстояние Земли от Солнца равно 149 504 000 км (1 астрономическая единица – а. е.).

Самая близкая к Солнцу точка орбиты любой планеты называется перигелием (для Земли это 147 002 000 км), самая далекая – афелием (для Земли 152 006 000 км).

Средняя скорость движения Земли по ее орбите около 30 км/сек или 100 000 км/час. Полный оборот вокруг Солнца Земля совершает в течение 365,256 суток.

Плоскость земного экватора наклонена на 23°27' к плоскости земной орбиты. Наклон оси вращения Земли и постоянство ее направления являются причиной смены времен года на Земле. Истинная форма Земли близка к геоиду.

Земной шар имеет раскаленное ядро, однако тепло, которое каждый сантиметр поверхности Земли получает от ее недр, в 5000 раз меньше тепла, получаемого от Солнца. При углублении на каждые 33 м внутрь земной коры температура повышается в среднем на один градус. Можно предполагать, что это повышение температуры происходит лишь в сравнительно тонком слое земной коры (не глубже 100 км), в котором находятся радиоактивные вещества. Ядро же Земли имеет температуру от 2000 до 10000 К (больше, чем температура внешних слоёв Солнца!) .

Плотность в центре Земли около 13 г/см³. Средняя плотность Земли (5,52) приблизительно вдвое больше плотности поверхностных ее слоев (2,7).

1.Земная кора - 10- 70 км -(твердое).

2.Мантия верхняя до 1000 км (полужидкое).

3.Нижняя мантия от 1000 до 2900 км – (твердое).

4.Ядро внешнее от 2900 до 5270 км – (жидкое).

5.Ядро внутреннее от 5270 до 6370 км – (твердое).

Земля: атмосфера и гидросфера

Поверхность Земли первоначально была пустынной и не носила следов эрозии. Первичная атмосфера Земли, возникшая из межзвездного газа, состояла преимущественно из водорода и гелия. Однако гравитация Земли не могла удержать легкие газы и значительная часть их ускользала в межпланетное пространство, а оттуда под действием солнечного ветра эти газы вытеснялись за пределы солнечной системы. Современная "кислородная" земная атмосфера имеет вторичное происхождение. Она пополнялась и пополняется за счет газов, выделяющихся при жизнедеятельности организмов на поверхности Земли и вулканической деятельности земных недр.

В течение относительно короткого времени Земля оставалась безводной. Ее гидросфера сложилась приблизительно таким же путем, как и атмосфера – сначала в виде водяных паров, которые по мере понижения температуры конденсировались и выпадали в виде осадков.

Поскольку Земля находится на довольно-таки выгодном расстоянии от Солнца (150 млн. км), температура на ее поверхности колеблется в узких пределах, главным образом оставаясь обычно несколько выше 0 °С. При такой температуре вода на поверхности Земли остается в жидком состоянии.

Как только на поверхности Земли стали задерживаться водные массы, образуя сплошные водные бассейны, в эволюции нашей планеты наступил период, известный под названием океанического. На Земле участились ураганы и грозы невиданной силы. Ливни растворяли все растворимые соли, находившиеся на поверхности Земли, а также вымывали их из горных пород. Образовавшиеся растворы выносились в мировой протоокеан и накапливались там. Таким образом, морская вода стала соленой уже очень рано. С возникновением гидросферы и атмосферы появились новые силы, активно преобразующие лик Земли и ныне.

Осадочные породы

Древнейшими горными породами являются застывшие кристаллические породы первичной коры, образовавшиеся из расплавленной магмы еще на "звездной" стадии эволюции Земли по мере ее постепенного остывания. Все участки Земли, которые после образования первичного океана не были покрыты водой, начали подвергаться физическому и химическому выветриванию. Частицы разрушенных горных пород перемещались под влиянием ветра и водных потоков и осаждались на новых местах в виде осадочных пород.

Осадки откладывались последовательными слоями и группами слоев, чаще всего на дне морей. Они уплотнялись, превращаясь в горные породы, бесчисленные тектонические движения земной коры сжимали их в складки. То тут, то там возникали и вновь разрушались горы. Осадочные породы являются свидетелями этих превращений.

Из геологии мы знаем, что земная кора не является неподвижной. Одни ее части поднимаются, другие опускаются. Во многих местах море отступает, освобождая большие куски суши, тогда как в других местах целые районы медленно, но верно погружаются в зыбучие волны. Так могут возникать из моря или погружаться в него целые континенты. Такая "неспокойная" эволюция земной поверхности не позволяет осадочным породам откладываться в непрерывных сериях; вот почему количество и характер отложений в разных местах различны и повсюду отличаются неполнотой.

Законченную картину развития Земли можно получить, только изучая слои осадочных пород в различных местах земной поверхности и сопоставляя полученные результаты. В этом и состоит основная задача исторической геологии, главный раздел которой – наука об исторической последовательности слоев земной коры – именуется стратиграфией.