12.1 Образование Земли и ее строение

Историю Земли мы рассмотрим используя фундаментальную работу академика Монина А.С. ( Книга «История Земли, А.С. Монин, Ленинград, изд. «Наука» 1971), внесшего большой вклад в изучение нашей планеты. За последние 40 лет не появилось более фундаментальных работ, противоречащих данным, приведенным в этой книге. Здесь использованы геологические и палеонтологические научные данные.

По современным представлениям Земля образовалась около 4,6 млрд. лет назад. При этом процессы перехода ее в нынешнее состояние длятся до настоящего времени, постепенно замедляя темп. Будущие изменения нашей планеты не опасны для Человечества благодаря их медленному темпу и предсказуемости, но способны породить глобальные проблемы. Сначала это было шарообразное образование, состоящее из твердых тел, пыли и газов. Оно постепенно сжималось под действием сил тяготения, а из ее верхних слоев солнечным излучением выметались наиболее легкие газы, такие как водород, гелий и их соединения. Гравитационная энергия сжатия материала Земли приводила к повышению температуры в ее центре до нескольких тысяч градусов. Это вызывало рас плавление материалов и оседание более тяжелых элементов к центру. Этому способствовали и бомбардировки Земли планетоземалиями и астероидами, которых в период образования Солнечной системы было множество. На примере Тунгусского метеорита 1908 года, тело массой в 100 тыс. тонн способно произвести энергию подобную взрыву 15 мегатонной ядерной бомбы!

Кроме гравитационной и кинетической энергии падающих тел, значительным источником внутренней энергии Земли был радиоактивный распад кротко живущих элементов. Именно определение периодов распадов многих тяжелых радиоактивных элементов позволил разработать изотопный метод определения возраста древнейших парод Земли. Эти источники энергии привели к постепенному расплавлению основной массы Земли, кроме верхних ее слоев. Тяжелые элементы, оседая к центру, образовали ядро Земли, состоящее преимущественно из железа. А из верхних более легких слоев образовалась земная кора или литосфера. Причем земная кора никогда не была в расплавленном состоянии и допускала существование воды в виде пара, а затем и в жидком состоянии. Это очень существенно для возникновения жизни на Земле.

Формирование Земли проходило в условиях сильно отличающихся от современных, по составу атмосферы, температуре внутри и на поверхности, и солнечному излучению. Если экстраполировать наблюдаемое замедление вращения Земли на 0,023 сек за 1000 лет, то это дает 23 сек за миллион лет, 23000сек за миллиард лет и более 24 часа за 4,6 млрд. лет. Это означает, что сутки были очень короткие, вплоть до одного часа! Учитывая, что мы не имеем данных о скорости замедления вращения Земли даже на миллион лет назад, можно предположить, что сутки были от 1 до 10 часов, а вероятно около 5 часов. Это вполне реально, если учесть, что такая гигантская планета как Юпитер делает оборот за 10 часов. Естественно, что такая быстрая смена дня и ночи приводила к выравниванию дневных и ночных температур и быстрым сменам светового режима, что очень существенно для возникновения жизни.

Проблематично выяснить наличие времен года и положение полюсов 4 млрд. лет назад. Даже в настоящее время Земля не является однородным шаром, и ее разные части неодинаково притягиваются Луной и Солнцем, что приводит к колебаниям оси вращения Земли с амплитудой до 46 градусов, это называется нутацией, изученной астрономами. За 26000 лет полюс Земли описывает круг диаметром 46 градусов, попадая на разные звезды. Сейчас это Полярная звезда в Малой Медведице, через 7500 лет полярной станет альфа Цефея, через 13500 лет альфа Лиры (звезда Вега) и через 26000 лет снова полярная. Соответственно на 46 градусов будут меняться положение экватора, тропиков и полярных кругов. Прогнозировать изменение положения оси вращения Земли на 4 млрд. лет назад, очень сложно, ибо не известно распределение масс в земном шаре. Однако, учитывая закон сохранения момента инерции вращения Земли, мало вероятно чтобы положение ее оси в пространстве менялось более чем на 50 градусов. Сейчас фигура Земли напоминает эллипсоид вращения, с радиусом 6378,16 км на экваторе и 6356,78 км на полюсах ( 21 км короче). Отклонение истинной фигуры Земли от такого эллипсоида, называемого геоидом не более +100 м или - 100 м по уровню океана. ).

Строение Земли напоминает шарообразный, слоистый пирог. По вертикали это атмосфера, простирающаяся на сотни км над ее поверхностью, гидросфера в виде морей и океанов, земная кора средней толщиной 33 км, мантия с нижней границей 2920 км, распадающаяся на три слоя, верхний слой – В до 410 км, средний –С 410-1000 км, нижний 1000-2920 км. В центре находится ядро Земли, так же состоящее из трех слоев, внешний жидкий слой –Е 2920-4980 км, переходной слой – F, 4980-5120 км , и внутренний твердый слой ядра –G 5120-6371 км. Заметим, что многие вопросы внутреннего строения Земли еще слабо изучены ввиду сложности этой проблемы. Рассмотрим подробнее верхние слои Земли лучше изученные и имеющие большое значение для существования человека.

Атмосфера Земли составляет около одной миллионной массы Земли, причем 75% массы находится в слое толщиной 10 км. Атмосфера состоит из 78% азота, 21% кислорода, 0,9% аргона, 0,03% углекислого газа и малых количеств других газов. Количество водяного пара в атмосфере достигает 4,2% при жаре 30 градусов и падает до 0,024% при морозе 30 градусов, что составляет слой осажденной воды от 420 до 2 мм, соответственно. Водяной пар как и углекислый газ обладают сильным парниковым эффектом, препятствуя уходу теплового излучения в космос и повышая температуру на поверхности Земли . Именно поэтому на Антарктиде за миллионы лет выпало в осадок более чем 2-х километровый слой льда, а температура падает до минус 80 градусов. Давление атмосферы составляет 1 кг на квадратный сантиметр и падает по барометрической формуле с высотой. Температура также падает на 6,5% на км высоты до минус 50 градусов. В верхних слоях температура снова повышается за счет нагрева разряженного газа солнечным излучением.

Гидросфера имеет массу 1460 000 триллионов тонн жидкой воды и льда, что в 275 раз больше массы атмосферы и около одной 4-х тысячной массы Земли. Земная поверхность на 70.8% покрыта океанами и морями со средней глубиной 3795 м, из которых только 7, 6% составляет прибрежные зоны с глубиной до 200 м. Затем 15% с глубиной 200 –3000 м и быстрым углублением. Самые глубоководные желоба на дне океанов достигают глубины 10-11 км ( Марианский жолоб 11034 м). Горы на суше (есть конечно горы и на дне океанов) достигают высоты 8 км (Эверест или Джомолунгма 8882 м). В водах океана растворено 3,47% солей, более всего поваренной соли NaCl.

Масса Земли 5,98 *10²¹ тонн, средняя плотность 5,52 г /куб. см. Плотность коры Земли в 2-3 раза меньше. Земная кора это верхний твердый слой Земли отделенный от мантии так называемой поверхностью Мохоровичича, где резко меняются химсостав и физические свойства вещества. Континентальная и океаническая земная кора резко различаются по толщине 25-75 км и всего 6-8 под океаном и по химсоставу и плотности пород. В целом кора содержит более 49% кислорода в виде различных окислов, 26% кремния, 7,5% алюминия, 4.2% железа, 3,2% кальция, 2,4% натрия, по 2,3% калия и магния, 1% водорода и менее 1% 30-ти других элементов. Вода и соли океанов были извержены вулканами и выпарены из земной коры.

Земная поверхность многократно перестраивалась, континенты объединялись и разделялись морями. Формирование современных континентальных плит началось 3,5 млрд. лет назад и продолжается с замедлением до настоящего времени. Площадь мирового океана в среднем возрастала, но многократно наблюдались подтопления континентов и отступления морей, менявшие географию Земли. Планета жила своей неспешной. а иногда бурной жизнью, формируя нынешнее ее лицо. Заметим, что уровень мирового океана может подняться еще до 80 метров и затопить некоторые европейские и другие страны, лежащие на уровне моря, если будут растоплены льды Антарктиды и Гренландии. Менялось положение земной оси в пространстве и менялись на земле тропические и полярные зоны. Периоды потепления сменялись ледниковыми периодами, менявшими растительный и животный мир Земли. Науки о Земле, геофизика, геология, география, палеонтология, планетология, содержат много интереснейших сведений о нашей планете и много еще не исследованных мест.

Рис.46 Карта гор (красный цвет) и низменностей Земли.

В последний миллиард лет продолжается изменения земной коры и акватории морей и океанов. Океанические плиты, как более тяжелые и плотные, заглубляются под континентальные плиты под углом 45 градусов. Они погружаются в расплавленную мантию, затягивая туда осадочные породы океанического дна. В мантии тяжелые элементы тонут, а легкие переплавляются и выбрасываются на поверхность через жерла вулканов. Многочисленные вулканы с очагами глубиной до 500 км возникают на побережье, вдоль линий заглублений океанических плит. В срединных зонах океанов возникают растяжения и разломы океанических плит, в виде крутых рифтовых долин. Здесь магматические слои мантии Земли выходят наружу, вызывая вулканическую деятельность на дне океанов. Столкновение континентальных плит вызывает подъем земной коры и горообразование. Их результатом могут быть такие горные образования как Тибет и Гималаи.

Масса воды в океанах продолжает расти за счет выбросов ее из жерл вулканов. Но многократно наблюдались регрессии моря на сушу и отступления моря с понижением уровня океанов до 200 м. География поверхности многократно менялась за счет подъема суши и опускания дна океанов. Кроме того, в периоды оледенения в полярных зонах вырастали ледяные горы высотой до 3 км, как сейчас на Антарктиде и в Гренландии. Они могли понижать уровень океана до 100 м. Периоды похолодания, когда температура воды в тропических зонах опускалась до 6 градусов, сменялись периодами потепления и таяния ледников. В последний миллион лет это происходило много раз, вызывая миграции и изменения растительного и животного мира. Следующие потепления и похолодания будут вызваны деятельностью человека, приводящей к глобальным изменениям климата и географии Земли. Это может вызвать глобальную катастрофу с вымиранием значительной части Человечества. Поэтому необходимо в ближайшие десятилетия перейти в ноосферу, то есть к разумному управлению ресурсами Земли, о чем писал 100 лет назад советский академик В Вернадский