Геология

Античные мыслители считали, что Земля – плоская. Согласно одному из мифов, она покоится на слонах, которые в свою очередь стоят на огромной черепахе. Шумеры представляли ее в виде диска, дрейфующего посреди бескрайних океанских водных просторов.

По мере развития дальних морских путешествий приходило понимание шарообразности Земли. Однако в 6 веке до н.э. греческий философ Анаксимандр еще считал, что Земля не что иное, как каменная колонна, на верхней площадке которой находится обитаемый мир. Его так называемая «теория цилиндра» позволяла объяснить движение звезд по небу. Одним из первых, кто стал утверждать округлость Земли, был Пифагор. Более того, он настаивал, что Земля и вся вселенная, все небесные тела имеют форму сферы.

Два века спустя Аристотель нашел прямое доказательство шарообразности Земли – лунные затмения: тень, которую бросает Земля на Луну, когда Солнце находится с противоположной стороны, имеет круглую форму.

Греческий ученый Эратосфен в 230 году до н.э. первым предпринял попытку измерить окружность Земли, его расчеты на удивление были точными: 6000 – 7400 км. Современное значение среднего радиуса Земли приравнивают к 6371 км. Великий греческий ученый Архимед приводит свидетельство, восходящее к знаменитому математику и астроному 3-го века до н.э. Аристарху Самосскому, о том, что неподвижные звезды и Солнце не меняют своего места в пространстве, что Земля движется по окружности вокруг Солнца, находящегося в центре, а центр сферы неподвижных звезд совпадает с центром Солнца.

В основе его теории было два чисто пифагорейских положения об обязательности кругового и равномерного движения, но, кроме того, он принимал, что все планеты должны вращаться вокруг центрального материального тела, что было свойственно и системе Филолая. Таким образом, основные постулаты у Аристарха заимство­ваны целиком от платоновской школы.

Как отнеслись к Аристарху современники? За свое учение Аристарх был обвинен в безбожии и был вынужден покинуть Афины. Обвини­телем Аристарха был глава стоической школы Клеанф, который воз­главлял школу после смерти основателя Зенона (ок.264 г. до н. э.) до своей смерти (ок.232 г. до н. э.). Аристарх был обвинен в том, что он сдвинул с места Очаг Вселенной.

Его неуспех целиком объясняется научными причи­нами, т. е. тем, что он не мог преодолеть ряда возражений как со стороны так называемого здравого смысла, так и со стороны компе­тентных астрономов. Здравый смысл выдвигал такие возражения: если Земля вертится с такой страшной скоростью, почему мы этого не чувствуем? Уже Эратосфен очень хорошо определил размеры Земли, и мы знаем, что на экваторе скорость обращения около 450 метров в секунду, т. е. во много раз превышает скорость самого страшного урагана. Почему мы не замечаем, в каком направлении летят птицы: ведь должно было бы быть различие, смотря по тому, куда они летят — на запад или на восток. Мы знаем, что сила этого возражения была уничтожена только Галилеем почти через 2000 лет после Аристарха.

Если Земля вращается вокруг Солнца, а звезды неподвижны и находятся на разных расстояниях (о чем можно догадываться по раз­личию их блеска), почему мы не замечаем годичного смещения звезд друг относительно друга, так называемого звездного параллакса? Но параллактическое смещение было точно обнаружено только в 1839г.

Но были еще более серьезные возражения, приведенные Веселовским (с. 65—69). Как уже было указано, Аристарх принимал два (вернее, три) основных положения: 1) все планеты должны вращаться вокруг центрального материального тела, 2) вращение должно идти по кругу и 3) быть равномерным. Вавилонские астрономы кроме астроло­гических представлений доставили греческим ученым массу наблюде­ний, которые показали, что эти положения несовместимы. Еще до Евдокса греческие астрономы Метон и Евктемон указали, что продол­жительность астрономических времен года не является одинаковой, а ко времени Аристарха это было доказано. Через сто лет после Аристарха Гиппарх отбросил первое положение, заставив все планеты обращаться равномерно вокруг нематериальной геометрической точки — даже не центра Земли, а центра некоторого эксцентрического по отношению к Земле круга. Через восемнадцать веков после Гиппарха Кеплер поступил как раз наоборот: он заставил планеты вращаться вокруг центрального материального тела — Солнца, но отказался от принципа равномернос­ти круговых движений, который не мог нарушить и Коперник. Пра­вильнее будет сказать, что Кеплер заменил движение по кругам дви­жением по эллипсам и придал понятию равномерности движения другой смысл, как это будет показано в свое время (второй закон Кеплера).

Всех этих чисто научных возражений совершенно достаточно, чтобы понять, что система Аристарха для своего времени была несвоевремен­ной.

Теория Аристарха была на длительный период побеждена ки­нематической теорией эксцентров и эпициклов, которая давала столь же хорошее математическое описание явлений и была свободна от возражений, вытекающих из нашего повседневного опыта.

Знаменитый математик Аполлоний Пергский, известный своим сочинением о канонических сечениях, показал, что при помощи модели эпицикла можно объяснить характерные движения планет — прямые и попятные движения. Эта теория вошла в «Альмагест» Птолемея, и почти буквальный перевод этой главы Птолемея был помещен Копер­ником в конце пятой книги своего классического сочинения. Другой механизм — эксцентра — давал для определения условий столь же хорошее описание движений любой планеты, и ком­бинация эксцентров и эпициклов Гиппархом Никейским (II в. до н. э.) и Птолемеем (II в. н. э., т. е. примерно через 300 лет) и привела к созданию того, что обычно называется системой Птолемея. Наиболее важное ее отличие от системы Аристотеля — это то, что круги, по которым вращаются планеты, вращаются не вокруг материальных точек. Поэтому теория Птолемея может быть названа только прибли­зительно геоцентрической системой, так как в этой системе центр движения не совпадает точно с центром Земли. Позже Коперник сделал все для примирения Аристарха с Птолемеем, но полного торжества гелиоцентрическая теория Аристарха добилась только тогда, когда схемы эпициклов и эксцентров были заменены теорией эллиптического движения Кеплера и небесной ме­ханикой, основанной на законах Ньютона. Земля прочно заняла свое место в солнечной системе.

Земляне запустили космический аппарат к Плутонию, который удален от Солнца на 6 млрд. км, однако мало что знают о недрах Земли. Плутон был открыт в 1930 году, а существование внутреннего ядра Земли было установлено с помощью сейсмологических данных лишь в 1936 году. В самом общем виде наша планета подобна луковице с концентрически расположенными ядром, мантией и слоями земной коры.

Открытие нового минерала высокой плотности, названного постперовскитом, означает наличие еще одного слоя и ведет к разгадке странного изменения сейсмических волн, проходящих сквозь земной шар.

Континенты, которые в прошлом были погружены в океаны, сложены из разнообразных относительно легких горных пород возрастом около миллиарда лет. Они как бы плавают на поверхности более плотной мантии. Тяжелые базальтовые породы, представляющие основу океанической коры, образуются из мантийной магмы, которая изливается на срединно-океанических хребтах и затем опускается в мантию. Это происходит в течение 100 млн. лет.

Будучи в основном твердой, мантия составляет 85% всего объема, на протяжение всей геологической истории она деформируется, течет и ее медленные внутренние перемещения вызывают геологические катаклизмы в земной коре. Эта срединная часть в основном представляет собой смесь кремния, железа, кислорода и магния, распределенных по всей мантии приблизительно в одинаковой концентрации с небольшими примесями других элементов. Но в зависимости от глубины, эти элементы образуют различные виды минералов. Таким образом, сама мантия разделена на концентрические слои, отличающиеся минералогическим составом на разных глубинах.

Верхняя мантия (от 35 до 660 км). Чем больше глубина, тем выше давление и температура, и в мантии образуются различные кристаллические структуры (минералы). Минерал – это построение атомов в особую геометрическую форму, или кристалл, у него есть свои состав, физические свойства и даже цвет. Три группы минералов – оливин, разновидности шпинели и шпинель – дали название соответствующим слоям верхней мантии. Поскольку алмазы образуются при давлении и температуре, соответствующих глубине в 150 км и более, то предполагалось, что вмещающие их породы подняты с той же глубины, т.е. несут ценную информацию о самых верхних слоях мантии. Минералы и породы, происходящие с глубины 200 км встречаются очень редко.

Нижняя мантия (660 – 2900 км) считается относительно однородной по своей структуре, но в сейсмологических данных были обнаружены отклонения на ее нижней границе. Как только ученые научились создавать высокие давления и температуру в лабораторных условиях, они смогли синтезировать минералы, предполагая, что воспроизвели нижние слои мантии. Начало этим работам было положено в 1970-е годы.

Слой перовскита. Здесь преобладает силикат магния, относящийся к группе перовскитов. В его плотно упакованной структуре ионы магния окружены октаэдрическими кремнекислородными радикалами. До недавнего времени ученые полагал, что более плотного кристаллического построения данных элементов существовать не может.

Слой постперовскита (собственно, это еще не минерал, так как он не был найден в естественных условиях, а был выделен лабораторно). При давлении и температуре, создающихся в самых нижних слоях 300 км мантии, происходит фазовое превращение: перовскит приобретает новую структуру, ионы магния и кремнекислородные радикалы образуют отдельные слои, при этом высвобождается тепло и объем уменьшается на 1,5%. Это небольшая величина, но она чревата драматическими последствиями для всей планеты.

Ядро (2900 – 6400 км). Центральная часть земного шара состоит главным образом из железа, жидкого во внешнем ядре и твердого во внутреннем. Благодаря конвекции, так же как и в мантии, во внешнем ядре идет процесс перемешивания, но ввиду большей плотности ядра она не смешивается с мантией. Считается, что конвекция в ядре генерирует магнитное поле Земли.

Реконструкция эволюции мантии и ядра ведется в лабораторных условиях с помощью ячейки с алмазной наковальней. Цилиндрическая стальная ячейка сконструирована так, чтобы подтягивая ее винты, можно было сконцентрировать давление на поверхности шириной в микрон между кончиками двух алмазов. Образцы породы, помещенные между алмазами, нагреваются с помощью лазера. Одновременно рентгеновский луч фиксирует, как меняется кристаллическая структура образца.

В описании профессора Токийского института технологии Кеи Хиросе реконструкция выглядит так. (Хиросе К. Новое о составе Земли// В мире науки, № 8 – 9, 2010, с. 72 – 81). Когда зарождалась Земля, постперовскит в мантии отсутствовал, а раскаленное, богатое железом ядро было полностью жидким. Поскольку мантия трудно проводила тепло, внутренняя часть Земли остывала медленно. Около 2,3 млрд. лет назад образование постперовскита на дне мантии ускорило конвекцию. Динамические изменения могли усилить вулканическую деятельность, а вместе с тем и рост континентов. Последующий ускоренный перенос тепла способствовал охлаждению ядра, и около 1 млрд. лет назад начало формироваться внутренне твердое ядро. Конвекционные течения в жидкой части ядра стали более регулярными и создали четкое геомагнитное поле, которое предохраняло поверхность Земли от опасностей, вызванных солнечным ветром и космическими лучами. Вероятно, это и дало возможность живым формам переместиться на сушу.

Хотя постперовскит находится в самых глубинах мантии, вполне возможно, что он составляет большую часть вещества других планет, например, каменистых ядер Урана и Нептуна. В отличие от них каменистые ядра Юпитера и Сатурна обволакиваются слоями водорода, которые могут повысить давление и температуру до слишком высоких значений, чтобы постперовскит мог оставаться в устойчивом состоянии. Вполне возможно, что этот минерал входит в состав планет других звездных систем.