Земля в космическом пространстве. Гипотезы происхождения земли
Форма, размеры и строение земного шара
Земля имеет сложную конфигурацию. Ее форма не соответствует ни одной из правильных геометрических фигур. Говоря о форме земного шара, считают, что фигура Земли ограничивается воображаемой поверхностью, совпадающей с поверхностью воды в Мировом океане, условно продолженной под материками таким образом, чтобы отвесная линия в любой точке земного шара была перпендикуляром к этой поверхности. Такую форму называют геоидом, т.е. формой, свойственной только Земле.
Изучение формы Земли имеет довольно длинную историю. Первые предположения о шарообразной форме Земли принадлежат древнегреческому ученому Пифагору (571-497 гг. до н.э.). Однако научные доказательства шарообразности планеты были приведены Аристотелем (384-322 гг. до н.э.),первым объяснившим природу лунных затмений как тень Земли.
В 18 веке И.Ньютон (1643-1727 гг.) рассчитал, что вращение Земли обуславливает отклонение ее формы от точного шара и придает ей некоторцю сплюстнутость у полюсов. Причиной этого является центробежная сила.
Определение размеров Земли тоже издавна занимало умы человечества. Впервые размеры планеты рассчитал александрийский ученый Эратосфен Киренский (около 276-194 гг. до н.э.): по его данным радиус Земли составляет около 6290 км. В 1024-1039 гг. н.э. Абу Рейхан Бируни вычислил радиус Земли, оказавшийся равным 6340 км.
Впервые точное вычисление формы и размеров геоида было произведено в 1940 году А.А.Изотовым. Рассчитанная им фигура названа в честь известного русского геодезиста Ф.Н.Красовского эллипсоидом Красовского. Эти вычисления показали, что фигура Земли представляет собой трехосный эллипсоид и отличается от эллипсоида вращения.
По данным измерений, Земля - сплюснутый с полюсов шар. Экваториальный радиус (большая полуось эллипслида - а) равен 6378 км 245 м, полярный радиус (малая полуось - б) составляет 6356 км 863 м. Разница между экваториальным и полярным радиусами равна 21 км 382 м. Сжатие Земли (отношение разности между а и б к а) составляет (а-б)/а=1/298,3. В тех случаях, когда не требуется большая точность, средний радиус Земли принимают равным 6371 км.
Современные измерения показывают, что поверхность геоида несколько превышает 510 млн.км, а объем Земли составляет примерно 1,083 млрд. км. Определение других характеристик Земли - массы и плотности - производится на основании фундаментальных законов физики.Так масса Земли равна 5,98*10 т.Значение средней плотности оказалось равным 5,517 г/см.
Общее строение Земли
К настоящему времени по сейсмологическим данным в Земле выделяют около десяти границ раздела, свидетельствующих о концентрическом характере ее внутреннего строения. Основными из этих границ являются: поверхность Мохоровичича на глубинах 30-70 км на континентах и на глубинах 5-10 км под дном океана; поверхность Вихерта - Гутенберга на глубине 2900 км. Эти основные границы делят нашу планету на три концентрические оболочки - геосферы:
Земную кору - внешнюю оболочку Земли, расположенную над поверхностью Мохоровичича;
Мантию Земли - промежуточную оболочку, ограниченную поверностями Мохоровичича и Вихерта - Гутенберга;
Ядро Земли - центральное тело нашей планеты, расположеное глубже поверхности Вихерта - Гутенберга.
Кроме основных границ выделяют ряд второстепенных поверхностей внутри геосфер.
Земная кора. Эта геосфера составляет небольшую долю от общей массы Земли.По мощности и составу выделяют три типа земной коры:
Континентальная кора характеризуется максимальной мощностью, достигающей 70 км. Она состомт из магматических, метаморфических и осадочных горных пород, которые образуют три слоя. Мощность верхнего слоя (осадочные) обычно не превышает 10-15 км. Ниже залегает гранитно-гнейсовый слой мощностью 10-20 км. В нижней части коры залегает бальзатовый слой мощностью до 40 км.
Океаническая кора характеризуется небольшой мощностью - снижающейся до 10-15 км. Она так же состоит из 3 слоев. Верхний, осадочный, не превышает нескольких сот метров. Второй, бальзатовый, общей мощностью 1,5-2 км. Нижний слой океанической коры достигает мощности 3-5 км. В составе данного типа земной коры отсутствует гранитно-гнейсовый слой.
Кора переходных областей обычно характерна для периферии крупных континентов, где развиты окраинные моря, имеются архипелаги островов. Здесь происходит замена континентальной коры на океаническую и, естественно, по строению, мощности и плотности пород кора переходных областей занимает промежуточное место между указаными выше двумя типами кор.
Мантия Земли. Эта геосфера является самым крупным элементом Земли - она занимает 83% ее объема и составляет около 66% ее массы. В составе мантии выделяют ряд границ раздела, основными из которых являются поверхности, залегающие на глубинах 410, 950 и 2700 км. По значениям физических параметров эта геосфера делится на две субоболочки:
Верхняя мантия (от поверхности Мохоровичича до глубины 950 км).
Нижняя мантия (от глубины 950 км до поверхности Вихерта - Гутенберга).
Верхняя мантия в свою очередь подразделяется на слои. Верхний, залегающий от поверхности Мохоровичича до глубины 410 км, называется слоем Гутенберга. Внутри этого слоя выделяют жесткий слой и астеносферу. Земная кора вместе с твердой частью слоя Гутенберга образует единый жесткий слой, лежащий на астеносфере, который называется литосферой.
Ниже слоя Гутенберга залегает слой Голицина. Который иногда называют средней мантией.
Нижняя мантия имеет значительную мощность, почти 2 тыс км, и состоит из двух слоев.
Ядро Земли. Центральная геосфра Земли занимает около17% ее объема и составляет 34% е массы. В разрезе ядра выделяют две границы - на глубинах 4980 и 5120 км. В связи с чем оно подразделяется на три элемента:
Внешнее ядро - от поверхности Вихерта - Гутенберга до 4980 км. Это вещество, находящееся высоких давлений и температур, не является жидкостью в обычном понимании. Но обладает некоторыми ее свойствами.
Переходная оболочка - в интерваде 4980-5120 км.
Субъядро - ниже 5120 км. Возможно, находится в твердом состоянии.
Химический состав Земли схож с составом других планет земной группы <#"justify">·литосфера (кора и самая верхняя часть мантии)
·гидросфера (жидкая оболочка)
·атмосфера (газовая оболочка)
Водой покрыто около 71% поверхности Земли, средняя её глубина примерно 4 км.
Атмосфера Земли: более чем на 3/4 - азот (N2); примерно на 1/5 - кислород (О2). Облака, состоящие из мельчайших капелек воды, закрывают примерно 50% поверхности планеты. Атмосферу нашей планеты, как и её недра, можно разделить на несколько слоёв. ·Самый нижний и плотный слой называется тропосферой. Здесь находятся облака.
·Метеоры зажигаются в мезосфере.
·Полярные сияния и множество орбит искусственных спутников - обитатели термосферы. Там же парят призрачные серебристые облака.
Гипотезы происхождения Земли. Первые космогонитические гипотезы
Научный подход к вопросу о происхождении Земли и Солнечной системы стал возможен после укрепления в науке мысли о материальном единстве во Вселенной. Возникает наука о происхождении и развитии небесных тел - космогония. Первые попытки дать научное обоснование вопросу о происхождении и развитии Солнечной системы были сделаны 200 лет назад. Все гипотезы о происхождении Земли можно разбить на две основные группы: небулярные (лат. «небула» - туман, газ) и катастрофические. В основе первой группы лежит принцип образования планет из газа, из пылевых туманностей. В основе второй группы - различные катастрофические явления (столкновение небесных тел, близкое прохождение друг от друга звезд и т.д.). Одна из первых гипотез была высказана в 1745 году французским естествоиспытателем Ж.Бюффоном. Согласно этой гипотезе, наша планета образовалась в результате остывания одного из сгустков солнечного вещества, выброшенного Солнцем при катастрофическом столкновении его с крупной кометой. Мысль Ж.Бюффона об образовании Земли (и других планет) из плазмы была использована в целой серии более поздних и более совершенных гипотез «горячего» происхождения нашей планеты.
Небулярные теории. Гипотеза Канта и Лапласа
Среди них, безусловно, ведущее место занимает гипотеза, разработанная немецким философом И.Кантом (1755). Независимо от него другой ученый - француский математик и астроном П. Лаплас - пришел к тем же выводам, но разработал гипотезу более глубоко (1797). Обе гипотезы сходны между собой по существу и часто рассматриваются как одна, а авторов ее считают основоположниками научной космогонии. Гипотеза Канта - Лапласа относится к группе небулярных гипотез. Согласно их концепции, на месте Солнечной системы располагалась ранее огромная газо-пылевая туманность (пылевая туманность из твердых частиц, по мнению И. Канта; газовая - по предположению П.Лапласа). Туманность была раскаленной и вращалась. Под действием законов тяготения материя ее постепенно уплотнялась, сплющивалась, образуя в центре ядро. Так образовалось первичное солнце. Дальнейшее охлаждение и уплотнение туманности привелок увеличению угловой скорости вращения, вследствие чего на экваторе произошло отделение наружной части туманности от основной массы в виде колец, вращающихся в экваториальной плоскости: их образовалось несколько. В качестве примера Лаплас приводил кольца Сатурна. Неравномерно охлаждаясь, кольца разрывались, и вследствие притяжения между частицами происходило образование планет, обращающихся вокруг Слнца. Остывающие планеты покрывались твердой коркой, на поверхности которой стали развиваться геологические процессы. И.Кант и П.Лаплас верно подметили основные и характерные черты строения Солнечной системы: ) подавляющая часть массы (99,86%) системы сосредоточена в Солнце; ) планеты обращаются почти по круговым орбитам и почти в одной и той же плоскости; ) все планеты и почти все их спутники вращаются в одну и ту же сторону, все планеты вращаются вокруг своей оси в ту же сторону. Значительной заслугой И.Канта и П. Лапласа явилось создание гипотезы, в основу которой была положена идея развития материи. Оба ученых считали, что туманность обладала вращательным движением, вследствие чего произошло уплотнение частиц и образование планет и Солнца. Они полагали, что движение неотделимо от материи и так же вечно,как и сама материя. Гипотеза Канта-Лапласа существовала в течене почти двух сотен лет. Впоследствии была доказана ее несостоятельность. Так, стало известно, что спутники некоторых планет, например Урана и Юпитера, вращаются в ином направлении, чем сами планеты. По данным современной физики, газ, отделившийся от центрального тела, должен рассеятьсяи не может сформироваться в газовые кольца, а позднее - в планеты. Другими существенными недостатками гипотезы Канта и Лапласа являются следующие: Известно, что момент количества движения во вращающемся теле всегда остается постоянным и распределяется равномерно по всему телу пропорционально массе, расстоянию и угловой скорости соответствующей части тела. Этот закон распространяется и на туманность, из которой сформировались Солнце и планеты. В Солнечной системе количество движения не соответствует закону распределения количества движения в массе, возникшей из одного тела. В планета Солнечной системы сосредоточено 98% момента количества движения системы, а Солнце имеет только 2%, в то время как на долю Солнца приходится 99,86% всей массы Солнечной системы. Если сложить моменты вращения Солнца и других планет, то при расчетах окажется, что первичное Солнце вращалось с той же скоростью, с какой сейчас вращается Юпитер. В связи с этим Солнце должно было обладать тем же сжатием, что и Юпитер. А этого, как показывают расчеты, недостаточно, чтобы вызвать дробление вращающегося Солнца, которое, как считали Кант и Лаплас, распалось вследствие избытка вращения. В настоящее время доказано, что звезда, обладающая избытком вращения, распадается на части, а не образует семейство планет. Примером могут служить спектрально-двойные и кратные системы. Катастрофические теории. Гипотеза Джинса земля космогонический концентрический происхождение После гипотезы Канта-Лапласа в космогонии было создано еще несколько гипотез образования Солнечной системы. Появляются так называемые катострофические, в основе которых лежит элемент случайности, элемент счастливого стечения обстоятельств: В отличии от Канта и Лапласа, которые «позаимствовали» у Ж.Бюффона лишь идею «горячего» возникновения Земли, последователи этого течения развивали еще и саму гипотезу катасттрофизма. Бюффон полагал, Земля и планеты образовались за счет столкновения Солнца с кометой; Чемберлен и Мультон - образование планет связано с приливным воздействием проходящей мимо Солнца другой звезды. В качестве примера гипотезы катострофического направления рассмотрим концепцию английского астронома Джинса (1919г.). В основу его гипотезы положена возможность прохождения вблизи Солнца другой звезды. Под действием ее притяжения из Солнца вырвалась струя газа, которая при дальнейшей эволюции превратилась в планеты Солнечной системы. Газовая струя по своей форме напоминала сигару. В центральной части этого вращающегося вокруг Солнца тела образовались крупные планеты - Юпитер и Сатурн, а в концах «сигары» - планеты земной группы: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Плутон. Джинс полагал, что прохождение звезды мимо Солнца, обусловившее образование планет Солнечной системы, позволяет объяснить несоответствие в распределении массы и момента количества движения в Солнечной системе. Звезда, вырвавшая газовую струю из Солнца, придала вращающейся «сигаре» избыток момента количества движения. Таким образом устранялся один из основных недостатков гипотезы Канта-Лапласа. В 1943 г. русский астроном Н.И.Парийский вычислил, что при большой скорости звезды, проходившей мимо Солнца, газовый протуберанец должен был уйти вместе со звездой. При малой скорости звезды газовая струя должна была упасть на Солнце. Только в случае строго определенной скорости звезды газовый протуберанец мог бы стать спутником Солнца. В этом случае его орбита должна быть в 7 раз меньше орбиты самой близкой к Солнцу планеты - Меркурия. Таким образом, гипотеза Джинса, так же как и гипотеза Канта-Лапласа, не смогла дать верного объяснения непропорциональному распределению момента количества движения в Солнечной системе Кроме того, расчеты показали, что сближение звезд в мировом пространстве практически исключено, и даже если бы это произошло, проходящая звезда не могла бы придать планетам движение по круговым орбитам.
Современные гипотезы
Принципиально новая идея заложена в гипотезах «холодного» происхождения Земли. Наиболее глубоко разработана метеоритная гипотеза, предложенная советским ученым О.Ю.Шмидтом в 1944 году. Из других гипотез «холодного» происхождения следует назвать гипотезы К.Вейцзекера (1944 г.) и Дж.Койпера (1951г.), во многом близкие к теории О.Ю.Шмидта, Ф. Фойл (Англия), А. Камерон (США) и Э. Шацман (Франция). Наиболее популярными являются гипотезы о происхождении Солнечной системы, созданные О.Ю. Шмидтом и В.Г.Фесенковым. Оба ученых при разработке своих гипотез исходили из представлений о единстве материи во Вселенной, о непрерывном движении и эволюции материи, являющихся ее основными свойствами, о разнообразии мира, обусловленного различными формами существования материи. Гипотеза О.Ю. Шмидта
Согласно концепции О.Ю.Шмидта, Солнечная система образовалась из скопления межзвездной материи, захваченной Солнцем в процессе движения в мировом пространстве. Солнце движется вокруг центра Галактики, совершая полный оборот за 180 млн.лет. Среди звезд Галактики имеются большие скопления газово-пылевых туманностей.Исходя из этого, О.Ю.Шмидт полагал, что Солнце при движении вступило в одно из таких облаков и захватило его с собой. Вращение облака в сильном гравитационном поле Солнца привело к сложному перераспределению метеоритных частиц по массе, плотности и размерам, в результате чего часть метеоритов, центробежная сила которых оказалась слабее силы тяготения, была поглощена Солнце. Шмидт полагал, что первоначальное облако межзвездной материи обладало некоторым вращением, в противном случае его частицы выпали бы на Солнце. Облако превращалось в плоский уплотненный вращающийся диск, в котором вследствие увеличения взаимного притяжения частиц происходило сгущение. Образовавшиеся сгущения-тела росли за счет присоединяющихся к ним мелких частиц, как снежный ком. В процессе обращения облака, при сталкивании частиц началось их слипание, образование более крупных по массе агрегатов и присоединение к ним - аккреция более мелких частиц, попадающих в сферу их гравитационного влияния. Таким путем образовались планеты и обращающиеся вокруг них спутники. Планеты стали вращаться по круговым орбитам вследствие усреднения орбит малых частиц. Земля, по мнению О.Ю.Шмидта, также образовалась из роя холодных твердых частиц. Постепенное разогревание недр Земли произошло за счет энергетики радиоактивного распада, что привело к выделению воды и газа, входивших в небольших количествах в состав твердых частиц. В результате возникли океаны и атмосфера, обусловившие появление жизни на Земле. О.Ю.Шмидт, а позднее его ученики дали серьезное физико-математическое обоснование метеоритной модели формирования планет Солнечной системы. Современная метеоритная гипотеза объясняет не только особенности движения планет(форму орбит, разные направления вращения и др.), но и фактически наблюдаемое распределение их по массе и плотности, а также соотношение планетарных моментов количества движения с солнечным. Ученый считал, что имеющиеся несоответствия в распределении моментов количества движения Солнца и планет объясняются разными первоначальными моментами количества движения Солнца и газово-пылевой туманности. Шмидт расчитал и математически обосновал расстояния планет от Солнца и между собойи выяснил причины образования крупных и мелких планет в разных частях Солнечной системы и разницу в их составе. Посредством расчетов обоснованы причины вращательного движения планет в одну сторону. Недостатком гипотезы является рассмотрение вопроса о происхождении планет изолированно от образования Солнца - определяющего члена системы. Концепция не лишена элемента случайности: захвата Солнцем межзвездной материи. Действительно, возможность захвата Солнцем лостаточно крупного метеоритного облака очень мала. Более того, по рассчетам, такой захват возможен только при гравитационном содействии дркгой, близко находящейся звезды. Вероятность сочетания таких условий настолько незначительна, что это делает возможность захвата Солнцем межзвездного вещества событием исключительным.
Гипотеза В.Г. Фесенкова
Работы астронома В.А.Амбарцумяна, доказавшего непрерывность образования звезд в результате конденсации вещества из разряженных газово-пылевых туманностей, позволили академику В.Г.Фесенкову выдвинуть новую гипотезу (1960 г.),связывающюю происхождение Солнечной системы с общими закономерностями формирования материи в космическом пространстве. Фесенков полагал, что процесс образования планет широко распространен во Вселенной, где имеется много планетных систем. По его мнению, формирование планет связано с образованием новых звезд, возникающих в результате сгущения первоначально разреженного вещества в пределах одной из гигантских туманностей («глобул»). Эти туманности представляли собой весьма разреженную материю (плотностью порядка 10 г/см) и состояли из водорода, гелия и небольшого количества тяжелых металлов. Сначала в ядре «глобулы» сформировалось Солнце, которое было более горячей, массивной и быстро вращающейся звездой, чем в настоящее время. Эволюция Солнца сопровождалась неоднократными выбросами материи в протопланетное облако, в результате чегооно потеряло часть массы и передалообразующимся планетам значительную долю своего момента количества движения. Расчеты показывают, что при нестационарных выбросах материи из недр Солнца могло сложиться фактически наблюдаемое соотношение моментов количества движения Солнца и протопланетного облака(а следовательно и планет).Одновременное образование Солнца и планет доказывается одинаковым возрастом Земли и Солнца. В результате уплотнения газово-пылевого облака сформировалось звездообразное сгущение. Под влиянием быстрого вращения туманности значительная часть газово-пылевой материи все больше удалялась от центра туманности по плоскости экватора, образуя нечто вроде диска. Постепенно уплотнение газово-пылевой туманности обусловило формирование планетных сгущений, образовавших впоследствии современные планеты Солнечной системы. В отличие от Шмидта Фесенков полагает, что газово-пылевая туманность находилась в раскаленном состоянии. Большой его заслугой является обоснование закона планетных расстояний в зависимости от плотности среды. В.Г.Фесенков математически обосновал причины устойчивости момента количества движенияв Солнечной системе потерей вещества Солнца при выборе материи, вследствие чего произошло замедление его вращения. В.Г.Фесенков приводит также доводы в пользу обратного движения некоторых спутников Юпитера и Сатурна, объясняя это захватом планетами астероидов. Большую роль Фесенков придавал процессам радиоактивного распада изотопов К, U, Th и других, содержание которых тогда было значительно выше. К настоящему времени теоритически рассчитан ряд вариантов радитогенного разогрева недр, наиболее детальный из которых предложен Е.А.Любимовой (1958г.). В соответствии с этими расчетами через один миллиард лет температура недр Земли на глубине нескольких сот километров достиглатемпературы плавления железа. К этому времени, по-видимому, относится начало образования ядра Земли, представленного опустившимися к ее центру металлами - железом и никелем. Позже, при дальнейшем повышении температуры, из мантии началось выплавление наиболее легкоплавких силикатов, которые в следствии небольшой плотности поднимались вверх. Этот процесс, теоритически и экспериментально изученный А.П.Виноградовым, объясняет образование земной коры. Также нужно отметить две гипотезы, развившиеся к концу 20 века. Они рассматривали развитие Земли, не затрагивая развитие Солнечной системы в целом. Земля была целиком расплавлена и в процессе истощения внутренних тепловых ресурсов (радилактивных элементов) постепенно стала остывать. В верхней части образовалась твердая корка. И при уменьшении объема остывшей планеты эта корка ломалась, и формировались складки и другие формы рельефа. Полного плавления вещества на Земле не было. В относительно рыхлой протопланете формировались локальные очаги плавления (этот термин ввел академик Виноградов) на глубине около 100 км. Постепенно количество радиоактивных элементов уменьшалось, и температура ЛОП снижалась. Из магмы кристализовывались и выпадали на дно первые высокотемпературные минералы. Химический состав этих минералов отличался от состава магмы. Из магмы извлекались тяжелые элементы. И остаточный расплав относительно обогащался легкими. После 1 фазы и дальнейшего понижения температуры из раствора кристализовывалась следующая фаза минералов, также содержащая больше тяжелых элементов. Так происходило постепенное остывание и кристализация ЛОПов. Из первоначального ультраосновного состава магмы образовалась магма основного бальзатового состава. В верхней части ЛОПа образовывалась флюидная шапка (газово-жидкая). Бальзатовая магма обладала подвижностью и текучестью. Она прорвалась из ЛОПов и излилась на поверхность планеты, сформировав первую жесткую базальтовую корку. Флюидная шапка также прорвалась на поверхность и, смешавшись с остатками превичных газов, сформировала первую атмосферу планеты. В составе первичной атмосферы были окислы азота. Н, Не, инертные газы, СО, СО, НS, HCl, HF, CH, пары воды. Свободного кислорода почти не было. Температура поверхности Земли была около 100 С, жидкой фазы не было. Внутренность довольно рыхлой протопланеты имела температуру близкую к температуре плавления. В этих условиях интенсивно протекалм процессы тепломассопереноса внутри Земли. Они происходили ввиде тепловых конвекционных потоков (ТКП). Особенно важны ТКП, возникающие в поверхностных слоях. Там развивались ячеистые тепловые структуры, которые временами перестраивались в одноячеистую структуру. Восходящие ТКП передавали импульс движения на поверхность планеты (бальзатовая корка), и на ней создавалась зона растяжения. В результате растяжения в зоне подъема ТКП образуется мощный протяженный разлом длиной от 100 до 1000 км. Их назвали рифтовые разломы. Температура поверхности планеты и ее атмосфера остывает ниже 100 С. Из первичной атмосферы конденсируется вода и формируется первичная гидросфера. Ландшафт Земли представляет собой мелководный океан с глубиной до 10 м, с отдельными вулканическими псевдоостровами, обнажающимися во время отливов. Постоянной суши не было. При дальнейшем понижении температуры ЛОП полностью раскристализовывались и превращались в жесткие кристаллические ядра в недрах довольно рыхлой планеты. Поверхностный покров планеиы подвергался разрушению со стороны агрессивных атмо- и гидросферы. В результате всех этих процессов происходило образование магматических, осадочных и метаморфических пород. Таким образом, гипотезы о происхождении нашей планеты объясняют современные данные о ее строении и положении в Солнечной системе. И освоение космоса, запуски спутников и космических ракет дают много новых фактов для практической проверки гипотез и дальнейшего совершенствования.
Литература
1. Вопросы космогонии, М., 1952-64 2. Шмидт О. Ю., Четыре лекции о теории происхождения Земли, 3 изд., М., 1957; Левин Б. Ю. Происхождение Земли. «Изв. АН СССР Физика Земли», 1972, № 7; Сафронов В. С., Эволюция допланетного облака и образование Земли и планет, М., 1969; . Каплан С. А., Физика звезд, 2 изд., М., 1970; Проблемы современной космогонии, под ред. В. А. Амбарцумяна, 2 изд., М., 1972. Аркадий Леокум, Москва, «Джулия», 1992 г.
В настоящее время есть несколько гипотез, каждая из которых по-своему описывает периоды становления Вселенной и положение Земли в Солнечной системе.
· Гипотеза Канта-Лапласа
Пьер Лаплас и Иммануил Кант полагали, что прародительницей Солнечной системы является раскаленная газово-пылевая туманность, медленно вращавшаяся вокруг плотного ядра в центре. Под влиянием сил взаимного притяжения туманность начала сплющиваться у полюсов и превращаться в огромный диск. Плотность его не была равномерной, поэтому в диске произошло расслоение на отдельные газовые кольца. В дальнейшем каждое кольцо начало сгущаться и превращаться в единый газовый сгусток, вращающийся вокруг своей оси. Впоследствии сгустки остыли и превратились в планеты, а кольца вокруг них - в спутники. Основная часть туманности осталась в центре, до сих пор не остыла и стала Солнцем.
· Гипотеза О.Ю.Шмидта
Согласно гипотезе О.Ю.Шмидта, Солнце, путешествуя по Галактике, проходило сквозь газопылевое облако и увлекло часть его за собой. Впоследствии твердые частицы облака подверглись слипанию и превратились в планеты, изначально холодные. Разогревание этих планет произошло позже в результате сжатия, а также поступления солнечной энергии. Разогрев Земли сопровождали массовые излияния лав на поверхность в результате вулканической деятельности. Благодаря этому излиянию сформировались первые покровы Земли. Из лав выделялись газы. Они образовали первичную бескислородную атмосферу. Больше половины объема первичной атмосферы составляли пары воды, а температура ее превышала 100°С. При дальнейшем постепенном остывании атмосферы произошла конденсация водяных паров, что привело к выпадению дождей и образованию первичного океана. Позднее началось формирование суши, которая представляет собой утолщенные, относительно легкие части литосферных плит, поднимающихся выше уровня океана.
· Гипотеза Ж.Бюффона
Французский естествоиспытатель Жорж Бюффон высказал предположение: когда-то в окрестностях Солнца пронеслась другая звезда. Ее притяжение вызвало на Солнце огромную приливную волну, вытянувшуюся в пространстве на сотни миллионов километров. Оторвавшись, эта волна стала закручиваться вокруг Солнца и распадаться на сгустки, каждый из которых сформировал свою планету.
· Гипотеза Ф.Хойла (XX век)
Английским астрофизиком Фредом Хойлом была предложена своя гипотеза. Согласно ей у Солнца была звезда-близнец, которая взорвалась. Большая часть осколков унеслась в космическое пространство, меньшая - осталась на орбите Солнца и образовала планеты.
Все гипотезы по-разному трактуют происхождение Солнечной системы и родственные связи между Землей и Солнцем, но они едины в том, что все планеты произошли из единого газово-пылевого облака, а дальше судьба каждой из них решалась по-своему.
Согласно современным представлениям, Земля образовалась из газопылевого облака около 4 с половиной миллиардов лет тому назад. Солнце было очень горячим, поэтому из области формирования Земли испарились все летучие вещества (газы). Гравитационные силы способствовали тому, чтобы материя газопылевого облака аккумулировалась на Земле, находящейся на стадии зарождения. Вначале температура на Земле была очень высокой, поэтому вся материя находилась в жидком состоянии. Вследствие гравитационной дифференциации плотные элементы опустились ближе к центру планеты, а более легкие остались на поверхности. Через некоторое время температура на Земле снизилась, начался процесс затвердения, при этом вода осталась в жидком состоянии.
Английский ученый Джемс Хопвуд Джинс свою гипотезу строил на том предположении, что планеты возникли из струи раскаленной материи, вырванной из Солнца в результате притяжения другой, близко проходившей звезды. Струя эта осталась в сфере притяжения Солнца и начала вокруг него вращаться. Благодаря притяжению Солнца и движению, приданному ей звездой-бродягой, она образовала как бы туманность, по форме напоминавшую удлиненную сигару, которая со временем распалась на несколько сгустков, из которых возникли планеты.
Введение
Земля – третья по порядку от Солнца планета в Солнечной системе. Она занимает пятое место по размеру и массе среди больших планет, но из внутренних планет так называемой «земной» группы, в которую входят Меркурий, Венера, Земля и Марс, она является самой крупной.
Состав и строение Земли в последние десятилетия продолжают оставаться одной из наиболее интригующих проблем современной геологии. Знания о внутреннем строении Земли пока очень поверхностны, так как получены на основании косвенных доказательств. Прямые свидетельства относятся только к поверхностной пленке планеты, чаще всего не превышающей полутора десятков километров. Помимо этого, важно изучать положение планеты Земля в космическом пространстве. Во-первых, чтобы понять закономерности и механизм развития Земли и земной коры, надо знать исходное состояние Земли при ее формировании. Во-вторых, изучение других планет доставляет ценнейший материал для познания ранних стадий развития нашей планеты. И, в-третьих, сравнение строения и эволюции Земли с другими планетами Солнечной системы позволяет понять, почему именно Земля стала родиной человечества.
Изучение внутреннего строения Земли актуально и жизненно важно. С ним связаны образование и размещение многих видов полезных ископаемых, рельефа земной поверхности, возникновение вулканов и землетрясений. Знания о строении Земли необходимы и для составления геологических и географических прогнозов.
Глава 1. Гипотезы происхождения Земли
На протяжении многих веков вопрос о происхождении Земли оставался монополией философов, так как фактический материал в этой области почти полностью отсутствовал. Первые научные гипотезы относительно происхождения Земли и Солнечной системы, основанные на астрономических наблюдениях, были выдвинуты только лишь в XVIII веке. С тех пор не переставали появляться все новые и новые теории, соответственно росту наших космогонических представлений.
Одна из первых гипотез была высказана в 1745 году французским естествоиспытателем Ж. Бюффоном. Согласно гипотезе, наша планета образовалась в результате остывания одного из сгустков солнечного вещества, выброшенного Солнцем при катастрофическом столкновении его с крупной кометой.
Мысль Бюффона об образовании Земли из солнечной плазмы была использована в целой серии более поздних и совершенных гипотез «горячего» происхождения Земли. Ведущее место занимает небулярная гипотеза, разработанная немецким философом И. Кантом в 1755 г. и французским математиком П. Лапласом в 1796 г. независимо друг от друга (рис.1). Согласно гипотезе, Солнечная система образовалась из единой раскаленной газовой туманности. Вращение вокруг оси обусловило дискообразную форму туманности. После того, как центробежная сила в экваториальной части туманности превысила силу тяготения, по всей периферии диска начали отделяться газовые кольца. Их остывание привело к формированию планет и их спутников, а из ядра туманности возникло Солнце.
Рис. 1. Небулярная гипотеза Лапласа. На этом рисунке наглядно представлено сгущение вращающейся газовой туманности в Солнце, планеты и астероиды
Гипотеза Лапласа была научной, поскольку основывалась на законах природы, известных из опыта. Однако после Лапласа были открыты новые явления в Солнечной системе, которые его теория не могла объяснить. Например, оказалось, что планеты Уран, Венера вращаются вокруг своей оси не в ту сторону, куда вращаются остальные планеты. Были лучше изучены свойства газов и особенности движения планет и их спутников. Эти явления также не согласовывались с гипотезой Лапласа и от нее пришлось отказаться.
Определенным этапом в развитии взглядов на образование Солнечной системы была гипотеза английского астрофизика Джеймса Джинса (рис.2). Он считал, что планеты образовались в результате катастрофы: какая-то относительно большая звезда прошла совсем близко от уже существовавшего Солнца, следствием чего явился выброс из поверхностных слоев Солнца струи газа, из которых впоследствии образовались планеты. Но гипотеза Джинса, так же как гипотеза Канта-Лапласа, не может объяснить несоответствие в распределении момента количества движения между планетами и Солнцем.
Рис. 2. Образование солнечной системы по Джинсу
Принципиально новая идея заложена в гипотезах «холодного» происхождения Земли. Наиболее глубоко разработана метеоритная гипотеза, предложенная советским ученым О. Ю. Шмидтом в 1944 г (рис.3). Согласно гипотезе, несколько миллиардов лет тому назад «наше» Солнце встретило при своем движении во Вселенной большую газопылевую туманность. Значительная часть туманности последовала за Солнцем и стала вращаться вокруг него. Отдельные мелкие частицы слипались в крупные сгустки. Сгустки по мере своего движения также сталкивались друг с другом и обрастали все новым материалом, образуя плотные комья – зародыши будущих планет.
Рис. 3. Образование солнечной системы по метеоритной гипотезе
О. Ю. Шмидта
По О. Ю. Шмидту, в период формирования Земли ее поверхность оставалась холодной, сгустки сжимались, за счет этого начался процесс самогравитации вещества, внутренняя часть постепенно нагревалась от тепла, выделяемого при распаде радиоактивных элементов. С годами у гипотезы Шмидта появилось много слабых сторон, одна из них – это предположение о захвате Солнцем части встретившегося газопылевого облака. Исходя из закона механики, для захвата Солнцем вещества необходимо было полностью остановить это вещество, а Солнце должно было обладать громадной силой притяжения, способной остановить это облако и притянуть его к себе. К недостаткам метеоритной гипотезы относится малая вероятность захвата Солнцем газово – пылевого (метеоритного) облака и отсутствие объяснения концентрического внутреннего строения Земли .
Со временем сложилось еще много теорий, касающихся происхождения Земли и Солнечной системы в целом. На основе взглядов О.Ю. Шмидта (1944), В. Амбарцумяна (1947), B.C. Сафронова (1969) и других ученых сформировалась современная теория
планетарного образования Земли и других планет Солнечной системы (рис. 4). Причиной появления планет нашей системы явился взрыв сверхновой звезды. Ударная волна от взрыва около 5 млрд лет назад сильно сжала газопылевую туманность. Концентрация материального вещества (пыли, смесей газов, водорода, гелия, углерода, тяжелых металлов, сульфидов) оказалась настолько значительной, что это привело к началу термоядерного синтеза, росту температуры, давлению, появлению явления самогравитации в первичном Солнце и зарождению протопланет .
Рис. 4. Образование солнечной системы (современная теория)
1 – взрыв сверхновой звезды порождает ударные волны, воздействующие на газопылевое облако; 2 – газопылевое облако начинает фрагментироваться и сплющиваться, закручиваясь при этом; 3 – первичная солнечная небула (туманность); 4 – образование Солнца и гигантских, богатых газом планет – Юпитера и Сатурна; 5 – ионизированный газ – солнечный ветер сдувает газ из внутренней зоны системы и с мелких планетезималей; 6 – образование внутренних планет из планетезималей в течение 100 млн лет и формирование облаков Оорта, состоящих из комет
Первичная Земля оказалось связана с Луной приливными взаимодействиями. Луна определила наклон оси ее вращения своей орбитой и массой и обусловила климатическую зональность Земли, возникновение электрического и магнитного полей .
После образования земного ядра (на границе архея и протерозоя), содержащего около 63% современной массы, дальнейший рост Земли происходил уже более спокойно и равномерно по тектономагматическим циклам. Таких циклов ученые-тектонисты насчитали около 14. Значительная тектоническая активность на Земле наблюдалась около 2,6 млрд лет назад, перемещение литосферных плит в то время происходило со скоростью 2-3 м в год. Поверхность Земли была окутана плотной углекисло-азотной атмосферой с давлением до 4-5 атм. и температурой до +30…+100 °С. Возник первый неглубокий Мировой океан, дно которого было покрыто базальтами и серпентинитом.
В раннем протерозое произошло насыщение первичной водой третьего (серпентинитового) слоя океанической коры. Это сразу сказалось на снижении давления углекислого газа в первичной атмосфере. В свою очередь, уменьшение углекислого газа в атмосфере привело к резкому снижению температуры на поверхности Земли. Появление кислорода и озонового слоя в атмосфере способствовало формированию биосферы и географической оболочки .
Процесс расслоения, дифференциации недр на Земле он происходит и сейчас, обеспечивая существование жидкого внешнего ядра и конвекцию в мантии. Атмосфера и гидросфера возникли в результате конденсации газов, выделявшихся на ранней стадии развития планеты .
Похожая информация.
Человек издавна пытался изучить мир, который его окружает. Как возникла Земля? Этот вопрос волновал людей не одно тысячелетие. До наших дней дошли многие легенды и предсказания различных народов мира. Их объединяет то, что происхождение нашей Земли связано с действием мифических героев и богов. Лишь в XVIII веке стали появляться научные гипотезы о происхождении солнца и планет.
Гипотеза Жоржа Бюффона
Французский учёный Жорж Бюффон предположил, что наша Земля была образована в результате катастрофы. Некогда в Солнце врезалась огромная комета, в результате чего разлетелись многочисленные брызги. Впоследствии эти брызги стали остывать, и из самых крупных образовались планеты, в том числе и Земля.
Рис. 1
Рис. 2. Гипотеза возникновения Солнечной системы
Жорж Бюффон родился в семье богатого помещика и был старшим из 5 его детей. Трое его братьев достигли в церковной иерархии высокого положения. Жоржа в 10 лет отдали учиться в колледж, но учился он с неохотой. И интересовался только математикой. В этот период Бюффон перевел труды Ньютона. Позже он был назначен интендантом королевского сада и занимал этот пост в течение 50 лет, до самой своей смерти.
Гипотеза Эммануила Канта
Иного мнения придерживался немецкий учёный Иммануил Кант . Он считал, что Солнце и все планеты были образованы из холодного пылевого облака. Это облако вращалось, постепенно пылинки сгущались, соединялись – так образовалось Солнце и другие планеты.
Рис. 3
Гипотеза Пьера Лапласа
Пьер Лаплас – французский учёный и астроном – предложил свою гипотезу о появлении Солнечной системы. Он считал, что солнце и планеты образованы из гигантского раскалённого газового облака. Оно постепенно остывало, сжималось и дало начало Солнцу и планетам.
Рис. 4
Рис. 5. Гипотеза возникновения Солнечной системы
Пьер Симон Лаплас родился 23 марта 1749 года в крестьянской семье в Бомон-ан-Ож, в нормандском департаменте Кальвадос. Учился в школе бенедиктинцев, из которой вышел, однако, убеждённым атеистом. Состоятельные соседи помогли способному мальчику поступить в университет города Кан (Нормандия). Лаплас предложил первую математически обоснованную космогоническую гипотезу образования всех тел Солнечной системы, называемую его именем: гипотеза Лапласа. Он также первый высказал предположение, что некоторые наблюдаемые на небе туманности, на самом деле - галактики, подобные нашему Млечному Пути.
Гипотеза Джеймса Джинса
Иной гипотезы придерживался другой учёный, его зовут Джеймс Джинс . В начале нашего столетия он предположил, что некогда рядом с Солнцем пролетала массивная звезда и своим тяготением вырвала часть солнечного вещества. Это вещество положило начало всем планетам солнечной системы.
Рис. 6
Рис. 7. Гипотеза возникновения Солнечной системы
Гипотеза Отто Шмидта
Наш соотечественник – Отто Юльевич Шмидт в 1944 году выдвинул свою гипотезу о происхождении Солнца и планет. Он полагал, что миллиарды лет назад вокруг Солнца вращалось гигантское газово-пылевое облако, это облако было холодным. Со временем облако уплощалось, образовались сгустки. Эти сгустки стали вращаться по орбитам, постепенно из них сформировались планеты.
Рис. 8
Рис. 9. Гипотеза возникновения Солнечной системы
Отто Шмидт родился 18 сентября 1891 года. В детстве работал в лавке письменных принадлежностей. Деньги на обучение одарённого мальчика в гимназии нашлись у его латышского дедушки Фрициса Эргле. С золотой медалью окончил гимназию в Киеве (1909). Окончил физико-математическое отделение Киевского университета, где учился в 1909-1913 годах. Там же под руководством профессора Д. А. Граве начал свои исследования в теории групп.
Один из основателей и главный редактор Большой советской энциклопедии (1924-1942). Основатель и зав. кафедрой высшей алгебры (1929-1949) физико-математического / механико-математического факультета МГУ. В 1930-1934 годах руководил знаменитыми арктическими экспедициями на ледокольных пароходах «Седов», «Сибиряков» и «Челюскин». В 1930-1932 гг. директор Всесоюзного арктического института, в 1932-1938 гг. начальник Главного управления Северного морского пути (ГУСМП). С 28 февраля 1939 года по 24 марта 1942 года был вице-президентом АН СССР.
Как Вы заметили, гипотезы Канта, Лапласа и Шмидта во многом схожи, и они легли в основу современной теории о происхождении солнечной системы и Земли в том числе.
Современная гипотеза
Современные учёные предполагают , что Солнечная система, то есть Солнце и планеты, возникли одновременно из гигантского холодного газово-пылевого облака. Это облако межзвездного газа и пыли вращалось. Постепенно в нём стали образовываться сгустки. Центральный, самый крупный сгусток, дал начало звезде – Солнцу. Внутри Солнца стали происходить ядерные процессы, и из-за этого оно разогрелось. Остальные сгустки положили начало планетам.
Рис. 10. Первый этап
Рис. 11. Второй этап
Рис. 12. Третий этап
Рис. 13. Четвертый этап
Как видите, представления учёных о возникновении нашей Солнечной системы и Земли складывались постепенно. На сегодняшний день остаётся очень много спорных, невыясненных вопросов, которые предстоит решать современной науке.
1. Мельчаков Л.Ф., Скатник М.Н. Природоведение: учеб. для 3,5 кл. сред. шк. – 8-е изд. – М.: Просвещение, 1992. – 240 с.: ил.
2. Бахчиева О.А., Ключникова Н.М., Пятунина С.К. и др. Природоведение 5. – М.: Учебная литература.
3. Еськов К.Ю. и др. Природоведение 5 / Под ред. Вахрушева А.А. – М.: Баласс.
1. Строение и жизнь Вселенной ().
Основным документом, при помощи которого исследуют историю Земли, служит горная порода.
Самые древние свидетельства, имеющиеся в нашем распоряжении, относятся к архейскому времени. Они-то и являются для историка Земли исходными, но очевидно, что хотя многие из древних пород (например, уранинит из Манитобы) образовались около 2 млрд. лет назад, их вовсе нельзя рассматривать как действительное начало геологической летописи. Восстанавливать это начало приходится косвенными способами.
Две коренные проблемы нуждаются в освещении: происхождение Земли и возникновение на ней жизни. Поколения учёных трудились над этими вопросами, но лишь советской науке, вооружённой методом диалектического материализма, оказалось под силу разгадать в общей форме обе мировые загадки.
Наиболее достоверную теорию происхождения планет солнечной системы разработал О. Ю. Шмидт. Теория исходит из факта вращения Галактики и наличия в её центральной плоскости тёмных облаков космической пыли и газа. Солнце, участвуя в галактическом вращении, захватило и увлекло за собой часть такого облака. Возможно также, что Солнце само возникло из подобного облака и захватило вещество из собственной материнской среды. Но в обоих случаях оно оказалось внутри обширного роя твёрдых частиц, двигавшихся вокруг него под влиянием притяжения по эллиптическим орбитам. Пылинки, твёрдые тельца, сталкиваясь в неупругих ударах, теряли часть своей кинетической энергии (она превращалась в теплоту, излучаемую в пространство), что привело сначала к уплотнению роя, а при достижении последним некоторой критической плотности - к образованию сгущений, которые, неоднократно дробясь и снова объединяясь, в конце концов сложились в планеты.
Вблизи Солнца захваченное облако быстро редело: одни его частицы падали на Солнце, другие оттеснялись лучевым давлением к внешней зоне системы; летучие компоненты твёрдых телец испарялись под действием солнечного нагрева. Оттого вблизи Солнца образовались плотные, но сравнительно небольшие планеты, а вдали от него, где такого обеднения исходного материала не было и сохранились газы в твёрдых частицах, возникли планеты большие, но гораздо менее плотные. Этим и объясняется характерное деление планет на внутренние (Меркурий, Венера,. Земля, Марс), обладающие малыми размерами, высокой плотностью, медленным вращением вокруг оси и ограниченным числом (или отсутствием) спутников, и внешние (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун), отличающиеся крупными размерами, малой плотностью, быстрым вращением на оси и большим числом спутников. На самой далёкой окраине облака, где материнский рой сходил на нет, из его остатков возник маленький Плутон (и, возможно, ещё несколько небольших планет, пока не открытых).
Частицы, захваченные Солнцем, могли первоначально двигаться в различных плоскостях, но всё же большинство орбит должно было совпадать с какой-то преобладающей плоскостью. В отношении преобладающей плоскости частицы могли сначала двигаться как в прямом, так и в обратном направлении, но, вследствие неравномерного распределения плотности роя, и здесь одно из направлений должно было стать господствующим. Наконец, эллиптические орбиты частиц могли вначале иметь различно ориентированные оси; однако, взаимодействуя при сближении, тельца взаимно возмущали свои орбиты, что и привело к равномерному распределению осей, т. е. придало орбитам круговую (или очень близкую к ней) форму. Так осреднением динамических и физических характеристик пылинок при слипании их в более крупные тела объясняет теория О. Ю. Шмидта тот факт, что все планеты обращаются вокруг Солнца в одном направлении и имеют почти одинаковые круговые орбиты, лежащие почти в одной плоскости.
Ни одна из многочисленных прежних гипотез не могла объяснить, свойственное солнечной системе распределение момента количества движения: Солнце, обладающее 99% общей массы системы, содержит только 2% момента количества движения, тогда как планеты со своей ничтожной суммарной массой имеют вместе 98% момента количества движения. Момент количества движения есть произведение массы тела на его скорость и на его расстояние от центра вращения. В системе тел момент количества движения есть сумма моментов отдельных тел. Теория Шмидта полностью решает вопрос. Пылевая материя могла быть захвачена Солнцем как на близком, так и на далёком расстоянии. В последнем случае она будет обладать очень большим моментом количества движения. При сложении частиц в планеты этот момент сохраняется.
Наконец, теория впервые научно обосновывает закон планетных расстояний, установленный давно чисто эмпирически, но до последнего времени не поддававшийся истолкованию, и предвычисляет, что расстояния планет от Солнца (в астрономических единицах) должны быть такие: Меркурия 0,39, Венеры 0,67, Земли 1,04, Марса 1,49, Юпитера 5,20, Сатурна 10,76, Урана 18,32, Нептуна 27,88 и Плутона 39,44. Сравнение с действительными расстояниями обнаруживает прекрасное совпадение.
Образование планетных систем в недрах нашей и других галактик закономерно и неизбежно, так как облаков тёмной материи во вселенной много, и звёзды либо возникают из этих скоплений, либо встречаются с ними при своём движении. Мы не видим других планетных систем только потому, что современные астрономические средства наблюдения не позволяют этого.
Из теории О. Ю. Шмидта вытекает, что Земля возникла как холодное тело, так как частицы породившего её роя, вследствие равновесия между поглощением ими солнечного тепла и его обратным излучением в пространство, имели температуру около +4°. Нынешнее тепло внутри Земли - результат последующего разогрева под действием распада радиоактивных веществ. Земля создавалась путём беспорядочного накопления частиц самого различного удельного веса. По достижении планетой определённых размеров началась в вязкой среде гравитационная дифференциация: более плотные вещества очень медленно стали опускаться к центру Земли, более лёгкие всплывать кверху, увлекая с собой и геохимически связанные с ними некоторые тяжёлые минералы (в том числе радиоактивные, чем и объясняется современная концентрация последних в наружных слоях). Этот процесс вряд ли закончился, и дифференциация, сопровождаемая выделением не меньшего количества энергии, чем радиоактивный распад (порядка 6 Х 10 27 эргов, или 10 20 калорий в год), всё ещё играет роль мощного механизма вертикальных перемещений масс в земных недрах.
На определённом этапе (когда масса Земли стала значительной) образовалась атмосфера. Газы были и в захваченном Солнцем пылевом облаке, но всё же в основном первичная атмосфера образовалась в результате «выжимания» газов из недр планеты. Источник земной атмосферы - сама Земля. Древнейшая атмосфера отличалась от нынешней тем, что в ней отсутствовали свободный азот и кислород, но было много паров воды, аммиака и углекислого газа.
Возникновение источников внутренней энергии - радиоактивного распада и гравитационной дифференциации - положило начало тектонической деятельности Земли, - поднятиям и опусканиям обширных участков холодной земной поверхности и процессам вулканизма; появились изверженные породы. Во впадинах литосферы скопилась вода, - обозначилось разделение суши и моря. Под действием воды, воздуха и солнечной радиации начались процессы выветривания, переноса обломочного материала и образования первых осадочных пород.
Неизвестно, когда занялась над пустынной Землёй заря жизни, но произошло это наверное до архея. В самих архейских толщах достоверных остатков организмов нет, однако имеются известковые и углистые породы, возникновение которых чаще всего связано с деятельностью и гибелью животных и растений. Кроме того, организмы, найденные в протерозое, отличаются сложным устройством и обязательно должны были иметь предков, гораздо проще устроенных; если предки эти жили в архее, то жизнь должна была появиться ещё раньше.
Жизнь в тех формах, в каких мы её знаем, возможна лишь на планетах и притом в совершенно определённых условиях. Существование её где-нибудь на раскалённых телах (звёздах) или в межзвёздном пространстве невероятно: в первом случае мешают высокие температуры, во втором случае немыслим обмен веществ. Но и не на всех планетах имеется необходимая для жизни обстановка: одни из них, расположенные близко к звезде, слишком горячи, другие, лежащие далеко от звезды, слишком холодны; одни планеты потеряли атмосферу, у других она состоит из ядовитых газов. Единственно на твёрдой поверхности, в присутствии воды и воздуха благоприятного состава и при наличии надлежащего температурного режима, могут появиться первые комки протоплазмы. В солнечной системе жизнь имеется в расцвете на Земле, в стадии угасания на Марсе и в стадии зарождения на Венере. Несмотря на указанные ограничения условий для жизни, живое в мире не может быть исключительным явлением, свойственным только окрестностям нашего Солнца: даже если в каждой галактике есть хотя бы только одна планета, заселённая организмами, число таких очагов жизни в бесконечной Вселенной не поддаётся исчислению.
Живое вещество - особая стадия развития неорганической материи. Жизнь действительно возникла, а не существовала вечно, как это утверждают некоторые авторы. Идея о вечности жизни, т. е. об изначальном бытии (наряду с простой, неорганизованной материей) таких сложных образований, к каким относятся даже простейшие белковые молекулы, отрицает развитие материи, т. е. направлена вразрез с истиной, научно обоснованной и доказанной.
Открытие общих путей происхождения жизни на Земле принадлежит советскому учёному А. И. Опарину.
Теория А. И. Опарина опирается на факты широкого распространения во вселенной углерода (основного элемента, из которого построены органические вещества) и высокую способность атомов углерода соединяться друг с другом или с атомами других элементов. В разных видах и соединениях углерод обнаружен в звёздах, на планетах и в метеоритах, - в последних либо самородный (графит, алмаз), либо в форме карбидов (соединений с металлами) и углеводородов. Нет оснований отрицать присутствие углерода и в частицах пылевой материи, из которых образовалась Земля; в ныне существующих в Галактике газо-пылевых туманностях недавно установлено наличие водорода, метана, аммиака и воды (льда). Стало быть, углерод и его простейшие соединения в виде углеводородов вошли в состав нашей планеты в первые же дни её рождения.
История углерода на Земле - это сначала история бесчисленного количества химических реакций и дальнейшего взаимодействия углеводородов с парами воды и аммиаком. В результате возникали новые, более сложные вещества, построенные уже из углерода, кислорода, водорода и азота, способные к новым реакциям между собой и с окружающей средой в первичных морях и лагунах, куда они попали из атмосферы. В хаосе этих реакций наметился, в конце концов, путь образования и накопления всё более сложных высокомолекулярных соединений, в том числе и подобных белкам.
В смешанном растворе белковых веществ молекулы разных белков собираются обычно в небольшие агрегаты, имеющие вид капель, плавающих в воде, - явление это называется коацервацией. И если первичные, более простые органические соединения были равномерно рассеяны в воде и от последней не обособлены, то после возникновения белковоподобных соединений произошёл знаменательный скачок: началось обособление коацерватных капель, т. е. противопоставление белковоподобных соединений окружающей их среде. Коацерватная капля - это уже нечто индивидуальное, обладающее своей, хотя ещё и нестойкой, структурой; каждая легко притягивает частицы извне, поглощает их, вступает с ними в химические соединения, которые могут и остаться в капле, следовательно - повести её к росту и внутренней химической перестройке либо к распаду. Если синтез в капле при данных условиях внешней среды идёт быстрее распада - капля становится динамически устойчивой, если распад быстрее синтеза - она разрушается. В коацерватных каплях природа как бы делает первые опыты обмена веществ. Только динамически устойчивые капли (что зависело от их индивидуальных особенностей) могли длительно существовать, расти и «размножаться» делением, а такими могли стать лишь те немногие, качества которых непрерывно изменялись в совершенно определённую сторону, обеспечивающую постоянное самовосстановление всей капли в целом. Возникновение капли с внутренне организованной последовательностью химических реакций, т. е. капли динамически весьма устойчивой и способной к самовоспроизведению, и было тем новым скачком, в результате которого сложное, но неживое органическое образование стало живым существом. По мнению некоторых биологов, приобретение белковоподобными соединениями в ходе их развития основных признаков живого не нуждается в стадии комплексных «надмолекулярных» белковых систем (коацерватных капель): такие признаки неизбежно должны были со временем возникнуть при определённых условиях в самой молекуле первичного белка.
Комочки первозданной жизни не имели ещё клеточной структуры; прошли тысячелетия, прежде чем развились древнейшие одноклеточные организмы, предки многоклеточных. Прошли также тысячелетия, прежде чем изменился и способ питания первых организмов, которые сначала использовали для этой цели только органические вещества, но затем, в связи с уменьшением запасов этой пищи, были как бы поставлены перед выбором: либо погибнуть, либо приобрести умение питаться неорганическими соединениями. В дальнейшем в протоплазме одной группы организмов выработались пигменты, послужившие толчком к появлению простейших растений типа синезелёных водорослей, способных к ассимиляции CO 2 . Водоросли не только резко увеличили количество органического вещества в природе, но и освободили другие группы живых существ от необходимости эволюционировать в сторону автотрофности; эти группы, питавшиеся теперь водорослями, остались гетеротрофными и тем самым стали родоначальниками будущего мира животных.
Колыбелью жизни считают море. Это предположение, хотя и подвергалось сомнению, никогда не было опровергнуто убедительными доводами. Море - исключительно подходящая среда для развития организмов: вода как подвижная стихия обеспечивает приток пищи даже сидячим или пассивно плавающим организмам; море содержит в огромных количествах самые разнообразные вещества, необходимые организмам; наконец, значительная стабильность физических условий и химического состава морской воды делает обмен веществ между организмом и средой не случайным процессом, а регулярным и притом протекающим в постоянно благоприятных условиях. Однако речь идёт прежде всего о прибрежных частях моря, где взаимодействие литосферы, гидросферы и атмосферы, т. е. вся сумма географических условий, наиболее содействует поддержанию жизни.
Мы попытались нарисовать вероятную картину развития Земли и её ландшафтной оболочки за огромный период, предшествующий архею. За этот промежуток времени, охватывающий 3-4 млрд. лет, Земля прошла через следующие этапы:
1. Стадия первоначального сгустка материи в материнском пылевом облаке.
2. Стадия небольшой планеты (сравнимой по объёму с нынешним Меркурием), уже способной удерживать около себя постоянную газовую оболочку. Зачатки тектонической деятельности (источники энергии: распад радиоактивных веществ и, возможно, начало гравитационной дифференциации). Выделение с изверженными породами газов Н 2 O, CO 2 и NH 3 и включение их в состав первичной атмосферы.
3. Земля достигает современных размеров. Её внешняя каменная оболочка - вероятно, базальтового состава. Накопление неживого органического вещества и развитие его в сторону образования высокомолекулярных соединений.
4. Появление доклеточных форм жизни. Организмы только гетеротрофные.
5. Появление одноклеточных организмов и возникновение ветви автотрофных живых существ. Обогащение атмосферы свободным кислородом и азотом за счёт жизнедеятельности микроорганизмов.
Обратимся теперь к более поздним периодам жизни Земли. Несмотря на скудость материалов, мы всё же располагаем здесь многими вполне достоверными фактами, на основании которых удаётся вывести достаточно надёжные общие заключения. Развитие ландшафтной оболочки на протяжении геологического времени разбивают на несколько этапов: самые древние и плохо известные удобно объединить под собирательным названием «докембрийских»; за ними следуют этапы каледонский, герцинский (или варисцийский) и альпийский.