1.2. Экопланета Земля

В широком смысле слова вся Земля является домом для жизни, поэтому её называют биопланетой, экопланетой.

Существует немало блестящих научных гипотез, объясняющих особенности возникновения и дальнейшей эволюции планеты Земля. Несмотря на различные подходы (от «холодного твердого» до «горячего жидкого» состояния первичной Земли и от однородного до резко дифференцированного по глубине состава первичного вещества), все они должны учитывать главное – существование на Земле уникального явления Космоса – биосферы.

По современным представлениям планеты нашей Солнечной системы образовались из вещества гигантского газового или газово – пылевого протопланетного облака. Вероятно, взрыв сверхновой звезды в относительной близости от протопланетного облака ускорил консолидацию (объединение) вещества и обогатил его радионуклидами. На определенном этапе эволюции протопланетного облака сформировались довольно крупные твердые тела (так называемые планетезимали), в результате срастания которых и возникла Земля.

Считается, что когда Земля доросла примерно до своей современной массы (около 4,5 – 4,6 млрд. лет назад), она нагрелась, в основном за счёт энергии радиоактивного распада нестабильных изотопов, а также кинетической энергии от столкновения планетезималей. В результате такого нагрева и последующего остывания, вызвавших дифференциацию вещества в поле силы тяжести, и сформировались основные оболочки Земли – внутреннее твёрдое ядро, внешнее жидкое ядро, мантия, земная кора, гидросфера, атмосфера, отличающиеся химическим составом и качественно различным состоянием вещества (табл. 1.1).

Таблица 1.1. Характеристика оболочек Земли (Войткевич, 1996).

Оболочка	Обозначение*	Интервал глубин, км	Интервал плотности, г/см3	Состав (преобладающие элементы)
Кора	(А)	0 – 33	2,7 – 3,0	O – Si – Al – Fe – Ca – Mg
Мантия	(В) (С) (D)	33 – 400 400 – 1000 1000 – 2900	3,32 – 3,65 3,65 – 4,68 4,68 – 5,69	Оливины и пироксены Плотные Mg и Si O – Si – Mg – Fe ?
Ядро	(E) (F) (G)	2900 – 5000 5000 – 5100 5100 – 6371	9,40 – 11,5 11,5 – 12,0 12,0 – 12,3	Расплавленные металлы Fe + Ni + S ? Твердые металлы ??

* Буквенные обозначения по К. Буллену: А – земная кора; В – верхняя мантия; С – переходная (средняя) мантия; D – нижняя мантия; Е – внешнее ядро; G – внутреннее ядро

Вещество современной биосферы имеет три главных источника химических элементов (Добродеев, 1996):

- Первый источник – это та часть вещества, которая аккумулировалась на самой поверхности Земли во время заключительной фазы формирования планеты из вещества протопланетного облака и вошла в пределы биосферы.

- Второй источник – из Космоса продолжает поступать вещество в составе астероидов, комет, метеоритов, метеорной пыли. Интенсивность поступления космического вещества в настоящее время оценивается примерно в n  10⁶ т/год.

- Третий источник – поступление вещества из глубин Земли в виде магматических пород и продуктов вулканической деятельности.

Очевидно, что значение каждого из указанных выше источников поступления химических элементов менялось на протяжении геологической истории. Характер процессов трансформации вещества в термодинамическом поле Земли на молекулярном уровне, приведших к образованию земной коры, атмосферы и гидросферы, а тем более вопросы появления жизни на Земле до сих пор служат предметом оживленных научных дискуссий.

Необходимо отметить следующее:

• В течение всего времени существования Земли происходили процессы дифференциации вещества, выражением которых является оболочечное строение нашей планеты.

• Земная кора, гидросфера и атмосфера образовались в основном в результате высвобождения веществ из верхней мантии первичной Земли

• Первичная атмосфера Земли практически не содержала дикислорода (О₂) и состояла из диоксида углерода (СО₂) и азота (N₂) с примесью водорода (Н₂) и паров воды.

• Определенную роль в формировании гидросферы могла сыграть вода, поступившая на первичную Землю в составе метеоритов и комет. Океаны образовались около 3,8 млрд. лет назад. Рассматривается и гипотеза биогенного происхождения воды.

• Время появления жизни на Земле окончательно не установлено. Максимальный возраст пород, в которых обнаружены проявления жизнедеятельности организмов, составляет более 3,5 млрд. лет.

• Живое вещество биосферы и даже вся биосфера составляют малую долю от объема и массы Земли (табл. 1.2). Тем не менее, живое вещество оказало решающее влияние на формирование атмосферы, гидросферы и земной коры.

• Нет никаких оснований полагать, что грандиозные процессы, происходящие во внутренних геосферах Земли (нижней мантии, ядре) оказывают на биосферу меньшее влияние, чем, например, падение крупных небесных тел.

Таблица 1.2.

Соотношение между массой живого вещества и массой других компонентов экопланеты Земля (округленно).

Компонент	Масса, т
Земля Ядро Мантия Земная кора Гидросфера Атмосфера Живое вещество	6,0 . 1021 1,9 . 1021 4,0 . 1021 2,8 . 1019 1,5 . 1018 5,2 . 1015 2,0 . 1012

Задание 1.1. Изобразите в масштабе, сделайте схемы цветными:

а) соотношение между биосферой и другими геосферами (оболочками) Земли по вертикальной мощности (пусть окружность с d = 6,371 см приближенно соответствует схеме земного шара в разрезе); приведите обозначения, используя данные табл. 1.1.

б) соотношение между массой живого вещества и массой земной коры, гидросферы и атмосферы; приведите значения (по табл. 1.2).

в) соотношение между массой земной коры, мантии и ядра Земли (по типу экологических пирамид); приведите значения (по табл. 1.2).

Известная на сегодняшний день уникальность биосферы Земли во Вселенной неизбежно «подталкивает» к представлению о единственно возможном, единственно приемлемом для живого сочетании физических и химических характеристик планеты с самого начала её образования, а также «внешних и внутренних предпосылок» формирования биосферы и даже зарождения жизни на Земле.

Среди таких «уникально благоприятных для живого вещества» параметров часто называются следующие:

• Масса современной Земли (5,976  10²⁷ г). Если бы Земля имела меньшую массу, она не смогла бы удержать воздушную и водную оболочки. Напротив, если бы масса земного шара была значительно больше, на ней в большем количестве удерживались бы такие легкие газы как водород и гелий, что могло погубить земную жизнь;

• Магнитное поле Земли, наличие которого большинство исследователей связывает с гипотетическими процессами, происходящими в ядре планеты, защищает жизнь от губительного воздействия солнечного ветра и космических излучений;

• Орбитальные характеристики Земли при движении вокруг Солнца, угол наклона земной оси к плоскости её орбиты, форма и размеры планеты, скорость вращения вокруг собственной оси обусловливают главнейшие черты радиационного и термического режима Земли, благоприятного для существования живого вещества, а также явления зональности и ритмичности в географической оболочке, биосфере и экосфере.

К подобным суждениям нужно относиться с известной долей осторожности. Во всяком случае, открытие в конце ХХ века на самой Земле очень продуктивных автономных экологических систем глубоководных гидротерм («курильщиков»), в которых живые организмы существуют в условиях полного отсутствия солнечного света, при температурах более 250 ⁰С и гигантском давлении, в растворах, насыщенных тяжелыми металлами и сероводородом, значительно изменили наше представление о «благоприятных» условиях для живого вещества.

И всё же крупнейшие специалисты в этой области В.Е. Хаин и Н.В. Короновский (2008) отмечают, что «... особенности нашей Земли всё больше убеждают в её уникальности, так как сочетание этих особенностей в каком-то другом объекте представляется весьма маловероятным. ...

1. Расположение Земли в Солнечной системе внутри орбиты планет-гигантов, прежде всего Юпитера, обеспечивающее по заключению астрономов, устойчивость её собственной орбиты.

2. Присутствие в непосредственной близости к Земле её массивного спутника Луны, образующего с Землёй как бы двойную планету и придающего устойчивость положению оси вращения Земли, испытывающей смещение лишь в очень ограниченных пределах.

3. Оптимальный размер Земли, по сравнению с такими планетами земной группы как Меркурий и Марс, способствовавший сохранению внутри планеты её жидкого внешнего ядра, что, в свою очередь, обеспечило возникновение и существование магнитосферы с защитными поясами, предохраняющими биосферу от губительного воздействия космического излучения.

4. Определённый размер Земли способствовал тому, что её гравитационное поле смогло удержать достаточного объёма атмосферу, в отличие от утраченной или почти утраченной Меркурием и Марсом.

5. Перепад температур между внешним ядром Земли и её поверхностью обеспечил проявление в мантии конвекции и адвекции, породивших плейт- и плюм-тектонику и, как их следствие, магматизм, создавший, с одной стороны, земную кору с её разнообразием химических элементов (см. ниже), и, с другой стороны, вулканизм с выделением углекислого газа, столь необходимого для развития наземной растительности – основного продуцента кислорода, потребляемого животными организмами.

6. Тектоника плит, как отметил американский геофизик Р. Бострем, выполняет ещё одну важную функцию – она удаляет, путём субдукции, с поверхности Земли избыток воды и углекислоты. Их излишнее накопление в атмосфере могло бы привести, как и на Венере, к образованию чрезмерно плотной атмосферы и, соответственно, возникновению такого значительного парникового эффекта, который бы создал на поверхности планеты слишком высокую температуру.

7. То обстоятельство, что диапазон колебаний температуры на поверхности Земли оказался столь благоприятным для расцвета жизни, в первую очередь было предопределено положением Земли по отношению к Солнцу, в отличие от ближайших соседей: чрезмерно горячей Венеры и чрезмерно холодного Марса. Другим фактором, ограничивающим колебания температуры, является ограниченность колебаний в составе атмосферы углекислого газа и метана и, следовательно, масштаба парникового эффекта. Последнему способствовала также роль живых организмов, которые, как убедительно показал швейцарский учёный китайского происхождения К. Хсю (Hsu, 1992), играют роль естественных кондиционеров (подробнее см. книгу В.Е. Хаина, 2003, с. 334 – 335).

8. Тектоника плит, кроме сказанного выше, могла ещё одним способом помочь, если не возникновению, то первичному развитию жизни на Земле, если признать справедливыми предположения ряда учёных о том, что это происходило в пределах рифтовых зон спрединговых срединно-океанских хребтов и их гидротерм. При этом роль катализаторов могли играть смектиты – продукты подводного выветривания гиалокластитов. Согласно другой версии происхождения жизни из неживого вещества, развиваемой Э.М. Галимовым (2001), этому переходу должна была соответствовать восстановительная атмосфера, существовавшая на самой ранней стадии эволюции Земли.

10. Одной из самых необходимых предпосылок развития жизни на Земле является присутствие на её поверхности жидкой воды. Недаром так упорно искали воду на Марсе и в конце концов нашли. По последним данным, вода на Земле могла появиться уже вскоре после её образования, 4,2 – 4,3 млрд. лет назад.

11. Дифференциация мантии под воздействие плейт- и плюм-тектоники, как уже отмечалось, привела к созданию земной коры, содержащей весь необходимый для развития органической жизни и её высшей формы – человеческой цивилизации – набор химических элементов. Сюда входят скелетообразующие кальций, магний, кремний, фосфор, необходимые для развития цивилизации металлы: медь, железо, марганец, алюминий, титан. В свою очередь само развитие органической жизни подготовило для человеческого общества запасы энергетического сырья, последовательно используемого им для своих нужд – древесины, угля, нефти, газа (сначала свободного, а в ближайшем будущем в виде газгидратов). Не следует забывать и про водород, и про уран.

12. Помимо процессов глубинной дифференциации, определённое значение имело накопление полезных химических элементов в корах выветривания и в почвенном слое в результате взаимодействия земной коры с атмосферой и биосферой» [12].