2. Образование и эволюция планеты Земля

В науках о Земле давно сложились эволюционные представле­ния. При измерении возраста Земли сложилось понятие «геоло­гическое время», которое много больше времени существования человечества. Время образования Земли оценивается в 1,5 · 10¹⁷ с, появление земноводных — 7,5 · 10¹⁵ с, первобытного человека —5·10¹³ с, а средняя жизнь одного человека — 2 · 10⁹ с.

Первые представления о возрасте Земли складывались на основе учения об осадочных породах (XVII —XVIII вв.). Затем стали принимать во внимание останки древних организмов (биостратиграфия, XIX в.). В начале XX в. П. Кюри и Э. Резерфорд предложили ис­пользовать изотопную хронологию — радиологический метод. О возрасте объектов стали судить по соотношению материнских и дочерних изотопов радиоактивных элементов: урана —свин­ца, рубидия —стронция, калия —аргона. Их периоды полураспада 4 510 млн лет, 50 млрд лет, 1 280 млн лет, соответственно.

Изотопная хронология позволила уточнить возрасты пород Земли, самой планеты и построить геохронологическую шкалу. Земля образовалась 4,6 млрд лет назад путем гравитационной конденсации из рассеянного в околосолнеч­ном пространстве холодного газопылевого вещества, содержав­шего все известные в природе химические элементы. Первич­ное вещество сжималось, принимало форму шара, недра кото­рого разогревались как за счет давления и сильной радиоактив­ности, так и за счет падения межпланетных обломков и метео­ритов. С этим связана химическая дифференциация планеты на оболочки разного состава. Согласно компьютерным расче­там, первоначальная масса газопылевого облака, в котором об­разовалась Солнечная система, была более 104 М_с, размер — существенно превышал размеры Солнечной системы, а его со­став был аналогичен тому, что наблюдается в плотных холод­ных межзвездных туманностях (99 % межзвездного газа и 1 % межзвездной пыли).

Земля образовалась при температурах выше точки плавления составляющих ее веществ. В результате происходило перемеши­вание и расслоение — более легкие силикатные элементы выдав­ливались на поверхность, образуя земную кору, а тяжелые желе­зосодержащие породы опускались глубже, формируя ядро. Ра­диоактивный распад (в основном урана, тория и калия) еще боль­ше разогревал внутренние области нашей планеты. Разогрев со­провождался бурной вулканической деятельностью, из недр вы­делялись пары воды и газы, которые входили в состав земных пород. Водяные пары и газы образовали атмосферу. Вода, кон­денсируясь из пара при охлаждении Земли в океаны, образовала гидросферу.

Первичная атмосфера состояла в основном из водяного пара, углекислого газа, аммиака и метана. Кислород появился в атмо­сфере вначале из воды в результате фотодиссоциации. Но резкое изменение состава атмосферы произошло примерно 2 млрд лет назад в результате зарождения жизни. В составе живого веще­ства аккумулированы практически все наиболее распространен­ные элементы земной коры. За счет фотосинтеза содержание СО₂ уменьшилось, О₂ существенно увеличилось. Последние 200 млн лет состав атмосферы практически неизменен. Жизнь очень быс­тро завоевала пространство верхних оболочек Земли, вовлекая все возрастающие массы вещества в глобальный круговорот, что повлияло на эволюцию самой планеты.

По современным представлениям, ядро Земли состоит из внут­реннего — кристаллический шар диаметром 2 500 км, состоящий на 90 % из железа, и внешнего жидкого ядер. Ядро сначала фор­мировалось очень быстро до 2,6 млрд лет назад, затем его рост замедлился. В наши дни масса ядра увеличивается на 130 млрд т в год. Железная составляющая ядра ответственна за земной магне­тизм. Магнитосфера Земли простирается на сотни тысяч кило­метров. Она направляет потоки заряженных частиц солнечного ветра курсировать между полюсами, защищая тем самым все жи­вое от вредных излучений (подобно озоновому слою атмосферы).

Мантия Земли, расположенная от нижней части земной коры вплоть до земного ядра, находящегося на глубине 2 900 км, состо­ит из нижней, средней и верхней мантий. Постепенно из мантии исчезали соединения железа, опускаясь глубже, и легкие веще­ства (К₂О, Н₂, и др.) поднимались. Тем самым росло в процент­ном отношении количество оксидов кремния и магния (сейчас они составляют 83 % состава мантии против 56 % в первичном веществе). Вещество мантии жидкое, но обладает большой вязко­стью. Для него характерно наличие интенсивных конвективных движений, вызывающих перемещения литосферных плит и пере­носящих тепло от ядра Земли к другим геосферам. Сама мантия — совокупность конвективных ячеек, в каждой из которых вещество вдоль одной стенки поднимается из глубины и течет вдоль поверхности к другой стенке. Значит, эти движения организованы, пространственно упорядочены. Интенсивность са- моорганизованных конвективных потоков в мантии такова, что они оказались способны разломить первичную земную кору на литосферные плиты. Это явление геологи относят к возрасту Зем­ли около 1 млрд лет. Ближайшие к поверхности слои мантии — это литосфера и астеносфера.

Возраст земной коры составляет 4,5 —4,6 млрд лет. В 1950-е гг. выяснили, что в состав вещества, из которого формировалась Зем­ля, входили метеориты. Возраст метеоритов также 4,6 млрд лет. Средняя мощность земной коры 35 км (под океанами — 6 км, под материками — 60 км). С появлением атмосферы и гидросферы появились новые факторы — разрушение горных пород под дей­ствием ветра и воды, и процессы осаждения разрушенных пород. Земная кора делится на океаническую (плотную и однородную) и континентальную (более легкую и неоднородную по составу). Верхняя часть состоит из осадочных пород. В континентальной коре под осадочными породами располагаются гранитный и ба­зальтовый слои. Океаническая кора тоньше континентальной и не содержит гранитного слоя.

Согласно теории геотектоники, земная кора состоит из 15 жестких литосферных плит, которые плавают на горячем плас­тичном слое мантии. Зоны, ограничивающие плиты, образованы срединно-океаническими хребтами и глубокими океаническими же­лобами. Конвективные потоки в мантии медленно перемещают пли­ты со скоростями в несколько сантиметров в год. В области срединно-океанических хребтов плиты раздвигаются, горячая мантия поднимается вверх, распространяется в стороны от них, разрывая и расталкивая литосферные плиты. Вещество мантии заполняет об­разовавшиеся трещины. «Уничтожение» же участков поверх­ности Земли происходит вблизи океанских желобов. В этих участ­ках океаническая кора, надвигаясь на континентальную, проги­бается и вместе с осадочными породами уходит под нее. Эти про­цессы приводят к дрейфу континентов. Континенты могут рас­ходиться друг от друга, и между ними будут образовываться океа­ны, а также сближаться. Так, 300 — 200 млн лет назад существовал единый материк Пангея, который образовался из отдельных кон­тинентов, а потом эти континенты разошлись. Весь цикл, назван­ный суперконтенинтальным, длится около 440 млн лет — от на­чала образования единого материка, расхождения его частей на максимальное расстояние до объединения вновь в один материк.

По-видимому, переход Солнца в состояние белого карлика испарит верхнюю часть мантии — литосферу. Каждая из геосфер имеет большое значение для жизни на Земле. Так, литосфера об­ладает четырьмя экологическими функциями: ресурсной, геоди- намической, геохимической и геофизической.