3. 4. 3 Самоорганизация и эволюция земли

1. Общая характеристика планеты

Современная Земля представляет собой слегка сплюснутый к полюсам шар, движущийся почти по круговой орбите радиуса 149,6 млн. км со средней скоростью около 30 км/с. Его средний радиус ~ 6370 км, масса 5,98 10²⁴ кг, период обращения вокруг Солнца 355,25 суток, угол наклона оси к плоскости орбиты 66^о 34´, период обращения вокруг собственной оси 23 часа 56 минут 4,09 секунд. Земля является своеобразным волчком, ее ось медленно прецессирует (лат. praecessio — движение впереди, движение оси вращения, при котором она описывает коническую поверхность вокруг некоторого среднего положения). Вместе со всей Солнечной системой Земля обращается вокруг центра нашей галактики. Участие Земли в этих движениях определяет периодичность поступления солнечной энергии на различные участки поверхности, смену периодов похолодания и потепления, времен года, зональность распределения растительного и животного мира. Земля — единственная из девяти известных планет Солнечной системы, где с течением времени сложились и сегодня имеются в наличии условия для существования живого вещества.

Методом ядерной космохронологии установлено, что возраст Земли 4,5-5 млрд. лет. Согласно современным гипотезам формирование Земли как планеты происходило в первые сотни миллионов лет ее жизни. При этом определяющее значение имели:

— сложный характер ее механического движения;

— гравитационное взаимодействие с другими космическими телами;

— тепловые процессы во внутренних областях Земли;

— периодически изменяющиеся потоки солнечной энергии;

— теплообмен с окружающей средой.

В ранний период ее становления как геологического тела самоорганизация осуществлялась за счет физико-химических процессов по сценарию, описанному для открытой термодинамической системы, в которой со временем установился баланс между энергией, рассеиваемой в космическое пространство, и энергией, получаемой от Солнца. Циклические повторения периодов оледенения и потепления, связанные с разными сочетаниями механических и тепловых состояний Земли, были своеобразными точками бифуркации в ее развитии. Важнейшей из них является стратификация (лат. stratum — слой, разделение на слои или фазы) вещества планеты и формирование первичной литосферы, атмосферы и гидросферы. Около трех с половиной миллиардов лет назад на Земле появились простейшие организмы и примитивная биосфера. Появление и развитие живого вещества стало очередной важной точкой бифуркации. Под влиянием его жизнедеятельности изменяется состав атмосферы и гидросферы, появляется гумусный слой, наряду с абиотическими факторами важную роль начинают играть биотические. Следующей очередной точкой бифуркации стало появление человека и цивилизации, кардинально изменивших облик Земли.

2. Физические оболочки Земли

Земля вместе с атмосферой, ионосферой и магнитосферой образует гигантскую физическую систему, состоящую из множества подсистем, находящихся в той или иной степени взаимодействия. Развитие космонавтики позволило достаточно хорошо изучить внешние сферы. О процессах, протекающих внутри Земли, мы можем судить по данным о вулканической деятельности, движению литосферных плит, землетрясениям. Для изучения внутреннего строения Земли используется бурение. Однако самая сверхглубокая скважина на Кольском полуострове достигла едва двенадцати километров от поверхности. О строении и особенностях литосферы до этой глубины мы получаем сведения, исследуя добытые при бурении образцы пород. Для исследования более глубоких слоев широко используют геофизические (прежде всего, сейсмические) методы. Однако и здесь остается масса вопросов. Поэтому о составе и строении глубинных внутренних сфер Земли имеются лишь предположения и модельные представления.

Понижение температуры планеты в первые сотни миллионов лет ее существования и стратификации вещества привели к появлению земной тверди. В процессе самоорганизации наиболее тяжелые элементы образовали ядро, мантию и земную кору. Ядро планеты имеет радиус около 3000 км, температура его внутренних областей достигает 5000К. Но огромные давления препятствуют плавлению. Предполагается, что центральная часть ядра находится в твердом состоянии и имеет железно-никелевую основу (отсюда и мощное магнитное поле).

Над ядром находится самая мощная оболочка — мантия. Ее толщина около 3000 км. Температура мантии на границе с земной корой — около 500К, на границе с ядром — свыше 2000К. Мантия напоминает слоеный пирог. На разных глубинах ее вещество находится в разных состояниях: пограничный с ядром слой — в твердом, более высокие слои — в жидком; слои, находящиеся на глубине около 300 км (астеносфера) — в размягченном.

Поверхностный слой тверди — земная кора. Самые верхние ее слои — осадочные породы, далее идет гранитное основание, а под ним — еще более плотные базальты. Ее толщина на материках составляет 35-70 км и 3-10 км в океане. Кора состоит из отдельных блоков — литосферных плит, которые впаяны в вещество мантии и медленно, со скоростью 1-5 см в год перемещаются, как бы ползут, по размягченной астеносфере. Это движение — результат сложного взаимодействия механического движения Земли и гигантской конвекции (лат. convectio — принесение, перемещение) тепла в ее внутренних слоях. В силу неоднородности в верхних слоях мантии возникают разрывы и сдвиги, что и приводит к подвижкам земной коры. Все это определяет особенности литосферных процессов (тектоника, образование островных дуг, океанических впадин, горных хребтов, изменение форм и очертаний материков и другие).

Первая теория дрейфа материков была разработана немецким геофизиком А. Вегенером (1880-1930), которая по сути является теорией эволюции земной коры. По его предположению когда-то на Земле существовал единый материк вблизи Северного полюса — Пангея. Около 350 млн. лет назад вследствие участия Земли в сложных механических движениях и процессов, протекающих внутри Земли, он разделился на два материка Лавразию и Гондвану, которые около 100 млн. лет назад распались на более мелкие куски, которые стали медленно дрейфовать к югу. Они-то и образовали современные материки. Использование методов математического моделирования в современной геофизике дает основание полагать, что есть тенденция к их сближению у южного полюса и образованию нового единого материка. Некоторые ученые полагают, что такие литосферные процессы на Земле происходили неоднократно с регулярностью в сотни миллионов лет.

Суша на поверхности Земли занимает 1/4 часть, 3/4 — вода. Водную оболочку — гидросферу образуют воды океанов, рек, озер, подземные воды, водяные пары атмосферы, шапки полярных и горных льдов. Гидросфера, это конечно не сфера в геометрическом смысле, а область распространения воды. Это самая тонкая оболочка. Ее масса составляет всего лишь 1/1000 долю всей массы Земли. Воды мирового океана перемещаются со скоростью 2-3 см/с, а в океанических течениях-5-10 см/с. Малый и большой круговороты воды поддерживают равновесие гидросферы и способствуют возобновлению запасов пресной воды. Большой круговорот полностью осуществляется примерно за 200 миллионов лет. Это время, в течение которого происходит самоочищение всех океанических вод.

Газовая оболочка — атмосфера простирается над поверхностью Земли почти на 200 км. Она состоит из нескольких сфер — тропосферы (до 20 км над уровнем моря), стратосферы (до 50 км), мезосферы (до 80 км) и термосферы. На высоте 30-50 км находится озоновый слой, предохраняющий живой мир Земли от жесткого космического излучения. Атмосфера состоит на 78% из азота, на 21 — из кислорода, 1% составляют вместе взятые инертные газы, двуокись углерода, метан, оксиды азота, водород, озон, пары воды и примеси. 4/5 всей массы воздуха находится в тропосфере. Хаотическое движение молекул способствует рассеянию атмосферы в космическое пространство, силы притяжения к Земле наоборот стремятся сосредоточить ее в тонком приземном слое. В результате действия этих факторов возникло определенное распределение частиц газа по высоте (распределение Больцмана), при котором плотность газа и его давление изменяются с высотой по экспоненциальному закону. Скорость перемещения воздушных масс атмосферы 5-7 м/с, в случае урагана — до 30 и выше. В атмосфере образуются облака, дождь, снег, циклоны, антициклоны, словом все, что определяет погоду. Атмосфера снабжает живые организмы кислородом для дыхания, защищает от космических излучений и метеоритов. Космическое и солнечное излучения, попадая в верхние слои термосферы, ионизуют разреженный газ и формируют ионосферу. Благодаря магнитному полю Земли на высоте 500-5000 км существует мощный радиационный пояс.

Все физические оболочки Земли представляют единый комплекс и находятся в тесном взаимодействии. Каждая из них представляет собой открытую самоорганизующуюся систему. Процесс их самоорганизации происходил (и происходит сейчас) под воздействием внешнего источника энергии — Солнца, внутреннего тепла Земли и сложного механического движения, в котором Земля принимает участие. Между ними существует множество прямых и обратных связей, которые реализуются благодаря малым и большим круговоротам веществ, обмену энергией и информацией. Флуктуации параметров в одной из сфер (температура, давление, плотность, изменение скорости перемещения и т. д. ) вызывают локальные, а иногда и глобальные изменения и в других сферах.

Химическая эволюция Земли происходила синхронно с ее геологической эволюцией. В результате активной вулканической деятельности в первые миллионы лет жизни Земли верхние слои литосферы обогащались тяжелыми химическими элементами, которые сосредотачивались в виде концентрированных запасов в отдельных точках Земли. При дегазации лав выделялись газы, которые стали основой первичной атмосферы — аммиак, цианиды, диоксид углерода, соединения серы, пары воды и другие.

На ранней Земле постепенно создались условия для абиотического синтеза простейших органических соединений. Насыщенная парами атмосфера обладала высокой электропроводностью, поэтому в изобилии происходили грозы. В каналах молний, где температура достигает нескольких тысяч градусов, происходил синтез сложных соединений. Первичная атмосфера не имела озонового слоя, что способствовало поступлению на Землю огромных количеств ультрафиолетового и рентгеновского излучений. Это в свою очередь содействовало протеканию фотохимических реакций, которые в обычных условиях были бы невозможны.

Атмосфера была очень тонкой и слабо препятствовала рассеянию тепла в окружающее околоземное пространство. Вследствие этого средняя температура поверхности Земли снизилась до 15-20^о С, что способствовало активной конденсации паров и образованию водоемов. Это произошло около 4 млрд. лет назад, о чем свидетельствует возраст найденных древних осадочных пород. Растворение всевозможных неорганических соединений в водах первичного океана и выпадение атмосферных осадков обогащали его солевой состав.

Гидросфера и атмосфера первобытной Земли практически не содержали свободного кислорода. Его выделение в чистом виде связано с появлением простейших живых организмов и, прежде всего, водорослей.

Косная материя не могла эффективно использовать солнечную энергию для самоорганизации, поэтому процессы эволюции шли медленно. И лишь с появлением живого вещества, интенсивность круговоротов многократно усилилась, появилась возможность за счет фотосинтеза более эффективно использовать солнечную энергию для формирования облика Земли. В результате взаимодействия геологических, химических и биотических процессов установился современный состав литосферы, гидросферы и атмосферы, которые существенно отличаются от раннего периода существования планеты. Однако и термодинамические процессы не потеряли своей значимости. Они и сейчас во многом определяют характер тектонических, атмосферных и гидросферных явлений.