Характеристика оболочек и ядра Земли

Название	Мощность, км	Объём, 1027 см3	Средняя плотность, г/см3	Масса, 1027г	Масса, %
Атмосфера (со стратосферой)	50…80	0,008	1,210-3 (210-6)	0,000005	0,00009
Гидросфера (в среднем)	3,8	0,00137	1,03	0,00141	0,024
Литосфера	30,0	0,015	2,8	0,043	0,7
Мантия	2870,0	0,892	4,5	4,054	67,8
Ядро	3471,0	0,175	10,7	1,876	31,5
Земля в целом	6371,0	1,083	5,527	5,974	100

Источником газообразных веществ, из которых состояла первичная атмосфера, были расплавленные горные породы земной коры, мантии и ядра. Это говорит о том, что атмосфера возникла уже после того, как Земля разделилась на оболочки. Крупнейший американский геохимик Г. Юри предполагает, что такая атмосфера могла состоять из смеси водяного пара, водорода, метана, аммиака и сернистого водорода. Английский геохимик П. Клауд считает, что в ранней атмосфере преобладали пары воды, углекислый газ, угарный газ, хлористый водород, водород и сера. Следовательно, в любом случае первичная атмосфера состояла из лёгких газов, которые удерживались у земной поверхности силами притяжения. Если сравнить древнейшую атмосферу с современной, то в ней отсутствовали привычные нам азот и кислород. Эти газы вместе с парами воды находились тогда в глубоких недрах Земли. Мало в то время было и воды: она в виде гидроксидов входила в состав мантийного вещества. Только после того как из пород верхней мантии стали интенсивно высвобождаться водяной пар и различные газы, возникла гидросфера, а толщина атмосферы и её состав изменились. Кстати, эти процессы продолжаются до сих пор. При извержении вулканов гавайского типа при температурах 1000-1200⁰ С в газообразных выбросах содержится до 80% паров воды и не менее 6% углекислого газа. Кроме того, в современную атмосферу выбрасывается большое количество хлора, метана, аммиака, фтора, бора и сероводорода. Можно себе представить, какое огромное количество газов выбрасывалось в глубокой древности во время грандиозных извержений.

Первичная атмосфера была очень агрессивной средой и действовала на горные породы как сильная кислота. Да и температура её была очень высокой. Но как только температура понизилась, произошла конденсация водяного пара.

Первичная атмосфера Земли сильно отличалась от современной. Она была значительно более плотной и состояла в основном из углекислого газа. Резкое изменение состава атмосферы произошло примерно 2 млрд. лет назад и связано с зарождением жизни. Растения каменноугольного периода в истории Земли поглотили большую часть углекислого газа и насытили атмосферу кислородом. Последние 200 млн. лет состав земной атмосферы практически остается неизменным. Сегодня атмосфера Земли обладает массой примерно 5,15·10¹⁸ кг, то есть меньше миллионной доли массы планеты. Вблизи поверхности она содержит 78,08% азота, 20,95% кислорода, 0,94 % инертных газов, 0,03 % углекислого газа и незначительное количество других газов. Давление и плотность в атмосфере убывают с высотой. Половина воздуха содержится в нижних 5,6 км, а вторая половина сосредоточена до высоты 11,3 км. На высоте 95 км плотность воздуха в миллион раз меньше, чем у поверхности. На этом уровне высоты уже растет доля легких газов, и преобладающими становятся водород и гелий. Часть молекул разлагается на ионы, образуя ионосферу. Выше 1000 км находятся радиационные пояса. Их тоже можно рассматривать как часть атмосферы, заполненную очень энергичными ядрами атомов водорода и электронами, захваченными магнитным полем планеты. Важную для человека часть атмосферы составляет озоносфера, содержащая очень тонкий (всего несколько см) слой озона. Она сосредотачивается на высоте 20-25 км. Озоносфера поглощает опасное для всего живого жесткое ультрафиолетовое излучение Солнца, благодаря чему на Земле сформировалась и существует жизнь.

В настоящее время имеются неопровержимые доказательства существования на Земле гидросферы ещё 3,8 млрд. лет назад. Свидетельством тому являются осадочные горные породы, обнаруженные в Гренландии и Южной Африке. Они образовались на дне древнейших морей.

Был ли тогда океан солёным? Каковы были размеры и глубина первичного океана? Ответить на эти вопросы очень непросто. Сегодня, рассматривая проблему состава первичного океана, учёные обычно выделяют два источника растворимых соединений. С одной стороны, в воде растворялись атмосферные газы, а с другой – соли, входящие в состав изверженных горных пород на дне Мирового океана и его берегах, а также то, что приносилось водами с суши. Не следует также забывать, что из атмосферы в воду поступали соединения серы, аммиак, хлористый и фтористый водород, а в воде, как известно, они образуют сильные кислоты, разъедающие горные породы на дне и берегах и извлекающие из них щелочные и щелочноземельные элементы. В результате в воде возникли соли, и поныне содержащиеся в водах Мирового океана. Не исключено, что солёность первичного Мирового океана мало отличается от современной.

По предварительным данным средняя температура морских вод в катархее и раннем архее составляла 90-150⁰ С, а атмосферное давление на земной поверхности оценивается примерно в 10-20 атмосфер. Оказалось, что в таких условиях вода не только не испаряется, но и не кипит. С течением времени в связи с изменениями состава атмосферы и её толщины атмосферное давление стало снижаться.

Водная оболочка Земли, представляющая гидросферу, покрывает более 70% поверхности Земного шара. Средняя глубина мирового океана достигает 4 км. Масса гидросферы примерно 1,46·10²¹ кг. Это в 275 раз больше массы атмосферы, но лишь 1/4000 от массы всей Земли. Гидросферу на 94% составляют воды Мирового океана, в которых растворены соли (в среднем 3,5 %), а также ряд газов. Верхний слой океана содержит 140 трлн. тонн углекислого газа, и всего лишь 8 трлн. тонн растворенного кислорода. Предполагают, что вода в виде паров, как и газы атмосферы, возникла в недрах Земли и поступила на поверхность в результате внутреннего разогрева совместно с более легкоплавкими веществами первичной мантии в процессе вулканической деятельности, а также в результате бомбардировки метеоритами поверхности Земли 4,5-4,3 млрд. лет назад.

Существует две гипотезы формирования нашей планеты: гипотеза горячего и гипотеза холодного начального состояния Земли. Первая из них считает, что образование Земли происходило в рамках общей космогонической схемы образования планет Солнечной системы. В зоне, близкой к Солнцу, где протопланетное вещество остывало медленно, и первыми начали конденсироваться наиболее тугоплавкие вещества, вначале оформилось протоядро Земли из наиболее тугоплавких металлов железа и никеля. При дальнейшем остывании облака начали конденсироваться силикаты металлов и соединения серы, которые очень быстро присоединились к ядру и стали впоследствии мантией. Когда температура облака стала почти такой, какую имеет Земля в настоящее время, стали конденсироваться более крупные молекулы и вода, а легкие газы были отброшены солнечным ветром.

Важнейшую роль в формировании Земли и ее химической эволюции сыграла радиоактивность, которая на планете была достаточно высока. Подвергаясь радиоактивному нагреву, она испытывала химическую дифференциацию, которая завершила формирование у нее внутреннего металлического ядра. От радиоактивного разогрева плавились остатки железной фазы, сохранившиеся в первичных мантиях, примесь сернистого железа облегчала это плавление. Металлическая и сульфидно-металлическая фазы, стекли в центральные области и сформировали четкие границы ядер. Более легкие элементы переходили вверх, формируя химический состав литосферы. Дегазация мантии при выплавлении легкоплавких фракций приводила к базальтовым расплавам, которые тоже изливались на поверхность планеты. Газовые компоненты, вырывающиеся вместе с ними, дали начало первичной атмосфере, которую Земля благодаря своей массе смогла удержать.

Вторая гипотеза холодного происхождения Земли говорит о том, что в процессе формирования Земли из частиц протопланетного облака ее масса постепенно увеличивалась. Росли силы тяготения, а, следовательно, и скорости частиц, падавших на планету. Кинетическая энергия частиц превращалась в тепло, и Земля все сильнее разогревалась. Энергия удара освобождалась не на поверхности, а на глубине, в слое толщиной порядка 1000 км. Она не успевала излучаться в пространство, оставаясь в недрах земли. В результате температура на глубинах 100-1000 км приблизилась к точке плавления. Повышение температуры вызвало распад короткоживущих радиоактивных изотопов. Первые возникшие расплавы, по-видимому, представляли собой смесь жидких железа, никеля и серы. Расплав накапливался, а затем вследствие более высокой плотности просачивался вниз, постепенно формируя земное ядро. Таким образом, формирование Земли и ее ядра уже на начальной стадии образования происходило за счет дифференциации вещества.

В настоящее время придерживаются идеи горячего образования Земли. Однако пока не решен вопрос, была ли Земля гомогенна или гетерогенна к концу своего формирования, образовались ли ядро, мантия и кора в результате гетерогенной аккреции или же наша планета создавалась из гомогенного материала, который затем подвергался дифференциации в процессе последующей геологической истории.

Из последней гипотезы следует, что при локальном разогреве и плавлении земных пород от ударов метеоритов происходило выделение газов и паров воды, содержавшихся в породах. Средняя температура Земли уже позволяла конденсацию воды, которая начала формирование гидросферы. Если это так, то океан и атмосфера существовали не только на протяжении истории Земли как сформировавшейся планеты, но и в течение основной фазы ее формирования. А это приводит к очень интересному заключению о том, что некоторое количество кислорода присутствовало в атмосфере Земли еще до того, как возникла на ней биосфера.

Сегодня Земля – единственная, известная нам, планета Солнечной системы, на которой существует белковая жизнь. Судя по набору химических элементов, присутствующих на Земле, она является планетой второго поколения Вселенной. Только на этой планете самоорганизация вещества достигла необычайно высокой степени развития, совершив качественный скачок к высшим формам упорядоченности.