Образование и развитие Земли
Праматерия. Число небесных тел, наполняющих Вселенную (по крайней мере – Метагалактику, т. е. часть Вселенной, которая доступна для современного наблюдения и изучения), настолько велико, что если хотя бы теоретически попытаться сосчитать количество таких астрономических единиц материи, то рано или поздно вся сумма, образно говоря, уйдет в бесконечность. Несмотря на это, согласно одной из гипотез, все космические тела когда-то на заре образования Метагалактики были составной частью единого «вещественно-энергетического облака». Облаком это первичное образование названо условно, поскольку с привычными для нас небесными облаками оно, скорее всего, не имело ничего общего.
Потребовалось очень много времени для того, чтобы в процессе эволюции облако, находившееся, судя по всему, в состоянии жидкого водорода (самого распространенного элемента во Вселенной), перешло в состояние резкого усиленного «распада» на первичные единицы материи, которые стали удаляться друг от друга во всех направлениях трехмерного пространства со скоростью, намного превышающей скорость света. Причиной такому положительно катастрофическому явлению послужил мощнейший энергетический «импульс», созревший, видимо, в центральной части облака.
Теоретически праматерия до «распада» не подавала никаких признаков высокой энергетической активности. Такой «парадокс» был преодолен в процессе, как уже говорилось, развития праматерии.
Что это было за «облако», как оно выглядело, из чего точно состояло, какими обладало размерами и т. д. – эти каверзные вопросы пока что отложены в долгий ящик. Помимо этого, неизвестно, существовало ли оно в «подвешенном» состоянии внутри уже сформированного «чистого пространства» (абсолютного вакуума), или же само по себе составляло «первичное пространство», которое до сих пор расширяется под действием неких сил.
На определенном этапе скорость взаимного удаления первичных единиц материи снизилась до «нормальных» (современных) значений. Астрофизическая обстановка в срединных, околопериферийных и периферийных секторах образовавшейся Вселенной стабилизировалась. Из «разбежавшихся» во все стороны частей праматерии образовались «туманности», впоследствии превратившиеся в современные галактики (эллиптические, спиральные, неправильные), галактические скопления (от нескольких сотен до нескольких тысяч галактик) и сверхскопления (от 10 тысяч галактик). Первичные (исходные) «туманности», по современным представлениям, не были похожи на диффузные и планетарные газопылевые туманности (внутригалактические облака) нашего времени, входящие в состав современных галактик наряду со звездами (одиночными, двойными, кратными) и звездными скоплениями (шаровыми и рассеянными). И тем более вещество их не могло, конечно, представлять собой некую туманообразную субстанцию. Повторимся: все эти названия и определения чрезвычайно условны и неоднозначны.
Помимо этого, не до конца выяснено, чем именно было заполнено межзвездное пространство эпохи первичных «туманностей» (в настоящее время оно заполнено разреженным межзвездным газом, межзвездной пылью, космическими лучами (потоками заряженных частиц, которые движутся со скоростями, близкими к скорости света), а также – гравитационными и магнитными полями).
Вот так в самой что ни на есть упрощенной (примитивной), грубой и, естественно, спорной схеме можно представить праматерию и последующую ее трансформацию в небесные тела, объекты и межзвездное пространство. Но это лишь одна из многих гипотез образования Вселенной, которая к тому же является недоказуемой. Подтвердить и опровергнуть эту модель невозможно.
Этапы развития Земли. Всю историю развития Земли можно разделить на три крупных этапа: добиогенный, биогенный, антропогеновый.
Добиогенный этап развития Земли. Праматерия содержала в себе материал, из которого через энное количество миллиардов лет сформировались все небесные тела, в том числе и Земля.
Земля появилась приблизительно 5 миллиардов лет назад из частиц газопылевого облака. Из него же сформировались другие планеты Солнечной системы, а также и само Солнце. В процессе вращения облака отдельные частицы вещества сталкивались, соединялись, укрупнялись. В итоге облако распалось на несколько отдельных вихрей, собственное вращение которых в конечном итоге завершило первую стадию формирования всех планет и Земли в частности.
Таким образом наращивались планетарные тела. Это длилось от 200 до 500 миллионов лет. Но сформировавшаяся Земля была только геодезически близка к своему современному состоянию. По остальным же параметрам она значительно отличалась от того, что мы знаем о ней сейчас.
Как известно, гравитация постепенно дифференцировала (разделяла) вещество Земли в течение нескольких миллиардов лет. Тяжелые элементы просочились к центру планеты и образовали ядро, относительно тяжелые элементы составили мантию и земную кору, легкие – гидросферу. Из самых легких элементов была сформирована атмосфера – физическая смесь газов. Поэтому после того, как процесс дифференциации был завершен, Земля представляла собой идеальную модель в плане гравитационного расчленения вещества. Проще говоря, вся поверхность Земли в то время была покрыта водой.
Позднее, когда Земля вошла в биогенную стадию, внутреннее развитие ядра и мантии дало начало ряду энергетических потоков, высоко поднявших дно тогдашнего всеобъемлющего Океана над уровнем воды. Так появилась суша. Она была представлена одним большим участком (сейчас он называется Пангеей), окруженным со всех сторон водами протоокеана Панталасса.
Биогенный и антропогеновый этапы развития Земли. Первые простейшие микроорганизмы появились, предположительно, в конце архея (но это спорно). Древний Мировой океан к тому времени по своему состоянию приблизился к настоящему – достаточно опреснился, обогатился всеми нужными элементами и избавился от ненужных, основательно аэрировался и т. п.
Биогенный этап сменился антропогеновым, продолжающимся и по сей день. Он начался с появления первых людей.
Структура геохронологической шкалы (основные черты). Более точное представление о развитии Земли дает геохронологическая шкала. Согласно ей, вся история Земли делится на несколько грандиозных временных промежутков, которые были названы эонами. Выделяют четыре эона: доархей, архей (AR), протерозой (PR), фанерозой.
Архей и протерозой объединяются в один геологический этап, называемый докембрием (криптозоем). По сути, докембрий – это мегаэон. В те далекие времена наша планета была практически пуста в плане жизни. Доархей в докембрий не включается.
Эон фанерозой начался с резкого появления первых более или менее развитых организмов, стремительного увеличения их числа и видового разнообразия. До этого времени существовали только примитивные организмы. Фанерозой продолжается и в наше время. Мы живем в эпоху фанерозоя. Закончится он, видимо, тогда, когда Земля вернется к абиогенной стадии существования. В теории такое событие может произойти, на практике же всё гораздо сложнее.
Возникает вопрос: если докембрий можно назвать мегаэоном, то почему фанерозой таковым в науке не считается?.. Дело в том, что докембрий длился очень долго – несколько миллиардов лет, а фанерозой начался всего лишь несколько сотен миллионов лет тому назад. Уже это обстоятельство говорит о том, что фанерозой пока не может называться мегаэоном. Спустя миллиарды лет, если полноценная жизнь всё же сохранится на Земле, фанерозой можно будет определить как мегаэон.
Все эоны делятся на эры. Доархей – самый древний эон. Он начался с образования Земли. Сколько он длился и что происходило в то время, никто не может знать наверняка, и поэтому этот эон на эры не делится. А вот архей уже насчитывает три эры: ранний архей, средний архей, поздний архей. В эти эры сформировались гидросфера и ядро Земли, появились первые микроорганизмы.
Протерозой делится на две эры: ранний протерозой, поздний протерозой, или рифей (RF). В протерозое атмосфера интенсивно развивалась, обогащалась кислородом, на суше развивались орогенные области и микроорганизмы.
Фанерозой делится на три эры: палеозойская (PZ), мезозойская (MZ), кайнозойская (KZ). В эти эры появляются животные и растения, а в конце кайнозойской эры – человек.
Эры делятся на периоды. В палеозое насчитывается шесть периодов: кембрийский (E), ордовикский (O), силурийский (S), девонский (D), каменноугольный (C), пермский (P).
В мезозое – три периода: триасовый (T), юрский (J), меловой (K). В кайнозое – три периода: палеогеновый (Pg), неогеновый (N), четвертичный, или антропогеновый (Q). Считается, что человек появился в четвертичном периоде; поэтому данный геологический отрезок еще называется антропогеновым.
Периоды кайнозойской эры делятся еще и на эпохи. Палеоген разделяется на: палеоцен (P1), эоцен (P2), олигоцен (P3). Неоген разделяется на две эпохи: миоцен (N1), плиоцен (N2). В антропогене – две эпохи: плейстоцен (Q1), голоцен (Q2). Таким образом, современный человек живет в эпоху голоцена.
Вышеописанная геохронологическая схема имеет и другой вариант. В альтернативной схеме геологическая история Земли делится на три эона: дорифей, рифей, фанерозой.
В дорифей входит архейская эра и ранний протерозой. Архейская эра на периоды не делится, а протерозойская эра в данном варианте состоит из следующих периодов: средний и нижний (ранний) протерозой, нижний рифей, средний рифей, верхний рифей, завершающий рифей (венд).
В рифейский эон входят, таким образом, четыре последних периода протерозойской эры – от нижнего рифея до венда.
Эон фанерозой состоит из трех эр: палеозойская эра, мезозойская эра, кайнозойская эра. Периоды этих эр имеют те же самые названия, что и в другой схеме (которая была описана ранее); и последовательность периодов – от кембрийского до антропогенового – полностью совпадает.
В некоторых случаях понятие «эон» сводится на нет и заменяется понятием «эра». Согласно такому взгляду существует архейская эра, протерозойская, палеозойская, мезозойская и кайнозойская. Подобное видение является положительно упрощенным, и хорошо подходит для начального изучения геохронологической истории Земли.
Такой этап в развитии Земли, как антропогеновый, когда на природу начал воздействовать человек, начался относительно недавно. За этот небольшой промежуток времени общество пока не успело дойти до такого состояния, когда человеческая деятельность может оказать сильное негативное воздействие на самые мощные природные факторы – вращение Земли, климат, эндогенные геологические процессы и пр. Конечно, вызывает много опасений ядерное и климатическое оружие, использование которого может спровоцировать развитие апокалиптического сценария с последующей постапокалиптической эрой.
Антропогеновый этап, в принципе, является частью биогенного этапа; но специфика этого временного интервала настолько уникальна, что не присвоить ему особый статус было бы нелогично.
Основные астрономические особенности Земли
Земля – это планета (третья от Солнца). Не каждое небесное тело заслужило право считаться таковой. Существуют как минимум три критерия, по которым можно отличить планету от любого другого космического образования: 1) планета должна вращаться вокруг звезды; 2) она должна иметь шарообразную форму; 3) третий показатель условный: планета обладает внушительными размерами (не меньше размеров среднего по величине спутника в Солнечной системе).
Земля отвечает всем этим требованиям. Отсутствие или наличие атмосферы, гидросферы, внутреннее устройство и прочее – всё это весомые показатели, но в данном случае они считаются маловажными. Самые главные критерии – это, конечно, вращение вокруг той или иной звезды и шарообразная форма. Например, в Солнечной системе существует пояс астероидов, включающий в себя миллионы астероидных тел. Все они вращаются вокруг Солнца, некоторые из них достигают размеров большого спутника, но ни один астероид не имеет форму типичного шара (если только в искаженном варианте). В то же время, например, Ио или Луна имеют шарообразный вид, достаточно обширные параметры, но вращаются вокруг планет, а не Солнца.
К основным астрономическим особенностям Земли (как и любой другой планеты) относятся: вращение Земли, форма Земли, размеры Земли.
Вращение Земли. Земля вращается вокруг Солнца по эллиптической орбите (эксцентриситет 0,017). Среднее расстояние от Земли до Солнца – 149,5 миллионов километров. В астрономических масштабах это немного.
Каждый год в январе наша планета, двигаясь по своей орбите, подходит на самое близкое расстояние к Солнцу – приблизительно 147 миллионов километров. В июле планета наиболее удалена от своей звезды – примерно 152 млн. км. Точка самого близкого расстояния от Земли до Солнца называется перигелием. Точка самого большого расстояния называется афелием. Такой значительный разброс в расстоянии от Земли до Солнца (5 миллионов километров) всё же не отражается на планете. В перигелии на Земле не становится теплее, а в афелии – холоднее. Но, как мы видим, такая климатическая стабильность оказывается верной только в пределах первых пяти миллионах километров. Совершенно очевидно, что разница, например, в пятнадцать миллионов уже нанесла бы серьезный удар по физико-географической ситуации на нашей планете. И такая ювелирная точность позволяет Земле жить и полноценно развиваться уже много-много миллионов лет.
Средняя скорость вращения Земли вокруг Солнца – чуть меньше 30 км в секунду. Чем ближе планета подходит к Солнцу, тем больше становится скорость ее орбитального вращения. С удалением от Солнца скорость снижается. И опять же такая разница в скорости не влияет практически никаким образом на Землю – во-первых, сам процесс происходит слишком плавно, а во-вторых, разброс здесь относительно небольшой. Полный круг Земля совершает за 365 дней и несколько часов.
Земля вращается не только вокруг своей Звезды, но и вокруг своей оси. Ось Земли – понятие абстрактное. Не существует, собственно говоря, никакого металлического или каменного стержня, протягивающегося через всю толщу планеты от Северного полюса к Южному. Но есть мнимая ось, достаточно стабильная (несмотря на нутации), вокруг которой за 24 часа Земля совершает полный оборот. Это обуславливает смену дня и ночи.
К счастью человечества, ось Земли не перпендикулярна плоскости своей орбиты. Угол между осью и плоскостью земной орбиты составляет 66,5 градусов. Следовательно, ось отклоняется от перпендикуляра на 23,5 градуса. Такая особенность вкупе с орбитальным вращением позволяет Земле попеременно «подставлять» Солнцу то Северное, то Южное полушарие. Это обуславливает смену времен года.
В некоторых источниках часто упоминается о 23,5 градусах. Якобы под таким углом находится земная ось по отношению к плоскости орбиты. Если бы это было так, то в Антарктиде произрастали бы тропические леса, а Северный Ледовитый океан по температурному режиму был похож на Индийский. На самом деле, конечно, под таким углом находится плоскость экватора к плоскости орбиты, а не ось. Это первое. Второе: 23,5 градуса – это, как говорилось выше, величина отклонения оси от перпендикуляра плоскости орбиты.
Угол наклона, естественно, обратимо меняется в течение года (нескольких десятилетий) под действием всевозможных факторов. Постоянные небольшие колебания угла наклона оси к плоскости орбиты называются нутацией. В основном она связана с воздействием на Землю ее спутника. Осевые колебания из-за своей незначительности не приводят к каким бы то ни было негативным изменениям в структуре земной природы. Наблюдаются лишь некоторые сдвиги, не влияющие кардинальным образом ни на смену времен года, ни на сам климат.
Существует еще одно интересное явление, связанное с земной осью, – прецессия. Так называют плавное конусообразное движение земной оси. Объясняется оно следующими причинами. Экваториальная выпуклость Земли постоянно испытывает на себе притяжение со стороны Солнца, которое старается выпрямить ось Земли, сделать ее перпендикулярной плоскости орбиты. Но из-за вращения планеты вокруг оси, Солнце не может этого совершить. При этом земная ось, сопротивляясь, описывает конус. Явление это чисто астрономическое. Из-за прецессии равноденствие (осеннее и весеннее) каждый год приходит чуть раньше, чем в предыдущем году.
Если мысленно соединить прецессию и нутацию, то их совместный геометрический рисунок будет представлять собой конус, круг которого имеет неровную линию, отдаленно напоминающую кардиограмму.
Форма Земли. Земля из Космоса выглядит как обычный шар. Но поскольку земной шар вращается, он, естественно, немного сжат у полюсов. Полюсное сжатие невооруженным глазом увидеть практически невозможно. Если бы наша планета вращалась вокруг своей оси со скоростью, превышающей сегодняшнюю хотя бы в двадцать раз, то Земля в профиле приобрела бы форму классического эллипса. Мы не знаем точно, что произошло бы с Землей в таком случае, но совершенно ясно, что вся климатическая (гидрометеорологическая) система, а также тектоническая система функционировали бы уже в несколько ином качестве.
Полюсное сжатие дает нам право назвать фигуру Земли сфероидом (эллипсоидом вращения). Но настоящая форма Земли далека и от шара, и даже от сфероида.
Дело в том, что шар и сфероид – геометрические фигуры с идеальной поверхностью. Земля же в этом отношении далеко не идеальна: поверхность суши испещрена крупными неровностями – разновысотными горными цепями и равнинами, в том числе впадинами (отрицательными равнинами). Поэтому в профиле Земля имеет крайне неправильную форму. Может показаться, что только поверхность Мирового океана свободна от рельефа. Но и здесь всё не так просто. В одних частях поверхность океанов опускается ниже остальных частей; в других – поднимается выше (это явление связано, судя по всему, с воздействием на Мировой океан двух противоположно направленных видов энергии – гравитации и притяжения Луны и/или Солнца).
Точнее всего фигуру Земли изображает, конечно, геоид – фигура, поверхность которой совпадает с усредненной поверхностью Мирового океана (в спокойном состоянии), мысленно продолженной под континентами. Геоид имеет много общего с эллипсоидом вращения, но, в отличие от последнего, характеризуется неровной поверхностью. Свою лепту в такую «неидеальность» геоида вносит неравномерное распределение масс внутри Земли.
