Концепции современного естествознания

Концепции современного естествознания

Лекция: «Земля – планета Солнечной системы»

Земля – единственная известная нам планета, на которой в течение миллиардов лет развиваются различные формы жизни.

Земля – это сфера, сплюснутая у полюсов (геоид), которая вращается вокруг собственной оси и движется со средней скоростью 30 км/с по эллиптической траектории вокруг Солнца. Радиоактивным методом установлено, что возраст самых древних пород Земли составляет около 4,5 млрд. лет.

Экваториальный радиус Земли – 6378,2 км.

Полярный радиус – 6356,8 км.

Длина экватора = 40075,7 км.

Площадь поверхности – 510 млн. км².

Масса Земли – 5,98*10²⁴ кг.

Предполагается, что разнообразие химических элементов на нашей планете связано с внешним фактором – взрывом сверхновой звезды в окрестностях будущей Солнечной системы. В недрах и газовой оболочке сверхновой звезды происходил синтез химических элементов (звездный нуклеосинтез). Мощный взрыв ударной волной стимулировал начало конденсации межзвездной материи, из которой образовалось Солнце и позже планеты.

В настоящее время геологическая наука придерживается гипотезы о первоначальном холодном состоянии недр планет, в том числе и Земли. В процессе ее развития под влиянием разогрева недр Земля незначительно увеличилась в размерах и приобрела современные размеры и форму. Причиной разогрева недр являются три основных процесса:

гравитационное сжатие центральной части планеты и соответственно ускорение движения атомов в ядре;

интенсивная бомбардировка молодой Земли метеоритным веществом;

радиоактивный распад изотопов урана ²³⁵U и ²³⁸U, тория ²³²Th и калия ⁴⁰K.

В результате процессов нагревания Земли под действием сил термической конвекции произошла дифференциация вещества недр. Земля приобрела упорядоченную внутреннюю структуру, в которой слои залегают в глубину в порядке возрастания плотности вещества в них.

В настоящее время принято сферное или оболочечное строение Земли. Основные сведения о ее строении, химическом составе пород и пр. добываются косвенными методами: исследование колебаний земной коры в процессе землетрясений, химическом анализе вулканической магмы и т.п.

Самая глубинная часть Земли – это ядро. Радиус – около 3,5 тыс. км. Оно состоит из внешней оболочки в жидком состоянии и внутреннего твердого субъядра. Температура в центре ядра – 5000⁰С, плотность вещества – 12,5 т/м³. По химическому составу ядро содержит 80% железа и 20% никеля. Согласно одной из гипотез, в результате циркуляции потоков расплавленных металлов в ядре возникает магнитное поле Земли.

Твердая оболочка Земли делится на две части: верхнюю – земную кору и нижнюю – мантию. Толщина Земной коры на материках – 30-40 км, под Памиром и Андами – 70-80 км, под океанами – не более 10 км.

Между ядром и земной корой находится мантия – самая массивная часть Земли, составляющая около 83% ее объема. Температура – 2000-2500⁰С. Вещество мантии содержит различные силикаты – соединения, включающие кремний. Происходящие в мантии процессы обуславливают тектоническое движение, образование магмы и вулканическую активность.

Верхняя часть мантии вместе с земной корой образует литосферу — внешнюю сферу твердой части Земли. В соответствии с гипотезой новой глобальной тектоники — науки о развитии структуры земной коры — литосфера состоит из крупных плит, перемещающихся в горизонтальном направлении по подстилающем литосферу слое пониженной твердости и вязкости в верхней мантии Земли. Литосферные плиты — это крупные (до нескольких тысяч километров в поперечнике) блоки земной коры, включающие не только континентальную, но и сопряженную с ней океаническую кору. На границе их находятся сейсмические, тектонические активные зоны разломов.

Субъядро и мантия — твердые образования: вещество в них находится под огромным давлением, при котором температура плавления гораздо выше, чем при нормальном давлении. Как только давление ослабевает, твердые породы расплавляются. Образуется жидкая раскаленная масса — магма. При перемещении вещества в земной коре возникают глубокие трещины с пониженным давлением, где образуется очаг с магмой. Сжатая со всех сторон магма растекается по трещинам, застывая в них в виде жил, а в некоторых местах она прорывается наружу. Так возникает вулканическое извержение. В результате вулканической деятельности меняется форма рельефа, гор, возникают острова и озера.

Земная кора — сокровищница разнообразных полезных ископаемых: каменного угля и нефти, газа, руд черных и цветных металлов, минеральных удобрений и т. д. Месторождения каменного угля сформировались в те отдаленные времена, более 200 млн. лет назад, когда на Земле были благоприятные условия для развития растительности. Предполагается, что нефть также имеет органическое происхождение: она образовалась из погибших низших растений и животных организмов — водорослей, амеб, червей, личинок и т. д.

Совокупность всех водных массивов земного шара — океанов, морей, рек, озер, водохранилищ, болот, подземных вод, ледников и снежных покровов — образует гидросферу Земли. Для своих нужд человек использует главным образом воду рек и пресных озер, которой на Земле чрезвычайно мало — 0,001% всего водного массива.

Мировой океан — основная часть гидросферы. В течение года с поверхности Земли и океанов испаряется в воздух около 355 тыс. км³ воды. Большая часть ее — около 90% — затем выпадает в виде осадков над поверхностью океанов и морей, а остальная влага осаждается на суше и потом реками выносится в океан, уходит под землю, консервируется в ледниках. Такой непрерывный круговорот воды оказывает большое влияние на климат и обмен веществ на всей нашей планете. Водяные пары, находясь в воздухе, задерживают в атмосфере тепло Земли. Чем больше испаряется воды, тем мягче климат. Различают континентальный и морской климат. На территории с морским климатом сезонные колебания температуры значительно меньше, чем там, где преобладает континентальный климат. Мировой океан образно называют печкой планеты. В теплый сезон года большая масса океанской воды согревается медленнее суши и поэтому охлаждает воздух, а зимой наоборот: теплая вода океана согревает холодный воздух. Причина этого явления — большая теплоемкость воды. Основная доля солнечного тепла поглощается морями и океанами.

Ледяная оболочка планеты называется криосферо й. Основная масса льда — ледники; они делятся на горные и покровные. Горные ледники — это ледяные реки. Правда, движение горных ледников очень медленное. Царство покровных ледников — арктический и антарктический пояса. Они покрывают всю поверхность арктических островов и Антарктиды, постепенно сползая к океану. В некоторых местах ледниковый покров растекается даже по поверхности моря — так рождаются плавучие ледяные горы — айсберги. Районы вечной мерзлоты на земном шаре занимают четверть суши. Она образовалась около 100 тыс. лет назад, когда произошло великое оледенение. Наступившее потом потепление оттеснило льды на острова Ледовитого океана, но под слоем почвы, оттаивающей каждое лето, на севере осталась навеки промерзшая земля.

Воздушную оболочку Земли образует атмосфер а. Она защищает днем поверхность Земли от обжигающих лучей Солнца, а ночью сохраняет тепло, накопленное за день. Воздух спасает и от смертельного космического излучения. Основные составляющие атмосферы — азот (78%) и кислород (21%), в небольших количествах углекислый газ, аргон, гелий, водород, озон, водяные пары и др.

Самая нижняя часть атмосферы — тропосфера — простирается до 8 — 10 км в полярных широтах и до 16 — 18 км в тропических широтах. В тропосфере сосредоточено более 1/5 всей массы воздуха. В ней образуются облака, дождь, снег, град, ветер.

Следующий слой — стратосфера — над тропосферой до высоты 50 — 55 км над земной поверхностью. Здесь неизменно ясно и часто дуют сильные ветры. В стратосфере существуют сезонные и климатические различия: есть своя зима и свое высотное лето, есть свои умеренные широты и зоны экватора. Между тропосферой и стратосферой происходит постоянный обмен воздушными массами.

Следующий слой атмосферы — ионосфера — начинается на высоте от 50 км и ограничивается сверху магнитосферой — областью, где заметно проявляется магнитное поле Земли. Ионосфера состоит преимущественно из заряженных частиц, обладающих способностью отражать короткие радиоволны, что позволяет осуществить дальнюю радиосвязь. В ионосфере дуют ураганные ветры.

Выше ионосферы, начиная с высоты в несколько сотен километров над Землей, расположена экзосфера — зона рассеяния атмосферы, из которой быстро движущиеся атомы водорода могут вылетать в космическое пространство. Следы атмосферы обнаруживаются и выше— на высоте более 10 тыс. км.

До высоты 100 — 200 км газовый состав нашей планеты значительно не меняется. Выше — до 200 — 250 км — преобладает азот, затем— до 500 — 700 км— атомарный кислород, а еще выше— гелий. У поверхности «воздушного океана» преобладает самый легкий элемент — водород.

Внешняя форма воздушной оболочки Земли не шарообразна, а вытянута с ночной стороны наподобие хвоста кометы. Длина такого своеобразного хвоста — около 100 тыс. км. Предполагается, что он образовался в результате давления солнечных лучей — солнечного ветра.

Деление атмосферы и земного шара на составные части весьма условно. Все они тесно взаимосвязаны друг с другом. Такая связь наиболее сильно проявляется между верхней частью литосферы, гидросферы и нижней части атмосферы, которые образуют область активной жизни, называемую биосферой. В биосфере живые организмы и среда их обитания органически связаны и взаимодействуют друг с другом, образуя целостную динамическую систему. Термин «биосфера» впервые ввел в 1875 г. австрийский геолог Э. Зюсс. Согласно учению В.И. Вернадского, биосфера — активная оболочка Земли, в которой совокупная деятельность живых организмов, в том числе и человека, проявляется как геохимический фактор планетарного масштаба и значения.

Появление человека изменило биосферу. Начался переход от простого приспособления организмов к разумному поведению и целенаправленному изменению окружающей природы разумными существами. Постепенно человек стал решающим фактором преобразования планеты: выводит новые растения и животные, но одновременно уничтожает другие виды, преобразует рельеф планеты, изменяет климат. Сейчас человечество создает техносферу, не составляющую целостную систему с биосферой, не способствующую созданию новых запасов энергии.

В.И. Вернадский говорил, что «биосфера перейдет однажды в сферу разума – ноосферу. Произойдет великое объединение, в результате которого развитие планеты сделается направленным силой Разума».

Ноосфера – это высшая ступень интеграции всех форм существования материи, когда любая преобразующая деятельность человека будет основываться на научном понимании естественных и социальных процессов и органически согласовываться с общими законами развития природы. Это высший этап эволюции системы «природа – общество», который только формируется и должен быть, если человечество хочет жить без глобальных потрясений. В структуре ноосферы можно выделить человечество, совокупность научных знаний, сумму техники и технологии в единстве с биосферой. Ноосферный этап состоит в том, что экономические и экологические проблемы взаимоотношений с биосферой определяются не выживанием человечества, а сохранением экосферы в гармонии живой и неживой материи, сохранением гармонии природы с сохранением ресурса животного и растительного миров.

Эволюция Земли

Во внутреннем строении Земли все тяжелые элементы сосредоточены в ядре, а более легкие – в оболочке. Существует две теории, объясняющие эту стратификацию. В одной из них предполагается, что Земля возникла вначале как однородное тело, которое потом расплавилось внутри и произошло перераспределение вещества в соответствии с его плотностью. Во второй предполагается, что в протопланетном облаке первыми сконденсировались тугоплавкие вещества, и из них сформировалось ядро планеты. Затем вокруг тяжелого ядра сконденсировались оболочки из более легкого вещества. То есть Земля с самого начала сформировалась как неоднородное тело.

Термин «геохронология» принят в науках о Земле для обозначения времени и последовательности образования горных пород, слагающих земную кору. Геохронологическая шкала была принята в 1881 г. на Международном геологическом конгрессе, на котором были введены термины: эра, период, эпоха, век, время. Хотя это разделение условно, но на рубеже соседних эр или периодов происходили существенные геологические преобразования, а каждое подразделение обладало качественным своеобразием. Эры - наиболее крупные промежутки времени, включающие катархей (от образования Земли до зарождения жизни); архей (3,5 - 2,6 млрд. лет); протерозой (2,6 млрд. - 570 млн. лет) и фанерозой (570 млн. лет - наше время) (рис.).

По степени изученности вся история планеты делится на две части. Более древняя охватывает огромный интервал времени от 570 до 3800 млн. лет назад. Ее назвали криптозоем, или периодом со скрытым развитием жизни. Хотя он изучен недостаточно, геологи установили необратимый характер осадкообразования и основные тенденции эволюции Земли под влиянием развивающейся жизни.

Более молодая эра, составляющая 570 млн. лет и названная фанерозоем (отгреч. phaneros - явный + zoe - жизнь), изучена лучше. К ней относятся формации палеозоя, мезозоя и кайнозоя. Палеозой (570 - 230 млн. лет) включает периоды: кембрий (570 - 500 млн. лет), ордовик (500 - 440 млн. лет), силур (440 - 410 млн. лет), девон (410 - 350 млн. лет), карбон (350 - 285 млн. лет), пермь (285 - 230 млн. лет). К мезозою относят периоды: триас (23 - 195 млн. лет), юра (195 - 137 млн. лет) и мел (137 - 67 млн. лет). Кайнозой разделяют на периоды и века. Период палеогена состоит из веков палеоцена (67 - 21 млн. лет), эоцена (54 - 38 млн. лет) и олигоцена (38 - 27 млн. лет). Период неогена (27 - 3 млн. лет) делят на века: миоцен (27 - 8 млн. лет) и плиоцен (8 - 3 млн. лет). Последний период назвали четвертичным. Он состоит из веков плейстоцена (3 млн. -20 тыс. лет) и голоцена (20 тыс. лет - наше время).

Первый миллиард лет - это белое пятно. Настоящая геологическая история начинается в архейский период. Кора была тоньше и размер плит намного меньше. Действовали все современные процессы выветривания, следовательно, существовала гидросфера и атмосфера. Имелась уже примитивная биосфера и действовал фотосинтез, обогащая атмосферу кислородом. Однако к концу архея его было в 100 раз меньше, чем сейчас.

Следующий период или эон - протерозой. Содержание кислорода достигло 0,1 современного уровня. Начали формироваться осадочные породы. Сокращались площади океанов. Постоянно продолжалось горообразовательное движение. В отложениях этого периода были обнаружены следы оледенений. Вероятно, климат к этому времени заметно похолодал. В океанах появились первые скелетные организмы.

Около 100 млн. лет назад климат на Земле был теплее. За последние несколько десятков тысяч лет прошла череда оледенений различной мощности. В периодах между ними наблюдались потепления. Ледниковые эпохи повторялись в истории Земли в среднем через 180 –200 млн. лет. В пределах ледниковых эпох выделяются ледниковые периоды – в среднем одни раз за несколько десятков тысяч лет. Причиной этих оледенений могут быть периодические прохождения Солнечной системы через рукава нашей Галактики. В этих рукавах содержится большое количество пылевой материи, которая ослабляет Солнечное излучение. Согласно гипотезе М. Эйгенсона, все колебания климата на Земле связаны с периодически повторяющимися периодами ослабления солнечной активности. Следовательно, Солнце периодически вносит поправки в характер земной эволюции.

Дата добавления: 2015-11-04