Концепции современного естествознания

     

18.  Основные  представления о мегамире.

     Между мегамиром и макромиром нет строгой границы. Обычно полагают, что он начинается с расстояний около 107 и масс 1020 кг. Опорной точкой начала мегамира может служить Земля (диаметр 1,28×10+7 м, масса 6×1021 кг. Поскольку мегамир имеет дело с большими расстояниями, то для их измерения вводят специальные единицы: астрономическая единица, световой год и парсек. 

     Астрономическая единица (а.е.) – среднее расстояние от Земли до Солнца, равное 1,5×1011м. 

     Световой  год – расстояние, которое проходит свет в течение одного года, а  именно 9,46×1015м. 

     Парсек (параллакс-секунда) – расстояние, на котором годичный параллакс земной орбиты (т.е. угол, под которым видна  большая полуось земной орбиты, расположенная  перпендикулярно лучу зрения) равен  одной секунде. Это расстояние равно 206265 а.е. = 3,08×1016 м = 3,26 св. г.  

     Небесные  тела во Вселенной образуют системы  различной сложности. Так Солнце и движущиеся вокруг него 9 планет образуют Солнечную систему. Все планеты  – остывшие тела, светящиеся отраженным от Солнца светом. В ясную ночь мы видим множество звезд, которые  составляют лишь ничтожную часть  звезд, входящих в нашу Галактику. Основная часть звезд нашей галактики  сосредоточена в диске, видимом  с Земли «сбоку» в виде туманной полосы, пересекающей небесную сферу  – Млечного Пути. Часто говорят, что наша Галактика называется Млечный  Путь (собственно, слово галактика  происходит от греческого слова «галактос» – молочный, млечный). 

     Представить масштабы Вселенной можно с помощью  рис. 1. 

     Все небесные тела имеют свою историю  развития. Возраст Вселенной равен 15…20 млрд. лет (иногда указывают среднее  число – 18 млрд. лет). Возраст Солнечной  системы оценивается в 5 млрд. лет, Земли – 4,5 млрд. лет. 

     

19.  Теория  «большого взрыва»

     Большо́й взрыв (от англ. Big Bang) — гипотетическое начало расширения Вселенной, перед которым Вселенная находилась в сингулярном состоянии. 

     Обычно  сейчас автоматически сочетают теорию Большого взрыва и модель горячей  Вселенной, но эти концепции независимы и исторически существовало также  представление о холодной начальной  Вселенной вблизи Большого взрыва. Именно сочетание теории Большого взрыва с теорией горячей Вселенной, подкрепляемое существованием реликтового  излучения, и рассматривается далее.

     Современные представления теории Большого взрыва и теории горячей Вселенной 

     По  современным представлениям, наблюдаемая  нами сейчас Вселенная возникла 13,73 ± 0,12 млрд лет назад[1] из некоторого начального «сингулярного» состояния и с тех пор непрерывно расширяется и охлаждается. Согласно известным ограничениям по применимости современных физических теорий, наиболее ранним моментом, допускающим описание, считается момент Планковской эпохи с температурой примерно 1032 K (Планковская температура) и плотностью около 1093 г/см³ (Планковская плотность). Ранняя Вселенная представляла собой высокооднородную и изотропную среду с необычайно высокой плотностью энергии, температурой и давлением. В результате расширения и охлаждения во Вселенной произошли фазовые переходы, аналогичные конденсации жидкости из газа, но применительно к элементарным частицам. 

     Приблизительно  через 10−35 секунд после наступления  Планковской эпохи (Планковское время — 10−43 секунд после Большого взрыва, в это время гравитационное взаимодействие отделилось от остальных фундаментальных взаимодействий) фазовый переход вызвал экспоненциальное расширение Вселенной. Данный период получил название Космической инфляции. После окончания этого периода строительный материал Вселенной представлял собой кварк-глюонную плазму. По прошествии времени температура упала до значений, при которых стал возможен следующий фазовый переход, называемый бариогенезисом. На этом этапе кварки и глюоны объединились в барионы, такие как протоны и нейтроны. При этом одновременно происходило асимметричное образование как материи, которая превалировала, так и антиматерии, которые взаимно аннигилировали, превращаясь в излучение. 

     Дальнейшее  падение температуры привело  к следующему фазовому переходу —  образованию физических сил и  элементарных частиц в их современной  форме. После чего наступила эпоха  нуклеосинтеза, при которой протоны, объединяясь с нейтронами, образовали ядра дейтерия, гелия-4 и ещё нескольких лёгких изотопов. После дальнейшего падения температуры и расширения Вселенной наступил следующий переходный момент, при котором гравитация стала доминирующей силой. Через 380 тысяч лет после Большого взрыва температура снизилась настолько, что стало возможным существование атомов водорода (до этого процессы ионизации и рекомбинации протонов с электронами находились в равновесии). 

     После эры рекомбинации материя стала  прозрачной для излучения, которое, свободно распространяясь в пространстве, дошло до нас в виде реликтового  излучения.

20. Геологическая история Земли.

     Геологическое время эволюции Земли это принципиально  новый период развития нашей планеты  в целом, особенно ее коры и природной  среды. 

     Как только температура опустилась ниже 100° С, состояние воды, которая  находилась в атмосфере в виде горячего пара, изменилось. Водяные  пары атмосферы, а в них была сосредоточена  практически вся гидросфера Земли, почти целиком превратились в  жидкость, наиболее активное состояние  воды по сравнению с ее газовой  и твердой фазами. Сухая до того времени Земля стала необычайно обводненной. Сформировались поверхностный  и грунтовый стоки, возникли водоемы, и, наконец, океаны. Начался круговорот воды в природе. 

     На  заре геологической истории существовали обширные водоемы - моря и, вероятно, какие-то первоначальные океаны. В 1973 г. геологи  Оксфордского университета обнаружили в юго-западной части Гренландии бурый железняк возрастом 3,76 млрд. лет (± 70 млн. лет). Бурый железняк - осадочная  порода, сформировавшаяся в водном бассейне. Еще раньше те же геологи  вместе с сотрудниками Управления геологической  съемки Гренландии обнаружили в 1971 г. метаморфизованные  осадочные породы возрастом 3,98 млрд. лет. Факт обнаружения осадочных  пород такого древнего возраста трудно переоценить. Это означает, что временной  рубеж между ранней и геологической  историей проходит где-то около 4 млрд. лет назад. Следовательно, на всю  раннюю историю Земли остается всего 0,6 млрд. лет. Если помимо внешней сферы  Земли расплавлялась и центральная  область, то на планете могли образоваться океаны, близкие по объему современным. После охлаждения земной поверхности  до температуры ниже 100° С на ней  образовалась огромная масса жидкой воды, которая представляла собой  не простое скопление неподвижных  вод, а находящихся в активном глобальном круговороте. Несмотря на эволюцию этого круговорота в ходе времени, основные особенности его сохранились  неизменными. В структурном отношении  круговорот, как и в настоящее  время, распадался на звенья: атмосферное (испарение, перенос влаги, осадки), литосферное (поверхностный и подземный стоки) и океаническое. В процессе функционирования круговорота воды в природе происходит поглощение солнечной энергии и распределение ее по земному шару. Вода благодаря своей необычайной подвижности и химической активности вступает во взаимодействие с природными компонентами, способствуя их взаимосвязям, чем и обеспечивает формирование того глобального природного комплекса, который в настоящее время называется географической оболочкой. 

     

21.  Внутреннее  строение Земли.

     Внутреннее  строение Земли 

     Рассмотрим  подробно вопрос о строении Земли. Наша планета относится к планетам земной группы. Это означает, что  поверхность Земли твёрдая. Земля - крупнейшая из четырёх планет солнечной  системы, которые относятся к  земной группе. Из всей этой группы планет именно Земля имеет наибольший размер, массу, плотность, наибольшую поверхностную  гравитацию и сильнейшее магнитное  поле. Строение Земли и поверхность  Земли таковы, что её форма близка к вытянутому эллипсоиду — это  шарообразная форма с утолщениями  на экваторе — и отличается от него на величину до 100 метров. Таким образом, по сравнению с идеальным эллипсоидом, планета Земля имеет допуск в  пределах 0,17 %. Средний диаметр Земли  равен 12 742 км.  

     Как известно, вращение Земли создаёт  экваториальную выпуклость. То есть экваториальный диаметр на 43 км больше, чем диаметр  между полюсами планеты. Именно вследствие этой выпуклости экватора, самой удалённой  точкой поверхности Земли от её центра считается вулкан Чимборасо в Эквадоре, точнее – его вершина. Самой высшей точкой поверхности планеты Земля принято считать гору Эверест (её высота - 8 848 м над уровнем моря), а самой глубокой точкой — Марианская впадина (её глубина - 10 911 м под уровнем моря).  

     Учёными установлена ориентировочная масса  Земли. Она составляет 5,98×1024кг. Изучая строение Земли, исследуя поверхность  Земли, учёные пришли к выводу, что  наша планета состоит в основном из железа (32,1 %), кислорода (30,1 %), кремния (15,1 %), магния (13,9 %), серы (2,9 %), никеля (1,8 %), кальция (1,5 %) и алюминия (1,4 %), а  на другие элементы приходится 1,2 %. 

      

     Земная  кора 

     Земля, подобно трём другим планеты земной группы, имеет слоистое внутреннее строение. Она представляет собой  металлическое ядро, окруженное твёрдыми силикатными оболочками (крайне вязкой мантией и земной корой). Внешняя  часть металлического ядра жидкая, а внутренняя — твёрдая. Ядро состоит  из железно-никелевого сплава с примесью других элементов. Земная кора — это  верхняя часть твёрдой оболочки. Толщина земной коры колеблется в  пределах от 6 км под океаном, до 30—50 км на континентах. В строении Земли  различают два вида земной коры —  континентальная земная кора и океаническая земная кора. Континентальная земная кора имеет три геологических  слоя: осадочный чехол, гранитный  и базальтовый. Океаническая земная кора представлена в большей степени  породами основного состава, плюс осадочный  чехол. Крайне вязкая мантия — это  силикатная оболочка планеты, сложенная  в основном породами, состоящими из силикатов магния, железа, кальция  и т.д. В строении Земли доля мантии примерно 67 % от массы Земли и около 83 % от её объёма. Глубина расположения мантии - от 5 — 70 км ниже границы с  земной корой, до границы с металлическим  ядром на глубине 2900 км. Таким образом, мантия находится в достаточно большом  диапазоне глубин. Мантию принято  разделять на верхнюю и нижнюю. Выше границы 660 километров расположена  верхняя мантия, а ниже, естественно, нижняя. Эти две части мантии отличаются друг от друга составом, строением  и физическими свойствами. Известно, что верхняя мантия за весь период формирования Земли претерпела достаточно значительные изменения, она же и  породила земную кору. Нижняя же мантия, изучена значительно меньше, но есть все основания полагать, что её состав со времен формирования строения Земли претерпел гораздо меньшие  изменения. 

      

     Поверхность Земли 

     Рельеф  и поверхность Земли очень  разнообразен. Примерно 70,8 % поверхности  Земли покрыто водой. Поверхность  Земли под водой гористая. Это  океанические хребты и желоба, подводные  вулканы и каньоны, а также  океанические плато и абиссальные  равнины. Оставшиеся 29,2 % - это суша, которая состоит из гор, пустынь, равнин и т.д. 

     С течением времени строение Земли, а  в особенности её поверхность, постепенно меняются. Рельеф тектонических плит и земная кора формируются под  воздействием осадков, колебаний температур, химических воздействий, выветривания. Ледники, береговая эрозия, коралловые рифы, столкновения с метеоритами  также влияют на строение Земли и  на структуру поверхности Земли. А с развитием цивилизации  и человек всё больше и больше воздействует на, казалось бы, неподвластное  ему строение Земли. И, наверное, наша основная задача – сделать так, чтобы  это воздействие не стало губительным  для нашей любимой планеты  – планеты Земля. Ведь именно человек  в ответе за сохранение природы нашей  планеты, за её самые глубокие озера  и самые высокие горы, за сушу и за море, за всё, что происходит вокруг нас. 

     

22.  Оболочки  Земли: литосфера, гидросфера, атмосфера,  биосфера.

     Земля имеет 6 оболочек: атмосферу, гидросферу, биосферу, литосферу, пиросферу и центросферу. 

     Атмосфера—внешняя газовая оболочка Земли. Ее нижняя граница  проходит по литосфере и гидросфере, а верхняя—на высоте 1000 км. В атмосфере  различают тропосферу (двигающийся  слой), стратосферу (слой над тропосферой) и ионосферу (верхний слой). 

     Средняя высота тропосферы—10 км. Ее масса составляет 75% всей массы атмосферы. Воздух тропосферы перемещается как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях. 

     Над тропосферой на 80 км поднимается  стратосфера. Ее воздух, перемещающийся лишь в горизонтальном направлении, образует слои. 

     Еще выше простирается ионосфера, получившая свое название в связи с тем, что  ее воздух постоянно ионизируется под  воздействием ультрафиолетовых и космических  лучей. 

     Гидросфера  занимает 71% поверхности Земли. Ее средняя  соленость составляет 35 г/л. Температура  океанической поверхности — от 3 до 32 °С, плотность — около 1. Солнечный  свет проникает на глубину 200 м, а  ультрафиолетовые лучи — на глубину  до 800 м.