Основы естествознания

Юпитер на 82% состоит из водорода и на 17% из гелия. Его диаметр более чем в 11 раз  превосходит диаметр Земли, а  сутки длятся всего 9час.55мин. Гигантская скорость вращения приводит к тому, что Юпитер сильно сплюснут у полюсов. По этой же причине зоны высокого давления перемежаются зонами низкого давления и расположены в широтном направлении (с Земли их видно как полосы). Хорошо заметно "красное пятно" - гигантская устойчивая область атмосферной турбулентности поперечником в три земных диаметра. Окраска вообще присуща атмосфере Юпитера, что говорит о протекании каких-то фотохимических реакций. Вдобавок имеются разряды атмосферного электричества, которые так сильны, что воспринимаются приемниками на Земле. Эти обстоятельства навели Юри и Миллера на мысль промоделировать условия, характерные для атмосферы Юпитера, в лаборатории. Газовая смесь из аммиака, метана, водяного пара и водорода была подвергнута действию искровых разрядов в течение сравнительно продолжительного времени. В результате в объеме были обнаружены следы аминокислот - компонент белковых соединений. Давление в недрах Юпитера достигает 3 млн.атм., что приводит к переходу водорода в металлическое состояние, а это, в свою очередь, обуславливает существование у Юпитера мощного магнитного поля. Четыре самых крупных спутника Юпитера видны с Земли в хороший бинокль. 

Сатурн известен прежде всего своими кольцами. Когда  Х.Гюйгенс в 1655 г. обнаружил планету с кольцами вокруг, он не поверил своим глазам и сообщение об этом, которое утвердило бы впоследствии его приоритет, зашифровал. Латинскую фразу, содержащую утверждение о существовании планеты с кольцами, он разбил на буквы и сначала выписал все "a", затем все "b" и т.д. Через два года, сконструировав более совершенную трубу и убедившись в правильности своих наблюдений, он привел свое приоритетное сообщение в нормальный вид. Кольца Сатурна представляют собой тонкий прерывистый слой обломков разного размера, вращающихся вокруг планеты. Наиболее крупным разрывом в кольце является щель Кассини. Ее существование обусловлено наличием спутника Сатурна Мимаса, период обращения которого ровно вдвое больше периода, который мог бы быть у тела, находящегося на расстоянии от Сатурна, соответствующем щели Кассини. Это означает, что тела, первоначально находившиеся там, где сейчас щель, периодически попадали в гравитационные условия, смещавшие их с той орбиты, и в конце концов этих тел там не осталось. 

Уран тоже обладает системой колец, только довольно тонких. От других планет он отличается тем, что  ось его вращения расположена  практически в плоскости орбиты. Иными словами, полярные круги Урана  практически совпадают с экватором. 

Нептун известен своей историей открытия. Он расположен так далеко от Солнца, что обнаружить его просто в результате планомерных наблюдений неба не было возможности. Когда в движении Урана был обнаружен ряд необъяснимых странностей, некоторые ученые были склонны предположить, что так далеко от Солнца законы механики не действуют. Вот хороший пример ясного осознания роли концепции в естествознании. Однако Адамс и независимо Леверье, предположили, что на движение Урана оказывает влияние некоторая планета, которая пока не наблюдалась. Они вычислили ее предполагаемые координаты, основываясь на механике Ньютона, и Леверье написал письмо немецкому астроному Галле, в котором указал точные координаты предполагаемой планеты. В ту же ночь Галле обнаружил ее в указанном месте. Это и был Нептун. 

Плутон был  обнаружен схожим образом, но уже  по движению Нептуна. Он гораздо меньше четырех внешних планет-гигантов и предположительно сошел с орбиты вокруг Нептуна, где он был спутником, в результате близкого пролета кометы и стал самостоятельной планетой. 

Помимо планет к солнечной системе принадлежат  также и кометы - небесные тела, периодически появляющиеся вблизи планет солнечной  системы. Кометы двигаются по гораздо  более вытянутым орбитам, чем  планеты. Эти орбиты часто расположены  не в плоскости орбит всех остальных планет, что указывает на то, что кометы были захвачены Солнцем из окружающего космического пространства, а не образовывались одновременно с планетами. Зачастую кометы состоят изо льда, который испаряется с поверхности при попадании в зону действия солнечной радиации, и комета приобретает хвост.

Глава 3  

                                      Земля 

Атмосфера и  ее своеобразие; недра; теория тектонических  плит. 
 
 

Наша планета, конечно же, является одним из основных объектов естественнонаучных концепций. Слоны и черепахи уступили место небесному телу, укрепленному в центре мироздания, затем это тело "отнесло" в сторону от центра, в котором утвердилось Солнце, затем и Солнце оказалось на периферии одной из множества галактик. На третьей по счету из девяти его планет - вот наше скромное место. Однако условия, складывавшиеся на этой планете в течение ее эволюции, оказались настолько своеобразными, что в результате на ее поверхности существуют те, кто делает попытки рационально осмыслить происходящее. Несмотря на самомнение человечества, самоуничтожительно преобразующего природу, плоды этой деятельности в глобальных масштабах все же малозаметны. Из 100000 фотоснимков поверхности Земли, сделанных из космоса с расстояния 1000 км так, как мог бы действовать автомат, исследующий планету на предмет обнаружения искусственных сооружений или объектов и фотографирующий случайные участки суши, лишь на одном можно обнаружить признак, указывающий на существование неестественного воздействия - это прямолинейная просека ЛЭП, проходящая через тайгу. Планета Земля огромна и живет по своим законам. 

Атмосфера Земли  существенно отличается от атмосфер всех планет. Первоначально она состояла из водорода, водяных паров, углекислого  газа, метана, аммиака и небольших количеств гелия и неона. Атмосферы Венеры и Марса почти полностью состоят теперь из углекислого газа. На Земле же углекислый газ был удален, и это удаление шло по двум каналам. С одной стороны, химические реакции с горными породами в присутствии и при участии жидкой воды, а с другой - жизнедеятельность растений, поглощающих его и выделяющих кислород в процессе фотосинтеза. Пока кислорода не было в атмосфере Земли, ультрафиолетовое излучение Солнца достигало поверхности и способствовало протеканию химических реакций с участием углеводородов. Вода океана представляла тогда своеобразный бульон, подогреваемый вулканическим теплом, поступавшим из недр, в который поступали извергающиеся минералы и который интенсивно облучался ультрафиолетом. Полагают, что это и привело к появлению органических молекул и впоследствии к появлению жизни. Опыты, выполненные Кельвиным, Юри и Миллером (США) дали дополнительные основания для этой теории. Они пропускали электрические разряды через смесь метана, водорода, аммиака и воды в течение длительного времени. В результате возникли некоторые аминокислоты - вещества, являющиеся основой строения белка. 

Современная атмосфера  Земли почти полностью состоит  из азота (около 80%) и такого активного  элемента, как кислород (около 20%). Если бы на Земле вдруг полностью исчезло явление, которое мы называем жизнью, кислород бы очень быстро исчез из атмосферы, вступив в реакцию с другими веществами. Под воздействием излучения Солнца газы атмосферы флуоресцируют - светятся - и светятся преимущественно голубым цветом, что и обуславливает свечение и цвет неба Земли в дневное время. Соединение кислорода с водородом - вода - представляет собой сильнейший растворитель и покрывает 71% поверхности планеты. Одним из замечательных свойств воды является то, что в отличие от большинства известных веществ ее твердая фаза - лед - имеет при температуре замерзания плотность меньшую, чем жидкая вода. Поэтому замерзание водоемов начинается сверху, где зимой температура атмосферы понижается, а не со дна, и в глубине сохраняются условия, благоприятные для жизни. Это обстоятельство также внесло свой вклад в возникновение биопроцессов, так существенно сказавшихся в том числе и на атмосфере Земли. 

Строение самой  планеты - ее твердой части - по современным  представлениям выглядит следующим образом. В центре находится ядро, состоящее из тяжелого вещества - железа. Сердцевина его твердая и имеет радиус порядка 1300 км, затем идет жидкий слой толщиной порядка 2200 км. Несмотря на то, что температура в центре, вероятно, достигает 42000С, железо там находится в твердом состоянии из-за огромного давления, а его плотность более чем в 5 раз превышает плотность земной коры. Движение токопроводящего материала в жидком слое ядра ответственно за создание магнитного поля Земли. Между ядром и поверхностными слоями находится мантия - обогащенные железом породы. В этом слое давление высокое, но температура недостаточно высока для того, чтобы вещество расплавилось, поэтому мантия - чрезвычайно вязкая, однако, ее движения все же возможны так же, как движение (течение) ледников. На самом верху - тоненький слой твердой земной коры. Под океанами кора имеет толщину всего несколько километров, под континентами - порядка 30 км, под горными массивами - до 70 км. Эти цифры совершенно ничтожны по сравнению с радиусом Земли, составляющим 6370 км. Недра Земли так же недоступны для непосредственного изучения, как галактики. Самая глубокая скважина, бурение которой продолжается и сейчас на Кольском полуострове, достигает лишь двенадцати километров под поверхностью Земли. И строить догадки о глубинном строении недр мы можем, наблюдая землетрясения и выполняя сейсмические исследования. Последние основаны на том, что звуковые волны от взрывов распространяются с различной скоростью в породах с различной плотностью и отражаются от границ разделов слоев, имеющих разную плотность. Так, мантия имеет плотность 3,3 г/см3 , континентальная кора 2,77 г/см3 , океаническая кора 2,9 г/см3 . Устанавливая приемники таких волн и измеряя времена прихода сигналов в различных точках поверхности, мы можем судить о внутреннем устройстве коры и даже более глубоких слоев. Вещество коры распределяется на три класса пород, имеющих различное происхождение: 

* изверженные  (или магматические) породы появились  на поверхности в результате деятельности вулканов. Примером является гранит; 

* осадочные породы  появились в процессе осаждения  на дно океанов, причем океаны  не всегда занимали то же  положение, что и сейчас, и осадочые  породы могут встречаться вдали  от морских берегов. Примером является мел; 

* метаморфические  породы на протяжении геологической  истории Земли подверглись воздействию  высоких температур и давлений  и изменили свою кристаллическую  структуру. Например, известняк превращается  в мрамор. 

Геологическую историю Земли можно проиллюстрировать на таком примере. Пусть каждый миллион лет соответствует одной секунде условного кинофильма. Тогда продолжительность всего фильма займет 1 час 20 мин. В течение первых трех минут происходило формирование Земли из протопланеты. Затем наступает так называемый архейский период, в течение которого образовывалась кора, океаны, атмосфера. Этот период будет длиться примерно 40 минут, причем в районе тридцатой минуты на Земле зародится жизнь, хотя пока довольно примитивная - водоросли, простейшие. Начало следующему - протерозойскому периоду, который продлится около "получаса", - положило возникновение зон повышенной проницаемости земной коры, которые образовали системы разломов. Возможно, это было одной из причин выхода растений на сушу. Тогда же возникают почти все типы животных, за исключением позвоночных, - черви, моллюски. И, наконец, в последние 10 минут (кайнозойский период) происходит быстрый расцвет фауны, связанный с тем, что у животных выработался прочный скелет или твердая внешняя оболочка. Две последних секунды этого фильма будут содержать эпохи великих оледенений и появление человека, а вся история нашей цивилизации уложится в 1/200 часть последней секунды. Узнать все это позволяет анализ палеонтологических данных: изучение окаменевших останков животных в осадочных породах и радиоуглеродный метод датировки. 

В последние 30 лет  всеобщее признание получила концепция  или теория тектонических плит земной коры, согласно которой в течение  всей кайнозойской эры материки перемещались по поверхности планеты. Действительно, рассмотрев карту мира как разрезную картинку, можно заметить, что в целом ряде случаев - Южная Америка и Африка, Антарктида, Австралия и Индостан - границы материков удивительным образом хорошо совмещаются. Это любопытное обстоятельство было отмечено довольно давно, однако только в 1912 году А.Вегенер сделал обоснованное предположение о существовании праконтинентов, их возможном расколе и дальнейшем движении образовавшихся континентов по поверхности Земли. Но как же может двигаться материк? Понадобилось более полувека, чтобы эта теория получила признание специалистов, объяснявших особенности строения коры на основе предыдущей парадигмы, в которой основная роль отводилась вертикальным перемещениям пород и их слоев. 

Обсудим вкратце основные аргументы, приводящие к заключению о движении материков. Если считать, что некоторые нынешние материки когда-то составляли одно целое, то можно сделать целый ряд выводов, допускающих проверку. Наиболее достоверным способом датировки и географической привязки пород является метод "руководящих ископаемых" - анализ останков окаменевшей фауны. Если один и тот же вид животных (например, трилобиты) встречается в различных точках поверхности, то можно полагать, что соответствующие осадочноые породы образовались в одно и то же время. В различных регионах наибольшее распространение получали различные виды руководящих ископаемых. Оказалось, что в соответствующих точках совмещенных границ материков имеются одинаковые ископаемые, имеющие одинаковый возраст. Немедленным практическим выводом был поиск одинаковых полезных ископаемых в соответствующих точках. И в Южной Америке нашли алмазы, соответствующие Африканским месторождениям. 

Другим обстоятельством, до выявления которого Вегенер не дожил, были особенности намагниченности горных пород. Известно, что при повышении температуры до определенного значения (температуры Кюри) вещество теряет свои магнитные свойства, а при понижении температуры вновь намагничивается, если вокруг имеется магнитное поле. Когда раскаленное вещество магмы изливается на поверхность и начинает остывать, его возникающая намагниченность определяется магнитным полем Земли и связана с направлением на магнитный полюс. При анализе намагниченности горных пород было установлено, что направление на магнитный полюс существенно менялось на протяжении истории Земли. Это позволяет вычертить траекторию дрейфа магнитного полюса по поверхности. Получается некоторая кривая, один из концов которой совпадает с современным магнитным полюсом. Построив такую кривую сначала по геологическим данным Европы, а затем Северной Америки, можно обнаружить, что, с одной стороны, они не совпадают, а с другой - их формы чрезвычайно схожи. И если допустить, что Лабрадор, Северная Америка и Европа некогда составляли единое целое, причем смыкались по прослеживаемым линиям, близким к береговым, то полученные траектории дрейфа магнитного полюса практически совпадут (рис.4). 

В 50-е годы был  изучен так называемый Атлантический  рифт - узкий горный хребет на дне  Атлантического океана, протянувшийся  с севера на юг от Арктики до Антарктиды. Его осевая линия представляет собой провал, по его сторонам имеются крутые возвышения, части которых иногда достигают поверхности океана и являются островами. Рифт является зоной повышенной вулканической активности. Исследования намагниченности горных пород вдоль склонов хребта обнаружило любопытную особенность: вдоль хребта идут полосы шириной примерно 30 км (так называемые полосовые аномалии), в которых намагниченности поочередно направлены в противоположные стороны. Это указывает на то, что магнитные полюса Земли на протяжении ее истории неоднократно менялись местами. С другой стороны, это означает, что в результате вулканической деятельности кора вдоль рифта раздвигалась. Точные спутниковые измерения показывают, что Северная Атлантика раздвигается примерно на 1 см в год. Аналогичный регион в восточной части Тихого океана раздвигается на 5 см в год. Где же тогда сдвигаются участки коры и куда деваются, сдвинувшись? Один ответ очевиден: горные хребты на суше могут представлять собой результат столкновения плит. Но есть и другой. Помимо рифтовых возвышений на океанском дне существуют и впадины. Как правило, они расположены вдоль побережья. Самой глубокой и самой известной является Марианская впадина в юго-западной части Тихого океана. Если нанести на карту всю систему таких впадин и отметить зоны сейсмической активности, то их расположения совпадут. При этом оказывается, что эпицентры землетрясений располагаются на глубинах от нескольких километров до нескольких десятков километров. Эти значения соответствуют значениям толщины коры под океаном и материком. Можно предположить, что раздвигающаяся океаническая кора "задвигается" под континентальную. При этом образуются понижения поверхности (впадины), а кроме того при взаимных перемещениях возникают значительные механические напряжения, сброс которых (взаимное проскальзывание плит) и приводит к землетрясениям. Таким образом, подводные желоба имеют геологическое значение.