Представления о геосферах в классической науке

Введение 

      Различные науки о Земле достигли уже  такого уровня, когда становится все  более актуальной задача рассмотрения всей нашей планеты в целом.

      Земля входит в состав системы, где центром  является Солнце, в котором заключено 99,87% массы всей системы. Характерной особенностью всех планет Солнечной системы является их оболочечное строение: каждая планета состоит из ряда концентрических сфер, различающихся составом и

состоянием  вещества. Земля и окружающая ее среда сформировались в результате закономерного развития всей Солнечной системы. Около 4,7 млрд. лет назад из рассеянного в протосолнечной системе газопылеватого вещества образовалась планета Земля. Как и другие планеты, Земля получает энергию от Солнца, достигающую земной поверхности в виде электромагнитного излучения. Солнечное тепло — одно из главных слагаемых климата Земли, основа для развития многих геологических процессов. Огромный тепловой поток исходит и из глубины Земли. По новейшим данным масса Земли составляет 5,98 • 1021 т, объем - 1,083-1012 км3, площадь поверхности ~ 510 млн. км2. Размеры, а следовательно, и все природные ресурсы нашей планеты ограничены.

      Форма Земли близка к шару, сплюснутому  у полюсов. Такую форму называют сфероидом. Средний радиус 3емли равен 6371 км, при этом экваториальный радиус составляет 6378 км, а полярный—6357 км. В связи с тем, что земная поверхность усложнена глубокими океаническими впадинами и высокими горными хребтами, эту истинную, присущую только Земле форму, назвали геоидом.

На основании  изучения характера распространения сейсмических волн, определения массы и плотности Земли, распределения водного и воздушного пространства установлено, что наша планета имеет неоднородное строение и так же, как другие планеты Солнечной системы, состоит из концентрических оболочек (геосфер) — внутренних и внешних.

К внутренним геосферам относятся: ядро, мантия и литосфера, к внешним - магнитосфера, гидросфера, атмосфера и биосфера.

      Одним из самых важных элементов будущей  теории Земли, несомненно, явится сложная  проблема взаимодействия друг с другом различных геосфер.

       Представления о  геосферах в классической науке 

      Оболочечное строение Земли было установлено  в глубокой древности. В виде эмпирического  обобщения этот факт выступал уже  в античной науке, а более отчетливое выражение он нашел в концепциях Р. Декарта, Г. Лейбница, Ж. Бюффона, А. Гумбольдта, Э. Зюсса и др. Зюсс явился создателем классической теории оболочечного строения Земли в той общей форме, которая легла в основу дальнейшего развития наук о Земле. В. И. Вернадский стал теоретиком современного, отчасти уже неклассического учения о таксономии, структуре, строении и взаимодействии геооболочек и геосфер как атрибутивных компонентов Земли. До настоящего времени основой геосферной проблематики остается разработка таксономии геосфер и оболочек, которая составляет контур всего геономического знания. Проведенная попытка таксономии геосфер и оболочек (Круть, 1973) показала исключительную ее сложность и трудность для восприятия. В предлагаемом изложении мы подойдем к той же проблеме двумя путями — историческим в этой главе и систематическим в следующих главах.

      Геосферами  будем называть главные компоненты и элементы Земли как целостной  системы (соответственно и ряда других планетных тел), которые выделяются на разных уровнях ее организации. Геосферы представляют собой концентрические тела, частично образующие оболочечную структуру — геооболочки. В их пределах интегрально и дифференциально взаимодействуют геофизические, геохимические, геологические, географические и биологические объекты. В принимаемом значении геосферы это — тела-системы, а не просто области распространения, что часто смешивается.

      Оболочечная структура мира нашла отражение  во многих мифах древности, в которых  Земля и Космос рассматривались  в единой системе. Сходные мотивы этого рода проходят в сказаниях Индии, Китая, Вавилона, Египта и др. По древнегреческой космологии из первоначального Хаоса организуются Земля и Небо, в зияющей пустоте между которыми возникают различные природные объекты, включая органический мир.

      В натурфилософии Анаксимандра (VI в. до н. э.) сферическую структуру образуют земля, вода, воздушный слой, огненная сфера. В гераклитовской динамической картине мира сферы циклически взаимопревращаются в круговороте циклического года. Не менее древнее пифагорейское учение о шарообразной Земле и гармонии небесных сфер детализируется Парменидом в виде сложной системы концентрических венцов. У Анаксагора, Эмпедокла, Левкиппа, Демокрита (V в. до н. э.) прослеживаются представления о происхождении главных сфер из атомного вихря. Платон (IV в. до н. э.) рассматривает Космос как живое целое, главные элементы-стихии которого (огонь, земля, вода, воздух) характеризуются специфическими формами и сложными пространственными отношениями; так, огненная сфера пронизывает небо и землю в виде светового столпа.

      Аристотель  ищет причину сферической структуры  Земли и ее окружения в стремлении каждой из четырех стихий к «естественному месту» (о занявшей высшее положение  сфере огня сохранилась память в  слове «эмпйрейский», употреблявшемся поэтами многих веков); он добавляет также пятую сферу-субстанцию, которая проникает все другие, — эфир. Аристотелевская концепция внешних сфер нашла продолжение в расходящихся направлениях: 1) александрийской астрономии при установлении сфер вращения небесных тел (III в. до н. э.— II в. н. э.) и 2) неоплатонических умозрениях об идеальных сферах и эманациях мировой иерархии (III—VI вв.). Древнегреческие представления развиваются в представлениях римских авторов I в. до н. э. — I в. н. э. о слоистом распределении водных, воздушных и огненных субстанций внутри Земли и над ее поверхностью (Лукреций, Сенека, Плиний Ст.).

      Искания последующих мыслителей — христианских, а также арабских — не дали нового знания о природных сферах, хотя в средневековой картине мира, а затем в натурфилософии Возрождения конструировались иерархические сферы земного и небесного бытия. Существенным результатом было, однако, бесспорное подтверждение сферичности Земли и ее главных оболочек Великими географическими открытиями в XV—XVI вв.

      Так компонентом мифологического, религиозного и натурфилософского миропонимания  стал во многом эмпирический вывод  о наличии и взаимодействии главных  геосфер: твердой Земли («террасферы»), жидкой и воздушной оболочек (гидросферы и атмосферы), а также огненной сферы (гипотетического прообраза ионосферы). Вещественные сферы, различающиеся по преобладающему агрегатному состоянию, проникаются эфиром (предвосхищение полевой материальной субстанции). Можно даже вольно интерпретировать платоновский «световой столп» как догадку об электромагнитосфере, а аристотелевское тяготение к «естественному месту» — о грависфере. Вещественные геосферы, различающиеся по агрегатному состоянию вещества, включают в себя участки друг друга. Идея геосфер оказалась перспективной для астрономии и географии, а также стимулировала дальнее мореплавание, в свою очередь подтверждаясь им. Сферическая структура Земли, установленная в предыстории нового естествознания, становится для него одной из руководящих идей. Проблема геосфер, исходящая уже из коперниковского гелиоцентризма, решается на взаимопересекающихся путях, во-первых, экспериментально-математической механики и физики и, во-вторых, натуралистского описательного знания, в том числе географического.

      Первая  научная революция XVII в. знаменуется обоснованием классической теории гравитационного поля Земли, начатым Г. Галилеем (с 1589 г.) и завершенным И. Ньютоном (1723 г.). Земное тяготение включается в систему Всемирного тяготения и суммирует тяготения отдельных земных тел; устанавливается сфероид вращения твердой Земли и предполагается первоначально расплавленное ее состояние; вслед за И. Кеплером (1609 г.) объясняются приливы и отливы в водной оболочке, которые еще с античности коррелировались с перемещениями в системе Земля — Луна. Классическая механика выявляет свойства воздушной оболочки — давление, упругость, термику (Э. Торричели, 1644 г.; Б. Паскаль, 1648 г.; Р. Бойль, 1680 г.; Э. Марриот, 1676 г.). Уже широко употребляется термин «атмосфера».

      «Индуктивной» науке принадлежало также открытие магнитного поля Земли, рассмотренной В. Гильбертом (1600 г.) как «большой магнит» (ранее ориентацию компасной стрелки объясняли притяжением звезд или магнетитовых залежей). Гильберт различал плотное магнитное ядро Земли и ее приповерхностную разнородную кору, «изменяющуюся в соседстве с воздухом и водами, светом и влиянием звезд. Магнитный компас, использовавшийся со средневековья для навигации, становится также средством картографирования (Э. Галлей, 1701 г.).

      Другое, во многом «дедуктивное» и натурфилософское направление отличалось далеко идущей экстраполяцией эмпирических данных. Вихревая космогония Р. Декарта (1644 г.) полагала последовательное образование оболочечной структуры Земли, в которой ныне выделяются «огненное» (по смыслу скорее плазменное) ядро, его плотная оболочка, внутренняя «металлическая» оболочка, раздробленная поверхностная кора, водная и воздушная оболочки. В многочисленных «теориях Земли» (А. Кирхер, 1664 г.; Г. Лейбниц, 1699 г.; В. Уайстон, 1696 г.; Р. Гук, 1705 г.) становятся господствующими представления о центральном огне и неоднократно обрушающейся коре. В некоторых концепциях отводится значительная роль внутренним водам (М. Стеной, 1669 г.; Т. Бёрнет, 1689 г.; особенно Дж. Вудворд, 1695 г.).

      В эпоху естественнонаучной систематизации и натуралистских синтезов XVIII в. успехи физико-механического изучения геосфер сравнительно скромны. А. Клеро (1743 г.), рассчитывая фигуру твердой Земли, учитывал возможность концентрических слоев с различной плотностью. Активны исследования атмосферы (О. Соссюр, Э. Дарвин, Ж. Гей-Люссак и др.), в результате которых выявился ее нижний, более плотный слой. Открывается природное электричество — у минералов (К. Линней, 1747 г.), атмосферы (Б. Франклин, 1773 г.), животных (Л. Гальвани, 1791 г.). Во второй половине века Т. Кларе де Флерье обобщил представление о Мировом океане как о единой геооболочке. Согласно естественноистори-ческим концепциям Ж. Бюффона (1749, 1778 гг.), И. Канта (1755 г.), отчасти П.С. Палласа (1777 г.), первично или вторично расплавленная внутренность Земли ныне уже застыла; водная и воздушная оболочки явились итогом дифференциации космического и земного вещества; впоследствии сформировалась сфера организмов (прообраз биосферы) и, наконец, человечество. Идею органической оболочки высказывали Вудворд, Бюффон, а позднее Вик дАзир (1786 г.) и Ж. Ламарк.

      Геологические концепции расходились в оценке доминирующей роли во внутренних и  приповерхностных процессах либо воды (И. Шейхцер, 1731 г.; Бюффон), либо расплавленного вещества (Ж. Мелле, 1748 г.; А. Моро, 1740 г.). К концу века дивергенция идей привела к противоборству нептунизма (школа А. Вернера) и плутонизма (школа Дж. Геттона), которыми различно объяснялся генезис установленных к тому времени подразделений земной коры: кристаллической и вышележащей осадочной оболочек. Доступный полевому наблюдению стратифицированный разрез коры стал изучаться на уровнях минералов — горных пород — геологических формаций; но соответственное усложнение структуры геосфер не было осознано.

      В дифференцированном естествознании XIX в., когда описательные и «точные» исследования сблизились, связующим звеном идей о геосферах выступили кантовская космогония и небулярная геогения П. Лапласа (1796 г.). Исходная мысль лапласовской концепции была подсказана опытом X. Гюйгенса с вращающимися глиняными шарами. С новой геогенией согласовалась выдвинутая Э. Ф. Хладни (1794 г.) метеоритная модель Земли, объединившая представления астрономии, геологии, химии; возникло предположение о металлическом, скорее всего железном, составе ядра Земли (Г. Штеффенс, 1801 г.; К. Шмидер, 1802 г.; К. Гофф, 1824 г.). Канто-лапласовская космогония способствовала распространению в качестве основы объяснения геологических процессов гипотезы флюидизма, т. е. огненного, жидкого ядра — «пиросферы» (Л. Бух, 1818 г.; А. Гумбольдт, 1823 г.; Л. Эли де Бомон, 1829 г.; Д. И. Соколов, 1839 г.; Э. И. Эйхвальд, 1846 г.; С. С. Куторга, 1858 г.). При этом мнение об обрушении коры сменялось представлением о ее складчатости в результате контракционного процесса. Различные исходные предположения и методы физических расчетов позволяли обосновывать и флюидизм, и противопоставляемый ему ригидизм — гипотезу твердого ядра, причем геологические процессы обычно непосредственно не связывались с глубинным состоянием Земли (А. А. Иовский, 1828 г.; Ч. Ляйелль, 1830 г.; В. Гопкинс, 1839 г.; Пуассон, 1837 г.).

      Во  второй половине века, когда усиливалось  взаимодействие естественных наук, в  силу космогонической и геологической  простоты и наглядности продолжает доминировать флюидизм в сочетании с контракционистской геотектоникой (Э. Науманн, 1858 г.; Б. Котта, 1866 г.; И. Делоне, 1868 г.; Д. Форбс, 1870 г.; К- Циттель, 1873 г.; Э. Зюсс, 1875 г.; А. А. Иностранцев). В то же время преимущественно физиками обосновывался и ригидизм (В. Томсон, 1867 г.; Ф. Мор, 1868 г.; Ф. А. Бредихин, 1871 г.; Дж. Дарвин, 1879 г.). Выдвигались также представления о жидком или пластичном слое между твердым ядром и корой (Р. Бунзен, 1851 г.; Дж. Дана, 1873 г.; А. Лазо, 1882 г.; И. В. Мушкетов, 1891 г.). Наличие вязкого подкорового слоя (предвосхищения астеносферы) предусматривалось теорией изостазии или гидростатического выравнивания блоков коры (Д. Эри, 1855 г.; Д. Пратт, 1860 г.; Ч. Деттон, 1892 г.). Открытие критического состояния газов породило «побочные» гипотезы газообразного земного ядра (К. Цёппритц, 1882 г.; С. Аррениус, 1900 г.; Ф. Ю. Левинсон-Лессинг,-1902 г.). Предположение о железном составе ядра, вытекавшее из метеоритной модели Земли и расчетов ее плотности, получило наибольшее признание (А. Добре, 1866 г.; С. Менье, 1867 г.; Д. И. Менделеев, 1877 г.). Зародилась сравнительная планетология (Менье и др.) или «астрогеология» (В. В. Лесевич, 1876 г.), уделявшая все большее внимание оболочечным структурам планетных тел.