Происхождение Солнца и Планет

Существует 3 главные  гипотезы о происхождении Луны. По одной из них Луна отделилась от Земли, по другой - Луна была захвачена  уже “готовой” силами притяжения Земли, по третьей, разработанной в 60-е годы российской ученой Е.Л. Рускол, Луна образовалась вместе с Землей из роя планетезималей. Недавно ученые университета Беркли в Калифорнии (США), после длительных компьютерных расчетов показали, что Луна образовалась в  результате столкновения Земли по касательной  с космическим телом размером с Марс. Выброшенные в космос обломки  стали вращаться по круговой орбите, слипаясь в шаровидное тело – Луну. Было это 4,5 млрд. лет назад. Любая  из гипотез должна объяснить отличия  в химическом составе лунных пород  от земных и различия в плотности  небесных тел. 

Диаметр Земли 12756 км; масса 5,988×1024 кг; плотность 5510 кг/м3; период вращения 23 ч 56 м 4,1 с; период обращения 365,26 суток; эксцентриситет орбиты 0,017; площадь поверхности – 510 млн. км2; объем – 1,083×1012 км3. 

И. Ньютон первым показал, что форма Земли более сложная, чем шар, и доказал, что главным  фактором в создании формы Земли  является ее вращение и, вызванная этим центробежная сила. Поэтому форма  Земли зависит от совместного  действия сил гравитации и центробежных. Хорошо известно, что равнодействующая этих сил называется силой тяжести. Многочисленные геодезические измерения  позволили доказать, что Земля  представляет собой эллипсоид, вычисленный  в 1940 г. геодезистом А.А.Изотовым и  названный им эллипсоидом Красовского  в честь Ф.Н. Красовского, известного русского геодезиста. Параметры эллипсоида Красовского: экваториальный радиус – 6378,245 км; полярный радиус – 6356,863 км; полярное сжатие α = 1/298,25. 

Реальная форма  Земли лучше описывается фигурой  геоида (землеподобная) – эквипотенциальной  поверхностью невозмущенного океана, продолженной и на континенты. Сила тяжести в каждой точке поверхности  геоида направлена перпендикулярно  к ней. Сейчас построена карта  геоида, приведенная к сжатию 1/298,25, с помощью как наземных гравиметрических, так и спутниковых наблюдений. На карте ясно видны впадины и  выпуклости на поверхности Земли  с амплитудой в десятки метров, так что форма Земли скорее напоминает “обгрызанное яблоко”. Аномалии геоида обусловлены неравномерным  распределением масс с различной  плотностью внутри Земли. 

Находясь на поверхности  Земли, мы можем определить много  параметров, характеризующих Землю: состав вещества (горных пород, вод, океана, атмосферы) и его возраст, температуру, силу притяжения к Земле (ускорение  силы тяжести), величину магнитного поля, и наблюдать множество явлений: извержения вулканов, землетрясения, в  особенности катастрофические, и  измерять времена пробега сейсмических (упругих) волн, видеть свечения полярных сияний и многое другое. 

Геологам хорошо известно внутреннее строение Земли, т.к. существует метод, который позволяет  заглянуть в недоступные места  планеты. Это – сейсмические волны (“сейсма” – сотрясение, греч.), возникающие  в Земле от землетрясений, ядерных  и крупных промышленных взрывов, которые пронизывают всю Землю, преломляясь и отражаясь на разных границах смены состояния вещества. По образному выражению известного геофизика каждое сильное землетрясение  заставляет Землю долго гудеть, как  колокол. Сейсмологический метод находится  в ряду других геофизических методов, но для целей познания глубин Земли  он один из самых важных. 

Земная кора ограничивается снизу очень четкой поверхностью скачка скоростей сейсмических волн, впервые установленной югославским  геофизиком А. Мохоровичичем в 1909 г. и получившей его имя: поверхность  Мохоровичича, или поверхность М. Вторая глобальная сейсмическая граница  раздела находится на глубине 2900 км и была выделена в 1913 г. немецким геофизиком Бено Гутенбергом и также  получила его имя. Эта поверхность  отделяет мантию Земли от ядра. 

На глубине 5120 км снова происходит скачкообразное увеличение скорости волн, т.е. эта часть ядра - твердая. Таким образом, внутри Земли  устанавливается 3 глобальные сейсмические границы, разделяющие земную кору и  мантию (граница М), мантию и внешнее  ядро (граница Гутенберга), внешнее  и внутреннее ядро. 

В последние годы была установлена еще одна глобальная сейсмическая граница на глубине 670 км, отделяющая верхнюю мантию от нижней и являющаяся очень важной для  понимания процессов, идущих в верхних  оболочках Земли. Эта граница  располагается ниже поверхности  М, некотором уровне, различном по глубине под океанами и материками. Особенности этого слоя, получившего  название астеносфера (“астенос” - слабый, мягкий, древн. греч.), объясняются возможным  его плавлением в пределах 1-2%. Плавление  проявляется в виде очень тонкой пленки, обволакивающей кристаллы при  Т0 порядка +1200 °С. 

Астеносферный слой расположен ближе всего к поверхности  под океанами, от 10-20 км до 80-200 км, и  глубже, от 80 до 400 км под континентами, причем залегание астеносферы глубже под более древними геологическими структурами, например, под докембрийскими платформами, чем под молодыми. Мощность астеносферного слоя, как и его  глубина сильно изменяются в горизонтальном и вертикальном направлениях. В современных  геотектонических представлениях астеносферному слою отводится роль своеобразной смазки, по которой могут перемещаться вышележащие  слои мантии и коры. 

Земная кора и  часть верхней мантии над астеносферой носит название литосфера (“литос”  – камень, греч.). Литосфера холодная, поэтому она жесткая и может  выдержать большие нагрузки. Механические свойства вещества Земли на всех уровнях  важна для понимания геодинамических  процессов. Литосфера, т.е. земная кора и часть верхней мантии до глубин примерно в 200 км ведет себя в целом  как более хрупкая, чем нижняя (гранулито-базитовый слой). Жесткость  литосферы оценивается в 1024 Нм и  она обладает неоднородностью в  горизонтальном направлении. Именно в  литосфере, особенно в ее верхней  части, образуются разломы. 

Астеносфера, подстилающая литосферу, также обладает неоднородностью  в горизонтальном направлении и  изменчивой мощностью. Пониженные скорости сейсмических волн в астеносфере  хорошо объясняется плавлением всего  лишь 2-3% вещества. Астеносферный слой по современным представлениям играет важнейшую роль в тектонической  и магматической активности литосферных  плит и обеспечивает их изостатическое равновесие, несмотря на то, что сам  слой может быть прерывистым, например, отсутствуя под древними докембрийскими платформами. 

Располагающаяся ниже астеносферного слоя мантия, особенно нижняя, глубже 670 км, обладает вязкостью  около 1021 м2/с. Эта очень высокая  вязкость, тем не менее, не является непреодолимым препятствием для  медленных конвективных перемещениях мантийного вещества, что подтверждается так называемой сейсмической томографией, позволяющей “увидеть” очень  незначительные плотностные неоднородности в мантии. Глубже 700 км в мантии не зафиксировано очагов землетрясений, что свидетельствует о невозможности  возникновения сколов. 

Выше говорилось о модели строения Земли К.Е. Буллена, созданной в 1959-1969 гг. В последнее  время используется более новая, уточненная модель, называемая PREM (Prelimerary Reference Earth Model), характеризуемая “нормальным”, т.е. усредненным распределением с  глубиной различных физических параметров, в том числе скоростей распространения  сейсмических волн. Определение химического  и минерального состава геосфер  Земли представляет собой очень  сложную задачу, которая во многом может быть решена лишь приблизительно, основываясь на косвенных данных. Прямые определения возможны только в пределах земной коры, горные породы которой неоднородны по своему составу  и сильно различаются в разных местах. 

Четко видна разница  в составе между континентальной  и океанической корой, которая носит  принципиальный характер. Верхний слой континентальной коры состоит из гранитов и метаморфических пород, которые обнажаются на кристаллических  щитах древних платформ. Нижний слой коры практически нигде не вскрыт, но в его составе должны преобладать  основные породы – базиты, как магматические, так и метаморфические. Об этом свидетельствуют  геофизические и экспериментальные  данные. Тем не менее, приведенный  выше средний состав земной коры, может  быть отнесен только к верхней  части земной коры, тогда как состав нижней коры все еще остается областью догадок. 

Горные породы, слагающие  континентальную кору, несмотря на свое разнообразие, представлены несколькими  главными типами. Среди осадочных  пород преобладают песчаники  и глинистые сланцы (до 80%), среди  метаморфических – гнейсы и кристаллические  сланцы, а среди магматических  – граниты и базальты. Следует  подчеркнуть, что средние составы  песчаников и глинистых сланцев  близки к средним составам гранитов и базальтов, что свидетельствует  о происхождении первых за счет выветривания и разрушения вторых. 

В океанической коре по массе абсолютно преобладают  базальты (около 98%), в то время как  осадочные породы самого верхнего слоя имеют очень небольшую мощность. Самыми распространенными минералами земной коры являются полевые шпаты, кварц, слюды, глинистые минералы, образовавшиеся за счет выветривания полевых шпатов. Подчиненное значение имеют пироксены  и роговые обманки. Состав верхней  и нижней мантии может быть определен  только предположительно, основываясь  на геофизических и экспериментальных  данных. Верхняя мантия, ниже границы  Мохоровичича с наибольшей долей  вероятности сложена ультраосновными  породами, обогащенными Fe и Мg, но в  тоже время обеденными кремнеземом. Не исключено, что среди пород  верхней мантии много эклогитов, которые образуются при высоких  давлениях, о чем свидетельствует  появление в них минерала граната, устойчивого при том давлении, которое существует в верхней  мантии. 

Основными минералами вещества верхней мантии являются оливин и пироксены. По мере увеличения глубины, твердое вещество мантии скачкообразно, на границах, устанавливаемых сейсмическим методом, претерпевает структурные  преобразования, сменяясь все более  плотными модификациями минералов  и при этом не происходит изменение  химического состава вещества. 

Химический и минеральный  состав ядра предполагается на основании  расчетных давлений, около 1,5 Мбар, существующих глубже 5120 км. В таких условиях наиболее вероятно существование вещества, состоящего из Fe с 10% Ni и некоторой примеси  серы во внешнем ядре, которая образует с железом минерал троилит. Как  полагает А.А. Ярошевский, именно эта  легкоплавкая эвтектическая смесь  обеспечивает стабильность жидкого  внешнего ядра, выше которого находится  твердая силикатная мантия. Таким  образом, Земля оказывается расслоенной  на металлическое ядро и твердую  силикатную мантию и кору, что обуславливается  различной плотностью и температурой плавления, т.е. различиями физических свойств вещества мантии и ядра согласно представлениям А.А. Ярошевского. Эти  различия могли сформироваться еще  на стадии гетерогенной аккреции планеты. 

Земная кора –  тонкая оболочка нашей планеты, обогащена  легкоплавкими соединениями, образовавшимися  при плавлении мантийного вещества. Поэтому магматизм, во всех его проявлениях, и является тем главным механизмом, обеспечивающим формирование легкоплавкой фракции и ее продвижение во внешнюю  зону Земли, т.е. формирование земной коры. Магматические процессы фиксируются  с самого раннего геологического времени, породы которого доступны наблюдению, а, следовательно, в это же время  началась дегазация мантии, в результате чего были сформированы атмосфера и  гидросфера. 

Рассмотренные выше процессы, начало которым положило образование нашей планеты, продолжаются до сих пор, и влияют, так или  иначе, на существование человечества. Это делает, по мере расселения человека по планете, все более актуальной информацию о глобальных геологических  процессах. 

Заключение 

Проблемы возникновения  и развития Вселенной и Солнечной  системы представляют для человечества не только академический интерес. Из геологической истории известны падения крупных космических  тел на поверхность Земли, оставивших огромные кратеры - астроблемы (“звездные  раны”) и сопровождавшиеся катастрофическими  последствиями для биоты. Не исключена  возможность столкновения астероида  с Землей и в будущем, поэтому  ученые озабочены расчетами уточнения  орбит астероидов, которые могут  пролететь вблизи Земли. Вечером 23 марта 1989 г. совсем рядом с нашей планетой “просвистел” каменный астероид с  поперечником около 800 м. И, несмотря на то, что “рядом” означает расстояние в два раза большее, чем от Земли  до Луны, с 1937 г., когда астероид Гермес пролетел примерно на таком же расстоянии, подобных происшествий не наблюдалось. Астрономы предсказывают, что астероид “1989FC” может вернуться и если он столкнется с Землей, то последствия  будут равны одновременному взрыву 1000 водородных бомб. Поэтому прогноз  взаимодействия космических тел  в Солнечной системе, возможно, является для человечества условием выживания. 

Геология дала человечеству возможность использования геологических  ресурсов для развития всех отраслей техники и технологии. Вместе с  тем, интенсивная техногенная деятельность привела к резкому ухудшению  экологической мировой обстановки, настолько сильной и быстрой, что нередко под вопрос ставится существование человечества. Мы потребляем намного больше, чем природа в  состоянии регенерировать. Поэтому  проблема устойчивого развития в  наши дни является подлинно глобальной, мировой проблемой, касающейся всех государств.