Система наук о природе. Характеристика основных наук, их отношения между собой

Слабость  предложенной гипотезы заключалась  в том, что атомы наиболее легких элементов должны были ионизироваться ближе к Солнцу, атомы тяжелых  элементов - дальше. Значит, ближайшие  к Солнцу планеты должны были бы состоять из наилегчайших элементов - водорода и гелия, а более отдаленные - из железа и никеля. Наблюдения говорят  об обратном.

Чтобы преодолеть эту трудность, английский астроном Ф. Хойл предложил новый  вариант гипотезы. Солнце зародилось в недрах туманности. Оно быстро вращалось, и туманность становилась  все более плоской, превращаясь в диск. Постепенно диск начинал тоже разгоняться, а Солнце тормозилось. Момент количества движения переходил к диску. Затем в нем образовались планеты. Если предположить, что первоначальная туманность уже обладала магнитным полем, то вполне могло произойти перераспределение углового момента.

Известна  также гипотеза образования планет Солнечной системы из холодного газопылевого облака, окружающего Солнце, предложенная советским ученым Отто Юльевичем Шмидтом.

Развитие  Земли.

Древнейшая  Земля весьма мало напоминала планету, на которой мы сейчас живем. Её атмосфера  состояла из водяных паров, углекислого  газа и, по одним, - из азота, по другим - из метана и аммиака. Кислорода в  воздухе безжизненной планеты не было, в атмосфере древней Земли  гремели грозы, её пронизывало жёсткое  ультрафиолетовое излучение Солнца, на планете извергались вулканы. Исследования показывают, что полюса на Земле менялись, и когда-то Антарктида была вечнозеленой. Вечная мерзлота образовалась 100 тыс. лет назад после великого оледенения.

В XIX веке в геологии сформировались две концепции  развития Земли:

1) посредством  скачков («теория катастроф» Жоржа  Кювье);

2) посредством  небольших, но постоянных изменений  в одном и том же направлении  на протяжении миллионов лет,  которые, суммируясь, приводили к  огромным результатам («принцип  униформизма» Чарльза Лайелля).

Успехи  физики XX века способствовали существенному  продвижению в познании истории  Земли. В 1908 году ирландский ученый Д. Джоли  сделал сенсационный доклад о геологическом  значении радиоактивности: количество тепла, испущенного радиоактивными элементами, вполне достаточно, чтобы объяснить существование расплавленной магмы и извержение вулканов, а также смещение континентов и горообразование. С его точки зрения, элемент материи - атом - имеет строго определенную длительность существования и неизбежно распадается. В следующем 1909 году русский ученый В. И. Вернадский основывает геохимию - науку об истории атомов Земли и ее химико-физической эволюции.

В соответствии с современными взглядами температура  ядра Земли может быть низкой, а  процессы в земной коре имеют радиоактивную  природу. Сначала Земля была холодной. Атомы радиоактивных элементов, распадаясь, выделяли тепло, и недра  разогревались. Это повлекло за собой  выделение газов и водяных  паров, которые, выходя на поверхность, положили начало воздушной оболочке и океанам.

3. Охарактеризуйте  несколько открытий, связанных с современным  развитием геологии.

1) 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 немецкий геофизик 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 осадочные 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.

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.

Реконструкция очертаний древних материков  и анализ геофизических данных позволяют  восстановить следующую картину. В  середине кайнозоя (то есть примерно 300 млн. лет назад) на Земле существовало два материка: Гондвана и Лавразия. Гондвана состояла из сомкнутых Южной  Америки, Африки, Индостана, Австралии  и Антарктиды. Лавразия состояла из Северной Америки, Лабрадора и Европы. Между Гондваной и Лавразией  находился океан Тетис, соединяющий  современные Атлантический и  Тихий океаны. Он сужался по направлению  к западу, так что эти материки смыкались. Остатками Тетиса являются Средиземное и Черное моря. Существование  в прошлом сухопутных путей между  регионами, которые теперь принадлежат  разным континентам, привело к распространению  одинаковых животных на территориях, впоследствии далеко разделенных водными пространствами. При этом на вновь образующихся континентах  эволюция шла по-разному. Так, травоядные сумчатые, первоначально заселявшие также и исходно смежные с  Австралией территории, в самой Австралии  уцелели, а в Азии были уничтожены новыми - плацентарными млекопитающими, бывшими в основном хищниками. Однако о том, что в давние времена  сумчатые проживали там в изобилии, можно догадаться по останкам костей. Известен также вид гигантских морских  черепах, проживающий на побережье  Южной Америки, самки которого откладывают  яйца на острове, расположенном в  2000 км от берега. Что заставляет их проделывать столь дальний путь, неясно, если не предположить, что в давние времена (а род этих черепах насчитывает 90 млн. лет) остров был неподалеку от места проживания черепах, а затем очень медленно отодвигался от суши в результате материкового дрейфа. Так медленно, что черепахи не могли среагировать на этот процесс.

Имеются указания и на то, что помимо раздвиганий  и разворотов Гондвана и Лавразия смещались и в целом. Анализ остатков флоры в геологических отложениях показывает, что области суши, которые  теперь находятся в экваториальных областях, раньше были в полярных, а  экватор пересекал Лавразию. Если материки не двигались, то единственным объяснением, которое могло бы быть ответственным за такое изменение  климата, является изменение наклона  оси вращения Земли. Однако если бы по каким-то причинам это случилось, то последствия были бы катастрофическими  для всей планеты вплоть до распада  ее на части. Примерно 200-160 млн. лет назад  активизация вулканической деятельности привела к образованию разломов и дроблению протоматериков. Двигающиеся  на север Африка и Индия сомкнулись с двигающимися на юг Европой и  Азией, Тетис исчез, и возникла Альпийско-Кавказско-Гималайская  гряда молодых гор. Из географически  близких нам примеров можно упомянуть  расширение Кандалакшского залива, в  результате чего Кольский полуостров постепенно отъезжает на север.

Что же является движущей силой таких циклопических  перемещений? Как показывают данные термодинамических и сейсмических измерений, внутри мантии существуют вариации как плотности, так и температуры. Это означает, что возможна циркуляция вещества, когда горячий и менее  плотный материал поднимается вверх, растекается, охлаждается и, став более  плотным, опускается в глубину. То, что  мантия состоит из твердого вещества, не должно смущать, поскольку имеется  наглядный пример - текущие ледники. Оказывается, достаточно очень небольшой  разности температур, чтобы материал пришел в движение, которое, конечно, является очень медленным. Такая циркуляция вполне может привести к тем подвижкам, о которых шла речь. Правда, необходимо отметить, что для осуществления такого процесса необходима однородная мантия, т.е. состоящая из вещества, состав которого не меняется с глубиной, не становится более плотным. Вынос вещества наружу должен приводить либо к расширению Земли, либо к образованию складок, либо компенсироваться погружением части коры вглубь. Подсчет суточных ростовых колец на кораллах (аналогичных годовым кольцам на деревьях) показывает, что примерно 400 млн. лет назад в году было 400 суток, то есть Земля вращалась быстрее, то есть ее радиус был меньше (момент количества движения сохраняется). Однако недостаточно меньше, чтобы соответствовать расчетному количеству материала, выведенного к настоящему времени наружу из мантии. Складки действительно есть - горные хребты, состоящие из сжатых пород. Однако рассчитанное суммарное сжатие современных гор не соответствует и малой доле того материала, который добавился к коре из верхней мантии за последние 25 млн. лет. А вот погружение коры действительно имеет место, как о том было сказано про глубоководные желоба.

Теория  тектонических плит существенно  изменила мировоззрение людей и  их представление об эволюции нашей  планеты. Она имеет также и  практические аспекты. Мы стали лучше  понимать природу землетрясений  и получили возможность улучшить их прогнозирование. Зная линии разломов земной коры, вдоль которых происходит смещение плит, можно наблюдать за этим смещением, и, если оно замедляется  или останавливается, это указывает  на вероятность скорого сейсмического  толчка. Более того, существуют проекты  бурения скважин вдоль разломов, куда в качестве смазки будет закачиваться вода, что приведет к снижению амплитуды  толчков. Кроме того, на основе теории тектонических плит стало более  понятным распределение полезных ископаемых и источников сырья.

Сейчас  тектоника плит подтверждена прямыми  измерениями скорости плит методом  интерферометрии излучения от далёких  квазаров и измерениями с помощью  спутниковых навигационных систем GPS. Результаты многолетних исследований полностью подтвердили основные положения теории тектоники плит.

4) открытия Михаила Васильевича Ломоносова в области геологии и минералогии

В развитие этих наук Ломоносов внес большой вклад. Важные и интересные идеи, технические и инженерные изобретения изложены им в таких фундаментальных трудах, как «Слово о рождении металлов от трясении Земли», «Первые основания металлургии, или рудных дел» и приложения к нему- «О вольном движении воздуха, в рудниках примеченном» и «О слоях земных», а также в других сочинениях. Он подготовил и отредактировал Минеральный каталог Кунсткамеры Академии наук, который был опубликован в 1745 году и содержал более 3 тыс. образцов руд и минералов. В работах Ломоносова по геологии четко сформулирована теория эволюции, лежащая в основе всех явлений природы. Великий ученый показал, что история нашей планеты представляет собой постоянный процесс эволюции, где существуют качественно различные ступени. Ломоносов изучал причины и природные последствия сейсмических катастроф. Он сделал первую в истории науки попытку определить глубину очагов землетрясения, т.е. толщину того, что  впоследствии в геологии получило название земной коры. В своей работе «О слоях земных» Ломоносов поставил серьезные задачи перед геологией и высказал идею о совместном нахождении минералов. Он верно указал роль организмов в образовании торфа, каменного угля и нефти. Ломоносов ввёл в русский язык такие слова, как атмосфера, горный хребет, земная ось, удельный вес и др.