Гипотеза Шмидта. 
Геология

В 1948 г. советский ученый О. Ю. Шмидт выдвинул принципиально новую гипотезу образования Земли и планет Солнечной системы из холодного облака межзвездной материи. Несколько миллиардов лет тому назад Солнце встретило при своем движении во Вселенной большую газопылевую туманность. Значительная часть туманности последовала за Солнцем и стала вращаться вокруг него. Отдельные мелкие частицы слипались в крупные сгустки, которые по мере своего движения сталкивались друг с другом и обрастали все новым материалом, образуя плотные комья — зародыши будущих планет.

Гипотеза Фесенкова основана на том, что возраст Солнца близок к астрономическому возрасту Земли, поэтому Солнечная система образовалась одновременно из одной и той же исходной среды — некой газопылевой туманности. Внутренние части уплотнения послужили материалом для образования Солнца, внешние — для образования других планет Солнечной системы. Земля возникла сразу во всей массе, а не собиралась из отдельных частиц.

Гипотеза Амбарцумяна.

По этой гипотезе в глубинах Вселенной существуют сверхплотные тела, которые делятся на части, образуя звездные ассоциации. Примерно 5 млрд лет назад под влиянием взрыва в звездной ассоциации нашей Галактики возникло массивное сгущение холодной газопылевой материи. Сгущение начало сжиматься и раскручиваться. Силы, действующие в нем, приводили к концентрации материи в центре, сплющиванию облака и отрыву газопылевой массы по краям сгущения. Дальнейшие сжатия материи вызвали рост давлений и температуры, которые обусловили появление ядерных реакций, превращения водорода в гелий, разогрели сгущение до высокой температуры и дали начало Солнцу. По периферии Солнца концентрировались отдельные газопылевые скопления — зародыши будущих планет Солнечной системы.

У каждой из рассмотренных гипотез есть свои недостатки и слабые стороны, поэтому на современном этапе решение этой проблемы естествознания представляет большие трудности.

Первые сведения о шаровой форме Земли были сделаны древнегреческим ученым Эратосфеном Киренским за 250 лет до н.э. Дальнейшее изучение планеты показало, что Земля не является идеальным шаром, так как измерение экваториального и полярного радиусов выявило, что последний на 21,382 км меньше. Пришлось изменить название формы Земли на сфероид, близкий к эллипсоиду вращения. Если мысленно опустить все горные территории в морские впадины, то не хватит материала, чтобы получился эллипсоид вращения, поэтому форму Земли назвали геоидом. Работами полярных экспедиций было установлено, что Северный полюс Земли находится как бы в небольшой глубине, а Южный — на немного вытянутой вершине, в результате получилось как бы сердечко. Эту последнюю форму Земли назвали кардиоидом, но по-прежнему, говоря о форме Земли, мы говорим, что она круглая, как шар.

Земля, как и другие планеты Солнечной системы, имеет ярусно-оболочечное строение и состоит из нескольких неоднородных геосфер. Геосферы подразделяются на внешние (атмосфера и гидросфера), внутренние (земная кора, мантия и ядро) и особую оболочку, охватывающую часть атмосферы, всю гидросферу и верхний (3—4 км) слой земной коры, называемую биосферой.

Гидросфера (греч. hydor — вода) — водная оболочка, включающая океаны, моря, озера, реки, ледяные пространства и покрывающая прерывистой оболочкой около 75% поверхности Земли. С водами гидросферы тесно связаны подземные воды. Особенности распределения воды на Земле отражены в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Распределение воды на Земле.

Окончание табл. 1.1

Наука о поверхностных водах, явлениях и процессах, в них протекающих, называется гидрологией, а наука о подземных водах — гидрогеологией.

Несмотря на огромные размеры, оболочка имеет единый солевой состав со средней минерализацией 3,5% (в реках — 0,9%) и щелочной реакцией — pH 7,5—8,5. В разных морях концентрация солей неодинакова: в Балтийском море — 0,7%, в Каспийском —1,2, в Черном море —1,8, а в Красном — 4,1%. В воде океанов, морей и соленых озер растворено около 22 млн км³ солей, которыми можно покрыть поверхность нашей планеты слоем в 50 м. Качественный состав этих солей в основном представлен хлоридами (88%), сульфатами (10,8%), карбонатами (0,3%), а на другие соли приходится всего 0,9%. Такой состав соответствует сульфатно-хлоридному типу засоления.

Атмосфера (греч. atmos — пар и sphaira — шар) — газообразная оболочка вокруг Земли, нижней границей которой является земная поверхность, верхняя — отчетливо не установлена. Атмосфера постепенно переходит в космическое пространство. Толща атмосферы составляет около 1300 км и состоит из нескольких сфер: тропосферы, стратосферы, мезосферы, ионосферы и экзосферы (рис. 1.2).

Для геологии наибольший интерес представляет тропосфера, непосредственно контактирующаяся с земной поверхностью и существенно на нее влияющая.

Толщина тропосферы составляет 10—16 км, и в ней сосредоточено до 70% всей массы атмосферы и до 80% водяного пара, окружающего Землю. Воздух тропосферы состоит из смеси различных газов: азота — 78,08%, кислорода — 20,95, аргона —.

0,93, углекислого газа — 0,045 и других газов — 0,01%. На высоте 23—25 км (в стратосфере) расположен озоновый слой, предохраняющий все живые организмы на Земле от вредного коротковолнового излучения Солнца.

Рис. 1.2. Строение атмосферы

В отличие от других оболочек атмосферы тропосфера характеризуется большой плотностью, постоянным присутствием водяного пара и пыли, а также постоянной вертикальной и горизонтальной циркуляцией воздуха вследствие перепадов давления. Температурный режим тропосферы обусловлен теплом, получаемым ею от нагретой поверхности Земли, но с увеличением высоты она снижается в среднем на 0,5°С на каждые 100 м и на высоте 10—12 км она в среднем равна -55°С.

Земная кора — наружная твердая оболочка Земли, которая по сравнению с другими оболочками имеет неоднородное строение и составляет 1,5% от общего объема тела планеты. По глубине (сверху вниз) в земной коре выделяют три слоя: слой осадочных пород мощностью до 15 км, ниже — гранитный слой до 40 км и еще ниже — базальтовый слой до 80 км. Для каждого слоя характерна определенная скорость прохождения сейсмических волн, что и позволило определить глубину залегания этих слоев.

Осадочный слой в основном сложен относительно мягкими, иногда и рыхлыми горными породами в результате осаждения вещества в водных или воздушных условиях на поверхности Земли. Большинство осадочных пород имеют слоистое строение с плотностью 1—2,65 т/м³. На поверхности Земли есть участки, где осадочный слой полностью отсутствует.

Гранитный слой преимущественно сложен магматическими и метаморфическими породами, в составе которых преобладает алюминий и кремний. Среднее содержание кремнезема в этих породах составляет более 60%, поэтому их называют кислыми. Плотность пород колеблется в пределах 2,65—2,80 т/м³.

Базальтовый слой залегает непосредственно под гранитным. Граница между гранитным и базальтовым слоями называется границей Конрада. По химическому составу и физическим свойствам вещество это приближается к базальтам, т. е. основным породам, в которых кремнезема значительно меньше, чем в гранитах. Плотность вещества в базальтовом слое достигает 3,32 т/м³. Нижнюю границу этого слоя (3—70 км) принимают за нижнюю границу земной коры, называемую границей Мохоровича (югославский сейсмолог, который впервые установил ее в 1909 г.). Она характеризуется резким скачком изменения скоростей продольных сейсмических волн с 7,9 до 8,2 км/с. Граница Мохоровича отделяет земную кору от лежащей под ней мантии Земли (рис. 1.3). Сейсмологические данные свидетельствуют о том, что слой Мохоровича залегает до глубины 670 км.

Описанное выше слоистое строение характерно для континентального типа земной коры, а под океанами ее строение двухслойное, характерное для океанического типа. Океанический тип имеет маломощный осадочный слой, под которым залегает первый базальтовый слой с прослоями карбонатов и кремнистых пород (мощность 1,4—2 км), а второй базальтовый слой представлен средними и основными магматическими породами мощностью 4,7—5 км.

Рис. 1.3. Строение Земли.

Мантия — самая мощная оболочка Земли, залегающая ниже земной коры и составляющая 82,3% от общего объема тела планеты и около 66% ее массы. Приблизительная толщина мантии составляет 2900 км. Она не такая плотная, как ядро, но плотнее земной коры. Мантия неоднородна, и по скорости прохождения сейсмических волн ее условно подразделяют на три концентрических слоя: верхняя мантия (в среднем до глубины 410 км), средняя мантия (до глубины 670 км) и нижняя мантия (до глубины 2900 км).

Верхняя мантия вместе с земной корой образует литосферу — самую жесткую оболочку Земли, ниже которой находится близкий к расплавлению слой пониженной прочности — астеносфера (средняя мантия). С верхней мантией связаны явления вулканизма, многие землетрясения и тектонические процессы, плотность пород здесь довольно высокая — 4,3 т/м³.

В интервале 410—670 км расположен слой Голицина, названный в честь русского сейсмолога Б. Б. Голицина, который определил резкое возрастание скорости сейсмических волн с глубиной с 9 до 11,4 км/св связи с увеличением плотности вещества мантии на 10%.

В мезосфере (нижней мантии) температура достигает 3000 °C, плотность возрастает до 5,2 т/м³, а давление — 1 млн атм., под влиянием которого происходят активные метаморфические процессы. Мантию и ядро на глубине 2900 км разделяет граница Гутенберга, немецкого геофизика, который выделил ее в 1913 г.

Ядро — центральная и самая плотная часть планеты, составляющая 16,2% от общего объема планеты и 34% массы планеты, в которой плотность увеличивается до 11—14 т/м³. Размер ядра приблизительно равен размеру Луны, а его металлический состав обусловливает существование магнитных полюсов планеты. Образовано ядро смесью различных металлов, в первую очередь железа (78%) и никеля (10%), а также рядом более легких элементов (кремний — 6%, кислород — 4%, сера — 2%). Ядро разделяют на внутреннее (эндосфера, греч. endon — внутри) и внешнее (экзосфера, греч. ехо — вне), которые имеют сходный состав, но различное физическое состояние. Внешнее ядро находится в вязком состоянии, поскольку давление (0,15 млн МПа) и температура, характерные для этого слоя, поддерживают составляющие его металлы в расплавленном состоянии. Внутренняя эндосфера, имеющая радиус 1250 км, расположенная на глубине 5120 км и до центра Земли (6371 км), имеет тот же состав, однако более высокое давление (0,35 млн МПа) задерживает плавление вещества, придавая ему свойства тяжелых металлов и удерживая эндосферу в твердом состоянии. Твердое внутреннее ядро Земли было открыто в 1936 г. датским геофизиком И. Леманн.

Биосфера (греч. bios — жизнь) — это особая оболочка, область распространения жизни на Земле, представляющая собой тончайшую пленку толщиной 0,002—0,004 земного радиуса, не занимающую обособленного пространства, но проникающую в атмосферу, гидросферу и поверхностные слои земной коры. Хорошо известна лишь верхняя граница биосферы — это озоновый слой атмосферы, находящийся на высоте 23—25 км от поверхности Земли, препятствующий поступлению на нее ультрафиолетовых лучей, которые губят все живое, поэтому выше озонового слоя жизни нет. Что касается нижней границы биосферы, то считается, что литосфера населена живыми организмами до глубины примерно 3 км, а гидросфера — на всю глубину океана и на десятки метров в глубину от дна.

Термин «биосфера» появился в науке в 1875 г. по предложению австрийского ученого Э. Зюсса. Учение о биосфере в современном виде создал в 1926 г. советский ученый В. И. Вернадский. Биосфера — активная оболочка Земли, в которой совокупная деятельность живых организмов (в том числе и человека) проявляется как геохимический фактор планетарного масштаба и значения. Важнейшими свойствами биосферы В. И. Вернадский считал существование живых организмов; тесную связь живых существ с окружающей средой; постоянный материально-энергетический обмен ее с космосом; подвижное динамические равновесие.

Живое вещество планеты составляет 1/1000 часть массы литосферы, но последняя не уменьшается и не увеличивается, а живое вещество планеты обновляется с очень большой скоростью (в среднем за восемь лет). В результате живыми организмами созданы пласты каменного угля, нефти, горючих сланцев, фосфоритов, селитр, торфа, известняков и др., в которых аккумулировано большое количество солнечной энергии и химических элементов.

В результате жизненных процессов накапливаются 0₂ и С0₂, устанавливается их определенное соотношение в атмосфере, под влиянием растительности регулируется круговорот воды в природе, увеличивается количество минеральных элементов питания в верхних горизонтах осадочных пород в результате биогеохимического круговорота веществ и энергии в биосфере. В поверхностном горизонте осадочных пород сформировались совершенно уникальные природные образования — почвы, без которых невозможно существование жизни на Земле.

Почвенный покров (или педосфера) находится в тесной взаимосвязи и постоянном взаимодействии с земной корой, живым населением планеты, гидросферой и атмосферой, играя общепланетарную роль.