ЛЕКЦИЯ 7 Естествознание о Земле и планетах Солнечной

ЛЕКЦИЯ 7 Естествознание о Земле и планетах Солнечной системы

7. 1. Планетная космогония 7. 2. Геосферы и эволюция Земли 7. 3. Геохронологическая и стратиграфическая шкалы 7. 4. Географическая оболочка Земли

7. 1. ПЛАНЕТНАЯ КОСМОГОНИЯ

СОЛНЕЧНАЯ СИСТЕМА Как образовались планеты Солнечной системы и почему? Насколько распространены планетные системы во Вселенной? Распространены ли во Вселенной системы, подобные Солнечной, с планетами, подобными Земле?

СТАДИИ РОЖДЕНИЯ ЗВЕЗД Спонтанное сжатие газового облака Возникающий во вращающемся газово-пылевом диске момент количества движения (вращательный момент). 1 — образование двойных звезд: момент вращения облака переходит в момент вращения звезд вокруг общего центра тяжести 2 — образование планетных систем: момент вращения облака передается планетам, вращающимся вокруг центральной звезды

СОЛНЕЧНАЯ СИСТЕМА Планеты - 0, 13% массы вращательный момент системы — 98%

ДВОЙНЫЕ ЗВЕЗДЫ Компьютерное моделирование 70% всех звезд — двойные или еще большей кратности — тройные, четверные и т. д. (максимум, что наблюдалось, — семерная)

МЕХАНИЗМ ОБРАЗОВАНИЯ ПЛАНЕТНЫХ СИСТЕМ (НАШЕЙ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ) Гипотезы и теории, восходящие к небулярной (из газопылевого облака, из туманности, ибо nebula это с лат. — туман) гипотезе Канта и Лапласа. Ф. Мультон и Т. Чемберлен, Дж. Койпер, X. Альвен, Ф. Хойл, О. Шмидт, С. Всехсвятский и др. Два положения: 1) Планеты образовались приблизительно одновременно с Солнцем из материала того же газо-пылевого облака. 2) Образование планет происходило из холодной материи, и планеты никогда не проходили через стадию полного расплавления (хотя расплавление большей части вещества на ранних стадиях жизни некоторых планет вероятно).

ТЕОРИИ ОБРАЗОВАНИЯ И НАЧАЛЬНОЙ ЭВОЛЮЦИИ ПЛАНЕТ Образование - в газо-пылевом или протопланетном (допланетном) облаке. Протопланетные облака должны были иметь или принять уплощенную, дискообразную форму, поскольку траектории (орбиты) планет практически лежат в одной плоскости. Допланетное облако значительно превышало пределы самой далекой из планет — Плутона, который удален почти на 40 а. е. (а. е. — астрономическая единица, равна среднему расстоянию Земли от Солнца — 149, 5 млн км).

ПЛАНЕТЫ образовались из твердых тел — планетезималей. Планетезимали (англ. planetesimal от planet — планета, infinitesimal — бесконечно малая величина) — название мелких твердых частичек, так называемых допланетных тел, образовавшихся в допланетном облаке в результате конденсации вещества, согласно космогонической гипотезе американских асторономов Ф. Мультона и Т. Чемберлена.

ОБРАЗОВАНИЕ ПЛАНЕТЕЗИМАЛЕЙ - длилось десятки тысяч лет. Первоначальный состав облака был свойственен обычным межзвездным туманностям — 99% газа (водород и гелий) и 1% пыли. В результате гравитационного коллапса газа и пыли к центральной части облака образовалось протосолнце (протозвезда), температура которого первоначально была десятки тысяч градусов. Испарение пылевых частиц из протосолнца. Протопланетное облако, в основном с газовой составляющей, оказалось подверженным вихревому движению газов. Облако остывало, в нем вновь появились твердые частички пыли. Через какое-то время в нем образовался тонкий пылевой диск, который начал расслаиваться на отдельные сгущения. В облаке участились столкновения и слипания отдельных пылинок, вот только на этом этапе началось образование планетезималей. По мере возрастания масс планетезималей и достижения ими километрового размера, у них появилась способность удерживать близнаходящиеся частички за счет тяготения. Далее уже происходило образование планет.

ОБРАЗОВАНИЕ ПРОТОПЛАНЕТНЫХ ТЕЛ - длилось несколько сот миллионов лет. В протопланетном рое протезималей их было несколько размеров. Больше мелких, меньше средних, крупных, таких, как Луна или Меркурий, совсем немного — единицы. Со временем орбиты крупнейших тел стали приближаться к круговым, а сами они становились центрами притяжения всего окружающего их вещества, явившись зародышами планет. Все это длилось около 100 млн лет.

СОЛНЕЧНАЯ СИСТЕМА 9 больших планет (+10 -я Плуто либо Цербер) Земная группа - 4 планеты — Меркурий, Венера, Земля и Марс. Твердая оболочка, медленно вращаются вокруг своей оси. Наибольшая из этих планет Земля. Группа планет-гигантов - 4 планеты — Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Плутон (9 -я) – отдельно - земная группа + форма ее орбиты — сильно вытянутый эллипс. Масса Плутона всего 0, 002 массы Земли. «Малые планеты» - астероиды (между Марсом и Юпитером) «Крупные» малые планеты (200 -500 километров диаметром), за Нептуном, в поясе Койпера. Множество комет (облако Оорта), за орбитой Плутона. Спутники больших планет.

ПЛАНЕТЫ ЗЕМНОЙ ГРУППЫ - ближе к Солнцу - твердые шары - силикаты с относительно тонкими газовыми атмосферами - железное или железно-никелевое ядро различного размера (мах - у Меркурия)

АТМОСФЕРЫ ПЛАНЕТ - плотность - состав Меркурий на 10 порядков менее плотная, чем земная, атмосфера состоит в основном из гелия, поставляемого солнечным ветром; Марс и Венера - преобладающим компонентом (свыше 95%) атмосферы является углекислый газ, а вот плотность атмосферы Марса в 160 раз меньше, чем Земли, а Венеры — в 90 раз больше.

ЗЕМЛЯ - кислородная атмосфера - гидросфера — жидкая вода на поверхности

ПЛАНЕТЫ-ГИГАНТЫ - огромные газовые шары, чаще всего жидкие, т. е. не имеющие твердой поверхности, как у планет земной группы. Из-за своих больших масс и достаточной удаленности от Солнца, гиганты удержали почти полностью легкие газы, преобладавшие в протопланетном облаке, — водород и гелий, из которых и состоят, в основном, их необычайно мощные атмосферы. В горячих глубоких недрах планетгигантов (до 20 тыс. градусов), вероятно, все же присутствуют твердые ядра, составляющие очень небольшую часть каждой планеты по массе.

7. 2. ГЕОСФЕРЫ И ЭВОЛЮЦИЯ ЗЕМЛИ

ЗЕМЛЯ - твердое тело, окруженное водной и газовой оболочками — гидросферой и атмосферой. Две последние обычно объединяются в географическую оболочку

ПАРАМЕТРЫ Средний радиус Земли — 6371 км, плотность — 5517 кг/м 3, масса — 5, 973 • 1024 кг, на гидросферу приходится 1, 4 • 1021 кг (чуть менее 0, 025% ) на атмосферу приходится 5, 16 • 1018 кг (около одной миллионной полной массы). - почти сферическая форма, слегка сплюснута с полюсов 3 основных концентрических слоя (сферы) ядро, мантия, кора.

ПАРАМЕТРЫ 70% поверхности – вода (+ обе полярные ледяные шапки) Средняя скорость движения вокруг Солнца — 30 км/сек. Ось вращения по отношению к плоскости орбиты на 23, 5 градуса.

ПОВЕРХНОСТЬ ЗЕМЛИ Неоднородна!!!!!! Океаны и материки. Неровность поверхности, их вещественная неоднородность (в основном на материках).

ГЕОЛОГИЯ - изучает твердое тело Земли - начиналась как прикладная наука, призванная разрабатывать методы поиска полезных ископаемых.

«НЕЗЫБЛЕМОСТЬ» ПОВЕРХНОСТИ Эрозия - понижает высокие горы, на несколько десятых долей миллиметра в год (на несколько сотен метров за миллион лет) Первые сотни миллионов лет – горы разравниваются в плоскогорья. Земля существует 4, 65 миллиарда лет. Следовательно, горы не только разрушаются, но и растут.

ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ СТРУКТУРЫ - диссипативные структуры - возникают и поддерживаются за счет диссипации внутренней энергии Земли и одновременно изменяются за счет поглощения и рассеяния энергии Солнца. Внутренняя энергия Земли образовалась благодаря многим процессам, выделим два из них — аккрецию и радиоактивность.

АККРЕ ЦИЯ (лат. accrētiō «приращение, увеличение» от accrēscere «прирастать» ) — процесс падения вещества на космическое тело из окружающего пространства. Предполагается что большая часть массы Земли связалась воедино за сравнительно короткое время (порядка миллионов лет), в основном, за счет образования и последующего объединения (слипания) планетезималей в крупные образования. После того, как масса Земли достигла почти современной массы, но еще не приобрела атмосферы, беспрепятственное падение метеорных и астероидных тел на ее поверхность (аккреция) приводило к выделению значительной гравитационной энергии и нагреву. При этом доля тепла, идущая на нагрев недр молодой планеты, была тем больше, чем крупнее были падающие тела. Сильные удары приводили к частичному плавлению вещества в ограниченной области, но, в целом, температура растущей Земли не достигала температуры плавления, а оказалась не выше 600800 градусов Цельсия. Примерно через 400 -500 млн лет образовалась атмосфера и температура Земли снизилась почти до современной.

РАДИОАКТИВНОСТЬ Гипотеза: Солнце — звезда второго поколения, образовалось не из первичного газа, а в значительной степени из вещества, выброшенного взрывами сверхновых звезд первого поколения, обогащенного тяжелыми элементами, в том числе и радиоактивными. Кроме известных нам долгоживущих радиоактивных элементов — урана, тория и калия (который уже практически весь распался), в нем присутствовали и короткоживущие радиоактивные элементы (с периодом полураспада порядка десятков миллионов лет). Радиоактивного тепла могло быть достаточно для сильного разогрева и расплавления значительной части внутреннего объема планеты.

ДИФФЕРЕНЦИАЦИЯ НЕДР ПЛАНЕТЫ Гравитационная дифференциация привела к расслоению вещества, в соответствии с плотностью тех или иных химических соединений. Тяжелые, нелетучие компоненты тонули, а легкие, летучие всплывали (возможно, что так, в частности, возникло железное ядро в центре и атмосфера с гидросферой на поверхности). Дифференциация также приводила и к дополнительному выделению гравитационной энергии.

ВНУТРЕННЯЯ СТРУКТУРА ЗЕМЛИ Сейсмологические, гравиметрические, электрические и магнитные измерения в сочетании с лабораторным исследованием вещества при высоких температурах и давлениях.

СТРОЕНИЕ ЗЕМЛИ Концентрические слои — геосферы.

КОРА Сверху, глубина в несколько десятков километров Толщина: максимальна под горами - до 70 км, минимальна под океанами — 5 -10 км. Подошва коры - граница раздела, на которой скорость сейсмических волн скачком увеличивается на 1, 5 -2 км/с (связано с изменением плотности, с изменением химического состава вещества).

КОРА - несколько сфер (слоев). Самый верхний — осадочный: плохо консолидированные осадки — продукты разрушения коренных пород, затем следует «гранитный» или «гранитометаморфический» слой (скорости сейсмических волн соответствуют таковым в гранитах) и нижний «базальтовый» . По всей поверхности планеты присутствует лишь самый нижний — «базальтовый» слой; «гранитный* слой практически отсутствует в океанах, то есть на большей части поверхности Земли; осадочный слой может превышать по толщине 10 километров в областях длительного прогибания земной коры и вообще отсутствовать в областях поднятий.

МАНТИЯ - под корой, ультраосновной состав (меньше, чем в базальтах, кремния и алюминия и больше железа и магния). Кора + самая верхняя часть = литосфера - сфера, толщиной около 100 км, состоит из жесткого непластичного материала

АСТЕНОСФЕРА (ОСЛАБЛЕННАЯ СФЕРА) - под литосферой - слой с пониженной по сравнению с литосферой вязкостью и скоростью сейсмических волн, демпфирующую роль для поднимающейся из недр верхней мантии, не позволяя ей разрывать поверхность земной коры. Глубже 250 км скорость волн и вязкость снова нарастают.

МАНТИЯ ЗЕМЛИ - отделена от земной коры поверхностью (границей) Мохоровичича. Мантия: верхняя (630 км); нижняя (2290 км). Температура мантии составляет 1500 -2000 градусов Цельсия. 2900 км - граница Гутенберга с ядром.

ЯДРО Внешнее ядро - расплавленное, жидкое, толщиной 2200 км, до 5000 -5100 км, в основном из железа и никеля. Внутреннее твердое ядро диаметром 2500 км, того же состава, что и внешнее ядро. Гипотезы: твердое состояние - рост температуры плавления, обусловленный ростом давления, на этой глубине опережает увеличение температуры. Его же температура достигает 5000 градусов Цельсия. Гипотеза геолога Ю. А. Колясникова: ядро может быть твердым водородно-гелиевым, в чем нет особой интриги, поскольку образование и звезд и планет происходило всегда из водород-гелиевых облаков.

ТЕКТОНИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ - поднятия гор, опускания котловин, перемещения крупных блоков земной коры, - связаны с процессами в мантии Земли Первопричиной тектонических движений является конвекция в мантии, обусловленная диссипацией внутренней энергии Земли.

ГИПОТЕЗА НЕМЕЦКОГО ГЕОФИЗИКА АЛЬФРЕДА ВЕГЕНЕРА «Тектоника плит» Литосфера разбита на сравнительно небольшое число независимых жестких блоков — литосферных плит, и все изменения, происходящие на поверхности планеты, связаны с движением по ней этих плит.

«ТЕКТОНИКА ПЛИТ» Плиты могут двигаться поступательно, разворачиваться, сталкиваться и расходиться. Они могут нырять одна под другую и тонуть в мантии, в так называемых зонах субдукции, и могут вновь создаваться из мантийного вещества, поднимающегося к поверхности в зонах спрединга, зонах раздвигания морского дна. Рождение плит и их уход обратно в мантию происходит в океанах. Зоны спрединга расположены вдоль срединноокеанических хребтов, а зоны субдукции — по границам океанов, они отмечены узкими и глубокими впадинами — глубоководными желобами и островными дугами. У наших российских дальневосточных берегов такой зоной является Курило-Камчатская островная дуга.

«ТЕКТОНИКА ПЛИТ» Методы высокоточной астрономической спутниковой геодезии. Скорости составляют сантиметры и даже миллиметры в год. и

НЕСТАБИЛЬНОСТЬ Нестабильность и молодость океанов - главное открытие последнего времени Возраст Атлантического океана - в пределах первых сотен миллионов лет. Моложе многих горных систем, моложе многих рек. (Крупные реки, кстати, как правило, — весьма старые объекты: река Ганг, например, гораздо старше Гималайских гор, которые она прорезает). Такие крупные перестройки, как изменение конфигурации материков и океанов, очень сильно влияют на все процессы в верхних оболочках Земли, в частности, на атмосферные процессы и на климат.

7. 3. ГЕОХРОНОЛОГИЧЕСКАЯ И СТРАТИГРАФИЧЕСКАЯ ШКАЛЫ

ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ ВРЕМЯ или геохронологии - охватывает всю историю Земли, от момента зарождения до наших дней.

СТРАТИГРАФИЧЕСКАЯ (ПАЛЕОНТОЛОГИЧЕСКАЯ ИЛИ БИОХРОНОЛОГИЧЕСКАЯ) ШКАЛА - геологическое летоисчисление, фиксирующее относительную хронологическую последовательность формирования горных пород, слагающих литосферу Земли.

ВРЕМЕННЫЕ ГРАДАЦИИ или геохронологические единицы: эон, эра, эпоха иногда период, отдел, время и хрон.

ХРОНОСТРАТИГРАФИЧЕСКИЕ ЕДИНИЦЫ - породы, представляющие интервал геологического времени. Геохронологический термин имеет хроностратиграфический эквивалент. Например, горная порода, образованная во время зона, является представителем эонатема, а во время эры — эратема. Хроностратиграфическими эквивалентами периода, эпохи, времени и хрона являются система, серия, фаза и хронозон соответственно.

ЭОН - самое крупное геохронологической шкалы Объединяет несколько эратем. Формируется эонотема. подразделение

ЭОН Эон галес и его эру — катархей, начавшиеся с момента образования Земли, продолжительностью в 600 млн лет. Древнейший эон — криптозой, этап скрытой жизни, он же докембрий, начало которого относят на 4 млрд лет назад, имеет общую продолжительность около 3, 5 млрд лет. Криптозой включает в себя эры: археозой (продолжительностью около 1, 5 млрд. лет) и протерозой (продолжительностью не менее 2 млрд. лет). Эон фанерозой — этап явной, наблюдаемой жизни длительностью в 570 млн лет: эры - палеозой, мезозой и кайнозой.

ФАНЕРОЗОЙ 3 эры: палеозой — 340 млн лет мезозой — 169 млн лет кайнозой — 66 млн лет 12 эпох: палеозой — кембрий (570/80), ордовик (490/65), силлур (435/30), девон (400/55), карбон (он же каменноугольный) (345/65), пермь (280/45) мезозой — триас (235/50), юра (юрский) (185/53), мел (132/66). кайнозой — палеоген (66/41), неоген — (25/25), антропоген (четвертичный) — (от 0, 6 до 3, 5 млн лет). Шутка студентов-геологов «Когда одна стипендия, дуй квас пенистый, только юмора мало, пытайся найти аналог» .

ОТДЕЛЫ ДВУХ ПОСЛЕДНИХ ЭПОХ — неогена и антропогена (фауна, флора, люди) Неоген - отделы миоцена и плиоцена. Антропоген - отделы плейстоцена и голоцена. Время (млн. лет): миоцен — (25 -9), плиоцен — (91, 8 (2)), плейстоцен (1, 8 -0, 01) и голоцен (0, 01 -0). Антропоген — это век человека, время эволюции рода Homo.

7. 4. ГЕОГРАФИЧЕСКАЯ ОБОЛОЧКА ЗЕМЛИ

ГЕОГРАФИЧЕСКАЯ ОБОЛОЧКА = поверхность земной коры + гидросфера + атмосфера - особая глобальная структура, жизнь и развитие которой определяется как результатами диссипации внутриземной энергии, так и преобразованием потока энергии, получаемой от Солнца (и в малой степени воздействием других планет и дальнего космоса). - сложнейшая динамическая система, относительная стабильность которой поддерживается системой обратных связей, обеспечивающих баланс конструктивных и деструктивных процессов.

НЕОДНОРОДНОСТИ ПОВЕРХНОСТИ ЗЕМЛИ создаются в основном внутренними тектоническими — эндогенными — силами, возникающими за счет диссипации внутренней энергии планеты. разрушаются и сглаживаются, в основном, за счет внешних, экзогенных, факторов — действия перепадов температуры, текучей воды, ветра, живых организмов.

ЭКЗОГЕННЫЕ ФАКТОРЫ - за счет энергии солнечного излучения. Деструктивные, не только разрушают, но и создают. Результат — разнообразные осадочные горные породы, специфические формы рельефа и жизнь.

ГЕОГРАФИЧЕСКАЯ ОБОЛОЧКА - несколько верхних километров. Горы и горные массивы.

ГОРЫ И ГОРНЫЕ МАССИВЫ Высота гор и глубина впадин не превышает нескольких километров. 1) Поднимающиеся горы разрушаются экзогенными силами, а прогибающиеся впадины — заносятся продуктами этого разрушения, образующими слои осадков. 2) Высота гор ограничивается предельной твердостью слагающих их пород, поскольку на основание гор давит вся над ними возвышающаяся масса, под действием которой твердые породы начинают течь. (предельная высота гор не больше 9 км. )

ПОРОДЫ 3 основных типа горных пород: магматические, осадочные и метаморфические.

ПОРОДЫ Толщина слоя осадков, заполняющих внешне неглубокую впадину, может достигать 20 км, а на вершине горы могут оказаться породы, сформировавшиеся на глубине во много километров. Слежавшиеся, сцементированные осадки образуют осадочные горные породы. На большой глубине под действием высоких температур и давлений осадочные породы сильно изменяют свой облик и превращаются в так называемые метаморфические породы. Исходные материалы метаморфических пород до метаморфизма — это сланцы с несколькими минералами, песчаники с кварцем и известняк с кальцитом. Превращаются они, последовательно, на глубинах от 15 до 30 км в аспидный и кристаллический сланец, в гнейсы и филлиты; песчаники — в кварцит, а известняк — в мрамор. Слабо метаморфизованные породы не очень сильно отличаются от осадочных, а сильно метаморфизованные очень похожи на магматические.

ПОРОДЫ Магматические породы представляют собой поднявшиеся из глубины и застывшие расплавы. Такие расплавы пронизывают метаморфические и осадочные толщи, они могут останавливаться и застывать, не достигнув дневной поверхности, и образовывать плутонические тела, а могут изливаться на поверхность при вулканизме, в виде лавы. Вертикальные движения земной коры обычно знакопеременны — глубокое погружение сменяется поднятием столь же большой амплитуды.

АТМОСФЕРА - воздушная оболочка Земли, состав: азот — 78%, кислород — 21%, благородные газы (в основном аргон) — 1% и сотые доли процента составляет углекислый газ. Вся атмосфера Земли, кроме 1%, лежит в узком приповерхностном слое, ограниченном высотой 30 км. Температура атмосферы сильно меняется с высотой. Тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера. Температура в этих слоях колеблется от -100 до + 100 градусов Цельсия. На высотах выше 200 км температура днем достигает 1500 градусов.

ГИДРОСФЕРА включает воду морей и океанов, рек и озер, ледников полярных и горных, грунтовые воды, лед вечной мерзлоты, водяной пар атмосферы. Гидросфера пересекается с литосферой и атмосферой: лед, особенно лед вечной мерзлоты — это, по существу, нормальная горная порода, а водяной пар — один из компонентов атмосферных газов. Географическая оболочка Земли практически совпадает с биосферой — областью распространения жизни.

ВОПРОСЫ?