Концепции и теории происхождения и эволюции Земли

Абсолютная геохронологическая шкала.В этой шкале речь идет о концептуальном представлении знаний о нашей планете на основе развития ряда гипотез и учений. Кратко об истории возникновения этих гипотез и учений.

К концу XVIII в. сформировались две гипотезы, в которых выражалось

отношение к библейскому учению о сотворении Богом нашей планеты:

нептунисты(Нептун — бог морей в римской мифологии) и плутонисты(Плутон

— бог подземного царства).

А. Вернер (1749—1817) — немецкий геолог, занимавшийся классификацией геологических пород, исходил из признания библейской идеи о Всемирном потопе. Он полагал, что земная твердь вначале была покрыта океаном и с отступлением его останки животных, растений, солей, привели к образованию геологических слоев земной поверхности. На это ушло, согласно гипотезе, несколько миллионов лет.

Дж. Геттон (1726—1807) — шотландский геолог. Он считал, что образование геологических пород земной коры связано с вулканической деятельностью, обусловленной внутренними процессами, идущими из центра Земли. Нептунисты

и плутонисты высказывали, по существу, эволюционные идеи происхождения земной коры.

Одним из авторов эволюционной идеи происхождения Земли и развития на ней жизни является французский зоолог Ж. Леклерк (граф Бюффон), живший в XVIII

в. О его эволюционной идее уже говорилось раньше. Шведский биолог Карл Линней — автор первой классификации растений и животных — высказал биологическую гипотезу, которая оказала большое влияние на развитие геологии. Он утверждал, что биологические роды возникли на Земле по отдельности в определенное исходное время и с тех пор не изменяются, поскольку изменения касаются только видов как вариантов родов. Останки растений и животных были использованы геологами для ведения хронологии образования геологических

слоев, пород на Земле:

1) продолжительность (средняя) жизни видов можно установить на основе

систематических наблюдений;

2) кроме того, было допущено предположение о том, что исходные первоначальные геологические породы не меняются, как и биологические роды в биологии К. Линнея. Из этого предположения следовало, что геологические

силы в геологическом прошлом Земли продолжают действовать и в геологическом настоящем.

Гипотеза, которая утверждает сохранение, неизменность некоторого единообразия (биологического или геологического) в актуальном настоящем и далеком прошлом, называется униформизмом(лат. uniformus — единообразие). Униформизмне отрицает изменений в геологических и биологических процессах, но отдает предпочтение изменениям медленным, постепенным во времени.

Развитие эволюционной геологии связано с именем английского геолога Ч.

Лайеля (1787—1875). Считается, что он заложил основы эволюционной геологии. Его теория получила название теории единообразных изменений в геологии. В этой теории главный акцент сделан на механизме медленного, не скачкообразного действия единых естественно-природных факторов на формирование геологических пород Земли и вообще всего развития на Земле.

Конкурирующей гипотезой униформизму была гипотеза, получившая название катастрофической.Автором этой гипотезы является французский зоолог, специалист по сравнительной анатомии и палеонтологии Ж. Кювье (1769—1832).

Изучая останки живого мира в геологических пластах, он

обнаружил «провалы» и «разрывы» в эволюции растений, животных, живых организмов: более поздние геологические пласты содержали останки живого мира, которые не имели принципиального сходства с останками в более ранних геологических пластах. Ж. Кювье объяснял этот факт периодическими катастрофами на Земле.

Обе гипотезы, о которых говорилось выше, внесли определенный вклад в развитие знаний о Земле. Однако лежащие в их основе знания и методы исследования были явно недостаточными для объяснения проблем исследования нашей планеты. В конце XIX в. и в первых десятилетиях ХХ в. произошло много событий в науке, которые способствовали развитию знаний о Земле. В биологии появились эволюционная теория Ч.Дарвина (1809—1882) и генетика Г. Менделя.

В физике было открыто явление радиоактивности. Последнее явление позволило ирландскому ученому Д. Джоли оценить важность его в объяснении процессов, происходящих внутри Земли. Он высказал в 1909 г. гипотезу, согласно которой радиоактивный распад атомов радиоактивных элементов является причиной наличия большой температуры внутри Земли и деятельности вулканов. В 1909 г. выдающийся ученый В. И. Вернадский заложил основы геохимии. На смену униформизму икатастрофической гипотезе Ж. Кювье пришли новые естественнонаучные гипотезы и теории, в которых использовались достижения современной науки.

В конце XIX в. знаменитый норвежский исследователь Арктики Ф. Нансен дал объяснение влияния действия ветрового напряжения и ускорения Кориолиса на направление течения в океане: дрейф его судна происходил не в направлении ветра, а под углом в 20°—40° вправо от направления ветра. Кориолиса ускорение

означает поворотное ускорение. Этот понятие ввел французский ученый

Кориолис Густав Гаспар (1792—1843).

В 1905 г. шведский ученый В. Экман построил теорию ветрового течения в открытом глубоком океане, так называемая спираль Экмана: на глубине вода течет в сторону, противоположную поверхностному течению. Исследования Ф. Нансена и В. Экмана способствовали изучению физики течений воды в океанах, морях и влияния этих течений на теплообмен Земли.

Важным событием в изучении Земли было создание в 1881 г. временной шкалы формирования геологических слоев Землии развития живых организмов на Земле. Эта шкала с учетом современной геохимии, биохимии, геофизики выглядит таким образом.

На основе оценки возраста геологических пород и останков организмов Земли методом измерения скорости радиоактивного распада ряда химических элементов устанавливается возраст Земли в 4,5 (±50 млн) млрд лет. Этот возраст разбивается

на ряд последовательных интервалов.

Эоны(в вольном переводе соответствующего древнегреческого термина означает длительные интервалы образования геологических пород) — это два длительных интервала: фанерозой(в буквальном переводе — явная жизнь) занимает время продолжительностью в 570 млн лет; криптозой(греч. kripto — скрытый и zoe — жизнь) имеет продолжительность от 570 млн до 3 млрд 800 млн лет.

Эон фанерозойделится на эры: палеозой, мезозой и кайнозой (при буквальном

переводе соответствующих терминов с греческого языка означает древняя жизнь, средняя жизнь, заря жизни). Продолжительность эры палеозой от 570 до 130 млн лет, эра мезозой — от 130 до 67 млн лет, эра кайнозой — от 67 млн лет до настоящего времени.

Эон криптозойделится на эру протерозой(более древняя жизнь) и эру архезой(самая древняя жизнь). В этой шкале слово «жизнь» означает период в образовании геологических пород и связанное с ним зарождение форм жизни.

Эра кайнозойская,самая близкая современному периоду развития Земли,

подразделяется на периоды:

1. Палеогеновый(древнее рождение, возраст) имеет начало 67 млн лет тому назад и продолжался около 42 млн лет.

2. Неогеновый(новое рождение) начался 25 млн лет тому назад. Продолжался

23,5 млн лет.

3. Антропогеновый(греч. antropos — человек, относящийся к происхождению

человека) начинается, по разным оценкам, от 3,5 до 1,5 млн лет, продолжительностью от 600 тыс. до 3,5 млн лет. Этот период иначе называют четверичным периодом. В нем выделяются относительно короткие отрезки времени или эпохи (греч. enpoche — остановка): плейстоцен(наибольший новый)

и голоцен(весь новый). Плейстоцен характеризует время возникновения обширных оледенений в Северной Европе. Голоцен — послеледниковая эпоха, является незаконченным отрезком времени современной геологической истории Земли, начинается с окончанием последнего материкового оледенения Северной Европы. Согласно современным данным разных источников появление живых систем на Земле представляется следующим образом: появление первых прокариотов — 3,85 млрд лет тому назад; первые водоросли (бактерии) —

2,5.млрд лет; наличие кислорода в атмосфере Земли в свободном виде — 2 млрд лет тому назад; появление червеобразных форм жизни — 1,8 млрд лет; появление многоклеточных растений — 800 млн лет тому назад; возникновение бесскелетной фауны — 670 млн лет; скелетная фауна возникла 570 млн лет тому назад; 560 млн лет тому назад содержание кислорода составляло 1/3 часть от современного в атмосфере Земли; появление наземных растений — 480 млн лет; появление рыб — 420 млн лет; появление млекопитающих — 240 млн лет; появления человека-разумного — 100—150 тыс. лет назад.

Теория литосферных плит

В 1912 г. немецкий геофизик А. Вегенер (1880—1930) привел геологические и географические доказательства о существовании единого материка в историческом прошлом Земли. До него, еще в XIX в., высказывалась аналогичная идея: сравнение очертаний материков говорило в пользу того, что когда-то они составляли один материк. А. Вегенер назвал этот материк Пангеей. Греческое слово пангея означает вся Земля. А. Вегенер утверждал, что 135 млн лет тому назад Пангея распалась на два материка: Лавразию (северная часть) и Гондвану (южная часть). Эта гипотеза получила название мобилизма(лат. mobilis — подвижный).

Во второй половине прошлого века эта гипотеза стала теорией. Из космоса зафиксировано движение литосферных плит. Сегодня доказано, что земная кора состоит из 15 литосферных плит,из которых 6 являются самыми крупными: Антарктическая, Австралийская, Южноамериканская, Тихоокеанская, Североамериканская и Евразийская.

По разным оценкам, плиты двигаются со скоростью от миллиметра до 10—18 см

в год. Движение плит состоит из: спрединга (англ. spreading — расхождение) и

субдукции(лат. sab — под и dicto — введение).

Первый процесс — это расхождение плит, второй — погружение одной плиты

под другую. В целом размеры Земли являются постоянными благодаря

действующим на Земле геофизическим полям (гравитационному, магнитному, электрическому и тепловому). Поэтому расширяющаяся от срединно-океанической системы хребтов океаническая кора не может расширяться до бесконечности. Океаническая плита, сталкиваясь с материковой литосферной плитой, погружается под материковую. Плотность материковых плит меньше плотности океанических, поэтому материковая плита поднимается над океанической, которая погружается под материковую в мантию на глубину до 670 км. Согласно некоторым исследованиям мощность литосферных плит колеблется от 150 до 350 км под материками и от 5 до 90 км под океанами. Столкновение материковых плит приводит к образованию систем горных хребтов типа Гималаев и Кавказа. Граница, где происходит погружение океанических плит под материковые плиты, ярко выражена по периферии Тихого океана. Протяженность всей границы субдукции плит достигает 60 тыс. км.

Российский ученый В. Трубицин разработал гипотезу о механизме плавания литосферных плит, согласно которой эти плиты являются как бы крышками, накрывающими идущие из Земли горячие потоки вещества, названные плюмами.Нагревая плиты снизу, энергия плюмов преобразуется в механическое движение литосферных плит от более нагретой плиты к менее нагретой области земной коры.

8.4. Гипотезы образования Земли

В научной литературе речь идет в основном о двух конкурирующих гипотезах: гетерогенной и гомогенной.Гетерогенной гепотезой утверждается, что в протопланетном диске первоначально происходило слипание тугоплавких частиц, содержащих железо и никель, из которых вначале образовалось ядро нашей планеты. Образование Земли происходило в три стадии слипания, или аккрекции (лат. accretio — увеличение), исходного вещества Земли. Первая длилась приблизительно 100 млн лет. На этой стадии радиус Земли составил почти 95% от настоящего. Вторая длилась 200 млн лет. Третья — 400 млн лет и закончилась приблизительно3,9 млрд лет тому назад. Эта гипотеза согласуется с современными радиологическими оценками возраста древних пород. Возраст Земли оценивается в 4,66 млрд лет. Возраст самых древних на Земле минералов — в 4,0—4,4 млрд лет.

Представители гомогеннойгипотезы утверждают, что первоначально Земля была однородной. Ядро нашей планеты возникло позднее. Не все в этих гипотезах является ясным: какое влияние оказывало Солнце на образование Земли? Откуда на Земле взялся гелий?

Гелий впервые был обнаружен на Солнце. Он является инертным газом. В обычных условиях не вступает в реакции ни с одним из элементов таблицы Менделеева. В 30-х годах было установлено, что у него есть два изотопа — гелий-

3 и гелий-4, отличающиеся друг от друга одним нейтроном.

Измерение соотношения содержания гелия-3 и гелия-4 в земных породах и в атмосфере Земли привело ученых к предположению о том, что чем глубже к центру Земли, тем больше должно быть в породах гелия-4. Гелий-4, как говорят геологи, контролирует глубинные разломы Земли, из которых он выходит. Однако эксперименты не подтвердили эту гипотезу, поскольку процентное соотношение этих изотопов сохраняется по мере проникновения в глубь Земли.

На основании этих экспериментов была высказана гипотеза о том, что при образовании Земли ее температура была невысокой, поскольку, если она была бы высокой, гелий должен был бы улетучиться в окружающую среду. Гелий-4 образуется при распаде радиоактивных минералов. Согласно этой гипотезе гелий-

3 в мантии Земли имеет солнечную природу, т. е. им было «пропитано» все исходное вещество, из которого образовалась Земля на первой стадии ее возникновения. Если бы гелий-3 был вне мантии, в более высоких слоях Земли, то он давно бы улетучился, поскольку его содержание в атмосфере Земли меньше, чем гелия-4.

Из мантии ему выбраться сложнее, поэтому он там сохраняется в процентном отношении, близком к содержанию гелия-4, образующегося в результате распада радиоактивных химических элементов внутри геологических слоев Земли.

Концепция происхождения Луны

Луна — спутник Земли. Масса ее составляет 1/81,3 массы Земли. Это обстоятельство является необычным. У всех других планет Солнечной системы, имеющих спутники, за исключением Плутона, отношение массы их спутников к массе планеты не составляет и тысячной доли. Среднее расстояние до Луны равно

384 400 км, т. е. в 60 раз больше земного радиуса. Радиус Луны 1738 км. Ускорение силы тяжести на поверхности — 1,62 м/с2. Средняя плотность — 3350 кг/м3. Луна светит отраженным солнечным светом. Альбедо Луны — 0,067%. Лунный грунт состоит из мелкозернистого обломочно-пылевого вещества метеоритного происхождения. Температура на Луне колеблется от 120 до 407 К в зависимости от обращения ее поверхности к Солнцу. Луна имеет магнитное поле,

но не имеет атмосферы. Как небесное тело, Луна вращается вокруг своей оси и обращается вокруг Земли по эллиптической орбите. Угол наклона оси вращения Луны к плоскости эклиптики составляет 5°8'7". Причиной затмений является почти совпадение угловых диаметров Солнца и Луны при наблюдении с поверхности Земли. Солнечные затмения случаются примерно 43 раза за 18 лет. Движение Луны вокруг Земли приводит не только к лунным и солнечным затмениям, но и к более существенным процессам на Земле. Сила, действующая между Луной и Землей, определяется массой этих небесных тел и расстоянием между ними. Луна обращается вокруг Земли за 27,3 суток под действием силы тяготения со стороны Земли, с другой стороны — сила тяготения Луны действует

на Землю, вызывая явление, которое называется прецессией(поздне лат. preacessio — движение впереди). Прецессия — это медленное движение оси вращения Земли по круговому конусу. Ось этого конуса перпендикулярна плоскости орбиты Земли, а угол между осью, образующей конус, составляет 23°

27' Земля, как вращающееся тело, имеет прецессию под влиянием силы тяготения Солнца, но наличие Луны делает период прецессии Земли равным 26 тыс. лет, а не 100 тыс. лет, если бы не было Луны. Процессия — сложное явление, но с ним связано изменение освещенности поверхности Земли, которое за достаточно большой период становится заметным на климате Земли. Наличие силы тяготения Луны приводит к искажению формы Земли и замедлению вращения Земли. В точках или областях Земли, которые находятся на близких расстояниях к Луне, происходит вытягивание этих точек или областей. Этим явлением объясняется наличие приливов и отливов на Земле. Скорость вращения Земли существенно больше скорости обращения Луны вокруг Земли. Поэтому сила тяготения Луны, вытягивающая вещество Земли в направлении Луны, вызывает эффект торможения при вращении Земли. В то же время происходит эффект удаления Луны от Земли на расстояние приблизительно 1 см в год. Существует несколько гипотез возникновения Луны:

1. Возникла одновременно и отдельно от Земли в протопланетном диске,

поскольку вулканические лунные породы имеют возраст около 4,5—4,4 млрд лет.

2. Луна возникла из какого-то отдельного облака.

3. Луна была выбита из Земли каким-то космическим телом.

4.Луна возникла из слипания обломков какого-то разрушившегося космического тела при его приближении к Земле на расстояние, где сила тяготения Земли на эти обломки не действовала.

Климат Земли

Термин «климат»имеет греческое происхождение и буквально означает наклон. Древние греки правильно оценили значение наклона угла, под которым лучи Солнца достигают поверхности Земли. Действительно, тепло на Земле поступает из недр Земли, которое обеспечивает так называемую радиационную температуру Земли. Эта температура без учета других источников тепла не превышает — 16° С. От Солнца наша планета получает тепла в несколько порядков больше, чем из внутреннего источника энергии. Почти 30% солнечной энергии отражается от поверхности Земли ее океанами, ледниками и другими ее областями. Тепло на нашей планете обеспечивается в основном «парниковыми газами», которые образуют в атмосфере оболочку, как парниковую пленку, удерживающую тепловые волны от поверхности Земли, не давая им уйти в космос. Понятие климата включает в свое содержание совокупность факторов (температура, атмосферное давление и другие), от которых

зависит, грубо говоря, существования жизни на Земле. Например, на Марсе средняя температура достигает —60° С, на Плутоне — -230° С. Хотя условия жизни для живых существ существенно различаются (например, некоторые бактерии комфортно чувствуют себя при температуре +400° С), тем не менее в понятие климата вкладывается главным образом фактор возникновения и развития жизни.

Климат Землизависит от множества факторов: от места нахождения Солнечной системы в Галактике, интенсивности солнечного излучения, физического, химического, геологического строения Земли и от других факторов, среди которых особое внимание заслуживает человеческий фактор — воздействие человека на окружающую среду.

В 20-х годах ХХ в. югославский астроном М. Миланкович предложил математическую теорию климата, которая способствовала развитию науки о климате, климатологи. В этой теории учитывается гравитационное взаимодействие между вращающимися и обращающимися вокруг общего центра телами. Миланкович в своей теории проанализировал совместное взаимодействие трех факторов, которые влияют на изменение освещенности Земли Солнцем:

1) изменение наклона оси вращения Земли;

2) изменение эксцентриситета орбиты Земли (изменение формы орбиты Земли

от выпуклой до круглой);

3) явление прецессии.

Наклон оси вращения Земли определяет наличие на Земле времен года. Наклон оси вращения колеблется от 21,5° до 24,5°. Согласно вычислениям М. Миланковича изменение наклона оси происходит с периодом в 41 тыс. лет. Сегодня угол наклона оси вращения Земли составляет приблизительно 23,5°. Мощность светового излучения, получаемая Землей от Солнца, обратно пропорциональна расстоянию от поверхности Земли до Солнца. Угол наклона оси вращения Земля делает одни области более обогреваемыми, другие — менее.

К изменению наклона оси вращения Земли может привести столкновение

Земли с астероидом. Вероятность падения астероидов на Землю оценивается поразному: некоторые специалисты утверждают, что каждые несколько миллионов

лет падает на Землю один астероид диаметром 0,1 — 10 км, другие — каждые миллион лет падают три астероида диаметром в 1 км и один астероид с диаметром 10 км через 10—100 млн лет. Вымирание 60 млн лет тому назад динозавров связывают преимущественно со столкновением Земли с

крупным астероидом, которое вызывало резкое похолодание, изменение климата,

в условиях которого могли выжить животные с небольшой массой тела.

Согласно вычислениям Миланковича изменение формы орбиты Земли от эллиптической формы до почти круговой формы орбиты происходит с периодом в

100 тыс. лет. На круговой орбите Земля получает больше солнечной энергии, чем

на эллиптической орбите. Греческое слово «elleipsis» означает опущение, изъян или недостаток.

Что касается прецессии, то утверждается, что она изменяется с периодом в 26

тыс. лет.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Внутреннее строение Земли.

2. Роль гидросферы и атмосферы в существовании жизни на Земле.

3. Теория движения литосферных плит.

4. Учение В. И. Вернадского о биосфере Земли.

5. Климат Земли.

ЛИТЕРАТУРА

Основной учебник:

Лихин А.Ф. Концепции современного естествознания. М., 2006.

Дополнительная:

1. Горбачев В. В. Концепции современного естествознания. М., 2003.

2. Суханов А. Д., Голубева О. Н. Концепции современного естест­вознания. М., 2007.

3. Гуляев С. А., Жуковский В. М., Комов С. В. Основы естествозна­ния. Екатеринбург, 2000.

4. Горелов А. А. Концепции современного естествознания. М., 2006.

5. Дубнищева Т. Я. Концепции современного естествознания. М., 2006.

6. Дубнищева Т.Я., Концепции современного естествознания .

Основной курс в вопросах и ответах., Новосибирск, 2005.

7. Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. М., 2005.

8. Найдыш В.М. Концепции современного естествознания. М., 2005.

10.Горохов В.Г. Концепции современного естествознания. М., 2003.

11. Степин В.С., Философия науки. Общие проблемы. М. 2006.

12.Современные философские проблемы естественных, технических наук.

Под общ. Ред. Миронова В.В. М. 2006.

13.Котенко В.П. История и философия классической науки, М. 2005.

14.Лебедев С.А. Философия естественных наук, М. 2006.

15.Лебедев С.А. Философия науки, 2006.

16.Вонсовский С.В. Современная естественнонаучная картина мира,

Екатеринбург, 2005.

17.Горбачев В. В., Безденежных В.М. Концепции современного естествознания. М., 2004.

18.Кузнецов В.И., Идлис Г.М., Гутина В.Н. Естествознание. М., 1996.

19.Канке В.А. Концепции современного естествознания. М., 2003.

20.Вернадский В.И. О науке. Дубна, 1997.

21.Вернадский В.И. Философские мысли натуралиста. М., 1988.

Учебное издание

Аксенова Вера Ильинична

«Концепции современного естествознания»

Учеб.- метод. издание

Публикуется в авторской редакции

Компьютерная верстка – Е.А.Киселев

Подписано в печать 04.11.2008. Формат 60 х 84 1\16

Усл. печ. л. 8.04. Уч.-изд. л.8.54 Тираж 100 экз.

.

Заказ № / 2008.

Издательство «Фабрика комиксов»,

620000, г. Екатеринбург,

Телефон +7 (904) 5461725 Е- mail: fee 1913 @ gmail. com

Отпечатано на ризографе

Уральского института туризма – филиал РМАТ

620034 г. Екатеринбург, ул.Марата,17 Телефон: +7(343)378-40-10 E-mail: [email protected]