ЗИМНЯЯ СЕССИЯ / ксе / Концепции современного естествознания

ГЕОЛОГИЯ

Возраст Земли. Эллинские философы примерно с IV века до н. э. стали постепенно склоняться к мысли, что Земля вечна. Ведь это исключительное, единственное в своем роде˝ небесное тело, занимающее особое – срединное – место в мироздании. Мир без Земли не имел бы смысла, и коль скоро мир вечен, то и Земля тоже. В вечности мира были убеждены перипатетики (представители школы Аристотеля) и, вероятн˝о, многие стоики и академики. Те же философы, которые все-таки допускали, что Земли когда-то не было, а потом она возникла, оценивали ее возраст в несколько тысяч или само˝е большее в несколько миллионов лет.

Затем во времена, когда в Европе господствовало христианское мировоззрение, люди стали считать, что от сотворен˝ия мира (от Адама) до рождения Иисуса Христа прошло от 4,5 до 6 тысяч лет. Эту величину вычисляли по поколениям, упомянутым в Законе Моисея и книгах младших еврейских пророков. Некоторые церкви даже особо оговаривали точное˝ значение продолжительности этого периода, и всем членам данной церкви полагалось верить в то, что это именно так, а не иначе. Например, государственная церковь Восточной Рим˝- ской империи приняла величину 5508 лет. Вероятно, с точки зрения большинства христиан, это было не так уж и мало. И только в самые последние столетия, когда давление церковных руководителей на исследователей ослабло, эти числа подверглись пересмотру.

В начале XVIII века Эдмунд Галлей предложил два способа определения возраста Земли – по насыщению солями морской воды и по образованию осадочных пород в устьях рек. Он исходил здесь из того, что первоначально моря были пресны˝е, а соль постепенно и с более или менее одинаковой скорость˝ю приносили и приносят до сих пор реки. Следовательно, если бы удалось определить количество солей, ежегодно выбрасы˝- ваемых в моря всеми реками мира, то удалось бы вычислить возраст Земли. Нетрудно догадаться, однако, что задача это˝ весьма непростая. Примерно так же дело обстоит со вторым способом. Реки несут в моря огромное количество всяких

51

веществ, которые оседают в устьях, постепенно уплотняются˝ и отвердевают. Зная скорость осаждения, тоже можно было бы рассчитать нужную величину.

В итоге Галлей пришел к выводу, что возраст Земли никак не меньше 10 тысяч лет. Любопытно, что в начале XX века расчеты по его методам давали величину уже не менее 100 миллионов лет.

Âконце XVIII века Жорж Бюффон предположил, что Земля изначально была горячей, расплавленной, а потом рав˝- номерно остывала. Это тоже можно было использовать для вычисления продолжительности ее существования. Бюффон изготавливал шары из различных веществ, нагревал их и следил за тем, как они остывают. Полученные данные он попытался потом применить к Земле. У него получилось, что наиболее вероятный возраст нашего небесного тела – приме˝р- но 75 тысяч лет. Опыты такого рода во второй половине XIX века продолжил Вильям Томсон. Он нашел, что возраст Земли – 20–40 миллионов лет (хотя не исключал, что эта величина может еще в 10 раз больше).

Âсамом конце XIX века было открыто явление радиоактивности, т. е. способности некоторых веществ излучать эл˝ектромагнитные волны достаточно высокой частоты. В начале

ÕÕвека Эрнест Резерфорд объяснил это явление самопроизвольным распадом атомов соответствующих элементов, всле˝д- ствие чего одни атомы превращаются в другие. Резерфорд догадался, что помимо всего прочего это еще и новый метод определения возраста горных пород. Когда горная порода образуются, в ней присутствует множество элементов – как устойчивых, так и неустойчивых. Неустойчивые постепенно распадаются. Зная из наблюдений скорость распада (и предполагая, что в прошлом она была такой же), а также измерив количество исходного вещества и того, в которое оно превр˝а- тилось, мы найдем, сколько лет прошло со времен образования горной породы. Старейшие породы, которые нашел сам Резерфорд, имели по его вычислениям возраст около 40 миллионов лет.

Недостаток метода Резерфорда, на который вскоре обратили внимание, состоял в том, что в качестве исходного вещества новозеландский физик брал уран, а в качестве конечно˝- го – гелий. Но гелий – газ, и он достаточно легко улетучива˝- ется из горной породы, а следовательно, расчеты по нему будут давать лишь наименьшую возможную величину возраста.

52

Надо было искать какой-то другой элемент, образующийся при распаде урана. И вскоре он был найден – им оказался свинец. Уран-свинцовый метод впервые около 1910 года разработал британский геолог Артур Холмс. Древнейшие горные породы, обследованные Холмсом, образовались по его вычис-˝ лениям 1,5 миллиарда лет назад. Но и это был еще не конец: величины все продолжали расти и расти. В конце 30-х годов ХХ века американский физик Альфред Нир оценивал возраст Земли уже в 2,5 миллиарда лет.

В середине 50-х годов уран-свинцовый метод существенно улучшил еще один американец – Джордж Везерилл. Он предложил сопоставлять расчеты по трем реакциям, внося при этом разного рода поправки, призванные учитывать то обсто˝- ятельство, что как исходные элементы (торий и уран), так и их производные (свинец), независимо от того, газообразные они или твердые, могут вымываться из горных пород. Вот эти реакции:

232Th → 208Pb

235U → 207Pb

238U → 206Pb

Кроме того, тогда же для расчетов впервые начали использовать метеоритное вещество, падающее на Землю. При этом исходили, конечно, из того, что Земля и метеориты образовались примерно в одно и то же время. Метеоритное вещество

âнекоторых отношениях подходило здесь гораздо лучше, вед˝ь

âотличие от земной горной породы оно в ходе своих странствий по нашей планетной системе почти не подвергается воздействию извне, а значит, все изначальные химические элементы находятся там в целости и сохранности.

Èв 1956 году американский химик Клэр Паттерсон, сопоставив данные по метеоритам и земным породам, получил значение возраста Земли 4,55 ± 0,07 миллиарда лет. С тех пор эта величина существенно не пересматривалась.

Движение континентов. Когда в конце XVI – начале XVII века были составлены достаточно точные карты поверхности Земли, многие обратили внимание на то, что восточ- ная береговая линия Южной Америки и западная береговая линия Африки очень похожи. Создавалось впечатление, что когда-то в далеком прошлом эти два континента составляли единое целое, а потом этот участок суши раскололся.

Первую гипотезу движения (дрейфа) континентов в 1912 году разработал немецкий метеоролог Альфред Вегенер.

53

По его догадке, горные породы, слагающие континенты и морское дно, имеют разную плотность, и центробежные силы, возникающие вследствие вращения Земли, приводят их в дви-˝ жение по-разному. Таким образом, участки континентальной коры как бы продираются между участками океанической (или наоборот). Кроме того, Вегенер предположил, что примерно 350 миллионов лет назад вся или почти вся суша на Земле была собрана в одном месте. Этот древний континент он назвал «Пангея». Гипотеза Вегенера не была принята в свое время, поскольку выглядела неправдоподобной.

В 1927 году упоминавшийся выше Артур Холмс предложил новое объяснение движению континентов. Он обратил внимание на то, что недра Земли по причине происходящего

âних непрерывного радиоактивного распада неустойчивых˝ элементов должны находиться в расплавленном состоянии. Из-за неизбежного неравномерного нагрева там должен имет˝ь место тепловой перенос вещества – восходящие, нисходящие˝ и горизонтальные токи, образующие огромные по размерам конвективные ячейки. Горизонтальные токи, располагающие˝ся непосредственно под земной корой, должны вовлекать ее в движение в соответствующем направлении, над восходящими˝ токами кора должна нарастать, а над нисходящими сминаться˝

âскладки. Гипотеза Холмса точно так же не была принята в свое время, поскольку не имела никаких эмпирических дока-˝ зательств. Доказательства появились только в 50-е и 60-е годы ХХ века, и на сегодняшний день полностью подтвердили˝ догадки Холмса. А именно в это время были открыты опоясывающие весь земной шар так называемые срединные океанические хребты, в области которых происходит разрастание и раздвижение земной коры, и глубоководные впадины, в области которых кора уходит внутрь Земли (по-видимому, вместе с морской водой). Хронологические исследования, в частности, показали, что породы по линии срединных океани˝- ческих хребтов самые молодые; чем дальше же мы от них удаляемся, тем более старые породы обнаруживаем. Еще одним подтверждением было чередование полос намагниченно˝- сти на морском дне.

Любопытно, что Артуру Холмсу большой славы не досталось. Главным создателем вышеизложенной гипотезы стал считаться американец Гарри Гесс, который в 1962 году, по сути, всего лишь возродил гипотезу Холмса, уже имея на руках достаточные для этого данные. Исследования Холмса он в своей работе лишь вскользь упомянул…

54

Представления о движении, образовании и распаде континентов в первоначальную эпоху Земли пока очень приблизительные и нуждаются в уточнении. Древнейший известный континент – Ваальбара – соединял в себе участки коры, которые называются Каапвааль и Пилбара, т. е. Южную Африку и Западную Австралию (от них и его собственное наименование). Он образовался 3,1 миллиарда лет назад и начал раскалываться 2,8 миллиарда лет назад. Почти одновременно с ним, возможно, существовал континент Ур, тоже состоявший из некоторых частей будущей Африки, Австралии и Индии. Около 2,7 миллиардов лет назад Карелия, Пилбара, Каапвааль и Супериор соединились в континент Кенорленд, который через несколько сотен миллионов лет раскололся н˝а Лаврентию (северная часть Северной Америки вместе с Грен˝- ландией), Фенносарматию (Финляндия и Сарматия, т. е. Се- веро-восточная Европа) и Калахари. Затем 2 миллиарда лет назад Лаврентия, Фенносарматия, Украина, Амазония и Австралия (а также, возможно, Сибирь, Китай и Калахари) слились в континент Нуна, который просуществовал потом 500 миллионов лет. Его осколки Ур, Атлантика (восточная часть Южной Америки и Западная Африка) и, возможно, Нена 1 миллиард лет назад объединились в континент Родиния. Около 750 миллионов лет назад Родиния разделилась на Прото-Лавразию (Северная Америка и Евразия) и ПротоГондвану (Африка, Южная Америка, Индия, Австралия, Антарктида). Примерно 600 миллионов лет назад эти обломки вновь собрались в одном месте, образовав Паннотию, просуществовавшую, однако, недолго – всего 60 миллионов лет. Паннотия развалилась на Гондвану, Лаврентию, Сибирь и Балтику, которые 280 миллионов лет назад соединились в Пангею. Этот гигантский континент, простиравшийся от полюса до полюса, со средней частью на экваторе, заключал в себе тогда почти всю сушу. Около 200 миллионов лет назад Пангея начала распадаться – сначала появились Лавразия и˝ Гондвана, потом по мере их распада обозначились будущие Северная Америка, Южная Америка, Африка, Антарктида и Евразия. Сибирь и Индия существовали пока отдельно.

65 миллионов лет назад разделение было уже налицо, и континенты располагались почти так же, как сейчас, хотя очертания их сильно отличались от современных. Северная и˝ Южная Америки еще не соединились, Индия была отдельным островом, Южную Америку и Антарктиду связывал узкий перешеек. А вот Сибирь уже слилась с Евразией.

55

50 миллионов лет назад Индия с юга подошла к Азии, и на линии их столкновения возникли высочайшие горы на современной Земле – Гималаи и Тибет. 34 миллиона лет назад Антарктида отделилась от Южной Америки. Возможно, что возникшее вокруг Антарктиды кольцевое морское течен˝ие как бы отгородило ее от остальных частей света и привело к˝ быстрому ее оледенению.

В настоящее время скорость движения континентов не превышает 10 сантиметров в год. Наблюдается отчетливо выраженное смещение Америки к западу, а Африки к северу; Евразия же поворачивается по часовой стрелке. Это означае˝т, что через 50 миллионов лет Атлантический океан станет гораздо шире, а Тихий – гораздо уже, чем сейчас; Средиземное море полностью исчезнет, на линии столкновения Европы и Африки поднимутся горы, которые превзойдут по высоте даже Гималаи (их зачаточное состояние – нынешние Альпы); сама Европа окажется намного ближе к северному полюсу, чем в наши дни; наоборот, Сибирь опустится в субтропики.

Поскольку в прошлом континенты то собирались вместе, то расходились, многие геологи уверены, что и дальше события будут развиваться так же, а значит, очередное слияние ожидается через 250 миллионов лет. Споры идут в основном о том, в каком месте Земли это произойдет. Например, американский геолог Кристофер Скотезе считает, что новый суперконтинент возникнет на экваторе и будет похож на Пангею. Поэтому он и назвал его Пангея Ультима (Последняя Пангея). Другой американец, Росс Митчел, предсказывает схождение всех нынешних частей суши в области северного полюса. Своему гипотетическому суперконтиненту он дал им˝я Амазия (Америка + Азия).

Наконец, существует предположение, что через 1,5 миллиарда лет тепловой перенос вещества в недрах Земли закончи˝т- ся. Не будет больше землетрясений, извержений; прекратится движение континентов. Поверхность Земли постепенно буде˝т выравниваться, и моря (если, конечно, к тому времени они еще сохранятся) начнут свое последнее наступление на суш˝у. В итоге еще через несколько миллиардов лет континенты превратятся сначала в одно сплошное болото, а потом и вовс˝е исчезнут глубоко под водой.

Внутреннее строение. Среднюю плотность Земли впервые рассчитал еще Исаак Ньютон, причем ее значение у него оказалось близко к современному. И оно примерно в два раза˝ превосходило плотность поверхностных горных пород. Из

56

этого вытекало, что внутренние части Земли должны состоят˝ь из тяжелых веществ.

Âконце XIX – начале XX века о внутреннем строении Земли стали делать выводы, наблюдая распространение в ее теле ударных (сейсмических) волн, которые обычно возникают во время землетрясений, хотя могут быть созданы и искусственно с помощью мощных взрывов.

Â1909 году хорватский геолог Андрей Мохоровичич обнаружил на глубинах от 5 до 70 километров какую-то границу, очевидно, разделяющую две среды. На этой границе скорость˝ как продольных, так и поперечных сейсмических волн скач-

кообразно увеличивалась:	продольных	–	примерно	ñ	7	äî
8 километров в секунду,	поперечных	–	примерно	ñ	4	äî

4,5 километров в секунду. Выяснилось также, что поверхность˝ Мохоровичича, как ее стали называть, в общем и целом выглядит как зеркальное отражение поверхности Земли: под˝ континентами она залегает более глубоко, под океанами – менее. Что в точности представляет собой данная граница, э˝то до сих пор остается загадкой, поскольку ни одна искусстве˝н- ная скважина ее не достигла. Однако не исключено, что она разделяет земную кору и так называемую мантию.

Вскоре после Мохоровичича (по одним данным в 1910-м, по другим – в 1914 году) американец Бено Гутенберг таким же способом нашел еще одну границу внутри Земли – она была расположена на глубине 2900 километров. Пересекая ее, продольные волны замедляли движение, а поперечные и вовсе˝ исчезали. Выяснилось также, что продольные волны, проходя˝ через центр Земли, нередко отклоняются в ту или иную сторону и по разным направлениям идут с разной скоростью. Все эти обстоятельства указывали на то, что самая внутрен˝- няя часть Земли радиусом около 3500 километров неоднородна: ее внешний слой толщиной 2200 километров жидкий, а заключенное в нем ядро радиусом 1300 километров – твердое. К такому выводу в конце 20-х годов ХХ века впервые пришла датская исследовательница Инга Леманн.

По современным данным свыше 90% массы Земли приходится всего на четыре химических элемента – железо, кисло˝- род, кремний и магний. При этом в земной коре резко преобладают кислород (50%) и кремний (25%); в больших коли- чествах здесь присутствуют также алюминий, магний, кальций, натрий и калий. Мантия же, залегающая ниже, состоит из так называемых силикатов. Это собирательное название довольно большого количества веществ, главными представ˝и-

57

телями которых именно в мантии выступают оксид кремния и оксид магния. Ядро по всем известным признакам в основном железное с небольшой примесью никеля.

Длительное время было не слишком ясно, почему ядро частично жидкое, а частично – твердое. Наиболее впечатляющую гипотезу в конце 60-х – начале 70-х годов ХХ века выдвинул русский физик Олег Сорохтин. По его расчетам, жидкий слой ядра состоит из нисходящих потоков необычного оксида железа и восходящих потоков кислорода.

Подробности здесь такие. На больших глубинах под действием огромного давления электронные слои в атомах желе˝- за перестраиваются, вследствие чего железо становится од˝новалентным и образует оксид, не встречающийся в земной коре, – Fe2O. Это вещество под действием собственной тяжести устремляется к центру Земли и погружается в области все более и более высокого давления. Тогда электронные оболочки атомов железа еще раз перестраиваются, и железо пре˝- вращается в инертный металл, наподобие никеля. Оксид железа распадается, железо остается в ядре, а кислород устремляется вверх, окисляя на своем пути все, что там еще можно окислить. Остатки его могут даже постепенно выходить на поверхность через разного рода разломы в коре.

Таким образом, железное ядро Земли растет, а попутно высвобождается кислород. Его излишки, которым в конце концов уже будет некуда деваться, со временем окажутся выброшенными в атмосферу, многократно увеличив ее давление и температуру. Жизнь на Земле в ее привычном виде станет тогда невозможной. Первоначально Сорохтин предск˝а- зывал, что это произойдет не ранее, чем через 2 миллиарда лет. Однако в последние годы появились расчеты, что эта величина, возможно, ближе к 500 миллионам.

Воздушная оболочка. Воздух сейчас на 78% состоит из азота, на 21% – из кислорода, затем идут аргон и углекислота (их вместе около 1%); все остальные примеси в следовых количествах. Но какой была воздушная оболочка раньше, в частности, на первозданной Земли? Определять это пытаются˝ двумя способами. Первый: берут какие-нибудь очень древние˝ горные породы (базальты или граниты), нагревают их и смотрят, какие газы выделяются. Оказывается, это в основном водяной пар и углекислота, еще немного азота и больше почти ничего. Второй способ: какие газы выбрасываются из недр Земли вулканами и гейзерами? Здесь картина примерно такая же: 75% – водяной пар, 15% – углекислота, оставшиеся

58

10% – водород, азот, угарный газ, метан, аммиак, пары кислот (соляная, синильная, фтороводородная и др.), соединения серы, фосфора и т. д. Из этих наблюдений относительно состава первоначальной атмосферы вывод можно сделать тако˝й: первоначальная атмосфера представляла собой в основном˝ смесь водяного пара и углекислоты.

Самое любопытное здесь, вероятно, следующее: откуда со временем взялось столько кислорода? Полагают, что он появ˝- ляется в воздухе тремя путями:

a)выделяется живыми существами, обладающими способность˝ю к фотосинтезу;

b)возникает вследствие разложения водяного пара в возду˝хе под действием солнечного света (так называемая фотодиссоциа˝- ция);

c)будет в дальнейшем выделяться из недр Земли по мере расп˝а- да там оксида железа (если верна гипотеза Сорохтина).

На сегодняшний день основной путь, как принято считать, первый. Есть даже расчеты, что если бы все фотосинтезирующие растения сегодня исчезли, то примерно через 10 тысяч лет кислорода в атмосфере почти совсем не осталось бы. Но это, конечно, только предположение.

Около 3,5 миллиарда лет назад главной составляющей воздуха стала углекислота – ее доля достигла тогда 60%, после чего, впрочем, начала неуклонно падать; помимо этого было довольно значительное количество азота и аммиака и совсе˝м немного метана и сероводорода. Примерно 3,0 миллиарда лет назад на первое место вышел азот, и еще через 500 миллионов лет его стало, по-видимому, чуть ли не 90–95%. Уровень углекислоты в эпоху так называемого протерозоя (2,5– 0,55 млрд. лет назад) колебался в пределах 2–5%, в эпоху фанерозоя (последние 550 млн. лет) не превышал уже десятых долей процента, а иногда падал даже до сотых, как это и наблюдается в наши дни. Около 1,2 миллиарда лет назад содержание кислорода увеличилось почти с нуля до 0,02% (так называемая точка Юри); после этого стало появляться много живых существ. Около 600 миллионов лет назад коли- чество кислорода возросло до 0,2% (точка Пастера) – возник озоновый слой, защищающий животных от вредного косми- ческого излучения, появились первые костные животные, а 450 миллионов лет назад началось постепенное освоение суши растениями, червями и членистоногими. Наибольшее содержание кислорода в воздухе имело место 350–300 милли-

59

онов лет назад – тогда его было 35%! Это намного больше современного уровня. Однако в дальнейшем доля кислорода, как мы видим, снизилась.

Говорят, что количество углекислоты в воздухе в последние десятилетия XX века росло особенно быстро и продолжает расти с той же скоростью. Многие опасаются, что это связано с человеческой деятельностью: якобы мы стали сжигать очень много топлива, которое, сгорая, превращается в большей степени именно в углекислоту. Но не все исследователи поддерживают такую точку зрения. Некоторые говорят, что причины насыщения воздуха углекислотой могут быть и совсем другие…

Погодные условия. О погоде давно прошедших эпох пытаются судить по отложениям (поскольку в разных обстоятельствах образуются разные осадочные породы), а также по˝ останкам живых существ (если, конечно, удается установить˝,

âкаких условиях они могли существовать).

Âпоследние столетия среднегодовая температура на Земле˝ составляет 14 градусов по шкале Цельсия. Любопытно, что в далеком прошлом этот показатель, как следует из геологиче˝с- ких данных, находился на уровне 20–25 градусов. При этом разница между полюсами и экватором в погодном отношении была незначительна. В ледниковые же периоды температура опускалась до 8–10 градусов.

Что в наибольшей степени влияет на земную погоду? Полагают, что здесь есть три основные действующие силы:

•количество парниковых газов (метан, углекислота, водян˝ой пар и т. п.) в воздухе: чем их больше, тем теплее погода;

•запыленность воздуха: чем она выше, тем погода холоднее˝, чем ниже – тем теплее;

•что находится на полюсах – суша или море? – если море, на Земле теплее; если суша – холоднее; дело в том, что вода обладает большей теплоемкостью и меньшей отражательной˝ способностью, поэтому моря лучше способствуют теплой пог˝о- де, нежели суша.

Незначительные для Земли как небесного тела, но значи- тельные для живых существ колебания температуры зависят˝ главным образом от количества вышеупомянутых парниковы˝х газов в атмосфере. Их значение впервые в начале ХХ века показал шведский исследователь Сванте Аррениус.

Существуют расчеты, согласно которым при полном отсутствии в воздухе парниковых газов среднегодовая температ˝ура

60