Текст книги "Единая картина мира. Системно структурным методом"

Геологический уровень структурной организации материи

* * *

Все, что находится вокруг нас в естественных условиях, относится к следующему (над молекулярном) уровню структурной организации материи – это земля, вода, воздух – все, как у древнегреческих философов, правда не хватает огня, огонь тоже есть, в виде солнечной энергии и горячих недр Земли, обеспечивающих среднюю температуру приземного слоя атмосферы 14°С. Максимальная температура воздуха 57–58°С зафиксированы в тропических пустынях Северной Африки и Северной Америки (Долина смерти) и внутренних районах Австралии. Минимальная температура воздуха около – 90°С в центральной части Антарктиды – Полюс холода.

Элементами геологического уровня структурной организации материи являются геосфера, гидросфера, атмосфера и биосфера, а связями являются закономерности взаимного влияния между ними, вызывающими изменения среды (климата) и структуры самих элементов. Полного и непротиворечивого описания развития Земли, геосферы, гидросферы, атмосферы и биосферы, пока не существует. Рассмотрим сначала каждый элемент в отдельности, затем рассмотрим общую структуру и перейдем к следующей ветви уровней структурной организации материи.

Геосфера

Структура Земли состоит из трех концентрических оболочек-слоев, являющиеся ее элементами. В «Истории Земли» Флинт Р. Ф. удачно сравнил Землю с яйцом, скорлупа которого подобна земной коре, белок – мантии, желток – ядру Земли. Такое строение Земли определено благодаря исследованию с помощью сейсмических волн, скорость которых в разных слоях резко отличается. Кора – внешняя твёрдая оболочка Земли —, состоит, в свою очередь, из споев, образованных в результате ее формирования, и различных пород, не являющихся равномерными по всей площади. Самыми крупными элементами земной коры являются литосферные плиты континентального, океанического или смешанного типа. В свою очередь литосферные плиты имеют платформы – наиболее устойчивые основные структурные элементы континентов, образовавшиеся на месте бывших горных сооружений или складчатых областей, они асейсмичны и разделенные окраинно-подвижными зонами и поясами, которые представляют собой сложное сочетание окраинных морей, островных дуг и глубоководных желобов. На океанических литосферных плитах выделяют два наиболее крупных элемента: океанические платформы и океанические орогенные пояса.

Структура Земли приведена на рис. 9

Рис. 9. Структура планеты Земля.

Площадь поверхности Земли составляет около 510 млн. км², большую часть которой занимают воды Мирового океана – 361 млн. км², суша 149 млн. км² слагается из шести материков: Евразия, Африка, Америка (Северная и Южная), Австралия и Антарктида. Средняя высота суши – 875 м, наибольшая – 8848 м (гора Джомолунгма). Глубина земной коры от 5 км под океаном до 75 км под материками, масса земной коры оценивается в 2,8·10¹⁹ тонн (из них 21% – океаническая кора и 79% – континентальная), кора составляет лишь 0,473% общей массы Земли; мантия (верхняя и нижняя), глубина ее до 2900 км; ядро (внешнее и внутреннее) находится в расплавленном состоянии. В свою очередь континентальная кора имеет многослойную структуру. Верхний слой представлен покровом осадочных пород, который расположен повсеместно, но редко имеет большую мощность. Под верхней корой – слоем, состоящим главным образом из гранитов и гнейсов, обладающим низкой плотностью и более древней историей. Нижняя кора, состоящая из метаморфических пород – гранулитов и им подобных. Осадочные породы состоят из пластов, сложенных геологическими периодами, причем сверху находится молодой слой, а под ним лежат породы старше, и чем дальше, тем старше. Каждый период, соответствующий временной шкале, определяется на основании комплексов горных пород. В местах сталкивания литосферных плит, могут происходить наложение старых слоев на молодые.

Формирование Земли

Формирование Земли началось из однородной, холодной туманности, после первоначального формирования вещества и планеты Земную кору составляют химические элементы: 47% массы земной коры приходится на кислород (О), 28% – на кремний (Si), 8% – на алюминий (Al), 4% – на железо (Fe) – итого эти элементы составляют 87% оставшиеся до 99,8% массы земной коры составляют химические элементы: Ca, Na, K, Mg, H, Ti, C, Cl, P, S, N, Mn, F, Ba. Элементы соединяются в различных соотношениях и образуют минералы, в большинстве своем представляющие твердые кристаллические тела, обладающие жесткой трехмерной кристаллической решеткой, размером до 1,5 мм. Природное химическое соединение кристаллической структуры, образовавшееся на Земле, как результат геологических и геохимических процессов. Существует более 2000 минералов, но только небольшое число их является важными составными частями обычных на земной поверхности горных пород. Классификация минералов, основанная на химическом составе:

1. Силикаты, включают 800 минералов и составляют 75% массы земной коры, в осадочных породах силикаты составляют 50% массы осадочных горных пород.

2. Окислы и гидроокислы, включают 200 минералов, состоят из 30 химических элементов и составляют 5% массы земной коры.

3. Карбонаты – 100 минералов – 1,5%.

4. Сульфиды – 40 минералов.

5. Галогениды -100 минералов.

6. Сульфаты – 300 минералов – 0,1%.

7. Соли кислородных кислот: SO₄, SiO₃, CrO₄, VO₄, AsO₄, UO₂, PO₂.

8. Самородные химические элементы – 30 минералов.

Около 30–40 минералов являются породообразующими. Они составляют 99% массы земной коры.

Горные породы – природные минеральные сооружения с устойчивой структурой, залегающих в виде самостоятельных тел в земной коре и подразделяются на три группы:

1. магматические породы, образованные при затвердевании жидкой магмы;

2. метаморфические («измененные») породы, возникшие в результате преобразования в твердом состоянии существовавших ранее пород под действием давления и тепла;

3. осадочные породы, созданные осаждением обломков и других продуктов разрушения существовавших ранее пород.

С увеличением глубины, давление, плотность и температура вещества Земли возрастают: давление в центре Земли – до 3,5 млн. кг/см², плотность внутри ядра – 12,5·10³ кг/м³. На определенной глубине земной коры располагается сфера постоянной температуры, равной среднегодовой температуре данной местности, а ниже наблюдается повышение температуры. Среднее значение внутреннего теплового потока – около 1,5 мкал/см² в секунду, в различных географических областях Земли тепловой поток меняется, иногда существенно – в 5–7 раз в сторону увеличения. Данная характеристика теплового потока относится к земной коре, более глубокие слои мало изучены. Считается, что температура ядра достигает 5000–6000°С, поэтому является сжиженным, но поскольку центр ядра не пропускает сейсмические волны, то он должен быть в твердом состоянии.

Общий объем Земли – 1 083 320 млн. км³, средняя плотность 5,52 г/см³, масса – 5,98·10²⁴ кг. Форма Земли – седцевидный эллипсоид с осевой впадиной на Южном полюсе и выпуклостью на Северном. Экваториальный радиус – 6 378 245 м, полярный – 6 356 863 м.

Рассмотрены, главным образом, структурные элементы Земли, связь элементов в полной мере, возможно, проследить в результате процесса формирования и развития планеты. Об этом рассказывают геология и палеонтология (наука об ископаемых), а с развитием минералогии и петрологии, тонких методов химического анализа, началось развитие геохимического направления, чтобы ответить на один из основополагающих вопросов: как возникло то, что, мы видим вокруг себя? Какой путь и развитие прошла наша планета? Как все пришло к современному состоянию? Теория дрейфа континентов была разработана на основе теория тектоники литосферных плит – основополагающая концепция современной геологии. Эти теории помогли утвердить идеи о возникновении и последующем изменении самой Земли, океанов и атмосферы. Процесс продвижения океанических и континентальных плит заставляет континенты перемещаться на тысячи километров по поверхности Земли, а иногда и поворачиваться. При сталкивании тектонических плит, на поверхности вырастают огромные горные хребты. В других случаях происходят землетрясения, извержения вулканов, что также может привести к изменению коры и климата.

Историю Земли можно рассматривать, как последовательность «черных ящиков», соответствующих основным, геологическим периодам, начиная с настоящего состояния Земли, постепенно продвигаясь, все дальше в прошлое, устанавливая датировку этапов развития и формирования планеты, используя геологические «часы», являющиеся единственным средством восстановления последовательности событий, в меньшей мере, пока, не обращая внимание на развитие Солнечной системы и Вселенной, о чем будет разговор в свое время, в другом месте. Можно вести рассмотрение истории Земли в обратном порядке – от начала ее зарождения до наших дней. В любом случае для этого не так много прямых данных, непосредственно доступных наблюдению потому, что приходится, в основном, ориентироваться на образцы, собранные на поверхности Земли и на, сравнительно, небольшой глубине, исследуя пещеры и при бурении скважин, а также на метеориты, попавшие на Землю. С помощью изучения абсолютного возраста пород земной коры трудно проследить историю формирования коры в целом.

Наиболее распространенным вариантом модели Солнечной системы, в том числе Земли, является гипотеза протосолнечной туманности, образовавшейся в результате взрыва сверхновой звезды, с последующим остыванием и конденсацией частиц газа и пыли, положив начало аккумуляции вещества, химических элементов, из которых в последствии сформировалась Земля. Это происходило, по одной гипотезе, более 10 млрд. лет назад, в других гипотезах встречается дата 5,5 млрд. лет – разница колоссальная, но такова их точность. Надо понимать точность подобного рода предсказаний, чем дальше в глубь космической истории, тем меньше достоверность и больше загадок. За последние 200 лет, как ученые серьезно стали заниматься историей Земли, отойдя то библейского варианта (кстати, он тоже, как вариант, имеет право на существование), изучено около 600 млн. лет предшествующих эпох, а то, что было раньше, остается загадкой.

Существуют основные гипотезы формирования Земли:

1. Земля стала разогреваться за счет энергии, выделявшейся в процессе гравитационной аккумуляций частиц, и за счет энергии радиоактивного распада элементов. В это же время шло формирование железоникелевого расплава, что является противоречием – невозможно объяснить каким образом частицы железа и никеля могли пройти тысячи километров, прежде чем проникнуть к центру, кроме того, для образования железоникелевого сплава, необходима соответствующая реакция восстановления, с выделением количества кислорода, почти равного количеству восстановленного железа.

2. При формировании Земли в ней уже имелась основа слоистой структуры, т. е. происходила неоднородная аккумуляция, и процесс разделения вещества начался еще при конденсации микрочастиц в протосолнечной туманности в горячем виде. В процессе снижения температуры протосолнечной туманности сначала стали конденсироваться молекулы соединений, имеющих более высокую температуру испарения.

3. Структура Земли в конечном счете оказалась сформированной по принципу кристалла. Предполагается и, вроде бы для этого есть основания, что ядро Земли представляет собой растущий кристалл железа, который наводит во всех оболочках планеты симметрию двух правильных многогранников – икосаэдра и додекаэдра, а также по этому принципу организована иерархия подсистем основного деления планеты, получившая название икосаэдро-додекаэдрической структуры Земли (ИДСЗ). Данная позиция не является общепринятой, но по ней есть исследования и немало источников.

Не найдя более подходящей гипотезы о происхождении Земли, в последнее время получила популярность теория, занимающая промежуточное положение между теориями однородной и неоднородной аккумуляции.

Молекулами, которые начали конденсироваться первыми, были окислы MgAl₂O₄ и CaТiO₃ за ними последовали железо и никель. При дальнейшем остывании начали конденсироваться силикаты марганца и соединения серы, затем олово и серебро, а позже – соли свинца и окислы железа. Все эти соединения в ходе повторявшихся столкновений друг с другом образовывали микрочастицы, из которых затем в ходе аккумуляции формировались планеты.

С появлением еще не зрелой земной коры на рубеже 3,8 млрд. лет с платформами всех континентов, горными породами с соответствующими радиометрическими датировками история Земли, все предыдущее – догеологический этап между датой рождения Земли 4,6 и 3,8 млрд. лет, все сказанное выше является предположением.

Земля имеет магнитное поле, напряженность которого у ее поверхности составляет 0,5 гаусс, с силовым полем вокруг. В наше время магнитные полюса Земли расположены вблизи географических полюсов, но не совпадают с ними. Что касается происхождения магнитного поля Земли, имеется немало гипотез, и все они единодушны в том, что существование геомагнитного поля, возникающие в результате действия системы электрических токов в железоникелевом расплаве, обладающим высокой электропроводностью, вызванных сложными конвективными движениями в жидкой части ядре при вращении Земли. Энергетическим источником, приводящим в движение вещество ядра, может быть также радиоактивный распад элементов, содержащихся в ядре. Предполагается, что существование ядра Земли, как и его геомагнитного поля, прослеживается, по крайней мере, до 3 миллиардов лет назад. Общему фону магнитного поля Земли сопутствует, ферромагнитные магматические минералы горных пород в период их вулканического формирования имеют противоположную полярность, что характеризует неоднократную смену полярности, в ходе геологической истории Земли, т. е. северный полюс становился южным, а южный северным и наоборот. Причина инверсии полюсов также неизвестна.

История Земли включает в себя наиболее важные события и основные этапы развития планеты Земля с момента ее образования до наших дней. Возраст Земли – время, прошедшее с момента возникновения Земли как самостоятельной планеты, составляет 4,54·10⁹ лет ±1%. Эти данные базируются на радиоизотопной датировке земных, лунных образцов и метеоритного вещества. Старейшие из найденных образцов – мелкие кристаллы циркона из Западной Австралии, с возрастом 4,404 миллиардов лет. Самые старые образцы метеоритов имеют возраст 4567 миллиардов лет, что даёт возможность установить возраст Земли. Большое различие возраста минералов – от нескольких миллионов до 100 миллионов лет – затрудняет определение точного возраста Земли.

По результатам полученных исследований естествознания, на II–VIII сессиях Международного геологического конгресса в 1881–1900 гг. были приняты иерархия и номенклатура большинства современных геохронологических подразделений. В последующем геохронологическая шкала постоянно уточнялась. Согласно геохронологической шкале, время существования Земли измеряется в годах и разделено на два главных интервала (эона): Фанерозой и Докембрий. Они, в свою очередь, подразделены на эры, периоды, эпохи со своей датировкой и приведены на рис. 10.

Рис. 10. Поля Земли

Гравитационное поле Земли с высокой точностью описывается законом всемирного тяготения Ньютона. Движение жидкостей, а также возникающие в твердых объектах напряжения, вызываемые циклическим изменением действующих на них гравитационных сил. Так, океанские приливы на Земле, запаздываемые ежедневно на 50 минут, возникают из-за изменения суммарного гравитационного действия Солнца и Луны, которое подвержено суточным, месячным и годичным вариациям, обусловленным вращением Земли, движением Луны по орбите вокруг Земли и движением Земли вокруг Солнца. Деформация за счет приливных сил Земли достигает 30 см, Луны 40 см, водная поверхность поднимается до 1 метра, а в заливе Фапти (Атлантический океан) до 18 метров.

Ускорение свободного падения над поверхностью Земли определяется как гравитационной, так и центробежной силой, обусловленной вращением Земли. Зависимость ускорения свободного падения от широты приближенно описывается формулой g = 9,78031 (1 + 0,005302 sin2) m/c2, где m – масса тела.

Магнитное поле над поверхностью Земли складывается из постоянной (или меняющейся достаточно медленно) «главной» и переменной частей; последнюю обычно относят к вариациям магнитного поля. Наличие расплавленного металлического ядра приводит к появлению магнитного поля и магнитосферы Земли. Магнитосфера Земли определяется магнитным полем и его взаимодействием с потоками заряженных частиц космического происхождения (с солнечным ветром). Магнитосфера Земли с дневной стороны простирается до 8-14 R, с ночной – вытянута, образуя магнитный хвост Земли в несколько сотен R; в магнитосфере находятся радиационные пояса. Измерения со спутников показали, что Земля является интенсивным источником радиоволн в километровом диапазоне, хотя такие волны генерируются высоко и на уровне земной поверхности не обнаружены. Магнитный дипольный момент Земли, равный 7,98·1025 единиц СГСМ, направлен примерно противоположно механическому, хотя в настоящее время магнитные полюсы несколько смещены по отношению к географическим. Их положение, впрочем, меняется со временем, и хотя эти изменения достаточно медленны, за геологические промежутки времени, по палеомагнитным данным, обнаруживаются даже магнитные инверсии, то есть обращения полярности. Нынешнюю полярность Земля приобрела 12 тысяч лет (по другим источникам 750 тыс. лет) назад, а в среднем каждые 250 тыс. лет (500 тыс. лет по другим источникам) меняется полярность, а иногда в 2–4 раза быстрее. Некоторые ученые утверждают, что возможно скоро полярность изменится.

В первом приближении магнитное поле Земли подобно полю намагниченного стержня (диполя), который смещен относительно центра Земли к Тихому океану и наклонен к земной оси. В настоящее время это смещение составляет 451 км, а наклон равен 11°. Сила и форма геомагнитного поля постепенно меняются, причем масштаб времени этих изменений составляет годы. Интенсивность геомагнитного поля обозначается векторной величиной F или B, а единицами измерения являются гаусс (Гс), тесла (Т) или гамма (γ) (1 тесла = 10000 гаусс; 1 гамма = 1 нанотесла = 10-5 гаусс.) Направление поля в любой точке земной поверхности может быть описано двумя углами: 1) наклонением I, т. е. углом между горизонтальной плоскостью и вектором поля (угол считается положительным, когда поле направлено вниз); 2) склонением D, т. е. азимутом – углом, измеряемым от направления на север к востоку или западу на горизонтальной плоскости.

Положение магнитных полюсов Земли на 1985 г:

Северный магнитный полюс – 77°36′ с. ш.; 102°48′ з. д.

Южный магнитный полюс – 65°06′ ю. ш.; 139°00′ в. д.

Положение геомагнитных полюсов на 1985 г:

Северный геомагнитный полюс – 78°48′ с. ш.; 70°54′ з. д.

Южный геомагнитный полюс – 78°48′ ю. ш.; 109°06′ в. д.

Напряженности магнитного поля на северном и южном магнитных полюсах равны соответственно 0,58 и 0,68 Э, а на геомагнитном экваторе – около 0,4 Э.

Приборы Центрального военно-технического института Сухопутных войск (ЦНИВТИ СВ) зафиксировали в начале 2002 года, что магнитный полюс Земли сместился на 200 км. По мнению ученых, аналогичное смещение магнитных полюсов произошло и на других планетах Солнечной системы по видимому по причине, что Солнечная система проходит "определенную зону галактического пространства и испытывает влияние со стороны других космических систем, находящихся рядом". "Переполюсовка" повлияла на ряд процессов, происходящих на Земле. Так, "Земля через свои разломы и так называемые геомагнитные точки сбрасывает в космос избыток своей энергии, что не может не сказаться как на погодных явлениях, так и на самочувствии людей". Кроме того избыточные волновые процессы, возникающие при сбросе энергии Земли, влияют на скорость вращения нашей планеты. По данным Центрального военно-технического института, "примерно каждые две недели эта скорость несколько замедляется, а в последующие две недели наблюдается определенное ускорение ее вращения, выравнивающее среднесуточное время Земли". Смещение магнитного полюса Земли не влияет на географические полюса планеты, то есть точки Северного и Южного полюсов остались на месте.

РАДИАЦИОННЫЕ ПОЯСА – внутренние области планетных магнитосфер, в которых собственное магнитное поле планеты удерживает заряженные частицы (протоны, электроны), обладающие большой кинетической энергией. В радиационных поясах частицы под действием магнитного поля движутся по сложным траекториям из Северного полушария в Южное и обратно. У Земли обычно выделяют внутренний и внешний радиационные пояса. Внутренний радиационный пояс Земли имеет максимальную плотность частиц (преимущественно протонов) над экватором на высоте 3–4 тыс. км, внешний электронный радиационный пояс – на высоте ок. 22 тыс. км. Радиационный пояс – источник радиационной опасности при космических полетах. Мощными радиационными поясами обладают Юпитер и Сатурн.

Электрическое поле над поверхностью Земли в среднем имеет напряженность около 100 В/м и направлено вертикально вниз – это так называемое «поле ясной погоды», но это поле испытывает значительные (как периодические, так и нерегулярные) вариации.

Две кольцеобразные области вокруг Земли с высокой концентрацией высокоэнергичных электронов и протонов, которые были захвачены магнитным полем планеты. Пояса были обнаружены первым американским искусственным спутником Земли "Эксплорер-1", запущенным 31 января 1958 г. Пояса названы по имени Джеймса Ван Аллена – физика, руководившего экспериментом на "Эксплорере-1". Внутренний пояс Ван Аллена лежит над экватором на высоте около 0,8 земных радиусов. Во внешнем поясе область наибольшей концентрации находится на высоте от 2 до 3 земных радиусов над экватором, а обширная область, простирающаяся от внутреннего пояса до высоты 10 земных радиуса, содержит протоны и электроны более низкой энергии, которые, по-видимому, принесены в основном солнечным ветром. Поскольку магнитное поле Земли отклоняется от оси вращения планеты, внутренний пояс опускается вниз к поверхности в Южной части Атлантического океана, недалеко от побережья Бразилии. Эта Южно-атлантическая аномалия представляет потенциальную опасность для искусственных спутников. В 1993 г. в пределах внутреннего пояса Ван Аллена была обнаружена область, содержащая частицы, которые проникли туда из межзвездного пространства.

Геомагнитная буря – существенное уменьшение горизонтальной компоненты магнитного поля Земли, продолжающееся обычно несколько часов. Причина – попадание в околоземное пространство электрически заряженных частиц, как правило, выбрасываемых из Солнца при солнечных вспышках. Во время таких бурь наблюдаются полярные сияния и происходит нарушение радиосвязи