Текст книги "Вселенная на ладони"

Земля

Земля была сформирована из обломков и другого остаточного материала. Главным событием в этой части Вселенной было образование Солнца приблизительно 4,6 миллиарда лет назад.

Но огромное количество газов и пыли продолжало вращаться вокруг недавно родившейся звезды. Под воздействием гравитации этот материал объединился в более крупные объекты, которые называются «планетезимали», или планеты в начальной стадии зарождения – строительные блоки будущих планет, – каждый около километра в диаметре.

Примерно 4,56 миллиарда лет назад, лишь через несколько сотен миллионов лет после образования Солнца, некоторые обломки породы и металлов столкнулись друг с другом и, смешавшись, образовали Землю. Непрерывные бомбардировки новыми планетезималями, наряду с энергией, выделяющейся вследствие радиоактивного распада, поддерживали новообразованную планету в расплавленном состоянии. Под воздействием сил гравитации сформировавшееся шарообразное космическое тело превратилось в итоге в земной шар.

Земной шар в начальной стадии формирования находился в полностью расплавленном состоянии, что позволяло тяжелым материалам, таким как железо, устремляться в направлении его ядра

Поскольку наша планета находилась в расплавленном состоянии, наиболее тяжелые материалы могли свободно опускаться на дно. И наоборот, самые легкие материалы в итоге оказались на поверхности. Геологи называют этот процесс дифференциацией. После охлаждения уже отдифференцировавшегося земного шара над плотным ядром из железа и никеля сформировалась твердая земная кора.

В настоящее время в центре нашей планеты продолжает находиться железо-никелевое ядро. Оно подразделяется на две части – внутреннее и наружное ядра. Внутреннее ядро твердое, а наружное находится в расплавленном состоянии из-за огромной разрушительной силы вышележащих материалов.

Температура в пограничной области между внутренним и наружным ядром Земли может достигать 6000 градусов по Цельсию, делая ее такой же разгоряченной, как поверхность Солнца. В совокупности внутренняя и наружная части земного ядра составляют 55 % всей внутренней части нашей планеты и окружены мантией, состоящей из полурасплавленной породы, называющейся магмой. Верхнюю поверхность мантии покрывает земная кора – поверхность планеты, на которой мы и живем. Достигая всего 60-километровой толщины в самой глубокой своей части, земная кора составляет лишь половину процента от диаметра Земли. Если бы наша планета сжалась до размера яблока, то ее кора равнялась по толщине кожуре яблока.

Самым поразительным на нашей голубой планете являются огромные запасы воды. Более 70 % поверхности Земли покрыто водой – H₂O, находящейся в жидком состоянии, и жизни всех живых существ на Земле, начиная от мельчайшей бактерии до гигантского синего кита, зависят от воды. Любая вода, если бы она существовала на Земле изначально, уже давно испарилась бы вследствие наблюдавшихся тогда адских температур, следовательно, она появилась на земле позже. Но откуда?

Она могла быть образована в пределах мантии глубоко под корой. Жидкий водород и кварц способны вступать в реакцию, чтобы образовать жидкую воду, и эта вода могла быть впоследствии заперта внутри породы. В 2014 году на глубине в 700 километров был обнаружен огромный резервуар с водой, способной трижды заполнить океанские впадины на поверхности Земли. По всей вероятности, с течением времени пары воды испарялись через трещины в коре, попадая наружу. А впоследствии, по мере охлаждения нашей планеты, водяные пары стали конденсироваться, переходя в жидкое состояние, и заполнили все нижележащие впадины.

Другой вероятный источник воды находился в открытом космосе – вероятно, он попал к нам вместе с астероидами и кометами, когда эти космические тела столкнулись с Землей. Однако у такой идеи имеются явные изъяны. Анализ вещества комет показывает, что многие из них содержат другой тип воды, отличающийся от той, которая заполняет наши моря и океаны. Если бы вода попала к нам вместе с астероидами, то в атмосфере нашей планеты сегодня содержалось бы значительно больше ксенона, чем это имеет место на самом деле. Так что вопрос остается открытым.

Вопрос, касающийся происхождения атмосферы Земли, несколько более ясен, однако в момент зарождения ее состав сильно отличался от сегодняшнего. Первые газы, приставшие к недавно родившейся Земле, были высвобождены в результате вулканической активности из глубин нашей планеты. Это были главным образом диоксид углерода, перемежающийся с монооксидом углерода, сульфид водорода и метан. Свободного кислорода тогда еще не было. Весь кислород был связан в воде (H₂O) и твердых кремниевых соединениях, таких как двуокись кремния (SiO₂).

Но все изменилось 3 миллиарда лет назад, когда в океанах стали буйно развиваться микроскопические организмы, называющиеся цианобактериями. Они стали производить свободный кислород путем реакции между двуокисью углерода, водой и солнечным светом в процессе фотосинтеза. Образование кислорода в атмосфере привело к самому массовому вымиранию организмов в истории Земли, поскольку кислород был токсичен для подавляющего большинства существовавших тогда форм жизни. Выжили только те организмы, которым удалось приспособиться к грандиозному сдвигу в химическом составе земной атмосферы. Вы произошли от потомков организмов, успешно переживших те события. В настоящее время кислород является вторым преобладающим элементом в атмосфере Земли (21 %) после азота (78 %).

Обширная гряда Гималайских гор, подпирающая пограничную область между Тибетским плато и Индийским субконтинентом, является одним из естественных чудес на Земле. Ежегодно тысячи людей, плененные магией горы Джомолунгма (Эверест), пытаются помериться силами с величайшей вершиной мира.

Но в сравнении с возрастом Земли, Гималаи в действительности очень молоды. По мнению большинства ученых, они образовались всего каких-то 50 миллионов лет назад. Однако та часть суши, которая сегодня в большинстве своем укладывается в границы Индии, прошла довольно необычный путь, чтобы оказаться там, где она находится сейчас. Эта часть суши изначально откололась от древнего материка, известного как Гондвана, после чего отправилась в северном направлении, оставила в стороне остров Мадагаскар вблизи основной части Африканского континента, а затем продолжила свой путь к Азии. Передвигаясь со скоростью 20 сантиметров в год, она напролом пропахивала себе путь к крупнейшему на планете континенту, чтобы воздвигнуть здесь высочайшие в мире горные хребты.

Такие значительные передвижения огромных массивов суши оказались возможными только потому, что земная кора состоит из серии тектонических плит, плавающих на жидком веществе мантии. Нестабильность поверхности мантии, вызывающая течения и колебания расплавленной породы, привела к тому, что индийская плита отделилась от Гондваны и устремилась на север. Столкнувшись с основным массивом евразийской литосферной плиты, индийская плита вдвинулась под нее, вздымая вверх находившийся на ее пути материал, и тем самым воздвигая Гималайские горы. Этот процесс еще далеко не завершен. Столкновение только замедлило продвижение индийской литосферной плиты, – но она продолжает свое продвижение на север. А Гималаи продолжают расти со скоростью два сантиметра в год.

Однако тектонические плиты не просто геологическая экзотика. По мнению многих ученых, они сыграли ключевую роль в развитии жизни на Земле. В конце концов, Земля – единственная планета в Солнечной системе, на которой есть жизнь. По границам этих плит часто извергаются вулканы, позволяя газам, запертым под поверхностью планеты, высвободиться и выйти в атмосферу, – в первую очередь это касается двуокиси углерода. Дополнительные выбросы диоксида углерода в течение ледниковых периодов способствовали повышению температуры.

Но передвижения литосферных плит могут также задерживать избыточные количества CO₂, таким образом защищая планету от перегрева.

По этой причине при поисках жизни во Вселенной за пределами Земли астрономы стремятся найти не только планеты, где отмечаются те же температуры, что и на Земле, но и планеты, на которых имеются такие же тектонические плиты, которые могли бы сдерживать температуры в пределах биологически дружелюбных человеку значений.

АЛЬФРЕД ВЕГЕНЕР (1880–1930)

Если вы посмотрите на поверхность Земли, то поймете, что она напоминает гигантскую головоломку. Части выступающей сверху и справа южно-американской суши в точности совмещаются с выемкой под западной частью Африки. Заметив это соответствие очертаний и осознав, что это не просто совпадение, немецкий физик Альфред Вегенер опубликовал в 1911 году теорию дрейфа континентов, исходя из предположения, что два континента когда-то составляли единое целое. Идея Вегенера была встречена без особого энтузиазма – многие ученые не могли поверить в то, что столь огромные массивы земной суши могли перемещаться, а сам Вегенер не мог сказать, почему это происходило.

И только в 1950-1960-х годах прошлого столетия, через несколько десятилетий после смерти Вегенера, во время экспедиции в Гренландию были получены первые свидетельства правоты ученого. Ученые обнаружили, что океаническое дно со временем расширяется, по мере того как вулканическая активность закладывает новую кору океанического типа. Вскоре последовала формулировка теории тектоники плит, которая наконец-то описала механизм континентального дрейфа, первоначальной идеи Вегенера.

В северо-восточной оконечности залива Мэн, на волнистом побережье Атлантического океана в Северной Америке, находится уникальный узкий морской залив, называющийся залив Фанди. Дважды в день более 100 миллиардов тонн воды приливают и отливают из этого залива. Для сравнения, это больше воды, чем вся вода, протекающая через пресноводные реки всей Земли, вместе взятая.

В чем причина перемещения столь невероятно огромного количества воды? Гравитация. Именно гравитационное притяжение Луны (и отчасти Солнца) является той силой, которая вызывает огромные приливы и отливы, происходящие ежедневно по всему миру. Твердые земные породы тоже притягиваются, но вода значительно более подвижна. Такой эффект воздействия гравитации достигает максимального уровня в заливе Фанди, где высота приливной волны достигает 16 метров, тогда как высота волны во время отлива составляет всего 3,5 метра, – это означает, что вода во время прилива поднимается до высоты четырехэтажного дома.

Гравитационное притяжение Луны создает приливные волны (горбы) на той стороне Земли, которая находится к ней ближе всего

Все происходит следующим образом. Когда ваша часть Земли обращена лицом к Луне, вода в ваших водоемах притягивается в направлении ее и прочь от тех регионов земного шара, которые находятся под прямым углом к вам.

Вы наблюдаете приливы, а те другие регионы – отливы. Сила притяжения Луны, воздействующая на воду на противоположной стороне планеты, не столь велика, так как она находится на большем расстоянии от нее. Здесь наблюдается другой прилив вследствие центробежной силы вращающейся Земли – та же сила, которая отбрасывает вас в наружную сторону машины, когда вы делаете резкий поворот. Именно по этой причине в большинстве мест на Земле наблюдаются два прилива и два отлива ежедневно – вращение планеты вокруг своей оси проводит нас через эти четыре области каждые двадцать четыре часа.

Происходящее заслуживает того, чтобы задуматься об этом на минуту. Если вы когда-либо находились на морском берегу и видели, как происходит отлив, вероятно, вас не надо долго убеждать, что в таком случае вода уходит от вас. Но это не то, что происходит на самом деле. Вода преимущественно остается там, где она находилась, удерживаемая на месте либо силой притяжения Луны, либо центробежными силами. Вместо этого двигаетесь вы, – это вас относит от приливной волны вращением Земли. В действительности это вы и берег убегаете от воды!

Одной из самых замечательных особенностей нашей планеты является сезонность, или вариации климата в зависимости от времени года. Весной цветы пробиваются из-под земли и тянутся к небу. Осенью все наоборот, – листья опадают наземь. Многие люди ошибочно думают, что изменения температур в течение года происходят в зависимости от расстояния от Солнца. То есть, по их мнению, наша планета летом находится ближе к Солнцу, а зимой – дальше.

Но в действительности смена сезонов на Земле является результатом наклона оси Земли. Наша планета расположена не строго вертикально – она отклоняется от вертикали на 23,4 градуса. Это означает, что в июне Северное полушарие наклонено в сторону Солнца и люди там наслаждаются более теплой погодой и более продолжительными днями. Те же люди, которые живут за полярным кругом, наблюдают нескончаемый день, – эта часть Земли так сильно наклонена в сторону Солнца, что оно практически никогда не садится. Тем временем Южное полушарие отклонено от Солнца так, что тепло и свет поступают туда с трудом, поэтому наступает зима. А Антарктида погружена в непрерывную ночь.

Через шесть месяцев, когда Земля будет находиться с другой стороны от Солнца, роли поменяются. Те, кто будет находиться ниже экватора, станут махать веером, готовя барбекю, тогда как живущие выше экватора люди потянутся к санкам. Арктика окажется в тени, а Антарктика будет постоянно освещена.

Самый длинный и самый короткий дни в году (в июне и декабре) называются днями солнцестояния. Ровно посередине между этими датами наша планета достигает такой точки, где ни одно из полушарий не наклонено ни к Солнцу, ни от Солнца. В эти дни в марте и сентябре, известные как дни равноденствия, на всей планете длины дня и ночи абсолютно равны.

Мы переживаем времена года, потому что наклон Земли означает, что в некоторых точках мы наклонены к солнцу, а в других отклонены

Мы должны быть благодарны за то, что наклон Земли не столь велик. Если бы угол был намного больше, сезонные изменения условий жизни были бы значительно более драматичными и к ним было бы куда труднее приспособиться. Благодаря силе притяжения Луны угол наклона нашей планеты остается неизменным, а сезоны года – предсказуемыми. Например, ось наклона Марса, в отсутствии крупного спутника в качестве противовеса, демонстрирует сильные колебания под воздействием силы гравитации других планет. Это приводит к долгим зимам и особенно жарким летам, которые не равны по длительности и постоянно смещаются.

Путешествия, которые совершают женские особи морских черепах, просто потрясающи. Будучи рожденными на морском берегу, они сразу же спускаются к воде и мигрируют на расстояния более 2000 километров в поисках более богатых пищей мест. Достигнув зрелости, они проделывают тот же самый путь, но в обратном направлении, возвращаясь на берег, где когда-то вылупились. Как черепахам удается запомнить, откуда они пришли? Ответ, вероятно, заключается в том, что они ориентируются по магнитному полю Земли.

В глубине, в скрытых резервуарах нашей планеты, в ее наружном ядре, пока Земля вращается, колыхается расплавленное железо. Это движение вещества приводит к генерированию магнитного поля Земли. Оно пробивается из вершины нашей планеты и, опоясывая ее кольцами, заканчивается на ее противоположной вершине. Однако когда дело касается полюсов, все становится немного сложнее. У Земли есть три северных и три южных полюса.

Во-первых, имеется географический северный полюс – физическая точка на планете, совпадающая с воображаемой линией оси вращения Земли. Эта точка во многом фиксированная, и она циклически смещается лишь на несколько метров в год.

Затем, имеется северный магнитный полюс – место, на которое указывает компас. Если бы стрелка компаса могла свободно двигаться по вертикали, то в этой точке она была бы направлена вниз. Вследствие изменений в наружном ядре Земли северный магнитный полюс очень подвижен. До недавнего времени он находился в Канаде, однако в настоящее время он блуждает по просторам Арктики и Сибири. Географический и магнитный полюса Земли в настоящий момент расходятся приблизительно на десять градусов.

И наконец, у Земли имеется геомагнитный северный полюс. Это точка, в которой находился бы северный магнитный полюс, если бы в центр Земли положили обычный магнитный брусок. В действительности же наше магнитное поле значительно сложнее, чем простой магнитный брусок. У всех этих трех северных полюсов имеются соответствующие эквиваленты в южном полушарии.

Трудно представить бурно развивающуюся жизнь на Земле без этого магнитного поля. Оно действует как гигантское силовое поле, преломляющее губительную радиацию, излучаемую Солнцем и поступающую из глубин космоса. Оно прикрывает нас от солнечного ветра, который в противном случае уничтожил бы весь наш озоновый слой и оставил бы нас беззащитными перед ультрафиолетовым излучением, поступающим к нам от Солнца.

Полярное сияние (aurora borealis), возникающее как огромный занавес из зеленого света, переливающийся и кружащийся в разных направлениях по всему небу, почти постоянно видно вблизи Северного полюса. То же самое зрелище можно наблюдать и вблизи Южного полюса Земли (aurora australis). Помимо свечения, это сияние производит целый спектр разнообразных звуков, включая шипение, треск и приглушенные хлопки.

Это ошеломляющие свидетельство того, что наша планета не одинока в огромном пространстве космоса, а наоборот, у нее очень тесные взаимоотношения со своей звездой. Нас постоянно овевает солнечный ветер – шквал заряженных частиц, устремляющихся к нам из глубин Солнца. В результате взаимодействия солнечного ветра с магнитным полем Земли движение заряженных частиц ускоряется вдоль силовых линий магнитного поля в направлении обоих полюсов. Здесь они наталкиваются на слои земной атмосферы над нашими головами, придавая его атомам дополнительную энергию. Когда атомы атмосферы высвобождают эту новообретенную энергию в форме света, мы получаем возможность наблюдать полярное сияние. Этот эффект обычно распространяется лишь в пределах ограниченной области вокруг каждого из магнитных полюсов, известных как овалы полярных сияний. Однако геомагнитные бури, такие, например, как те, что возникли в результате коронального выброса массы, могут преодолеть наше магнитное поле и значительно расширить эти овалы. Во время события Каррингтона 1859 года моряки, плывшие по Карибскому морю, сообщали о виденных ими фантастических огненных спектаклях. Поскольку эти моряки никогда не плавали в приполярных областях, они не имели никакого понятия о том, что это было. Сияние над Скалистыми горами было настолько ярким, что шахтеры проснулись, полагая, что настал день. Даже жители, проживающие в регионах, находящихся вблизи Сахары, могли наблюдать за этим грандиозным зрелищем.

Зеленый является наиболее распространенным цветом, так как это цвет, излучаемый кислородом на низких высотах, где его больше всего и он является хорошо видимым. Цвета красного спектра во время полярного сияния представлены светом, излучаемым кислородом при более спокойных условиях в атмосфере и на значительно больших высотах. Если вы сможете уловить синие полосы, то знайте, что их появление является результатом взаимодействия с азотом.

Земля не единственная планета в Солнечной системе, на которой можно наблюдать полярные сияния. Астрономы обнаружили подобные явления на Марсе, Юпитере и Сатурне.

Несколько миллионов лет назад в результате внешнего воздействия на Марс часть марсианской поверхности откололась и была выброшена в открытый космос. Эти марсианские осколки каким-то образом сумели преодолеть 225 миллионов километров космического пространства, пробились через земную атмосферу, достигли поверхности Земли и врезались в антарктическую тундру в качестве метеорита. В мировой коллекции метеоритов такие марсианские пришельцы чрезвычайно редкие экземпляры, – они составляют менее половины процента из общего числа всех метеоритов. Чуть больше их попадает к нам с Луны. Однако подавляющее большинство метеоритов прилетает из семейства астероидов Солнечной системы, – обломки породы и металла, оставшиеся со времен зарождения и формирования Солнечной системы. В этом и кроется их особая привлекательность – большинство из них возникли раньше самой Земли и таким образом являются для нас бесценным источником информации о том, как образовались Солнце и вращающиеся вокруг него миры.

Название фрагментов или кусочков поступающей из космоса породы зависит от того, где они находятся. Небольшой кусок породы, все еще находящийся в открытом космосе, называется метеороидом. Как только он прорывается сквозь атмосферу планеты, его название тут же меняется на метеор. И только если он достигает поверхности другого небесного тела целым и невредимым, он получает название «метеорита».

При одновременном появлении множества метеоров возникает ослепительное зрелище, называемое метеорным, или звездным, дождем, – внезапное появление целой плеяды «падающих звезд». Во время своего путешествия вокруг Солнца Земля регулярно пробивается через полосы космической пыли, рассеянной повсюду в Солнечной системе пролетающими кометами. Когда эти мельчайшие частицы – часто не больше песчинки – сверкают, раскаляясь добела в результате трения об атмосферу, мы можем видеть, как они стремительно проносятся по небу.

Одним из самых впечатляющих зрелищ такого рода являются Персеиды в августе. Из темени космоса, вдали от всепроникающего света больших городов, внезапно появляется метеор, на минуту освещающий огромное пространство ночного неба. Это для нас ежегодное напоминание о том, что в Солнечной системе имеется значительно больше небесных тел, чем просто планеты.