РЕФЕРАТ
Походження Всесвіту
Зміст
Введення......................................................................................................... 3
Утворення Всесвіту....................................................................................... 5
Будова Галактики. Види Галактик............................................................. 7
Будова Землі................................................................................................. 15
Висновок...................................................................................................... 21
Всесвіт – це весь існуючий матеріальний світ, безмежний в часі і просторі і нескінченно різноманітний по формах, які приймає матерія в процесі свого розвитку. Частина Всесвіту, охоплена астрономічними наглядами, називається Метагалактикою, або нашим Всесвітом. Розміри метагалактики дуже великі: радіус космологічного горизонту складає 15-20 млрд. світлових років.
Космологія – один з тих розділів природознавства, які завжди знаходяться на стику наук. Будова і еволюція Всесвіту вивчаються космологією. Космологія використовує досягнення і методи фізики, математики, філософії. Предмет космології – весь оточуючий нас мегасвіт, весь "великий Всесвіт", і задача полягає в описі самих загальних властивостей, будови і еволюції вселеної.
Сучасна астрономія не тільки відкрила грандіозний мир галактик, але і знайшла унікальні явища: розширення Метагалактики, космічну поширеність хімічних елементів, реліктове випромінювання, що свідчать про те, що Всесвіт безперервно розвивається.
З еволюцією структури Всесвіту пов'язано виникнення скупчень галактик, відособлення і формування зірок і галактик, утворення планет і їх супутників. Сам Всесвіт виник приблизно 20 млрд. років тому з якогось щільної і гарячої проторечовини. Існує точка зору, що з самого початку проторечовина з гігантською швидкістю почало розширюватися. На початковій стадії ця щільна речовина розліталася на всіх напрямках і була однорідною вируючою сумішшю нестійких, постійно розпадаються при зіткненні частинок. Остигаючи і взаємодіючи протягом мільйонів років, вся ця маса розсіяної в просторі речовини концентрувалася у великі і малі газові утворення, які протягом сотень мільйонів років, зближуючись і зливаючись, перетворювалися на величезні комплекси. В цих комплексах, у свою чергу виникали більш щільні ділянки – там згодом і утворилися зірки і навіть цілі галактики.
В результаті гравітаційної нестабільності в різних зонах галактик, що утворилися, можуть сформуватися щільні "протозоряні утворення" з масами, близькими до маси Сонця. Процес стиснення, що почався, швидшатиме під впливом власного поля тяжіння. Процес цей супроводжує вільне падіння частинок хмари до його центру – відбувається гравітаційне стиснення. В центрі хмари утворюється ущільнення, що складається з молекулярного водню і гелію. Зростання густини і температури в центрі приводить до розпаду молекул на атоми, іонізації атомів і утворення щільного ядра протозірки.
Існує гіпотеза про циклічність стану Всесвіту. Колись виникнувши з надщільного згустка матерії, Всесвіт, можливо, вже в першому циклі породив усередині себе мільярди зоряних систем і планет. Н потім Всесвіт починає прагнути того стану, з якого починалася історія циклу. Врешті-решт речовина Всесвіту повертається в первинний надщільний стан, знищивши все життя, що трапилася на шляху. І так повторюється кожного разу, в кожному циклі протягом вічності.
До початку 30-х років ХХ в. склалася думка, що головні складові Всесвіту - галактики, кожна з яких в середньому складається з 100 млрд. зірок. Сонце разом з планетною системою входить в нашу Галактику, основну масу зірок якої ми спостерігаємо у формі Чумацького Шляху. Окрім зірок і планет, Галактика містить значну кількість розріджених газів і космічного пилу.
Кінцевий або нескінченний Всесвіт, яка у неї геометрія – ці і багато інші питання пов'язані з еволюцією Вселеної, зокрема із спостережуваним розширенням. Якщо швидкість "розльоту" галактик збільшиться на 75 км/с на кожний мільйон парсек, то екстраполяція до минулого приводить до дивного результату: приблизно 10-20 млрд. років тому весь Всесвіт був зосереджений в дуже маленькій області. Багато учених вважають, що у той час густина Всесвіту була така ж, як у атомного ядра: Всесвіт був однією гігантською "ядерною краплею". З якихось причин ця "крапля" прийшла в нестійкий стан і вибухнула. Наслідки цього вибуху ми спостерігаємо зараз як системи галактик.
При даній оцінці часу утворення Всесвіту передбачалося, що спостережувана нами зараз картина розльоту галактик відбувалася з однаковою швидкістю і в скільки завгодно далекому минулому. А саме на такому припущенні і заснована гіпотеза первинного Всесвіту – гігантської "ядерної краплі", що прийшла в стан нестійкості.
В даний час космологи припускають, що Всесвіт не розширявся "від крапки до крапки", а як би пульсує між кінцевими межами густини. Це означає, що у минулому швидкість розльоту галактик була менше ніж зараз, а ще раніше система галактик стискалася, тобто Галактики наближалися один до одного з тим більшою швидкістю, ніж більша відстань їх розділяла. Сучасна космологія розташовує ряд аргументів на користь картини "пульсуючого Всесвіту". Такі аргументи носять чисто математичний характер; найголовніший з них – необхідність обліку реально існуючої неоднорідності Вселеної. Вирішити питання, яка з двох гіпотез справедлива, ми зараз не можемо. Буде потрібно величезна робота, щоб вирішити цю одну з найважливіших проблем космології.
Сучасна космологія виникла на початку ХХ в. після створення релятивістської теорії тяжіння. Перша релятивістська модель, заснована на новій теорії тяжіння і претендуюча на опис всього Всесвіту, була побудована А. Эйнштейном в 1917 р. Проте вона описувала статичний Всесвіт і, як показали астрофізичні нагляди, виявилося невірною.
В 1922-1924 рр. радянським математиком А.А. Фридманом були запропоновані загальні рівняння для опису всього Всесвіту, змінного з часом. Зоряні системи не можуть знаходитися в середньому на незмінних відстанях один від одного. Вони повинні або віддалятися, або зближуватися. Такий результат – неминуче слідство наявності сил тяжіння, які очолюють в космічних масштабах. Висновок Фрідмана означав, що Всесвіт повинен або розширюватися, або стискатися. Звідси слідував перегляд загальних уявлень про Всесвіт. В 1929 р. американський астроном Э. Хаббл (1889-1953) за допомогою астрофізичних наглядів відкрив розширення Всесвіту, підтверджуюче правильність висновків Фрідмана.
Моделі Фрідмана служать основою всього подальшого розвитку космології. Вони описують механічну картину руху величезних мас Всесвіту і її глобальну структуру. Якщо колишні космологічні побудови покликані описувати спостережувану тепер структуру Всесвіту з незмінним в середньому рухом світів в ній, то моделі Фрідмана за своєю суттю були еволюційними, зв'язували сьогоднішній стан Всесвіту з її попередньою історією. З цієї теорії виходить, що у далекому минулому Вселена не була зовсім схожа на спостережувану нами сьогодні. Тоді не було ні окремих небесних тіл, ні їх систем, вся речовина була майже однорідною, дуже щільною, швидко розширялося. Тільки значно пізніше з такої речовини виникли галактики і їх скупчення.
Починаючи з кінцем 40-х років нашого століття, вся більша увага в космології привертає фізика процесів на різних етапах космологічного розширення. У висунутій в цей час Г.А. Гамовим теорії гарячого Всесвіту розглядалися ядерні реакції, що протікали на самому початку розширення Всесвіту в дуже щільній речовині. При цьому передбачалося, що температура речовини була велика і падала з розширенням Всесвіту. Теорія передбачала, що речовина, з якої формувалися перші зірки і галактики, повинна складатися в основному з водню (75%) і гелію (25%), домішка інших хімічних елементів незначна. Інший висновок теорії – в сьогоднішньому Всесвіті повинне існувати слабке електромагнітне випромінювання, що залишилося від епохи великої густини і температури речовини. Таке випромінювання в ході розширення Всесвіту було названо реліктовим випромінюванням.
Тоді ж з'явилися принципово нові наглядові можливості в космології: виникла радіоастрономія, розширилися можливості оптичної астрономії. Зараз Всесвіт аж до відстаней в декілька парсек досліджується різними методами.
На сучасному етапі в розвитку космології інтенсивно досліджується проблема початку космологічного розширення, коли густина матерії і енергії частинок була величезною. Керівними ідеями є нові відкриття у фізиці взаємодії елементарних частинок при дуже великих енергіях. При цьому розглядається глобальна еволюція Всесвіту. Сьогодні еволюція Всесвіту всесторонньо обгрунтовується численними астрофізичними наглядами, які спираються на теоретичний базис всієї фізики.
Навколишні Сонце зірки і саме Сонце складають малу частину гігантського скупчення зірок і туманностей, яку називають Галактикою. Галактика має досить складну структуру. Істотна частина зірок в Галактиці знаходиться в гігантському диску діаметром приблизно 100 тис. і завтовшки близько 1500 світлових років. В цьому диску налічується більше сотні мільярдів зірок самих різних видів. Наше Сонце – одна з таких зірок, що знаходяться на периферії Галактики поблизу її екваторіальної площини.
Зірки і туманності в межах Галактики рухаються досить складним чином: вони беруть участь в обертанні Галактики навкруги осі, перпендикулярної її екваторіальної площини. Різні ділянки Галактики мають різні періоди обертання.
Зірки видалені один від одного на величезні відстані і практично ізольовані один від одного. Вони практично не стикаються, хоча рух кожної з них визначається полем сили тяжіння, створюваним всіма зірками Галактики.
Астрономи останні декілька десятиріч вивчають інші зоряні системи, схожі з нашою. Це дуже важливі дослідження в астрономії. За цей час позагалактична астрономія добилася вражаючих успіхів.
Число зірок в Галактиці близько трильйона. Найчисленніші з них – карлики з масами, приблизно в 10 разів меншими маси Сонця. До складу Галактики входять подвійні і кратні зірки, а також групи зірок, зв'язаних силами тяжіння і що рухаються в просторі як єдине ціле, - зоряні скупчення. Існують розсіяні зоряні скупчення, наприклад Плеяди в сузір'ї Тельця. Такі скупчення не мають правильної форми; в даний час їх відома більше тисячі.
Спостерігаються кульові зоряні скупчення. Якщо в розсіяних скупченнях містяться сотні або тисячі зірок, то в кульових їх сотні тисяч. Сили тяжіння утримують зірки в таких скупченнях мільярди років.
В різних сузір'ях виявляються туманні плями, які складаються в основному з газу і пилу, - це туманності. Вони бувають неправильними, клочковатої форми – дифузні, і правильної форми, що нагадують по вигляду планети, - планетарні.
Існують ще світлі дифузні туманності, наприклад Крабовидна туманність, названа за незвичайну сітку з ажурних газових волокон. Це джерело не тільки оптичного випромінювання, але і радіовипромінювання, рентгенівського і гамма-квантів. В центрі Крабовидної туманності знаходиться джерело імпульсного електромагнітного випромінювання – пульсар, у якого вперше були знайдені разом з пульсаціями радіовипромінювання оптичні пульсації блиску і пульсації рентгенівського випромінювання. Пульсар, що володіє могутнім змінним магнітним полем, прискорює електрони і викликає свічення туманності в різних ділянках спектру електромагнітних хвиль.
Простір в Галактиці заповнений скрізь – розрідженим міжзоряним газом і міжзоряним пилом. В міжзоряному просторі існують і різні поля – гравітаційне і магнітне. Пронизує міжзоряний простір космічне проміння, що є потоками електрично заряджених частинок, які при русі в магнітних полях розігналися до швидкостей, близьких до швидкості світла, і придбали величезну енергію.
Галактику можна представити у вигляді диска з ядром в центрі і величезними спіральними гілками, що містять в основному найгарячіші і яскраві зірки і масивні газові хмари. Диск із спіральними гілками утворює основу плоскої підсистеми Галактики. А об'єкти, що концентруються до ядра Галактики і лише частково проникаючі в диск, відносяться до сферичної підсистеми. Сама Галактика обертається навкруги своєї центральної області. В центрі Галактики зосереджена лише невелика частина зірок. Сонце знаходиться на такій відстані від центру Галактики, де лінійна швидкість зірок максимальна. Сонце і найближчі до нього зірки рухаються навкруги центру Галактики із швидкістю 250 км/с, скоюючи повний оборот приблизно за 290 млн. років.
За зовнішнім виглядом галактики умовно розділяються на три типи: еліптичні, спіральні і неправильні.
Просторова форма еліптичних галактик – еліпсоїди з різним ступенем стиснення. Серед них зустрічаються гігантські і карликові. Майже четверть всіх вивчених галактик відноситься до еліптичних. Це найпростіші по структурі галактики – розподіл зірок в них рівномірно убуває від центру, пилу і газу майже немає. В них найяскравіші зірки – червоні гіганти.
Спіральні галактики – найчисленніший вигляд. До нього відноситься наша Галактика і Туманність Андромеди, видалена від нас приблизно на 2,5 млн. світлових років.
неправильні галактики не мають центральних ядер, в їх будові поки не знайдені закономірності. Це Велике і Мале Магелланови хмари, що є супутниками нашої Галактики. Вони знаходяться від нас на відстані в півтора разу більшому діаметра Галактики. Магелланови хмари значно менше нашої Галактики по масі і розмірам.
Існують і взаємодіючі галактики. Вони звичайно знаходяться на невеликих відстанях один від одного, зв'язані "мостами" з матерії, що світиться, іноді як би пронизують одна іншу.
Деякі галактики володіють виключно могутнім радіовипромінюванням, що перевершує видиме випромінювання. Це радіогалактики.
В 1963 р. почалися відкриття зіроподібних джерел радіовипромінювання – квазарів. Зараз їх відкрито більше тисячі.
Земля – планета Сонячної системи.
Сонячна система є групою небесних тіл, вельми різних за розмірами і фізичною будовою. До цієї групи входять: Сонце, дев'ять великих планет, десятки супутників планет, тисячі малих планет (астероїдів), сотні комети незліченна безліч метеоритних тіл, що рухаються як роями, так і виді окремих частинок. Всі ці тіла з'єднані в одну систему завдяки силі тяжіння центрального тіла – Сонця.
Сонячна система – ця дуже складна природна освіта, поєднуюча різноманітність становлячих її елементів з найвищою стійкістю системи як цілого.
По образному вислову До Е. Ціолковського, Земля – це колиска людства.
В певному плані Земля виділена самою природою: в Сонячній системі тільки на цій планеті існують розвинені форми життя, тільки на ній локальне впорядкування речовини досягло надзвичайно високого ступеня, продовжуючи загальну лінію розвитку матерії. Саме на Землі пройдений найскладніший етап самоорганізації, що знаменує глибокий якісний стрибок до вищих форм впорядкованості.
Відмінність планет земної групи від планет-гігантів очевидні. Але і серед найближчих сусідів Землі немає двох однакових планет: всі вони розрізняються розмірами, физико-хімічними параметрами, будовою надр і поверхонь, атмосферами і іншими характеристиками. Основними відмінності визначені початковими умовами формування планет – хімічним складом, густиною речовини в тих частинах протопланетного хмари, де ці планети формувалися, відстанню від Сонця, резонансними взаємодіями з іншими планетними тілами і Сонцем.
Прямі дослідження інших ближніх планет тільки початі. Проте, наявні відомості вже дозволяють проводити порівняльне вивчення зовнішніх оболонок Землі і інших планет Сонячної системи. На цій основі виник новий науковий напрям, названий порівняльною планетологією.
Земля – найбільша планета в своїй групі. Але навіть такі розміри і маса виявляються мінімальними, при яких планета здатна утримувати свою газову атмосферу. Земля інтенсивно втрачає водень і деякі інші легкі гази, що підтверджують нагляди за так званим шлейфом Землі. Венера майже рівна за розмірами і масою Землі, але вона ближче до Сонця і одержує від нього більше тепла. Тому вона давно втратила весь вільний водень. У решти двох планет цієї групи атмосфера або відсутня (Меркурій), або збереглася в дуже розрядженому стані (Марс).
Найближчі до Сонця планети – Меркурій і Венера – дуже поволі обертаються навкруги осі, з періодом в десятки-сотні земних діб. Повільне обертання цих планет, пов'язано з їх резонансними взаємодіями з Сонцем і один з одним. Земля і марс обертаються майже з однаковими періодами близько 24 ч. Земля і Венера також утворюють резонансну структуру. В цій групі планет тільки Венера має зворотне обертання (протилежне напряму обертання Сонця навкруги своєї осі), вона як би перекинута "вверх ногами" на своїй орбіті. Нарешті, тільки Земля в своїй групі має сильне власне магнітне поле, більш ніж на два порядки величини перевершуюче значення магнітних полів у інших планет.
Жодна з планет земної групи не має розвиненої системи супутників, що характерне для планет групи Юпітера. Планетоподобний супутник Землі – Місяць – близький за розмірами до планети Меркурій. Два супутники марса – Фобос і Деймос – мають неправильну форму, нагадуючи невеликі астероїди. Дотепер, як про походження Місяця, так і про походження супутників марса немає ясного уявлення.
Три з чотирьох планет земної групи володіють помітною атмосферою. Атмосфера кожної планети несе відбиток особливостей її розвитку. Атмосфера Землі кардинально відрізняється від атмосфер інших планет: в ній низький зміст вуглекислого газу, високий зміст молекулярного кисню і відносно великий зміст пари води. Дві причини створюють виділенність атмосфери Землі: вода океанів і морів добре поглинає вуглекислий газ, а біосфера насищає атмосферу молекулярним киснем, що утворюється в процесі рослинного фотосинтезу. Розрахунки показують, що якщо звільнити всю поглинену і зв'язану в океанах вуглекислоту, прибравши одночасно з атмосфери весь накопичений в результаті життєдіяльності рослин кисень, то склад земної атмосфери в своїх основних рисах став би подібний складу атмосфер Венери і марса.
Відносно малі розміри марса не дозволили йому утримати щільну атмосферу. Можливо, що раніше, коли йшли процеси активного виділення газів з надр планети, атмосфера марса була набагато щільніше, ніж тепер. Умови у його поверхні були більш м'які, без таких різких перепадів денних і нічних температур. В марсіанській атмосфері дуже мало пари води, відповідно відсутня хмарність. Але рухи розрідженої атмосфери часом досягають такої сили, що в загальнопланетному масштабі виникають могутні пилові бурі, що піднімають маси піску на висоту багатьох кілометрів. Тоді поверхня планети надовго ховається за непроникною завісою.
В атмосфері Землі насичені водяні пари створюють хмарний шар, що охоплює значну частину планети. Хмари Землі входять найважливішим елементом в системі гідросфера-атмосфера-суша.
Рельєфи поверхні Землі і двох найближчих до неї планет істотно різні, що пояснюється, перш за все, відмінностями вулканічних і геологічних процесів на кожній з них. Вважають, що тектонічна активність може служити мірилом рівня життєздатності планети в цілому. Скорочення, а тим більше припинення такої діяльності розглядається як ознака вмирання планети, завершення циклу її еволюційного розвитку. Адже суть такого розвитку – активний обмін речовиною і енергією між надрами і поверхнею планети, в ході якої формуються і підтримуються атмосфера, гідросфера і пануючі типи рельєфу поверхні. З припиненням тектонічної діяльності планета перетворюється на мертве небесне тіло, на якому переважають процеси деградації.
На Землі тектонічні процеси активно протікають і в наші дні, її геологічна історія далека від завершення. Палеонтологи затверджують, що в епоху ранньої молодості Землі її тектонічна активність була ще вище. Сучасний рельєф планети склався і продовжує видозмінюватися під впливом сумісної дії на її поверхні тектонічних, гідросферних, атмосферних і біологічних процесів. На інших планетах таке поєднання чинників відсутнє.
Рельєф земної поверхні в цілому характеризується глобальною асиметрією двох півкуль (північного і південного): одне з них є гігантським простором, заповненим водою. Це океани, що займають більше 70% всієї поверхні. В іншій півкулі зосереджені підняття кори, створюючи континенти. Океанічна і континентальна різновиду кори розрізняються і по віку, і по хіміко-геологічному складу. Рельєф океанічного дна відмінний від континентального рельєфу.
Систематичні дослідження морського і океанічного дна стали можливі лише в саме останнім часом. Вони вже привели до нового розуміння глобального характеру тектонічних процесів, що відбуваються на Землі. Середня глибина світового океану близька до 4 км, окремі западини досягають в три рази більшої глибини, а окремі конуси значно підносяться над поверхнею води. Головна визначна пам'ятка океанічного рельєфу – глобальна система серединних хребтів, що пнулася на десятки тисяч кілометрів. Уздовж їх центральних частин протягнулися розломи, так звані рифтові зони, через які з мантії на поверхню виходять свіжі маси речовини. Вони розсовують океанічну кору, формуючи її в процесі безперервного оновлення. Вік океанічної кори не перевищує 150 млн. років. Інша характерна особливість процесу – існування зон субдукції, де океанічна кора занурюється під одну з острівних дуг (наприклад, під курильську, Маріанськую та ін.) або під край континенту. Зони субдукції характеризуються підвищеною сейсмічною і вулканічною діяльністю.
Рельєф континентальної частини планети більш різноманітний: рівнини, піднесеності, плато, гірські хребти і величезні гірські системи. Окремі ділянки суші лежать нижче за рівень океану (наприклад, район Мертвого моря), окремі гірські вершини підняті над його рівнем на 8-9 км. Згідно сучасним переконанням, континентальна кора разом з підстилаючими шарами мантії утворює систему літосферних континентальних плит. На відміну від літосфери океанів континентальні плити мають дуже стародавнє походження, їх вік оцінюється в 2,5-3,8 млрд. років. Товщина центральної частини деяких континентальних плит досягає 250 км.
На межах літосферних плит, званих геосинкліналіями, відбувається або стиснення, або розтягування кори, що залежить від напряму місцевого горизонтального зсуву плит.
Попередні підсумки порівняльного зіставлення Землі, Венери і марса можна сформулювати так:
ні на Венері, ні на марсі немає навіть найпростіших форм життя. Залишається відкритим питання про можливе існування якихось форм життя на марсі у віддаленому минулому.
тільки на Землі існує могутня гідросфера, що сформувалася одночасно з планетою. На марсі у минулому імовірно існував різновид гідросфери, на Венері її швидше за все ніколи не було.
в сучасну епоху тільки Земля залишається "живою" планетою, геологічний розвиток якої продовжується і проявляє себе, зокрема, в активній тектонічній діяльності. Марс і Венера у минулому пройшли через період бурхливої сейсмічної і вулканічної активності, але на марсі вона припинилася декілька стільників мільйонів років, а на Венері – більше мільярда років тому. Обидві ці планети, швидше за все, завершують або вже завершили цикл свого еволюційного розвитку.
Численні ознаки говорять про те, що процеси в надрах землі протікали і продовжують протікати інакше, ніж у Венери і марса. На це указують такі чинники, як існування континентальної кори з гранітними породами, явно виражені літосферні плити з їх переміщеннями під дією глибинних процесів, існування у Землі щодо могутнього магнітного поля.
Успіхи науки і техніки зробили доступним пряме вивчення планет Сонячної системи, відкривши принципово нові можливості для порівняльного пізнання нашої власної планети. Тим самим відкрита нова сторінка в збагненні навколишнього нас світу, але на ній поки записані лише перші рядки. Все ще залишається невирішеним питання: що виділило Землю серед сімейства планет одного з нею типу так, що вона змогла стати обителлю життя? Пошук відповіді на це питання може проходити тільки на шляхах руху від приватного до загального, від планети Земля з існуючим на ній життям до усвідомлення космічної природи життя – цієї найважливішої ланки самоорганізації речовини в процесі розвитку матерії.
Численні науки про Землю і її складові частини в недавньому минулому розвивалися фактично незалежно один від одного. Тепер з'явилася усвідомлена необхідність розглядати планету як єдину систему, як цільне природне тіло, якому властиві свої внутрішні закони розвитку. Швидкому упровадженню такого уявлення в свідомість людей сприяла видатна подія нашого часу – вихід людини в ближній космос. Це дозволило вперше поглянути на Землю ззовні, побачити її відразу всю цілком, наочно переконатися в загальнопланетних масштабах більшості атмосферних і поверхневих явищ, в тісному взаємозв'язку всіх зовнішніх земних сфер – суші, води, повітря і біосфери. Картина виявилася вражаючою.
Сукупність складаються на основі солідної матеріальної бази, у вигляді накопичених фактів, уявлень вимагає розглядати нашу планету не тільки як єдине природне тіло, але і як систему, розвиток якої ініціюється протиборством двох фундаментальних природних тенденцій – прагненням до руйнування впорядкованості і прагненням до утворення все більш впорядкованих систем, що самоорганізовується.
Більшість приватних наук про Землю складає науки про її поверхню, включаючи атмосферу. Кольська надглибока свердловина - на сьогоднішній день найглибша на Землі –12-15 км. З глибин приблизно до 200 км різними шляхами виноситься назовні речовина надр і виявляється доступним для дослідників. Відомості про більш глибокі шари здобуваються непрямими методами – заснованими на реєстрації характеру проходження сейсмічних хвиль різних типів через земні надра. Інша група методів грунтується на допущеннях про структуру і склад протопланетного хмари і на гіпотетичних припущеннях про процес формування в ньому планет. Виходячи їх цього, речовину метеоритів розглядають як реліктові залишки минулого, що відображають склад і структуру речовини протопланетного хмари в зоні формування планет земної групи. На цій основі робляться висновки про збіг речовини метеоритів певного типу з речовиною тих або інших шарів земних глибин. Речовина метеоритів час від часу випадає з космосу на Землю, і воно доступне прямому вивченню. Проте, висновки про склад земних надр, що спираються на дані про хіміко-мінералогічний склад випадаючих на Землю метеоритів, не вважаються надійними.
Зондування надр Землі сейсмічними хвилями дозволило встановити їх оболонкову будову і диференційовану хімічного складу. Розрізняють три головні концентрично розташовані області: ядро, мантія і кора. Ядро і мантія у свою чергу підрозділяються на додаткові оболонки, що розрізняються физико-хімічними властивостями. Ядро займає центральну область земного геоїда і розділяється на дві частини. Внутрішнє ядро знаходиться в твердому стані, воно оточено зовнішнім ядром, перебуваючому в рідкій фазі. Між внутрішнім і зовнішнім ядрами немає чіткої межі, їх розділяє перехідна зона. Про хімічний склад ядра судять по густині речовини в ньому і на підставі припущення, що склад ядра ідентичний складу залізних метеоритів. Тому внутрішнє ядро вважають тим, що складається із заліза (80%) і нікелю (20%). Відповідний сплав при тиску земних надр має температуру плавлення порядка 4 5000С. Згідно тим же уявленням, зовнішнє ядро містить залізо (52%) і евтектику (рідка суміш твердих речовин), утворювану залізом і сіркою (48%). Не виключається невелика домішка нікелю. Температура плавлення такої суміші оцінюється приблизно 32000С. Щоб внутрішнє ядро залишалося твердим, а зовнішнє рідким, температура в центрі землі не повинна перевищувати 4 5000С, але і не бути нижче 32000С. Є і інші оцінки температури в центрі Землі, що дещо розходяться з приведеними і носячи гаданий характер.
З рідким станом зовнішнього ядра пов'язують уявлення про природу земного магнетизму. Магнітне поле Землі мінливе, з року в рік міняється положення магнітних полюсів. палеомагнітні дослідження характеру магнітного поля планети у далекому минулому, засновані на вимірюваннях залишкової намагніченості земних порід, показали, що, наприклад, протягом останніх 80 млн. років мало місце не тільки зміна напруженості поля, але і багатократне систематичне перемагнічування, в результаті якого північний і південний магнітні полюси мінялися місцями. В періоди зміни полярності наступали моменти повного зникнення магнітного поля. Отже, земний магнетизм не може створюватися постійним магнітом за рахунок стаціонарної намагніченості ядра або якоїсь його частини. Припускають, що магнітне поле створюється процесом, названим ефектом динамо-машини з самозбудженням. Роль ротора (рухомого елемента) динамо може грати маса рідкого ядра, що переміщається при обертанні Землі навкруги своєї осі, а система збудження утворюється струмами, що створюють замкнуті петлі усередині сфери ядра.
Густина і хімічний склад мантії, за даними сейсмічних хвиль, різко відрізняються від відповідних характеристик ядра. Мантію утворюють різні силікати (з'єднання, в основі яких кремній). Передбачається, що склад нижньої мантії подібний складу кам'яних метеоритів, хондритів.
Верхня мантія безпосередньо пов'язана з самим зовнішнім шаром – корою. Вона вважається кухнею, де готуються багато складаючих кору порід і їх напівфабрикати. Вважають, що верхня мантія складається з оливина (60%), піроксена (30%) і польового шпату (10%). В певних зонах цього шару відбувається часткове плавлення мінералів, і утворюються лужні базальти – основа океанічної кори. Через рифтові розломи середньоокеанічних хребтів базальти поступають з мантії на поверхню Землі. Але цим не обмежується взаємодія кори і мантії. Крихка кора, що має високий степінь жорсткості, разом з частиною підстилаючої мантії утворює особливий шар завтовшки близько 100 км, званий літосферою. Цей шар спирається на верхню мантію, густина якої помітно вище. Верхня мантія володіє особливістю, що визначає характер її взаємодії з літосферою: по відношенню до короткочасних навантажень вона поводиться як жорсткий матеріал, а по відношенню до тривалих навантажень – як пластичний. Літосфера створює постійне навантаження на верхню мантію і під її тиском підстилаючий шар, званий астеносферою, проявляє пластичні властивості, літосфера "плаває" в ньому. Такий ефект називають ізостазією.
Астеносфера у свою чергу спирається на більш глибокі шари мантії, густина і в'язкість яких зростають з глибиною. Причина цього – здавлення порід, що викликає структурну перебудову деяких хімічних з'єднань. Силікати, складові такій модифікації кремнію, мають дуже компактну структуру, вони переважають в нижній мантії. В цілому ж літосфера, астеносфера і решта мантії можуть розглядатися як тришарова система, кожна з частин якої рухома щодо інших компонентів. Особливою рухливістю відрізняється легка літосфера, що спирається на не дуже в'язку і пластичну астеносферу.
Земна кора, що створює верхню частину літосфери, в основному складається з восьми хімічних елементів: кисень, кремній, алюміній, залізо, кальцій, магній, натрій і калій. Половина всієї маси кори доводиться на кисень, який міститься в ній в зв'язаних станах, в основному у вигляді оксидів металів. Геологічні особливості кори визначаються сумісними діями на неї атмосфери, гідросфери і біосфери – цих трьох самих зовнішніх оболонок планети. Склад кори і зовнішніх оболонок безперервно обновляється, що ілюструватимуться такі дані. Завдяки вивітрюванню і зносу речовина континентальної поверхні повністю обновляється за 80-100 млн. років. Спад речовини континентів заповнюється віковими піднятими їх корами. Життєдіяльність бактерій, рослин і тварин супроводжується повною зміною вуглекислоти, що міститься в атмосфері, за 6-7 років, кисню – за 4000 років. Вся маса води гідросфери (1,4*1018 т) цілком обновляється за 10 млн. років. Ще більш фундаментальний круговорот речовини поверхні планети протікає в процесах, що зв'язують всі внутрішні оболонки в єдину систему.
Існують стаціонарні вертикальні потоки, звані мантійними струменями, вони підіймаються з нижньої мантії у верхню і доставляють туди більш гарячу речовину. До явищ тієї ж природи відносять всередині плитові "гарячі поля", з яким, зокрема, пов'язують найкрупніші аномалії у формі земного геоїда. В таких місцях спостерігаються підняття поверхні океану на 50-70 м від строгої лінії геоїда. Отже спосіб життя земних надр надзвичайно складний. Відхилення від мобілистських положень не підривають ідею тектонічних плит і горизонтальних їх рухів. Але не виключено, що в недалекому майбутньому з'явиться більш загальна теорія планети, що враховує горизонтальні рухи плит і незамкнуті вертикальні перенесення гарячої речовини в мантії.
Самі верхні оболонки Землі – гідросфера і атмосфера – помітно відрізняються від інших оболонок, створюючих тверде тіло планети. По масі це зовсім незначна частина земної кулі, не більш 0,025% всієї його маси. Але значення цих оболонок в житті планети величезне. Гідросфера і атмосфера виникли на ранній стадії формування планети, а може бути, одночасно з її формуванням. Немає сумнівів, що океан і атмосфера існували 3,8 млрд. років тому.
Утворення Землі йшло в руслі єдиного процесу, що викликав хімічну диференціацію надр і виникнення попередників сучасних гідросфери і атмосфери. Спочатку із зерен важких нелетких речовин оформилося протоядро Землі, потім воно дуже швидко приєднало речовину, що стала згодом мантією. А коли Земля досягла приблизно розмірів марса, почався період її бомбардування планетозималіями. Удари супроводжувалися сильним локальним розігріванням і плавленням земних порід і планетозималій. При цьому виділялися гази і пари води, що містилися в породах. А оскільки середня температура поверхні планети залишалася низкою, пари води конденсувалися, утворюючи гідросферу, що росте. В цих зіткненнях Земля втрачала водень і гелій, але зберігала важчі гази. Вміст ізотопів інертних газів в сучасній атмосфері дозволяє судити про джерело, їх породжувач. Це ізотопний склад узгоджується з гіпотезою про ударне походження газів і води, але суперечить гіпотезі про процес поступової дегазації земних надр як джерелі утворення гідросфери і атмосфери. Океан і атмосфера, безумовно, існували не тільки протягом всієї історії Землі як планети, що сформувалася, але і протягом основної фази аккреції, коли протоземля мала розміри марса.
Ідея ударної дегазації, що розглядається як основний механізм утворення гідросфери і атмосфери, одержує все більше визнання. Лабораторними експериментами підтверджувалася здатність ударних процесів виділяти із земних порід помітні кількості газів, у тому числі і молекулярного кисню. А це означає, що деяка кількість кисню була присутня в атмосфері Землі ще до того, як виникла на ній біосфера. Ідеї абіогенного походження деякої частини атмосферного кисню висувалися і іншими ученими.
Обидві зовнішні оболонки - гідросфера і атмосфера – щільно взаємодіють один з одним і з рештою оболонок Землі, особливо з літосферою. На них надають пряму дію Сонце і Космос. Кожна з цих оболонок є відкритою системою, що володіє певною автономією і своїми внутрішніми законами розвитку. Всі, хто вивчає повітряний або водний океани, переконано, що об'єкти дослідження знаходять дивну тонкість організації, здатність до саме регуляції. Але при цьому жодна із земних систем не випадає із загального ансамблю, і їх сумісне існування демонструє не просто суму частин, а нову якість.
Серед співтовариства оболонок Землі особливе місце займає біосфера. Вона захоплює верхній шар літосфери, майже всю гідросферу і нижні шари атмосфери. Термін "біосфера" ввів в науку в 1875 р. австрійський геолог Э. Зюсс (1831-1914). Під біосферою розумілася сукупність заселяючої поверхню планети живої матерії разом з середовищем незаселеного. Нове значення цьому поняттю додало В.І. Вернадський, розглядаючий біосферу як системну освіту, як геологічну оболонку Землі. Значущість цієї системи виходить за межі чисто земного світу, вона є ланкою космічного масштабу.
|