Эволюция Земли

«Концепции современного естествознания»

2014/2015 учебный год

Лекция 13

Эволюция Земли

13.1 Методы наук о Земле

В науках о Земле применяют различные физические, химические методы исследования, некоторые из них являются весьма специфическими и практически не встречаются в других областях естествознания. Один из них — сейсмическое зондирование земных недр — представляет собой мощный метод изучения глубоких областей земного шара, куда непосредственно человек вряд ли сможет когда-нибудь заглянуть. Ведь самые глубокие скважины, которые удалось пробурить в земной толще, не превышают 10-12 км, а это составляет около одной трети средней толщины земной коры (около 30 км) и всего лишь 0,17% радиуса Земли (6300 км). В основе метода сейсмического зондирования лежит регистрация сейсмических (упругих) волн, возникающих в Земле при землетрясениях (в том числе вызванных ядерными взрывами, падением крупных метеоритов и т. п.). Простейший сейсмограф представляет собой обычный маятник с массивным грузом на конце.

Если сейсмические колебания достаточно быстрые (высокочастотные), то груз не успевает раскачаться и остается практически неподвижным. А вот точка подвеса маятника, жестко связанная с земной поверхностью, колеблется, и эти колебания относительно груза записываются на ленту самописца. Если имеется достаточно много сейсмографов, расположенных в разных точках земной поверхности, то, собирая и обрабатывая информацию, полученную с их помощью, можно достаточно точно определить направление сейсмической волны, ее скорость, амплитуду и другие параметры. А они, в свою очередь, тесно связаны с тем, через какие породы проходила волна, как она преломлялась, отражалась, поглощалась. Именно таким образом была, например, обнаружена граница между земной корой и верхней литосферой (граница Мохоровичича), доказано, что внешнее ядро является жидким, а также получено огромное количество достоверных данных о внутренней структуре Земли.

Второй специфический метод исследования, на котором мы здесь остановимся, связан с определением возраста различных геологических образований, а следовательно, и с реконструкцией событий геологической эволюции. Геологическое время сейчас определяют преимущественно по содержанию радиоактивных изотопов и продуктов их распада в минералах земной коры. Известны несколько типов ядерных превращений, которые используются в качестве геологических часов. Примерами таких превращений могут служить следующие ядерные реакции:

238U -> 206Рb + 8 4Не;

235U -> 207Рb + 7 4Не;

232Th -> 208Pb + 6 4Не;

Точность этих методов связана с тем, что скорость радиоактивного распада практически не зависит от внешних условий и определяется только типом реакции. Если когда-то в прошлом концентрация радиоактивного изотопа в минерале была n0 то, спустя время t, концентрация, экспоненциально уменьшаясь, составит

n(t) = n0 e-t, (1.1)

где — постоянная радиоактивного распада (экспериментально определяемая величина). Концентрацию n(t) в минерале можно измерить, однако найти время t, а следовательно, возраст минерала, из уравнения (1.1) нельзя, так как неизвестна начальная концентрация n0. Эту трудность легко обойти, предположив, что в каждый момент времени сумма концентраций распадающегося изотопа n(t) (например, 238U в первой реакции (1.1)) и радиогенного продукта распада r(t) (в той же реакции это 206РЬ) остается постоянной величиной, равной начальной концентрации n0 : n(t) + r(t) = n0.

Тогда, очевидно, e-t = n(t)/ (n(t) + r(t)). Потенцируя, получаем

t = ln(1 + r(t)/n(t))/ , (1.2)

Таким образом, зная концентрации n(t) и r(t) (они определяются с помощью масс-спектрометров), по известному значению легко определяется возраст исследуемого материала. Именно с помощью радиоактивных часов установлен возраст Земли и проведена детальная геохронологическая периодизация.

13.2 Протопланетный период эволюции Земли

Формирование Солнца и планет Солнечной системы произошло около 4,7 млрд. лет назад. Более точно, Солнце образовалось 4,75 млрд. лет назад, а формирование Земли началось 4,56 млрд. лет назад. Так как Солнце является звездой второго (а возможно, и третьего) поколения, то исходным материалом для него и планет явилось не первичное газовое облако, появившееся в результате Большого взрыва и состоящее приблизительно на 70% из водорода и на 30% из гелия, а более разнообразная среда, куда входили и другие газы, и космическая пыль, и осколки взорвавшихся звезд предыдущих поколений. Эти осколки (астероиды, метеориты) существенно различались и по составу и по размерам (от совсем небольших пылинок до гигантских объектов, имеющих десятки, сотни и даже тысячи километров в диаметре). При формировании Солнечной системы сначала происходила первичная дифференциация такой среды, в результате которой более тяжелые компоненты скапливались вблизи центра, а более легкие, в основном газы, сосредоточивались на периферии.

Присутствие массивных центров гравитационной конденсации и их конкуренция привели к слипанию вещества в несколько «комков» разных размеров и на разных расстояниях от центра. В центральном «комке», где сконцентрировалась основная масса системы, в конце концов, созрели условия для запуска термоядерного реактора, что и стало рождением нашего Солнца. А вот остальные «комки» продолжали собирать газ, пыль, крупные и мелкие тела (планетезимали), вращаясь около Солнца. Этот процесс занял около 100 млн. лет.

Так как тяжелые фрагменты протопланетного вещества сосредоточились вблизи Солнца, то их конкуренция не позволила будущим планетам нарастить большую массу. Поэтому близкие к Солнцу планеты небольшие, обладающие твердой поверхностью. В то же время масса и плотность этих планет оказались достаточной для того, чтобы они в дальнейшем вступили на эволюционный путь развития. Критическое значение этой массы оценивается величиной 1023 кг (это примерно равно массе Луны 0,7 х 1023 кг). Для сравнения Солнце имеет массу 2х 1030 кг.

Удаленные планеты, наоборот, гигантские по размерам, но с небольшой плотностью. Самой большой из планет Солнечной системы является Юпитер - огромный газовый шар с массой ~2 х 1027 кг. Немного не хватило Юпитеру, чтобы стать звездой!

Внешне протопланетный период первоначального накопления массы представлял собой непрерывную и очень интенсивную бомбардировку поверхности Земли планетезималями, в результате которой происходило нагревание будущей планеты. В конце этого периода, когда радиус Земли достиг современного значения 6370 км, температура в центре Земли была -1200 К, что, однако, ниже температуры плавления железа и силикатов. Лишь в некоторых зонах Земли температура оказалась достаточно высокой для расплавления.

Другим важнейшим событием самого раннего периода земной истории явилось образование Луны. Это должно было произойти не позднее 4,4 млрд. лет назад, поскольку таков возраст древнейших лунных пород. Существует много гипотез образования Луны, однако большинство ученых считает, что своему рождению Луна обязана падению на раннюю Землю крупного небесного тела размером с Меркурий или даже Марс. В результате этого грандиозного события произошел выброс мантийного материала, из которого и образовалась Луна.

13.3. Геологическая эволюция

Итак, спустя всего 100 млн. лет после начала гравитационного захвата планетезималей, Земля накопила около 98% своей массы и представляла собой однородный шар, состоящий из относительно легких силикатов (в основном SiO2) и тяжелых по сравнению с ними окислов железа (рис. 1а). Такое начальное состояние Земли лежит в основе концепции гомогенной аккумуляции. В настоящее время получила распространение другая концепция - гетерогенной аккумуляции, в соответствии с которой уже на стадии первоначального накопления массы произошло выделение тяжелого ядра, окруженного относительно легкой мантией.

Вся последующая геологическая история представляет собой гравитационную дифференциацию (разделение) веществ, обладающих разной плотностью: железо «стекает» к центру Земли, образуя ядро, а силикаты и другие легкие вещества поднимаются к поверхности (рис. 1б). О том, насколько продвинулась во времени эволюция Земли, говорят следующие цифры. В настоящее время ядро составляет 32% массы Земли, а в мантии осталось не так много железа (не более 5% массы Земли), которому предстоит перейти в ядро. Так что гравитационная дифференциация вещества Земли осуществилась уже на 87%. Расчеты показывают, что ядро достигнет своей максимально возможной массы примерно через 1,0-1,5 млрд. лет, после чего геологическая эволюция Земли завершится (рис. 1в).

Мантия Ядро

Рис.1 Геологическая эволюция

Процесс формирования ядра сопровождается грандиозными явлениями планетарного масштаба, среди которых в первую очередь следует назвать конвекцию в мантии. Конвективные потоки вещества пронизывают всю мантию от ядра до поверхности Земли и имеют своей причиной архимедову силу, которая, как известно, уменьшает вес вещества, погруженного в жидкость. В результате вещества, более легкие, чем окружающая среда, всплывают вверх, а более тяжелые — опускаются вниз. В рассматриваемом случае физическая причина архимедовой силы связана с тем, что железо теряют в первую очередь те слои мантии, которые ближе всего к ядру. Становясь легче, чем те, которые над ними, эти слои «всплывают» под действием архимедовой силы. Необычность конвективных явлений в мантии заключается в том, что вещество мантии совсем не похоже на жидкость. Достаточно вспомнить, что представляют собой типичные вещества верхней мантии — граниты и базальты. Тем не менее эти вещества по отношению к долговременным нагрузкам ведут себя как настоящая жидкость, правда, с очень большой вязкостью. Поэтому механические движения в мантии являются чрезвычайно медленными, со средними скоростями порядка 0,1-10 см в год!

Эффективность конвективных процессов существенно повышается в результате разогрева недр Земли. Долгое время считалось, что основным источником тепловыделения в Земле является распад радиоактивных элементов, особенно таких, как 238U, 235U, 232Th, 40K. За все время существования этих источников Земля получила около 1031 Дж тепла. Однако оказывается, что почти в 1,5 раза большая энергия выделилась за счет гравитационной дифференциации тяжелых и легких веществ (то есть за счет «опускания» железа к центру Земли). Пренебрегая другими источниками тепловыделения, такими как, например, приливное трение, можно сказать, что за все 4,6 млрд. лет существования в Земле выделилось -2,5 х 1031 Дж тепла. За это же время в космическое пространство Земля излучила всего около 0,5 х 1031 Дж. Значит, в Земле накопилось около 2 х 1031 Дж, что привело к разогреву и частичному плавлению земных недр.

Расчеты показывают, что для полного расплавления Земли требуется около 3,2 х 1031 Дж внутренней энергии. С учетом сказанного выше, чтобы произошло расплавление нужно, чтобы в начале геологической эволюции у Земли уже было 1,2 х 1031 Дж энергии, а это соответствует средней температуре 1600 К. Но мы уже говорили, что начальная температура протопланеты Земля, за исключением отдельных зон, была 1200 К, то есть меньше 1600 К. Из этого следует важный вывод о том, что Земля никогда не была полностью расплавленной. Частичное плавление отдельных областей Земли имело и имеет место, например расплавленным является внешнее ядро, близка к плавлению или даже содержит расплавы легкоплавких пород астеносфера.

13.4. Периоды геологической истории, геохронологическая шкала 

Геохронологическая шкала — геологическая временная шкала истории Земли, применяемая в геологии и палеонтологии, своеобразный календарь для промежутков времени в сотни тысяч и миллионы лет.

Периодизацию геологической истории обычно начинают с архея (4,0-2,5 млрд. лет), в конце которого образовался первый единый суперконтинент Пангея-0. В дальнейшем подобные суперконтиненты неоднократно появлялись и распадались. Архейская эра сменилась протерозоем (2,5-0,55 млрд. лет), во время которого произошло самое сильное покровное оледенение планеты, а в самом конце резко появилась разнообразная фауна. Именно в связи с этим архей и протерозой объединяют под общим названием криптозой (этап скрытой жизни), противопоставляя его трем последующим эрам — палеозою, мезозою и кайнозою, объединяемым термином фанерозой (этап явной, наблюдаемой жизни). Во время палеозоя (550-250 млн. лет) на поверхности Земли существовали несколько континентов (Гондвана, Лавразия и др.), которые активно перемещались, проявляя тектоническую активность. В палеозое опять происходило покровное оледенение, уже не такое сильное, а первые растения начали завоевывать сушу. Во время мезозойской эры (250-65 млн. лет) структура земной коры характеризовалась противостоянием суперконтинента Пангея-2 и океана Палеопацифика. В самом начале кайнозойской эры (за 65 млн. лет до настоящего времени) Земля подверглась мощному удару огромного астероида, имевшему своим следствием гибель динозавров и ряда других представителей животного мира, а около 4 млн. лет назад в Восточно-Африканской рифтовой системе, не без связи с произошедшими здесь изменениями экологической обстановки, появились гоминиды.

Табл. 1 Геохронологическая шкала

Эон	Эра	Период
Ф а н е р о з о й	Кайнозой	Четвертичный
		Неоген
		Палеоген
	Мезозой	Мел
		Юра
		Триас
	Палеозой	Пермь
		Карбон
		Девон
		Силур
		Ордовик
		Кембрий
К р и п т о з о й	П р о т е р о з о й	Нео протерозой	Эдиакарий
			Криогений
			Тоний
		Мезо протерозой	Стений
			Эктазий
			Калимий
		Палео протерозой	Статерий
			Орозирий
			Риасий
			Сидерий
	А р х е й	Неоархей
		Мезоархей
		Палеоархей
		Эоархей
	Катархей

Табл. 2 Подробная геохронологическая шкала

	Эон	Эра	Период	Эпоха	Начало, лет назад	Основные события
	Фанерозой	Кайнозой	Четвертичный	Голоцен	12 тыс.	Конец ледникового периода. Возникновение цивилизаций.
				Плейстоцен	2,6 млн.	Вымирание многих крупных млекопитающих. Появление современного человека
			Неогеновый	Плиоцен	5,3 млн.
				Миоцен	23,0 млн.
			Палеогеновый	Олигоцен	33,9 млн.	Появление первых человекообразных обезьян.
				Эоцен	55,8 млн.	Появление первых «современных» млекопитающих.
				Палеоцен	65,5 млн.
		Мезозой	Меловой	146 млн.	Первые плацентарные млекопитающие. Вымирание динозавров.
			Юрский	200 млн.	Появление сумчатых млекопитающих и первых птиц. Расцвет динозавров.
			Триасовый	251 млн.	Первые динозавры и яйцекладущие млекопитающие.
		Палеозой	Пермский	299 млн.	Вымерло около 95 % всех существовавших видов (Массовое пермское вымирание).
			Каменноугольный	359 млн.	Появление деревьев и пресмыкающихся.
			Девонский	416 млн.	Появление земноводных и споровых растений.
			Силурийский	444 млн.	Выход жизни на сушу: скорпионы, появление челюстноротых
			Ордовикский	488 млн.	Ракоскорпионы, первые сосудистые растения.
			Кембрийский	542 млн.	Появление большого количества новых групп организмов («Кембрийский взрыв»).
	Протерозой	Неопротерозой	Эдиакарий	635 млн.	Первые многоклеточные животные.
Криптозой			Криогений	850 млн.	Одно из самых масштабных оледенений Земли
			Тоний	1,0 млрд.	Начало распада суперконтинента Родиния
		Мезопротерозой	Стений	1,2 млрд.	Суперконтинент Родиния, суперокеан Мировия
			Эктазий	1,4 млрд.	Первые многоклеточные растения (красные водоросли)
			Калимий	1,6 млрд.
		Палеопротерозой	Статерий	1,8 млрд.
			Орозирий	2,1 млрд.
			Риасий	2,3 млрд.
			Сидерий	2,5 млрд.	Кислородная катастрофа
	Архей	Неоархей	2,8 млрд.
		Мезоархей	3,2 млрд.
		Палеоархей	3,6 млрд.
		Эоархей	4 млрд.	Появление примитивных одноклеточных организмов
	Катархей	~4,6 млрд.	~4,6 млрд. лет назад — формирование Земли.

13.5. Тектоника литосферных плит

Формирование ядра, являясь, безусловно, самым важным событием в геологической истории, сопровождается целым рядом процессов, обусловливающих появление разнородных оболочек как внутри тела Земли, так и в непосредственной близости от ее поверхности. В этом параграфе мы рассмотрим верхний слой мантии, который сам по себе имеет довольно сложную структуру. Прежде всего еще раз отметим, что на глубине 60-250 км вещество мантии частично расплавлено и представляет собой «кашеобразную» массу с пониженной (в тысячи раз по сравнению с базальтом) вязкостью. Этот слой называется астеносферой. Выше расположена литосфера, которая расколота на гигантские плиты, «плавающие» по поверхности астеносферы. Выделяют семь наиболее крупных плит: Евразийская, Африканская, Тихоокеанская, Австралийская, Северо-Американская, Южно-Американская и Антарктическая.

Табл.3 Крупнейшие литосферные плиты

Название плиты	Площадь 106 км	Зона покрытия
Африканская плита	61,3	Африка
Антарктическая плита	60,9	Антарктика
Австралийская плита	47,2	Австралия
Евразийская плита	67,8	Азия и Европа
Северо-Американская плита	75,9	Северная Америка и северо-восточная Сибирь
Южно-Американская плита	43,6	Южная Америка
Тихоокеанская плита	103,3	Тихий океан

В результате вулканических процессов на поверхности литосферы образуется слой твердых веществ с несколько меньшей (на 10-15%), чем у верхней литосферы, плотностью. Этот слой, который называется земной корой, представляет собой уникальный продукт геологической эволюции. Земная кора отделена от литосферы довольно резкой границей, которую в 1909 г. открыл известный югославский сейсмолог Мохоровичич. Поэтому граница между земной корой и литосферой называется поверхностью Мохоровичича. Средняя толщина коры ~30 км. Однако оказывается, что континентальная и океаническая кора имеют разную глубину и строение. Океаническая кора гораздо тоньше, ее толщина не превышает 10 км. Континентальная кора, напротив, весьма толстая, до 50-80 км. Кроме того, океаническая кора состоит из двух слоев — подстилающего слоя базальтов вулканического происхождения и покрывающего слоя осадочных пород (песчаников, сланцев, глин, известняков и др.). Континентальная кора, помимо этих слоев, имеет еще многокилометровую толщу гранитов. Эти отличия далеко не случайны, они объясняются тем, что фактически континентальная кора образуется из океанической в результате движения литосферных плит.

Литосферные плиты не являются чем-то раз и навсегда образовавшимся и неподвижным. Они двигаются, рождаются из мантии и снова уходят в нее. Еще в 1946 г. было высказано предположение о том, что океанские литосферные плиты заглубляются под континентальные в областях земной поверхности, которые получили название зон Заварицкого-Беньофа. Эти зоны, как показали исследования, расположены на периферии океанов. Значит, где-то внутри океанов должны находиться области зарождения и растяжения вновь образующейся океанской литосферы.

Такими областями являются срединно-океанские хребты, достигающие нескольких километров в высоту. По оси этих хребтов располагаются довольно узкие рифтовые долины — глубокие пропасти с почти отвесными стенками. Именно в этих долинах астеносфера почти подходит к поверхности коры, и именно здесь изливается свежая базальтовая лава из небольших вулканов (с высотами в десятки или несколько сотен метров) вдоль полосы шириной 1-3 км по оси рифтовой долины. Застывая, эта лава и образует нарождающуюся океаническую литосферу.

Родившись в рифтовых долинах срединно-океанских хребтов, новая океанская литосфера раздвигается в обе стороны восходящими конвективными потоками мантийных течений. Это расхождение океанических плит называется спредингом. Таким образом, срединно-океанские хребты, образующие практически непрерывную цепь длиной более 60000 км, фактически являются общей границей двухячейковой конвективной структуры в мантии. Двигаясь от хребтов со скоростью 2-5 см в год, литосферная плита, в конце концов, достигает зоны Заварицкого-Беньофа, где она заглубляется под океаническую плиту и под углом почти 45° уходит в мантию. Эти области, которые называются зонами субдукции, отмечены высокой сейсмичностью и вулканизмом. Так что дно океанов движется, как лента конвейера, непрерывно собирая на себя все новые и новые слои осадков. Если принять типичную полуширину океана 5000 км, то возраст дна океана на его периферии оказывается 100-250 млн. лет, то есть много меньше, чем возраст океана. Отсюда следует важный вывод о том, что Мировой океан является древним образованием с молодым, все время обновляющимся дном.

После открытия срединно-океанских хребтов концепция движения континентов получила новый импульс развития: двигаются литосферные плиты с «впаянными» в них континентами. Такая концепция получила название глобальной тектоники. В настоящее время эта концепция считается общепризнанной, особенно после того, как движение литосферных плит было надежно зарегистрировано наблюдениями из космоса.

Глобальная тектоника позволяет проанализировать динамику земной поверхности как в прошлом, так и в будущем. Сейчас надежно реконструирована динамика континентов в течение всего фанерозоя (от 550 млн. лет назад до настоящего времени). Из этой реконструкций, в частности, следует, что около 250 млн. лет назад, в мезозойскую эру, вся суша на Земле представляла собой один континент - Пангею-2. Спустя 60 млн. лет Пангея-2 в очередной раз разделилась на гигантские осколки, которые в дальнейшем образовали современные очертания материков.

13.6. Эволюция атмосферы

Газовая оболочка Земли называется атмосферой (от греч, «атмос» — «пар» и «сфера» — «оболочка»). Существование атмосферы обусловлено достаточно сильным гравитационным полем Земли. Далеко не все небесные тела имеют атмосферу. У малых планет (Меркурий, Марс), например, она отсутствует из-за того, что средняя скорость теплового движения молекул газов, пропорциональная температуре, оказывается больше второй космической скорости. Такие планеты в конце концов теряют свою газовую оболочку. Земля же имеет достаточную массу и размер, чтобы вторая космическая скорость вблизи ее поверхности, равная 11,2 км/с, в несколько раз превышала среднюю скорость теплового движения газовых молекул (примерно 0,3 км/с). Благодаря этому до 90% всей массы воздуха сосредоточено в приповерхностном слое (тропосфере) высотой около 16 км. В то же время в атмосфере всегда присутствует некоторое количество быстрых молекул, которые обладают достаточной кинетической энергией, чтобы подняться на десятки тысяч километров. В первую очередь это относится к атомам и молекулам легких газов (водород, гелий и др.). Так что резкой верхней границы атмосфера не имеет. Более того, Земля постоянно теряет те молекулы атмосферы, скорости которых превышают вторую космическую. Например, ежесекундно в космическое пространство улетучивается около 1 кг водорода. За всю свою историю Земля таким образом потеряла почти весь свой газообразный водород и гелий.

Атмосфера представляет собой механическую смесь многих газов. Главными составляющими чистого сухого воздуха на уровне моря являются азот (78%), кислород (21%), аргон (1%) и углекислый газ (0,03%). На долю остальных газов - неона, гелия, криптона, водорода, озона и т. д.— приходится менее 0,01% . Такой состав атмосферы явился следствием биологической эволюции на Земле, так как первичная атмосфера Земли была совсем другой. Она состояла из небольшого количества азота, аммиака и инертных газов и была чрезвычайно тонкой. Не было в атмосфере ни водяного пара, ни углекислого газа, ни кислорода. С началом геологической эволюции происходит дегазация мантии: выделение при вулканических процессах водяного пара и других газов из верхней мантии.

Следующим важнейшим событием стало появление свободного кислорода биогенного происхождения. Дальнейшая эволюция атмосферы заключалась прежде всего в нарастании количества свободного кислорода, приведшего в конце концов к формированию кислородной атмосферы — этого биогеохимического чуда, не имеющего аналогов на других планетах Солнечной системы. Критическим уровнем содержания свободного кислорода в атмосфере с биологической точки зрения является точка Пастера — около 1% от современного уровня, при которой организмы переходят от использования энергии анаэробного (бескислородного) брожения к более выгодному (в 30-50 раз) окислению при дыхании. Эта точка была достигнута в начале фанерозоя, около 550 млн. лет назад. А когда содержание кислорода составило 10% от современного уровня, в атмосфере появился достаточно плотный озоновый экран, защищающий живые организмы от губительного воздействия ультрафиолетовых лучей Солнца. Все это привело к эволюционному взрыву в начале кембрия. По характеру изменения температуры с высотой различают тропосферу, стратосферу, мезосферу и термосферу (рис. 2). Тропосфера прилегает к земной поверхности и имеет среднюю температуру у поверхности +15°С. В тропосфере, как уже говорилось выше, заключено около 90% массы атмосферы и практически весь водяной пар. Стратосфера характеризуется ростом температуры с высотой и исключительной сухостью воздуха. Там почти нет водяного пара. Верхняя граница стратосферы расположена в среднем на высоте 50-55 км. В нижней части стратосферы находится озоновый слой (озон — это трехатомный кислород О3). Озоновый слой имеет исключительно важное значение для существования биосферы, так как поглощает губительную для всего живого ультрафиолетовую радиацию Солнца. Можно сказать, что озоновый слой как щитом прикрывает все живое на Земле. Мезосфера — слой, лежащий над стратосферой и характеризующийся падением температуры с высотой. В термосфере температура растет от -100°С на высоте около 90 км до 1000-2000°С на высоте 400 км. Правда, эти значения температур относятся к очень разряженной атмосфере и фактически характеризуют кинетическую энергию отдельных молекул газа.

Атмосфера — это своего рода тепловая машина. Нагревателем ее служат тропики, которые получают больше энергии от Солнца, а холодильником — полюсы. Эта тепловая машина беспрерывно превращает поступающую от Солнца тепловую энергию в кинетическую энергию движения воздуха. По ориентировочным оценкам, коэффициент полезного действия такой тепловой машины равен всего 2%. Именно столько энергии солнечной радиации превращается в кинетическую энергию ветра. Много это или мало? Земля поглощает в секунду примерно 1,2 х 1017 Дж. Значит, мощность тепловой машины под названием «атмосфера» составляет около 2,4 х 1015 Вт. Впечатляющая цифра! Рабочим веществом этой тепловой машины являются воздушные массы, непрерывно переносящие тепло от нагревателя-экватора к холодильникам-полюсам. Этот перенос осуществляют в основном циклоны и антициклоны. Из всего количества избыточного тепла, получаемого Землей в низких широтах, воздушные потоки переносят около 90% тепла. Остальные 10% приходятся на долю океанских течений. Однако роль океана этим не исчерпывается. В отличие от суши, океаны обладают огромной теплоемкостью. Поэтому они нагреваются летом и охлаждаются зимой значительно медленнее, чем суша. Между океанами и сушей зимой и летом существует перепад температур. Благодаря этому в атмосфере работают и другие, помимо рассмотренной выше, «тепловые машины». Зимой у них нагревателями служат океаны, а холодильниками — континенты. Летом, наоборот, континенты становятся нагревателями, а океаны — холодильниками. Движение воздуха при этом осуществляется в форме муссонов, то есть преобладающих ветров, дующих у поверхности зимой с материка в океан, а летом — с океана на материк. Они смягчают зимнюю стужу и уменьшают летнюю жару. При движении вглубь материков влияние океанов ослабевает, и климат становится все более и более континентальным.

Рис.2 Атмосферные слои до высоты 120 км

13.7. Эволюция гидросферы

Важная внешняя оболочка нашей планеты — гидросфера. Она включает в себя и лед, и обычную жидкую воду, и водяной пар, присутствующий в атмосфере в очень небольших количествах (от 0,02% в холодных полярных районах до 3% вблизи экватора). Однако, так как основная масса воды (Мо = 1,4 х 1021 кг или 94% всей воды) приходится на Мировой океан, то, говоря о гидросфере, часто имеют в виду именно океанскую воду.

Наличие у Земли океана представляет собой достаточно редкое для Солнечной системы явление. Ведь чтобы образовался океан, то есть значительная масса жидкого вещества, отделенная от атмосферы и литосферы резкой границей, необходимо, чтобы температура поверхности космического тела была, с одной стороны, выше температуры плавления этого вещества, а с другой — ниже его критической температуры, при которой исчезает разница между жидким и газообразным состояниями вещества. Кроме того, общая масса вещества должна быть достаточно большой, чтобы мог сформироваться значительный объем жидкой фазы, в противном случае конденсация пара. На Земле всем этим условиям удовлетворяет вода, для которой температура плавления (льда) Тпл = 0°С, а критическая температура Ткр = 374°С.

На первый взгляд, ничего необычного в существовании Мирового океана нет: ведь мы уже говорили, что средняя, температура у поверхности Земли составляет +15°С, Однако простой расчет показывает, что если бы у Земли не было атмосферы, содержащей водяные пары, то температура поверхности была бы минусовой, и океан бы замерз! Чтобы убедиться в этом, найдем энергию Еп солнечного излучения, которую Земля поглощает за секунду. Известно, что солнечная постоянная F, то есть поток энергии солнечного излучения на среднем расстоянии Земли от Солнца, равна 1400 Вт/м2. Тогда Еп = (1-A)FR2, где R — радиус Земли, А = 0,3 — отражательная способность поверхности Земли (альбедо). Поглощая эту энергию, Земля нагревается и, как любое нагретое абсолютно черное тело, излучает энергию Еи = Т344R2, где = 5,7 х 10-8 Вт/м2К4 — постоянная Стефана-Больцмана. В стационарном состоянии Еп = Еи, откуда легко получается температура поверхности Земли:

Т = ((1-А)F/4)1/4 (1.3)

Подставив в эту формулу значения A, F и , получаем T=256 K = -17°С. Именно такую, отрицательную (по Цельсию), температуру имеет Земля, если ее наблюдать из космоса. Почему же тогда реальная средняя температура поверхности Земли составляет +15°С?

Оказывается, все дело в парниковом эффекте, который создается атмосферой Земли. Суть этого эффекта заключается в следующем. Почти все излучение Солнца, за исключением ультрафиолетовой части спектра, которая задерживается озоном О3, пропускается атмосферой и поглощается Землей. А вот излучение Земли имеет максимум в ближней инфракрасной области спектра, которая поглощается парами воды. В результате атмосфера, содержащая пары воды, становится тепловым экраном, приводящим к повышению температуры поверхности Земли.

Парниковый эффект является дестабилизирующим фактором, усиливающим климатические изменения на Земле. Представим себе, что по какой-то причине температура поверхности Земли понизилась. Следствиями этого немедленно станет, во-первых, уменьшение концентрации водяного пара, а значит и парникового эффекта, и, во-вторых, увеличение отражающей способности Земли из-за расширения областей, занятых хорошо отражающим свет льдом. Оба эти следствия приведут к дальнейшему понижению температуры поверхности Земли. Аналогично, если температура возрастет, то увеличение парникового эффекта и уменьшение отражающей способности Земли приведут к дальнейшему возрастанию температуры. Неудивительно, что за время своей эволюции Земля неоднократно переживала периоды глобального потепления и похолодания климата.

Океан покрывает около 70% территории Земли. На высокие горы и океанские впадины приходится всего около 1% земной поверхности, а основную площадь Земли занимают две относительно пологие поверхности — равнины и низменности на суше и океанское дно.

Типичная зависимость уклона поверхности океанского дна при удалении от берега выглядит так. Сначала глубина растет медленно, с уклоном всего 1,5-2 м на 1 км. Эта мелководная область вокруг материков простирается в среднем на 80 км и называется шельфом. Затем начинается резкий обрыв (континентальный склон), переходящий в обширное, почти плоское ложе океанов. Рекордная глубина океанских впадин составляет, как известно, 11022 м (Марианская впадина в Тихом океане). Количество воды в океане менялось на протяжении геологической истории Земли. Уровень океана неоднократно падал на 120-150 м, а океанская вода при этом накапливалась на суше огромными ледниками, такими же, какие сейчас покрывают Антарктиду и Гренландию. Сейчас общая масса льда на Земле составляет примерно 2,4х1019 кг, причем из-за постепенного потепления климата происходит таяние ледников и, как следствие, поднятие уровня Мирового океана со скоростью в среднем около 0,12см в год.

PAGE \* MERGEFORMAT 1

Эволюция Земли