А. П. Садохин концепции современного естествознания второе издание, переработанное и дополненное Рекомендовано Министерством образования Российской Федерации в качестве учебник
| Вид материала | Учебник |
- Г. И. Рузавин Концепции современного естествознания Рекомендовано Министерством общего, 3030.69kb.
- Б. Л. Еремина Второе издание, переработанное и дополненное Рекомендовано Министерством, 7882.78kb.
- Е. Ф. Жукова Второе издание, переработанное и дополненное Редактирование Министерством, 8799.45kb.
- В. И. Кузищина издание третье, переработанное и дополненное рекомендовано Министерством, 5438.98kb.
- В. И. Фомичев Международная торговля 2-е издание, переработанное и дополненное Рекомендовано, 6263.93kb.
- Г. В. Плеханова И. Н. Смирнов, В. Ф. Титов философия издание 2-е, исправленное и дополненное, 4810.28kb.
- Л. М. Клячкин М. Н. Виноградова физиотерапия издание второе, переработанное и дополненное, 2850.23kb.
- А. Г. Кучерена адвокатура второе издание, переработанное и дополненное Допущено Учебно-методическим, 12778.36kb.
- В. М. Найдыш Концепции современного естествознания, 7129.15kb.
- К. Э. Фабри Основы зоопсихологии 3-е издание Рекомендовано Министерством общего и профессионального, 5154.41kb.
Земля как предмет естествознания
7.1. Форма и размеры Земли Комплекс наук о Земле
В настоящее время Земля является объектом изучения многих наук — от геологии и географии до экономики и политологии. В совокупности этих наук выделяются отраслевые науки, изучающие отдельные части вертикальной и горизонтальной структуры Земли (геология, климатология, почвоведение и др.), а также системные науки, синтезирующие в себе всю совокупность знаний о Земле для решения теоретических или прикладных проблем (география, физическая география, социально-экономическая география и др.).
Среди отраслевых наук особое развитие получили геология (наука о литосфере), гидрология (наука о гидросфере), климатология (наука об атмосфере), геофизика (наука о Земле как физическом теле), геохимия (наука о естественных химических процессах, протекающих в пределах Земли), геоморфология (наука о рельефе Земли), почвоведение (наука о почвах), биогеография (наука о распределении живого вещества на поверхности Земли).
К системным наукам относится география, синтезирующая знания отраслевых наук применительно к поверхности Земли. При этом география подразделяется на физическую, изучающую естественные природные комплексы, формирующиеся на поверхности Земли, и социально-экономическую, предметом которой являются социально-экономические комплексы, формирующиеся на поверхности Земли в результате освоения человеком территорий. В рамках этих наук с древности развивались представления о Земле, неразрывно связанные с историей представления об устройстве Вселенной в целом.
История развития представлений
Долгое время, пока господствовала мифологическая картина мира, Земля считалась плоским диском, стоящим на грех слонах,
157
китах или черепахе и покрытым сверху полукруглым небесным сводом. Лишь в VI в. до н.э. один из основоположников античной науки Пифагор высказал мысль о шарообразности Земли. То, что Земля имеет шарообразную форму, доказал Аристотель в IV в. до н.э. В качестве аргументов он использовал лунные затмения, которые происходят из-за того, что Земля, встав между Солнцем и Луной, отбрасывает на Луну круглую тень. Кроме того, было известно, что в южных странах на небе появляются созвездия, невидимые на севере. Так, постепенно утвердилось представление о том, что Земля — это шар, неподвижно висящий в центре Космоса без всякой опоры, а вокруг него вращаются по идеальным круговым орбитам Луна, Солнце и пять известных тогда планет. Неподвижные звезды замыкали сложившуюся в античности геоцентрическую модель мира.
В 300 г. до н.э. географ Эратосфен достаточно точно определил размеры земного шара. Он заметил, что в день летнего солнцестояния в городе Сиене Солнце находится в зените и освещает дно самого глубокого колодца. Затем он измерил угол падения солнечных лучей в тот же день в Александрии. Зная расстояние между городами, Эратосфен вычислил длину окружности земного шара.
Тем не менее, представления о шарообразности Земли во многом вытекали из чисто умозрительных рассуждений об идеальных телах. В античности такими телами считались шар, сфера, круг, а потому в гармоничном соразмерном Космосе Земля должна иметь форму самой совершенной фигуры — шара. Ничем другим она просто не могла быть.
Лишь с началом эпохи Великих географических открытий шарообразность Земли была подтверждена на опыте. В 1522 г. португальский мореплаватель Фернан Магеллан завершил первое кругосветное путешествие, в ходе которого он обогнул Землю и доказал наличие единого Мирового океана.
Казалось бы, вопрос о форме Земли можно было считать закрытым. Но в это же время было опровергнуто античное учение об идеальных телах. Поэтому встал вопрос, насколько близка форма Земли к идеальной сфере. К концу XVII в. сложились две точки зрения по этому вопросу. С одной стороны, И. Ньютон считал, что Земля имеет форму сфероида, несколько сплющенного у полюсов, вследствие ее вращения и действия сил притяжения составляющих ее масс (напоминает тыкву). С другой стороны, Р. Декарт, основываясь на теории вихрей, утверждал, что Земля сплющена у экватора и удлинена по направлению к полюсам (похожа на дыню).
Чтобы решить этот вопрос, надо было измерить кусочки дуг меридиана на разных широтах и посмотреть, как соотносятся расстояния, приходящиеся на один градус. В 1735 г. Парижская акаде-
158
мия наук отправила с этой целью две экспедиции: одну — в Перу, на экватор, а другую — в Лапландию, к полюсу. Восемь лет потребовалось ученым, чтобы измерить с помощью сосновых жердей с выверенной длиной в десять метров дугу длиной в три градуса восемь минут. Выяснилось, что чем ближе к полюсу, тем длиннее становился градус.
С тех пор форма Земли уточнялась еще несколько раз. С большой точностью ее удалось определить лишь в XX в. с помощью приборов, установленных на искусственных спутниках Земли. Сегодня точно известно, что Земля — не вполне правильный шар. Она немного сжата у полюсов и несколько вытянута к Северному полюсу. Эта фигура называется геоидом. Термин для обозначения фигуры Земли был введен в 1873 г. немецким физиком И. Листингом. Сжатие у полюсов объясняется вращением Земли вокруг своей оси. Вытянутость Земли к Северному полюсу до сих пор окончательного объяснения не получила.
Окружность Земли по экватору равна 40 075,7 км, окружность по меридиану — 40 008,5 км.
Масса Земли была вычислена на основе закона всемирного тяготения в опытах Г. Кавендиша с крутильными весами, на которых он измерял, с какой силой большой свинцовый шар притягивает к себе маленькие свинцовые шарики, а затем сравнивал эту силу с силой притяжения маленьких шариков Землей, т.е. с их весом. Этот опыт был поставлен в 1798 г. Масса Земли оказалась равной 5976 • 1021 кг.
Поверхность Земли составляет приблизительно 510 млн. км2, при этом на долю суши приходится 149 млн. км2, или около 29%, так что правильнее было бы назвать нашу планету не Землей, а Океаном.
7.2. Земля среди других планет Солнечной системы
В последнее время среди многочисленных наук, изучающих нашу планету, появилась еще одна — сравнительная планетология. Она позволяет сопоставить данные о Земле с тем, что нам известно о других планетах Солнечной системы. Мы уже говорили, что в состав Солнечной системы входит девять планет. Они делятся на д в е группы:
- внутренние планеты (планеты земной группы) — Меркурий, Венера, Земля, Марс;
- внешние планеты (газовые гиганты) — Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон.
Отличия планет земной группы от газовых гигантов очевидны. Поэтому посмотрим, чем отличаются друг от друга внутренние пла-
159
неты. Среди них нет двух одинаковых планет. Они отличны по размерам, физико-химическим параметрам, строению недр и поверхностей, составом атмосфер. В основном эти различия обусловлены начальными условиями формирования планет — химическим составом, плотностью вещества в тех частях протопланетного облака, где эти планеты формировались, а также расстоянием от Солнца, резонансным взаимодействием с ним и другими планетами.
Из всех планет земной группы Земля — самая большая планета. Но как показывают оценки, даже такие размеры и масса оказываются минимальными, при которых планета способна удержать свою газовую атмосферу. Тем не менее, Земля теряет водород и другие легкие газы, что заметно по шлейфу, который тянется за нашей планетой. Венера почти равна по размерам и массе Земле, но она ближе к Солнцу и получает от него больше тепла. Поэтому она давно потеряла весь свой свободный водород. У остальных двух планет атмосфера либо вообще отсутствует (Меркурий), либо сохранилась в очень разреженном состоянии (Марс).
Из всех планет только Земля обладает сильным магнитным полем, на два порядка превосходящим значения магнитных полей у других планет. Как считают ученые, это одна из причин появления жизни на Земле.
Ни одна из планет не имеет развитой системы спутников, как у планет — газовых гигантов. Луна — спутник Земли, не вписывается ни в одну из современных гипотез образования Солнечной системы. Тем более, что Луна имеет планетные размеры (сравнимые с размерами Меркурия).
Различия в составе и плотности атмосферы
Важнейшей характеристикой любой планеты является наличие (или отсутствие) атмосферы. Три из четырех планет обладают заметной атмосферой. Атмосфера Земли кардинально отличается от атмосфер других планет: в ней мало углекислого газа, много молекулярного кислорода и паров воды. Это связано с тем, что вода морей и океанов Земли хорошо поглощает углекислый газ, а живое вещество биосферы планеты насыщает атмосферу кислородом, образующимся в процессе фотосинтеза. Подсчеты показывают, что если освободить всю поглощенную водой океанов углекислоту и одновременно убрать из атмосферы кислород, накопленный за счет жизнедеятельности растений, то состав земной атмосферы станет подобным составу атмосфер Венеры и Марса.
Относительно малые размеры Марса не позволили ему удержать плотную атмосферу. Тем не менее, раньше она была более плотной из-за процессов активного выделения газов из недр планеты. Тогда,
160
очевидно, условия на планете были более мягкими, без резких перепадов дневных и ночных температур. Сейчас же в разреженной атмосфере Марса возникают настолько мощные пылевые бури, что они поднимают массы песка на высоту многих километров, практически скрывая поверхность планеты от наблюдателей за непроницаемой пылевой завесой.
Венера, напротив, имеет очень плотную атмосферу, в основном состоящую из углекислого газа. Возникший в связи с этим парниковый эффект обусловил разогревание поверхности Венеры до огромных температур.
Наличие или отсутствие гидросферы
Близость Венеры к Солнцу способствовала быстрой потере планетой водорода, что, в свою очередь, привело к невозможности появления воды и снижению температуры на поверхности планеты до приемлемого уровня.
На Венере, таким образом, отсутствует гидросфера. Да и в атмосфере пары воды присутствуют в очень незначительном количестве. Причины этого до сих пор неизвестны. Тем не менее, существует предположение, что отсутствие гидросферы, очень медленное обратное вращение и отсутствие собственного магнитного поля у Венеры — все это следствия некоей общей причины, породившей различия в путях развития Венеры и Земли.
На Марсе в прошлом (примерно, миллиард лет назад) существовала гидросфера. А три миллиарда лет назад там, возможно, был океан. В наши дни вода на Марсе существует в виде инея и льда в полярных шапках этой планеты. Также вода должна быть на планете в слое вечной мерзлоты. Поэтому на Марсе может существовать жизнь, по крайней мере, простейшие ее формы.
Лишь на Земле гидросфера развита настолько хорошо, что существует в виде Мирового океана, занимающего большую часть поверхности нашей планеты.
Различия в рельефе
Существенно различаются также и рельефы планет земной группы. Это обусловлено различием вулканических и геологических процессов на них. Сегодня считается, что тектоническая активность может служить мерилом жизнеспособности планеты в целом. Если тектоническая деятельность отсутствует или значительно сокращается, то можно делать вывод об умирании планеты. Это связано с тем, что при тектонической деятельности идет активный обмен веществом и энергией между поверхностью и недрами планеты. При
161
этом формируется и поддерживается атмосфера, гидросфера и господствующие типы рельефа местности. С прекращением тектонической активности планета превращается в мертвое небесное тело, на котором преобладают процессы деградации.
В прошлом Земля отличалась большой геологической активностью. Однако и в наши дни для Земли характерна высокая тектоническая активность, а потому ее геологическая история далека от завершения. Это проявляется в периодически случающихся землетрясениях и извержениях вулканов, иногда носящих катастрофический характер. Поэтому современный рельеф Земли продолжает меняться. Огромную роль при этом играет воздействие не только эндогенных (тектонических), но и экзогенных процессов — гидро-сферных, атмосферных и биосферных. На других планетах подобное сочетание факторов отсутствует.
Рельеф земной поверхности отличается глобальной асимметрией. Она хорошо заметна при сравнении Северного и Южного полушарий. Одно из них в основном заполнено водой, в другом же сосредоточены поднятия коры, образующие континенты. То, что участки суши и моря асимметричны относительно центра Земли, хорошо заметно на глобусе.
Асимметричны не только рельефы, но и тепловые режимы Северного и Южного полушарий. Северное полушарие более теплое, чем Южное. Так, в Северном полушарии температура опускается до —70°С, а в Южном — до -90°С. Кроме того, в Южном полушарии расположен абсолютный полюс ветров (в Антарктиде) и «ревущие сороковые» широты — зона постоянных бурь и ураганов. Неодинаковы также тепловые режимы Западного и Восточного полушарий. Так, в Америке климат более умеренный, чем в Азии. Это связано с тем, что в Азии горные цепи расположены по параллелям и задерживают перемещение воздушных масс в направлении с юга на север. Поэтому значительная часть азиатской территории содержит многолетнемерзлые фунты. А в Восточной Сибири зимой обьино устанавливается устойчивый антициклон с низкими температурами. Кроме того, в Западном полушарии больше воды, чем в Восточном. Это также смягчает климат американского континента.
Рельефы Марса и Венеры формировались в иных условиях, чем на Земле. Отсутствие гидросферы исключает разделение на океанский и континентальный рельефы. Иначе проходила и тектоническая деятельность на этих планетах.
В наши дни на Марсе отсутствует вулканическая активность, хотя еще сто миллионов лет назад она была довольно бурной. От того времени сохранились конусы потухших вулканов, покрытая лавами большая часть поверхности планеты, а также характерные разломы и сбросы марсианской коры.
162
Одним из следствий затухания вулканической деятельности стало резкое сокращение поступления газов из недр планеты в атмосферу. А поскольку масса Марса недостаточна для удержания плотной атмосферы, она начала редеть. Все говорит о том, что геологическая эволюция Марса завершилась.
Поверхность Венеры в основном представляет собой равнину, на фоне которой выделяются две обширные горные области — Земля Иштар и Земля Афродиты. Их средняя высота над равниной составляет около 4 км, простираются они на несколько тысяч километров. Средний возраст исследованной территории Венеры оценивается в 1 млрд. лет. Процессы разрушения поверхностных структур, бурно протекающие на Земле, на Венере идут удивительно медленно: за миллиард лет разрушенный слой не превысил нескольких десятков метров. Такие темпы разрушения характерны для малых безатмосферных планет типа Меркурия. На Венере причинами такой стабильности являются отсутствие гидросферы, окислительной атмосферы, а также тектонической активности в наши дни.
Таким образом, утверждения о том, что Венера — молодая планета, только начинающая свою геологическую историю, неверны. Она уже миновала пору активного планетного развития и в этом отношении близка к Марсу. Сходство Венеры и Марса объяснимо — основным геологообразующим процессом на этих планетах была тектоническая активность.
В современную эпоху только Земля остается «живой» планетой, ее геологическое развитие продолжается. По-иному, чем на Марсе и Венере, протекают процессы в недрах Земли. На это указывает существование континентальной коры с гранитными породами и явно выраженных литосферных плит с их перемещениями.
Главным же отличием Земли от других планет является хорошо развитая биосфера. Вершиной эволюции жизни на нашей планете стал человек, обладающий разумом.
7.3. Образование Земли
В современном естествознании существует несколько противоречивых точек зрения, касающихся образования Земли как космического тела. Одну из них — гипотезу Альвена—Аррениуса мы рассматривали ранее.
Возраст Земли
Согласно современным космологическим представлениям, Земля образовалась примерно 4,5 млрд. лет назад. К такому выводу
163
ученые пришли в результате исследования возраста древнейших минералов и горных пород, а также на основе изучения процессов распада радиоактивных веществ. Кроме того, на данный возраст Земли указывают и материалы исследования метеоритов. Они относятся к числу наиболее изученных космических объектов и несут ценную научную информацию. Исследования метеоритов показывают, что возраст как железных, так и каменных метеоритов совпадает и составляет примерно 4,5—4,6 млрд. лет.
Схожие данные получены и при исследовании лунных пород. Образцы этих пород были доставлены на Землю как с помощью космических станций «Луна», так и экипажами американских космических кораблей «Аполлон». Оказалось, что возраст самых древних лунных образцов совпадает с возрастом самой Луны и составляет 4—4,5 млрд. лет. Значит, первичная лунная кора возникла вскоре после образования Луны, и отдельные участки этой коры сохранились до сегодняшнего дня. Такое совпадение данных для разных тел Солнечной системы не может считаться случайным, поэтому делается вывод о возрасте нашей планеты, равном примерно 4,5 млрд. лет. К этому времени завершилось формирование. При этом считается, что ее геологическая история составляет около 4 млрд. лет, из них 0,6 млрд. лет — это ранняя история Земли.
Древнейший период в истории нашей планеты, составляющий 5/6 всей геологической истории Земли, называется докембрийским, или криптозойским. Он делится на архей (закончился 3,5 млрд. лет назад) и протерозой (до 600 млн. лет назад). Последние 600 млн. лет называются фанерозоем и делятся на три эры: палеозой (240 млн. лет), мезозой (163 млн. лет) и кайнозой (67 млн. лет). Эти эры, в свою очередь, подразделяются на более мелкие периоды (табл. 7.1).
Таблица 7.1 Геохронологическая шкала фанерозоя
| Группа (эра) | Система (период) | Начало, млн. лет назад | Продолжительность, млн. лет |
| 1 | 2 | 3 | 4 |
| Кайнозойская (67 млн. лет) | Антропогеновая (четвертичная) Неогеновая Палеогеновая | 1,5 25 67 | 1,5 23,5 42 |
| Мезозойская (163 млн. лет) | Меловая Юрская Триасовая | 137 195 230 | 70 58 35 |
164
Окончание табл. 7.1
| 1 | 2 | 3 | 4 |
| Палеозойская | Пермская | 285 | 55 |
| (240 млн. лет) | Каменноугольная | 350 | 75-65 |
| | Девонская | 410 | 60 |
| | Силурийская | 440 | 30 |
| | Ордовикская | 500 | 60 |
| | Кембрийская | 570 | 70 ■ |
Ранняя история развития Земли
Ранняя история развития Земли включает три фазы эволюции:
- фазу аккреции (рождения);
- фазу расплавления внешней сферы земного шара;
- фазу первичной коры (лунную фазу).