Эволюция Галактики. Эволюция Солнечной системы. Геологические концепции. Эволюция Земли

Галактика - гигантское скопление звезд и звездных систем. Каждая галактика имеет свое ядро (центр) и различные формы.

Формы галактик: сферические, спиралевидные, эллиптические, сплюснутые, неправильные.

Галактик так же много, как и звезд, Хаббл подсчитал, что на 1 кв. градус на небесной сфере приходится в среднем 131 галактика. Он же сделал вывод о том, что галактики в Космосе распределены почти равномерно по всем направлениям (изотропность).

Галактики образуют скопления и совершают собственные движения. Благодаря красному смещению можно оценить расстояние до галактик и до края видимой Вселенной - Метагалактики.

Галактическое ядро является источником энергии. Наиболее энергетически мощны активные спиральные галактики с развитыми ядрами. Активность ядра галактики связана со взрывом. Многие исследователи считают, что в ядрах гигантских эллиптических галактик должны быть гигантские черные дыры, которые появились там в ходе эволюции.

Наша Галактика - рядовая звездная система. Она видна всем нам в безлунную ночь - это Млечный Путь. Галактика состоит из 200 млрд. звезд и имеет довольно сложную фигуру – что-то похожее на диск с утолщением в центре.

Возраст нашей Галактики около 13 млрд. лет. Первоначально она была медленно вращающимся газовым облаком огромных размеров. Облако сжималось благодаря гравитации. В ходе этого процесса рождались первые звезды. Скорость вращения росла. Центробежные силы возросли и прекратили сжатие поперек оси вращения, вдоль же оси сжатие продолжалось. Отсюда форма нашей Галактики – тонкий диск.

Солнечная система расположена почти на краю Галактики, что говорит об ее относительной молодости. Возраст Солнца – около 5 млрд. лет.

В солнечной системе 9 планет: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон. Кроме Плутона, планеты вращаются вокруг Солнца в одном направлении, имеют незначительные наклоны плоскости орбит. Почти у всех планет есть спутники.

Начиная с XVII в., ученые предлагают различные научные гипотезы происхождения Солнечной системы. И.Кант предполагал, что Солнечная система образовалась из «хаоса» - космического облака. Поскольку существуют силы притяжения и отталкивания, в хаосе зародились круговые движения. Планеты образовались из сгущений, возникших в туманности, и, благодаря центробежной силе, стали вращаться вокруг центра. Идею Канта в целом поддержал У.Гершель. Он считал, что звезды образовались при медленном сгущении газовой материи. Лаплас считал, что первоначально Солнце было звездой таких огромных размеров, что его размеры превышали радиус орбиты Юпитера. Постепенно и медленно вращаясь, это Солнце охлаждалось и уменьшалось в размерах. При этом от Солнца отделялись газовые кольца. Из этих колец, с точки зрения Лапласа, и образовались планеты.

Теория Канта-Лапласа, которая называется небулярной гипотезой, господствовала в науке до конца XIX в. Но эта теория не могла объяснить, почему у внешних планет-гигантов большие орбиты, почему вращение Солнца медленное и, главное, почему момент количества Солнца меньше момента количества планет почти в 29 раз, если Солнечная система изолирована? Значит, была внешняя сила, которая вмешалась в развитие Солнечной системы? Ответ на эти вопросы вызвал к жизни катастрофические теории возникновения Солнечной системы. Согласно одной из них, неподалеку от Солнца прошла другая звезда, это вызвало возникновение газовых струй, из которых и возникли планеты. Орбиты планет были сначала сильно вытянуты, но, из-за огромного сопротивления пылевой среды между двумя звездами, постепенно стали круговыми. Из этой гипотезы вытекает, что образование планетной системы - явление уникальное, ибо близкое прохождение звезд бывает крайне редко.

Советский ученый В.Г. Фесенков дал объяснение происхождения планет, исходя из процессов, происходящих внутри Солнца. Он считал, что планеты образовывались во время перехода от одного типа ядерных реакций внутри Солнца к другому. Этот переход определялся прежде всего температурными условиями.

Около 5 млрд. лет назад наше Солнце стало протозвездой. В результате действия центробежных сил в экваториальной части Солнца образовался газопылевой диск. Этот диск рос, в нем возникали условия для рождения планет. В течение почти 100 млн. лет шли процессы, приведшие к началу термоядерных реакций. Солнце «загорелось». В газопылевом диске, который теперь имел вид кольца, пылинки слипались между собой. Внутренняя часть кольца нагревалась Солнцем, это вызывало испарение, солнечный ветер гнал легкие элементы в более дальние области кольца, где они охлаждались. Планеты-гиганты образовывались дольше, чем планеты земной группы. За 100 млн. лет, когда планеты земной группы уже образовались, в гигантах сформировались только ядра. Потом они аккумулировали газ из окружающего пространства, образовав свои атмосферы. Более дальние планеты формировались еще дольше. Есть гипотеза, что они - остывшие звезды, притом они остыли раньше, чем Солнце стало звездой.

Процесс образования каждой планеты имеет свои особенности.Наша Земля родилась около 5 млрд. лет назад на расстоянии 150 млн. км от Солнца. Сперва на ней не было атмосферы. Атмосфера рождалась в процессе вулканической деятельности. Одновременно возникали океаны - места, в которых конденсировались водяные пары. Первичная атмосфера была гораздо плотнее современной и состояла в основном из углекислого газа. Примерно 2 млрд. лет назад произошло резкое изменение состава атмосферы, которое было связано с возникновением жизни: первые растения поглотили большую часть углекислого газа и дали в атмосферу кислород. Вот уже 200 млн. лет, как темная атмосфера практически не изменилась.

Солнце и Луна влияют на Землю: они вызывают приливы, кроме того, Земля удлиняется до 30 см под их влиянием. Из-за приливных сил возникает сила трения, которая замедляет вращение Земли вокруг оси. Отсюда – удлинение суток. Сейчас известно, что удлинение суток составляет 0,002 с за 100 лет.

Все тела Солнечной системы построены из небольшого числа элементов и имеют единое происхождение. Древняя Земля была радиоактивна. Это очень важно, потому что радиоактивность способствовала образованию твердых ядер у планет. Кроме того, распадались неустойчивые атомы и образовывались новые химические элементы. Радиоактивные изотопы, распадаясь, выделяют тепло. Т.к. Земля теряет тепло, отдавая его в Космос, то тепло, произведенное за счет радиоактивности, поддерживало тепловой баланс Земли. Со временем радиоактивность уменьшилась.

Вся история Земли делится на две части: более древняя охватывает интервал времени от 570 до 3800 млн. лет назад и называется криптозоем. Более молодая - 570 млн. лет - называется фанерозоем.

Этапы развития Земли с точки зрения химико-биогенного осадкообразования:

1. Первичный океан и первичная атмосфера. Живое существует в очень ограниченных масштабах. Океан - весьма кислый раствор. Атмосфера состояла в основном из углекислоты. Образовывались первичные осадочные породы. Поверхность Земли состояла из неглубокого океана, из которого выступали в виде островов вулканы. Климат был влажный, везде одинаковый.

2. Первые организмы. Появляется суша: рождались горные цепи, выравнивались участки между ними. В океан с поверхности сносилось много элементов, в т.ч. карбонатов. Это способствовало исчезновению сильной кислотности, возникновению карбонатных солей. Атмосфера очищалась от аммиака и метена, все большую роль начинает играть азот. Появились климатические зоны: сухого, холодного, влажного климата. Появились глинистые минералы, которые способствовали образованию кристаллических сланцев.

3. Земная кора растет, откладываются осадочные породы. Возникли континенты. Появился фотосинтез. Кислород стал быстро менять состав атмосферы, океан также обогащается кислородом. Накапливались огромные толщи пород, содержащие железо в различных формах.

4. Появились две платформы - Гондвана и Лавразия. Развиваются все известные сейчас формы осадочных пород внутри континентов. Жизнь вышла из воды на сушу, меняет мир вокруг себя.

Строение Земли.Континентальная часть земной коры эволюционировала от основного базальтового состава к гранитному и, наконец, к континентальному. Согласно теории тектоники плит, верхний слой земной коры состоит из 15 жестких плит, среди которых 6-7 крупных. Плиты могут сталкиваться, погружаться друг под друга, так как они плавают по мантии Земли. Мантия - расплавленные глубинные породы. Вместе с плитами могут перемещаться и континенты, что и было неоднократно в геологической истории Земли. Земная кора меняется, это вызывает разные катастрофы. Зная о периодическом характере соединения и раскола суперконтинентов, можно предсказывать будущие катаклизмы.

Земля имеет шарообразную форму, но этот шар слегка сплющен у полюсов. Разность между экваториальным и полярным радиусами составляет 21,4 км. Обусловлено это действием центробежных сил, возникающих при вращении Земли. Поэтому форма Земли ближе к эллипсоиду вращения.

Основные характеристики Земли:

1. Масса – 5,98 × 10²⁴ кг

2. Полярный радиус R_п = 6356,8 км

3. Экваториальный радиус R_э = 6378,2 км

4. Длина экватора – 40075,7 км

5. Длина меридиана – 40008,5 км

Вокруг Солнца Земля движется почти по круговой орбите радиуса 149,6 млн. км (1 а.е.) со скоростью около 30 км/с.

Период обращения вокруг Солнца (земной год) составляет 365,25 суток, период вращения Земли вокруг собственной оси (земные сутки) составляет 23 часа 56 минут 4 секунды. Возраст Земли оценивается в 4,5 млрд. лет. Земля имеет сложное (слоистое) строение в виде сферных оболочек. Основной способ изучения строения Земли – это исследование сейсмических волн, возникающих при землетрясениях и атомных взрывах. Главные элементы внутренней структуры Земли – ядро, мантия и земная кора. Ядро Земли состоит из внутреннего ядра и внешнего. Объем ядра составляет 17% объема земли, а масса – 34% массы Земли. Самым крупным элементом структуры Земли является мантия (83% объема и 66% массы Земли) Она состоит из трех слоев: нижняя мантия, переходная зона и верхняя мантия. От ядра мантия отделяется границей Вихерта – Гутенберга, от земной коры – границей Мохоровичича.

Земная кора, слой Мохоровичича и верхняя часть мантии образуют литосферу. Над земной корой находится атмосфера; область, занятая океанами и морями, образует магнитосферу, гравитационное – гравитационную сферу.

Внутренне ядро состоит более чем на 90% из железа. Его температура достигает 5000 К, но благодаря очень большому давлению железо находится в кристаллическом состоянии. Внешнее ядро состоит, по-видимому, из железа, его оксидов, примесей кремния, никеля и их соединений с ерой и кислородом. Вещество внешнего ядра находится в жидком состоянии. Это значить, что твердое внутреннее ядро «плавает» в жидком оболочке.

Мантия Земли состоит в основном из оксидов железа, кремния и магния. На границах с земной корой ее температура составляет примерно 500 К, на границе с ядром – свыше 2000 К. Вещество мантии на границе с ядром находится в твердом состоянии, далее – в жидком, на глубине около 300 км (атеносфера) – в размягченном. В мантии происходят интенсивные механичсекие и тепловые потоки, что приводит в литосфере к образованию океанических впадин, горных хребтов, к изменению форм и очертаний материков (тектонические процессы).

Внешней оболочкой Земли является земная кора. Средняя ее толщина – 33 км (под материками от 20- до 75 км, под океанами – 2-15 км). Состоит из трех типов пород:

- изверженных (магматических) - базальта, гранита и др.;

- осадочных – гальки, щебня, известняка, бокситов, торфа, угля, нефти и др.;

- метаморфических (образованных из магматических и осадочных пород) кварцитов, мрамора и др. Образуется земная кора за счет движения литосферных плит, разрушения и выветривания горных пород и осадконакоплений. Самая высокая точка на суше – 8848 м над уровнем моря (г.Эверест в Гималаях).

Литосферные плиты, толщина которых колеблется от 2 до 100 км, как бы впаяны в вещество мантии. Однако при длительной постоянной нагрузке мантия становится мягкой, и плиты в ней перемещаются. Предполагается, что примерно 200 млн. лет назад все материки были объединены в один огромный суперконтинент, называемый Пангеей, но в результате движения плит от 1 до 5 см в год суперконтинент раскололся, и смещение составляет на сегодня примерно 4800 км (теория глобальной тектоники или теория дрейфа континентов).

Гидросфера состоит из вод океанов, морей, рек, озер, подземных источников и материковых льдов. Масса гидросферы составляет примерно 1/4000 долю всей массы Земли.

Вода представлена на Земле во всех трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном. Основная часть воды соленая и сосредоточена в четырех океанах, границы между которыми условны. И только 1% приходится на пресную воду: реки, озера, подземные воды. Современный уровень Мирового океана установился примерно 7 тыс. лет назад.

Самая глубокая впадина Мирового океана составляет 11022 м (Марианский желоб в Тихом океане). Если температура на суше изменяется от -89°С (станция Восток в Антарктиде) до +58°С (г.Триполи, Северная Африка), то среднегодовая температура поверхности вод Мирового океана составляет примерно 17,5°С, при суточных колебаниях — около 1°С, при годовых — около 10°С. Поэтому Мировой океан для Земли является гигантским термостатом. В океанической воде растворены почти все элементы таблицы Менделеева (преобладают хлор и натрий). Это значит, что вода является универсальным растворителем.

Воздушная оболочка Земли — атмосфера — содержит около 78% азота, 21% кислорода, 1% аргона, углекислого газа и других газов. В атмосфере выделяют 5 слоев:

1. Тропосфера (16—18 км над поверхностью Земли, здесь содержится основная масса воздуха и водяного пара, идет их интенсивное перемешивание). Температура в тропосфере с высотой падает примерно на 1°С при подъеме на 1 км.

2. Стратосфера(до 55 км, водяного пара нет, перемешивание воздуха есть, на высоте около 20—30 км расположен озоновый слой, защищающий все живое на Земле от вредного космического излучения). Температура в стратосфере с высотой растет, хотя остается ниже 0°С.

3. Мезосфера (до 90 км, температура сначала повышается, но у верхней границы падает до - 90°С).

4. Ионосфера (до 800 км). На высоте около 100 км температура достигает 0°С, на высоте 200 км — 500°С и растет далее.

5. Экзосфера (до 2000—3000 км, температура в ней достигает до 2000°С).

На высоте примерно 100 км находится зона полярных сияний. Следствием состава земной атмосферы является парниковый эффект. Водяной пар и углекислый газ, пропуская хорошо на Землю излучение Солнца, плохо пропускают (хорошо поглощают) излучение Земли. В атмосфере происходят различные процессы (образуются облака, дождь, снег, бури, смерчи, циклоны, антициклоны и др.), определяющие погоду.

Магнитосфера Земли простирается примерно от 500 км до 60 000 км (около 10 земных радиусов), там, где напряженность магнитного поля Земли сравнивается с напряженностью межпланетного магнитного поля. Напряженность магнитного поля Земли с удалением от ее поверхности уменьшается пропорционально кубу расстояния. Состояние магнитного поля Земли определяется его взаимодействием с потоками космических частиц. Магнитные полюса Земли не совпадают с географическими полюсами. Кроме того, их положение из года в год меняется. По данным современной науки, на протяжении последних 80 млн. лет происходило многократное перемагничивание Земли, в результате чего магнитные полюса менялись местами.

В период смены полярности напряженность магнитного поля Земли становится равной нулю. В настоящее время Северный магнитный полюс Земли находится в точке с приблизительными координатами 79° с.ш., 70° з.д. на северо-востоке Канады (примерно 1300 км от Северного географического полюса).

Радиус гравитационного поля Земли (радиус гравитационной сферы) рассчитывается как расстояние, на котором земное тяготение превосходит солнечное (≈2,6 × 10⁵ км), или как расстояние, на котором могут двигаться тела, оставаясь спутниками Земли (≈1,5 × 10⁶ км). Гравитационное поле проявляется на Земле наличием силы тяжести и ускорения свободного падения.

Эволюцию Земли можно представить как ряд периодов, следующих друг за другом с начала ее образования и до наших дней.

Первый период (4,5—4 млрд. лет). В этот период происходит образование Земли путем гравитационной концентрации холодного газопылевого облака, рассеянного в околосолнечном пространстве и содержащего все известные в природе химические элементы. Тяжелые элементы образовывали ядро, легкие — кору, т.е. шло расслоение протоземли. За счет сил гравитации, падения метеоритов и радиоактивного распада Земля все больше и больше разогревалась. Дегазация вещества (главным образом мантии) приводит к началу образования атмосферы, состоящей в основном из метана, аммиака и углекислого таза, паров воды и нескольких инертных газов. Первичный океан возник в процессе конденсации паров вещества мантии Земли и состоял из HCI, HF, H₂B0₂, Si0₂, т.е. был достаточно кислым раствором.

Второй период (4—3,5 млрд. лет). В мелководном океане появляются первые острова и протоконтиненты, сложенные из горных пород, содержащих преимущественно кремний и алюминий.

Третий период (3,5—2,7 млрд. лет). Образуется железное ядро, возникает магнитное поле (магнитосфера), продолжает формироваться кора.

Четвертый период (2,7—2,3 млрд. лет). Около Северного полюса образуется единый суперконтинент Пангея, расположенный в едином суперокеане Панталассе.

Пятый период (2,3—1 млрд. лет). Происходит охлаждение коры и литосферы. За счет сложных механических движений и процессов единый суперконтинент распадается на отдельные плиты, пространство между которыми заполняют вулканы и осадочные породы. Надводные системы образуют новый суперконтинент Пангея I. В этот период органический мир представлен сине-зелеными водорослями, которые в процессе фотосинтеза вырабатывают кислород, наполняя им атмосферу.

Шестой период (примерно 1,7 млрд. — 650 млн. лет). Пангея I распадается на два материка: Гондвану, куда вошли Южная Америка, Африка, Индия, Австралия и Антарктида, и Лавразию, включающую Северную Америку, Гренландию, Европу и Азию, кроме Индии. Их разделяет море Тетис. Наступают первые ледниковые эпохи. Органический мир представлен главным образом многоклеточными бесскелетными организмами, появляются первые скелетные организмы, происходит нефтеобразование.

Седьмой период (650—280 млн. лет). С помощью горного пояса Гондвана соединяется с Лавразией и образуется Пангея И. Оледенение дважды охватывает Гондвану, образуются контуры океанов. Появляются рыбы и земноводные. Растения выходят на сушу, и начинается процесс углеобразования.

Восьмой период (280—130 млн. лет). Начинается раскалывание Пангеи II. Африка отделяется от Южной Америки и Индостана, Индостан — от Австралии и Антарктики. Затем Австралия отделяется от Антарктиды. Суша покрывается растениями. В животном мире господствуют земноводные и пресмыкающиеся. Появляются птицы и млекопитающиеся.

Девятый период (130 млн. лет — 600 тыс. лет). Материки и океаны принимают вид, близкий к современному. В начале периода климат на Земле теплый и влажный, в конце — резко контрастный. Происходит сначала оледенение Антарктиды, а затем Арктики. Складываются фауна и флора, близкие к современным. Появляются первые предки человека разумного (Homo sapiens).

Десятый период (современность). Продолжается химик биологическая дифференциация вещества Земли в ее геосферных оболочках.

Современная наука рассматривает нашу планету как открытую, неравновесную и диссипативную систему. Открытость Земли означает, что в ней идут процессы обмена энергией и веществом не только между ее оболочками, но и с более далеким Космосом. Эта система в течение миллионов лет находится в состоянии устойчивого неравновесия, обеспечивая большую стабильностьусловий существования для живой и неживой природы. Это огромная самоорганизующаяся система, в которой происходит циклическая передача вещества и энергии между ее главными частями — атмосферой, гидросферой, корой, мантией ядром. С этой точки зрения весь геологический этап истории Земли — это не беспорядочное нагромождение фактов и событий, а отражение крупномасштабных циклов гигантской машины. Такие циклы, как смена дня и ночи, смена времен года, смена одного земного года другим стали уже привычными.

Дата добавления: 2014-02-28; просмотров: 599; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!