Эволюция Вселенной и происхождение жизни - Пекка Теерикор

Вспомним наше описание радиохронологического метода, использующего очень прочные кристаллы циркона (врезка 29.1). Самый старый на Земле кристалл циркона, возраст которого 4,2 млрд лет, был найден в области Джек-Хиллс в Западной Австралии, но он был в породах, уже претерпевших метаморфозы. Циркон сформировался еще до того, как эти породы частично расплавились и подверглись переработке. Древнейшие коренные породы возрастом 3,9 млрд лет обнаружены в Западной Гренландии. А в Южной Африке и Западной Австралии есть коренные породы возрастом 3,5 млрд лет. Большая часть континентов значительно моложе миллиарда лет, а возраст глубоководного дна океанов нигде не превышает 250 млн лет. Все это означает, что если вы хотите исследовать Землю в эпоху ее молодости, то количество мест, откуда можно взять геологические образцы, весьма ограничено. Как уже говорилось, датирование важных событий прошлого, основанное на соотношениях изотопов, дает нам очень надежную систему измерения. Комбинируя данные по метеоритам, астрономическим туманностям, динамическим исследованиям Земли и изотопным исследованиям земных минералов, мы получаем приведенную ниже картину.

Начиная с момента формирования протопланетного диска, примерно 4,5б7 млрд лет назад, тело Земли быстро растет. Вещество было уже горячим, его температура составляла 750 °C. Когда радиус Земли достиг 1000 км, вещество в ее недрах начало расслаиваться. Железо и более тяжелые элементы утонули и образовали ядро, а кремний и более легкие элементы устроились ближе к поверхности. Земля собирала и газы, часть из которых сформировала протоатмосферу, возможно, состоящую из Н2, НO2, СO2, СО и N2. Часть этой атмосферы тут же улетучивалась, а часть была сорвана во время сильных столкновений. Но значительная часть газов проникла внутрь Земли, например в виде воды, связанной в гидратированных минералах. Энергия, выделявшаяся в процессе формирования, задерживалась водяным паром — очень эффективным парниковым газом. Поэтому поверхность молодой Земли была горячей, около 1700 °C, и вся покрыта океаном магмы из расплавленных горных пород.

Земля остывала за счет инфракрасного теплового излучения. Примерно через 250 млн лет в некоторых местах поверхности, где температура опустилась до 550 °C, жидкий океан лавы начал твердеть. Сформировалась тонкая твердая кора, которую время от времени пробивали астероиды и кометы. Земля остывала. Когда температура упала примерно до 250 °C, начался долгий дождь. Образовался первый океан, покрывший всю поверхность. Поскольку вода из атмосферы переместилась в океан, парниковый эффект ослаб и давление атмосферы существенно уменьшилось. Условия на Земле сильно изменились. Давление воздуха снизилось раз в десять, и температура сильно упала. Оставшаяся у Земли атмосфера теперь в основном состояла из азота (N2) и двуокиси углерода (СO2). Таким мы видим процесс формирования Земли.

Земля продолжала остывать, начали рождаться вулканы, некоторые из них поднялись над поверхностью воды. Горячая базальтовая лава выливалась из вулканов, смешивалась с водой и образовывала минералы, содержащие связанную воду, такие как серпентин. Росли скальные образования. В некоторых местах они становились слишком высокими, тонкая кора не выдерживала их веса, и они проваливались в мантию. Там они частично плавились при относительно невысоких давлениях и температурах, в результате более легкие породы, чем базальтовое основание, отделялись от базальта. Эти породы низкой плотности начинали «плавать» по океану, постепенно превращаясь в континенты. Первые свидетельства об океанах и возможных континентах были получены по цирконам из Джек-Хиллс, и возраст их составляет 4,2 млрд лет, они возникли всего через 400 млн лет после формирования нашей планеты.

Скорость эрозии этих молодых континентов, вероятно, была очень высокой, может быть, в миллион раз выше современной из-за высоких температур и высокого парциального давления СO2. Эрозия силикатных пород оказалась весьма эффективной для удаления двуокиси углерода из атмосферы и перемещения ее в мантию. Кальций выделялся из Са-силикатов земной коры в результате эрозии и переносился в море. Благодаря высокому парциальному давлению СO2 в море карбонаты осаждались и, следовательно, содержание СO2 в атмосфере уменьшалось. В зонах субдукции (похожих на современное тихоокеанское побережье Северной и Южной Америк) эти отложения опускались в мантию. Но позже двуокись углерода возвращалась в атмосферу при извержении вулканов. Континенты росли, и в какой-то момент начались тектонические движения. Пусковым механизмом для них мог стать подъем горячих конвективных ячеек из мантии или приливные силы близкой Луны и раскол земной коры.

В последние годы было надежно доказано и измерено движение тектонических плит, которое происходит с характерной скоростью «сантиметры в год». Например, Атлантический океан расширяется со скоростью от 2,2 см/год (Северная Атлантика) до 3,5 см/год (Южная Атлантика). На юго-востоке Тихого океана платформа Наска удаляется от Тихоокеанской платформы с рекордной скоростью 15 см/год, образуя новое океанское дно из базальта. Наряду с расширением океанского дна происходят и другие движения. В Калифорнии Тихоокеанская плита скользит вдоль края Североамериканской плиты со скоростью 5 см/год. В Индонезии Австралийская плита подныривает под Евразийскую плиту (около 6 см/год). Более легкие по составу, континенты, можно сказать, плавают в более плотных породах морского дна. Все это означает, что вещество морского дна гораздо моложе континентов.

В некоторых местах плиты сталкиваются. Эти области сейсмически активны. Если сталкиваются два континента, то они образуют высокие горы (Гималаи, Альпы). Там не наблюдается высокой вулканической активности. Горы появятся и в областях субдукции, где морское дно погружается под континентальную плиту. В этом случае прежнее морское дно частично плавится в мантии и обретает положительную плавучесть; так постепенно образуются вулканические цепи, такие как Малые Антильские острова в Карибском море или Огненное кольцо, окружающее Тихий океан и включающее Анды, Сьерра-Неваду и Каскадные горы.

Мы не можем «увидеть» недра Земли, но, к счастью, существует естественный инструмент для изучения ее строения, сейсмические волны. Они возникают при землетрясениях и регистрируются сейсмическими станциями, расположенными во многих местах Земли. На рис. 29.6 показана Земля в разрезе: ее три основных составляющих — кора, мантия и ядро.

Кора (0-40 км) — самая внешняя часть твердой Земли. Над корой расположены гидросфера, биосфера и атмосфера. В основном кора состоит из силикатов и обогащена элементами Si, Al, K и Na. Она очень тонкая, всего 10 км под океанами, но под континентами ее толщина может достигать 40–50 км. Океанская кора немного плотнее, чем континентальная, из-за того, что она обогащена Fe и Mg-силикатами.

Рис. 29.6. Внутреннее строение Земли.

Мантия (40-2890 км) делится на верхнюю и нижнюю мантию. В мантии происходит конвективное движение горных пород и минералов: холодные части тонут, а горячие всплывают.

Что касается тектоники, то верхняя часть мантии лишь частично расплавлена: ее верхние примерно 100 км почти твердые. Эту ее часть вместе с корой называют литосферой. Толщина литосферы может доходить до 200 км под старыми континентами, а под океанами она тянется в глубину всего на несколько десятков километров. Литосфера «плавает» на более «пластичном», но не жидком слое — астеносфере.

Ядро (2890–6370 км) в основном состоит из железа и никеля. Внешнее ядро на глубинах 2890–5150 км жидкое, а внутреннее радиусом примерно 1220 км твердое из-за очень высокого давления. Интересное совпадение: температура в центре Земли такая же, как в фотосфере, то есть на видимой поверхности Солнца, — около 5500 К.

Конвекция во внешнем жидком ядре довольно сильная, быть может, в миллион раз сильнее, чем в мантии. Поскольку вещество внешнего ядра имеет высокую проводимость, получается интересная среда, где быстро движущиеся и вращающиеся электрические поля взаимодействуют друг с другом. Это приводит к генерации магнитного поля. Источником энергии для конвекции служит тепло радиоактивного распада во внутреннем ядре.

Земля уникальна среди планет ее типа в том смысле, что у нее довольно сильное магнитное поле. У Меркурия, Венеры, Марса и Луны такого поля нет. Меркурий, Марс и Луна настолько малы, что у них нет твердого внутреннего ядра. В отношении Венеры полного понимания пока не достигнуто. По массе она близка к Земли, поэтому должна иметь похожее внутреннее строение. У нее должно быть магнитное поле, как у Земли, но его нет. Венера вращается очень медленно, совершая один оборот вокруг оси за 243 земных суток, и это может подавлять процесс генерации поля в ядре; либо Венера лишена твердого ядра, поскольку поток тепла из ее ядра, по-видимому, меньше, чем из ядра Земли.