Эволюция Вселенной и происхождение жизни - Пекка Теерикор

Нам трудно уразуметь, что «неподвижные» звезды меняют свое положение на небе в течение тысяч лет. Точно так же трудно представить, что твердые камни под нашими ногами движутся и меняют свои очертания. Движение звезд на небе и гор с континентами противоречит нашей интуиции, поскольку мы привыкли относиться к ним как к точкам отсчета для всего, что движется быстрее, например, планеты, приливы и воздушные потоки. Огромные возрасты, полученные радиохронологическим методом, заставили по-новому взглянуть на процессы, происходящие в Земле, для которых дли-на человеческой жизни — всего лишь миг. Соответствие береговых линий восточной части Южной Америки и западной части Африки озадачило географов сразу же после создания первых достаточно точных карт этих материков. Тогда это обычно объясняли тем, что Атлантический океан представляет собой широкий каньон и средняя часть единого континента туда провалилась. Французский географ Антонио Снайдер-Пеллегрини в 1858 году предположил, что Южная Америка и Африка раскололись и разошлись на современное расстояние. Его смелая теория в точности соответствовала библейскому контексту. На пятый день творения все континенты были единой сушей. На шестой день творения появились длинные разломы. Извержение вулканических газов раздвинуло континенты. В это же время Земля сжалась, и моря залили континенты, вызвав гигантский потоп (рис. 29.2).

Рис. 29.2. Антонио Снайдер-Пеллегрини (1802–1885) нарисовал первую карту, демонстрирующую движение континентов.

Для геологов такое объяснение не имело никакого смысла. Через пятьдесят лет, когда опять был поднят вопрос о движении континентов, подмоченная репутация Снайдера вызвала отрицательную реакцию на новую теорию. В 1910 году американец Ф. Э. Тейлор предположил, что образование горных цепей обусловлено движениями континентов. По его мнению, Гималаи образовались из-за того, что Евразийский континент двигался к югу и столкнулся с Индийским субконтинентом.

Обычно отцом тектонических движений считается Альфред Вегенер (1880–1930). Немецкий ученый был поражен схожестью окаменелостей на обоих берегах Атлантики и в 1912 году предположил, что 200 млн лет назад, в мезозойскую эру, все континенты образовывали единый суперконтинент Пангею, окруженную океаном Панталасса (рис. 29.3 и 29.4). Суперконтинент раскололся на части, и современные континенты начали расходиться. Свою идею Вегенер опубликовал в 1915 году в книге «Происхождение континентов и океанов». В пользу этой теории он приводил несколько аргументов.

1. Земная кора бывает двух типов: более легкая образует континенты, а более плотная — дно океанов. Континенты плавают в океанской коре и даже скользят по ней, если возникает боковая сила.

2. Береговые линии Южной Америки и Африки совпадают. Если учитывать мелководный континентальный шельф, то это совпадение усиливается. В этом случае даже Северная Америка и Европа тоже совпадают (см. рис. 29.3).

3. Если их совместить, то легко заметить, что и геологические структуры так точно совпадают, что совершенно очевидно, что континенты раскололись и разошлись.

Рис. 29.3. Единый сурперконтинент Пангея 225 млн лет назад, окруженный океаном Панталасса. Показано совпадение береговых линий и границ континентального шельфа. Читатель легко узнает Северную Америку, Южную Америку, Евразию и Африку. Попробуйте найти Антарктиду, Индию и Австралию.

4. Окаменелости на обеих сторонах Атлантического океана тоже совпадают, что свидетельствует: эти части суши были когда-то связаны (рис. 29.4).

5. Геологические свойства говорят о том, что континенты перемещались по разным климатическим зонам: в высоких широтах можно обнаружить залежи угля, хотя сформироваться они могли только у экватора. В то же время у экватора можно обнаружить признаки полярных ледяных шапок.

Рис. 29.4. Часть единого суперконтинента Пангея. Карта показывает совпадение однотипных ископаемых остатков на современных континентах.

Вегенер не мог указать, что служит причиной движения континентов. Это и сдерживало признание его теории. Даже в 1948 году известный американский геолог утверждал, что «теория движения континентов — это фикция, это захватывающая идея, вводящая наше воображение в заблуждение». Но вскоре после этого теория Вегенера получила мощную поддержку от результатов изучения двух предметов:

1) магнитных свойств коренных и осадочных морских пород (палеомагнетизм);

2) топографии (деталей поверхности) морского дна.

Мы еще вернемся к современным взглядам на движения континентов и их физическое значение, но сначала опишем, как сформировались Солнечная система и Земля.

Наше Солнце, планеты и малые тела Солнечной системы сформировались в обширном газовом облаке. Та часть облака, где это произошло, была очень холодной: около -260 °C. С астрономической точки зрения, облако было плотным (около миллиона атомов в кубическом сантиметре), непрозрачным и выглядело совершенно черным. Такие облака существуют в космосе и сегодня. В основном это газовое облако состояло из водорода и гелия с примесью около 1 % более тяжелых элементов. Некоторая часть вещества была в виде льда и минеральной пыли, например кристаллов оливина, графита, очень мелких алмазов и других минералов. Облако сжималось и при этом сплющивалось и ускоряло свое вращение, как балерина в пируэте, из-за сохранения углового момента (см. главу 15). Постепенно сформировался протопланетный диск, температура и плотность которого возрастали в направлении центра. Это как раз то место, где образовалось Солнце. В экваториальной плоскости диск тоже стал плотным, и там начали формироваться планеты.

Вблизи Протосолнца протопланетный диск был горячее, чем во внешних областях. К тому времени, когда большая часть пыли осела к экваториальной плоскости диска, температура на расстоянии будущей орбиты Земли повысилась до 700 °C. Когда горячее вещество протопланетного диска стало остывать, многие минералы начали кристаллизироваться. В зависимости от начальных условий, таких как температура и скорость остывания, образовывались различные типы кристаллов. Их до сих пор находят в метеоритах. Самое древнее вещество Солнечной системы обнаружено в углистых хондритах. Эти метеориты содержат очень древнее вещество двух типов: углеродные хондрулы — маленькие черные сфероидальные частицы; а второй тип — это кальциево-алюминиевые включения, которые бледнее и немного больше хондрул (вплоть до 1 мм).

Возрасты измеряют по изотопам различных элементов. Возраст метеоритов определяется по отношению изотопов U и Pb, изотопов Al и Mg и изотопов Rb и Sr. Соотношение изотопов Al/Mg дает относительный возраст, говорящий об истории протопланетного облака. Например, по распаду короткоживущего изотопа 27Al можно определить, что разные хондрулы в метеорите образовались в одно и то же время, с точностью до 1 млн лет. Изотопы Rb/Sr также показывают относительный возраст молодой протопланетной туманности, но чаще их используют для исследования относительных возрастов индивидуальных метеоритов. Изотопы U/Pb дают абсолютный возраст, поскольку количество родительских и дочерних изотопов можно прямо измерить. Определив возрасты нескольких хондрул из метеорита, можно сказать, когда сформировался этот метеорит. Абсолютный возраст, полученный по углеродным хондрулам древних метеоритов, составляет 4,567 ± 0,001 млрд лет. Сейчас это наиболее точное значение возраста Солнечной системы.

Характерное время формирования планет было довольно коротким. Нужно помнить, что 50 млн лет — это всего лишь 1 % от возраста Солнечной системы. Как мы далее увидим, образование планетной системы было почти мгновенным, по крайней мере, в астрономическом и геологическом смыслах. Хотя еще не все детали изучены, но считается, что в целом формирование планет происходило так.

Частицы пыли начали слипаться в экваториальной плоскости протопланетного аккреционного диска. Эти конгломераты в течение нескольких тысяч лет выросли в большие рыхлые пылевые комья размером до 1 км. Двигаясь по орбитам внутри протопланетного диска, они собирали все больше пыли и сталкивались с другими подобными им комьями. Их гравитация усиливалась и делала их более компактными, освобождая таким образом пространство. Когда размер этих планетезималей достиг примерно 800 км, их собственное тяготение стало таким сильным, что они приняли сферическую форму. Это превращение не было внезапным, а происходило постепенно по мере роста тела. Примерно в это же время планета достаточно увеличилась, чтобы своим тяготением начать собирать из окружающего пространства пыль и газ и от этого расти еще быстрее.