2 - Происхождение Земли и солнечной системы
В самом начале формирования Солнечной системы произошло знаменательное событие, которое имеет прямое отношение к зарождению жизни на планете. Событие заключается в том, что у Земли появился спутник. Как он появился до конца неясно до сих пор. Существуют разные теории, пятьдесят лет назад считали, что Луна откололась от Земли и оставила после себя впадину – Тихий океан.
В настоящее время наука придерживается следующей гипотезы. Когда планеты уже были почти современных размеров в нашу Протоземлю по касательной врезался небесный объект размером с Марс, который именуется Тейя. Этот объект сформировался на орбите земли из того же орбитального материала. Когда его масса достигла 10% от земной, он стал колебаться на орбите и притягиваться к Земле, поэтому удар и был по касательной. Ядро Тейи погрузилось в ядро Земли. Часть каменистых пород Земли и Тейи было выброшено на орбиту нашей планет. В течении нескольких тысяч лет эти породы объединились в Луну.
Раньше орбита Луны была намного ближе к Земле – 60 000 км против современных 393 000. Поэтому планета вращалась быстрее, соответственно дни были короче, чем сейчас – один оборот за 5 часов. Но из-за приливного трения наш спутник стал постепенно удаляться, а Земля стала вращаться медленнее.
Еще до ДТП с Тейей на Землю в результате тяжелой астероидной бомбардировки падало много небесных тел. При падении происходил разогрев и планета находилась в расплавленном состоянии. Большую часть объема планеты составляла магма. Свободное железо в ней из-за своей массы опустилось к центру планеты и сформировало её ядро. Тяжелые части магмы, содержащие железо, опустились вниз, к ядру планеты. Легкие части магмы поднялись вверх.
Затем в течение нескольких десятков миллионов лет магма остыла и образовала мантию, а легкие её части на поверхности образовали земную кору. Мантия остается горячей, но представляет сейчас твердое тело. Нагрев происходит при распаде радиоактивных элементов, содержащихся в мантии. Половина тепла мантии осталось со времени образования планеты, другая половина получена от распада радиоактивных элементов.
Нижние породы мантии, находящиеся возле ядра, более горячие и поднимаются вверх. Верхние породы мантии, более холодные опускаются вниз. Это движение слоёв называется конвекцией. Мантия хотя и находится в твердой форме, тем не менее она текучая. Хотя и движение слоёв мантии происходит очень медленно – сантиметры в год. Из-за движения мантии происходят разные процессы: движение тектонических плит, землетрясения, извержения вулканов, горообразование и т.д.
В центре планеты находится ядро, состоящее из железа и частично расплавленное. Внутренняя часть ядра более холодная и твердая. Внешняя более горячая и жидкая. В жидкой внешней части ядра как и в мантии происходит движение слоев, что формирует магнитное поле планеты. Из всех планет земной группы оно самое мощное. Например, магнитное поле Меркурия составляет всего 1,1% от земного.
Благодаря магнитному полю на нашей планете есть жизнь, так как оно защищает наше поле от космической радиации – заряженных частиц солнечного ветра и от солнечных вспышек. Магнитное поле постепенно смещается, а каждые несколько сотен тысяч лет меняет свою полярность.
По мере остывания планеты её верхний слой магмы затвердел (базальт) и образовал тонкую кору. Впоследствии кора разделилась на литосферные плиты – прочные твердые блоки холодной породы толщиной до 100 км. Эти плиты находятся в движении по мантии. Скорость самой быстрой Тихоокеанской плиты составляет около 10 см в год. В местах стыков двух плит часто происходят землетрясения.
На литосферных плитах сформировались континенты, на это ушло около двух миллиардов лет. Из-за движения плит континенты также движутся и периодически собираются в суперконтитненты. Конечно, скорость движения 10 см в год вроде как небольшая, но если годов много, то и расстояние преодолевается приличное. Например, между Европой и Америкой расстояние порядка 4500-6000 км. Его континенты преодолеют за 50 миллионов лет, тем более что таким количеством времени наша планера располагала. Последний суперконтинент на планете существовал 200 млн лет назад и назывался Пангеей. За такое количество времени континенты могли преодолеть расстояние до 20 000 км.
Параллельно с континентами на Земле образовывалась атмосфера. Первоначально она состояла из углекислого газа и паров воды. Существует две теории, как на планету попала вода и углекислый газ. Согласно первой они были занесены астероидами. Поскольку на планете была плюсовая температура, то твердая вода (лед) и твердый углекислый газ (сухой лед) нагрелись. Лед перешел в жидкую и газообразную фазу, а сухой лед сразу в газ.
По второй теории вода и углекислота попали на поверхности изнутри планеты, то есть из мантии. Это логично, потому что планета сформировалась 4,5 млрд лет назад из каменных обломков, то есть тех же астероидов, в составе которых был и лед и углекислота. Если вы спросите, как в мантии могло находиться столько воды, чтобы наполнить океаны, то ответ простой. Масса океанов планеты составляет всего 0,03% от всей массы мантии. Если бы вся вода с поверхности планеты просочилась в мантию, то увлажнила бы ее только слегка.
В начальный период жизни планеты вода и углекислота находились в составе расплавленных пород – магме. Чем глубже к центру земли, тем больше давление. На поверхности планеты оно составляет 1 атмосферу, на глубине 50 км – 13 000 атмосфер, в центре Земли 3 000 000 атмосфер. Чем выше давление, тем лучше газ растворяется в жидкости. В шампанском и газированных напитках газ находится как раз под давлением. Но нижние горячие слои магмы поднимаются вверх, где давление уменьшается. Соответственно газ начинает выходить из магмы. Когда мы вскрываем бутылку шампанского или газировки, то давление в ёмкости резко уменьшается и газ выходит из жидкости. Поэтому большая часть воды и углекислоты выделилась из мантии в процессе её охлаждения и затвердевания. Но даже после этого они продолжали попадать на поверхность планеты в результате извержения вулканов.
В итоге на Земле образовалась атмосфера, состоящая из углекислого газа и паров воды. Оба этих газа являются парниковыми. Они пропускают солнечный свет, который нагревает поверхность планеты. Тепло от поверхности исходит в виде инфракрасного излучения, которое нагревает парниковые газы, то есть атмосферу – на поверхности планеты становится постоянно тепло, до 300 градусов. Из-за большого количества углекислого газа давление на поверхности достигало 60 атмосфер. При таком давлении и температуре в 250 градусов вода остается в жидком состоянии. Это способствовало тому, что углекислый газ стал связываться горными породами и его количество в атмосфере уменьшилось. Соответственно снизилось влияние парникового эффекта и температура на поверхности планеты стала уменьшаться. Это способствовало конденсации воды из пара и увеличению количества воды на поверхности. В конечном итоге концентрация углекислого газа в атмосфере снизилась до 0,03% и входящий в его состав углерод перешёл в горные породы.
Связывание углерода в породах происходит следующим образом. Углекислый газ растворяется в воде рек, озер и океанов и образует слабый раствор угольной кислоты. Лучше всего он растворяется в дождевых каплях, так как в них поверхность больше. Угольная кислота вступает в реакцию с силикатными породами и образует карбонаты – известняки и мрамор. А кислота, содержащаяся в океанах, образует известковые раковины кораллов и планктона.
Кроме углекислоты и воды из мантии в атмосферу попал азот. В первичной атмосфере планеты его концентрация была мала, но по мере уменьшения количества углекислого газа он стал доминировать. Сейчас его в атмосфере планеты 80%. Около 20% атмосферы планеты приходится на кислород и почти весь он биологического происхождения, то есть был синтезирован живыми организмами.
Благодаря атмосфере в настоящее время средняя температура на планете составляет +15 градусов. Если бы ее не было, то тогда температура была бы менее -20 градусов, водные массивы находились подо льдом. В этом случае жизнь была бы представлена только одноклеточными формами жизни.
Параллельно с возникновением атмосферы на поверхности планеты образовывались водные массивы – океаны. Так как Луна находилась на близком расстоянии от планеты (порядка 70 00 – 100 000 км), то приливные волны достигали высоты 300 метров. Сейчас, из-за удаленности Луны, средняя высота прилива в океане порядка метра, у берегов в разных местах она колеблется в зависимости от рельефа местности. В устьях рек она увеличивается, и может достигать высоты 18 метров (залив Фанди в Атлантическом океане).
Наличие у нас такого спутника привело к появлению приливных заводей, где создались благоприятные условия для развития жизни.