Происхождение Земли

Происхождение Солнечной системы долгое время было предметом научных дискуссий. Было выдвинуто несколько гипотез, по-разному объяснявших ее возникновение. Очень долго в космогонии господствовало представление о конденсации планет из раскаленных сгустков солнечных газов. Однако сейчас твердо установлено, что наша планетная система образовалась из холодного газово-пылевого облака, которое некогда существовало вокруг Солнца. Вопрос о происхождении этого допланетного облака пока еще не решен, но наиболее вероятно, что оно образовалось совместно с Солнцем. В настоящее время установлено, что атомы вещества, из которого "построены" Солнце и планеты, образовались при взрывах сверхновых звезд, которые происходили в нашей Галактике в течение, по крайней мере, 10 млрд. лет. Последняя доля из продуктов такого взрыва была получена веществом Солнечной системы от 30 до 300 млн, лет назад.

Протопланетное облако, из которого образовалась Земля и другие планеты, первоначально, к тому времени, когда Солнце уже сформировалось, имело температуру около 2000° С и находилось в газообразном состоянии. На 98% оно состояло из водорода и гелия, а 2% приходилось на долю всех остальных элементов, которые при охлаждении облака сконденсировались в пылевые частицы. При температурах 1800-1900° С сгущались самые нелетучие вещества. При температуре 1600° С конденсировалось железо. Благодаря присутствию водорода оно выделялось в металлическом виде. При остывании облака до 1400° С затвердевали силикаты. При температуре 600° С образовывалось сернистое железо.

Процесс объединения образовавшихся при охлаждении облака пылевых частиц в планеты был рассмотрен акад. в О. Ю. Шмидтом. При этом О. Ю. Шмидт дал объяснение основных закономерностей планетной системы. Космогонист В. С. Сафронов, продолживший разработку теории О. Ю. Шмидта, изучив законы объединения и дробления в протопланетном облаке, вычислил время роста Земли. Земля приобрела 98% своей массы за 100 млн. лет. В различных частях протопланетного облака температура была неодинаковой. В областях далеких от Солнца она была очень низкой, и все вещества, кроме водорода и гелия, конденсировались в частицы. Среди них преобладали ледяные частицы метана, аммиака, воды, которые вошли в состав планет-гигантов. В области планет земной группы температура была значительно выше, и все летучие вещества и в том числе метан и аммиак остались в газовом состоянии, в образовавшиеся здесь небольшие плотные планеты состоят - в основном из силикатов и металлов. Незамерзавшие водород и гелий рассеялись в пространстве под действием мощного "солнечного ветра" - потока быстрых частиц, извергавшихся Солнцем на заключительной стадии его формирования. Эти газы были потеряны на раннем этапе образования планет, когда массы зародышей почти всех будущих планет были еще малы. Только зародыши Юпитера и Сатурна были достаточно велики для того, чтобы своим тяготением удерживать значительные количества газов на поверхности. Весь газ, оставшийся в облаке в области Юпитера и Сатурна, был поглощен их зародышами, и потому их масса оказалась много больше масс других планет, а химический состав мало отличается от солнечного состава.

При изучении процессов роста планет в протопланетном облаке В. С. Сафроновым была выяснена значительная роль крупных тел, поперечником до 1000 км. Падая, такие тела сильно нагревали растущую Землю. Их тепло проникало на значительную глубину. Наибольшая температура 1500 К достигала на глубинах 300-500 км. Средняя же начальная температура всей Земли лишь немного превышала 1000 К, т. е. области падения крупных тел на Землю дополнительно нагревались на сотни градусов. Эти большие температурные неоднородности явились основным фактором дальнейшей эволюции Земли. После образования Земли ее недра разогревались в результате накопления тепла, выделяющегося при распаде радиоактивных элементов (U, Th, К), вошедших в ее состав. Дополнительно подогретые ударами, области первыми достигали температуры плавления, и в них раньше всего начались процессы, связанные с расплавлением вещества и с его последующей гравитационной дифференциацией. Более тяжелые вещества опускались вниз, а более легкие поднимались вверх и образовывали земную кору. Весьма вероятно, что именно над сильно нагретыми областями началось образование континентов. В Земле, разогреваемой радиоактивными элементами, гравитационная дифференциация происходила очень медленно и продолжается до сих пор. С ней связана современная внутренняя активность Земли - горообразование, сейсмичность и т. п.

Сейсмическими наблюдениями давно установлено, что в Земле существует плотное ядро. Однако природа его до сих пор не выяснена. По одним предположениям, ядро состоит или из железа с примесью более легких элементов или из смеси окислов железа, по другим - из силикатов, перешедших в металлизованное состояние под действием высокого давления, господствующего в глубине Земли.

Земля, непосредственно после своего образования, не имела атмосферы. Это было связано с тем, что газы из протопланетного облака были потеряны раньше, чем растущая Земля стала настолько массивной, чтобы своим тяготением удерживать заметное количество газа на поверхности.

Длительный этап формирования нашей планеты шел в сопровождении бурно и сложно проявлявшихся химических реакций, что, несомненно, осуществлялось с поглощением свободного кислорода при образовании кремнекислоты и ряда других компонентов магматических пород. При разогревании недр Земли газовые компоненты планеты, вовлеченные во внутренние зоны, выделялись на ее поверхности и создали, таким образом, вторичную, собственно земную атмосферу.

Достигнув к этому времени значительных размеров в результате накопления падавших на поверхность Земли частиц вещества туманности, планета стала способной удерживать эти газы, в основном углеводородные газы, аммиак, углекислоту, свободный водород, при отсутствии свободного кислорода и азота. Все запасы кислорода, которые могли быть вовлечены в процесс формирования вследствие присутствия неокисленных соединений, несомненно, полностью шли на их окисление. Вода в парообразном состоянии образовывала тогда пелену облаков. Взаимодействие между углекислотой и водородом должно было приводить к образованию метана и водяного пара. В связи с этим появилась вода в атмосфере и на поверхности Земли. Возник круговорот воды, возникли моря и океаны.

Первичный кислород мог образоваться в результате воздействия ультрафиолетовой радиации Солнца, а также и других космических излучений на молекулы углекислого газа.

Поверхность земной коры, покрытая газовой оболочкой - атмосферой, является ареной проявления многих разнообразных геологических процессов, и естественно предполагать, что именно здесь сначала образовались сложные углеродные соединения, а затем на их основе возникла и жизнь. Вторичная атмосфера Земли состояла из водорода, метана, аммиака, окиси углерода и сероводорода с парами воды в неясных количественных соотношениях.

С самого образования атмосферы из ее состава весьма интенсивно ускользал молекулярный водород. Позднее, с появлением молекулярного кислорода, этот процесс замедлился, хотя не прекратился и к настоящему времени. Как известно, Земля отдает в космос значительные количества молекулярного водорода, порядка 10⁷ атомов в секунду с 1 см². Это соответствует расходу 20 г воды с 1 см² в течение 4,5 млрд. лет.

Первоначально Земля не имела водных бассейнов, и первичные запасы воды в виде пара входили в состав Древнейшей атмосферы. Впоследствии с понижением температуры ее поверхности метан и аммиак, соединяясь с парами воды, переходили в раствор.

Так образовались первичные водные бассейны. Некоторые летучие соединения водорода - СН₄, С₂Н₂, НСl и другие,- оставаясь в составе атмосферы, подвергались воздействию ультрафиолетовых лучей и разлагались с выделением молекулярного водорода. Ультрафиолетовые лучи разлагали и воду, причем кислород быстро вступал в новые связи, а выделявшийся водород тоже частью ускользал с поверхности Земли.

Из недр планеты поднимался углекислый газ. Он входил в состав атмосферы, а также интенсивно растворялся в воде, входя при этом в разнообразные химические соединения с метаном и аммиаком. Количества углекислого газа, попадавшие в атмосферу, были огромны. Об этом говорят, с одной стороны, его извечные выбросы в биосферу при вулканических явлениях, с другой стороны, об этом свидетельствуют огромные массы образовавшихся в разные периоды истории Земли отложений карбонатных пород, представляющих собой соединения углекислого газа с окисью кальция и магния.

Имеются основания полагать, что образование карбонатов, как и последовавшее позже возникновение наземной растительности и углеобразование, были подвержены определенному ритму, который находит разгадку в ритме вулканической деятельности на Земле.

Миллиарды лет назад на Земле не было жизни и свободного кислорода (по А. И. Перельману)

На конференции в Москве в 1957 г. по происхождению жизни на Земле приводились интересные мнения относительно состава вторичной атмосферы, собственной атмосферы нашей планеты. Большинство ученых считают ее главными компонентами Н₂, СO₂, N₂, H₂S, в меньшей степени - СН₄, NH₃. Обращалось внимание на избыток в верхней зоне атмосферы Н₂O, СO₂, СO₂ и других компонентов; все эти газы рассматривались как "равновесная смесь". Предполагалось, что, если не учитывать паров воды, то основными компонентами вторичной атмосферы Земли были СO₂ (около 91%) и N₂ (около 6,4%). В первую фазу существования вторичной атмосферы в ней находилось много водорода, в частности образовавшегося при разложении воды под влиянием космических излучений. Но большая часть его улетучивалась в космическое пространство. Вследствие активности газов Н₂, СО, СO₂, SO₂, SO₃, NO, N₂O, NO₂ они входили в присутствии воды в соединения, задерживаясь в породах и в водах, тогда как СO₂ и СО в значительной части поступали в атмосферу.

Таким образом, складывается представление, что собственная атмосфера Земли состояла тогда из Н₂, NH₃, CH₄, СO₂, H₂S при малом содержании других компонентов, в том числе и O₂, что в общем создавало восстановительную обстановку.

В новой атмосфере, быстро разросшейся под влиянием активных радиохимических и вулканических процессов, стала преобладать углекислота с парами воды. Такая атмосфера, вероятно, хорошо удерживала тепло геохимических реакций. Огромная мощность и обилие паров воды делало ее малопроницаемой для солнечных и отчасти космических лучей.

Возникали и угасали разнообразные воздушные потоки. Движение воздушных масс, вызываемое разностью давления за счет притяжения Солнца и Луны, рождало ветры и бури. Сильные ураганы и сейчас приносят огромные непоправимые бедствия, особенно в приморских странах. Но, вероятно, они - ничто перед бурями и ураганами далекой геологической древности.

При конденсации паров воды в атмосфере образуются капельки с электрическими зарядами. Каждая капелька имеет положительный заряд в центре и отрицательный - на поверхности. Потоки воздуха дробят эти капельки на мелкие части, которые соответственно знаку своих зарядов способны группироваться. Отрицательно заряженные капельки поднимаются вверх, а более крупные положительно заряженные опускаются вниз. При этом верхняя часть облака или тучи получает более или менее мощный заряд отрицательного электричества, а нижняя - положительного.

Так возникает электрический заряд между облаками или же между облаком и землей.

Большая интенсивность атмосферных процессов в период образования Земли приводила к тому, что над поверхностью земной коры непрерывно сверкали и грохотали мощные электрические разряды. Электрические разряды в атмосфере имели, вероятно, большое значение для природного образования сложных углеродных соединений. На то, как происходило связывание всех весьма активных химических компонентов вторичной атмосферы Земли в разнообразные соединения, в том числе и в сложные органические, проливают свет замечательные опыты Стэнли Г. Миллера.

Миллер пропускал электрический разряд через смесь метана, аммиака, воды и водорода. В результате действительно удалось получить аминокислоты - исходный материал для создания белков - и другие сложные органические вещества. Тогда же Т. Е. Равловской и А. Г. Пасынским были получены аминокислоты при действии ультрафиолетовых лучей на раствор смеси формальдегида и хлористого или азотнокислого аммония.

Эти эксперименты подтверждают положение теории А. И. Опарина о том, что в первородном океане ультрафиолетовое излучение Солнца и электрические разряды атмосферы могли приводить к накоплению аминокислот, необходимых для образования белковых соединений.

Интересны сравнительные данные о составе атмосфер планет Солнечной системы. На Венере атмосфера в основном состоит из углекислого газа (97%). Есть также азот, кислород не обнаружен. Можно полагать, что современное состояние атмосферы Венеры соответствует состоянию атмосферы Земли в один из ранних этапов ее добиосферного периода, когда в результате накопления гравитационного тепла, ядерных и электронных процессов, происходящих в толще атмосферы, богатой углекислым газом, температура литосферы была в то время особенно высокой.

Марс больше других планет похож на Землю. О нем много пишут ученые и не меньше - писатели-фантасты. Его атмосфера на 90% состоит из углекислого газа. Есть вода и кислород.

Атмосферы планет-гигантов состоят в основном из легких газов. В атмосферах Юпитера и Сатурна преобладают водород и гелий, углекислый газ отсутствует. Газообразный С02 при наличии водорода полностью превращается в метан и воду. В верхних слоях атмосферы вода переходит в лед. Облака на Юпитере состоят из аммиачного льда. В атмосферах Урана и Нептуна преобладает метан, аммиак и вода.

В наше время исследования планет, которые проводятся не только наземными методами, но и при помощи космических аппаратов, приносят множество новых фактических данных о Солнечной системе. Сравнительное изучение химического состава планет очень важно для понимания химической эволюции допланетного облака, а следовательно, и для выработки правильных представлений о строении и эволюции Земли.