Проблема происхождения и развития Земли

Министерство образования  и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное  образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«АМУРСКИЙ ГОСУДАРСТЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра ХИМИИ И ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

                                                 РЕФЕРАТ

По дисциплине: «Концепции современного естествознания»

Тема:  Проблема происхождения и  развития Земли

Выполнила:                           студентка 173 – об1 группы первого курса ЭкФ

                                                                                                      А.А.Москаленко

Проверила:                                                                   доцент, к.х.н. С.А.Лескова

Благовещенск

2012

                                                            План 

1.Введение.

2.Происхождение Земли.

• Гипотезы о происхождении Солнечной системы и Земли.
• Земля среди других планет Солнечной системы
• Возраст Земли.

3. Образование Земли.

• Строение Земли. Геосферы Земли.
• образование и строение литосферы,
• ядро Земли,
• мантия,

4.Возникновение атмосферы и гидросферы.

5.Магнитосфера.

6. Геодинамические процессы:

• эндогенные,
• экзогенные.

7. Эволюция биосферы.

8. Заключение.

Введение

                                                                    «Открылась бездна, звезд полна,

                                                                     Звездам числа нет – бездне дна…»

                                                                                                       М. В. Ломоносов

Было бы удивительно, если бы, живя на Земле, лучшие умы человечества не задумывались о происхождении  Земли, солнечной системы, и всей Вселенной.

В настоящее время  Земля является объектом изучения многих наук — от геологии и географии до экономики и политологии. В совокупности этих наук выделяются отраслевые науки, изучающие отдельные части вертикальной и горизонтальной структуры Земли (геология, климатология, почвоведение и др.), а также системные науки, синтезирующие в себе всю совокупность знаний о Земле для решения теоретических или прикладных проблем (география, физическая география, социально-экономическая география и др.).

Среди отраслевых наук особое развитие получили геология (наука  о литосфере), гидрология (наука о гидросфере), климатология (наука об атмосфере), геофизика (наука о Земле как физическом теле), геохимия (наука о естественных химических процессах, протекающих в пределах Земли), геоморфология (наука о рельефе Земли), почвоведение (наука о почвах), биогеография (наука о распределении живого вещества на поверхности Земли).

К системным наукам относится  география, синтезирующая знания отраслевых наук применительно к поверхности  Земли. При этом география подразделяется на физическую, изучающую естественные природные комплексы, формирующиеся на поверхности Земли, и социально-экономическую, предметом которой являются социально-экономические комплексы, формирующиеся на поверхности Земли в результате освоения человеком территорий. В рамках этих наук с древности развивались представления о Земле, неразрывно связанные с историей представления об устройстве Вселенной в целом.

Долгое время, пока господствовала мифологическая картина мира, Земля  считалась плоским диском, стоящим  на трех слонах, китах или черепахе и покрытым сверху полукруглым небесным сводом.

Лишь с началом эпохи  Великих географических открытий шарообразность Земли была подтверждена на опыте.

С тех пор форма  Земли уточнялась еще несколько  раз. С большой точностью ее удалось  определить лишь в XX в. с помощью приборов, установленных на искусственных спутниках Земли. Сегодня точно известно, что Земля — не вполне правильный шар. Она немного сжата у полюсов и несколько вытянута к Северному полюсу. Эта фигура называется геоидом.

Окружность Земли по экватору равна 40 075,7 км, окружность по меридиану — 40 008,5 км.

. Масса Земли оказалась  равной 5976 • 1021 кг.

В последнее время  среди многочисленных наук, изучающих  нашу планету, появилась еще одна — сравнительная планетология. Она  позволяет сопоставить данные о Земле с тем, что нам известно о других планетах Солнечной системы.

Происхождение Земли.

1.  Гипотезы о происхождении  Солнечной системы и Земли.

К настоящему времени  известны многие гипотезы о происхождении  Солнечной системы, а так же и  Земли, в том числе предложенные независимо немецким философом И. Кантом (1724–1804) и французским математиком и физиком П. Лапласом (1749–1827). Точка зрения И. Канта заключалась в эволюционном развитии холодной пылевой туманности, в ходе которого сначала возникло центральное массивное тело – Солнце, а потом родились и планеты.

П. Лаплас считал первоначальную туманность газовой и очень горячей, находящейся в состоянии быстрого вращения. Сжимаясь под действием  силы всемирного тяготения, туманность вследствие закона сохранения момента импульса вращалась все быстрее и быстрее. Под действием больших центробежных сил, возникающих при быстром вращении в экваториальном поясе, от него последовательно отделялись кольца, превращаясь в результате охлаждения и конденсации в планеты. Таким образом, согласно теории П. Лапласа, планеты образовались раньше Солнца.

 Несмотря на такое  различие между двумя рассматриваемыми  гипотезами, обе они исходят от  одной идеи – Солнечная система  возникла в результате закономерного  развития туманности. И поэтому такую идею иногда называют гипотезой Канта–Лапласа.

Согласно современным  представлениям, планеты солнечной  системы образовались из холодного  газопылевого облака, окружавшего Солнце миллиарды лет назад.

Такая точка зрения наиболее последовательно отражена в гипотезе российского ученого, академика О.Ю. Шмидта (1891–1956), который показал, что проблемы космологии можно решить согласованными усилиями астрономии и наук о Земле, прежде всего географии, геологии, геохимии. В основе гипотезы О.Ю. Шмидта лежит мысль об образовании планет путем объединения твердых тел и пылевых частиц. Возникшее около Солнца газопылевое облако сначала состояло на 98% из водорода и гелия. Остальные элементы конденсировались в пылевые частицы. Беспорядочное движение газа в облаке быстро прекратилось: оно сменилось спокойным движением облака вокруг Солнца.

Пылевые частицы сконцентрировались в центральной плоскости, образовав  слой повышенной плотности. Когда плотность  слоя достигла некоторого критического значения, его собственное тяготение стало «соперничать» с тяготением Солнца. Слой пыли оказался неустойчивым и распался на отдельные пылевые сгустки. Сталкиваясь друг с другом, они образовали множество сплошных плотных тел. Наиболее крупные из них приобретали почти круговые орбиты и в своем росте начали обгонять другие тела, став потенциальными зародышами будущих планет. Как более массивные тела, новообразования присоединяли к себе оставшееся вещество газопылевого облака. В конце концов сформировалось девять больших планет, движение которых по орбитам остается устойчивым на протяжение миллиардов лет.

Гипотеза X. Альвена и  С. Аррениуса. На протяжении XX в. выдвигался целый ряд противоречащих друг другу  гипотез о происхождении Солнца и Солнечной системы, из которых  наиболее убедительной и популярной стала гипотеза шведских астрономов X. Альвена и С. Аррениуса. Они исходили из предположения, что в природе существует единый механизм планетообразования, действие которого проявляется и в случае образования планет около звезды, и в случае появления планет-спутников около планеты. Для объяснения - этого механизма они привлекают совокупность различных сил — гравитацию, магнитогидродинамику, электромагнетизм, плазменные процессы.

Альвен и Аррениус отказались от традиционного допущения  об образовании Солнца и планет из одного массива вещества в одном нераздельном процессе. Они считают, что сначала из газопылевого облака возникло первичное тело — звезда, а затем к нему из другого газопылевого облака, через которое по своей орбите двигалось Солнце, поступил материал для образования вторичных тел. Таким образом, к моменту, когда начали образовываться планеты, центральное тело системы уже существовало. К такому выводу исследователи пришли в результате многолетнего изучения изотопного состава вещества метеоритов, Солнца и Земли. При этом были обнаружены отклонения в изотопном составе ряда элементов, содержащихся в метеоритах и земных породах, от изотопного состава тех же элементов на Солнце. Это говорит о различном происхождении этих элементов. Отсюда следует, что основная масса вещества Солнечной системы поступила из одного газопылевого облака, и из него образовалось Солнце. Значительно меньшая часть вещества, не превышающая 0,15 массы Солнца, с другим изотопным составом поступила из другого газопылевого облака, и она послужила материалом для формирования планет и метеоритов. Если бы масса этого облака была больше, оно аккумулировалось бы не в систему планет, а в звездообразный спутник Солнца.

Чтобы образовать планетную  систему, звезда должна обладать рядом признаков:

мощным  магнитным  полем,  величина  которого  превышает  определенное критическое значение;

пространство в окрестностях звезды должно быть заполнено разреженной  плазмой, создающей солнечный ветер.

Молодое Солнце, предположительно обладавшее значительным магнитным моментом, имело размеры, превышавшие нынешние, но не доходившие до орбиты Меркурия. Его окружала гигантская сверхкорона, представлявшая собой разреженную намагниченную плазму. Как и в наши дни, с поверхности Солнца вырывались протуберанцы, но выбросы тех лет имели протяженность в сотни миллионов километров и достигали орбиты современного Плутона. Токи в них оценивались в сотни миллионов ампер и более. Это способствовало стягиванию плазмы в узкие каналы. В них возникали разрывы, пробои, откуда разбегались мощные ударные волны, уплотнявшие плазму на пути их следования. Плазма сверхкороны быстро становилась неоднородной и неравномерной.

Когда молодое Солнце начало свое прохождение через газопылевое  облако, мощное гравитационное воздействие звезды начало притягивать поток газовых и пылевых частиц, послуживших материалом для образования вторичных тел. Поступавшие из внешнего резервуара нейтральные частицы вещества под действием гравитации падали к центральному телу. Но при этом они попадали в сверхкорону Солнца. Там они ионизировались, и в зависимости от химического состава тормозились на разных расстояниях от центрального тела. Таким образом, с самого начала имела место дифференциация допланетного облака по химическому и весовому составу. В конечном счете, выделились три-четыре концентрические области, плотность частиц в которых примерно на семь порядков превышала их плотности в промежутках. Это объясняет тот факт, что вблизи Солнца располагаются планеты земной группы, которые при относительно малых размерах имеют высокую плотность (от 3 до 5,5 г/см3), а планеты-гиганты — намного меньшие плотности (1-2 г/см3).

Сверхкорона, по мере накопления в ней выпадающего вещества, начинала отставать в своем вращении от вращения центрального тела. Стремление выровнять угловые скорости тела и короны заставляли плазму вращаться быстрее. Но это происходило за счет замедления вращения центрального тела. Ускорение плазмы увеличивало центробежные силы, оттесняя их от звезды. Между центральным телом и плазмой образовалась область с очень низкой плотностью вещества. Таким образом, создалась благоприятная обстановка для конденсации нелетучих веществ путем их выпадения из плазмы в виде отдельных зерен. Эти зерна получали от плазмы импульс и, двигаясь по орбитам будущих планет, уносили с собой часть момента количества движения в Солнечной системе. Сегодня на долю планет, суммарная масса которых составляет только 0,1% массы всей системы, приходится 99% суммарного момента количества движения.

Множественные соударения между зернами приводили к их агрегации в большие группы. Затем эти зерна слипались в зародышевые ядра, к которым продолжали прилипать частицы, и они постепенно разрастались до крупных тел — планетезималий. Сталкиваясь друг с другом, планетезималии образовывали допланетные тела. Их первоначальное количество оценивается во множество миллионов. Образование планетезималий продолжалось десятки тысяч лет. Формирование же самих планет заняло от 105 до 108 лет. Столкновение планетезималий друг с другом привело к тому, что наиболее крупные «з них начали еще более увеличиваться в размерах, вследствие чего и образовались планеты. А как только планетные тела оформились настолько, что возле них появилось достаточно сильное собственное магнитное поле, то начался процесс образования спутников, в миниатюре повторяющий то, что произошло при образовании самих планет.

Так, в теории Альвена  и Аррениуса пояс астероидов —  это струйный поток, в котором  из-за нехватки выпавшего вещества процесс планетообразования прервался  на стадии планетезималий. Метеориты и кометы, согласно данной модели, формировались на окраине Солнечной системы, за орбитой Плутона. В отдаленных от Солнца областях существовала слабая плазма. В ней механизм выпадения вещества еще работал, но струйные потоки, в которых рождаются планеты, образоваться уже не могли. Слипание выпавших там частиц привело к единственно возможному результату — образованию кометных тел.

Процесс образования  Солнечной системы нельзя считать  досконально изученным, а предложенные гипотезы – совершенными. Например, в рассмотренной гипотезе не учитывалось влияние электромагнитного взаимодействия при формировании планет. Выяснение этого и других вопросов – дело будущего.

                    Земля среди других планет Солнечной системы

В состав Солнечной системы входит девять планет. Они делятся на д в е группы:

внутренние планеты (планеты  земной группы) — Меркурий, Венера, Земля, Марс;

внешние планеты (газовые  гиганты) — Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон.

Отличия планет земной группы от газовых гигантов очевидны. Поэтому посмотрим, чем отличаются друг от друга внутренние планеты. Среди них нет двух одинаковых планет. Они отличны по размерам, физико-химическим параметрам, строению недр и поверхностей, составом атмосфер. В основном эти различия обусловлены начальными условиями формирования планет — химическим составом, плотностью вещества в тех частях протопланетного облака, где эти планеты формировались, а также расстоянием от Солнца, резонансным взаимодействием с ним и другими планетами.

Из всех планет земной группы Земля — самая большая планета. Но как показывают оценки, даже такие размеры и масса оказываются минимальными, при которых планета способна удержать свою газовую атмосферу. Тем не менее, Земля теряет водород и другие легкие газы, что заметно по шлейфу, который тянется за нашей планетой. Венера почти равна по размерам и массе Земле, но она ближе к Солнцу и получает от него больше тепла. Поэтому она давно потеряла весь свой свободный водород. У остальных двух планет атмосфера либо вообще отсутствует (Меркурий), либо сохранилась в очень разреженном состоянии (Марс).

Из всех планет только Земля обладает сильным магнитным  полем, на два порядка превосходящим  значения магнитных полей у других планет. Как считают ученые, это  одна из причин появления жизни на Земле.

Ни одна из планет не имеет развитой системы спутников, как у планет — газовых гигантов. Луна — спутник  Земли, не вписывается ни в одну из современных гипотез образования  Солнечной системы. Тем более, что  Луна имеет планетные размеры (сравнимые с размерами Меркурия).

В современную эпоху только Земля  остается «живой» планетой, ее геологическое  развитие продолжается.

Главным  отличием Земли от других планет является

хорошо развитая биосфера. Вершиной эволюции

жизни на нашей планете стал человек, обладающий

разумом.

Возраст Земли.

Время существования  Земли делится на два существенно  различных периода: ранняя история  и геологическая история.

Согласно современным космологическим  представлениям, Земля образовалась примерно 4,5 млрд. лет назад. К такому выводу

ученые пришли в результате исследования возраста древнейших минералов  и горных пород, а также на основе изучения процессов распада радиоактивных  веществ. Кроме того, на данный возраст  Земли указывают и материалы  исследования метеоритов.

Схожие данные получены и при исследовании лунных пород. Образцы этих пород были доставлены на Землю как с помощью космических  станций «Луна», так и экипажами  американских космических кораблей «Аполлон». Оказалось, что возраст  самых древних лунных образцов совпадает с возрастом самой Луны и составляет 4—4,5 млрд. лет. При этом считается, что геологическая история нашей планеты составляет около 4 млрд. лет, из них 0,6 млрд. лет — это ранняя история Земли.

Образование Земли.

В современном естествознании существует несколько противоречивых точек зрения, касающихся образования Земли как космического тела.

Почти все они сводятся к тому, что исходным веществом  для формирования планет Солнечной  системы, в том числе и Земли, были межзвездная пыль и газы, широко распространенные во Вселенной.

 Однако до сих  пор нет однозначного ответа  на вопросы: каким образом в  составе планет оказался полный  набор химических элементов таблицы  Менделеева и что послужило  толчком для начала конденсации  газа и пыли в протосолнечную  туманность.

 Некоторые ученые  предполагают, что появление разнообразия  химических элементов связано  с внешним фактором – взрывом  Сверхновой звезды в окрестностях  будущей Солнечной системы. Такой  взрыв массивной 

звезды, в недрах и  газовой оболочке которой в результате ядерных реакций происходил синтез химических элементов (звездный нуклеосинтез), мог привести к образованию всей гаммы химических элементов, в том

 числе и радиоактивных.  Мощный взрыв своей ударной  волной мог стимулировать начало  конденсации межзвездной материи, из которой образовалось Солнце и протопланетный диск, впоследствии распавшийся

на отдельные планеты  внутренней и внешней групп с  поясом астероидов между ними. Такой  путь начальной стадии формирования Солнечной системы называется катастрофическим, так как взрыв Сверхновой –

природная катастрофа. В  масштабах астрономического времени взрывы Сверхновых звезд – не столь уже редкое явление: они происходят в среднем через несколько миллиардов лет.

                                       Ранняя история Земли

Ранняя история развития Земли включает три фазы эволюции:

• фазу аккреции (рождения);
• фазу расплавления внешней сферы земного шара;
• фазу первичной коры (лунную фазу).

Фаза аккреции представляла собой непрерывное выпадение  на растущую Землю все большего количества крупных тел, укрупняющихся в своем полете при соударениях между собой, а также в результате притяжения к ним более удаленных мелких частиц. Кроме того, на Землю падали и самые крупные объекты — планетезималии. В фазу аккреции Земля приобрела примерно 95% современной массы. На это ушло около 17 млн. лет. Земля оставалась холодным космическим телом, и только в конце этой фазы, когда началась предельно интенсивная бомбардировка ее крупными объектами, произошло сильное разогревание, а затем и полное расплавление вещества поверхности планеты.

Фаза расплавления внешней  сферы земного шара наступила  в промежутке 4—4,6 млрд. лет назад.

В это время произошла  общепланетарная химическая дифференциация вещества, которая привела к формированию центрального ядра Земли и обволакивающей его мантии. Позже образовалась земная кора.

В этой фазе поверхность  Земли представляла собой

океан тяжелой расплавленной  массы с вырывающимися из него газами. В него продолжали стремительно падать мелкие и крупные космические тела, вызывая всплески тяжелой жидкости.

 Во время аккреции  Земля долго оставалась холодным  космическим телом, и только  в конце этой фазы, когда началась  предельно интенсивная бомбардировка  ее крупными объектами, произошло  сильное разогревание, а затем полное расплавление вещества сначала внешней зоны планеты, потом и внутренней области. Наступила продолжительная фаза гравитационной дифференциации вещества: тяжелые химические элементы и их соединения опускались вниз, легкие поднимались вверх. Поэтому постепенно в процессе дифференциации вещества в центре Земли сосредоточивались тяжелые химические элементы (железо, никель и др.), из которых образовалось ядро, из более легких соединений возникла мантия Земли. Кремний и другие химические элементы стали основой формирования континентов, а самые легкие химические соединения образовали океаны и атмосферу Земли. В земной атмосфере первоначально было много водорода, гелия и таких водородосодержащих соединений, как метан, аммиак, водяной пар. Со временем водород и гелий улетучились.

Лунная фаза — это  время остывания расплавленного вещества поверхности Земли из-за излучения тепла в космос и  ослабления метеоритной бомбардировки. Так образовалась первичная кора базальтового состава. Тогда же происходило  образование гранитного слоя материковой коры. Правда, механизм этого процесса до сих пор неясен.

В лунную фазу шло постепенное  остывание поверхности Земли  от температуры плавления базальтов, составляющей 800— 1000°С до 100°С. Когда  температура опустилась ниже 100°С, из атмосферы выпала вся вода, покрывшая Землю. В результате сформировались поверхностные и грунтовые стоки, появились водоемы, в том числе и океан.

 В противовес долго  господствующему мнению об «огненно-жидком  исходном состоянии Земли», основанном  на классической гипотезе Канта–Лапласа, с начала ХХв стала утверждаться идея об изначально холодной Земле, недра которой в дальнейшем стали разогреваться вследствие тепла при распаде естественных радиоактивных веществ. Однако в данной концепции не учитывается выделение тепла при аккреции и особенно при соударении планетезималей больших размеров.        В этой связи в настоящее время обсуждается идея о весьма существенном разогреве Земли вплоть до температуры плавления ее вещества уже на стадии аккреции. Предполагается, что при таком разогреве начинается дифференциация Земли на оболочки и прежде всего на силикатную мантию и железное ядро. При этом нельзя исключать и радиоактивный источник тепла.

Выделявшееся тепло  повлекло за собой образование газов  и водных паров, которые выходя на поверхность, и положили начало формированию воздушной оболочки – атмосферы и водной среды нашей планеты.

Понадобились миллиарды  лет, чтобы образовалась наша планета  – Земля. Вращаясь, этот сплюснутый у полюсов шар летит в космическом  пространстве по огромной эллиптической кривой вокруг Солнца.

Строение Земли. Геосферы Земли

Формирование Земли  сопровождалось дифференциацией вещества, результатом которой явилось  разделение Земли на концентрически расположенные слои — геосферы. Геосферы различаются химическим составом, агрегатным состоянием и физическими свойствами. В центре образовалось ядро Земли, окруженное мантией. Из наиболее легких компонентов вещества, выделившихся из мантии, возникла расположенная над мантией земная кора. Это так называемая «твердая» Земля, заключающая в себе почти всю массу планеты. Далее возникли водная и воздушная оболочки нашей планеты. Кроме того, Земля обладает гравитационным, магнитным и электрическими полями.

Таким образом, можно  выделить ряд геосфер, из которых  состоит Земля: ядро, мантия, литосфера, гидросфера, атмосфера, магнитосфера.

Кроме данных оболочек Земли  есть биосфера и ноосфера.

Геосферы различаются, главным образом, плотностью составляющих их веществ. Самые плотные вещества сосредоточены в центральных частях планеты. Ядро составляет 1/3 массы Земли, кора и мантия — 2/3.

Все земные оболочки взаимосвязаны  и проникают друг в друга. Гидросфера всегда присутствует в литосфере  и атмосфере, атмосфера — в  литосфере и гидросфере и т.д. С атмосферой, гидросферой и литосферой тесно связаны внутренние оболочки Земли.

Наша планета до наших  дней хранит еще множество тайн. Проникнуть внутрь нее нелегко. Сегодня  самые глубокие шахты достигают  всего несколько километров. Бурение  дает нам сведения о глубинах около 12 км. Основные сведения о строении Земли, химическом составе ее пород и т. п. добываются косвенными методами, в частности, при изучении колебаний земной коры в процессе землетрясений и анализе химического состава вулканической массы.

Геологическая история  Земли.

Результатом геологического развития Земли стало формирование самых верхних оболочек — атмосферы, гидросферы и литосферы. Это произошло  в результате остывания поверхности  Земли и привело к образованию  первичной базальтовой или близкой  к ней по составу коры Земли. Почти одновременно за счет конденсации водяных паров образовалась водная оболочка планеты — гидросфера.

Образование и строение литосферы.

Земная кора образована горными породами, имеющими различные  формы залегания. Породы лежат горизонтальными  слоями или нарушены разломами и смяты складками. Залегание горных пород чаще всего обусловлено внутренними (эндогенными) силами. Строение земной коры, созданное эндогенными процессами, называется тектоническим строением, или тектоникой.

Современный рельеф планеты  продолжает видоизменяться под влиянием совместного действия на ее поверхности тектонических, гидросферных, атмосферных и биологических процесов. Начало этому было положено около 3,5 млрд. лет назад, когда начали формироваться вулканические дуги. Формирование вулканических дуг происходило на первичной остаточной или вторичной коре, образованной при растяжении океанической коры над зонами подлезания (столкновения литосферных плит). В результате примерно 2,7—2,5 млрд. лет назад возникли значительные площади континентальной коры, которые, по-видимому, соединились в единый суперконтинент — первую Пангею в истории Земли. Толщина этой коры уже достигала современной толщины в 35—40 км.