вселенная аккреция солнечный геосфера

Наша Земля - одна из девяти планет Солнечной системы, а Солнце - это рядовая звезда - желтый карлик, находящаяся в Галактике Млечного Пути, одной из сотен миллионов Галактик в наблюдаемой части Вселенной. Наша планета представляет собой лишь частицу космического пространства, и поэтому будет уместно сказать несколько слов о том, каким образом возникла и эволюционировала Вселенная.

Для этого были рассмотрены вопросы происхождения Вселенной, Галактики Млечный Путь, а также возникновения Солнца и планеты Земля.

1. Образование Вселенной

В наблюдаемой форме Вселенная возникла 12-15 млрд лет назад. До этого времени все ее вещество находилось в условиях бесконечно больших температур и плотностей, которые современная физика описать не в состоянии. Такое состояние вещества в 1927 г. было названо сингулярным. С какого-то момента вещество, находящееся в сингулярном состоянии, подверглось внезапному расширению, которое можно в самых общих чертах уподобить взрыву, хотя и весьма своеобразному.

Современная теоретическая физика достоверно описывает процессы Большого взрыва. Так, температура в 10³² К была достигнута через 10^-43с, 10¹⁰К - через 1 с, 10⁹ К - через 1 мин, 10⁴ К - через 100 тыс. лет, а 10³ к - через 1 млн лет. Расширяющееся вещество становилось менее плотным и менее горячим. Первичный нуклеосинтез (образование ядер) легких элементов стал возможен уже через несколько минут после начала Большого Взрыва, а через 1 млн лет началось формирование атомов. H и He образовались в самые первые минуты большого взрыва, а кроме того, и легкие элементы: литий, дейтерий, тритий, но в ничтожном количестве. Тяжелые элементы образовались во Вселенной гораздо позже, когда в результате термоядерных реакций «зажглись» звезды, а при взрывах сверхновых звезд они оказались выброшены в космическое пространство.

Спустя примерно 1 млрд лет после начала Большого Взрыва в результате сжатия огромных газовых облаков или их протяженных газовых фрагментов стали формироваться звезды и галактики - скопления миллионов звезд.

2. Формирование и эволюция Солнечной системы

Звезды формируются в массивных и плотных облаках молекулярного водорода - молекулярных облаках. Эти облака гравитационно неустойчивы, и материя в них собирается в сгустки, вращается, сжимается и затем формирует звезды. Формирование звезды - комплексный и длительный процесс, который всегда создает вокруг молодой звезды газообразный протопланетный диск. Таким образом, формирование планетной системы - естественный результат формирования звезд. Солнцеподобные звезды формируются на протяжении примерно миллиона лет, а протопланетный диск формируется на протяжении последующих 10-100 миллионов лет.

Звезды типа Солнца формируются при сжатии газопылевых облаков. По одной из гипотез, на газопылевое облако мог повлиять взрыв близкой сверхновой звезды, ударные волны от которого и заставили облако сжиматься и вращаться. Когда газопылевое облако начало сжиматься и вращаться, в дисковидном облаке возникли мощные турбулентные вихри, ударные волны, гравитационные приливы, перемешивающие газовые облака. Диск формируется из облака примерно за 1000 лет. Газ при этом охлаждается, и образуются более крупные пылевые частицы, конденсируясь из газа, т.к. давление в облаке очень небольшое. В центральной части диска благодаря быстрому коллапсу «зажглось» Солнце, а при удалении от него в протопланетном диске температура уменьшалась до десятков градусов на краю диска, что подтверждается конденсацией льда воды за поясом астероидов. Частицы пыли перемещались к центральной плоскости диска, и чем крупнее была пылинка, тем быстрее она «падала».

3. Образование Земли

Когда плотность пылевых частиц в диске достигла некоторого критического значения, диск стал гравитационно неустойчивым и начал распадаться на отдельные сгущения пыли, причем чем выше была плотность в сгущении, тем быстрее оно увеличивалось в размерах.

Плотные сгустки, размером с хороший астероид, сталкиваясь, объединялись и увеличиваясь в размерах, превращались в рой планетезималей, размером до 1 км. Слипание, объединение планетезималей возможно только в случае небольшой скорости, соударения и неровной контактной поверхности, облегчавшей их сцепление.

Не исключено, что в облаке Оорта на краю Солнечной системы сохранились еще допланетные планетезимали, попавшие туда благодаря гравитационным возмущениям со стороны планет-гигантов. Образование планетезималей заняло не более 1 млн. лет, т.е. произошло с космической точки зрения почти мгновенно. Важнейшим этапом была аккреция собственно планет из роя планетезималей, занявшая уже гораздо больше времени, около 1000 млн. лет. Современное численное моделирование позволяет рассчитывать скорости допланетных тел и распределение их масс. Эти тела двигались по круговым орбитам, сталкиваясь друг с другом, разрушаясь, выбрасывая газ и пыль, но если тело было крупное, оно не разваливалось от ударов, а, наоборот, присоединяло к себе другие частицы и планетезимали. Чем больше было тело, тем оно быстрее росло и вступало в гравитационное взаимодействие с другими телами, изменяя их орбиты. Именно в этих, наиболее крупных телах и сосредотачивалась основная масса вещества допланетного диска, образуя зародыши планет. Одно из основных условий роста тел - это низкие скорости их столкновения, не превышающие 1 м/сек. Образования группы внутренних планет, происходило за счет соударений каменных планетезималей, в отсутствии легких газов, которые удалялись солнечным ветром. Но планеты-гиганты, вернее их силикатные ядра, достигали уже размеров2-3 массы Земли и сумели удержать водородно-гелиевую газовую оболочку. Когда Юпитер на стадии быстрой аккреции достиг внушительных размеров - примерно 50 масс Земли, он присоединил к себе весь газ из окружающего пространства и далее аккреция пошла уже намного медленнее, т.к. газ оказался исчерпанным.

Спутники планет образуются по той же принципиальной схеме, что и сами планеты. Во время аккреции планеты часть планетезималей захватывается силой ее гравитации на околопланетную орбиту. Так у планеты формируется доспутниковый диск, из которого путем аккреции образуются спутники.

4. Дифференциация вещества

В настоящее время Земля состоит из ряда сферических оболочек, в том числе твердого внутреннего ядра, жидкого внешнего ядра и твердой мантии с тонкой оболочкой - твердой же земной коры. Иными словами, Земля дифференцирована по свойствам и составу вещества. Когда и как произошла эта дифференциация?

Гипотеза гомогенной аккреции

На этот счет существуют две наиболее распространенные точки зрения. Ранняя из них полагает, что первоначальная Земля, сформировавшаяся сразу после аккреции из планетезималей, состоящих из никелистого железа и силикатов, была однородна и только потом подверглась дифференциации на железоникелевое ядро и силикатную мантию. Эта гипотеза получила название гомогенной аккреции.

Гипотеза гетерогенной аккреции

Более поздняя гипотеза гетерогенной аккреции заключается в том, что сначала аккумулировались наиболее тугоплавкие планетезимали, состоящие из железа и никеля, и только потом в аккрецию вступило силикатное вещество, слагающее сейчас мантию Земли от уровня 2900 км, т.е. аккретировались уже «готовые» силикатные фазы и металлы, как полагает А.А. Ярошевский. Эта точка зрения сейчас, пожалуй, наиболее популярна, хотя и здесь возникает вопрос о выделении внешнего ядра, имеющего свойства жидкости. Возникло ли оно после формирования твердого внутреннего ядра, или внешнее и внутреннее ядра выделялись в процессе дифференциации? На этот вопрос однозначного ответа не существует, но предпочтение отдается второму варианту. Процесс аккреции - столкновение планетезималей размером до 1000 км - сопровождался большим выделением энергии с сильным прогревом формирующейся планеты, ее дегазацией, т.е. выделением летучих компонентов, содержащихся в падавших планетезималях. Большая часть летучих при этом безвозвратно терялась в межпланетном пространстве, о чем свидетельствует сравнение составов летучих компонентов в метеоритах и породах Земли. Процесс становления нашей планеты, по современным данным, длился около 500 млн лет и проходил в три фазы аккреции. В течение первой и главной фазы Земля сформировалась по радиусу на 93-95%, и эта фаза закончилась к рубежу 4,4-4,5 млрд лет, т.е. длилась около 100 млн лет. Вторая фаза, ознаменовавшаяся завершением роста, длилась тоже около 200 млн лет. Наконец, третья фаза продолжительностью до 400 млн лет (3,8-3,9 млрд лет окончание) сопровождалась мощнейшей метеоритной бомбардировкой, такой же, как и на Луне.

Какой была первичная, только что родившаяся Земля? Была она горячей или холодной? Для геологов решение этого вопроса имеет принципиальное значение. Даже в начале ХХ в. ученые говорили о первичной «огненно-жидкой» Земле. Однако этот взгляд полностью противоречил современной геологической жизни планеты. Если бы Земля изначально была расплавленной, она давно бы превратилась в мертвую планету. Следовательно, предпочтение нужно отдать юной, не очень холодной, но и не расплавленной ранней Земле.

Факторов нагрева планеты было много. Это и гравитационная энергия; и соударение планетезималей; и падение очень крупных метеоритов, при ударе которых повышенная температура распространялась до глубин 1-2 тыс. км. Если же все-таки температура превышала точку плавления вещества, то наступала дифференциация - более тяжелые элементы, например железо, никель, опускались, а легкие, наоборот, всплывали. Но главный вклад в увеличение тепла должен был играть распад радиоактивных элементов - плутония, тория, калия, алюминия, йода. Еще один источник тепла - это твердые приливы, связанные с близким расположением спутника Земли - Луны. Все эти факторы, действуя вместе, могли повысить температуру до точки плавления пород, например, в мантии она могла достигнуть +1500°С. Но давление на больших глубинах препятствовало плавлению, особенно во внутреннем ядре. Процесс внутренней дифференциации нашей планеты происходил всю ее геологическую историю, продолжается он и сейчас. Однако уже 3,5-3,7 млрд лет назад, при возрасте Земли 4,6 млрд лет, у Земли были твердое внутреннее ядро, жидкое внешнее ядро и твердая мантия, т.е. она уже была дифференцирована в современном виде. Об этом говорит намагниченность древних горных пород, а, как известно, магнитное поле обусловлено взаимодействием жидкого внешнего ядра и твердой мантии.

Образование океанов и атмосферы

Современные представления об их происхождении можно условно разделить на «аккреционное», «кометное» и «дегазационное». В аккреционных моделях предполагается, что в ходе своего роста Земля успела захватить часть газов из протопланетного газово-пылевого облака и именно они обеспечили существование первичной атмосферы.

Другая точка зрения объясняет происхождение атмосферы и океанов столкновениями с кометами. Если несколько таких столкновений произошло на начальных этапах развития Земли, то летучие соединения, составляющие кометные ядра, испарившись, могли бы образовать протоат-мосферу и протоокеаны. Следует заметить, что идею кометного происхождения атмосферы и океанов впервые высказал академик О.Ю. Шмидт.

По дегазационным моделям, формирование атмосферы и гидросферы обеспечивается запасом летучих компонентов в твердом веществе Земли. Эти летучие компоненты были привнесены планетезималями - первичными твердыми телами протопланетного облака, аккумуляция которых, согласно представлениям современной планетной космогонии, привела к образованию планет. Планетезимали, формировавшиеся из пылевой компоненты протопланетного облака, были носителями заметного количества летучих соединений, поскольку находящиеся в нем газы могли вступать в химическое взаимодействие с твердой фазой, адсорбировались на поверхности пылевых, частиц, растворялись в кристаллической матрице. Атмосфера, образующаяся из газов, которые выделялись впоследствии из твердого вещества планеты, получила название «вторичной».

Было бы справедливым предположить, что в истории жизни планеты вклад в образование атмосферы давали все три механизма, интенсивность которых менялась со временем

5. Особенности состава геосфер Земли

Ядро

Ядро Земли - центральная, наиболее глубокая часть планеты Земля, геосфера, находящаяся под мантией Земли и, предположительно, состоящая из железо-никелевого сплава с примесью других сидерофильных элементов. Глубина залегания - 2900 км. Средний радиус сферы - 3500 км. Разделяется на твердое внутреннее ядро радиусом около 1300 км и жидкое внешнее ядро толщиной около 2200 км.

О составе ядра существуют лишь косвенные данные, полученные различными путями. По-видимому, из доступных материалов наиболее близки по составу к земному ядру железные метеориты, которые представляют собой фрагменты ядер астероидов и протопланет. Однако железные метеориты не могут дать точное представление о веществе земного ядра, так как они образовались в гораздо меньших телах, а значит, при других физико-химических условиях.

С другой стороны, сейсмические исследования дают точный размер ядра, а из данных гравиметрии известна его плотность, и это накладывает на его состав дополнительные ограничения. Так как плотность ядра примерно на 5-10% меньше, чем плотность сплавов железо-никель, то предполагается, что ядро Земли содержит больше легких элементов, чем железные метеориты. Среди вероятных кандидатов: сера, кислород, кремний, углерод, фосфор, водород.

Судя по геофизическим данным, внешнее ядро представляет собой жидкость, состоящую из расплавленного железа с примесью никеля и серы. Это связано с тем, что давление в этом слое меньше. Внешнее ядро представляет собой шаровой слой толщиной 2200 км. Жидкое ядро позволяет объяснить наличие магнитного поля Земли и его вариаций, когда в геологическом прошлом нашей планеты неоднократно происходила инверсия магнитных полюсов. Предполагается, что магнитное поле создается процессом, названным эффектом динамо-машины. Роль подвижного элемента динамо играет жидкое ядро, перемещающееся при вращении Земли вокруг своей оси

Мантия

Мантия - наиболее мощная оболочка Земли, занимающая 2/3 ее массы и большую часть объема. Она также существует в виде двух шаровых слоев - нижней и верхней мантии. Толщина нижней части мантии - 2000 км, верхней - 900 км. Все слои мантии расположены между радиусами 3450 и 6350 км.

Данные о химическом составе мантии получены на основании анализов наиболее глубинных магматических горных пород, поступивших в верхние горизонты в результате мощных тектонических поднятий с выносом мантийного материала. Материал верхней мантии собран со дна разных участков океана. Предполагают, что мантия Земли в основном сложена из силикатов и железа, прежде всего из минерала оливина.

Благодаря высокому давлению вещество мантии, скорее всего, находится в кристаллическом состоянии. Температура мантии составляет около 2500°С. Именно высокие давления обусловили такое агрегатное состояние вещества, в ином случае указанные температуры привели бы к его расплавлению.

В расплавленном состоянии находится астеносфера - нижняя часть верхней мантии. Это подстилающий верхнюю мантию и литосферу слой. Литосфера как бы «плавает» в нем. В целом же верхняя мантия обладает интересной особенностью - по отношению к кратковременным нагрузкам она ведет себя как жесткий материал, а по отношению к длительным нагрузкам - как пластичный материал.

На не слишком вязкую и пластичную астеносферу опирается более подвижная и легкая литосфера. В целом литосфера, астеносфера и остальные мантии могут рассматриваться в качестве трехслойной системы, каждая из частей которой подвижна относительно других компонентов.

Литосфера

Литосфера - это земная кора с частью подстилающей ее мантии, которая образует слой толщиной порядка 100 км. Земная кора обладает высокой степенью жесткости, но и большой хрупкостью. В верхней части, она слагается гранитами, в нижней - базальтами.

Резкая асимметрия строения поверхности нашей планеты была замечена давно. Поэтому планетарный рельеф делится на две основные области - океаническую и континентальную. Дно океанов и континенты отличаются друг от друга строением земной коры, химическим и петрографическим составом, а также историей геологического развития. Кора имеет повышенную мощность в области континентов и пониженную в областях океанического дна.

Средняя мощность континентальной коры - 35 км. Ее верхний слой богат гранитными породами, нижний - базальтовыми магмами. На дне океанов гранитный слой отсутствует, и земная кора состоит только из базальтового слоя. Ее мощность - 5-10 км. Кроме того, континентальная кора содержит больше радиоактивных элементов, генерирующих тепло, чем тонкая океаническая кора.

Земная кора, образующая верхнюю часть литосферы, в основном слагается из восьми химических элементов: кислорода, кремния, алюминия, железа, кальция, магния, натрия и калия. Половина всей массы коры приходится на кислород, который содержится в ней в связанном состоянии, главным образом в виде окислов металлов.

Гидросфера

Гидросфера - это сплошная оболочка Земли, так как моря и океаны переходят в подземные воды на суше, а между сушей и морем идет постоянный круговорот воды, ежегодный объем которого составляет 100 тыс. км³. Большая часть испаренной с поверхности морей и океанов воды выпадает в виде осадков над ними же. Около 10% испаренной воды уносится на сушу, падает на нее, а затем или реками уносится в океан, или уходит под землю, или консервируется в ледниках. Круговорот воды в природе не является совершенно замкнутым циклом. Сегодня доказано, что наша планета постоянно теряет часть воды и воздуха, которые уходят в мировое пространство. Поэтому с течением времени встанет проблема сохранения воды на нашей планете.

Вода - вещество, обладающее многими уникальными физическими и химическими свойствами. Она обладает высокой теплоемкостью, теплотой плавления и испарения и в силу этих качеств является важнейшим климатообразующим фактором на Земле. Вода является хорошим растворителем, поэтому в ней содержится множество химических элементов и соединений, необходимых для поддержания жизни. Не случайно именно Мировой океан стал колыбелью Жизни на нашей планете.

Ледники, образующие ледяную оболочку Земли (криосферу), также являются частью гидросферы нашей планеты. Они занимают площадь, равную 16 млн км². Это 1/10 часть поверхности планеты. Именно в них содержатся основные запасы пресной воды (3/4). Если бы льды, находящиеся в ледниках, вдруг растаяли, уровень Мирового океана повысился бы на 50 метров.

Атмосфера

Атмосфера - это воздушная оболочка Земли, окружающая ее и вращающаяся вместе с ней. Она состоит из воздуха - смеси газов, состоящей из 78% азота, 21% кислорода,

а также инертных газов, водорода, углекислого газа, паров воды, на которые приходится около1% объема. Кроме того, воздух содержит большое количество пыли и различных примесей, порождаемых геохимическими и биологическими процессами на поверхности Земли.

Масса атмосферы довольно велика и составляет 5,15·10¹⁸ кг. Это значит, что каждый кубический метр окружающего нас воздуха весит около 1 кг. Вес всего этого воздуха, давящего на нас, называют атмосферным давлением. Среднее атмосферное давление на поверхности Земли равно 1 атм, или 760 мм рт. ст. Это означает, что на каждый квадратный сантиметр нашего тела давит груз атмосферы массой в 1 кг. С высотой плотность и давление атмосферы быстро убывают.

В атмосфере есть районы с устойчивыми минимумами и максимумами температур и давлений. Так, в районе Исландии и Алеутских островов располагается такая область, являющаяся традиционным местом рождения циклонов, определяющих погоду в Европе. А в Восточной Сибири область низкого давления летом сменяется областью высокого давления зимой.

Неоднородность атмосферы вызывает перемещение воздушных масс - так появляются ветры. Кроме того, на направления ветров влияет вращение Земли, а также разнообразный рельеф нашей планеты. Основная масса воздуха перемещается от экватора к полюсам. В экваториальной области с ее высокими температурами обычно держится низкое давление, что вызывает подъем воздуха вверх. Обычно в этих районах господствуют штили и слабые переменные ветры. Поднимаясь, восходящие токи воздуха охлаждаются, конденсируют влагу и проливаются ливнями. После этого воздух движется на север и юг от экватора, несколько раз опускаясь и поднимаясь при этом. Охлажденный у полюсов воздух возвращается назад, к экватору.

В тропических областях преобладают восточные ветры. В Северном полушарии Земли господствуют северо-восточные пассаты, в Южном полушарии - юго-восточные пассаты. По мере удаления к полюсам начинают доминировать западные ветры. Внутри этих потоков вращаются вихри - области низкого давления. Когда они сталкиваются с воздухом, нагретым у поверхности Земли, то поднимаются вверх и порождают облака и дожди.

Атмосфера Земли имеет слоистое строение, причем слои отличаются по физическим и химическим свойствам. Важнейшими физическими свойствами являются температура и давление, изменение которых лежит в основе выделения атмосферных слоев. Таким образом, в атмосфере Земли выделяют: тропосферу, стратосферу, ионосферу, мезосферу, термосферу и экзосферу.

Заключение

вселенная аккреция солнечный геосфера

Таким образом, мной были изучены различные теории об образовании и дифференциации вещества на планете Земля в ее догеологической истории.

Размещено на Allbest.ru