Гипотезы возникновения Солнечной системы. Строение Солнечной системы. Возраст Земли

3. Возраст Земли

Возраст Земли - время, которое прошло с момента образования Земли как самостоятельного планетарного тела. В настоящее время оно оценивается учеными в 4,54—4,57 млрд. лет.

Согласно данным радиоизотопных датировок, возраст Земли составляет 4,6—5 миллиардов лет. Остатки растений и животных позволяют узнавать возраст горных пород. Широко известен каменноугольный период, когда образовались крупнейшие месторождения на территориях, где ныне находятся Донбасс, Кузбасс и многие другие районы. В Поволжье крупные месторождения нефти заключены в породах, которые отлагались во время девонского периода, а знаменитые месторождения фосфоритов в Южном Казахстане приурочены к осадкам морей кембрийского периода. Таким образом, в разное время на Земле отлагались разные ценные полезные ископаемые. Поэтому для их поисков надо уметь узнавать, в какую эпоху отлагались соответствующие слои и чем они отличаются от более молодых и более древних осадочных толщ.

На помощь геологам приходит палеонтология — наука об организмах геологического прошлого и о развитии живой природы в течение геологических времён. Если мы находим в пласте известняка панцирь трилобита, то можно уверенно сказать, что известняк образовался в палеозойскую эру. Этот пласт гораздо старше, чем слои, в которых найдены кости млекопитающих животных. Иногда бывает достаточно небольшой раковинки, крохотного обломка окаменевшей древесины, чтобы определить, в какой период отлагались те или иные слои.

Изучив последовательно смену событий — и геологических и биологических, учёные разделили всю долгую историю нашей планеты на пять наиболее крупных отрезков — эр. Три последние эры — палеозойская, мезозойская и кайнозойская (от греческих слов «палеос» — древний, «мезос» — средний, «кайнос» — новый и «зое» — жизнь) — разделяются на несколько периодов, а периоды в свою очередь — на эпохи и века. Две наиболее древние и самые продолжительные эры — архейская и протерозойская (по-гречески «археос» — древний, старый и «протерос» — первый, начальный) — на периоды, эпохи и века пока не разделяются. Во второй половине протерозойской эры в морях существовало много водорослей и появились первые животные.

Возраст горных пород, устанавливаемый по остаткам растений и животных, называют относительным геологическим возрастом. Мы можем узнать, моложе или древнее тот или иной пласт песчаника или глины по сравнению с пластами соседнего района.

Но ведь этого мало. Важно знать, на сколько лет древне́е или моложе, то есть знать не только относительный, но и абсолютный геологический возраст горных пород, выраженный в миллионах и миллиардах лет. Успехи атомной физики позволяют геологам достаточно точно определять возраст горных пород. При этом они используют явления радиоактивности. Атомы некоторых элементов — урана, радия, тория и других — не остаются постоянными. Они изменяются, выделяя альфа- и бета-частицы (это и называется радиоактивным излучением), и превращаются в атомы свинца, гелия и других элементов. Скорость таких превращений для каждого элемента постоянна. Так, уран с атомным весом 238 (238U) превращается в свинец и гелий. Чтобы половина атомов урана превратилась в атомы свинца, требуется 4520 млн лет. Это время называется периодом полураспада урана. Для радия период полураспада 1590 лет, для тория — 13 900 млн лет. Выяснилось, что способностью к радиоактивному распаду обладают некоторые разновидности атомов и у более широко распространённых элементов. Такие разновидности атомов называют радиоактивными изотопами. Радиоактивный изотоп калия (40К) имеет период полураспада в 1,25 млрд лет и превращается в атомы инертного газа аргона, а у изотопа рубидия (87Rb) — 50 млрд лет, и превращается он в атомы стронция. Даже углерод имеет радиоактивные изотопы 14С, которые превращаются в атомы азота, а период полураспада составляет 5760 лет.

Определяют возраст по радиоактивным элементам и изотопам так. Ученые — физики и химики — точно подсчитывают, сколько содержится в горной породе атомов радиоактивных элементов — «родителей», а также «новорожденных» элементов — «детей». Затем решают самую обыкновенную задачу: известно, сколько времени нужно для превращения половины атомов (период полураспада) и сколько атомов распалось в изучаемой горной породе. Таким образом, составляется простая арифметическая пропорция — и получается абсолютный возраст горной породы.

Чем меньше период полураспада, тем точнее можно определить возраст пород, но только для геологически относительно недавних, коротких отрезков времени. Так, по радиоактивным изотопам углерода определяется возраст остатков не старше нескольких десятков тысяч лет.

По радиоактивным изотопам калия удается измерять возраст горных пород в пределах сотен миллионов лет. Недавно в вечной мерзлоте Таймыра был найден замороженный труп мамонта. Анализ радиоактивных изотопов углерода показал, что этот мамонт жил приблизительно 11 тыс. лет назад. Зернам пшеницы, найденным в египетских пирамидах, оказалось 6100 лет, а костер, который обнаружил на острове Пасхи ученый-путешественник Тур Хейердал, горел 1550 лет назад, приблизительно в 400 г. н. э. Именно калий-аргоновым методом сделано большинство определений абсолютного возраста осадочных пород мезозоя и палеозоя. Дело в том, что калий входит в состав минерала глауконита. Этот минерал образуется одновременно с включающей его осадочной горной породой. Определив возраст глауконита по соотношению изотопов калия и аргона, мы получим возраст горной породы.

По соотношению рубидия и стронция можно «измерить» более долгие отрезки времени, и этот метод считается наиболее надежным для определения возраста самых древних горных пород, образовавшихся в архейскую и протерозойскую эры. Выяснилось, что самому древнему камню на нашей планете около 4—5 млрд. лет. Первые остатки каких-то организмов, скорее всего водорослей или бактерий, были обнаружены в слоях, возраст которых около 3 млрд. лет. Первые животные появились, очевидно, около 1 млрд. лет тому назад.

Формирование Земли. Согласно современным научным представлениям, Земля и другие планеты Солнечной системы, сформировались 4,54 млрд лет назад из протопланетарного диска пыли и газа, оставшегося после формирования Солнца. Луна сформировалась позднее, вероятно, в результате касательного столкновения Земли с объектом, по размерам близким Марсу и массой 10 % от земной (иногда этот объект называют «Тейя»). Часть массы этого тела слилась с Землёй, а часть была выброшена в околоземное пространство и образовала кольцо обломков, со временем агрегировавшееся и давшее начало Луне.

Обезгаживание и вулканическая активность привели к образованию первичной атмосферы. Конденсация водяного пара, усиленная льдом, занесённым кометами, привела к образованию океанов. Развитие фотосинтеза позволило живым организмам напрямую накапливать солнечную энергию. В результате в атмосфере стал накапливаться кислород, а в верхних слоях — формироваться озоновый слой. Слияние мелких клеток с более крупными привело к развитию сложных клеток — эукариотов. Настоящие многоклеточные организмы, состоящие из группы клеток, стали всё больше приспосабливаться к окружающим условиям. Благодаря поглощению губительного ультрафиолетового излучения озоновым слоем, жизнь смогла начать освоение поверхности Земли.

Поскольку поверхность планеты постоянно изменялась в течение сотен миллионов лет, континенты появлялись и разрушались. Континенты перемещались по поверхности, порой собираясь в суперконтинент. Приблизительно 750 млн лет назад, самый ранний из известных суперконтинентов — Родиния, стал раскалываться на части. Позже континенты объединились в Паннотию (600—540 млн лет назад), затем в последний из суперконтинентов — Пангею, который распался 180 миллионов лет назад.

В 1960 году была выдвинута гипотеза, утверждающая, что в период между 750 и 580 млн. лет назад Земля была полностью покрыта льдом. Эта гипотеза объясняет кембрийский взрыв, когда резко ускорилось распространение многоклеточных форм жизни.

После кембрийского взрыва, около 535 млн. лет назад, было пять массовых вымираний. Последнее массовое вымирание случилось 65 млн. лет назад, когда, вероятно, падение метеорита привело к исчезновению динозавров и других крупных рептилий, но обошло мелких зверей, таких как млекопитающие, которые тогда напоминали землероек. В течение последних 65 миллионов лет, развилось огромное количество разнообразных видов млекопитающих, и несколько миллионов лет назад обезьяноподобные животные получили способность прямохождения. Это позволило использовать орудия и способствовало общению, которое помогало добывать пищу и стимулировало необходимость в большом мозге. Развитие земледелия, а затем цивилизации, в короткие сроки позволило людям воздействовать на Землю как никакая другая форма жизни, влиять на природу и численность других видов.

Будущее Земли. Будущее планеты тесно связано с будущим Солнца. В результате накопления в ядре Солнца «отработанного» гелия, светимость звезды начнёт медленно возрастать. Яркость солнца возрастёт на 10 % в течение следующих 1,1 млрд. лет и ещё на 40 % в течение следующих 3,5 млрд. лет. Согласно некоторым климатическим моделям, увеличение количества солнечного излучения, падающего на поверхность Земли, приведёт к катастрофическим последствиям, включая возможность полного испарения всех океанов.

Повышение температуры поверхности Земли ускорит неорганическую циркуляцию CO2, уменьшив его концентрацию до смертельного для растений уровня за 900 млн лет. Но даже если бы Солнце было вечно и неизменно, то продолжающееся внутреннее охлаждение Земли могло бы привести к потере большей части атмосферы и океанов (из-за понижения вулканической активности). Ещё через миллиард лет вода с поверхности планеты исчезнет полностью.

Через 5 млрд лет Солнце превратится в красного гиганта. Солнце увеличится в диаметре на величину, равную примерно 99 % нынешней дистанции до орбиты Земли. Однако к тому времени орбита Земли может увеличиться до 1,7 а.е., поскольку ослабнет притяжение Солнца из-за уменьшения массы. И хотя Земля сможет избежать поглощения внешними оболочками Солнца, большая часть живых организмов, а, возможно, и все, исчезнут в результате катастрофической близости к звезде.

В дальнейшем Солнце сбросит оболочки и станет белым карликом. Если Земля сумеет пережить сброс оболочек, то останется существовать ещё многие миллиарды лет, до тех пор пока будет существовать Вселенная, однако условий для повторного возникновения жизни  на Земле не будет.

     Рисунок 2. Художественное представление того, как может выглядеть Земля через 5-7 миллиардов лет,   когда Солнце увеличится в диаметре и станет красным гигантом.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключение работы кратко отметим основные положения, рассмотренные в работе.

В первой части реферата изучены основные гипотезы возникновения Солнечной системы:

- это небулярная гипотеза Канта - Лапласа, основная идея которой заключается в том, что Солнечная система возникла в результате превращения туманности;

- вихревая гипотеза Фая -  Фай видел в пятнах на Солнце вихри, произошедшие от встречи двух соседних слоёв фотосферы. В вихрях образуются кольца, которые дают начало планетам с прямым вращением вокруг осей;

- планетезимальная гипотеза Чемберлина и Мультона - в соответствии с ней планеты нашей системы возникли из газовой струи, которая отделилась от Солнца в результате близкого прохождения мимо нее другой звезды;

- приливная гипотеза Джинса и  Джеффриса - в результате случайного сближения Солнца с другой звездой на Солнце образовалась гигантская приливная волна, приведшая к тому, что из двух противоположных точек его поверхности началось мощное извержение струй газа. Эти газовые массы очень быстро сгущались в облака, в которых росли планетезимали — небольшие твердые тела, из которых в дальнейшем сформировались планеты;

- гипотеза нашего соотечественника О. Ю. Шмидта. В её основе лежат два предположения: планеты сформировались из холодного газопылевого облака; это облако было захвачено Солнцем при его обращении вокруг центра Галактики.

Во второй части реферата рассмотрено строение Солнечной системы, в центре которой находится звезда нашей планетной системы — Солнце, а вокруг неё обращаются восемь больших планет вместе со своими спутниками и множество малых планет -астероидов. В Солнечную систему входят, кроме того, многочисленные кометы и межпланетная среда.

С учетом физических характеристик все планеты делятся на две группы. Одна из них состоит из сравнительно небольших планет земной группы — Меркурия, Венеры, Земли и Марса. Они состоят преимущественно из тяжёлых элементов, имеют малое количество (0—2) спутников, у них отсутствуют кольца. В значительной степени они состоят из тугоплавких минералов, таких как силикаты, которые формируют их мантию и кору; и металлов, таких как железо и никель, которые формируют их ядро. У трёх внутренних планет — Венеры, Земли и Марса — имеется атмосфера; у всех имеются ударные кратеры и тектонические черты поверхности, такие как рифтовые впадины и вулканы. Другую группу составляют планеты - гиганты: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Юпитер и Сатурн преимущественно состоят из водорода и гелия; Уран и Нептун обладают большим содержанием льда в их составе. Некоторые астрономы из-за этого классифицируют их в собственной категории — «ледяные гиганты». У всех четырёх газовых гигантов имеются кольца, хотя только кольцевая система Сатурна легко наблюдается с Земли.

В третьей части реферата необходимо было определить возраст Земли. Согласно современным научным представлениям, Земля и другие планеты Солнечной системы, сформировались 4,54 млрд. лет назад из протопланетарного диска пыли и газа, оставшегося после формирования Солнца. Луна сформировалась позднее, вероятно, в результате касательного столкновения Земли с объектом, по размерам близким Марсу и массой 10 % от земной (иногда этот объект называют «Тейя»). Часть массы этого тела слилась с Землей, а часть была выброшена в околоземное пространство и образовала кольцо обломков, со временем агрегировавшееся и давшее начало Луне.

Обезгаживание и вулканическая активность привели к образованию первичной атмосферы. Конденсация водяного пара, усиленная льдом, занесённым кометами, привела к образованию океанов. Существует ряд гипотез возникновения жизни на Земле. Предположительно 3,6—4,1 млрд. лет назад появился «последний универсальный общий предок» (общий предок всех ныне живущих на Земле живых организмов).

Развитие фотосинтеза позволило живым организмам напрямую накапливать солнечную энергию. В результате в атмосфере стал накапливаться кислород, а в верхних слоях — формироваться озоновый слой. Слияние мелких клеток с более крупными привело к развитию сложных клеток — эукариотов. Настоящие многоклеточные организмы, состоящие из группы клеток, стали всё больше приспосабливаться к окружающим условиям. Благодаря поглощению губительного ультрафиолетового излучения озоновым слоем, жизнь смогла начать освоение поверхности Земли.