Тема 7. Концепции возникновения и развития Вселенной

Вселенную в целом изучает наука, называемая космологией, т. е. наукой о космосе. Выводы космологии называются моделями происхождения и развития Вселенной. Эти выводы называются «моделями», т.к. провести контролируемые научные эксперименты во всей Вселенной не представляется возможным.

Модель расширяющейся Вселенной. Наиболее общепринятой в космологии является модель однородной изотропной нестационарной горячей расширяющейся Вселенной, построенная на основе общей теории относительности и релятивистской теории тяготения, созданной Альбертом Эйнштейном в 1916 году. В основе этой модели лежат два предположения: 1) свойства Вселенной одинаковы во всех ее точках (однородность) и направлениях (изотропность); 2) наилучшим известным описанием гравитационного поля являются уравнения Эйнштейна. Из этого следует так называемая кривизна пространства и связь кривизны с плотностью массы (энергии). Космология, основанная на этих постулатах, - релятивистская.

Важным пунктом данной модели является ее нестационарность. Это определяется двумя постулатами теории относительности:

1) принципом относительности, гласящим, что во всех инерционных системах все законы сохраняются вне зависимости от того, с какими скоростями, равномерно и прямолинейно движутся эти системы друг относительно друга;

2) экспериментально подтвержденным постоянством скорости света.

Из принятия теории относительности вытекало в качестве следствия, что искривленное пространство не может быть стационарным: оно должно или расширяться, или сжиматься. Этот вывод был подтвержден открытием астрономом Э. Хабблом в 1929 году так называемого «красного смещения».

Красное смещение - это понижение частот электромагнитного излучения: в видимой части спектра линии смещаются к его красному концу. Обнаруженный ранее эффект Доплера гласил, что при удалении от нас какого-либо источника колебаний, воспринимаемая нами частота колебаний уменьшается, а длина волны соответственно увеличивается. При излучении происходит «покраснение», т. е. линии спектра сдвигаются в сторону более длинных красных волн.

Составной частью модели расширяющейся Вселенной является представление о Большом Взрыве, происшедшем где-то примерно 12-18 млрд. лет назад. Вначале был взрыв.

Начальное состояние Вселенной (так называемая сингулярная точка): бесконечная плотность массы, бесконечная кривизна пространства и взрывное, замедляющееся со временем расширение при высокой температуре, при которой могла существовать только смесь элементарных частиц (включая фотоны и нейтрино). Горячесть начального состояния подтверждена открытием в 1965 году реликтового излучения фотонов и нейтрино, образовавшихся на ранней стадии расширения Вселенной.

Возникает интересный вопрос: из чего же образовалась Вселенная? Как это ни удивительно, современная наука допускает, что все могло создаться из ничего. «Ничего» в научной терминологии называется вакуумом. Это своеобразная форма материи, способная при определенных условиях «рождать» вещественные частицы.

Современная квантовая механика допускает (это не противоречит теории), что вакуум может приходить в «возбужденное состояние», вследствие чего в нем может образоваться поле, а из него (что подтверждается современными физическими экспериментами) - вещество.

После Большого Взрыва образовался сгусток плазмы - состояния, в котором находятся элементарные частицы - нечто среднее между твердым и жидким состоянием, который и на­чал расширяться все больше и больше под действием взрывной волны. Через 0,01 сек после начала Большого Взрыва во Вселенной появилась смесь легких ядер (2/3 водорода и 1/3 гелия). В дальнейшем, в ходе эволюции материи, сформировались галактики, звезды, планетные системы и другие космические объекты.

Тема 8. Планета Земля

Форма и строение Земли. Земля - третья от Солнца планета. В целом форму Земли можно охарактеризовать как «круглую». Однако этот шар имеет неправильную форму. Земля сжата на полюсах, и по эк­ватору. Наиболее близок к современной фигуре Земли геоид - воображаемая уровенная поверхность, по отношению к которой вектор силы тяжести повсеместно направлен перпендикулярно. В настоящее время для создания геоде­зической основы карт и других целей в России используется эллипсоид Красовского со следующими основными парамет­рами: экваториальный радиус 6378,245 км; полярный радиус 6356,863 км; полярное сжатие 1/298,25; площадь поверхности Земли около 510 млн. км², ее объем 1,083 • 10¹² км³. Масса Земли составляет 5,976 • 10²⁷ г.

Внутреннее строение Земли. В настоящее время известно несколько моделей строения Земли. Большинство исследователей принимает модель, со­гласно которой выделяются три главные оболочки Земли, разделенные четко выраженными поверхностями сейсмического раздела, где скорости сейсмических волн резко изменяются:

1)земная кора - твердая верхняя оболочка Земли. Ее мощность изменяется от 5-10 км под океанами до 30-40 км в равнинных областях и достигает 50-75 км в горных районах (максимальные значения встречаются под Андами и Гималаями);

2)мантия Земли распространяется ниже земной коры до глубины 2900 км от поверхности и подразделяется на две части: верхнюю мантию - до глубины 900-1000 км и нижнюю мантию - от 900-1000 до 2900 км;

3)ядро Земли, где выделяют внешнее ядро, - до глубины около 5120 км и внутреннее ядро - ниже 5120 км. На основе представлений о том, что ядро состоит главным образом из железа, делается вывод, что с физической точки зрения температура в ядре составляет 4000-5000 °С.

Земная кора отделяется от мантии в большинстве случаев достаточно резкой сейсмической границей - поверхностью Мохоровичича (сокращенно Мохо, или М). Сейсмическим методом в верхней мантии выявлен слой относительно менее плотных, как бы «размягченных» горных пород - астеносфера. Вязкость астеносферы существенно изменяется как в вертикальном, так и в горизонтальном направлении, изменяется и ее мощность. Астеносфера располагается на различных глубинах: под континентами - от 80-120 до 200-250 км, под океанами - от 50-70 до 300-400 км. Астеносфере принадлежит большая роль в глубинных геологических процессах. Твердый надастеносферный слой мантии вместе с земной корой называется литосферой.

Основные характеристики Земли. Средняя плотность Земли, по гравиметрическим данным, составляет 5,5 г/см. Плотность горных пород, слагающих земную кору, колеблется от 2,4 до 3,0 г/см³. Известно, что Земля представляет собой как бы гигантский магнит с силовым полем вокруг. В современную эпоху магнитные полюса Земли расположены вблизи географических полюсов, но не совпадают с ними. Установлено, что с течением времени магнитные полюса могут меняться местами.

Химический и минеральный состав Земли. В составе земной коры наиболее распространены следующие восемь химических элемен­тов, составляющих в сумме свыше 98% по весу: кислород (46,5%), кремний (25,7%), железо (6,2%), кальций (5,8%), магний (3,2%), натрий (1,8%), калий (1,3%). Еще пять элементов содержатся в земной коре в количестве десятых долей процента: титан (0,52%), углерод (0,46%), водород (0,16%), марганец (0,12%), сера (0,11%). На все остальные элементы приходится около 0,37%.

Типы земной коры. Обычно выделяют четыре главных типа земной коры: континентальный, океанский, субконтинентальный и субокеанский.

Континентальный тип земной коры имеет различную мощность (толщину): в пределах континентальных равнин - платформ – 35-40 км, в молодых горных сооружениях - 55-70 км.

Океанский тип земной коры, характерный для ложа Мирового океана, резко отличается от континентального как по мощности, так и по составу. В нем отсутствует гранитный слой, а мощность колеблется от 5 до 12 км, в среднем составляя 6-7 км.

Субокеанский тип земной коры характерен для глубоководных котловин окраинных и внутренних морей. Особенность строения этого типа земной коры - большая мощность осадочных пород (до 4-10 км, местами до 20 км).

Субконтинентальный тип земной коры характерен для островных дуг (Алеутской, Курильской и др.) и окраин материков. По строению он близок к материковому типу, но имеет меньшую мощность (20—30 км).

Водная оболочка Земли. Гидросфера - водная оболочка Земли, включающая в себя всю химически не связанную воду. Вода присутствует на Земле в трех фазовых состояниях: твердом, жидком и газообразном. Из почти 1,5 млрд. км³ общего объема вод гидросферы около 94% приходится на Мировой океан, 4% - на подземные воды (большую их часть представляют глубинные рассолы), 1,6% -на ледники и постоянные снега, около 0,25% - на поверхностные воды суши (реки, озера, болота), большая часть которых расположена в озерах. Вода присутствует в атмосфере и живых организмах.

Воздушная оболочка Земли. Атмосфера - это воздушная оболочка Земли, которая состоит из смеси газов (воздуха), водяного пара и примесей (аэрозолей). Воздух у земной поверхности содержит (по объему) более 78% азота N2, около 21% кислорода О2 и менее 1% остальных газов, в том числе 0,93% аргона Аг и 0,03% диоксида углерода СО2. Состав его почти везде одинаков и благодаря перемешиванию сохраняется до высоты 90-100 км, а выше преобладают более легкие газы. Вследствие фотохимических реакций на высоте 20-30 км образуется слой повышенного содержания озона Оз -озоновый экран, который задерживает губительную для живых организмов ультрафиолетовую радиацию.

Возникновение Земли и ранние этапы ее становления. Одной из важных задач современного естествознания в области наук о Земле является восстановление истории ее развития. По современным космогоническим представлениям, Земля образовалась из рассеянного в протосолнечной системе газопылевого вещества. Затем претерпела значительные преобразования в течении 4,5 млрд. лет.

Абсолютная геохронология - учение об измерении геологического времени, выраженного в обычных абсолютных астрономических единицах (годах), - определяет время возникнове­ния, завершения и длительность всех геологических событий, в первую очередь время образования или преобразования (метаморфизма) горных пород и минералов, так как по их возрасту определяется возраст геологических событий. Основным методом здесь является анализ соотношения радиоактивных веществ и продуктов их распада в горных породах, образовывавшихся в разные эпохи.