Земля превращается в мир тропических болот. Болота Окефеноки (штат Джорджия, США), что на языке коренных американцев означает «холмистая земля», считаются современным эквивалентом болот, существовавших на Земле в то время.
По ступеням эволюции. Эволюция Земли, ландшафтной оболочки, климата и биосферы
Наша планета образовалась 4,5 миллиарда лет назад из протопланетного облака газовой пыли. В ходе своей эволюции Земля остывала, формируя кору, океаны и атмосферу, а также изменяя конвекцию в мантии. Изменилась геоморфология — тектоника плит привела к образованию и распаду суперконтинентов. С помощью современных методов геологических исследований — анализа химического состава пород, радиоизотопного датирования — можно определить специфику этих процессов. Как оказалось, постоянное экспоненциальное охлаждение планеты привело к глобальным геологическим процессам с четкой периодичностью: как минимум четыре древних суперконтинента, известных сегодня, образовались через почти равные промежутки времени.
Эволюция нашей планеты от планетарного зародыша, образовавшегося из облака газовой пыли вокруг Солнца, до ее нынешнего состояния прошла через несколько важных этапов. Наиболее важным фактором, влияющим на изменение внутреннего и внешнего облика Земли, является непрерывное охлаждение Земли после образования 99,9% ее массы, а также постепенно прогрессирующее окисление ее поверхности и поверхностных оболочек (кора, гидросфера, атмосфера). Информация об этих изменениях может быть получена путем сопоставления эндогенных и поверхностных процессов и явлений, а также путем анализа геологических данных, включая содержание различных элементов в коре и ядре, радиоизотопный состав пород и результаты палеомагнитных исследований.
Воссоздание исторической картины изменений на нашей планете позволяет лучше понять ее современное состояние и оценить перспективы развития. Эти знания имеют неоценимое значение для человечества.
От Пангеи до Пангеи
Современные астрофизические данные свидетельствуют о том, что формирование Земли происходило по механизму теплой аккреции. В результате нагрева от крушения планетарных зародышей и распада короткоживущих изотопов молодая планета была теплой и нагрелась до довольно высоких температур. В ходе эволюции Земля остывала — средний тепловой поток и средняя температура мантии Земли уменьшались. Современная температура на границе между верхней и нижней мантией составляет 2000-2100 °C и достигала 2400 °C в конце архея и начале протерозоя (2,6-2,7 млрд лет назад). Затем это тепло рассеивается в виде излучения в окружающую вселенную, и запас тепловой энергии в недрах уменьшается.
Данные о температуре и тепловом потоке из мантии Земли позволяют оценить интенсивность конвекции в нижней мантии. По современным оценкам, даже если разница температур между верхней и нижней мантией практически постоянна, изменения в тепловом потоке, произошедшие при остывании Земли, могут привести к значительным изменениям на 2-3 порядка вязкости магмы и числа Рэлея, характеризующих конвективные процессы. В архейскую эпоху конвекция в нижней мантии была намного интенсивнее из-за высоких тепловых потоков и приближалась к конвекции в современной астеносфере. Восходящие токи могут воздействовать на всю мантию, что приведет к общей конвекции и, в конечном итоге, к «тектонике малых плит».
РОЖДЕНИЕ ПЛАНЕТ
Планеты Солнечной системы сформировались из протопланетного газопылевого диска, окружающего Солнце. Механизм образования крупных объектов из газопылевого облака называется аккрецией и пока не очень хорошо изучен. В первые сотни тысяч лет гравитационные взаимодействия и столкновения частиц облака создавали объекты размером до 10 км. Моделирование этих процессов с помощью многочастичных систем показывает, что существует определенный размер планетарных зародышей (планетарных частиц), за пределами которого их размер начинает быстро увеличиваться. Это происходит потому, что более крупные объекты теряют кинетическую энергию из-за внутреннего трения при взаимном гравитационном взаимодействии, в то время как орбиты более мелких объектов фокусируются на них. Этот механизм эмбрионального роста планет называется олигархией, и этот процесс, по оценкам, занял несколько миллионов лет. После завершения олигархической фазы роста образовалось несколько десятков объектов с массой порядка нескольких процентов от массы Земли. После этого скорость роста экспоненциально уменьшалась, а заключительная фаза аккреции была относительно медленной, с характерным для Земли промежутком времени в десятки миллионов лет. Эта фаза сопровождалась как выбросом зародышей из Солнечной системы в результате рассеяния на крупные тела, так и серией сильных аккреционных столкновений со все более крупными объектами (Wood, 2011).
Изменения в режимах конвекции и, соответственно, в тектонике плит привели к образованию и распаду суперконтинентов. Этот процесс происходил через регулярные промежутки времени. Более длительный цикл (600-700 млн лет назад) можно определить в основном по периодам от «пангеи до пангеи» и максимумам изотопного датирования геологических пород. Достоверно доказана пермская Пангея IV, которая достигла своего максимума в конце девона и в начале карбона 360 миллионов лет назад. Распад Пангеи IV начался в триасе около 230 млн лет назад. Суперконтинент III, Родиния, существовал между 1100-920 млн лет назад. Предыдущий суперконтинент II, названный Карелией (или Колумбией), существовал около 1800-1650 млн лет назад. Доказать существование суперконтинента I все еще очень проблематично, поскольку период между интенсивными пиками 2680 и 1880 млн лет составляет 800 млн лет. Таким образом, оценки колеблются от 690 (645) до 800 млн лет, интервал от Пангеи до Пангеи 700 млн лет можно считать условным.
Сначала Земля была без Луны…
История Земли как планеты началась 4,55-4,44 миллиарда лет назад. Продолжительность начального роста и высвобождения железного ядра в решающей степени зависит от динамической вязкости мантии, которая может меняться на два-три порядка во время аккреции. Поэтому оценки продолжительности этой стадии также различаются на два порядка — от 10 миллионов лет до 1 миллиарда лет. Для уточнения временных рамок удалось измерить содержание элементов нафния и вольфрама в земных и лунных породах, что показывает, что ядро Земли формировалось почти одновременно с развитием планеты, то есть в течение первых 30-50 миллионов лет ее существования.
История формирования Земли и ее постформационное состояние во многом зависят от механизма формирования Луны. Согласно гипотезе мегаколлизии, Луна образовалась около 4,48 миллиарда лет назад в результате столкновения гипотетической планеты размером с Марс с почти готовой Землей. До этого времени верхняя оболочка Земли представляла собой магматический океан глубиной 600-1000 км с тонкой базальтовой корой толщиной до 10 км, которая регулярно разрушалась метеоритами. В результате удара часть земной коры и мантии, а также тело, столкнувшееся с ней, были выброшены на орбиту вокруг Земли, а затем образовалась Луна. Однако, по мнению некоторых исследователей, гипотеза мега-столкновения маловероятна, поскольку мощный удар гигантского небесного тела должен был привести к тому, что эксцентриситет орбиты Земли был бы на порядок больше, чем сегодня.
Согласно другой гипотезе, Луна могла образоваться из серии небольших ударных тел, сопоставимых с ней по размеру. В этой модели Земля могла оказать небольшое воздействие.<300 км) магматическим океаном. Но и в этом случае, как и в случае одного большого удара, трудно объяснить сохранение выброшенного материала на околоземной орбите и вторичную аккрецию из него Луны.
Наконец, дается серьезное геохимическое и космохимическое обоснование гипотезы об одновременном формировании Земли и Луны в виде двойной планеты.
Все три гипотезы различаются по степени, до которой Земля могла быть нарушена. Мегаколлизия могла вызвать сильнейшие нарушения в составе мантии Земли, что привело бы к большим колебаниям внутренней структуры и температуры Земли. В отличие от этого, гипотеза одновременного формирования Земли и Луны предполагает, что внутренние эволюционные процессы обоих небесных тел были ненарушенными.
ГАФНИЙ И ВОЛЬФРАМ — ПОЭМЫ ВРЕМЕНИ
Чтобы определить, когда сформировалось металлическое ядро Земли, радиоактивный изотоп 182 Hf и его продукт распада 182 W изучают в геологических породах. Оба элемента являются тугоплавкими и присутствовали в одинаковом относительном количестве на планете до формирования ядра. Со временем распад гафния-182 увеличивает долю вольфрама-182 по отношению к другим стабильным, но нерадиогенным изотопам вольфрама, таким как 184 W. Когда железо извлекается из пород, из которых состоит Земля, железосодержащий вольфрам в основном попадает в ядро, а литофильный гафний полностью остается в силикатном слое. Поэтому в этом слое соотношение 182 W/184 W будет больше, чем в исходной смеси из-за радиоактивного распада нафтена, а количество будет зависеть от того, сколько этого элемента еще не распалось, когда вольфрам вымывается из породы в керн. Измеряя соотношение изотопов вольфрама в коре и сравнивая эти данные с их содержанием в хондритах — метеоритных телах, сформировавшихся в протопланетном диске во времена до образования Земли, мы можем определить разницу в возрасте между хондритами и древними породами и таким образом датировать образование ядра (Wood, 2011).
Гигантские грибы на Земле
Земля была населена крупными грибами
Около 400 миллионов лет назад деревья были высотой до пояса человека. Большинство из них были высотой в метр, другие растения были не намного больше — но не грибы. В какой-то момент истории Земли по всей планете существовали грибы-первопроходцы, превосходившие по численности все остальные живые существа.
У этих грибов были ножки высотой 8 метров и шириной 1 метр. Да, они не были бы выше или толще многих современных деревьев. Однако в то время это были самые крупные растения на планете, превосходящие все остальные по высоте на 20 футов.
У них не было больших шляпок на вершине, которые мы привыкли видеть по сравнению с ножкой современного гриба. Вместо него из земли торчал стебель — большая грибная палка. И это было повсюду. Подобные окаменелости мы находим во всех уголках Земли. Значит, планета прошлого была полна лесов из гигантских грибов.
Небо на Земле было оранжевым, а океаны зелеными
Это больше похоже на ивязовскую картину.
Небо не всегда было голубым. Считается, что около 3,7 миллиарда лет океаны были зелеными, континенты — черными, а небо — ярко-оранжевым.
Состав Земли тогда был совершенно другим, и у нас есть все основания полагать, что состав цвета также был совершенно другим. Океаны были зелеными, потому что железные образования растворялись в морской воде и давали зеленый, ржавый, медный цвет. Континенты были черными, потому что были покрыты холодной лавой, и на них не было растений.
И небо не всегда было голубым. Сегодня в атмосфере много кислорода, но 3,7 миллиарда лет назад его было мало. Небо было в основном метановым. Когда солнечный свет проникал в метановую атмосферу, он окрашивал небо в оранжевый цвет.
Земля воняла тухлыми яйцами
Запах земли неприятен.
Когда мы рассуждаем о том, какой была та или иная планета, мы руководствуемся не только догадками и теориями. Ученые почти уверены, что знают, как пахла планета в прошлом. Если бы кто-то понюхал воздух 1,9 миллиарда лет назад, он бы отчетливо почувствовал запах тухлых яиц.
Это объясняется тем, что океаны были полны газообразных бактерий, которые питались солью, содержащейся в морской воде. Бактерии поглощали соль и выделяли сероводород, наполняя воздух характерным запахом, который мы ассоциируем с яйцами, и это все.
И ученые все еще пытаются смягчить ситуацию. Давайте посмотрим правде в глаза — у нас есть живые существа, которые ежедневно выделяют в воздух сероводород. Можно сказать, что мир прошлого пах пердежом.
Если вас интересуют новости науки и техники, подпишитесь на нас в Google News и Яндекс.Дзен, чтобы не пропустить ни одной новости!
Формирование поверхности древней Земли и возникновение Луны (4,6–4 млрд лет назад)
На ранних этапах формирования Земли (около 4,6-4 млрд. лет назад) расслоение внутреннего вещества Земли сопровождалось интенсивной бомбардировкой поверхности планеты метеоритами. Метеориты упали на Землю и образовали кратеры. Огромная энергия удара была преобразована в тепло, подчиняясь закону сохранения: Холодные (около абсолютного нуля!) метеориты нагревали поверхность Земли и внутреннюю часть планеты. Одновременно с нагреванием метеоритов происходило извержение большого количества вулканов. Из недр планеты вырвались пары и газы.
Расплавленная магма вылилась из раскаленных недр Земли, покрыв большие участки молодой планеты и образовав базальтовые поля — поверхность Земли тогда напоминала поверхность Луны.
Шаг за шагом внутреннее строение Земли приближалось к современной научной модели. Ядро, мантия и кора формировались и изменялись много раз, прежде чем приняли ту форму, которую мы знаем сегодня.
Луна превосходит все остальные спутники Солнечной системы по соотношению своего размера к размеру Земли. Это отличает Луну от других планет-спутников. Современная наука уже давно пытается разгадать его тайну. Наиболее убедительная гипотеза заключается в том, что Луна образовалась после сильного столкновения небесных тел. Подробности этой космической катастрофы и ее влияние на историю Земли будут рассмотрены позже.
Луна не похожа на нашу планету: на ее поверхности нет воды, нет лунной атмосферы, мало железа и летучих соединений. Однако соотношение изотопов кислорода на этих планетах практически одинаково. Этот важный показатель также называется кислородной сигнатурой. Эти данные позволяют предположить, что Земля и Луна были сформированы из одних и тех же планетарных материалов («строительных блоков») на одинаковом расстоянии от Солнца.
Присутствие гигантского спутника объясняет многие явления на нашей планете. С космической точки зрения Луна находится не очень далеко от нас, поэтому ее гравитация ощущается на Земле. Он вызывает приливы не только в океанах, но и в замкнутых водоемах в земной коре.
Под действием гравитационного притяжения Луны по поверхности Земли пробегает рябь, притягивая ее примерно на 50 сантиметров к планете-спутнику.
Великая космическая катастрофа и метеоритные бомбардировки
Ученые Дональд Дэвис и Уильям Хартманн объяснили появление Луны гипотезой космической катастрофы. Идея заключается в том, что первобытная Земля в какой-то момент столкнулась с другой древней планетой размером с современный Марс. Имя этой гипотетической планете дала Тея, так же как греки называли мать солнца, восхода и луны богами (Гелиос, Эос и Селена).
Считается, что Тея появилась 4,6 миллиарда лет назад, одновременно с другими планетами Солнечной системы и также вращалась вокруг Земли, но гравитационное притяжение Солнца и Земли сместило ее, и она столкнулась с Землей.
Удар произошел на малой скорости и почти по касательной — планеты не были разрушены, и только часть материи с Земли и Теи была выброшена в космос. Эти обломки были выброшены на орбиту Земли и дали начало Луне, которая стала вращаться вокруг Земли. Земля же после столкновения увеличила скорость своего вращения (цикл день-ночь) и наклон своей оси.
Компьютерные модели подтвердили эту возможность и показали, что Луне потребовалось сто лет после столкновения — всего лишь мгновение ока по космическим меркам — чтобы стать сферой. Низкое содержание железа в спутнике Земли объясняется тем, что удар произошел после формирования ядра Земли, которое поглотило большую часть железа.
Обломки астероидов, пролетевшие через космос, и куски планетоидов, которые так и не стали планетами, — весь этот космический мусор упал на поверхность Земли и Луны в виде метеоритов. Считается, что в течение первых 700 миллионов лет жизни наша планета притягивала больше метеоритов, чем ее луны, поскольку ее масса больше, чем у Луны.
Массивные геологические изменения в последующие эпохи уничтожили следы более ранних космических вторжений. Однако на поверхности Луны и таких планет, как Марс и Меркурий, остаются следы ударов — кратеры. Они могут быть огромными и напоминать моря в тысячи километров в поперечнике, но могут быть и совсем маленькими. В начале своей жизни Земля также подвергалась бомбардировке метеоритами всех размеров.
За период в 100 миллионов лет на поверхность нашей планеты упало 3 х 1022 кг космического мусора — этого достаточно для товарного поезда с 500 000 000 000 000 000 000 000 груженых вагонов! При падении метеоритов их кинетическая энергия преобразовывалась в тепловую. Они разрушались и взрывались, нагревая землю, высвобождая газы и смешивая свои компоненты с компонентами земли.
Возникшее тепло частично расплавило оболочку молодой планеты, но последовавшие за этим гигантские вулканические извержения почти полностью уничтожили все следы космической бомбардировки.
На поверхности Земли было обнаружено более 160 метеоритных кратеров. Они сразу же появлялись группами в районах метеоритных дождей, охватывающих десятки квадратных километров земной поверхности. Метеоритный дождь — это падение нескольких осколков крупного метеорита.
Вместо одного углубления появляется целое поле кратеров, направление которых может указывать на путь, пройденный обломками при входе в атмосферу.
Кратеры обычно круглые, около 100 километров в диаметре, и окружены холмом, который возвышается по краям.
Атмосфера и гидросфера Земли — условия существования будущей жизни (4,3–3,8 млрд лет назад)
В начале эволюции Земли базальтовая кора образовалась в недрах Земли, а расплавленная магма поднималась по трещинам в коре. В нем содержались газы. При высоких температурах и давлениях происходили интенсивные химические реакции. Продуктами этих реакций были газы, которые мы знаем сегодня: Азот, водород, монооксид углерода (CO), двуокись углерода и вода. Можно сказать, что первичная атмосфера была создана изнутри Земли.
Первоначальная атмосфера не имеет ничего общего с современной. Вулканы древности выбрасывали облака газа, а атмосфера представляла собой смесь этих газов с водяным паром, соляной, борной и плавиковой кислотой.
К этому времени масса Земли была достаточно велика, чтобы удерживать атмосферные газы на месте своим гравитационным притяжением.
Однако первоначальная атмосфера не похожа на современную.
Вулканы древности выбрасывали облака газа. Более легкие газы, водород и гелий, поднимались вверх и достигали космоса, а более тяжелые газы удерживались на поверхности под действием земного притяжения. Эти газы сформировали первичную атмосферу Земли между 4,3 и 3,8 миллиардами лет назад. То, что выбрасывали вулканы, конечно же, сильно отличалось от сегодняшней азотно-кислородной атмосферы. Молодая планета была окружена облаками азота, аммиака, углекислого газа, метана, водорода и благородных газов, а также парами воды, соляной кислоты, борной кислоты и плавиковой кислоты. Только кислород почти полностью отсутствовал в первичной атмосфере, поскольку его содержание в «воздухе» старой планеты составляло менее 0,001% от сегодняшней концентрации.
В то время почти весь кислород был связан в различных химических соединениях и не присутствовал в свободном состоянии. Токсичная, пригодная для дыхания атмосфера также не имела озонового слоя, который сегодня защищает все живое от космической радиации. Однако постепенно он обогащался продуктами сгорания метеоритов.
Сегодняшняя атмосфера Земли не имеет ничего общего с прежней: Его основными компонентами являются азот (около трех четвертей объема), кислород (одна пятая) и инертный газ аргон (около 1/100). В нем значительно меньше углекислого газа и водяного пара, а другие летучие элементы присутствуют лишь в крайне незначительных количествах, как говорят химики.
Медленное охлаждение Земли и формирование первичной атмосферы также благоприятствовало образованию водной оболочки планеты — гидросферы. Как мы знаем, древняя атмосфера содержала много водяного пара, который вырвался вместе с расплавленной лавой из недр Земли. Этот пар конденсировался и выпадал в виде дождя. Потоки воды собирались у поверхности Земли, стекались вместе и заполняли пустоты. Так образовались древние озера. Поверхность Земли была еще очень горячей, жидкость выкипела, и столбы пара поднялись обратно в атмосферу. Такая циркуляция воды способствовала охлаждению поверхности планеты. Со временем озера увеличились в размерах и превратились в океаны. Новые водные потоки несли в себе частицы горных пород, продукты выветривания и растворенные вещества с поверхности Земли. Последний представлял собой солевую смесь. Таким образом, морская вода приобрела свой собственный вкус, который мы знаем сегодня.
Нас не должно удивлять, что вода появилась на Земле в виде пара вместе с потоками расплавленной магмы, извергавшейся из трещин в коре: и сегодня количество воды, хранящейся в связанной форме в мантии Земли, настолько велико, что намного превышает объем всех океанов и морей планеты.
Тея сталкивается с Землей: рождение Луны
Молодая планета размером с Марс движется к Земле со скоростью 15 километров в секунду, что в 20 раз быстрее пули. Она называется Тейя. Это была еще одна новорожденная каменистая протопланета в нашей Солнечной системе.
В конце концов, происходит планетарная катастрофа, в результате которой большое количество материала выбрасывается наружу. Обломки от удара позже образовали естественный спутник. После столкновения обломки в течение нескольких миллионов лет оставались в форме кольца, похожего на Сатурн, и только потом сформировалась наша Луна.
В то время Земля вращалась быстрее, а день длился всего шесть часов.
3,9 миллиарда лет назад: вода начинает править Землей
Существует две гипотезы о наличии жидкой воды на Земле. Одна из них заключается в том, что он постепенно заполнялся и выпадал с поверхности, перемещаясь вместе с астероидами, которые падали на нашу планету в течение 20 миллионов лет. Другая гипотеза заключается в том, что вода была там с самого начала, скрытая под земной корой.
На данном этапе истории Земли океаны доминируют над нашей планетой. Но до сих пор нет никаких признаков каких-либо форм жизни, даже микроорганизмов.
3,5 миллиарда лет назад: строматолиты, первые сложные формы жизни
Бактериальные колонии, называемые строматолитами, являются первыми сложными формами жизни на Земле. Строматолиты инициируют фотосинтез, преобразуя углекислый газ в глюкозу и вытесняя кислород. Строматолиты постепенно начинают наполнять океан кислородом.
В течение сотен миллионов лет строматолиты продолжали наполнять океан кислородом, и атмосфера начала формироваться и сжиматься. Эти колонии бактерий проложили путь к появлению других форм жизни на Земле.
Конец динозавров
65 миллионов лет назад. Кажется, что одна доминирующая династия — динозавры — будет править планетой вечно. Но если на Земле нет силы, способной нарушить эту монополию, то в космосе она есть — гигантский астероид уже на подходе. Он направляется к побережью полуострова Юкатан. То, что сейчас является Мексиканским заливом, представляет собой не что иное, как кратер, образовавшийся в результате удара гиганта.
Это апокалипсис динозавров. Астероид уничтожает все в радиусе тысяч километров, даже сам астероид мгновенно испаряется. Энергия, высвобождаемая при ударе, эквивалентна энергии миллионов атомных бомб. Фрагменты астероида и земной коры разбросаны на тысячи километров. Это метеоритные дожди, землетрясения, приводящие в движение землю, и цунами, обрушивающиеся на побережья. Поверхность Земли нагревается, и растительность самопроизвольно сгорает. Дым и пепел окутывают планету густой пеленой в течение нескольких месяцев, блокируя солнечный свет. Правление динозавров, длившееся 165 миллионов лет, подходит к концу. К счастью, такая возможность есть у скромных маленьких млекопитающих, похожих на ласок.
Млекопитающие
Пятьдесят миллионов лет назад. Планета все больше населяется млекопитающими. Млекопитающие существуют со времен динозавров, но они смогли утвердиться только после исчезновения гигантских хищников. 47 млн лет назад — эволюция млекопитающих ускорилась.
Продолжительность дня сейчас составляет почти 24 часа, температура — около 24 °C, а содержание кислорода почти такое же, как и сегодня.
Наши предки
В результате столкновения Индийской и Азиатской плит образовался огромный горный хребет — Гималаи. Раньше в этом месте бушевало море.
Четыре миллиона лет назад. На восточном побережье Африки между плитами, из которых состоит земная кора, открывается огромный разлом. Его протяженность составляет почти 6 000 км. Горы возвышаются на краю разлома и блокируют поток воды из Индийского океана на сушу. Становится теплее и суше, превращая плодородные тропические леса Африки в сухую саванну. Одно из самых популярных убеждений гласит, что именно по этой причине наши предки были вынуждены слезть с деревьев и, выпрямив спину, отправиться на двух ногах на поиски пищи. Однако существуют и другие гипотезы о происхождении стояния, обычно дополняемые рядом удивительных фактов.
Не так давно, например, в Африке были обнаружены останки очень древних гоминид, которые были еще живы, когда произошла дивергенция линий шимпанзе и человека. И что? Оказывается, эти гоминиды, возможно, уже ходили на двух ногах — то есть до того, как их потомки спустились с деревьев.
Они не ходили с такой уверенностью, как мы, но это факт. Но внезапный скачок в эволюции разумной человеческой деятельности начался всего 10-12 тысяч лет назад — краткий миг, невероятно малая доля «секунды» во временной шкале, прошедшей с момента рождения нашей планеты. Но Земля, по мнению многих экспертов, находится лишь на полпути своего существования. Что будет дальше?
