История нашей планеты была весьма бурной, и далеко не всегда она была настолько уютна и гостеприимна, как сегодня. Планета Земля – очень активный мир, находящийся в беспрерывном развитии. Изменяются, хотя и медленно, очертания континентов и океанов, другим становится климат. Еще более динамична в своем развитии биосфера – живая оболочка нашей планеты. В последние тысячелетия на Земле появился другой фактор, кардинально воздействующий на ее облик – человек. Но это отдельная тема, и прежде чем перейти к ней, следует дать общее описание планеты и места, которое она занимает во Вселенной, и в какой галактике находится.
Земля в масштабах космоса или наш астрономический адрес
Мы находимся в одной из многочисленных галактик под названием Млечный путь. В ней насчитывается около 200 млрд. звезд различных типов, она имеет форму спирали, которая медленно вращается вокруг своего центра.
Солнце не занимает центрального положения. Оно находится в одной из ветвей галактической спирали – поясе Ориона. Расстояние от звезды до центра Млечного пути составляет 26 тыс. световых лет.
Солнце – это единственная звезда нашей системы. По астрономической классификации она относится к типу желтых карликов, и в основном состоит из водорода и гелия. В его составе присутствуют и другие элементы, но их немного. По космическим меркам, наше светило – это вполне заурядная звезда. Их число даже в видимой части вселенной очень велико. В недрах Солнца непрерывно протекают термоядерные реакции, при которых водород превращается в гелий и выделяется огромное количество энергии, благодаря чему и возможна жизнь на планете Земля.
Возникновение жизни на нашей планете стало возможным благодаря счастливому стечению целого ряда обстоятельств. Среди них: значительная масса, достаточная для удержания защитного слоя атмосферы, наличие магнитного поля, оберегающего различные формы жизни от губительной космической радиации и наличие большого количества воды на планете Земля. Однако главная уникальность нашей планеты – это ее орбита. Именно «удачное» расстояние до Солнца создает благоприятные условия для жизни на планете Земля. Если оно было на несколько процентов больше или меньше, то, вероятно, живые организмы на ней так бы и не появились. Кроме того, Земля является единственной планетой в Солнечной системе с такими огромными запасами воды, без которой возникновение жизни было бы невозможным. Ученые спорят, откуда она взялась, и почему этого не произошло на Марсе и Венере – ближайших планетах к Земле.
Движение планет происходит практически по круговым орбитам, которые образуют почти плоский диск, называемый плоскостью эклиптики. Особенности вращения Земли и наклон ее оси определяет смену времени года.
Соседи планеты Земля – Венера и Марс. Аппараты, созданные человеком, уже высаживались на этих космических телах, в настоящее время идет активное изучение Марса. Сразу несколько государств планируют отправить на планету космонавтов. Самая близкая к Земле планета – Венера, она представляет собой безжизненный раскаленный шар, где температура на поверхности может достигать отметки плавления свинца.
Земля имеет один естественный спутник – Луну. До настоящего момента — единственное небесное тело, куда ступала нога человека. Это каменистый шар, в изобилии покрытый кратерами, который движется вокруг Земли по эллиптической орбите. Лунное вращение определяет чередование приливов и отливов в океанах нашей планеты. На Луне были обнаружены следы воды, возможна она как и Земля была обитаема.
В последнее время Луна и Марс присутствуют в новостях космонавтики. Предполагается, что человечество сможет построить постоянную станцию на нашем естественном спутнике и отправить экспедицию к Марсу. Случится это уже в следующем десятилетии. Ученые надеются найти хотя бы следы органической жизни на Марсе.
Общее описание планеты Земля
Итак, наша планета – это небольшой каменистый шарик, частично покрытый водой, расположенный на третьем месте от Солнца. Каковы же реальные размеры планеты Земля?
Ее средний радиус составляет 6371 км, а площадь поверхности – 510 072 млн. км², из которых вода занимает 361 132 млн. км², а суша – 148 940 млн. км². Диаметр планеты Земля – 12 742 км.
На самом деле Земля – это не шар. Так просто принято считать. Реальная форма планеты – сфероид, несколько «приплюснутый» на полюсах и «вытянутый» в районе экватора.
Общий вес планеты Земля равняется 5,9726·1024 кг., что составляет 81,3 массы Луны, 0,0583 массы Нептуна и 0,00315 массы газового гиганта Юпитера. Средняя плотность вещества нашей планеты – 5,5153 г/см³. Скорость вращения Земли на экваторе составляет 1674,4 км/ч.
Наша планета в основном состоит из нескольких элементов: железа (32,1%), кислорода (30,1%), кремния (15,1%) и магния (13,9%). При этом подавляющая часть железа находится в ядре Земли (88%). В земной коре больше всего кислорода – 47%.
Ускорение свободного падения равняется 9,780327 м/с². Для выхода на орбиту Земли объект должен развивать скорость 7,91 км/с, а для преодоления ее притяжения – 11,186 км/с.
Географы делят поверхность Земли на несколько полушарий. Границей Северного и Южного полушария является экватор, а Восточного и Западного – 180-й и Гринвичский меридианы.
Ученые различают несколько оболочек или геосфер нашей планеты:
- атмосферу;
- гидросферу;
- литосферу;
- биосферу.
Иногда отдельно от литосферы или твердой оболочки планеты выделяют пиросферу, которая находится ниже уровня земной коры, она отличается значительными температурами и расплавленным содержимым. В качестве отдельной оболочки рассматривается ядро Земли, расположенное в самом центре планеты и имеющее уникальный состав и характеристики.
История Земли или как формировался наш большой дом
Солнечная система образовалась примерно 4,5 млрд лет назад из огромного облака газа межзвездной пыли. В его состав входили водород и гелий, образованные в результате Большого взрыва, и более тяжелые элементы, возникшие в недрах сверхновых звезд.
Под действием сил инерции и гравитации это облако стало сжиматься, образуя первые планеты нашей системы, в том числе и Землю. Ученые считают, что процесс первичного формирования планеты Земля занял несколько десятков миллионов лет. Они полагают, что Луна появилась несколько позже, в результате касательного столкновения планеты с другим массивным небесным телом.
Удар огромной силы оторвал от Земли часть ее мантии и вытолкнул этот кусок на орбиту, где позже под воздействием сил гравитации сформировалась современная форма спутника.
В то время космическое пространство вокруг нашей планеты было заполнено огромным количеством небольших небесных тел, которые постоянно бомбардировали ее поверхность, разогревая ее, а также увеличивая размер протопланеты. Температура молодой Земли была достаточно высока для расплавления металлов и минералов, более тяжелые из них опускались, что привело к образованию легкой коры и плотного земного ядра. Первоначально поверхность Земли представляла собой океан расплавленной магмы, глубиной до нескольких километров. Высокую температуру поверхности долгое время поддерживал распад радиоактивных элементов, таких как уран и торий.
Вулканические газы образовали первую атмосферу новорожденной планеты, ее поверхность стала постепенно охлаждаться. Примерно 4,4 млрд. лет назад бо́льшая часть поверхности планеты уже представляла собой твердую кору и на ней появилась вода. Земля постепенно превратилась в водный мир: уже четыре миллиарда лет назад до 90% ее поверхности было покрыто первичным океаном. Однако этот мир трудно назвать уютным и гостеприимным: воздух атмосферы практически полностью состоял из углекислоты, и его температура достигала 200 °С, а атмосферное давление было настолько велико, что просто раздавило бы человека.
Мы любим повторять: «Наша голубая планета Земля», но до сих пор непонятно, откуда на планете взялось такое большое количество воды. Это одна из многочисленных загадок планеты Земля. Данный вопрос имеет фундаментальное значение для возникновения жизни, но споры вокруг него не утихают. Существует несколько теорий, как образовалась вода на нашей планете. Согласно одной из них, вода была занесена на Землю астероидами и метеоритами, которые в изобилии падали на ее поверхность миллиарды лет назад. Геофизики же предполагают, что она зародилась на нашей планете в результате химических процессов, протекавших в ее недрах. Две эти гипотезы не противоречат друг другу. Возможно, что часть воды прибыла к нам из космоса вместе с астероидами, а другая образовалась на месте.
3 млрд. 400 млн. лет тому назад из моря начали подниматься первые материки. Извержения вулканов сформировали новую горную породу – гранит, который стал основой материковой земной коры. Эпоха господства океана подошла к концу, настало время суши.
Вместе с первыми океанами появились хорошо прогретые и освещенные солнцем отмели, которые стали колыбелью жизни на планете Земля. В настоящее время существует несколько теорий, как именно это произошло и ученые пока не могут прийти к единому мнению. Возникновение жизни – это еще одна из загадок планеты Земля.
Общими предками всех форм жизни на нашей планете были примитивные прокариоты, изначально не способные к фотосинтезу. Затем на побережье появились первые фотосинтетики – цианобактерии, которые постепенно стали насыщать атмосферу кислородом. Ученые считают, что жизнь на планете Земля возникла примерно 3,5—3,9 млрд лет назад. В это же время планета «обзавелась» магнитным полем, защитившим атмосферу от разрушительного действия космической радиации.
На протяжении двух миллиардов лет бактерии насыщали океан кислородом, который расходовался первоначально на окисление миллионов тонн железа, растворенного в воде. После чего этот газ начал поступать в атмосферу, и наша планета преобразилась: зеленые океаны, потеряв железо, стали синими, а небо – голубым. Это произошло примерно 1,5 млрд. лет тому назад.
Около 1,1 млрд. лет назад образовался первый земной суперконтинет – Родиния. Поверхность его, скорее всего, напоминала современную Сахару – унылое и пустое место безо всякой растительности или других признаков жизни. Образование этого континента привело к первому и самому масштабному оледенению в истории нашей планеты. Родиния заблокировала теплые течения к полюсам, и весь мир на миллионы лет покрылся льдом. Температура опустилась до — 40 °С, а ледяной покров океанов достигал километровой толщины. Данный катаклизм случился примерно 750 млн. лет назад. Происходила настоящая гибель планеты Земля.
Вулканические процессы смогли расколоть Родинию и постепенно обогреть планету. Считается, что Земля окончательно очнулась от ледяной спячки только 580-560 млн. лет тому назад. Одноклеточные живые организмы смогли пережить тяжелые времена, и теперь их дальнейшее развитие ничего не сдерживало. Начался так называемый Кембрийский взрыв.
Этим термином называют резкое увеличение многообразия жизни, которое произошло примерно 550-540 млн. лет назад. Кембрий вообще занимает особое место в истории жизни на нашей планете. В этот период появились многие современные типы организмов, у животных развился прочный панцирь, они обзавелись органами зрения и зубами. Насыщение атмосферы кислородом привело к образованию в ней нового слоя – озонового, надежной защиты всего живого от убийственного солнечного ультрафиолета. Теперь можно было начинать осваивать сушу.
В Ордовике жизнь на планете Земля впервые выбралась на сушу. Это были примитивные лишайники, а некоторые из членистоногих откладывали на берегах икру. В Силурийском периоде окончательно сформировываются позвоночные животные, наличие жесткого хребта сразу же обеспечило им значительные эволюционные преимущества.
Активное покорение суши случилось в следующем, Девонском периоде. Он начался 417 млн. лет назад. В это время на поверхности планеты появились первые леса, состоящие из примитивных папоротников и хвощей. От членистоногих отпочковалась мощная эволюционная ветвь – насекомые, которые очень быстро распространились по всей планете. В Девоне свой первый шаг на суше сделали и позвоночные – амфибии. В конце этого периода в водоемах появились первые костные рыбы.
Каменноугольный период (354—290 млн. лет) — это царство насекомых, амфибий и огромных хвощей и папоротников. В это время на Земле было очень жарко и влажно, а концентрация кислорода в воздухе значительно превосходила нынешнюю. Благодаря таким условиям некоторые насекомые того времени имели гигантские размеры. Считается, что именно каменноугольный период подарил человечеству основные запасы угля и других ископаемых углеводородов. Но этот геологический период закончился очередным глобальным оледенением, которое началось примерно 290 млн. лет назад.
В Пермский период (290—248 млн. лет назад) климат планеты стал более сухим и прохладным. Место амфибий на суше заняли рептилии, появились первые хвойные растения. Однако знаменита Пермь не этим: в ее конце произошло самое масштабное и наиболее катастрофическое вымирание живых организмов за всю историю планеты. Погибло около 95% видов, обитавших на поверхности суши и в океанах. Вероятнее всего, что апокалипсис планетарных масштабов вызвало огромное извержение траппов на территории современной Сибири. Почти вся она превратилась в озеро раскаленной магмы. Причем эти вулканические процессы продолжались примерно 1 млн. лет, в атмосферу было выброшено огромное количество газов, которые привели к началу вулканической зимы.
Мы не знаем, почему случилось колоссальное пермское извержение. Его можно назвать одной из многочисленных загадок планеты Земля. Однако это событие полностью преобразило ее облик. Образовался новый суперконтинент Пангея, резко изменился газовый состав атмосферы, другим стал климат.
Существа, которые смогли пережить ужасную катастрофу, эволюционировали в удивительных животных – динозавров. Эти создания доминировали на нашей планете в течение 160 млн. лет, они освоили не только сушу, но и водную, и воздушную среду. Вес некоторых динозавров достигал 150 тонн, а длина – 50 метров. Динозавры царствовали на планете на протяжении всей мезозойской эры (248 – 64 млн. лет назад), но исполинские размеры не смогли спасти их от новой глобальной катастрофы, пришедшей на Землю из космоса.
Споры относительно причин вымирания гигантских рептилий продолжаются до сих пор, но главной из них ученые считают падение гигантского метеорита в районе современного Мексиканского залива. Этот катаклизм на долгие годы погрузил планету в вулканическую зиму и привел к исчезновению 70% живых организмов.
65 миллионов лет назад началась Кайнозойская эра, в которой мы живем и сегодня. В этот период продолжился дрейф литосферных плит, и постепенно карта мира приняла знакомые всем очертания. В животном мире место динозавров заняли млекопитающие, имевшие по сравнению с ящерами значительные эволюционные преимущества. Доминирующим классом растений стали цветковые или покрытосеменные. Самыми важными событиями кайнозойской эры является еще одно оледенение и появление человека разумного.
Атмосфера — воздушная оболочка Земли
Атмосфера – это одна из геосфер нашей планеты, оболочка, состоящая из газов, которые окружают Землю. Она непосредственно контактирует с космическим пространством. Атмосфера определяет климат и погоду на нашей планете. Именно атмосфера во многом обеспечивает благоприятные условия для жизни на планете Земля.
Следует понимать, что провести четкую границу атмосферы довольно сложно: она переходит в космическое пространство постепенно, на высоте от 500 до 1 тыс. км. При этом Международная авиационная федерация считает верхней границей атмосферы рубеж в 100 км, а американское агентство НАСА – 122 км.
Атмосфера Земли состоит из газов, а также различных примесей, типа пыли, продуктов горения, капелек воды и кристаллов льда. Концентрация газов является практически постоянной величиной. Однако есть и исключения: так, например, начало индустриальной революции привело к постоянному росту в воздухе углекислого газа.
Основная часть воздуха (более 78%) – это азот, на 20% он состоит из кислорода, почти 1% приходится на аргон, еще один процент занимают углекислый газ, метан, гелий, ксенон, водород, криптон. Крайне важна концентрация диоксида углерода (CO2), потому что этот вещество – как и метан – относится к парниковым газам, увеличение содержание которых вызывает разогрев атмосферы. Глобальное потепление – это серьезнейшая проблема, стоящая перед современным человечеством.
Следует отметить, что Земля является единственной планетой с таким большим содержанием кислорода в атмосфере. С одной стороны, этот газ – продукт жизнедеятельности живых организмов, а с другой, жизнь на планете Земля без кислорода была бы невозможна.
Земная атмосфера состоит из следующих слоев:
- тропосфера;
- стратосфера;
- мезосфера;
- термосфера;
- экзосфера.
Между этими слоями расположены переходные зоны с переходными свойствами.
Все растения и животные, а также население планеты обитает на дне самого нижнего слоя атмосферы – тропосфере. Она простирается до высоты 16—18 км в южных широтах. В этом слое сосредоточена бо́льшая часть воздуха и водяного пара.
Стратосфера начинается на уровне 16-20 км и продолжается до высоты 50 км. В ней летает большинство авиалайнеров, также именно в стратосфере находится уникальный озоновый слой, защищающий все живое на планете от солнечного ультрафиолета.
На высоте 50 км начинается мезосфера, она простирается до высоты 80 км.
Между 80 и 700 км расположена термосфера, в которой проходит линия Кармана – официальная граница между атмосферой и космосом. Она находится на уровне 100 км.
На высоте 700 км уже экзосфера, доходящая до высоты 1 тыс. км. Воздух здесь сильно разряжен, его молекулы постепенно утекают в космическое пространство. В этом слое вращаются метеорологические спутники.
Гидросфера — жидкая оболочка планеты
Гидросферой называют водную оболочку Земли, в которую входит Мировой океан, реки, озера и водохранилища, подземные воды, а также вода, находящаяся в замороженном состоянии в составе ледников.
Земля является единственной известной планетой с таким огромным количеством воды на поверхности. Ее общий объем составляет 1,39 млрд км3. Подавляющая часть воды (более 96%) находится в морях и океанах, которые покрывают 71% поверхности нашей планеты. Средняя глубина Мирового океана составляет 3,8 тыс. метров. Самой глубокой его точкой считается Марианская впадина – 10 994 метров.
Любопытно, но пресная вода на поверхности суши – всего лишь 0,02% от общих запасов гидросферы, поэтому ее нехватка – это одна из самых острых мировых проблем современности.
Вода осуществляет сложный круговорот из одной части гидросферы в другую. В нем принимают участие другие геооболочки нашей планеты – атмосфера, литосфера и биосфера.
Твердая оболочка планеты Земля
Недра планеты имеют сложную структуру, состоящую из твердой коры, вязкой и жидкой мантии и очень плотного ядра. Кроме того, геологи выделяют у нее нескольких слоев:
- литосферу;
- астеносферу;
- мезосферу;
- внешнее и внутреннее ядро.
Литосфера – это твердая оболочка Земли, в состав которой входит земная кора и верхняя часть мантии до астеносферы. Существует два типа литосферы: континентальная и океаническая. Последняя имеет незначительную толщину, всего 5-10 км, кора континентальная типа простирается ниже поверхности на 80-100 км.
Литосфера разделена на литосферные плиты, которые подходят друг другу, как части головоломки. Они постоянно движутся, благодаря чему и происходит дрейф континентов. Подобным процессом вызвана тектоническая активность, которая проявляется в виде извержений вулканов, землетрясений, горообразования.
Астеносфера (100-700 км) находится на самой границе мантии и литосферы. Эта оболочка пластична, что позволяет литосферным плитам «ездить» по ней. Астеносфера, как и мезосфера, образуют мантию нашей планеты. Высокие температуры и колоссальное давление мантии делает горные породы пластичными и поддерживает постоянные конвенционные потоки от ядра к коре.
К сожалению, у нас мало точных данных относительно процессов, происходящих в земных недрах. Самая глубокая из пробуренных человеком скважин едва достигает 15 км – ничтожная величина по сравнению с тысячами километрами земной окружности. По понятным причинам мы не можем отправить вглубь Земли исследовательские аппараты и технику, поэтому ученым приходится довольствоваться косвенной информацией.
В центре нашей планеты находится плотное и раскаленное ядро, состоящее из никеля, железа и других тяжелых элементов. В настоящее время ученые различают внешнее жидкое ядро и внутреннее твердое. Температура в его центре достигает 6000 °С, что немногим меньше, чем на поверхности Солнца.
Ядро выполняет еще одну важнейшую функцию – его вращение создает магнитное поле Земли, которое защищает нас от убийственной солнечной радиации. По сути, планета – это огромный двухполюсный магнит. На Марсе, например, магнитного поля нет, и солнечный ветер за миллионы лет постепенно «выбил» атмосферу этой планеты, сделав ее абсолютно бесплодной. Ученые считают, что это одна из главных причин отсутствия жизни на красной планете.
Биосфера — живая оболочка Земли
Биосфера – оболочка планеты, заселенная живыми организмами, под этим термином подразумевается глобальная экосистема нашей планеты. Это часть Земли, на которой обитают различные формы жизни, и происходит воздействие их продуктов метаболизма.
Биосферу еще называют «пленкой жизни», данное определение, как нельзя лучше, иллюстрирует распределение и масштаб биосферы. Это действительно тонкая пленочка, покрывающая стык атмосферы, гидросферы и литосферы. Несмотря на скромные размеры, значение биосферы для нашей планеты огромно: живые организмы начали преобразовывать Землю практически сразу после своего появления. Биосфера – это могучий геологический фактор.
В настоящее время на Земле насчитывается более 3 млн. видов растений, животных, микроорганизмов, грибов и водорослей. Человека также принято считать частью живой оболочки, но его хозяйственная деятельность – вернее, ее масштаб – уже давно вышла за ее рамки. Население Земли сейчас составляет около 7,5 млрд. человек.
Верхней границей биосферы считается высота 15-20 км. Выше в атмосфере организмы практически не живут: мешает низкая температура, разреженный воздух и высокий уровень ультрафиолетового излучения. В литосфере нижняя граница распространения жизни проходит примерно на глубине 5-7 км. Здесь ограничивающими факторами являются высокая температура и давление. Да и то на подобных глубинах живут немногочисленные «экстремалы», большинство форм жизни предпочитают верхний слой почвы. В гидросфере жизнь распространилась до самых мрачных глубин Мирового океана. Но подавляющая часть биомассы моря приходится на его верхние слои с большим количеством солнечного света и кислорода.
Биосфера активно участвует в круговороте веществ и энергетических потоках в природе. Энергия Солнца, попадая на Землю, частично аккумулируется растениями и другими фотосинтезирующими организмами. В дальнейшем часть ее запасается в торфе, угле и нефти, идет на выветривание горных пород, на создание пород осадочного происхождения. Живые организмы также участвуют в круговороте СО2, Н2О, О2, многих других химических элементов. Типичным примером воздействия живых организмов на неживую материю является образование почвы. В создании этого слоя принимают участие микроорганизмы, животные, растения, грибы.
Деятельность человека оказывает огромное влияние на биосферу. С каждым годом население увеличивается, что требует еще больше ресурсов и новых площадей под проживание, посевы, предприятия. Это приводит к уничтожению лесов, распахиванию степей, осушению болот. Наступление человека на природу стремительно уменьшает видовое многообразие, отходы нашей хозяйственной деятельности загрязняют воздух, почвы и воду. Такая ситуация приводит не только к разрушению экосистем, но и вызывает климатические изменения, последствия которых могут быть катастрофическими.
Наши предки считали планету живым организмом, называли «Мать-Сыра Земля», «Земля-матушка» и обожествляли ее. Согласно священным книгам, из земли было создано тело первого человека. И пускай подобные представления в высокотехнологичном XXI веке кажутся смешными и нелепыми, но человечество уже в ближайшие годы ожидают серьезные проблемы, если мы хотя бы не попытаемся думать схожим образом. В последние годы мы являемся свидетелями кардинального переворота в научных представлениях о строении, составе и жизни планеты, еще более удивительные открытия ожидают нас в будущем. Земля — это сложнейшая и высокоорганизованная система, требующая к себе бережного и рачительного отношения. Без понимания этого мы рискуем повторить печальную судьбу динозавров.
