Файл: Тесты с ответами по естествознанию.doc

Все наблюдаемые на поверхности Земли крупные тектонические процессы — поднятия гор, опускания котловин, перемещения крупных блоков земной коры, связаны с процессами в мантии Земли, а точнее, по-видимому, лишь в упоминавшейся верхней мантии. Первопричиной тектонических движений является конвекция в мантии, обусловленная диссипацией внутренней энергии Земли.

Общую структуру этих движений по современным воззрениям следует описывать в рамках так называемой «новой глобальной тектоники» или «тектоники плит» (гипотеза немецкого геофизика Альфреда Вегенера, получившая развитие в середине XX века). Согласно этой теории, литосфера разбита на сравнительно небольшое число независимых жестких блоков — литосферных плит, и все изменения, происходящие на поверхности планеты, связаны с движением по ней этих плит. Плиты могут двигаться поступательно, разворачиваться, сталкиваться и расходиться. Они могут нырять одна под другую и тонуть в мантии, в так называемых зонах субдук-ции, и могут вновь создаваться из мантийного вещества, поднимающегося к поверхности в зонах спрединга, зонах раздвигания морского дна. Рождение плит и их уход обратно в мантию происходит в океанах. Зоны спрединга расположены вдоль срединноокеанических хребтов, а зоны субдукции — по границам океанов, они отмечены узкими и глубокими впадинами — глубоководными желобами и островными дугами. У наших российских дальневосточных берегов такой зоной является Курило-Кам-чатская островная дуга.

Почти все эти движения плит сейчас подтверждены непосредственными измерениями, с использованием методов высокоточной астрономической и спутниковой геодезии. Сейчас измерены их скорости, которые составляют сантиметры и даже миллиметры в год, но окончательной точной модели структуры мантийной конвекции, их порождающей, пока еще нет. Тем не менее, независимо от деталей механизма, порождающего изменения лика Земли, установлено твердо, что этот лик непрерывно меняется, причем глобально. Главным открытием последнего времени явилась нестабильность и относительная молодость океанов. Возраст Атлантического океана находится в пределах первых сотен миллионов лет. Он моложе многих горных систем, моложе многих рек. (Крупные реки, кстати, как правило, — весьма старые объекты: река Ганг, например, гораздо старше Гималайских гор, которые она прорезает). Такие крупные перестройки, как изменение конфигурации материков и океанов, очень сильно влияют на все процессы в верхних оболочках Земли, в частности, на атмосферные процессы и на климат.

7.3. Геохронологическая и стратиграфическая шкалы

В геологии существует понятии геологического времени или геохронологии, которое охватывает всю историю Земли, от момента зарождения до наших дней. За последние 200 лет было накоплено, проанализировано и упорядочено огромное количество геологических фактов. Результатов работы многих поколений геологов стала стратиграфическая (палеонтологическая или биохронологическая) шкала — геологическое летоисчисление, фиксирующее относительную хронологическую последовательность формирования горных пород, слагающих литосферу Земли. Поскольку до сих пор нет единой международной стратиграфической шкалы, мы ограничимся одним из ее вариантов. Геологи уже давно классифицируют понятие геохронологии, выделяя в ней такие временные градации или геохронологические единицы как эон, эра, эпоха иногда период, отдел, время и хрон. Породы, представляющие интервал геологического времени, называются хроностратиграфическими единицами. Каждый геохронологический термин имеет хроностратиграфический эквивалент. Например, горная порода, образованная во время зона, является представителем эонатема, а во время эры — эратема. Хроностратиграфическими эквивалентами периода, эпохи, времени и хрона являются система, серия, фаза и хронозон соответственно.

Самое крупное подразделение геохронологической (и, соответственно, стратиграфической) шкалы, отвечающее длительному этапу развития Земли — эон (объединяющий несколько меньших по временным масштабам эр (эра-тем)), в течение которого формируется эонотема. Древнейший эон (эонотема) — криптозой, этап скрытой жизни, он же докембрий, начало которого относят на 4 млрд лет назад, имеет общую продолжительность около 3,5 млрд лет. До криптозоя выделяют эон галес и его эру — катархей, начавшиеся с момента образования Земли, продолжительностью в 600 млн лет. Криптозой включает в себя эры. археозой (продолжительностью около 1,5 млрд лет) и протерозой (продолжительностью не менее 2 млрд лет). Последующие три эры (эратемы), палеозой, мезозой и кайнозой, образуют эон (эонотему) фанерозой — этап явной, наблюдаемой жизни длительностью в 570 млн лет.

Особую значимость в эволюции Земли имеют три последние указанные эры. Их длительность такова: палеозой — 340 млн лет, мезозой — 169 млн лет; кайнозой — 66 млн лет. Они подразделяются, в свою очередь, на 12 эпох (в некоторых шкалах, как указывалось выше, их также называют периодами или системами). Начала этих эпох и их продолжительность в млн лет такова: палеозой — кембрий (570/80), ордовик — (490/65), силлур — (435/30), девон — (400/55), карбон (он же каменноугольный) — (345/65), пермь — (280/45). Мезозой — триас (235/50), юра (юрский) — (185/53), мел — (132/66). Кайнозой — палеоген — (66/41), неоген — (25/25), антропоген (он же часто именуется как четвертичный) — (от 0,6 до 3,5 млн лет). Кстати, для запоминания последних 12-ти эпох студенты-геологи придумали нескольких шуточных стихов, восстанавливая названия эпох по первым буквам слов стиха: «Когда одна стипендия, дуй квас пенистый, только юмора мало, пытайся найти аналог».

Укажем еще отделы двух последних эпох — неогена и антропогена, поскольку в это геологическое время произошло формирование современной фауны и флоры, а в конце неогена появились древнейшие люди. Неоген состоит из отделов миоцена и плиоцена, антропоген из отделов плейстоцена и голоцена. Время этих отделов в млн лет таково: миоцен — (25-9), плиоцен — (9-1,8 (2)), плейстоцен (1,8-0,01) и голоцен (0,01-0). Антропоген — это век человека, время эволюции рода Homo.

7.4. Географическая оболочка Земли

Верхняя часть, прежде всего поверхность земной коры, включающая гидросферу и атмосферу, образует географическую оболочку — особую глобальную структуру, жизнь и развитие которой определяется как результатами диссипации внутриземной энергии, так и преобразованием потока энергии, получаемой от Солнца (и в малой степени воздействием других планет и дальнего космоса). Географическая оболочка — это та окружающая среда, в которой происходит жизнь человека. Поэтому изучение ее, глубокое понимание всех происходящих в ней процессов — жизненно важная задача.

Географическая оболочка представляет собой сложнейшую динамическую систему, относительная стабильность которой поддерживается системой обратных связей, обеспечивающих баланс конструктивных и деструктивных процессов. Неоднородности поверхности Земли я внутренней структуры самого верхнего ее слоя, входящего в географическую оболочку, создаются в основном внутренними тектоническими — эндогенными — силами, возникающими за счет диссипации внутренней энергии планеты. Эти неоднородности разрушаются и сглаживаются, в основном, за счет внешних, экзогенных, факторов — действия перепадов температуры, текучей воды, ветра, живых организмов. Экзогенные факторы действуют за счет энергии солнечного излучения. В основном это факторы деструктивные, однако они не только разрушают, но и создают. Результат действия экзогенных сил — разнообразные осадочные горные породы, специфические формы рельефа и, в значительной степени, такой созидающий и разрушающий фактор как жизнь.

Итак, в географическую оболочку входит не вся земная кора, а лишь верхняя ее часть, толщину которой точно определить затруднительно. Можно сказать, что это та часть коры, вещество которой непосредственно участвует в круговороте, непрерывном взаимном обмене с другими компонентами — гидросферой и атмосферой, — обеспечивающем стабильность географической оболочки. Это несколько верхних километров. Прежде всего это горы и горные массивы, имеющиеся на всех континентах.

Поднимающиеся горы сразу начинают разрушаться экзогенными силами, а прогибающиеся впадины — заноситься продуктами этого разрушения, образующими слои осадков. Поэтому высота гор и глубина впадин не превышает нескольких километров. Высота гор, кстати, ограничивается и предельной твердостью слагающих их пород, поскольку на основание гор давит вся над ними возвышающаяся масса, под действием которой твердые породы начинают течь. Расчеты показывают, что предельная высота гор не может быть по этой причине больше 9 км. В то же время толщина слоя осадков, заполняющих внешне неглубокую впадину, может достигать 20 км, а на вершине горы могут оказаться породы, сформировавшиеся на глубине во много километров. Слежавшиеся, сцементированные осадки образуют осадочные горные породы. На большой глубине под действием высоких температур и давлений осадочные породы сильно изменяют свой облик и превращаются в так называемые метаморфические породы. Исходные материалы метаморфических пород до метаморфизма — это сланцы с несколькими минералами, песчаники с кварцем и известняк с кальцитом. Превращаются они, последовательно, на глубинах от 15 до 30 км в аспидный и кристаллический сланец, в гнейсы и филлиты; песчаники — в кварцит, а известняк — в мрамор. Слабо метаморфизованные породы не очень сильно отличаются от осадочных, а сильно метаморфизованные очень похожи на магматические. Магматические породы представляют собой поднявшиеся из глубины и застывшие расплавы. Такие расплавы пронизывают метаморфические и осадочные толщи, они могут останавливаться и застывать, не достигнув дневной поверхности, и образовывать плутонические тела, а могут изливаться на поверхность при вулканизме, в виде лавы. Вертикальные движения земной коры обычно знакопеременны — глубокое погружение сменяется поднятием столь же большой амплитуды.

Таким образом, поверхность Земли слагают три основных типа горных пород: магматические, осадочные и метаморфические. Последние — результат переработки осадков действием высоких температур и давлений.

Атмосфера — воздушная оболочка Земли, имеющая примерно такой состав: азот — 78%, кислород — 21%, благородные газы (в основном аргон) — 1% и сотые доли процента составляет углекислый газ. Состав атмосферы Земли не похож на состав атмосфер других планет солнечной системы, так как на Земле он в основном обусловлен наличием жизни. Вся атмосфера Земли, кроме 1%, лежит в узком приповерхностном слое, ограниченном высотой 30 км. Температура атмосферы сильно меняется с высотой. По этому признаку образуются слои, которые называются тропосферой, стратосферой, мезосферой и термосферой. Температура в этих слоях колеблется от -100 до + 100 градусов Цельсия. На высотах выше 200 км температура днем достигает 1500 градусов.

Гидросфера включает воду морей и океанов, рек и озер, ледников полярных и горных, грунтовые воды, лед вечной мерзлоты, водяной пар атмосферы. Таким образом, гидросфера пересекается с литосферой и атмосферой: лед, особенно лед вечной мерзлоты — это, по существу, нормальная горная порода, а водяной пар — один из компонентов атмосферных газов. И все же всю воду выделяют в отдельную оболочку, так как только она способна в пределах географической оболочки одновременно существовать во всех трех фазах — твердой, жидкой и газообразной — и играет в ней такую исключительную роль. Географическая оболочка Земли практически совпадает с биосферой — областью распространения жизни. Жизнь не только располагается в этой зоне Земли, но является ее неотъемлемым компонентом, в значительной степени определяющим весь ее состав и структуру. Состав атмосферы Земли, в основном, сформирован жизнью, и ею же создана значительная часть горных пород (например, известняки). Полностью обязан жизни и такой важный компонент географической оболочки как почва. На огромную геологическую роль живого вещества впервые указал великий русский геохимик и мыслитель Владимир Иванович Вернадский.

Резюме

Проблема происхождения планеты Земля восходит к катастрофической гипотезе французского биолога Ж. Бюффона, затем к небулярным гипотезам французского математика, физика и философа Лапласа и великого немецкого философа Канта. В последующие века были высказаны гипотезы американцами Мультоном и Чемберленом, предложившим понятие планетезимали, англичанином Джинсом, нашим соотечественником Отто Шмидтом и многими другими, но так до сих пор эта проблема и не решена.

Проблема строения Земли решается, в основном, геоэлектрическими, радиофизическими и электромагнитными методами и пока считается достаточно удовлетворительной, хотя данные глубокого бурения на Кольском полуострове поставили под сомнение многие результаты по структуре и строению Земли.

8. Концепции и принципы химического естествознания

8.1. Эволюция звезд, происхождение химических элементов и планетная химическая эволюция

Процесс образования химических элементов во Вселенной неразрывно связан с эволюцией Вселенной. Мы уже познакомились с процессами, происходящими вблизи «Большого взрыва», знаем некоторые детали процессов, происходивших в «первичном бульоне» элементарных частиц. Первые атомы химических элементов, находящиеся в начале таблицы Д. И. Менделеева (водород, дейтерий, гелий), начали образовываться во Вселенной еще до возникновения звезд первого поколения. Именно в звездах, их недрах, разогретых снова (после Big Bang температура Вселенной начала стремительно падать) до миллиардов градусов, и были произведены ядра химических элементов, следующих за гелием. Учитывая значение звезд как источников, генераторов химических элементов, рассмотрим некоторые этапы звездной эволюции. Без понимания механизмов звездообразования и эволюции звезд невозможно представить процесс образования тяжелых элементов, без которых, в конечном счете, не возникла бы жизнь. Без звезд во Вселенной так бы вечно и существовала водородо-гелиевая плазма, в которой организация жизни, очевидно, невозможна (на современном уровне понимания этого явления).

Ранее мы отметили три наблюдательных факта или теста современной космологии, простирающихся на сотни парсек, теперь укажем четвертый — распространенность легких химических элементов в космосе. Необходимо подчеркнуть, что образование легких элементов в первые три минуты и распространенность их в современной Вселенной впервые была рассчитана в 1946 г. международной троицей выдающихся ученых: американцем Альфером, немцем Гансом Бете и русским Георгием Гамовым. С тех пор физики, занимающиеся атомной и ядерной физикой, неоднократно рассчитывали образование легких элементов в ранней Вселенной и распространенность их сегодня. Можно утверждать, что стандартная модель нуклеосинтеза хорошо подтверждается наблюдениями.

Эволюция звезд. Механизм образования и эволюции основных объектов Вселенной — звезд, изучен наиболее xoponio. Здесь ученым помогла возможность наблюдать огромное количество звезд на самых разных стадиях развития — от рождения до смерти, — в том числе множество так называемых «звездных ассоциаций» — групп звезд, родившихся почти одновременно. Помогла и сравнительная «простота» строения звезды, которое довольно успешно поддается теоретическому описанию и компьютерному моделированию.

Звезды образуются из газовых облаков, которые, при определенных обстоятельствах, распадаются на отдельные «сгустки», которые дальше сжимаются под действием собственного тяготения. Сжатию газа под действием собственного тяготения препятствует повышающееся давление. При адиабатическом сжатии должна повышаться и температура — в виде тепла выделяется гравитационная энергия связи. Пока облако разреженное, все тепло легко уходит с излучением, но в плотном ядре сгущения вынос тепла затруднен, и оно быстро разогревается. Соответствующее повышение давления тормозит сжатие ядра, и оно продолжает происходить только за счет продолжающего падать на рождающуюся звезду газа. С ростом массы растет давление и температура в центре, пока наконец последняя не достигает величины 10 миллионов Кельвинов. В этот момент в центре звезды начинаются ядерные реакции, превращающие водород в гелий, которые поддерживают стационарное состояние вновь образовавшейся звезды миллионы, миллиарды или десятки миллиардов лет, в зависимости от массы звезды.