Гипотеза Шмидта-Литтлтона

Выдающийся советский ученый и общественный деятель О. Ю. Шмидт в 1944 г. предложил свою теорию происхождения Солнечной системы. Согласно О. Ю. Шмидту наша планетная система образовалась из вещества, захваченного из газово-пылевой туманности, через которую некогда проходило Солнце, уже тогда имевшее почти «современный» вид. При этом никаких трудностей с вращательным моментом планет не возникает, так как первоначальный момент вещества облака может быть сколь угодно большим. Начиная с 1961 г. эту гипотезу развивал английский космогонист Литтлтон, который внес в нее существенные улучшения. Нетрудно видеть, что блок-схема «аккреционной» гипотезы Шмидта — Литтлтона совпадает с блок-схемой «гипотезы захвата» Джинса—Вулфсона. В обоих случаях «почти современное» Солнце сталкивается с более или менее «рыхлым» космическим объектом, захватывая части его вещества. Следует, впрочем, заметить, что для того, чтобы Солнце захватило достаточно много вещества, его скорость по отношению к туманности должна быть очень маленькой, порядка ста метров в секунду. Если учесть, что скорость внутренних движений элементов облака должна быть не меньше, то, по существу, речь идет о «застрявшем» в облаке Солнце, которое, скорее всего, должно иметь общее с облаком происхождение. Тем самым образование планет связывается с процессом звездообразования. В следующей главе мы рассмотрим гипотезы, в которых планеты и Солнце образовались из единой «солнечной» туманности. По существу, речь пойдет о дальнейшем развитии гипотезы Канта — Лапласа.

Развитие Земли

Планеты внутренней группы Солнечной системы образовались одновременно из единого протопланетного газопылевого облака. Они сложены плотным тяжелым веществом и имеют твердую поверхность. Эти особенности позволяют отнести сравниваемые планеты к одному уровню организации вещества. Однако, несмотря на сходство их образования и состава исходного материала, в настоящий момент заметно различие в достигнутом уровне развития планет. На других планетах отсутствуют не только признаки жизни, но даже такие химические соединения, которые в ходе дальнейшей эволюции могли бы привести к появлению примитивных органических форм. Земля же обладает богатым, в высшей степени развитым органическим миром.

Появление и развитие жизни на Земле — это уникальное явление во всей Солнечной системе. Но оно не случайно, а было подготовлено сочетанием ряда благоприятных условий. Прежде всего для зарождения жизни должен был сформироваться сложный комплекс активно взаимодействующих природных компонентов, которые в течение чрезвычайно длительного времени в относительно стабильных гидротермальных условиях испытали строго направленную эволюцию.

Имеется множество геохронологичсских схем, т. е. подразделений истории Земли на интервалы времени разного масштаба. Каждый из них отличается от других особым, присущим только ему состоянием планеты в целом и ее природной средой. И хотя нас интересует главным образом природная обстановка на планете, касаться приходится и недр Земли, поскольку в своем развитии внешняя область неразрывно связана с внутренней.

Фазы развития Земли

В истории Земли важно выявить и события, которые накладывали существенный отпечаток на состояние природной среды или служили причиной перехода ее к принципиально новому этапу развития. Спокойные же интервалы времени, когда не происходило качественного изменения природной среды, в дальнейшем или будут опускаться, или о них будет сказано вскользь.

Придерживаясь этой геохронологической схемы, ученые делят время существования нашей планеты на два существенно различных интервала: раннюю историю и геологическую историю. Под ранней историей подразумевается катархей. Это время называется также протоархей, т. е. самое раннее время планеты. Под геологической же историей понимается все остальное время, от архея до современной эпохи. Временная граница между двумя главными интервалами в истории Земли точно не установлена. Но предположительно она намечается на рубеже от 3,5 до 3,8-3,9 млрд. лет назад.

Ранняя история и геологическая история — существенно различные этапы жизни нашей планеты. Если в раннюю историю Земля развивалась так же, как и остальные планеты — Луна, Меркурий, Марс и Венера, — т. с. в очень медленном темпе, то путь развития Земли в геологическое время характеризуется необыкновенно быстрой эволюцией ее внешней области и земной коры. Все же другие планеты продолжают пребывать и в настоящую эпоху как бы в догеологическом прошлом.

Ранняя история. Земля, как и другие планеты, пережила ранние фазы эволюции — фазу аккреции («рождения»), фазу расплавления внешней сферы земного шара и фазу первичной коры («лунную фазу»).

Фаза аккреции. Конкретных данных о фазе аккреции Земли, т. е. образования ее из хаотического роя твердых, преимущественно каменных, некрупных тел и пылевых частиц, нет. Но аккреция как общепланетарный процесс, в реальности которого в настоящее время никто не сомневается, был, естественно, свойствен и Земле. Его надо представлять себе как непрерывное выпадение на растущую Землю относительно все большего количества крупных тел, укрупняющихся в своем полете при соударениях между собой, и притяжением к себе более удаленных мелких агрегатов. Вместе с крупными телами на Землю падали (вонзались в ее поверхность) и самые крупные объекты — планетезимали, зародыши «неудавшихся» планет. Их поперечники измерялись многими километрами и даже первыми десятками километров, т. е. они имели размеры астероидов или некрупных спутников больших планет.

В фазу аккреции Земля приобрела приблизительно 95% современной массы, на что потребовалось всего 17 млн. лет. С окончания фазы аккреции Землю считают вступившей в этап планетарного развития.

Во время аккреции Земля долго оставалась холодным космическим телом, и только в конце этой фазы, когда началась предельно интенсивная бомбардировка ее крупными объектами, произошло сильное разогревание, а затем полное расплавление вещества внешней зоны планеты.

Фаза расплавления внешней сферы Земли устанавливается по аналогии с ранней историей других планет, в первую очередь Луны, а также Меркурия, Марса. Лунная поверхность образована магматическими породами (анортозитами), время кристаллизации которых датируется 4,6—4,0 млрд. лет назад. Эти данные и являются доказательством расплавления внешней сферы Луны в раннюю фазу ее существования, непосредственно вслед за аккрецией. По данным дистанционных исследований, аналогичную фазу пережили Меркурий и другие планеты, у них поверхностные породы — также магматические основного состава. Фазу раннего расплавления внешней сферы Земли признают как планетологи, так и геологи.

В настоящее время большинство планетологов к этому же времени относят и общую дифференциацию вещества Земли, т. е. образование у нее ядра, мантии и коры.

Когда образовалось ядро? Планетологи придают этому вопросу большое значение, поскольку с его появлением связывают внутреннюю активность планеты, а значит, и начало действия эндогенных процессов — тектонических и вулканизма. Образование ядра обусловило возникновение у Земли диполярного магнитного поля. Установление на Земле самых древнейших палеомагнитных пород с возрастом 3,7 млрд. лет — свидетельство существования в то время ядра, а следовательно, и мантии. Считают, что Земля дифференцировалась уже в первые 100 млн. лет своего существования.

Ландшафты того далекого времени были уникальны. Вся поверхность Земли представляла собой океан раскаленного тяжелого расплава с прорывающимися из него газами. В этот своеобразный океан продолжали стремительно врываться как малые, так и крупные космические тела, удары которых о жидкую поверхность вызывали образование всплесков, фонтанов и другие формы взлета и падения тяжелой жидкости. Над раскаленным океаном простиралось сплошь укутанное густыми тучами небо, с которого на поверхность не падало ни капли воды.

«Лунная фаза». Остывание расплавленного вещества внешней сферы Земли вследствие излучения тепла в космос и ослабления метеоритной бомбардировки, не могущей компенсировать потерю тепла, привело к образованию тонкой первичной коры базальтового состава.

В раннюю историю Земли происходило и формирование гранитного слоя материковой коры. Самые древние из выявленных гранитных интрузий имеют возраст не менее 3,5 млрд. лет, т. е. они, безусловно, доархейские. Дж. Шоу считает, что гранитные породы — результат скопления близ поверхности более легких фракций расплавленной массы вещества недр. Он даже полагает, что первичная базальтовая (анортозитовая) кора образовалась уже поверх гранитного слоя. Проблема гранитов очень сложна, и единого мнения об их происхождении нет, тем более что на других планетах кислых пород, к которым относятся граниты, нет. Граниты признаются как вторичные породы, но прошедшие расплавление или глубокий метаморфизм и в конце концов превратившиеся в магматические кристаллические породы. Такого мнения придерживался В. И. Вернадский.

В течение всей фазы формирования коры, поверхность которой имела температуру выше 100°С, продолжалось выпадение преимущественно крупных тел. На всей поверхности нашей планеты создавался типичный для всех других планет земной группы рельеф ударных кратеров. Из-за широкого распространения метеоритных кратеров фаза существования ранней коры называется также «лунной фазой».

В лунную фазу существования Земля постепенно охлаждалась от температуры плавления базальтов (1000°— 800°) до 100° С. С преодолением температурного рубежа + 100°С связано все последующее преобразование природной среды и эволюция земной коры.

Геологическая история

Геологическое время — это принципиально новый период развития Земли как планеты в целом, так и особенно ее коры и природной среды.

Как только температура опустилась ниже 100°С, состояние воды изменилось. Водяные пары атмосферы, а в них была сосредоточена практически вся гидросфера Земли, почти целиком превратились в жидкость, наиболее активное состояние воды по сравнению с ее газовой и твердой фазами. Сухая до того времени Земля стала необычайно обводненной. Сформировались поверхностный и грунтовый стоки, возникли водоемы, в том числе и океаны. Начал функционировать круговорот воды в природе.

Конечно, судить о масштабах скопления на поверхности Земли первичных вод трудно, хотя и существуют некоторые признаки, по которым можно ориентировочно оценить глубину бассейна седиментации и химический состав вод. Важен сам факт обнаружения осадочных пород такого древнего возраста. Это означает, что временной рубеж между ранней и геологической историей проходит где-то около 4 млрд. лет назад. Следовательно, на всю раннюю историю Земли остается всего 0,6 млрд. лет.

И все же представить объем воды на Земле в начале ее геологической истории хотя бы приблизительно мы можем. Не в меньшей степени, чем объем воды в первичных океанах, интерес представляет и ее химический состав. Г. Д. Холланд, изучавший состав вод древних океанов, пришел к выводу о сходстве их химического состава водам современного океана. После охлаждения земной поверхности до температуры ниже 100°С на ней образовалась огромная масса жидкой воды, которая представляла собой не простое скопление неподвижных вод, а находящихся в активном глобальном круговороте. Несмотря на эволюцию этого круговорота в ходе времени, основные особенности его сохранились неизменными. В структурном отношении круговорот, как и в настоящее время, распадался на звенья: атмосферное (испарение, перенос влаги, осадки), литосферное (поверхностный и подземный стоки), океаническое. Значение круговорота воды в природе велико. В процессе его функционирования происходит поглощение солнечной энергии и распределение ее по земному шару. Вода благодаря своей необычайной подвижности и химической активности вступает во взаимодействие с природными компонентами, способствуя их взаимосвязям, чем и обеспечивает формирование того глобального природного комплекса, который в настоящее время называется географической оболочкой.

Эволюция атмосферы

Еще в догеологическое время, в фазу расплавления внешней сферы земного шара (а возможно, и более глубоких его горизонтов), огромные массы выделявшихся газов образовали первичную атмосферу Земли. Основными компонентами выделявшихся из недр Земли газов, как и у других планет — Марса и Венеры, — были углекислый газ и водяной пар; другие компоненты присутствовали только в виде следов. Так что состав первичной атмосферы Земли, образовавшейся за счет выделения газов и воды при расплавлении планетного вещества, был аналогичен составу летучих компонентов при современных вулканических извержениях. По данным А.С. Монина, газы, выделяющиеся из современных вулканов, содержат преимущественно водяной пар. В составе газов базальтовых лав гавайских вулканов с температурами до 1200° С водяной пар составляет 70—80% по объему. В фумарольных газах Курильских островов с температурами около 100° С содержится 79,7% водяного пара. Вторым по значению компонентом, составляющим атмосферу, является углекислый газ. В газах из лав его находится от 6 до 15%. При температурах 800—1000°С из лав отгоняются кроме водяного пара преимущественно «кислые дымы» — НСl и HF, при температуре 500° С — сера и ее соединения — H₂S, SO₂ и др., а при более низких температурах — борная кислота и соли аммония. Представляется, что парциальное давление водяного пара ранней атмосферы Земли в несколько раз превышало парциальное давление углекислого газа. Другими словами, атмосфера состояла главным образом из водяного пара с существенной примесью углекислого газа.

Таким образом, в фазу расплавления внешней сферы земного шара практически вся гидросфера находилась в составе атмосферы. Такую своеобразную атмосферу, состоящую в основном из пара воды, Дж. Уолкер назвал «примитивной паровой атмосферой».

Имеются все основания полагать, что в фазу расплавления внешней сферы земного шара выделившийся водяной пар, охлаждаясь на большой высоте, образовывал густой облачный покров и интенсивные дождевые осадки. Однако падающие из облаков капли воды на некоторой высоте над поверхностью планеты, где температура воздуха была выше 100°С, превращались в пар, который снова поднимался вверх. Над раскаленной поверхностью Земли функционировал своеобразный круговорот воды: пар — дождевые осадки — пар и т. д.

Этот круговорот воды в природе, локализованный в пер­вичной атмосфере Земли вблизи температурного уровня 100° С, практически не оказывал влияния на общий ход эволюции планеты и на развитие ее поверхности. Но он был зародышем того могучего круговорота воды на Земле, который сформировался позже и имел огромное влияние на развитие планеты в целом, а особенно ее природной среды.

После охлаждения земной поверхности до температуры ниже 100° С произошел переход атмосферного водяного пара в жидкую воду. На сухой и очень горячей тогда земной поверхности образовался сток, заложилась речная сеть и возникли водоемы. Земная поверхность стала сильно обводненной и начала подвергаться интенсивному воздействию водных потоков. С этого рубежа и начинается геологическая история.

Изменения температурных условий на Земле, а вслед за этим и всей природной обстановки не могли не отразиться и на атмосфере. Изъятие из атмосферы огромного количества воды и образование поверхностного стока и водоемов оказали огромное влияние на состав и эволюцию воздушной среды. Из водной атмосферы она превратилась в основном в углекислую, в которой водяной пар из господствующего компонента превратился во второстепенный, хотя и важный.

Образование на земной поверхности крупных водоемов оказало воздействие на дальнейшую эволюцию атмосферы. В ней началось быстрое уменьшение содержания углекислого газа. СО₂ легко растворяется в воде, и преобладающая его часть была поглощена ею. Об этом мы можем с достаточным основанием судить по современным условиям. В настоящее время между атмосферным углекислым газом и растворенным в океанах в условиях равновесного состояния их между собой в океанических водах находится в 60 раз больше углекислого газа, чем его имеется в атмосфере. Если же учесть способность углекислого газа легко переходить из водной среды в формирующиеся толщи осадков, то его содержание в водах океана будет все время уменьшаться, а соответственно будет падать величина парциаль­ного давления растворенного газа. Результатом возрастающего неравновесия между парциальным давлением углекислого газа в водной среде и в атмосфере должен явиться переход СО₂ из воздушной среды в водную. Это уменьшение содержания углекислого газа в атмосфере должно было продолжаться до тех пор, пока вновь не восстанавливалось равновесие газа в обеих средах. Из только что сказанного следует, что к началу геологической истории состав атмосферы и ее другие параметры сильно изменились. Воздушная среда не только утратила почти всю воду, находившуюся в ней в виде пара, но в ней осталось мало и СО₂. Во много раз уменьшилось и ее давление.

К этому времени и природные условия на Земле резко изменились. Природная среда на нашей планете стала непохожей на ту, что была на других планетах и что была у нее в ранние фазы истории.

Дальнейшая эволюция атмосферы связана главным образом с появлением и развитием органического мира, прежде всего растительности.

Эволюция биосферы

До начала геологической истории, т. е. до того времени, когда температура земной поверхности и приземного слоя воздуха оставалась выше 100° С, жизнь на Земле зародиться и существовать не могла. Но когда температура стала ниже 100° С, произошло сильное обводнение поверхности и тем самым создалась обстановка, благоприятная для зарождения жизни.

Воду в космосе всегда считали и продолжают считать необходимым условием зарождения жизни. С наличием воды на Марсе, установленным на основе наземного телескопического спектрального анализа, связывалась вера в существование жизни на этой планете.

Процесс зарождения живого вещества из неживой материи чрезвычайно сложен, и мы не ставим перед собой задачу рассмотреть его. О нем говорится в основополагающем труде А.И. Опарина о зарождении жизни. Для нас важен сам факт зарождения жизни, время, когда это произошло, условия и роль биосферы в формировании глобального природного комплекса — географической оболочки.

Органический мир получает солнечную энергию не только в процессе фотосинтеза. Как показал А. Л. Чижевский, любые бактерии, даже любая клетка живого организма поглощают солнечную радиацию и трансформи­уют ее в другие виды биохимической энергии, на основе которой они и развиваются. Этот процесс до сих пор изучается, хотя достоверность факта непосредственного поглощения клетками живого организма солнечной энергии не вызывает сомнения.

Эволюция химических соединений, приведшая к зарожде­нию жизни, началась тоже с появления на Земле масс жидкой воды, т. е. с ранней геологической истории. Эта начальная фаза датируется разными исследователями неодинаково, расхождения составляют сотни миллионов лет. Точно так же по-разному оценивается продолжительность действия направленного процесса образования организмов.

На основании фактов, изложенных выше, можно предположить, что время образования предбиологических систем (коацерватов) продолжалось около 1 млрд. лет. Самые ранние остатки живых организмов возрастом 3,1 млрд. лет обнаружены в сланцах Трансвааля в Южной Африке. Это бактериоподобные образования размером 0,56х0,24 мкм. В более поздних отложениях (1,9 млрд. лет) в районе озера Онтарио, где залегают черные сланцы, были найдены остатки многих видов ископаемых растений: от разнообразных одноклеточных до нитчатых форм. Многие из них напоминали современные сине-зеленые водоросли.

Обнаруженные в Южной Австралии ископаемые остатки, датируемые 0,9—1,0 млрд. лет назад, т. е. — приблизительно конец среднего протерозоя, — относятся к весьма разнообразным организмам. Среди них отпечатки 13 видов медузообразных кишечнополостных, несколько видов организмов, близких восьмилучевым кораллам, некоторые виды червей и животных, не похожих на формы более позднего времени. Можно сказать, что еще задолго до кембрия жизнь на Земле была весьма многообразной. Уже существовал биотический круговорот вещества и энергии. В результате активного синтеза образовалось много кислорода, за счет которого в верхней атмосфере появился озон — защитный экран от проникновения на земную поверхность волн ультрафиолетовой радиации короче 2900 А. При фотосинтезе из атмосферы было извлечено много углекислого газа.

Палеозойская эра — это время древней жизни. Суша в начале палеозоя представляла собой голую пустыню, лишенную как растительных, так и животных организмов. Лишь на прибрежных камнях встречались пленки водорослей и подушки растений, похожих на мох. В море же обильно развивались сине-зеленые и красные водоросли, а также представители почти всех типов животных. Среди них господствующее положение занимали первые членистоногие — трилобиты.

В силуре наряду с обогащением моря организмами происходит массовое заселение суши растениями. В развитии биосферы выход растений на сушу — настоящая революция!

В девоне продолжалось распространение растений на суше; население моря в общем сохранило свои особенности от прежнего времени.

Карбон известен как период необычайного развития наземной растительности в условиях жаркого влажного климата, трансгрессий и регрессий эпиконтинентальных морей. Такие условия способствовали произрастанию огромных древовидных плаунов, хвощей, папоротников и отложению их в прибрежных осадках.

В карбоне и перми южные материки — Африка, Южная Америка, часть Азии с полуостровом Индостан — на значительной площади испытали покровное оледенение.

Мезозойская эра, время «средней» жизни, характеризуется дальнейшим развитием растительного и животного мира как на суше, так и на море.

В триасе произошло взрывное развитие пресмыкающихся и началось массовое распространение рептилий — динозавров, черепах, древних крокодилов, ихтиозавров. В конце периода появились первые млекопитающие.

Итак, начиная с древнейших времен до современной эпохи шло непрерывное развитие биосферы — увеличение разнообразия живых форм и усложнение их организации. Жизнь, зародившись в море, захватила и сушу. В результате жизнедеятельности организмов происходило существенное преобразование и среды, что в свою очередь влияло на развитие живого вещества. Как указывалось М. М. Камшиловым, жизнь возникла в форме биотического круговорота, основанного на взаимодействии синтетиков и деструкторов. Извлекая из окружения средства существова­ния, жизнь изменяет среду своего существования, а следовательно, должна изменяться и сама. Некоторые вещества на длительное время исключались из биотического круговорота. Это — огромные залежи известняков, каменного угля, нефти, железных, марганцевых и медных руд и другие скопления. Биотический круговорот определяется как составная часть климатического круговорота вещества и энергии планеты. Живое вещество воздействует на все другие компоненты природной среды.

Зеленые растения (высшие зеленые растения, водоросли) и фотосинтезирующие бактерии путем фотосинтеза поглощали из воздушной среды углекислый газ и воду, а выделяли из нее кислород.

Таким образом, в процессе фотосинтеза атмосфера обогащается кислородом и теряет углекислый газ.

В современную эпоху сильное влияние на состав, а следовательно, и свойства атмосферы оказывает хозяйственная деятельность человека.