Немецкий философ И.Кант свою гипотезу впервые опубликовал в 1755 году. Его гипотеза включает несколько предположений: 1) начальное состояние космического вещества, за счет которого образовалась Солнечная система, было разрозненное, то есть оно состояло из отдельных простых частиц; 2) эти частицы имели разную плотность; 3) посредством силы Всемирного тяготения в первую очередь объединились в один центр наиболее плотные частицы, таким образом сначала обособилось центральное тело будущей Солнечной системы – само Солнце; 4) оставшиеся в Космосе менее плотные разрозненные частицы, в силу своей разрозненности, не притягивались к Солнцу, а, наоборот, отталкивались от него, вращаясь вокруг этой вновь сформировавшейся новой центральной Звезды; 5) из-за слипания друг с другом этих двигающихся вокруг Солнца по различным орбитам горячих частиц и газов образовались планеты Солнечной системы, в том числе и планета Земля.
Французский математик П.С.Лаплас свои представления об образовании Солнечной системы опубликовал позже И.Канта (1797). Общий ход мысли П.С.Лапласа в целом сходен с таковым И.Канта. Согласно представлениям П.С.Лапласа, Солнце, также как его спутники в виде ныне известных девяти планет, образовались за счет «горячего тумана» Космоса. Солнце, по его мнению, играет роль центрального, более плотного ядра, тогда как будущие планеты изначально вращались вокруг этого ядра в виде «тумана разрозненных веществ»; центростремительная сила, возникающая за счет вращения «тумана» вокруг Солнца, в плоскости экватора сравнялась с силой тяготения, вследствие чего горячие частицы и газы «тумана» объединились в отдельные планеты, вращающиеся вокруг Солнца по различным орбитам.
Представления И.Канта и П.С.Лапласа, оформленная впоследствии как «Гипотеза Канта-Лапласа», не были подтверждены математическими расчетами и представляли собой общее рассуждение. Поэтому основные положения этой гипотезы не могли ответить на ряд вопросов, касающихся распределения масс и сохранения момента количества движения, свойственных планетам Солнечной системы
в середине ХХ столетия появилась новая гипотеза о происхождении планет Солнечной системы, которая более или менее удовлетворительно отвечает на указанные вопросы, это – «гипотеза Шмидта-Фесенкова».
Идеи О.Ю.Шмидта дали возможность понять сущность двух фактов, не находивщих ранее удовлетворительного объяснения, это: 1) факт закономерного изменения расстояния между планетами, входящими в Солнечную систему; 2) факт обособления планет Солнечной системы на две группы, резко отличающиеся друг от друга по ряду признаков (земная группа планет и планеты-гиганты).
Идеи О.Ю.Шмидта о происхождении планет Солнечной системы, при их довольно высокой логической выверенности, имели два главных недостатка: 1) происхождение планет Солнечной системы рассматривается вне связи с происхождением самого Солнца, являющегося центральным телом этой системы; 2) осталось без объяснения природа «межзвездного облака материи».
Идеи О.Ю.Шмидта были существенно дополнены представлениями другого советского академика – В.Г.Фесенкова. Представления В.Г.Фесенкова объединяет ряд положений, это: 1) в пространстве Космоса много Звездных систем, подобных Солнечной системе, последняя является всего лишь одной из таких систем; 2) Солнце, также как относящиеся к Солнечной системе планеты, образованы с одного и того же вещества в одно и то же время; такие вещества В.Г.Фесенков назвал «уплотненные волокна газово-пылевой туманности»; 3) в пределах этих «уплотненных волокон» образовалось «сгущение», которое в образовавшей и окружающей его газово-пылевой среде протягивалось параллельно экваториальной плоскости; 4) за счет центральной части указанного «сгущения» было образовано само Солнце, которое, быстро вращаясь вокруг своей оси, не только «обогащалось» за счет окружающих веществ, но и «отталкивало» часть газово-пылевой материи от себя; 5) за счет «отторженных частиц материи», все дальше «уходящих» от центральной звезды (Солнца), в экваториальной части системы образовались «протопланеты», похожие на диск или линзу; 6) в дальнейшем происходило увеличение объема и постепенное уплотнение «протопланет» за счет вещества окружающей газово-пылевой массы, что привело к образованию истинных планет; 7) образование планет происходило в условиях гравитационной неустойчивости среды.
В.Г.Фесенков впервые математически обосновал причину закономерного изменения межпланетного расстояния, заключающегося в двукратном увеличении расстояния между каждыми последующими планетами по мере удаления от Солнца. По мнению В.Г.Фесенкова, планеты-гиганты, удаленные от Солнца на довольно большие расстояния, сохранили в целом свой первоначальный состав, поскольку сравнительно низкие температуры их образования создают необходимое условие сохранения в их составе легких газов типа водорода в твердом состоянии, не позволяя им улетучиваться в Космос. Наоборот, планеты земной группы, близко расположенные к Солнцу, должны существенно изменить свой первоначальный состав, поскольку повышенные температуры их образования предопределяет условие рассосредоточения летучих элементов в Космическом пространстве. Однако, по мнению В.Г.Фесенкова, все планеты Солнечной системы в момент своего образования состояли из одного и того же набора веществ, указанные выше изменения их вещественного состава являются результатом последующих периодов в эволюции планет Солнечной системы.
2. В чем заключается основная трудность по нахождению источников внутренного тепла планеты исходя из наиболее приемлемой гипотезы о происхождении Земли – гипотезы Шмидта-Фесенкова?
«Гипотеза Шмидта–Фесенкова» считается наиболее приемлемой, поэтому ныне действующей гипотезой образования Солнечной системы и ее планет, в том числе и планеты Земля. Главным достоинством этой гипотезы принято считать представление о «холодном» происхождении планет, образованных за счет «слипания» в Космосе застывших и затвердевших материй «газо-пылевого облака». Однако, именно это представление порождает одну из главных проблем геологии по «нахождению» источников внутреннего тепла Земли, ответственного за тектоническую и магматическую активность нашей планеты в истории ее долгого развития (за последние 4 млрд. лет) в качестве саморазвивающегося геологического объекта. Другими словами, если планета Земля изначально состояла из сравнительного холодного и твердого вещества, то откуда она «приобрела» огромное количество внутреннего тепла, ответственного за ее дальнейшую геологическую (тектоническую) эволюцию? Имеется еще одна проблема, вытекающая из представления о «холодном» происхождении Земли: почему внешнее ядро планеты состоит из жидких (расплавленных) веществ, если планета изначально была «холодной»? В этом случае за счет каких процессов в дальнейшей эволюции Земли расплавилось вещество внешнего ядра? Из содержания «гипотезы Шмидта–Фесенкова» остается не выясненным еще одно обстоятельство: была ли Земля изначально обособлена на две части – на первичное довольно плотное ядро и менее плотную первичную мантию, или же наша планета изначально состояла из однородных по плотности первичных веществ и расчленение ее разреза на ядро и мантию произошло впоследствии?
3. С помощью каких методов определены состав и строение Земли, из чего состоит и какими основными физическими свойствами характеризуются основные геосферы планеты?
Строение планеты определено в основном с помощью сейсмических исследований. Выявление особенностей внутреннего строения планеты основано на регистрации, изучении и анализе изменений скоростей прохождения сейсмических волн через вещество различной плотности и различного физического (прежде всего, реологического) состояния. При прохождении сейсмических волн через границы, где контактируют две поверхности с различными показателями плотности, возникает резкое изменение скорости проходящих сейсмических волн, а также на этих границах возникают отраженные и преломленные волны. Именно фиксация таких границ дала возможность расчленить земной разрез на два главные составляющие – на ядро земли и на мантию земли
Ядро земли начинается на глубине 2900 км и состоит из двух основных частей – внешнего ядра, состоящего из жидких веществ, и внутреннего ядра, состоящего из твердых веществ; твердое внутренне ядро начинается на глубине 5120 км. Жидкое состояние вещества внешнего ядра установлено фактом исчезновения поперечных сейсмических волн на указанной выше глубине (2900 км), беспрепятственно проходящих до этого уровня, т.е в разрезе мантии земли
Мантия земли начинается с глубины 2900 км и охватывает верхнюю часть разреза Земли вплоть до подошвы земной коры, имеющей среднюю мощность 35-40 км на континентах, около 10 км под океанскими водами. Мантия земли расчленяется на три части. Промежуток глубин от 2900 км до примерно 950 км занимает нижняя мантия. Плотность вещества нижней мантии земли на уровне контакта с внешним ядром земли составляет порядка 5,6-5,9 г/см3. Нижнюю мантию иногда называют «областью D» мантии земли. Промежуток глубин между значениями 950 км и порядка 450 км (400-500 км) занимает, так называемый, «промежуточный слой», или «переходной слой» мантии. Эту часть мантии иногда называют «средней мантией» или «областью С» мантии. Вещественный состав нижней мантии и «переходного слоя» однозначно не установлен, однако считается, что эти уровни мантии сложены различного рода силикатами. Принято считать, что граница переходного слоя с нижней мантией обособлена фактом наличия фациальных переходов вещества, свойственных этой границе.
Верхняя мантия, расположенная между глубинами порядка 450-35 км (от кровли «переходного слоя» мантии до подошвы земной коры). Эту часть мантии иногда называют «областью В» мантии. Верхняя мантия расчленяется на две резко различные по реологическому состоянию вещества части: нижняя часть называется астеносферой, она состоит из частично расплавленных веществ; такие тела в физике называются телами Бингама; Вещество астеносферы А.Э.Рингвуд предложил назвать "пиролитом" (от названий минералов «пироксен» и «оливин»). Верхняя часть верхней мантии называется литосферной мантией, или перидотитовым слоем. Литосферная мантия (перидотитовый слой) состоит из твердых, хрупких и вязких горных пород, состав которых соответствует составу ультраосновных магматических пород типа перидотитов, пироксенитов, гарцбургитов, дунитов и т.д.;. Литосферная мантия (перидотитовый слой) слагает нижнюю часть литосферы. Верхняя часть литосферы югославским сейсмологом Мохоровичичем обособлена в качестве земной коры. Она неоднородна как по вертикали, так и по горизонтали: вертикальная неоднородность земной коры заключается в условном расчленении ее на три слоя (снизу вверх): базальтовый, гранитный и осадочный; Сумма верхней мантии и земной коры, или сумма астеносферы и литосферы в геологической литературе называется тектоносферой. Тектоносфера – внешняя оболочка Земли, охватывающая земную кору и верхнюю мантию, в которой происходят тектонические и магматические процессы, обусловливающие вертикальную и горизонтальную неоднородность состава и (или) физических свойств их вещества.
4. Из чего состоит ядро Земли, какова его (ядро) возможность по выроботке внутренней тепловой энергии планеты?
Ядро земли начинается на глубине 2900 км и состоит из двух основных частей – внешнего ядра, состоящего из жидких веществ, и внутреннего ядра, состоящего из твердых веществ; твердое внутренне ядро начинается на глубине 5120 км. Жидкое состояние вещества внешнего ядра установлено фактом исчезновения поперечных сейсмических волн на указанной выше глубине (2900 км), беспрепятственно проходящих до этого уровня, т.е в разрезе мантии земли.
Принято считать, что вещественный состав как внутреннего, так и внешнего ядра земли планеты состоит из магнитных металлов типа железа, никеля, кобальта при незначительном присутствии серы (особенно, во внутреннем ядре); однако считается, что металлы внутреннего ядра присутствуют в твердом состоянии, внешнего – в жидком. Именно этим объясняется то обстоятельство, что Земля является большим магнитом: предполагается, что в ядре земли работает «принцип динамомашины», суть которого заключается в постоянном вращении жидкого внешнего ядра вокруг твердого внутреннего ядра, что создает магнитный момент и обеспечивает магнитное поле Земли.
В результате анализа результатов многочисленного моделирования с помощью электронно-вычислительных машин выяснено, что плотность вещества твердого внутреннего ядра соответствует значению 13,0-13,5 г/см3, жидкого внешнего ядра –9,4-10,0 г/см3.
По части установления внутреннего строения и состава планеты у официальной геологической науки имеются два противоречия, представляющие собой проблемы в геологии: 1) почему плотность вещества внутреннего ядра 13,0-13,5 г/см3, тогда как плотность магнитных металлов типа железа, кобальта и никеля колеблется в пределах 7-8 г/см3; 2) с позиции допущения металлического состава ядра планеты трудно объяснить в принципе, как происхождение внутреннего тепла Земли, так и механизм переноса этого тепла с ядра до верхних оболочек планеты, вплоть до ее поверхности.
Источники внутренней тепловой энергии Земли еще недостаточно изучены. Но основными считаются: 1) распад радиоактивных элементов (урана, тория, калия и др.); 2) гравитационная дифференциация с перераспределением материала по плотности в мантии и ядре, сопровождающаяся выделением теплоты. Наблюдения в рудниках, шахтах и буровых скважинах свидетельствуют о повышении температуры с глубиной.
17 Какие особенности физических характеристик вещества подастеносферной мантии воспрепятствуют протеканию тепловой конвекции в ее разрезе? (6 лек)
Считающаяся ныне наиболее перспективной концепция «Тектоники литосферных плит (ТЛП)» также не обходится без допущения нисходящих потоков вещества в разрезе всей мантии, поскольку причину мобильности литосферных плит и, самое главное, причину их «изменчивости» в пространстве и во времени данная концепция объясняет существованием в земных недрах конвекционных, а значит, разнонаправленных перемещений материи и энергии. Объяснить причину мобильности литосферных плит и тектоно-магматической активности на их дивергентных и конвергентных границах действительно трудно объяснить без допущения ведущей роли конвекционных ячеек в недрах Земли, однако в данном случае вопрос заключается совсем в другом, а именно: до какого уровня в разрезе Земли можно «опустить» нисходящую ветвь предполагаемой конвекции, существует ли конвекционный обмен веществ в разрезе подастеносферной мантии или же такой обмен ограничен только разрезом астеносферы планеты – самого «податливого слоя» в разрезе Земли в силу «частичной расплавленности» его вещества и предрасположенности этого вещества к «течению»?
Сторонники концепции ТЛП предполагают существование конвекции в разрезе мантии Земли в целом, при этом «текучая астеносфера» принимается всего-навсего верхней ветьвю «конвейра Холмса» конвекционирующей мантии в целом. К большому огорчению, определяющее большинство ученых в данном случае оперирует обобщенным понятием «мантия Земли», тогда как именно необходимость анализа природы конвекционного круговорота вещества и энергии в недрах планеты требует разграничение частично расплавленной маловязкой астеносферы и твердой и вязкой подастеносферной мантии (нижней мантии и переходного слоя, вместе взятых).
Общеизвестно, что сущность тепловой конвекции заключается в обмене веществ между верхней и нижней ветвями «конвекционирующей жидкости» из-за разительного отличия некоторых физических параметров слагающих этих ветвей веществ, а именно – их температуры и плотности (собственного веса). При этом, в данном случае плотность (вес) вещества является функцией температуры, т.е. именно изменение температуры приводит к изменению плотности частиц вещества, что и является первопричиной конвекционного кругооборота. Так, считается, что частицы жидкости в ее нижней кромке с повышением температуры расширяются, становятся легче окружающей среды и начинают подниматься к верхней кромке, «выталкиваемые» поступающими на их место еще не разогретыми тяжелыми частицами. Заново остыв на верхней кромке жидкости, они становятся снова тяжелее (плотнее) и под действием силы тяжести опять опускаются вниз, чтобы вновь «вытолкнуть» облегченные посредством непрерывно поступающего на уровень нижней кромки тепла частиц вверх.
Указанные условия никак не может быть сохранены применительно к разрезу подастеносферной мантии, что наглядно вытекает из особенностей температуры и плотности вещества в ее (подастеносферной мантии) верхней и нижней кромках.
Так, согласно имеющимся данным, мощность подастеносферной мантии (нижней мантии плюс переходного слоя) примем равной порядка 2500 км. Плотность вещества у ее нижней кромки равна 5,69 г/см3, у верхней – 3,65 г/см3, расчетная температура у подошвы нижней мантии равна 2700°С, у кровли переходного слоя мантии (на подошве астеносферы) – порядка 2100°С (см. рисунок). Из этих параметров вытекает, что температурные и плотностные условия для формирования восходящей ветви конвекционного (конвективного) потока в разрезе подастеносферной мантии имеются: исходное вещество в низах мантии с плотностью 5,69 г/см3 при повышении температуры до 2700°С, разуплотнившись, в принципе может потечь к ее верхней кромке и на этом рубеже приобрести меньшую плотность (3,65 г/см3) и температуру (2100°С). Однако с формированием нисходящей ветви конвекции в разрезе подастеносферной мантии все обстоит иначе. По классической схеме тепловой конвекции, разуплотненные за счет тепла молекулы «жидкости», дойдя до ее верхней кромки, должны не только «остыть», но и заново приобрести исходную плотность, чем и стимулируется в принципе нисходящий поток. В нашем случае данное условие не соблюдается, поскольку уровню кровли подастеносферной мантии заведомо присуща плотность в 3,65 г/см3 и вещество этого рубежа даже сравнительно низком значении температуры (2100°С) не может приобрести исходную плотность (5,69 г/см3).
Как свидетельствует приведенное выше обсуждение вопроса, в подастеносферной мантии отсутствуют необходимые условия для формирования нисходящего потока материи, значит, в этой геосфере никак не может «работать» конвекционный механизм переноса тепла и вещества в его классическом понимании. Если к этому добавить, что возможность конвекционного кругооборота вещества в подастеносферной мантии затруднена еще и в связи с высокими вязкостными свойствами ее вещества, то вывод должен быть однозначен: в разрезе подастеносферной мантии не может существовать механизм конвекционного кругооборота вещества, поскольку физическое состояние слагающего ее вещества (температура, плотность, вязкость) никак не располагает возникновению кругооборота, тогда как эти условия предопределяют только односторонний (вверх) конвективный поток тепла и материи.
Рисунок. Условный разрез подастеносферной мантии
