6. Земля как обитель жизни

Земля принимается большинством её обитателей как нечто данное. Правда, иногда можно слышать жалобы относительно дурной погоды, плохого урожая или случайных катастроф, но обычно Земля не подвергается критическому анализу. Такое отношение к Земле оправдывается тем фактом, что у нас нет выбора: будучи рождены на Земле, мы должны принимать всё то, что её гостеприимство может нам предложить. Силой обстоятельств мы очутились в положении, из которого нет выхода; извлечём же из него максимум пользы.

Однако с более широкой точки зрения интересно пофилософствовать о долговечности нашего местожительства, об опасностях, подстерегающих нас в пространстве, о возможности местных или всеобщих катастроф и об единственных в своём роде условиях, которые требуются для поддержания жизни.

Рассмотрим сначала опасности, грозящие нам извне. Как мы знаем, для поддержания жизни температура должна подниматься выше точки-замерзания воды, но не должна никогда превышать её точки кипения. Это ограничение, накладываемое на температурные условия, более жёстко, чем может показаться с первого взгляда, потому что температурная шкала начинается с абсолютного нуля (-273° С) и поднимается вверх до бесконечности. Наивысшая температура, которая наблюдалась непосредственно, достигает нескольких сотен тысяч градусов, а в недрах звёзд царит температура во много миллионов градусов.

Солнце снабжает Землю теплом, необходимым для поддержания требуемого температурного интервала (всего 100° из миллионов) и не даёт температуре подниматься слишком высоко. Существуют указания на то, что в течение прошедших нескольких сотен миллионов лет излучение тепла Солнцем оставалось примерно постоянным, а наиболее вероятные теории источника солнечной энергии утверждают, что Солнце и в будущем в течение такого же периода времени будет излучать так же, как и теперь (Энергия Солнца возникает не в результате какого-либо процесса горения, но, вероятно, вследствие превращения водорода в гелий путём сложного процесса, в котором участвуют углерод и азот. По всей вероятности, на Солнце имеется ещё достаточный запас водорода, которого должно хватить примерно на десять миллиардов лет)). Однако небольшое изменение (всего на несколько процентов) количества излучаемого Солнцем тепла вызвало бы сильнейшие изменения в климате Земли. У нас нет уверенности в том, что малые изменения такого рода не могут произойти в любое время, хотя среднее количество тепла может оставаться постоянным в течение длительного периода времени.

Атмосфера Земли является весьма важным фактором для поддержания подходящей температуры. Она действует, как одеяло, не давая дневной температуре подниматься слишком высоко, а ночной температуре - падать слишком низко.

Рис. 44. Метеор

На Луне нет атмосферы, и температура в полдень там выше точки кипения воды, а ночью температура падает примерно до -150° С, т. е. значительно ниже точки плавления "сухого льда". В пространстве, за пределом земной атмосферы, температура в тени приближается к абсолютному нулю, так что атмосфера, регулирующая тепло, совершенно необходима для существования всякого проявления активной жизни по вселенной. Однако атмосфера представляет собой защитное покрытие не только от крайностей температуры. Она является неоценимым по своей эффективности щитом от метеоров, которые постоянно бомбардируют Землю, падая на неё из межпланетного пространства (рис. 44). Метеоры летят со скоростями до 72 км/сек (Скорость вылета из солнечной системы (на расстоянии Земли) 42 км/сек. Орбитальная скорость Земли около 30 км/сек. Поэтому метеоры, летящие навстречу Земле, могут иметь относительно Земли скорость 72 км/сек, которую и приводит автор. (Прим. ред.))). Метеорная частица, весящая всего 0,001 грамма, двигаясь с этой скоростью, ударит с такой же энергией и окажется такой же смертельной, как прямой выстрел из крупнокалиберного револьвера. Такая частица по своим размерам не больше пылинки, гораздо меньше средней песчинки, но так же опасна для жизни, как револьверная пуля. Миллиарды таких частиц ежедневно ударяются о земную атмосферу; это - слабые метеоры, которые можно видеть только в телескоп. Метеоры, видимые невооружённым глазом, в несколько раз больше. В атмосфере метеорные тела моментально обращаются в пар благодаря трению о воздух.

Рис. 45. Аризонский метеоритный кратер

Очень удачно, что мы защищены от метеоров, но даже и при этих условиях некоторым, наиболее массивным из них, удаётся проникнуть до поверхности Земли и произвести разрушения. Большой метеоритный кратер в Аризоне (рис. 45) образовался при взрыве такого огромного тела, прилетевшего к нам из межпланетного пространства. Этот кратер имеет около 1,5 км в диаметре, а глубина его даже в настоящее время составляет около 180 м, несмотря на влияние эрозии. Вокруг кратера были в изобилии найдены маленькие метеориты, но больших метеоритов ни бурением, ни с помощью электроаппаратуры обнаружить не удалось. Метеорит, вероятно, взорвался при ударе о поверхность Земли с силой, значительно превосходящей силу взрыва любого из известных нам взрывчатых веществ. Только "шрапнель" и кратер остались на месте происшествия, чтобы поведать нам об этом событии. Падение Большого Тунгусского метеорита 1908 г. сопровождалось даким сильным взрывом, что все деревья полегли в радиусе на 40 км от места удара (рис. 46). Если бы метеорит таких же размеров упал на большой город, нанесённый им ущерб был бы неисчислимым. Единственное наше спасение от разрушительного действия таких метеоритов заключается в том, что падение их происходит чрезвычайно редко. В то же время мы очень часто встречаемся с метеорными потоками, состоящими из более мелких тел (рис. 47).

Рис. 46. Тунгусский метеорит опустошил лес в радиусе на 40 км вокруг места падения

Наша атмосфера защищает нас не только от небольших метеоров, но и от смертельных для нас излучений, существующих в пространстве. Ультрафиолетовые лучи (ближняя ультрафиолетовая область) вызывают загар, но обычно полезны для здоровья, хотя и не являются необходимыми. Озон, образующийся под действием солнечного света, ограждает нас от коротковолнового излучения в более далёкой ультрафиолетовой области, где лучи становятся опасными для здоровья. Кислород, азот и прочие элементы атмосферы срезают все далёкие ультрафиолетовые лучи, лежащие за пределом поглощения озона. Эти лучи применяются в медицине, чтобы убивать бактерии в воздухе. Если бы все они достигали Земли, то сомнительно, чтобы на ней могла существовать какая-нибудь форма жизни.

Рис. 47. Поток метеоров движется по эллиптической орбите вокруг Солнца. Такие потоки часто состоят из остатков комет и при встрече с Землёй дают звёздный дождь

Помимо далёких ультрафиолетовых лучей, атмосфера задерживает также множество частиц, которые были бы опасны для жизни. Эти частицы, заряженные или нейтральные, исходят как от Солнца, так и из пространства вообще. Потоки заряженных частиц, вызывающие полярные сияния (рис. 48), исходят от Солнца, а космические лучи приходят от неизвестных источников в пространстве. Весьма вероятно, что в пространстве существуют также другие типы лучей и частиц, которые ещё не были обнаружены нами просто потому, что наша атмосфера не позволяет им достигнуть Земли. В настоящее время в лаборатории с помощью циклотрона могут быть созданы в высшей степени опасные потоки заряженных частиц. Излучение от одного из таких потоков показано на рис. 49.

Рис. 48. Полярное сияние. Это явление в земной атмосфере вызывается потоками заряженных частиц, излучаемых Солнцем

Несомненно, что жизнь в том виде, как мы её знаем, требует специфического сочетания различных условий для того, чтобы могло продолжаться её существование на Земле. Необходимо, чтобы планета находилась на определённом расстоянии от звезды, излучение которой остаётся постоянным в течение длительных промежутков времени; кроме того, планета должна обладать атмосферой, способной регулировать температуру и задерживать опасные лучи и частицы.

Рис. 49. Циклотрон. Ядра атомов водорода разгоняются до скорости в 32 000 км!сек с помощью электрического и магнитного полей внутри циклотрона

До сих пор мы не упоминали о том, каков должен быть состав атмосферы. Пока не будет проведена большая экспериментальная работа, нельзя с уверенностью определить пределы, в которых может измениться состав атмосферы при условии, чтобы не были убиты все возможные проявления жизни на Земле, но, повидимому, эти пределы очень широки. Необходимой составной частью для животной жизни является кислород, а для жизни растительной - азот и углекислый газ; вода необходима и для тех и для других (см. табл. 1, в которой приведён состав сухого воздуха). Вода на поверхности Земли не является необходимой для некоторых растений пустыни, но в той или иной форме вода необходима для всех известных нам проявлений жизни. Состав атмосферы первоначально определяется образованием химических соединений на ранних стадиях развития планеты. Например, в скалах на поверхности Земли находится в различных соединениях больше кислорода, чем в воздухе. Когда жизнь на Земле стала развиваться, на состав атмосферы стали влиять химические реакции жизненных процессов: растения поглощают окись углерода и выделяют кислород, в то время как в организмах животных происходит обратный процесс.

В последние годы теоретики пришли к общему мнению, что состав атмосферы остаётся примерно постоянным вплоть до очень большой высоты (возможно до 100 км) вследствие наличия сильных ветров и конвекционных течений на этих высотах. При наблюдениях метеорных следов и странного вида высоких облаков ("серебристые" облака) удалось обнаружить наличие ветров, дующих со скоростью в 150 км в час и больше на высотах свыше 80 км. Такие сильные ветры, вероятно, обеспечивают достаточное перемешивание воздуха и не дают лёгким газам, как например водороду, подниматься кверху. В настоящее время существует множество методов определения плотности и температуры воздуха на больших высотах. Методы эти достаточно сложны; они основаны на измерениях скоростей звуковых волн, распространяющихся при пушечных выстрелах и при огромной силы взрывах (таких, например, как взрыв Большого Тунгусского метеорита), на определении величины сопротивления воздуха при движении метеоров и на изучении отражений радиоволн (В настоящее время для исследования стратосферы применяются ракеты. В США для этой цели пользуются ракетами V-2, которыми во время войны немцы бомбардировали Лондон. (Прим. ред.))).

На небольших высотах, до 30 км, температура может быть измерена непосредственно; для этой цели в атмосферу посылают небольшие баллоны с лёгким метеорологическим снаряжением (шары-зонды). К этим баллонам подвешиваются маленькие радиопередатчики, посылающие вниз сведения относительно температуры, давления и т. д.; высоты поднятия шаров-зондов наблюдаются в телескоп с одной или нескольких наземных станций. На рис. 50 показан один из таких шаров-зондов, готовый к полёту. На высотах свыше 30 км приходится пользоваться косвенными методами определения температуры. Результаты наиболее надёжных определений температуры на различных уровнях приведены на рис. 51, где схематически изображены также различные явления, наблюдаемые на этих высотах.

Рис. 50. Пуск шара-зонда

До настоящего времени не было дано объяснения наличию зоны высокой температуры (близкой к точке кипения воды) на высоте примерно 65 км, хотя, по всей вероятности, воздух в этой зоне нагревается вследствие какого-то поглощения солнечной радиации. Интересна быстротаи Земли.

Рис. 51. Явления в верхних слоях атмосферы

Внутреннее строение Земли изучать, конечно, гораздо труднее, чем атмосферу, но всё же в нашем распоряжении имеются методы, позволяющие нам узнать многое из того, что происходит в недрах нашей планеты. Глубокие скважины проникают вглубь всего на 3-5 км, т. е. на ничтожную часть расстояния до центра Земли. Некоторые сведения о внутреннем строении Земли дают астрономические эффекты, связанные с наличием экваториального вздутия. Данные геологии чрезвычайно важны при описании явлений, происходящих в поверхностных слоях земной коры. Изменения напряжения силы тяжести от места к месту, а также изменение силы и направления земного магнитного поля дают весьма существенные сведения относительно несколько более глубоких слоев, но наиболее точные данные относительно всех слоев, расположенных глубже нескольких километров, мы получаем, изучая распространение в Земле волн от землетрясений, так называемых сейсмических волн.

Многие из методов, применяемых для изучения Земли, весьма остроумны и интересны, но даже краткое описание наиболее важных из них потребовало бы по меньшей мере другой такой же книги, Однако перечисление достигнутых результатов даст нам некоторое представление о внутреннем строении Земли.

Результаты астрономических наблюдений дают среднюю плотность Земли (5,5 плотности воды), а также форму её поверхности; зная притяжение экваториального вздутия и плотности различных пород, можно получить правильное представление о плотности Земли вблизи поверхности - она равна около 2,8 плотности воды, т. е. половине средней плотности.

Наблюдения, проведённые в глубоких скважинах, показывают, что температура обычно возрастает вместе с глубиной в среднем на один градус Цельсия при опускании на 33 м, хотя эта величина очень сильно меняется от места к месту. Если бы такое возрастание температуры продолжалось вплоть до центра Земли, то в центре температура достигла бы очень большой величины, именно 200 000° С. Эта температура слишком высока; как показывают геофизические исследования, температура в центре должна быть не выше нескольких тысяч градусов. Низкая теплопроводность поверхностных пород создаёт возможность весьма быстрого изменения температуры в зависимости от глубины у поверхности Земли, тогда как в более глубоких слоях теплопроводность выше и температура меняется медленнее. Очень высокие температуры на больших глубинах нарушили бы магнитные свойства Земли. Добавочное повышение температуры вблизи поверхности объясняется наличием радиоактивных элементов (урана, тория и радия), которые, повидимому, находятся, главным образом, в земной коре.

Почти всеми признано, что Земля вначале представляла собой расплавленную массу и что высокая температура в центре Земли есть остаток тепла, который не смог вырваться наружу, так как внешние слои охладились и отвердели. На ранних стадиях, около двух или трёх миллиардов лет назад (Возраст наиболее древних пород определяется путём измерений относительного содержания гелия и некоторых изотопов свинца, являющихся продуктами распада радиоактивных веществ)), скорость потери тепла должна была быть гораздо больше, чем в настоящее время, так как конвективные потоки в жидком веществе уносили кверху большое количество тепла. После образования твёрдой коры процесс стал относительно очень медленным; вулканы и потоки лавы уносят самое большее несколько процентов всего количества тепла.

Рис. 52. Сейсмические волны

Если бы не результаты изучения сейсмических волн, возникающих при землетрясениях, то мы могли бы строить лишь предположения относительно структуры внутренних глубоких слоев Земли. Во время землетрясения, происходящего обычно вследствие внезапного соскальзывания пород земной коры вдоль образовавшейся трещины, в Земле по всем направлениям посылаются два типа волн: продольные Р-волны, или волны сжатия и разрежения, в которых колебания происходят в направлении движения волн (рис. 52, а), и поперечные S-волны, в которых движения частиц перпендикулярны к направлению распространения волн (рис. 52, b). Примером продольных волн могут служить звуковые волны, передающиеся в воздухе в виде последовательных сжатий и разрежений его частиц, примером поперечных - световые волны или волны на поверхности воды. Продольные волны распространяются со скоростью, примерно вдвое большей, чем поперечные, и потому дают более раннюю запись землетрясения на сейсмографах сейсмической станции (Отсюда и происхождение названий Р - волны и S - волны: undae primae - первые волны (волны, приходящие первыми) и undae secundae - вторые волны. (Прим. ред.))) (см. запись на рис. 53). На глубине нескольких километров под поверхностью Земли продольные волны распространяются со скоростью около 8 км/сек, а поперечные - со к оростью несколько меньшей - 5 км сек. Скорости обоих типов волн возрастают на больших глубинах, где увеличиваются также плотности и давления. Разрушительная энергия землетрясений переносится медленными поверхностными волнами, более сложными по своей природе, чем волны упоминавшихся двух типов.

Рис. 53. Сейсмограмма

Наиболее замечательный результат исследования записей сейсмических волн заключается в том, что S-волны не проникают в центральное ядро, радиус которого несколько больше половины радиуса Земли (рис. 54 и 55). Поскольку S -волны затухают в жидкостях, многие геофизики считают, что Земля имеет жидкое - ядро (Данные сейсмологии указывают, что вещество в центральном ядре реагирует на упругие колебания не как жидкое, а как твёрдое тело, поэтому гипотеза жидкого ядра в настоящее время отвергнута. (Прим. ред.))). Не решая вопроса о том, является ли ядро жидким или нет, мы во всяком случае можем сказать, что оно значительно отличается по своей структуре от слоев, лежащих выше, так как плотность его примерно в два раза больше средней.

Рис. 54. Теневая зона землетрясения. Центр землетрясения - в верхней части рисунка. Ядро Земли преломляет Р-волны, благодаря чему образуются зоны, где эти волны не обнаруживаются на поверхности. Числа указывают время (в минутах), которое требуется волне, чтобы достичь кривых линий,перпендикулярных направлению движения. S-волны задерживаются ядром. (По Гутенбергу.)

Давление вблизи центра Земли невероятно высоко, около 3 миллионов атмосфер. Поэтому трудно предсказать, при какой температуре данное вещество расплавится или до какой степени оно будет сжато. Сжатие твёрдых или жидких веществ будет, конечно, весьма значительным и температура плавления безусловно должна подниматься. По скольку Земля обладает магнитными свойствами и поскольку железо (и никелево-железные сплавы) преобладает в метеоритах (Являющихся представителями небесных тел)), многие исследователи считают, что ядро Земли в значительной степени состоит из железа или железо-никелевых сплавов. Высокое давление сжимает железо от плотности 7,7, которую оно имеет на поверхности Земли, до плотности 10 или 12 в центре Земли. Р-волны распространяются здесь со скоростью 11 или 13 км/сек.

Рис. 55. Внутреннее строение Земли. Плотность возрастает от слоя к слою по направлению к центру

Вне ядра, в промежуточном слое, изображённом на рис. 55, плотность вещества примерно равна среднему значению плотности Земли. Этот слой, вероятно, состоит из смеси железа, никеля и кремния, находящихся под большим давлением. Внешняя оболочка несколько плотнее тяжёлых горных пород (плотность её составляет 4,3 плотности воды), но в значительной степени может состоять из них. Кора состоит, главным образом, из гранитов и других пород вулканического происхождения; осадочные породы появляются в среднем лишь на расстоянии 1,5 км от поверхности Земли.

Толщина внешней коры земного шара меняется от места к месту и разными исследователями оценивается различно, но среднее её значение принимается равным около 50 км. Геологически кора представляется плавающей на деформируемом, но исключительно вязком слое, имеющем, возможно, 200-300 км в глубину, Образование гор, обширные деформации коры и общие проявления изостазии (Согласно принципу изостазии вся масса, находящаяся под каждой данной площадью, является постоянной. Более лёгкие вещества, как, например, те, которые образуют горы, выпирают кверху. Ледники заставляют поверхность опускаться, но она снова медленно поднимается, когда лёд стаивает)) ясно показывают, что кора совершает движения, которые были бы невозможны, если бы под ней не, находился слой псевдожидкого вещества, поддающийся воздействию давления. Для быстро действующих сил, каковы, например, сейсмические волны, это вещество является очень упругим, но оно поддаётся силам, действующим в течение весьма длительных промежутков времени. Такими свойствами обладает стекло. Существование вулканов показывает, что какие-то жидкие вещества должны существовать под земной корой, но весь деформируемый слой вовсе не должен быть жидким в обычном смысле этого слова.

Имеются некоторые данные, говорящие о том, что континенты значительно сдвинулись друг относительно друга в течение геологического периода времени (рис. 56) и что северный полюс когда-то находился в Тихом океане. Если это верно (данные эти ни в коем случае нельзя считать бесспорными), то это значит, что земная кора скользила вокруг внутреннего ядра, как скорлупа яйца (Это напоминает нам классический способ отличать крутые яйца от свежих, не разбивая их скорлупы. Если крутящееся свежее яйцо остановить и внезапно отпустить, то оно снова начнёт крутиться)) и, кроме того, деформировалась. Основное астрономическое возражение против этой теории покоится на том факте, что полюс Земли в настоящее время не обнаруживает никакой тенденции куда-то перемещаться. Как показывают изменения широт, замеченные на различных станциях, он совершает колебания, отклоняясь на 1 - 2 м в разные стороны, но с тех пор, как ведутся точные измерения, не было отмечено систематического движения полюса в каком-либо направлении (рис. 57).

Рис. 56. Движение континентов (теория Вегенера)

Движение полюса по поверхности Земли (Это колебательное движение полюса на поверхности Земли не следует смешивать с нутацией (глава 5.))) хорошо объясняется теорией. Основное колебание имеет период около 433 дней, но, кроме того, существует менее значительное колебание, совершающееся за год. Изменения времён года вызывают таяние и сдвиг льда полярных шапок, что даёт небольшой годовой эффект, но движение с периодом в 433 дня требует другого объяснения. Если мы снова будем рассматривать Землю как волчок, то мы увидим, что это плохо запущенный волчок, т. е. волчок, который был закручен неточно вокруг оси симметрии, перпендикулярной к плоскости экваториального выступа. Сильные землетрясения также могут влиять на изменение характера колебательного движения полфса. Если бы Земля была абсолютно жёсткой, полюс совершал бы колебания примерно с периодом в 10 месяцев, но, поскольку Земля лишь вдвое твёрже стали, период должен быть равен 428 дням, что и подтверждается наблюдениями.

Рис. 57. Движение полюса по поверхности Земли с 1916 по 1920 г. Маленькие кружки обозначают положения полюса через интервалы в десятую часть года. (По Спенсер Джонсу.)

Хрупкая земная кора, плавающая на горячих деформируемых породах, не является тем стабильным, надёжным слоем, каким мы привыкли её считать на основании нашего повседневного опыта. Кора, по всей вероятности, не только сдвигалась относительно главной массы Земли, но безусловно трескалась и изгибалась на протяжении всех геологических периодов. Многие области, будучи совершенно покрыты льдом в ледниковый период, опустились под этой нагрузкой. Когда лёд растаял, они снова поднялись. Большая часть современной суши в течение долгого времени находилась под водой, а вместо морского дна во многих местах была суща. Геологи уверены, что эти изменения всегда происходят медленно, но эта уверенность в значительной степени основана на опыте недавних эпох (У многих народов встречаются сказания о разрушительном потопе в древности и о гибели Атлантиды)). Земная кора находится в состоянии почти постоянных колебаний, вызванных землетрясениями, которые, в свою очередь, происходят от сдвигов и перемещений в различных глубоких слоях, иногда на рассшянии нескольких сот километров от поверхности Земли. В любое время может произойти извержение вулкана и вызвать разрушительную катастрофу, какая, например, произошла при извержении Кракатау (В 1883 г. на острове Кракатау (из группы Зондских островов) произошло грандиозное извержение вулкана Раката. При этом извержении половина острова взлетела на воздух. Шум от взрыва был слышен на расстоянии 3400 км. Огромные морские волны и пепельный дождь вызвали гибель почти 40 000 человек на островах Яве и Суматре. (Прим. ред.))).