Общая картина эволюции Вселенной

Современная парадигма истории Вселеннойсформировалась в первой половине ХХ века, когда за начало отсчета времени её развития был принят момент Большого Взрыва, и была доказана последовательность последующих событий космического масштаба, а также геологических, биотических и социальных процессов на планете Земля. Можно выделить восемь переломных вех Универсальной истории Вселенной, которые в совокупности составляют общую картину событий прошлого от Большого Взрыва до настоящего времени (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Интегральная картина эволюции Вселенной от Большого взрыва до Социума

На каком-то этапе Вселенная эволюционизировала от состояний более вероятных, естественных с энтропийной точки зрения состояний к менее вероятным состояниям: образование биосферы, антропосферы, социальной организации, материальной и гуманитарной культуры, психики. Эволюция происходила в сторону возрастающей сложности, что расходится с парадигмой классического естествознания. Поэтому физики вынуждены различать «термодинамическую и космологическую стрелы времени». Существуют различные подходы и модели к объяснению подобной антиэнтропийной направленности Универсальной эволюции Вселенной. Основу модели составляют теории самоорганизации, эквивалентами которой являются синергетика, неравновесная термодинамика, теория диссипативных структур и теория динамического хаоса. Именно синергетика пытается навести мосты между живой и неживой природой, между хаосом и упорядоченными системами, между человеком и окружающей средой.

Признанная большинством физиков и астрономов теория Большого взрыва утверждает, что Вселенная родилась из особой точки, в которой температура и плотность достигали фантастических значений. Это был «зародыш мира», в котором энергия и материя были так плотно упакованы и сжаты, что находились в непрерывном взаимопревращении. Интересно, что Библия также полагает, что Вселенная началась из крохотной частицы величиной с горчичное зерно. Примерно 15 млрд лет назад это «нечто» потеряло устойчивость и взорвалось с огромной силой. Этот момент называют Большим Взрывом и принимают за начало отсчёта времени развития современной Вселенной.

Большой Взрыв точечного объема выбросил энергию-материю по всем направлениям. По мере расширения Вселенной происходило понижение давления и температуры. При более умеренных значениях давления и температуры энергия в соответствии с законом Эйнштейна Е = mc² начала превращаться в мельчайшие материальные частицы: кварки и электроны. Одновременно с материей появилась антиматерия. Частицы и античастицы соединялись, порождая фотоны.

После взрыва в горячей и плотной Вселенной при температуре 100 млрд градусов в свободном состоянии существовали только кварки и электроны. Далее в расширяющейся Вселенной по мере падения температуры происходил нуклеосинтез – рождение вещества: кварки соединялись, образуя протоны и нейтроны. Когда Вселенная остыла до 10 млн градусов, кварки объединились в группы по трое, чтобы дать рождение протонам и нейтронам (барионам).

При дальнейшем понижении температуры наступила эпоха рекомбинацииводорода – самого распространённого элемента во Вселенной. Находившиеся в смеси фотоны, свободные электроны и другие частицы (свет и материя) находились в состоянии плазмы и непрерывных столкновений. В результате столкновений большая часть нейтронов связывалась с протонами, образуя дейтерий и тритий, порождая гамма-фотоны. Некоторые протоны и нейтроны стали вступать в реакции синтеза ядер гелия.

 

Рис. 2.2. Схема атома гелия

По мере расширения Вселенной плотность плазмы и энергия фотонов снижались.Возникшие ядра легких элементов стали присоединять электроны и превращаться в атомы (рис. 2.2). Электроны заняли свои места на стабильных орбитах в атомах водорода и гелия, а фотоны получили возможность двигаться свободно и стали видимыми. Вещество и излучение отделились друг от друга. Эти события произошли примерно через 380 тысяч лет после Большого взрыва: непрозрачная плазма остыла до температуры 3–4 тыс. градусов и превратилась в прозрачный газ; свет во Вселенной отделился от вещества, внутри которого он был замкнут. Этот древний свет (реликтовое излучение) путешествует во Вселенной около 15 млрд лет и показывает нам сегодня картину ранней Вселенной.

В современном представлении атомы представляют собой пустое пространство. Ядро атома водорода занимает 10^―5 часть его радиуса. Остальное пространство заполнено облаками электронов. Образно говоря, ядра атомов – это островки твёрдого вещества в океане пустоты.

Сотворение мира привело к тому, что на видимую Вселенную приходится около 5% всей массы-энергии Вселенной. Эта знакомая нам вещественная часть Вселенной примерно на 99% состоит из водорода и гелия, то есть из протонов, нейтронов и электронов. Примерно 70% массы-энергии Вселенной сосредоточено в так называемой тёмной энергии, которая непосредственно не связана с массовыми частицами. Главный признак существования тёмной энергии – ускорение расширения Вселенной. Природа тёмной энергии – один из самых сложных вопросов современной физики. Оставшиеся 25% массы-энергии Вселенной составляет невидимое для нас тёмное вещество (тёмная материя), о существовании которого свидетельствует его гравитационное влияние на наблюдаемые нами объекты. Пока неизвестно, что представляет собой тёмное вещество.

В ранней водородно-гелиевой Вселенной, остывшей до 3–4 тыс. градусов, материя была распределена беспорядочно. Некоторые области Вселенной оказались плотнее других, и в эти области за счёт гравитации стало притягиваться больше вещества из окрестностей. Сжатие вещества набирало темп, атомы водорода чаще сталкивались друг с другом. Электроны нагревающегося газа всё более возбуждались и переходили на более высокие орбиты. В каждом из таких островков материи вещество разогревалось до состояния плазмы.

Гравитационное сжатие ядер водорода и нагревание продолжалось. В результате свободные протоны преодолевали отталкивающее действие собственных зарядов и стали соединяться, формируя ядра гелия. С этого момента спрессованное и горячее водородное облако становилось звездой.

Процесс синтеза водорода освобождает значительное количество энергии в виде гамма-фотонов и таким образом «зажигает» звёзды. В свою очередь гамма-фотоны обеспечивают давление в центре возникшей звезды, которое уравновешивает эффект гравитации. Так сформировались звёзды первого поколения, которые были лишены химических элементов более тяжёлых, чем гелий и литий.

В недрах звёзд идут реакции синтеза химических элементов, в результате чего поддерживается высокая температура звёздных недр. Например, реакция преобразования водорода в гелий на Солнце идёт при температуре 15 миллионов градусов. Силы гравитации сжимают звёздное вещество, а силы давления горячей плазмы и излучения противостоят этому сжатию, в результате звезда находится в состоянии гидростатического и термодинамического равновесия.

Очевидно, что жизнь не могла бы возникнуть на Земле, если бы в природе не существовали тяжёлые элементы, из которых состоит скелет животных и человека и без которых невозможен обмен веществ в организме. Ранняя Вселенная состояла в основном из водорода и гелия. Но постепенно в недрах звёзд, образовавшихся из газовых скоплений, в результате термоядерных процессов стали образовываться более тяжёлые элементы.

После того как в центральной области звезд весь водород превратится в гелийони начинают сжиматьсяпод действием гравитационных сил. Энергия гравитационного сжатия превращается в кинетическую энергию движения слоёв звезды к центру и её недра вновь разогреваются. Таким образом, в недрах звезды осуществляется непрерывный термоядерный синтез химических элементов.

 

Рис. 2.3. Спиральная структура галактики Млечный Путь.

Наша галактика «Млечный путь» представляет собой неоднородное скопление звёзд и туманностей, где Солнце представляет собой одну из 100 млрд звезд (рис. 2.3). Размеры галактик, как и размеры звёзд, мало отличаются друг от друга. Вещество в галактике распределено примерно одинаково между звёздами, межзвёздным газом и межзвёздной пылью.

Второй этап космического нуклеосинтеза начался на стадии звёздной эволюции мироздания. Звёзды первого поколения были массивными и горячими, внутри которых ядра гелия и водорода сливались в ядра более тяжёлых элементов. Поле взрыва этих звёзд ядра тяжёлых элементов рассеивались в космическом пространстве и служили материалом для формирования звёзд второго поколения, включая наше Солнце.

Средняя масса протонов и нейтронов (нуклонов), входящих в состав ядра гелия, на 0,7% меньше массы каждой из этих частиц в свободном состоянии. За счёт этого дефекта массы Δm при синтезе ядер водорода в ядро гелия выделяется (в соответствии с формулой Эйнштейна) энергия 4,3∙10^–12 Дж. Подобная тенденция уменьшения массы внутриядерного нуклона сохраняется при синтезе более тяжёлых элементов вплоть до железа. Железо с атомным весом 56 имеет самые лёгкие нуклоны. Поэтому все предшественники железа по таблице Менделеева были образованы в термоядерных реакциях с высвобождением энергии.

Ядра более тяжёлых элементов несут больший заряд, поэтому их термоядерное горение требует более сильного нагрева. Гелий превращается в углерод и кислород при температуре до 200 млн градусов. Углерод трансформируется в неон, натрий и магний при 800 млн градусов, а кислород превращается в кремний и серу при двух миллиардах градусов. Цепь термоядерных реакций, которые связывают кремний с титаном, никелем и железом, осуществляется при четырёх миллиардах градусов.

Синтез ядер гелия и более тяжёлых элементов осуществляется с помощью бета-распада, при котором нейтрон становится протоном с выделением электрона и антинейтрино. В результате заряд ядра возрастает на единицу, и элемент превращается в соседа справа по таблице Менделеева. Такие ступенчатые реакции шаг за шагом наращивают атомный номер элемента вплоть до свинца и висмута.

С течением времени в недрах одной и той же звезды термоядерные источники изменяются, потому что эволюция звёзд сопровождается сменой ядерного горючего. Если, например, в звезде массой 2М_О (М_О – масса Солнца) выгорел весь водород и прекратилось выделение энергии, то гравитационные силы, не сдерживаемые противодавлением горячей плазмы, начинают сжимать ядро звезды и поднимать его температуру до значений 10¹⁰ градусов. При этой температуре могут идти практически любые термоядерные реакции. В этом котле «варятся» тяжёлые элементы. Звезды – это те тигли, в которых было выплавлено земное вещество. Кальций наших зубов, железо нашей крови, азот молекул ДНК сотворены из звёздного вещества.

В конце жизни звезд в их недрах образуется слоёная структура: на глубине появляются слои более тяжёлых элементов вплоть до железа. Ядро звезды состоит в основном из железа, а равновесие поддерживается квантовым отталкиванием электронов. В конце концов, гравитация преодолевает силу отталкивания электронов, вжимая их в атомные ядра. Из протонов образуются нейтроны, которые прижимаются друг к другу до тех пор, пока не остановят сжатие.

Если масса звездного ядра, затронутого термоядерными превращениями, менее 1,4 М_О то термоядерный синтез на каком-то этапе прекращается из-за недостатка гравитационной энергии. Внешняя водородная оболочка отделяется от ядра звезды, а оставшееся горячее ядро закончившей эволюцию звезды называют белым карликом. Это объект радиусом около 10⁴ км и средней плотностью около одной тонны в кубическом сантиметре. На массу множества белых карликов приходится 10% массы наблюдаемого в Галактике вещества.

Если масса ядра звезды превышает 1,4М_О, но меньше 3М_О, то в конце ядерной эволюции происходит гравитационный коллапс ядра. Внешняя водородная оболочка сбрасывается – наблюдается вспышка сверхновой. Температура поднимается до нескольких миллиардов градусов, ядра атомов разваливаются на протоны и нейтроны. Протоны поглощают электроны и превращаются в нейтроны. Коллапс ядра приводит к формированию нейтронной звезды. Радиус нейтронной звезды около 10 км, её средняя плотность составляет сотни миллионов тонн в кубическом сантиметре. При взрыве сверхновых формируются самые тяжёлые элементы, такие как золото, свинец, торий и уран.

Когда масса сжимающегося ядра звезды больше 3М_О, то образующаяся нейтронная звезда, остывая коллапсирует в черную дыру. Ядра таких звёзд испытывают неограниченное сжатие. Средняя плотность черной дыры составляет 10⁸ т/см³.

 

Солнечная система

Считается, что Земля как и другие планеты Солнечной системы образовалась из холодного газопылевого облака около 5 млрд лет назад. Основной гипотезой образования планет является теория газовой туманности, предложенная Лапласом. Он предположил, что система планет образуется из вращающегося газового облака, которое сжимается под воздействием гравитации. В ней образуются отдельные кольца, каждое из которых уплотняется и образует планету. Ближе к Солнцу температура была высокой, поэтому легкие газы вытеснялись на периферию, а на внутренних планетах накапливались более тяжелые элементы.

 

Силы гравитации захватывали и стягивали космическое вещество в тело сферической формы.Каждая планета – это своеобразная ловушка, которая захватывает попадающих в её сферу влияния «космических пришельцев». Состав вещества планет может отличаться по причине их разного возраста, но на каждой из них должен присутствовать минимальный набор элементов: водород, кислород, азот, углерод и кремний.

Тяжелые элементы опустились вниз и образовали ядро планеты. Легкие элементы поднимались, а выделявшиеся газы образовали атмосферу, состоявшую из паров воды, аммиака, метана и диоксида углерода. По мере остывания образовалась твердая базальтовая оболочка. На эти процессы ушло около 100 млн лет.

Планеты-гиганты (рис. 2.4) в отличие от внутренних членов системы не являются плотными и каменистыми. Планеты сияют лишь отраженным светом.

Рис. 2.4. Размеры планет по сравнению с Солнцем

Как Земля является обычной планетой, так Солнце является обычной звездой. Все звезды являются солнцами, причем многие из них намного больше и ярче нашего. Они кажутся меньше и тусклее из-за огромного расстояния до них. Например, Полярная звезда в 6000 раз ярче Солнца, однако не кажется самой яркой звездой на ночном небе, потому что расстояние до неё составляет 680 световых лет.

Звезды не фиксированы в Космосе, они движутся с разной скоростью, однако из-за их отдаленности рисунок созвездий не претерпевает видимых перемен в течение многих веков. Наше Солнце входит в звездную систему, которая называется Галактикой Млечный Путь с диаметром 100 тыс. световых лет.В Галактике имеются туманности – облака межзвездного газа и пыли. Наше Солнце зародилось в одной из таких туманностей.

Вокруг Солнца вращается девять планет, из которых Земля является третьей в порядке удаления от нашего светила. Меркурий и Венера расположены ближе к Солнцу, а Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон находятся дальше, чем Земля. В широком проёме между орбитами Марса и Юпитера летает рой астероидов. Период обращения планет вокруг Солнца изменяется от 88 суток для Меркурия до 248 лет для Плутона. Размеры планет тоже различны: диаметр Юпитера более 130 тыс. км, а диаметр Меркурия менее 4,9 тыс км. Венера, Юпитер и Марс сияют гораздо ярче любых звёзд.

К семье Солнечной системы принадлежат и кометы – хрупкие создания, материальной частью которых является ядро, состоящее из смеси льда и космической пыли. Кометы путешествуют вокруг Солнца по эксцентрическим орбитам. Когда комета приближается к Солнцу, лед начинает испаряться, в результате у кометы образуется длинный хвост.Единственная яркая комета, которая появляется регулярно – это комета Галлея, которая возвращается через каждые 76 лет.

Более крупные тела, не связанные с кометами и способные пройти через плотные слои атмосферы Земли без полного сгорания, называются метеоритами.Метеориты появляются из пояса астероидов. Метеориты при падении и ударе образуют кратеры.

Планета Земля завершит свое существование примерно через 7 млрд лет, когда Солнце, превращаясь в Красного гиганта, увеличится до орбиты Меркурия, затем Венеры и последовательно их поглотит. Далее звезда остановит свой рост, но планета Земля будет полностью выжжена.

События будут происходить в такой последовательности. Жар Солнца будет выжигать одну экосистему за другой. Экосистемы будут исчезать в порядке, обратном их возникновению. Сначала исчезнут сложные формы жизни, на смену которым придут простейшие. Нарастающий жар заставит всех обитателей суши искать спасения в океане. Последними на Земле останутся одноклеточные организмы, но и они будут выжжены увеличивающимся в размерах Солнцем. Через 7 млрд лет Земля будет расплавлена, а атомы наполненного жизнью мира будут развеяны по просторам Вселенной.

Планета Земля

Одно из самых захватывающих изображений ХХ века – это фото восхода Земли, снятого с лунной орбиты в 1968 г. Люди всегда знали, что наша планета уникальна. Тем не менее, они оказались не готовы к столь потрясающему контрасту между нашей бело-голубой планетой и холодным ландшафтом Луны и безжизненным мраком космической бездны. С той далекой точки Земля выглядит маленькой, одинокой и уязвимой.

Земле «повезло» в том, что она имеет орбиту, удаленную от Солнца на такое расстояние, которое позволяет воде существовать в жидкой фазе. За 4,5 млрд лет Земля превратилась из пышущего жаром мира в красивую голубую планету.

Реальная форма Земли более сложная, чем шар. Земля – это эллипсоид вращения, который сформировался от совместного действия сил гравитации и центробежных. Земля имеет радиус около 6400 км и состоит из ядра и охватывающих его двух концентрических оболочек: мантии и земнойкоры. Ядро с температурой до 6000^оС и плотностью примерно 11 г/см³ испытывает давление 3,6∙10⁵ МПа, имеет радиус около 3400 км и состоит из железа и никеля. Доля коры в общем объёме Земли равна 1,5%, мантии 82,3%, ядра 16,2%. Масса нашей планеты 6х10²¹ тонн, площадь поверхности 510 млн кв. км.

Согласно закону всемирного тяготения Земля притягивает все тела. Но помимо силы притяжения на каждое тело на поверхности Земли действует еще центробежная сила. Результирующая этих двух сил есть сила тяжести. От полюса к экватору сила тяжести уменьшается на 1/190 от g. Если бы Земля вращалась в 17 раз быстрее, то центробежная сила превысила бы силу тяготения и Земля разлетелась бы на обломки.

Вследствие вращения Земля у полюсов сплюснута и имеет форму, близкую к эллипсоиду вращения. Это геоид, близкий к эллипсоиду со сжатием 1/298 и большой полуосью 6378160 м. Величина расхождения большой и малой полуосей составляет 150 м.

О внутреннем строении Земли мы знаем меньше, чем о внутреннем строении звезд. На основании анализа распространения в Земле упругих волн сделаны следующие заключения. Земная кора, находящаяся в кристаллическом состоянии, имеет мощность до 60 км на континентах и до 15 км в океанах. Второй слой (верхняя и нижняя мантия) простирается до глубины 3000 км (рис. 2.5). Размер ядра составляет примерно 0,57 радиуса Земли. Земная кора и верхняя мантия образуют литосферу.

Рис. 2.5. Оболочечное строение планеты Земля

Элементный состав земной коры впервые установил американский ученый Ф.Кларк, в честь которого среднее содержание химических элементов в земной коре называют кларком. Земная кора почти наполовину состоит из кислорода. Кларк кислорода – 47%. На втором месте по распространенности находится кремний: 29,5%. Далее по мере убывания следуют: Al – 8,05%; Fe – 4,65%; Ca – 2,96%; Na и K – по 2,50%; Mg – 1,87%; Ti – 0,45%. В сумме это составляет более 99% массы земной коры.

Средний химический состав земной коры следующий: SiO₂ – 53,5%; Al₂ O₃ – 15,9%; CaO – 9,4%; FeO – 7,6%; MgО – 5,4%; Na₂O – 2,7%; CO₂ – 1,0%; H₂O – 0,78%. Распределение химических элементов в земной коре подчиняется следующим закономерностям: с усложнением строения атомного ядра элементов их кларки уменьшаются; в земной коре преобладают элементы с четными порядковыми номерами и атомными массами.

Состав литосферы формирует структуры жизни. Живое вещество отбирало те элементы, которых в природе много и на их основе строило организмы. Макроэлементы являются строительным материаломорганизмов, а микроэлементы служат катализаторами и входят в состав ферментов.

Земная кора – это менее плотное вещество, которое недра Земли вытолкнули из себя. Граница между корой и мантией подвижна: повышение температуры мантии смещает границу вверх, а понижение температуры – вниз. Резкое повышение температуры мантии приводит к расплавлению нижней части коры, к обезвоживанию и уплотнению пород.

С позиций геофизика земная кора – это относительно рыхлый чехол, лежащий на более плотной мантии. С позиций гидролога – это область, в которой вода может находиться в жидкой фазе. С позиций геохимика – это наружная оболочка планеты, имеющая по сравнению с мантией избыток кремнезёма, щёлочи, воды и недостаток магния и железа.

Нижним ярусом континентальной земной коры является толстый базальтовый слой, на котором покоится гранитный слой, покрытый мощным чехлом осадочных пород (рис. 2.6). Океанское ложе состоит из базальтовой подстилки и тонкого слоя осадочных пород. Плотность горных пород укладывается в диапазоне от 2 до 3,2 г/см³.

Рис. 2.6. Схема океанической и континентальной земной коры

Залегающая под земной корой мантия имеет переменную температуру от 700 до 3000^оС, плотность от 3,6 до 5 г/см³ и состоит из частично или полностью расплавленных горных пород – магмы, способной течь как густая вязкая жидкость. Мантия состоит преимущественно из силикатов, испытывающих фазовые переходы при изменении температуры и давления. Она постоянно подогревается со стороны горячего ядра, вследствие чего в ней непрерывно образуются мощные конвективные потоки. Кроме того, на перемешивание расплавленного вещества мантии существенное влияние оказывает приливное воздействие Луны.

Границей раздела земной коры и мантии принято считать «поверхность М» или «границу Мохо», залегающую на глубинах 30…70 км на континентах и 5…10 км под дном океана. Эта поверхность определяется глубиной, на которой происходит резкое увеличение скорости сейсмических волн в среднем от 7 до 8 км/с.

Особое значение границы М заключается в том, что на её уровне примерно соблюдается архимедово равновесие земной коры, плавающей в горячей пластично-вязкой мантии. Это явление называется изостазией. Если на поверхности земной коры образовались горы, то подошва коры должна погрузиться в мантию, чтобы компенсировать возросшую нагрузку. Любые значимые нагрузки на земную кору (мощные лавовые покровы, искусственные водохранилища, глубокие карьеры, поля отвалов горных пород, откачка нефти и подземных вод) способны вывести какой-то участок земной коры из состояния изостатического равновесия.

Геологические процессы непрерывно изменяют земную кору и её поверхность, разрушают одни горные породы и образуют другие. По происхождению горные породы, слагающие земную кору, делятся на три группы: магматические; осадочные и метаморфические.

Магматические породы имеют кристаллическое строение и образуются из расплавленной магмы при застывании её на некоторой глубине (интрузивные) или при выходе её на поверхность (эффузивные).

На долю магматических пород приходится примерно 95% объема земной коры.

Осадочные породы залегают слоями и образуются из продуктов разрушения ранее существовавших горных пород, а также из продуктов жизнедеятельности организмов. Так, песчаник образуется из песков, сланец – из ила, известняк – из морских раковин. Среди осадочных пород преобладают песчаники и глинистые сланцы.

Распределение органического вещества в осадочных породах крайне неравномерное. Выделяется группа рассеянного органического вещества и концентрированного. Граница между ними проведена условно по содержанию 2,5% органического (некарбонатного) углерода. Среднее содержание органического углерода в осадочных породах около 0,6%. Этот углерод в виде капель органического вещества, сорбированного на поверхности минеральных частиц породы, является «предшественником нефти».

Метаморфические породы образуются из магматических или осадочных пород на больших глубинах в результате действия высоких температур и давлений. Например, мрамор (CaCO₃) представляет собой метаморфизованный известняк. Эти породы обладают слоистостью и кристаллическим строением. Среди метаморфических пород преобладают гнейсы и кристаллические сланцы.

Ветер, дожди и реки сносят в океан метровый слой грунта за 15 тысяч лет.В пониженных местах континентов и морских бассейнах образуются осадочные породы. В них часто находят окаменелые останки животных и растений, населявших Землю в далекие времена. Осадочные породы подстилаются более древними магматическими или метаморфическими породами. Породы, которые подстилают осадочные, называют коренными породами или породами фундамента. Залежи нефти и газа в подавляющем большинстве случаев приурочены к осадочным породам.

Ежегодно из земных глубин на поверхность выносится около 9х10⁹ т магмы, пепла, паров и газов. Если всю массу вынесенных за всю историю вулканических материалов равномерно распределить по поверхности Земли, то получится слой толщиной в 34 км. Это означает, что земная кора является продуктом длительной переработки вещества верхней мантии посредством физического, химического выветривания, а также за счёт преобразования растениями и живыми организмами.

Луна и лунные приливы

При перемещении тела от поверхности Земли к её центру сила притяжения вначале возрастает до глубины 30 км, а затем убывает, обращаясь в нуль в центре Земли. В одной и той же точке сила тяжести также непостоянна и периодически изменяется. Главный период таких колебаний близок к половине суток. Это происходит от возмущающего притяжения Луны и Солнца.

Луна движется вокруг Земли, но следует уточнить, что Луна и Земля движутся вокруг общего центра тяжести системы (барицентра). Поскольку масса Земли в 81 раз превышает лунную массу, то барицентр находится под поверхностью земного шара на глубине примерно 1500 км. Лунная орбита имеет форму эллипса: расстояние между Землей и Луной изменяется от 360 тыс. км (перигей) до 406 тыс. км (апогей). Сила притяжения Луны нашей планетой составляет 2∙10¹⁶ т, орбитальный период – 27,3 суток. Причину регулярных фаз или изменения внешнего облика Луны легко объяснить. Когда Луна находится на одной линии между Землей и Солнцем, мы её не видим. Это фаза новолуния. Когда мы видим весь освещенный диск – это полнолуние. Луна и Земля вместе движутся вокруг Солнца, поэтому интервал между новолуниями составляет 29,5 суток. Период вращения Луны в точности совпадает с её орбитальным периодом.

Рис. 2.7. Схема лунного прилива

 

Основное воздействие Луны на Землю связано с приливами (рис. 2.7). Представим, что наша планета покрыта океаном, а Земля и Луна стоят неподвижно. В точках А и В происходят высокие приливы, в точках С и D – отливы. Лунное тяготение заставляет воду собираться в точке А, где оно является наиболее сильным. Сила тяготения воздействует и на сушу, но горные породы более вязкие, поэтому эффект прилива в породах менее значительный.

Приливы вращаются вместе с Землей и не сохраняют свое положение «под Луной». Приливы медленно смещаются по поверхности Земли, следуя за Луной. Таким образом, каждый прилив будет огибать Землю один раз в сутки. В целом на каждый участок земной поверхности приходится по два прилива и два отлива в течение суток.

Солнце тоже создает приливы, но они гораздо слабее лунных приливов, потому что оно в 400 раз дальше от Земли. Когда Солнце, Земля и Луна находятся на одной прямой и «тянут» в одном направлении (во время новолуния и полнолуния), приливы достигают наивысшей силы. Это так называемые сизигийные приливы. Во время первой и последней четверти приливы бывают слабее.

Схема приливной эволюции системы Земля-Луна базируется на факте, что из-за сил приливного трения постепенно изменяются динамические характеристики системы. Факт «векового» замедления вращения Земли был установлен давно: каждые 50 000 лет земные сутки увеличиваются на 1 секунду.

Ускорение силы тяжести постепенно увеличивалось за счёт замедления Луной скорости вращения Земли. При вращении Земли более быстром, чем обращение Луны, угловое перемещение приливной деформации опережает угловое перемещение Луны по орбите. Вращение Земли смещает выпуклость прилива вперед, ускоряя орбитальное движение Луны. Поэтому гравитационное взаимодействие между Луной и приливной деформацией гидросферы и литосферы ускоряет орбитальное движение Луны и тормозит вращение Земли. Земля 2 млрд. лет назад вращалась в два раза быстрее, а 500 млн лет назад продолжительность земных суток составляла 20 часов.

Причина замедления скорости вращения Земли – лунно-солнечные приливы. Расчётные величины ускорений силы тяжести на Земле в прошлом были примерно следующими: 120 млн лет назад – 6,8 м/с²; 240 млн лет назад – 4,7 м/с². Этот тезис подтверждается характером развития животных и растений.

Жившие на суше 150 млн лет назад брахиозавры имели массу 55 тонн. При современной силе тяжести такие массивные животные были бы раздавлены собственным весом. По критерию прочности костей на сжатие такие животные могли перемещаться при значении ускорения силы тяжести не более 5 м/с². Только при таких значениях силы тяжести могли существовать летавшие гиганты с размахом крыльев до 7 м и массой до 40 кг. Системы жизнеобеспечения и скелеты гигантов не выдержали борьбы с возрастающей гравитацией. Эти гигантские виды животных исчезли в юрскую эпоху.

Увеличение силы тяжести сказалось и на развитии флоры. Например, травянистые растения достигали в ту пору огромных размеров. По мере возрастания силы тяжести гигантские папоротники и другие травы погибли.

Луна движется все быстрей, смещаясь на более отдаленную от Земли орбиту. Скорость удаления Луны составляет 4 см/год. Описанный диссипативный процесс выведет Землю на режим вращения, когда на один оборот вокруг оси понадобится 40 суток, а в точке апогея Луна при этом будет отстоять от Земли на 2 млн. км.

Из-за эллиптической формы лунной орбиты приливообразующая сила Луны в перигее на 40% выше, чем в апогее. В начале января Земля достигает точки наибольшего приближения к Солнцу (перигелий). В периоды совпадения этих двух событий суммарная приливообразующая сила Солнца и Луны достигает максимума. Видимо, не случайно максимальная сейсмичность приходится на зимний период. Например, с 1946 по 1963 годы на Кавказе произошло 867 землетрясений, из которых на весну пришлось 185, на лето 172, на осень 147, а на зиму 363 землетрясения.

Оценки показывают, что твердое внутреннее ядро Земли также совершает вынужденные перемещения от 0,4 до 11,6 м с цикличностью 27,3 суток. Когда Луна или Солнце располагаются под углом 90^о к первоначальной точке наблюдения, прилив спадает, и наступает отлив. Замечательно то, что когда светило окажется с противоположной стороны Земли относительно первоначальной точки, в ней снова начинается прилив. Такое явление обусловлено тем, что при движении по орбите Луна вызывает смещение центра масс системы Луна-Земля. Больше всего сместятся массы, для которых Луна в зените Z, меньше – центральные массы, и еще меньше – массы, для которых Луна в надире N.

Наибольший подъём земной поверхности под возмущающим действием Луны достигает 36,6 см, наибольшее опускание – 17,8 см. Таким образом, максимальная амплитуда вызванных Луной колебаний земной поверхности составляет 53,4 см. Для возмущений от Солнца наибольший подъем равен 16,4 см, наибольшее опускание – 8,2 см.

Реальная деформация Земли приливной волной в области экватора имеет максимальную амплитуду 52 см, а на широте 50^о – 40 см. Таким образом, Земля непрерывно пульсирует. Эти перемещения очень медленные: 4 см/ч. Для широты Москвы относительное изменение высот на расстоянии 40 км составляет всего 3 мм. Океанические приливы в некоторых областях Земли достигают нескольких метров.

Средняя мощность внешнего силового воздействия на Землю характеризуется следующими величинами: Луны – 1,2х10¹³ Вт, Солнца – 10¹² Вт. На перестройку мантии приливные силы могут расходовать мощность порядка 4х10¹¹ Вт. Если преобразовать всю приливную энергию в твердой части Земли в тепло, то современный вклад приливного трения составит около 12% от наблюдаемого теплового потока, поступающего из глубин Земли. Приливная эволюция системы Земля-Луна приводит к существенным изменениям условий на поверхности и внутри Земли, преобразующих лик Земли, меняющих климат и характер осадконакопления.

Приливная сила «разрабатывает» дефекты среды, подверженные её воздействию. В этом смысле она подобна вибрации, которая работает на протяжении всей геологической истории Земли.По материалам наблюдений в высоких широтах в период полярной ночи ход атмосферного давления повторяет ход изменения приливных сил. Отсюда следует, что и сейсмическая активность, и атмосферные процессы зависят от приливного воздействия.

Под действием приливных сил полая сферическая оболочка деформируется в вытянутый эллипсоид вращения с главной осью, направленной на Луну. Из этой модели следует, что оболочка земной коры находится в постоянно поддерживаемом извне знакопеременном напряженном состоянии; основная периодичность изменения напряженного состояния близка к половине суток. Согласно оценкам, напряжение на экваторе, вызванное приливной волной, изменяется в диапазоне 5000 Па/цикл.

Правильнее рассматривать земную кору не как сплошную среду, а как блоковую модель, как оболочку, имеющую нарушения сплошности, наследованные земной корой за геологическую историю. При прохождении приливной волны в системе блоков остается некоторая необратимая деформация. Если напряжение полусуточной приливной волны оценить как 5000 Па за цикл, то для накопления напряжения 1,0 МПа, характеризующего сильное землетрясение, потребуется время порядка 75 – 100 лет. Подобная оценка допускает возможность механизма закачки сейсмической энергии приливными силами.

Приливы непрерывно подкачивают упругую энергию в систему блоков, слагающих земную кору. Приливная энергия накапливается в земной коре в виде напряжений изгиба, кручения, сдвига и сжатия. Постепенно равновесие в ансамбле блоков становится неустойчивым. В какой-то момент происходит сейсмический срыв и переупаковка блоков – их переход в новое равновесное состояние.

В отдельные годы сильные землетрясения происходят почти по графику полнолуний и новолуний. Однако строгой системы здесь не прослеживается. Например, из последних 271 сильных землетрясений только 132 (49%) приурочены к сизигиям. Солнечные и лунные приливы постоянно «массируют» земную кору и содержащиеся в недрах флюиды.