796 (Земля), страница 2

Нетрудно заметить, что гипотезы Канта, Лапласа, Шмидта во многом близки. Многие мысли этих ученых легли в основу современного представления о происхождении Земли и всей Солнечной системы.

Сегодня ученые предполагают, что Солнце и планеты возникли одновременно из межзвездного вещества – частиц пыли и газа. Это холодное вещество постепенно уплотнялось, сжималось, а затем распалось на несколько неравных сгустков. Один из них, самый большой, дал начало Солнцу. Его вещество, продолжая сжиматься, разогревалось. Вокруг него образовалось вращающееся газово-пылевое облако, которое имело форму диска. Из плотных сгустков этого облака возникли планеты, в том числе и наша Земля.

Как видите, представления ученых о возникновении Земли, других планет и всей Солнечной системы менялись, развивались. Да и сейчас остается много неясного, спорного. Ученым предстоит разрешить немало вопросов, прежде чем мы достоверно узнаем, как возникла Земля.

Возраст Земли.

Возраст Земли так велик, что его трудно себе вообразить. Но если предположить, что нашей планете всего один год, то человечество просуществовало менее пяти часов.

Человечество веками пыталось определить возраст Земли. В начале XVII века архиепископ Армы Джеймс Ашер вычислил дату сотворения мира по Библии. Он определи ее как 4004 год до н. э.; эту хронологию можно найти в старых изданиях Библии.

Теперь мы знаем, что Ашер ошибся – более чем в миллион раз! На сегодня принятый учеными возраст Земли составляет 4600 миллионов лет. Он приблизительно такой же, как и возраст Солнца и остальных планет.

В конце XVII века датский врач и естествоиспытатель Николаус Стено (который со временем тоже стал епископом) заключил, что верхние слои осадочных пород, накапливающиеся под водой, моложе, чем нижние. В XIX веке это открытие помогло ученым разработать относительную хронологию пород и, таким образом, частично определить возрастную структуру Земли. Наука о датировании пород известна под названием геохронология. Однако лишь в начале XX века британские и американские ученые обнаружили, что некоторые радиоактивные элементы можно использовать как «часы» для фиксации огромных периодов времени. Атомы этих элементов со временем разлагаются, образуя другие элементы. Так, например, по истечении довольно длительного периода уран превращается в свинец, излучая при этом радиацию Девять тяжелых элементов, встречающихся в естественном виде, включая радий и уран, являются радиоактивными. То же самое касается некоторых изотопов (разновидностей одних и тех же элементов, отличающихся массой атомов) легких элементов, таких как рубидий и стронций.

Ученые открыли часы, но не знали, как определять по ним время. В этом им помогло создание во время и после Второй мировой войны прибора под названием масс-спектрометр. Он разделяет атомы по их массам и электрическим зарядам и позволяет определять ничтожные количества радиоактивных веществ в породах.

Периоды полураспада.

Радиоактивные вещества распадаются с определенной скоростью. Единицей ее измерения является период полураспада – время, за которое распадается половина первоначального количества радиоактивного вещества. Второй период полураспада – это половина оставшегося вещества, и так с каждым разом этот период уменьшается.

Наиболее известным методом датирования является датирование по радиоуглероду, с помощью которого можно определить возраст любого органического вещества, дошедшего до нас из прошлого (такого как кости или древесина). Так, например, этот метод применили в 1988 г. для датирования Туринской Плащаницы, в которую, как полагают, в свое время завернули Иисуса Христа. Однако датировать по радиоуглероду неорганические породы невозможно, для этого применяются другие методы. Они включают распад с превращением радиоактивного изотопа калия в радиоактивный аргон; распад радиоактивного изотопа рубидия в радиоактивный стронций; и распад урана и тория с превращением в свинец.

Подтверждение возраста Земли пришло из космоса. Некоторые упавшие на Землю метеориты* содержат минерал под названием троилит. В нем мало или совсем нет урана, поэтому полагают, что найденный в нем свинец представляет первоначальное его количество на планетах, включая Землю. Таким образом, удалось проверить правильность уран-свинцового датирования. Были также проанализированы лунные породы, доставленные на Землю американскими астронавтами в 1970-х годах. Из этих пород и образцов метеоритов получены данные о возрасте Луны и метеоритов, подобных тем, по которым определяли возраст Земли.

Следы примитивной жизни обнаружены в породах, которым почти 3,5 миллиарда лет, - самых старых из известных пород на Земле. Жизнь эта представлена бактериями и водорослями, т. е. простейшими одноклеточными организмами.

Вероятно, на протяжении предшествующих 1000 миллионов лет на Земле постепенно образовались океаны из воды мантии, выбрасываемой вулканами на поверхность при извержении. Первоначально атмосфера состояла, очевидно, главным образом из водорода. Кислород в воздухе образовался либо в результате воздействия света на водяные пары, либо его выделяли растениевидные морские организмы.

Вспышка жизни.

Около 570 миллионов лет тому назад на Земле началось бурное развитие жизни. Около 400 миллионов лет тому назад в атмосфере уже было достаточно кислорода для роста растений на суше, а за последующие 50 миллионов лет появились и начали эволюционировать наземные животные.

Геологи делят историю последних 570 млн. лет на ряд периодов. Самый ранний из них называется кембрийский. Геологическое время с начала кембрия (590 миллионов лет тому назад) до нынешнего четвертичного периода известно как фанерозойский эон. Остальная часть истории Земли обычно объединяется под общим названием докембрий. Если представить себе, что Земля существует один год, то самые ранние формы жизни появились в начале мая, а кембрийский период начался в ноябре. Первые люди возникли около 7 часов вечера 31 декабря, а современный человек сформировался приблизительно за пять минут до полуночи.

Античные представления о Земле.

Очень давно люди интересовались тем, как устроен мир, в котором они живут, и задавались вопросами: какую форму имеет Земля? На чем она держится? Как движутся Солнце, Луна и звезды? Что такое небо? Вначале ответы на эти вопросы были наивными, совершенно фантастическими. Например, люди считали, что Земля плоская, как блин, держится на трех китах (или на трех слонах), киты плавают в океане. А на чем держится океан? Этот вопрос задавать было нельзя: за это могли серьезно наказать, ибо всякие сомнения в этой картине мира трактовались как ересь.

Существовало мнение, что небо – это огромный купол, который перекрывает Землю (см рис. 4). К куполу прикреплены звезды, и по нему в колесницах разъезжают Солнце (днем) и Луна (ночью). Существовала даже легенда, что некий странник, дойдя до края Земли, убедился в этом воочию.

Более двух тысяч лет тому назад такие примитивные представления о мироздании перестали удовлетворять ученых- философов Древней Греции. Так, Пифагор и его ученики (VI в. до н. э.) уже хорошо знали, что Земля имеет форму шара и ни на чем не держится. Эратосфен довольно точно измерил размеры земного шара.

Древнегреческие философы и математики разработали достаточно стройную картину мировоздания. Ее обобщил Аристотель*. Благодаря его трудам, которые пользовались большой известностью, она была усвоена учеными Древнего Рима, Аравии, а затем и европейцами. Эта картина мира стала основой миропонимания почти на 2000 лет, до трудов Коперника и его последователей.

Из взглядов Аристотеля вытекали ответы на два вопроса, которые смущали ученых не только в древности, но и в средние века и казались им очень сложными: если Земля – шар и ни на чем не держится, то почему она не падает? Если Земля – шар, то люди на другом полушарии должны стоять вверх ногами – как же они этого не чувствуют? Аристотель придерживался точки зрения, что Земля – естественный центр Вселенной, а все тяжелые тела стремятся к этому центру. Но раз Земля – центр, то ей некуда падать. А люди в любом месте Земли стоят так, чтобы центр Земли был у них под ногами. Признание шарообразности Земли было для науки того времени значительным шагом вперед, хотя многие другие объяснения Аристотеля с современной точки зрения наивны.

Была создана геоцентрическая система, в которой предполагалось, что вокруг Земли как центра Вселенной располагается множество сфер, на которых, считалось, находятся небесные тела: Луна, Меркурий, Венера, Солнце, Марс, Юпитер, Сатурн - неподвижные звезды. Все эти сферы должны были совершать суточное вращение вокруг Земли, а сферы Луны, Солнца и пяти планет – более сложное годичное движение. Эта система была названа геоцентрической, ибо в ее центре находилась Земля ( от греч. слова ge – Земля ). Геоцентрическая система до конца XVI в. была принята большинством ученых, но со временем она потерпела изменения.

IV. В своем первоначальном виде геоцентрическая система не давала возможности проводить расчеты положения Солнца, Луны и планет среди звезд. Вместе с тем достаточно точные знания об их взаимном расположении в разные времена года издавна были необходимы для практики. В некоторых странах, например в Египте и Месопотамии, плодородие почвы зависело от разлива рек, и нужно было достаточно точно предсказывать время начала и конца разлива и время сева. Наконец, люди верили, что расположение планет и звезд влияет на их судьбы, успех лечения болезней, доходность деловых операции, победу в войне и др. Все это, кроме чисто научных интересов, требовало разработки таблиц, с помощью которых можно было бы предсказывать расположение на небосводе планет, Луны и Солнца.

Александрийский ученый Клавдий Птолемей (примерно с 90 г. по 160 г.) обобщил все известные в Древней Греции и Риме сведения о движении небесных тел и предложил оригинальную теорию планетных движений, которая позволила производить расчеты с необходимой для практики точностью.

Он предположил, что планета обращается не вокруг Земли, а вокруг центра некоторой вспомогательной окружности – эпицикла. В свою очередь центр этого эпицикла обращается вокруг Земли по другой вспомогательной окружности – деференту.

Античные и современные исследования Земли.

Как измерили радиус Земли? На основании астрономических наблюдений древнегреческие ученые еще в IV в. до н. э. пришли к выводу, что Земля шарообразная. Придерживаясь этого вывода, Эратосфен, живший в Египте (276 – 194 гг. до н. э.) решил определить длину окружности земного шара. Идея Эратосфена состояла в том, что нужно было в один и тот же день (в полдень) в двух точках Земли, находящихся на юге и на севере Египта, измерить зенитное расстояние Солнца в градусах (см. рис. 4). Разность этих расстояний равна разности географических широт пунктов наблюдения. Далее нужно измерить расстояние между пунктами наблюдения. Поделив это расстояние на число градусов, можно определить длину части окружности Земли, приходящуюся на один градус, а далее легко определить и длину окружности Земли, и ее радиус.

Наивысшая точка на небосводе (на небесной сфере) называется зенитом. Если светило, например звезда, находится в зените, то она сияет прямо над головой наблюдателя. Угол между лучом, направленным из глаза наблюдателя на светило, и вертикальным направлением называется зенитным расстоянием светила. Для измерения зенитного расстояния Солнца Эратосфен изобрел специальный прибор – скафис.

Скафис представляет собой чашу в виде полусферы, на дне которой закреплен металлический стержень. На внутреннюю полость скафиса наносятся деления в градусах. Скафис устанавливают по отвесу так, чтобы стержень, направленный по радиусу сферы, занимал строго вертикальное положение, т. е. был направлен на зенит. На освещенной Солнцем внутренней полости скафиса должна быть тень, которую отбрасывает стержень. Дуга, измеряемая в градусах от основания стержня до конца тени, равна зенитному расстоянию Солнца.

Эратосфен жил в городе Александрия на севере Египта. От купцов и погонщиков верблюдов он знал, что на юге Египта в городе Сиена (ныне Асуан) Солнце в полдень 22 июня освещает дно глубоких колодцев и, следовательно, находится в зените. В полдень того же дня в Александрии по измерениям Эратосфена Солнце отстоит от зенита на 7° 12ґ=7,2°. Эратосфен также знал, что расстояние от Александрии до Сиены составляет 5000 греческих стадий. Обозначив через x длину окружности земного шара, он составил пропорцию, исходя из следующих соображений: длина окружности земного шара во столько раз больше расстояния между городами, во сколько раз 360° больше 7,2°:x/5000=360°/7,2°. Отсюда следует, что длина окружности земного шара равнялась 250 000 стадий.

Длина греческих стадий точно неизвестна, но расстояние между Александрией и Асуаном по современным измерениям составляет 800 км. Отсюда следует x/800=360°/7,2°. Следовательно, длина окружности земного шара получается равной 40 000 км.

В конце XVIII в. Французская Академия наук снарядила две экспедиции для проверки измерений Эратосфена и уточнения длины одного градуса дуги меридиана. Одна экспедиция работала в Финляндии и Швеции, вблизи Северного полярного круга, а другая – в Перу, в экваториальных широтах. Оказалось, что измерения Эратосфена в целом согласуются с полученными результатами.