История нашей планеты еще полна неразгаданных тайн. Но лик Земли был достаточно хорошо известен уже к концу эпохи Великих географических открытий. За первопроходцами, а иногда и вместе с ними, шли геологи. Находки окаменевших остатков фауны и флоры древнейших эпох вела исследователей все дальше вглубь времен. Становилось ясным, что в смене этих эпох огромная роль принадлежит мощным процессам в недрах планеты, и сегодня напоминающим о себе вулканами, и землетрясениями.
К началу нашего века большой популярностью пользовалась концепция об огненно-жидком состоянии первичной Земли. Казалось естественным, что остывание и сжатие планеты должны вести к складкообразованию на ее поверхности и появлению величественных горных хребтов. Были и возражения. Основная критика этой гипотезы началась после открытия радиоактивных элементов и установления важности нагрева земных недр вследствие распада урана и тория. Однако данных, собираемых лишь на поверхности Земли, было явно недостаточно для разрешения спора.
Геодезические и. гравиметрические измерения, первые шаги сейсмологии открыли эпоху геофизических исследований земного шара. Установление слоистого строения Земли, определение границ ядра и мантии, выявление разных типов коры показали мощь геофизических методов исследования. С развитием минералогии и петрологии, тонких методов химического анализа началось развитие геохимического направления. В 50-х годах прошлого века совокупность накопленных данных заставила отказаться от гипотезы огненно-жидкой первичной Земли.
Большой вклад в развитие идей о холодной первичной Земле внесли наши ученые — академики В. И. Вернадский и О. Ю. Шмидт. Шмидт, основатель советской школы планетной космогонии, высказал ряд глубоких идей о происхождении и первичном состоянии Земли и обосновал важность комплексного подхода к изучению её эволюции. В результате появления палеомагнитных методов исследования горных пород, измерений потоков тепла и газов из земных недр, становления океанологии и глобальной метеорологии возникла целая система наук о Земле.
С выходом в космос неизмеримо возросло количество данных о Земле и. других телах Солнечной системы. Прошлое Земли стало частью более общей проблемы происхождения и эволюции планет Солнечной системы. С развитием физико-химических методов изотопной геохронологии в науках о Земле появилась уникальная возможность проверить гипотезы о существовании и длительности отдельных эволюционных стадий, как в ходе развития Земли, так и на предшествующих этапах ее формирования в газопылевом облаке, вращавшемся около молодого Солнца.
Имя автора этой книги М. Озимы хорошо известно специалистам в области изотопной геохимии. Многие его идеи, касающиеся проблемы происхождения земной атмосферы и гидросферы путем дегазации из сформировавшейся Земли, представляют значительный интерес. Не все из них разделяются специалистами. Однако в ведущейся дискуссии к мнению М. Озимы, хорошо понимающего сложность экспериментальной работы с природными образцами, прислушиваются и его противники.
Теории эволюции Земли, то есть полного и непротиворечивого описания развития ядра и мантии Земли, океанической и континентальной коры, атмосферы, гидросферы и биосферы, пока еще не существует: Имеется несколько направлений и школ, возглавляемых ведущими специалистами в области геофизики, геохимии и геологии. Сложность возникающих проблем, неоднозначность трактовки уже добытых фактов пока не позволяют соединить в единой картине данные, полученные при' различных подходах.
Книга М. Озимы «История Земли» посвящена в основном изложению позиции автора и является как бы серией очерков, объединенных общей идеей о взаимосвязи, развития отдельных оболочек Земли и о взаимодействии методов исследования их состояния и эволюции. Далеко не всем идеям и. фактам, имеющимся в распоряжении наук о Земле, уделено так много места, как наиболее близким автору методам и результатам изотопной геохронологии. Однако живой и увлекательный рассказ о них, как бы приглашающий читателя в творческую лабораторию ученого, будет, несомненно, с интересом воспринят широким кругом читателей.
Необычен и способ подачи материала. Автор отказался от исторического, хронологического изложения в описании стадий развития Земли. К некоторым вопросам М. Озима возвращается в следующих разделах, освещая их под другим углом. Встречающиеся повторы не утомительны и позволяют увидеть вопрос с новой стороны, в окружении новых факторов, последовательное перечисление которых в одном месте могло бы иногда вызвать скуку. В ряде глав автор шел на сознательное упрощение сути вопроса.
В книге не нашлось также места многим новым фактам, волнующим сейчас специалистов. Не всегда упоминаются идеи, не разделяемые автором. Чтобы читатель мог полнее ознакомиться с такими вопросами, в конце этого предисловия перечислена дополнительная литература. К сожалению, в книге М. Озимы почти не нашли отражения многие результаты советских авторов. Не отмечена важность идей академика В. И. Вернадского, предвосхитившего многие из современных геохимических и космохимических подходов, работы академика А. П. Виноградова и его сотрудников, результаты советских космических экспедиций на Луну и Венеру.
Однако все это никак не умаляет достоинства книги, тем более что при необходимости текст сопровождается соответствующими примечаниями о вкладе советских ученых. Кроме того, теория происхождения и развития Земли еще не закончена, в связи, с чем весьма полезным является знакомство с результатами, полученными учеными разных направлений и шкал. Это понимают все специалисты, в том числе и автор книги, который уже после ее написания, осенью 1981 года, побывал в Советском Союзе и выступил с докладом в Институте геохимии и аналитической химии. АН СССР им. В. И. Вернадского в Москве.
Зародившаяся на Hatuux глазах новая дисциплина, сравнительная планетология* помогает глубже понять общие принципы развития планет Солнечной системы и в то же время уникальность нашей Земли. Ясно, что способ образования и начальное состояние планеты во многом определили ее последующее развитие. Работы Хаяши, о которых с таким уважением пишет М. Озима, развивают один из вариантов теории происхождения планет, основанной на идеях О. Ю. Шмидта. Поэтому стоит сказать более подробно о современном состоянии теории происхождения Земли и планет.
Предпочтительную модель происхождения Солнечной системы, не противоречащую известным в настоящее время фактическим данным и объясняющую их наиболее естественным путем, можно кратко описать следующим образом. Солнце и планеты образовались в едином процессе в результате сжатия (коллапса) прото-солнечной туманности, состоявшей на 98— 99% из газа, обладавшей относительно медленным вращением и имевшей массу, лишь немного превышающую массу Солнца.
При сжатии протосолнечной туманности сначала образовалось более плотное горячее ядро. Затем вследствие неустойчивости на краю ядра, в его экваториальной плоскости, отделилось небольшое количество вещества, из которого сформировалось уплощенное газопылевое облако — диск. Вещество, продолжавшее падать на диск, способствовало разрастанию диска до размеров, близких к размерам современной планетной системы. Ядро, от которого передавался вращательный момент, сжавшись, превратилось в Солнце. Согласно расчетам, проведенным учеными разных стран, эта стадия протекала в течение одного миллиона лет.
В возникшем допланетном диске пылевые частицы опускались сквозь газ к центральной плоскости, образовав обогащенный пылью слой. Было показано, что такой слой гравитационно неустойчив и должен распасться на множество пылевых сгущений. Объединяясь при столкновениях, сгущения сжимались и превращались в сплошные твердые тела поперечником порядка 10 километров в зоне планет земной группы. Продолжительность этой стадии была не более ста тысяч лет.
Далее последовала
более длительная эволюция роя допланетных тел. Относительные скорости тел
определялись их гравитационными возмущениями при сближениях и первоначально
были малы. Тела при столкновениях преимущественно объединялись. При этом
скорости тел, согласно расчетам, росли пропорционально радиусу крупнейших тел.
Когда последние достигли размеров Луны, скорости увеличивались почти до одного
километра в секунду и тела стали дробиться при соударениях. Большие тела своим
тяготением удерживали осколки и продолжали расти, присоединяя к себе другие.
Так возник широкий спектр размеров — от характерных для крупных тел до
свойственных малым частицам.
Эти результаты теоретических исследований подтверждаются данными о распределении тел в поясе астероидов и статистикой кратеров на Луне, Меркурии, у отдельных спутников Юпитера, поверхность которых еще сохраняет память о заключительных этапах аккумуляции. Самые крупные тела росли относительно быстрее других и стали, зародышами будущих планет. Они эффективно поглощали вещество, оказывавшееся на их пути. При этом расширялись их зоны питания и гравитационного влияния, им становилось тесно, и меньшие из них превращались из поглощающих в поглощаемые.
К концу этого процесса осталось всего лишь 9 больших планет, отстоящих одна от другой на таких расстояниях, что их движение оставалось устойчивым на протяжении миллиардов лет. В зоне Земли процесс аккумуляции тел в планету длился около 100 миллионов лет. Под действием корпускулярного «ветра» и коротковолнового излучения молодого Солнца газ из зоны Земли был удален за время около 10 миллионов лет, поэтому заключительная стадия ее роста протекала, по-видимому, в отсутствие газа. Но в зонах Юпитера и Сатурна газ задерживался дольше, и достаточно массивные твердые ядра этих планет (согласно оценкам разных авторов, начальные массы этих ядер были порядка 3—5 масс Земли) присоединяли к себе оставшийся газ.
Образование малых тел Солнечной системы явилось побочным продуктом основного процесса образования планет. Во время аккумуляции, планет вокруг некоторых из них образовались спутниковые рои — в результате захвата своим гравитационным полем частиц, подвергшихся неупругим столкновениям в их окрестностях. Аккумуляция спутников в этих роях протекала аналогично аккумуляции самих планет. В зонах планет-гигантов скорости тел были настолько большими, что часть тел была выброшена из Солнечной системы, а часть оказалась на далекой периферии, образовав так называемое кометное облако Оорта.
В зоне астероидов процесс формирования планеты был прерван более крупными телами, залетавшими из зоны Юпитера. Сталкиваясь с астероидами, эти тела захватывали с собой преобладающую часть астероидов, а при сближении с оставшимися они увеличивали их относительные скорости своими гравитационными возмущениями. В результате столкновения между астероидами стали сопровождаться не объединением их, а дроблением.
Падающие на Землю метеориты являются преимущественно продуктами дробления астероидов. В ходе аккумуляции планет первичное вещество проходило сложную ударную переработку, и падающие сегодня метеориты несут на себе следы этого процесса. Разница в возрастах затвердевания метеоритов, измеряемая изотопными методами, составляет десятки миллионов лет, подтверждая шкалу времени аккумуляции, получающуюся при моделировании процесса на ЭВМ.
Основным фактором, определившим начальное состояние Земли, были, размеры тел, из которых она формировалась. Чем крупнее были падавшие тела, тем эффективнее они нагревали Землю. Расчеты показали, что начальная температура центральных областей Земли составляла около 1500 К, то есть была в несколько раз ниже температур плавления для этих глубин. Но по мере роста Земли верхняя ее оболочка нагревалась сильнее, и температура на глубинах 100—1000 километров могла приближаться к температуре плавления. Разрушение падавших тел приводило к выделению воды и газов, составивших первичные атмосферу и гидросферу. Наиболее крупные тела, упавшие на Землю, создали в ней значительные термические и химические неоднородности, простиравшиеся на тысячи километров, несомненно, оказав существенное влияние на характер ранней эволюции.
В работах школы Хаяши процесс образования планет тоже моделируется на основе идеи об их аккумуляции из твердых тел и частиц. Отличие же состоит в следующем. Японские ученые полагают, что в течение всего процесса роста Земля оставалась окруженной газом первичной туманности, который, по их мнению, улетучился значительно позднее. Они нашли, что при таких условиях и начальное состояние Земли должно быть совсем другим — вокруг нее должна была образоваться мощная (в 2000 раз массивнее современной) непрозрачная первичная атмосфера, из-за которой температура поверхности Земли на этой стадии должна была превышать 4000 К.
При этом возникают значительные трудности с последующим «удалением» такой гигантской атмосферы с помощью солнечного ветра или ультрафиолетового излучения Солнца. Японские ученые полагают, что эта первичная атмосфера была удалена впервые 500 миллионов лет жизни Земли.
Однако недавние наблюдения молодых звезд солнечного спектрального класса указывают, что необходимые интенсивности (на порядки большие современных) солнечного ветра и коротковолнового излучения присущи лишь самым ранним стадиям развития звезды — в первые десятки миллионов лет ее жизни. Образцы лунного реголита, хранящие память о первых миллиардах лет Солнечной системы, также свидетельствую? лишь о пятикратном увеличении мощности солнечного ветра в ту эпоху.
Таким образом, идея массивной атмосферы на Земле не поддерживается современными астрофизическими данными. Неясно также, как согласовать столь высокую температуру Земли, получающуюся в такой модели, с данными наук о Земле. Как указывают исследования, проведенные членом-корреспондентом АН СССР А. И. Тугариновым, вряд ли можно сомневаться в существовании водных бассейнов (хотя бы и не столь обширных, как сейчас) уже в первые сотни миллионов лет жизни Земли.
Из недавних публикаций, посвященных эволюции земных оболочек, необходимо отметить книгу члена-корреспондента АН СССР А. С. Монина, имеющую то же название — «История Земли», в ряде аспектов более полно описывающую систему фактов, гипотез и теорий, связанных с современными представлениями об эволюции Земли. Читатель, ознакомившийся с этими работами, увидит, что многие факты еще трактуются по-разному, ряд основных проблем пока далек от окончательного решения. До сих пор идет спор о времени возникновения ядра Земли, способе его формирования. Не вполне ясны вопросы о составе и мощности первичных атмосферы и гидросферы, их эволюции, со временем, связи коры материков, формирующейся на протяжении миллиардов лет, со значительно более молодой океанической корой.
Необходимость прогресса в разрешении этих вопросов диктуется и некоторыми практическими потребностями. Так, например, М. Озима как одно из практических следствий результатов, полученных при исследованиях океанического дна, выделил проблему захоронения радиоактивных отходов атомной энергетики. Однако хотя сама по себе это и очень важная задача, но вариант захоронения радиоактивных отходов в глубинах океана, не подвластных оперативному вмешательству человека, чреват опасностью заражения окружающей среды. Известны опыты с металлическими контейнерами, быстро разрушающимися в активной водной среде, инциденты с внезапным и неконтролируемым распространением радиоизотопов при случайной утечке.
Все это говорит против поспешных выводов и. рекомендаций и еще раз напоминает о необходимости комплексного подхода к данной проблеме.
На очереди стоят и другие практические задачи, воплощение в жизнь которых вряд ли мыслимо без существенного прогресса в решении фундаментальных проблем наук о Земле. Знание движущих сил тектонических процессов будет способствовать более уверенному прогнозу, а может быть, и предотвращению землетрясений. Поиск полезных ископаемых нуждается в более полной теории эволюции верхних оболочек Земли. Без понимания общих закономерностей формирования климата сложно оценить последствия вмешательства человека в окружающий ландшафт, водную и воздушную оболочки нашей планеты.
Ввиду сложности перечисленных проблем трудно ожидать их решения уже в ближайшие годы. Без сомнения, что для этого требуется широкое обсуждение их специалистами разных направлений и школ. Можно надеяться, что геологи, геохимики и геофизики с интересом прочтут «Историю Земли» М. Озимы. В еще большей степени книга будет полезна молодым читателям, выбирающим или осваивающим профессию в сфере наук о Земле.