Земля

Земля - это родной мир человеческого вида и всех известных форм жизни. Это также, пожалуй, самая уникальная планета, о которой мы знаем. Он не только является домом для жизни, но и обладает довольно странной атмосферой и поверхностью, покрытой жидкой водой. Если смотреть из космоса, Земля выделяется как оазис на фоне бескрайней пустоты космоса.

Земля - пятая по величине планета Солнечной системы и самый большой из внутренних скалистых миров. Диаметр Земли составляет 7 926 миль (12 756 километров). Он находится на расстоянии 93 миллионов миль (150 миллионов километров) от Солнца, или того, что астрономы называют астрономической единицей. Средняя температура поверхности на Земле составляет умеренные 59 градусов по Фаренгейту (15 градусов по Цельсию), что допускает существование жидкой воды на поверхности. Ускорение, обусловленное гравитационной силой Земли, составляет 9,81 м / с ^ 2 (32,2 фута / с ^ 2), что означает, что объекты будут падать со скоростью 9.81 метр за каждую секунду, которую они сбрасывают. Атмосфера Земли в основном состоит из азота и кислорода, причем азот составляет 78% атмосферы, а кислород - 21%. Оставшийся 1% представляет собой комбинацию нескольких других элементов и соединений, наиболее заметными из которых являются аргон, диоксид углерода, водяной пар и метан.

Образование Земли

Земля образовалась 4,5 миллиарда лет назад, вскоре после рождения Солнца. Из звездной пыли, которая создала Солнце, возник огромный материальный диск, называемый протопланетным диском. Газ и пыль постепенно сливались вместе внутри этого диска, образуя небольшие объекты, называемые планетезималями. По размеру планетезималь похожа на астероид или комету, но по своему составу напоминает миниатюрную планету. За миллионы лет достаточное количество планетезималей объединится, чтобы сформировать небольшую планету. По мере того как планета становится все более массивной, ее гравитационное притяжение усиливается, позволяя формирующейся планете приносить больше материала и становиться еще больше. Процесс становится экспоненциальным до тех пор, пока не останется больше материала для сбора и не родится планета. Вероятно, именно так сформировалась Земля.

После того, как Земля стала планетой, это была очень суровая окружающая среда. На поверхности не было воды, в атмосфере не было кислорода, и жизнь еще не зародилась. В течение первых нескольких сотен миллионов лет Земля была покрыта магмой, постоянно происходили извержения вулканов. Астероиды все еще постоянно бомбардировали поверхность в эпоху, известную как Поздняя тяжелая бомбардировка. Однако Земле не потребовалось много времени, чтобы стать пригодной для жизни. Самые ранние свидетельства существования жизни указывают на то, что она возникла от четырех до трех миллиардов лет назад. Самые ранние конкретные свидетельства существования живых организмов указывают на их существование во время поздней тяжелой бомбардировки. Условия, необходимые для эволюции жизни, появились вскоре после образования самой Земли.

Образование Луны

Луна образовалась вскоре после Земли: около 4,5 миллиардов лет назад. На протяжении десятилетий образование Луны оставалось загадкой для астрономов. Хотя может показаться, что это не так, наша луна очень уникальна среди миров нашей солнечной системы. По сравнению с размерами планеты, на которой она вращается, наша луна является самой большой в Солнечной системе. Земля также является единственным скалистым миром в Солнечной системе, обладающим своей большой луной. Ни у Меркурия, ни у Венеры нет спутников, а спутники Марса крошечные по сравнению с нашей Луной. Возможно, Луна была еще одной формирующейся планетой, которая случайно попала в плен земной гравитации. Возможно, он просто образовался из планетарных обломков на орбите. Астрономы десятилетиями обсуждали эти и другие вопросы. Когда астронавты наконец прибыли на поверхность Луны в конце 1960-х и начале 1970-х годов, астрономы нашли убедительные доказательства происхождения Луны. Лунные образцы, доставленные на Землю, показали удивительный химический состав. Хотя лунные породы были другими, они имели поразительное сходство с земными породами. Это заставило астрономов взглянуть на захватывающую, но несколько диковинную теорию.

Луна, вероятно, образовалась во время планетарного столкновения, когда планета размером с Марс под названием Тейя столкнулась с Землей около 4,5 миллиардов лет назад. Столкновение между этими планетами привело бы к выбросу на орбиту огромного количества обломков из обоих миров. Луна содержит породы, похожие на земные породы, и другие, которые отличаются от них. Это говорит о том, что в результате столкновения на орбиту были выброшены обломки как с Земли, так и с Тейи. Со временем эти обломки начали сливаться в нашу Луну.

Океаны

Если смотреть из космоса, то самой поразительной особенностью Земли являются ее обширные океаны. Земля уникальна тем, что это единственный известный мир, который обладает океанами жидкой воды. Земле посчастливилось вращаться в пределах обитаемой зоны Солнца, области вокруг Солнца, где при надлежащих условиях вода может существовать в жидкой форме. Однако местоположение - это еще не все. Земля должна была откуда-то брать свою воду. Кометы и астероиды, вероятно, обеспечили Землю частью ее воды. Тем не менее, имеющиеся данные свидетельствуют о том, что одних только комет и астероидов было бы недостаточно, чтобы обеспечить Землю тем количеством воды, которое она содержит. Кроме того, исследования комет подтвердили, что их вода немного отличается от воды на Земле, так что, вероятно, имели место множественные процессы, которые привели к тому, что на Земле было так много воды. Также возможно, что большая часть земной воды всегда была здесь и была просто частью материала, из которого образовалась Земля.

Возможно, вода всегда была частью Земли, но в какой момент она стала жидкой и образовала океаны? Некоторые из древнейших известных пород на Земле имеют явные признаки жидкой воды, и поэтому на поверхности Земли жидкость могла быть уже четыре миллиарда лет назад. Большая часть этой жидкой воды, вероятно, была в виде мелководных морей и прудов. Около 3,8 миллиарда лет назад Земля достаточно остыла, чтобы образовались первые океаны.

Сегодня вода покрывает около 70% поверхности Земли, причем подавляющее большинство этой воды принадлежит одному из многочисленных океанов Земли.

Циклы

В течение многих сотен миллионов лет каждый камень на Земле будет перерабатываться в процессе, называемом каменным циклом. Все начинается с вулканической породы. Вулканы - это туннели, ведущие в расплавленные недра Земли, где горная порода расплавляется, образуя магму. Когда вулкан извергается, магма выходит на поверхность и затвердевает, образуя магматическую породу. Естественные процессы разрушают эту породу, образуя осадочные породы в течение многих миллионов лет. Если осадок погребается под огромным давлением, он цементируется и образует осадочную породу. Если эту осадочную породу закопать и нагреть до экстремальных температур, она превратится в метаморфическую породу. Если метаморфическая порода погребена и расплавлена, она превращается в магму, и процесс возобновляется. Интересно, что любой тип камня может стать любым другим типом, пропустив этот процесс. Например, осадочные породы могут плавиться, а затем затвердевать, образуя магматические породы, или метаморфические породы могут разрушаться и превращаться в осадочные породы. Каждый камень, с которым вы когда-либо сталкивались, был магмой, которая затвердела, превратившись в магматическую породу в какой-то момент в прошлом. Со временем все горные породы на Земле перерабатываются. Большая часть захоронений происходит в зонах субдукции, где горная порода возвращается в недра Земли только для того, чтобы высвободиться в результате извержения вулкана и перезапустить цикл горных пород. На континентах горные породы размываются либо ветром, либо водой и в конечном итоге переносятся в регионы, где в один прекрасный день они окажутся в зоне субдукции. Поскольку возраст Земли составляет 4,5 миллиарда лет, каждый камень, который вы когда-либо видели, прошел весь цикл образования горных пород. В следующий раз, когда вы будете подбирать камень или пинать его по улице, подумайте о том, что материал, из которого состоит этот камень, когда-то находился глубоко внутри нашей планеты в какой-то момент в далеком прошлом.

За последние 4,5 миллиарда лет на Земле произошел ряд различных циклов, в ходе которых происходит переработка материала, содержащегося в нашем мире. Поскольку Земля представляет собой замкнутую систему, природа изобрела несколько способов обеспечить, чтобы общее количество вещества оставалось относительно постоянным с течением времени. Если бы не эти циклы, жизнь на Земле не смогла бы существовать, поскольку ресурсы Земли были бы быстро израсходованы. Из всех этих циклов два всегда казались мне ошеломляющими и невероятно увлекательными: углеродный и водный циклы.

Круговорот воды интересен тем, что мы можем наблюдать его в нашей повседневной жизни. В жаркий день мы можем видеть, как испаряется вода. В дождливый день мы видим, как тот же самый водопад возвращается на поверхность. С течением времени общее количество воды на Земле оставалось относительно постоянным. Когда летом температура повышается, вода испаряется в атмосферу, образуя облака. В конце концов, давление в атмосфере повышается вместе со всем этим дополнительным содержанием воды и падает обратно на поверхность в виде дождя или снега. Когда температура снова повышается, процесс повторяется. Жизнь даже добавила свои факторы в круговорот воды. Растения и животные используют воду для выживания, и растения даже выделяют часть этой воды обратно в атмосферу через испарение. В конце концов, вся земная вода будет переработана и возвращена обратно. На самом деле, вы, скорее всего, пили воду, которая когда-то проходила через мочевой пузырь динозавра. Каждый раз, когда вы наполняете чашку водой, каждая молекула воды в этой чашке была переработана за последние несколько миллиардов лет. В каждой чашке воды содержится долгая история того, где побывали эти молекулы, чтобы в конце концов добраться до вас.

Большая часть углерода Земли хранится в горных породах, но как он туда попадает и как высвобождается? Именно здесь мы находим связь между круговоротом воды и углерода. Когда идет дождь, углекислый газ растворяется в дождевой воде. Когда этот дождь падает на камни, капли дождя могут впитаться в мелкие трещины и расщелины скал. Вместе с водой в породе накапливается и углерод. В течение многих лет эти породы разрушаются, и углерод возвращается в окружающую среду. Предметы, которые поглощают углерод, такие как горные породы, называются поглотителями углерода, и они помогают поддерживать достаточно постоянное количество углерода в атмосфере. Помимо горных пород, еще одним крупным поглотителем углерода являются океаны. Углекислый газ также может поглощаться океанами, что помогает стабилизировать парниковый эффект Земли. Леса являются еще одним крупным поглотителем углерода, в котором деревья и другие растения поглощают углекислый газ из атмосферы для производства своей энергии. Когда деревья умирают, этот углерод возвращается в Землю. Как и вода, каждый атом углерода, даже тот углерод, который составляет большую часть вашего тела, вероятно, прошел через углеродный цикл несколько раз. Углерод, из которого вы сделаны, возможно, когда-то использовался при создании динозавра, или, возможно, он когда-то был поглощен скалами или океаном. Внутри каждого из нас лежит история нашего мира.

Тектоника плит

Когда вы смотрите на карту Земли, возможно, вы заметили, что все континенты выглядят почти как кусочки головоломки. Если бы вы могли перемещать континенты, они бы очень хорошо сочетались друг с другом. Это не просто чистое совпадение. Много миллионов лет назад все массивы суши на Земле были объединены в суперконтинент Пангея. Если бы вы могли перенестись назад во времени более чем на 200 миллионов лет назад, вы бы не увидели множества континентов, разбросанных по всей Земле. Вместо этого вы увидите один континент, окруженный гигантским уникальным океаном. Мир прошлого чужд нам; сама поверхность нашей планеты неузнаваема. Как мы оказались там, где находимся сегодня, с семью континентами, разделенными теперь по всей поверхности Земли? На протяжении многих миллионов лет сами континенты перемещались по поверхности в рамках процесса, называемого тектоникой плит.

Чтобы понять тектонику плит, мы должны сначала совершить путешествие по внутренним слоям нашего мира. Мы, люди, наряду со всеми другими формами жизни, находимся на внешней поверхности земной коры. Несмотря на то, что земная кора является самым значительным слоем в нашей повседневной жизни, она составляет чрезвычайно крошечный процент Земли. В среднем толщина земной коры на континентах составляет 30 км. В океанах она еще тоньше и составляет в среднем всего 5 км в толщину. По сравнению с общим объемом нашей планеты кора составляет менее 1% от общего объема Земли. Если бы Земля была размером с яблоко, кора была бы толщиной всего лишь с кожуру яблока. Об этом действительно стоит поразмыслить. Каждое событие в истории жизни на Земле происходило на этом крошечном слое породы. То, что происходит под корой, отвечает за то, что происходит с корой с течением времени. Если бы вы могли путешествовать под земной корой, вы бы вошли в слой Земли, называемый литосферой.

Под земной корой давление и температура намного выше, чем наверху, хотя они недостаточно высоки, чтобы полностью расплавить породу с образованием магмы. Вместо этого порода под земной корой более пластична и податлива, что-то вроде высоковязкой зубной пасты. На протяжении миллионов лет эта эластичная форма породы течет и движется. В литосфере горная порода может течь с течением времени, хотя она все еще слишком плотная, чтобы это происходило эффективно. Ниже литосферы мы сталкиваемся с астеносферой. Здесь температура и давление могут частично расплавить породу и позволить ей течь и перемещаться гораздо легче, чем в литосфере. Астеносфера - это то, что заставляет земную кору смещаться с течением времени. Текучая порода буквально несет землю над собой, перемещая ее, как конвейерную ленту. Литосфера и астеносфера составляют большую часть того, что мы знаем как мантию Земли: слой частично расплавленной породы, который достигает 2900 км вглубь Земли.

Под мантией находится внешнее ядро. Здесь температура превышает температуру поверхности Солнца, что позволяет таким металлам, как железо и никель, существовать в жидкой форме. Под внешним ядром находится самый загадочный слой нашего мира - внутреннее ядро. Хотя температура во внутреннем ядре выше, чем во внешнем, огромное давление не дает железу и никелю превратиться в жидкость. Вместо этого ядро Земли представляет собой вращающийся шар из твердого железа и никеля. Движение железа в ядре Земли создает магнитное поле, которое окружает наш мир, защищая нас от смертоносной радиации, исходящей как от солнца, так и от межзвездного пространства.

Формирование и эволюция жизни

История жизни на Земле - это история испытаний и перемен. Самые ранние конкретные свидетельства существования жизни указывают на ее возникновение около 3,5 миллиардов лет назад. Тем не менее, некоторые косвенные свидетельства уходят своими корнями еще дальше, примерно на 4,2-4 миллиарда лет назад (косвенные доказательства представлены в виде химических доказательств, а не окаменелостей). Мы знаем, что в какой-то момент за последние 4 миллиарда лет произошло нечто, в результате чего жизни не было, а потом она появилась. Интересно, что даже если мы возьмем только конкретные ископаемые свидетельства жизни 3.5 миллиардов лет назад жизнь, по-видимому, возникла в суровых условиях. В то время Земля не была тем пригодным для жизни оазисом, в котором мы находимся сегодня. Вместо этого температура была намного выше, в атмосфере практически не было кислорода, а астероиды падали на Землю с гораздо большей скоростью, чем сегодня. Несмотря на эти адские условия, жизнь возникла и начала развиваться. Многое из того, что произошло в тот момент, когда началась жизнь, остается загадкой. Как неживые химические вещества эволюционировали в жизнь? При каких условиях это произошло? Случалось ли это более одного раза? На данный момент у науки нет окончательного ответа ни на один из этих вопросов. Тем не менее, наше непонимание и готовность признать наши интеллектуальные ограничения являются частью того, что делает науку такой уникальной. Нам не нужно притворяться, что мы что-то знаем; мы должны просто продолжать искать и следовать за доказательствами, куда бы они ни вели.

Чтобы выяснить, с чего могла начаться жизнь, мы должны обратить внимание на три вещи. Во-первых, присутствовали ли правильные химические вещества? Во-вторых, был ли достаточный запас энергии для приведения в действие химических реакций и их протекания? В-третьих, присутствовала ли вода? К счастью, на молодой Земле было множество мест, где соблюдались эти три условия. Во-первых, правильные химические вещества, в частности, включают органические вещества, все они в основном основаны на углероде. Углерод образует основу всей жизни на Земле, потому что он может образовывать огромное разнообразие молекул, вытекающих из того факта, что этот углерод может образовывать сразу четыре ковалентные связи, что делает его фантастическим элементом для использования в химических реакциях. Все органические соединения основаны на углероде и его способности образовывать ковалентные связи. К счастью, на молодой Земле не было недостатка в органических молекулах. Во-вторых, энергия для ускорения реакций могла поступать в виде молний в атмосфере Земли или из гидротермальных источников на дне океана. В-третьих, реакция нуждается в растворителе, чтобы все перемешать, чтобы реакция зародилась. Вода действительно является универсальным растворителем, обладающим способностью растворять практически все, что угодно, при наличии достаточного времени. Удивительная способность воды быть таким сильным растворителем обусловлена ее сильной полярностью как молекулы. Вода состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода, причем водород имеет положительный заряд, а кислород - отрицательный. Это делает воду своим собственным магнитом, позволяя ей растворять и смешивать многие другие химические вещества. Первые океаны на Земле появились около 3,8 миллиарда лет назад, так что недостатка в воде на Земле не было.

Когда речь заходит о том, где зародилась жизнь, есть две ведущие идеи. Во-первых, жизнь возникла у поверхности в небольших бассейнах с жидкой водой и органикой. В этом сценарии молния в атмосфере Земли давала энергию, необходимую для запуска и продолжения реакции. Во-вторых, и это, пожалуй, ведущая в настоящее время теория происхождения жизни, жизнь возникла на дне океана в гидротермальных источниках и вокруг них. Внутреннее тепло Земли питает гидротермальные источники, которые очень богаты органикой. Даже сегодня на дне земных океанов гидротермальные источники представляют собой оазис для организмов, живущих в мире тьмы. Интересно, что гидротермальные источники решили бы многие проблемы, связанные с происхождением жизни, в частности наблюдение, что жизнь все еще появлялась относительно быстро после того, как Земля стала даже отдаленно пригодной для жизни, несмотря на такие экстремальные условия на поверхности. Если жизнь зародилась под океанами вблизи гидротермальных источников, не обязательно имело значение, насколько суровыми были условия на поверхности, потому что жизнь не подвергалась их воздействию.

Информационный бюллетень о Земле

Это интересно:

Вода и лед весят одинаково?

Вращается ли Солнце вокруг Юпитера?

Вращается ли Солнце вокруг чего-нибудь?