Как се е образувала Земята и нейният спътник - Луната

Процесът акреция е първата стъпка към образуването на нашата планета.

Въз основа на анализ на метеорити и лунна почва, възрастта на Земята се оценява на 4.5-4.6 милиарда години или по-точно на 4567 милиона години. Формирана е от материал (газове и по-тежки елементи) от протооблака на Слънчевата система, останал неизползван след образуването на самото Слънце. (виж Произходът на Слънчевата система).

Чрез процесите кондензация, коагулация и акреция, по-малките фрагменти се втвърдяват, присъединяват се един към друг, слепват се за да станат по-големи фрагменти, които оформят т.нар. планетезимали или протопланети от няколко десетки километра в диаметър.

Сред тях е имало едно важно за нас натрупване на материя на около 150 милиона километра от Слънцето - Земята.

Летоброенето

В геологията са приети следните имена на времевите интервали: еон, ера, период, епоха. Най-големият  геохроноложки период е еонът. Еонът до преди 4,6 млрд г. е периодът на образуване на Земята - Хаос. Еонът от 4,6 млрд г. до преди 3,9 млрд г. се нарича Хадей на името на древногръцкият бог на подземното царство - Хадес, защото Земята по онова време е напомняла скучните му владения.

Земята е пуста, студена и еднообразна

В началото, Земята е съставена от сравнително еднородна смес от тежки и леки елементи, които вероятно са се натрупвали на части, без някакъв определен ред. Не е имало нито ядро, нито земна кора.

Веднага след образуването си, нашата планета била сравнително хладно космическо тяло. Най-новите данни сочат, че температурата е била средно 0° и дори в недрата си никъде не достигала точката на топене на веществата, които я съставят.

Небето е било почти безоблачно, черно, защото атмосферата е била много разредена. Температурната разлика между деня и нощта достигала около 50° C.

Ландшафт

Отпечатъкът на първата стъпка, оставен върху лунен риголит. Снимка: НАСА

По онова време, Земята е изглеждала като огромна негостоприемна пустиня и никак не напомнялана това, което виждаме днес. 

Пейзажът е бил насечен от контурите на остри планински върхове със стръмни склонове, дълбоки долини, още незасегнат от ерозията на дъждове, реки и вятър. Някои твърдят, че назъбеният релеф бил изглаждан от интензивни приливни земетресения.

Повърхността на нашата планета била осеяна с кратери, подобни на лунните, от разбиващите се небесни тела, всичко било покрито с монотонно тъмносив дебел слой реголит. (Реголитът е прахообразен материал, който се среща и днес на Земята, а Луната е изцяло покрита с него.)

В началото не е имало нито атмосфера, нито хидросфера

Първоначално атмосферата е била много рядка и нямало почти никакъв вятър. По това време не е имало вулкани, които да изхвърлят лава, не е имало фонтани с водни пари и газове. Земята е била без океани, морета, без реки или ледници, все още изобщо не съществували атмосфера и хидросфера. В интерес на истината, повърхността е изпускала водна пара, но само след части от секундата е била поглъщана от порестия реголит.

В материала, от който е създадена Земята, е имало големи количества вода, но водните молекули се откъсвали с лекота от земната гравитация - по онова време тя е била по-слаба отколкото днес. Водородът и хелият непрекъснато изтичали в космоса.

Образуване на земното ядро и мантията на Земята

По-късно започва гравитационната диференциация на материала, съставящ планетата: тежките съединения (желязо) ще потъват към центъра на планетата, а леките (силиций) – ще изплуват към повърхността й. Така строежът й се оформя с метално, най-вече желязно ядро и скалиста силикатна мантия. По изчисления на геофизиците, при този процес се отделя чудовищна енергия 4 ·10³⁰ калории (еквивалентно на трилион пъти ядрените запаси на Земята). Това е напълно достатъчно за да се нагрее поначало студената Земя до почти разтопено състояние.

Море от магма и разтопени метали

Има три причини Земята да е толкова гореща:

• гравитационната диференциация, причина за сеизмичната и вулканичната активност,
• честите сблъсъци с други тела
• радиоактивен разпад, които е бил много повече, отколкото днес.

Земята е светела като неярка звезда.

И така, в началото си, Земята е била буквално море от магма и разтопени метали. Все пак, в един момент външният слой на планетата се охлажда и се превръща в кора. Ако съставът на мантията е предимно силикати, богат на желязо и магнезий, подобен на състава на каменните метеорити и лунните скали, то кората е по-богата на силициев диоксид с малки количества от желязо и магнезий.

Минералите в скалите на земната кора обикновено имат по-ниска плътност и по-ниски температури на топене от скалите на мантията. Скалите на земната кора са образувани от частично разтопяване на скалите на мантията като по-леките като кварцовите скали са изплували в по-горните слоеве.

Магмата е по-малко плътна от скалите, от които е разтопена, затова се издига на повърхността, охлажда се и кристализира. Този процес е протичал бавно и преди 4.4 млрд години, след като Земята се охлажда достатъчно, че се образува континентална кора от богати на силиций скали.

Според сегашните представи, по онова време всичко било покрито с дебел слой разтопена лава. Непрестанно изригвали вулкани, а повърхността на планетата ни е бомбардирана от метеорити и комети. Плътната атмосфера от метан, амоняк и водни пари била раздирана от страховити бури. Тя бавно се охлаждала, образувайки океани, които били отначало много горещи, а след това топли.

Атмосфера

Първата атмосфера на Земята се е състояла от газове (водород и хелий) на протооблака, образувал Слънчевата система. Освен тях, вероятно е имало и прости хидриди - вода пара, метан и амоняк - като тези, които има и сега  в газовите гиганти като Юпитер и Сатурн. Днес съдържанието на тези леки, летливи вещества (съединения на водорода, въглерода и азота) на Земята като цяло е много малко – примерно милион пъти по-малко, отколкото в космоса. Причината за това е, че тези леки вещества, се нагряват и са прогонени от слънчевия вятър, така, че атмосферата е трябвало да се създаде отново. 

Всички елементи на бъдещата атмосфера и хидросфера на Земята са били в свързан вид, в състава на твърди вещества: водата – в хидроокиси, азота – в нитриди и в нитрати, кислорода – в метални окиси, въглерода – в графит, карбиди и карбонати. Съгласно съвременните представи, атмосферата и хидросферата са възникнали в резултат на дегазация на магмата, изливаща се при вулканични процеси от горната мантия и създаваща земната кора.

Съвременните вулканични газове се състоят от около 75% вода, 15% – въглеродни окиси, а остатъка – метан, амоняк, съединения на сярата (H₂S и SO₂), “кисели пушеци” (HCl, HF, HBr, HJ), а също и инертни газове; свободен кислород напълно липсва. Подобен е бил състава и в най-ранния етап от развитието на Земята, което е било потвърдено и от изследването на газовите мехурчета в най-древните (архайски) кварцити от Алданския щит.

Счита се, че първичната атмосфера се състояла предимно от амоняк, вода, метан, окиси и двуокиси на въглерода. Отсъствието на кислорода й придавало възстановителни свойства. В такива условия органичните вещества можели да се създават по-просто и можели да се запазват дълго време.

Заради по-голямата си маса (в сравнение с Меркурий, Марс, Венера) Земята е успяла да задържи достатъчно от отделящите се от недрата й газове и водна пара, за да се формира плътна атмосфера и хидросфера. Тази атмосфера e имала едно важно свойство – парниковия ефект. Благодарение на него, земната повърхност се e защитила от въздействията от космоса (силно охлаждане, ултравиолетовата радиация на Слънцето и космическите лъчи), а също и от голяма част от метеоритите. Температурата на земната повърхност, благодарение на парниковия ефект е била благоприятните +15^оС.

Еволюция на атмосферата

Схема: The Physical Earth , Mitchell Beazley На схемата се виждат огромните промени в състава на атмосферата на Земята. Значителна част от метанът и водородът са отлетели в космоса още в първите 200-300 млн.г. Така важния свободен кислород започнал да се натрупва преди 3500 млн.г. Сега атмосферата съдържа около 78% азот (N2), 21% кислород (O2), 1 % аргон, и 0.033% въглероден диоксид (CO2).

Интересно е да се разбере как атмосферата на Земята, която първоначално е била доминирана от вулканичните газове (водна пара H₂O, CO₂ , N₂ и др.), се променя до сегашното състояние, където N₂ и O₂ са доминиращи, а CO2 е в малки количества? 

От създаването си Земята се е променила значително под влияние на биосферата. Когато се е появила фотосинтезата преди 2.4-2.5 милиарда години, растенията са започнали да съхраняват енергия в прости въглехидрати (CH₂O), да отнемат CO₂ от атмосферата и да го заменят с O₂ .

CO₂ + H₂ O (плюс слънчева светлина) -> СН₂ О + O₂

Енергията от фотосинтезата се съхранява и се използва от организмите. Те, включително и фотосинтезиращите дишат, което отнема O₂ от въздуха и издишат CO₂ обратно в атмосферата.

СН₂О + O₂ -> (енергия за клетъчни процеси) CO₂ + H₂O

Но двата процеса не са балансирани - отделяният кислород е бил много повече и през геоложките времена, повечето от въглеродния диоксид СО₂ е отстранен от атмосферата и се съхранява в утаечните скали, атмосферата се е наситила  с кислород O₂ , а азотът N₂ продължава да се натрупва. Повечето от освободената водната пара се кондензира и съдейства за образуването на океаните.

Част от органичната материя се депозира в седиментни пластове, където се съхранява. Изкопаемите горива са останки от органична материя, а изгарянето на изкопаеми горива връща въглеродния диоксид СО₂, който е бил заключен за стотици милиони години и днес се връща обратно в атмосферата, променяйки текущият баланс на атмосферата и климата на Земята, защото CO₂ е парников газ.

Атмосферата се е насищала все повече с кислород, на един етап се е образувал озоновия слой, който защитава всички живи същества от вредните ултравиолетови лъчи. Тя определя времето на повърхността на Земята, защитава планетата от космически лъчи и частично от падащите метеорити. В атмосферата се развиват основните климатични процеси: водния цикъл, циркулацията на въздушните маси, отвеждането на топлината.

Хидросферата

Водата на нашата планета

Това, че на нашата планета има течна вода е уникална характеристика, която отличава нашата планета от други обекти в Слънчевата система. Изключение прави спътникът на Сатурн, Титан, за когото има съмнение, че вулканите му изригват вода, примесена с течен амоняк.

Водата на Земята е толкова много, че може да се каже: Нашата планета е океанска. Ако равномерно се разпредели водата по повърхността й, то би се образувал слой с дълбочина 2.7km. Водата на Земята е предимно течна – 95%, Благодарение на удивителните свойства на водата – висока топлоемкост и ниско топлоотдаване, максималните температурни колебания рядко са извън диапазона от -50^оС до +50^о. В тези граници водата от хидросферата може да се намира и в трите си фази: течна, твърда и газоообразна и при определени условия да преминава от една в друга, което има огромно значение за функционирането на природната среда. Смекчаващо въздействие на топлинния режим има и облачната покривка, разпространена приблизително над 50% от земната повърхнина за разлика от плътната обвивка на Венера и нищожната на Марс.

Как се изменяла хидросферата?

В разтопен базалт при температура 1000^оС и налягане 5-10хил. атмосфери е разтворена до 7-8% H₂O: именно толкова вода, както е установено от вулканолозите, се дегазира при изливането на лавата. Голяма част от тази вода, имаща мантиен произход, се освобождава в хидросферата, но част от нея се поглъщала обратно от скалите на океанската кора - този процес се нарича серпентинизация.

За да се формира хидросферата, почти всичката водна пара от състава на вулканичните газове е трябвало да се кондензира, образувайки облаци и дъжд, които създали първите големите водни басейни на повърхността на Земята. В този първичен океан преминавали, разтваряйки се във водата и други съставни части от вулканичните газове, най-вече въглеродни окиси, “кисели пушеци”, окиси на сярата и част от амоняка.  

Вулканичната пара се е кондензирала в продължение на две хиляди години. Течните водни басейни са съществували въпреки повърхностната температура от 230 ° С заради високото атмосферно налягане на наситената с СО₂ атмосфера. С процеса на охлаждане, разтвореният в океанската вода СО₂ се отделя в атмосферата.

Много е вероятно, освобождаваната от вулканите и чрез дегазация на скалите, водна пара да не е достатъчно за да се напълнят океаните. Възможно е главният източник на вода да са били множеството разбиващи се върху Земята планетезимали и комети, чиито състав е бил предимно лед, прах и камъни.

Такава е била средата, в която е трябвало да се зароди наистина най-уникалното явление не само в Слънчевата система, но и в познатата ни Вселена - Животът.

Създаването на Луната

Илюстрация: National Geographic / Dana Berry; Quelle: Robin Canup, Southwest Research Institute

Преди около 4 500 милиона години, през еона Хадей, се е случило едно забележително събитие - нашата планета се сблъсква с астрономичен обект с размерите на Марс и маса около 10% масата на Земята. 

Това небесно тяло я удря по допирателна и в резултат на това, огромно количество земен материал и голяма част от това хипотетично тяло били изхвърлени в орбита. От тези фрагменти се е събрала бъдещата Луна, която започнала да обикаля по орбита с радиус от около 60 000 км. От удара Земята получава рязко увеличение на скоростта на въртене, като прави един оборот в рамките на 5 часа, а оста й се фиксира в положение със забележим наклон.

Този катастрофирал гигант е наречен Тея на името на Тея от древногръцката митология, дъщеря на Уран (небето) и Гея (Земята). Тея е майка на Хелиос (Слънцето), Еос (Зората) и Селена (Луната).

Доказателства за тази хипотеза са редица научни факти:

• Наклонът на оста на Земята (заради който се сменят сезоните) и този на Луната имат подобни ориентации.
• В рамките на програмата Аполо е изследвана лунна почва и е установено, че съотношението на изотопите на Луната са почти идентични със земните, което означава общ произход.
• В лунните образци не са открити летливи вещества и леки елементи, вероятно защото са се образували при достатъчно висока температура, довела до изпаряването им. Този факт показва, че повърхността на Луната някога е била разтопена. 
• С помощта на сеизмографа, доставен от екипажа на кораба "Аполо-12" е измерен размера на лунното ядро, което се оказва по-малко, от колкото ако Земята и Луната са се образували по едно и също време. Фактът, че ядрото е малко е в съответствие с предвижданията на теорията, че Луната се формирала от сблъсъка.

Денонощието на Земята в началото на Хадея продължавало 6 часа и приблизително бил равен на периода на завъртане на Луната, но последния много бързо нараствал. 

В началото Луната обикаляла на разстояние само около 17 хиляди км от Земята, но разстоянието помежду им бързо се е увеличавало с около 10 км на година. В края на Хадея скоростта на раздалечаване намаляла до 4 cm / год. Сега разстоянието между тях е около 150 хиляди километра. 

Вдясно се вижда схема на орбитата на Луната през последните 4570 милиона години.

Едно малко зрънце циркон преобръща представите за най-древната история на Земята

Съществуват спорове за времето, когато се е формирала атмосферата, както и за първоначалния й състав. Много учени твърдяха, че атмосферата и океаните са се образували едва по време на последната част на еона. Но няколко малки зрънца циркон, вградени в пясъчник, намерен в ранчо в Австралия, преобръщат представите на палеогеолозите.

Цирконът съдържа радиоактивниия елемент уран, който геолозите "цирконов часовник", защото той се разпада с определена скорост в продължение на дълъг период от време, което го прави най-надеждния природен хронометър. Времето на полуразпад на радиоактивния изотоп уран 238 е 4,5 милиарда години, което го прави изключително полезен за изследване на древни материали. (Продължителността на полуразпад е времето, необходимо половината от първоначалния радиоактивен изотоп се превърне в друг елемент.) 

Ново изследване от началото на 2014г. потвърждава, че циркониевите зърна,  събрани от Западна Австралия, в района Джак Хилс са кристализирали заедно с образуването на земната кора преди около 4.374 милиарда години. Те свидетелсват, че до този момент в своята история, Земята вече е имала охладена и твърда повърхност. Има следи, че те са били в контакт с вода в течно състояние, което предполага, че по това време на Земята е започнало образуването на океани и морета и в крайна сметка вече е имало условия за възникване на живот.

Архаят (преди 3,9 млрд г.) започва, когато Земята е била охладена след бурния период на мощни вулканични изригвания и бомбардировка от по-големи и по-малки небесни тела.

През това време вече Земята е била покрита от голямо количество лагуни и плитчини. Те периодично пресъхвали и били заливани отново от приливите, които по онова време били огромни, защото Луната, отскоро спътник на Земята  е била на разстояние три пъти по-малко от сегашното. Ултравиолетовата радиация на Слънцето безпрепятствено преминавала през безкислородната атмосфера, но първичният океан вече бил готов за първите си обитатели.

Основното

Първият еон в историята на Земята, Хадей (някои го наричат Преархей или Катархей) започва с образуването на Земята и продължава 770 млн години. 

Източници:

Катархей. Древнейшие ландшафты планеты

Катархей

Архей или Архейская эра, Алешков С.

Архей (Архейский эон)

Развитие жизни на Земле История Земли, А.Е. Карелов

История ранней Земли

История Земли

Early Earth embroiled in constant solar storm , Heather Catchpole

The First Four Billion Years. The Biological Cosmology of Global Warming and Global Freezing . Rhawn Joseph, Ph.D

Earth Formation,TEGA JESSA

Early Earth and Life

The Solar Nebula. Formation of the Earth. Origin of the Atmosphere and Oceans, columbia.edu

Zircon Chronology: Dating the Oldest Material on Earth

Hadean Eon

The Archean Eon and the Hadean, Brian R. Speer

ja.wikipedia.org 

Още по темата

17/11/2014

Земята

Кратка геохронологична таблица

17/11/2014

Космос

Произходът на Слънчевата система