Гіпотези про утворення Землі

Однією з перших відомих космогонічних гіпотез була гіпотеза Р. Декарта (1644 р.): фундаментальною властивістю матерії є протяжність та рух у просторі й часі. Це добре описується математично, й тому Р. Декарт стверджував: «Дайте мені протяжність та рух, і я побудую Всесвіт».

За Р. Декартом речовина складається з частинок, що різняться за розміром та характером руху. Найважчі й наймалорухоміші з них утворили Землю, яка самостійно не рухається, а переноситься в просторі «течією неба», тобто вихором частинок іншого типу — легших і рухоміших за перші. Р. Декарт вважав, що «силою розуму можна охопити будь-яке явище».

Розуміння згаданих фундаментальних властивостей матерії — протяжності в просторі й часі — набуло принципового значення як основа нової філософії картезіанства, що правила за базис діалектики, й заклало підвалини сучасних уявлень про Всесвіт.

У багатьох книжках і численних підручниках зазначено, що Всесвіт безмежний та нескінченний у просторі й часі. Насправді ці твердження нині вважають безпідставними, бо завдяки сучасним дослідженням фізиків-теоретиків доведено такі положення теорії Всесвіту:

• Всесвіт безмежний, але ж не нескінченний;

• відбувається розширення (розбігання) галактик, тобто кожна з них віддаляється водночас від усіх інших, про що свідчить червоне зміщення спектрів випромінення зірок (за ефектом Доплера це відповідає віддаленню джерела випромінення від спостерігача);

• за розрахунками, Всесвіт не є споконвічним: його вік становить близько 18 млрд років.

Отже, за сукупністю цих ґрунтовно доведених положень Всесвіт вважають нестаціонарною системою, тобто такою, стан якої залежить від моменту спостереження (система, що саморозвивається).

Перші уявлення стосовно будови й утворення Землі з'явилися наприкінці XVII ст. За теорією Лейбніца, Земля утворилася з речовини, що перебувала у вогняно-рідкому стані. На жаль, цю гіпотезу не помітили вчасно. Згодом, протягом трьох століть, виникло кілька десятків гіпотез, які доречно розглядати за типами.

І. Гіпотези, за якими Сонце утворилося раніше, ніж планети Сонячної системи. В свою чергу, вони поділяються ще на дві групи.

1. Утворення планет з речовини Сонця, що якимось чином була відторгнена від нього.

2. Захоплення Сонцем сторонньої речовини (найчастіше туманності).

Найбільш ранню з гіпотез першого типу висловив математик Ж. Бюффон ще наприкінці ХVІІІ ст., припустивши, що із Сонцем зіткнулася комета, котра виштовхнула з нього певну кількість розжареної речовини, з якої й утворилися планети.

На початку XX ст. англійський фізик і астроном Дж. Г. Джінс математично довів, що подібне явище викиду сонячної речовини мало траплятися навіть без зіткнення небесних тіл — лише через їхнє відносне наближення, що спричиняло припливоутворювальну силу (див. гл. 3), яка й розривала первісне Сонце.

В середині XX ст. російський учений В. Г. Фесенков висунув гіпотезу, згідно з якою сонячна речовина була викинута з цієї зорі внаслідок прискорення її осьового обертання (завдяки стисненню й зменшенню радіуса небесного тіла). Але цій гіпотезі суперечить надзвичайно повільне обертання Сонця навколо осі, тому згодом і сам автор від неї відмовився.

До гіпотез другої групи належать розробки О. Ю. Шмідта, опубліковані в 40-х роках XX ст. За цими уявленнями, Сонце захопило величезну масу космічного пилу й газів, що поступово набували впорядкованого обертання у вигляді чечевиці та розкладалися на окремі згустки речовини (планетезималі, тобто зародки планет), а згодом утворили окремі небесні тіла. «Ахіллесовою п'ятою» гіпотези Шмідта була розбіжність між моментами руху планет і Сонця

(малого у Сонця) та співвідношенням мас на користь останнього, через що не можна було пояснити, як саме відбулося перенесення моменту руху від Сонця до планет.

Майже одночасно з О. Ю. Шмідтом А. Вайцзекер пояснив перенесення моменту руху через тертя між частинками космічної матерії, користуючись досить оригінальним припущенням. Воно виходить з відомого факту, що при однаковому моменті руху швидкість обертання тіл навколо загального центра має бути тим повільнішою, чим більший в даного тіла радіус-вектор. Тобто кутові швидкості осьового обертання небесних тіл, що мають різні радіуси-вектори, теж різні. Водночас система небесних тіл прагне обертатися навколо осі як єдине ціле, із однаковою кутовою швидкістю. За умови різної віддаленості від центра кожне небесне тіло набуває різного моменту руху — тим більшого, чим більший радіус-вектор обертання (рис. 1.2).

 

Рис. 1.2. Передача моменту руху в системі небесних тіл, що обертаються за орбітами з радіусами r, та r ₂ навколо центрального тіла: a-F,«F₂; б-F₃=F₄

 

Надалі в гіпотезах такого типу вивчалися процеси акреції — зіткнення й злипання частинок під впливом гравітаційної сили, що сприяла акреції (за І. Альвеном), та електромагнітної взаємодії, що диференціювала частинки (за Г. В. Войткевичем).

Нині такі гіпотези вважаються чи не найімовірнішими. В подальшому викладі буде використано найновішу з гіпотез Г. В. Войткевича.

 

II. Небулярні гіпотези, згідно з якими Сонце й планети утворились із речовини туманності («небулюс» із грецької — хмаринка).

Першу наукову небулярну гіпотезу утворення Сонячної системи й Землі в її складі розроблено І. Кантом (середина XVIII ст.) та П. Лапласом (кінець XVIII ст.). Ці вчені використали всю сукупність знань з небесної механіки, добуті Г. Галілеєм, І. Ньютоном та Й. Кеплером. Парадоксально, що І. Кант та П. Лаплас жили в різні часи, не співпрацювали, крім того, розробили дещо відмінні уявлення, але гіпотеза історично дістала назву космогонічної гіпотези Канта—Лапласа. Вона домінувала в науці аж до середини XX ст., коли була витіснена сучасними гіпотезами О. Ю. Шмідта, А. Вайцзекера, В. Г. Фесенкова, що згадувалися вище, та інших дослідників.

Уже в середині нашого століття харківський астроном В. Г. Фесенков опрацював найбільш повний варіант небулярної гіпотези, що був опублікований у 1960 р. Вченим було виділено кілька етапів утворення зірок і планет:

• утворення туманності за рахунок викиду газу з нової або ж наднової зірки; цей процес відомий за спостереженнями астрономів;

• утворення в туманності неоднорідностей — велетенських «ниток» та «волокнин», тобто самоутворення структурних відмінностей;

• виникнення згущень у складі «ниток» і «волокнин» й подальше перетворення їх на небесні тіла — планети;

• довільне зростання густини в найбільших за масою небесних тілах з виділенням теплової енергії від стискання речовини, що врешті-решт призвело до критичних температур та ядерних реакцій.

В. Г. Фесенковим виявлено саме ці ядерні реакції в зорях (у тому числі на Сонці):

¹²С + протон = ¹³N + γ-випромінення;

¹³N = ¹³С + позитрон + β-випромінення (електрони);

¹³С + протон = ^I4N + γ-випромінення;

¹⁴N + протон = ¹⁵О + β-потік елементарних частинок (електронів)

¹⁵О = ^I5N + позитрон + γ-випромінення;

^I5N + позитрон = ¹²С + ⁴Не.

Кінцевим добутком низки зазначених реакцій є утворення гелію та вивільнення величезної кількості енергії у вигляді потоків β-частинок — складових «сонячного вітру» та у-випромінення.

Уявлення про будову Землі

Поряд із достатньо реалістичними уявленнями про Всесвіт власне Землю було досліджено набагато гірше. Вавилоняни зображували Землю у вигляді пагорба суходолу, оточеного з усіх боків велетенською річкою, що мала відому нам назву — Океан.

Набагато пізніше представники мілетської школи античної натурфілософії Фалес, Анаксимандр, Анаксмен ще не вважали Землю за кулю, надаючи їй безглуздо-фантастичних обрисів: навіть у вигляді архітектурної колони, не кажучи вже про щось більш схоже на спостережуваний людиною обрис.

У IV ст. до н. е. піфагорійці з загальних міркувань висловили здогадку, що планета є кулею. Вони дотримувалися віри в гармонію Всесвіту й знали, що сфера є найбездоганнішим геометричним тілом. Звідси й походила впевненість у кулястості Землі.

Надійні докази кулястості Землі навів Арістотель. Сучасникові вони відомі з елементарного курсу географії: кругла тінь Землі на поверхні Місяця під час місячного затемнення; поява корабля з-за горизонту: спочатку верхівок щогл, а далі — поступово всім корпусом; зміна вигляду зоряного неба за умови пересування спостерігача на південь чи північ тощо. Жоден із цих доказів не спростовано протягом понад 2 тисячоліть. Зазначимо, що уявлення про кулястість Землі стали продуктивним засобом упорядкування наявних знань про відносно невелику частину земної поверхні, доступну давнім географам. Так, на підставі цього було визначено поняття клімату («кліма» з грецької — кут, кут нахилу; отже, клімат — це властивість, залежна від кута падіння сонячних променів) та поясів освітлення, а згодом і теплових поясів Землі.

Потім протягом середніх віків тривав достатньо довгий період непорозумінь стосовно фігури Землі, аж доки на глобусі Мартіна Бехайма (1494 р.) Землю було зображено кулею.

Справжнім тріумфом уявлень про кулясту Землю був кінець XV ст., коли X. Колумб запропонував досягти Індії, що розташована східніше, ніж Іспанія, в напрямку на захід (оскільки південно-східний шлях був блокований для Іспанії Голландією). Однак X. Колумб так і помер, вважаючи, що досяг саме Індії (а не Америки, як стало зрозумілим дещо згодом). Одразу за тим через 20 років відбулося кругосвітнє плавання Магелана, і вже надалі нікого не брали сумніви щодо кулястості Землі. Поряд із цим деякі проблеми лишалися протягом довгого часу невирішеними. Аж до Галі-лея не було зрозумілим, чому люди й різні речі, перебуваючи на поверхні землі, лишаються врівноваженими й не падають (бо не було розуміння того, що «верх» і «низ» різняться відносно кінців земного радіуса), а дехто й досі не розуміє, що американці або ж австралійці відносно нас ходять «догори ногами».

Рис. 1.3. Схема для розрахунку довжини кола Землі за дугою L = 40 тис. стадій та кутом падіння сонячних променів β = 7°, (а = β опівдні в рівнодення; штрихова лінія — екватор, стрілки — напрям падіння сонячних променів опівдні)

 

РОЗМІРИ ЗЕМЛІ

Арістотелеві належить твердження, що розміри Землі зовсім мізерні порівняно з небесними просторами. Маса Сонця має бути набагато більшою за масу нашої кулі, а відстань від нас до нерухомих зірок набагато більша, ніж до Сонця.

Дещо пізніше Ератосфеном було запропоновано визначення розміру земної кулі через порівняння кутів падіння сонячних променів одночасно у двох географічних пунктах, що розташовані на одному меридіані (рис. 1.3). Цей факт, як і недосяжний для нащадків результат — точне визначення довжини меридіана (з похибкою, меншою ніж 2,5 %) за неточним вимірюванням кута падіння сонячних променів та визначенням відстані між Сієною й Александ-рією в стадіях — приблизних одиницях відстані, що застосовувалися раніше провідниками верблюжих караванів — лишається й досі загадкою.

Сучасні уявлення про розміри й особливості фігури Землі складалися на основі геодезичних вимірювань протягом XVII ст. та наступного періоду. Немалих зусиль доклали до цього видатні вчені І. Ньютон, Ж. Кассіні, А. Клеро.

І. Ньютон обчислив стиснення Землі з полюсів (полярне), припустивши, що Земля за пружністю відповідає рідині, та дістав значення стиснення земного еліпсоїда, який обертається навколо короткої осі, того самого порядку, що було знайдено подальшим прямим вимірюванням.

Видатний французький астроном Ж. Кассіні, обробляючи дані вимірювань, дійшов протилежного висновку: за його доказами, Земля мала бути еліпсоїдом обертання, що рухається навколо довгої осі.

Наукова дискусія між англійськими та французькими вченими, так звана «суперечка між англійським помаранчем (або ж апельсином) та французьким яйцем» відіграла найвидатнішу роль у формуванні й розвитку вищої геодезії. Протягом кількох десятиліть було здійснено кілька вимірювань довжини дуги меридіана в різних місцях Землі — Франції, Перу, Лапландії. Для точного вимірювання дуги на сфері було розроблено метод тріангуляції (вимірювання довжини дуги за базисом і кутами у вершинах трикутників) та точні астрономо-геодезичні прилади. У результаті суттєво розширилися можливості геодезичної зйомки, оскільки тріангуляція була й залишається досі основним методом визначення координат опорної геодезичної мережі, що тепер обплітає, наче павутиння, майже всю поверхню суходолу і є основою всіх наступних видів топографо-геодезичних робіт.

А. Клеро в середині XVIII ст. опрацював результати обчислень довжини дуги меридіанів й уперше застосував сферичні функції, широковідомі нині у геофізиці та інших точних науках, і створив теорію фігури Землі, запровадивши поняття геоїда.

Врешті-решт перемогли уявлення англійців, проте можна вважати, що загальний внесок французьких астрономів у розвиток вищої геодезії перебільшив внесок англійських учених.

Сучасні знання щодо особливостей фігури Землі не відрізняються якісно від тих, що були опрацьовані А. Клеро. За допомогою супутникових вимірювань уточнюють лише особливості, деталі поверхні геоїда порівняно з еліпсоїдом обертання, й визначають гіпсометрію суходолу (тобто відхилення від поверхні геоїда по вертикалі), що було б неможливо без ґрунтовної роботи, проведеної в XVII—XVIII ст. французькими й англійськими вченими.

 

ВНУТРІШНЯ БУДОВА ЗЕМЛІ

Більш-менш наукове пояснення внутрішньої будови Землі було викладене Р. Декартом у книзі «Трактат про Світ» (1664 р.). Він припустив, що Земля має вогняно-рідке ядро (воно огортається шлаковою оболонкою первинного охолодження); внутрішню оболонку, де утворюється метал; тверду кору, що, як було відомо давно, огортається повітряною та водною оболонками. Він вважав, що розломи земної кори є результатом зменшення об'єму планети внаслідок їі охолодження (або контракції). Ці ідеї майже без принципових змін подорожують, як ми побачимо, вже протягом понад 300 років з однієї гіпотези в іншу.

Датчанин Н. Стенон (1636—1687 рр.), що жив водночас з Р. Декартом, вважається за батька геології. Він висловив цілу низку реалістичних уявлень стосовно утворення осадових порід, їх первісно-горизонтального нашарування та можливостей визначення відносного віку гірських порід за їх положенням у розрізі. Від нього походять два основних принципи геологічної стратиграфії та геохронології:1) послідовність нашарування осадових порід знизу догори (нижче—вище); 2) омолодження віку відкладів у тому самому напрямку. Н. Стенонові належить перша періодизація природної історії Землі (в подальшому — геохронологічна шкала) та гіпотеза походження тектонічних рухів.

Уявлення про внутрішню будову Землі, подібні до Декартових, було висловлено набагато пізніше Г. Лейбніцем у науковому трактаті «Протогея» (1749 р.).

Наближення до сучасних уявлень (модель Гольдшмідта). Відомий геохімік В. М. Гольдшмідт, якого вважають поряд із В. І. Вернадсь-ким засновником даної науки, запропонував модель, що певною мірою наслідує Декартові й Лейбніцеві уявлення про внутрішню будову Землі. Як модель В. М. Гольдшмідт використав доменний процес з урахуванням, що того часу (на початку XX ст.) панувало уявлення про первинний вогняно-рідкий стан речовини Землі.

У домні, як відомо, відбувається диференціація первинної суміші, або шихти, складеної із залізної руди, вапняку й коксу, на чавун, залишки шихти та шлак. За аналогією, застосовуваною В. М. Гольдшмідтом, чавун подібний до речовини земного ядра,

яку вважали складеною із заліза та нікелю (Ni, Fe — ніфе), шихта відповідає мантії (Si, Mg — сіма), шлак — верхній частині твердого тіла Землі — земній корі (Si, Αl — сіаль). Наведені назви сплавів досі вживаються в геотектоніці, хоча вже й утратили первинний зміст.

За більш повною аналогією метал, поступово відновлюючись із руди, як найважчий компонент суміші, занурюється вглиб (густина ядра в середньому близька до густини заліза — дещо більша за 7 г/см³). На поверхню спливає шлак — силікатна суміш густиною до 3 г/см³. Застигаючи, шлак утворює речовину, подібну до природного вулканічного скла.

Головним чинником такої диференціації первинної гетерогенної (тобто неоднорідної за походженням) речовини Землі В. М. Гольд-шмідт вважав атомні об'єми елементів. За його уявленнями, елементи з малими атомними об'ємами, сполучаючись із залізом (так звані сидерофільні елементи), утворили ядро Землі. Інші елементи, схильні до утворення сполук із силіцієм та киснем, що мають великі атомні об'єми, називають літофільними. Вони утворюють літосферу (верхню частину мантії та земну кору). Елементи, схильні до утворення сполук із сіркою, або халькофільні, формують сульфідно-оксидну нижню мантію.

Нині вважають, що уявлення В. М. Гольдшмідта становлять лише історичний інтерес, оскільки ним було відкинуто гіпотезу первинно-рідкого стану речовини Землі. Втім це не зовсім так, бо й зараз використовують запроваджені ним назви внутрішніх оболонок Землі. Крім того, наступні гіпотези дотримуються майже тієї самої концепції геосферної будови Землі, хоч і дещо детальнішої.