---

Земля

Третья планета от Солнца - это Земля, родина всей известной жизни. Хотя планета Земля имеет много общих характеристик с другими планетами, её физические свойства и история позволяют поддерживать жизнь в своей приповерхностной среде.

Планета Земля

Плоская Земля

Многие древние культуры, даже такие сложные, как египетская, представляли Землю плоской, а небо над ней - отдельной обителью небесных тел: Солнца, Луны, планет и звезд. Однако к 2500 году до нашей эры некоторые люди правильно считали , что Земля имеет приблизительно сферическую форму. Греческий математик Пифагор широко известен тем, что пришел к этому выводу в 6 веке до нашей эры.

Круглая Земля

Два столетия спустя Аристотель дал конкретные причины считать Землю круглой: 1. материя притягивается к центру Земли и естественным образом сжимает её в сферическую форму, 2. путешествие на юг открывает новые звезды, поднимающиеся над южным горизонтом, и 3. тень Земли на Луне во время лунных затмений круглая.

Сферическая Земля

Многие люди не знали о выводах Аристотеля. Однако знание сферической формы Земли было широко распространено среди астрономов на протяжении большей части последних 2000 лет. Греческие и индийские астрономы приняли эту концепцию, и к 9 веку нашей эры исламские астрономы уже использовали ее. Христианская Европа широко приняла эту идею к 13 веку.

Геодезия Земли

Область измерения земли называется геодезией. Одна из самых ранних известных попыток вычислить окружность Земли была предпринята Эратосфеном, библиотекарем Александрийской библиотеки в Египте, примерно в 250 году до нашей эры.

Примерно в полдень в день летнего солнцестояния (в тот день, когда полуденное солнце было выше всего в небе), вертикальная палка в Александрии отбрасывала тень, которая составляла угол около 7 градусов с палкой. Он также знал, что в Сиене (ныне Асуан) в Египте, солнце будет проходить прямо над головой в этот день, освещая дно глубокого колодца. Используя оценку расстояния между двумя городами с севера на юг и предположив, что Солнце находится очень далеко, он смог вычислить окружность Земли в пределах относительно небольшого процента от известного теперь значения.

Окружность Земли

В настоящее время известно, что длина окружности на экваторе составляет 40 075 километров.

Диаметр Земли

Диаметр Земли на экваторе составляет 12 756 километров. На самом деле Земля не совсем сферическая, а представляет собой сплюснутый сфероид - сплющенный в направлении Север-Юг, так что диаметр от Южного полюса до Северного полюса составляет всего 12 714 километров.

Метр

Фактически, метр был первоначально определен (французской Академией наук в 1791 году) как одна десятимиллионная расстояния от экватора до Северного полюса. Это объясняет, почему это расстояние составляет почти ровно 10 миллионов метров (10 000 километров).

Геоцентрическая модель Земли

Ранее считалось, что Солнце, Луна, планеты и звезды имеют совершенно иную природу, чем Земля. В 4 веке до н. э. Аристотель предположил, что они были сделаны из небесного Пятого элемента, в дополнение к его предполагаемым земным элементам Земли, Воды, Воздуха и Огня.

Большинство мыслителей, включая Аристотеля, считали, что Земля неподвижна в центре вселенной. Эта модель называется геоцентрической (центрированной на Земле) и была более подробно разработана Птолемеем Александрийским примерно в 150 году нашей эры. Почти все астрономы приняли эту модель на следующие 1400 лет. С этой точки зрения Земля определенно не была планетой, потому что она явно не была блуждающим светом в небе.

Вращение Земли по Копернику

В 16 веке нашей эры Николай Коперник предположил, что Земля вращается вокруг оси через Северный и Южный полюса один раз в сутки — фактически один раз в “звездный” день, который измеряется с использованием далеких звезд в качестве системы отсчета вместо Солнца.

Звездные сутки Земли составляют 23 часа 56 минут и 4 секунды, что на несколько минут короче ее “солнечного” дня. Коперник также сказал, что Земля обращается вокруг Солнца один раз в звездный год (что составляет 365,256 дня). Он верил в то, что Луна вращается вокруг Земли, и в то что другие планеты, вращаются вокруг Солнца, как это делает Земля. В этом смысле Земля тоже планета, потому что она тоже вращается вокруг Солнца.

Гелиоцентрическая модель Земли

Гелиоцентрическая (солнечно-центрированная) модель Коперника принималась медленно. Однако Иоганн Кеплер из Германии исходил из этой основной точки зрения, разрабатывая свои три закона движения планет в начале 17-го века. Один из этих законов гласит, что орбита планеты, или путь вокруг Солнца, представляет собой эллипс, причем Солнце находится не в точном центре, а в одной из двух точек, называемых фокусами.

Расстояние от Земли до Солнца

Орбита Земли оказывается более близкой к окружности, чем орбиты большинства других планет. Расстояние Земли от Солнца изменяется лишь на небольшой процент - от примерно 147,1 миллиона километров в начале января до примерно 152,1 миллиона километров в начале июля.

В 1687 году Исаак Ньютон из Англии опубликовал свой закон всемирного тяготения в своем главном труде "принципы", который объяснял движение планет как вызванное гравитационным притяжением Солнца к планетам. К этому моменту почти все ученые приняли гелиоцентрическую модель.

Гравитация

Ньютон показал, что любые два объекта притягиваются друг к другу с этой гравитационной силой. Его сила пропорциональна массе каждого объекта, и она становится слабее с увеличением расстояния между объектами. “Вес” тела - это просто гравитационная сила, оказываемая на него Землей или любой другой планетой или другим крупным телом, рядом с которым оно находится.

Объекты, естественно, стремятся улететь в космос по прямой линии с постоянной скоростью, но гравитационное притяжение может искривить путь на замкнутую орбиту. Луна вращается вокруг Земли, а Земля - вокруг Солнца.

Орбита Земли

Солнцестояния и равноденствия

Ось вращения Земли наклонена примерно на 23,5 градуса относительно оси ее вращения вокруг Солнца. Это позволяет северному полушарию получать наибольшее количество солнечного света. Максимальная продолжительность светового дня - примерно 21 июня, когда Северный полюс наклонен к Солнцу.

Северный полюс указывает почти одно и то же направление в течение всего года - к Полярной звезде. Однако примерно 21 декабря Земля находится на противоположной стороне Солнца, поэтому Южный полюс наклонен к Солнцу, и в это время Южное полушарие получает наибольшее количество солнечного света. Эти даты называются солнцестояниями.

Равноденствия, когда день и ночь имеют почти равную длину во всем мире, происходят между ними, примерно 21 марта и 23 сентября. Таким образом, времена года контролируются гораздо больше наклоном земной оси, чем относительно небольшим изменением расстояния от Солнца.

Ось Земли

В настоящее время ось Земли указывает почти непосредственно на Полярную Звезду. Однако примерно через 13 000 лет Полярная звезда станет яркой звездой Вега. Греческий астроном Гиппарх распознал это тонкое явление еще во 2 веке до нашей эры.

Круг, очерченный в небе Северным полюсом, имеет небольшие колебания из-за своего рода качательного движения, называемого нутацией. За цикл, составляющий около 41 000 лет, наклон оси вращения колеблется от 22 до 25 градусов.

В первой половине 20-го века сербский математик Милутин Миланкович предположил, что такие изменения в наклоне, наряду с небольшими изменениями в форме орбиты Земли, вызвали перемены климата в прошлом. Ученые-климатологи в настоящее время широко признают эту модель как объясняющую один из многих триггеров начала и окончания ледниковых периодов.

Место Земли в Солнечной системе

Гелиоцентрическая модель утверждала, что Солнце неподвижно. За последние сто лет всё резко изменилось. Оказалось, что звезды на самом деле являются другими Солнцами (что Солнце - это звезда), которые движутся в пространстве. Более того, многие из них могут иметь свои собственные планеты. Первая внеземная планета была открыта в 1995 году. В течение 15 лет было открыто еще более 200 таких планет, в основном с использованием косвенных методов, таких как анализ легкого колебания родительской звезды в ответ на гравитационное притяжение планеты к ней.

Расположение Солнечной системы в Галактике Млечный путь:

Ближайшая звездная система находится примерно в 270 000 раз дальше от Земли, чем Солнце. Большинство звезд, видимых невооруженным глазом, находятся более чем в миллион раз дальше Солнца, что объясняет, почему они кажутся такими тусклыми. Многие из них казались бы намного ярче Солнца, если бы их разместили там, где оно находится.

Все звёзды, которые можно увидеть невооруженным глазом, являются ближайшими соседями в гигантской дискообразной структуре, называемой галактикой Млечный Путь, которая содержит более ста миллиардов звёзд.

Расстояние до Центра Млечного Пути

Солнце находится примерно в 27 000 световых лет от центра Млечного Пути. Световой год - это расстояние, которое свет проходит за год, почти 9,5 триллиона километров. Солнце и его планеты вращаются вокруг центра Млечного Пути с периодом (время, необходимое для завершения одной орбиты) около 250 миллионов лет.

Млечный Путь, в свою очередь, является лишь одной из миллиардов галактик в наблюдаемой Вселенной. Галактики, как правило, летят друг от друга и разбросаны на миллиарды световых лет пространства.

Строение Земли

Чтобы узнать, на что похожа Земля внутри, можно представить себе бурение до самого центра. Однако ничего подобного никогда не делалось. Самая глубокая скважина на Кольском полуострове в России имеет глубину около 12,26 километра и достигает лишь 1/500 расстояния до центра Земли.

Исследование Земли

В то время как ученые почти буквально “едва поцарапали поверхность” Земли, очень многое было изучено о её недрах. Один из подходов состоит в том, чтобы рассмотреть среднюю плотность Земли, а также плотность и химический состав приповерхностных слоев, включая породы, которые удобно поднимаются на поверхность вулканами.

Другой метод заключается в изучении вибраций, называемых сейсмическими волнами, которые проходят через планету после того, как были произведены природными источниками, такими как землетрясения, и искусственными событиями, такими как испытания ядерного оружия.

Масса Земли

Масса Земли, как известно из её гравитационных эффектов, составляет 5.97 х 10²⁴ кг. что составляет около 6,587 миллиарда триллионов тонн. В сочетании со знанием объема Земли это дает плотность 5,52 грамма на кубический сантиметр. Это больше, чем типичные 2-3 грамма на кубический сантиметр для горных пород , но меньше, чем плотности железа и никеля, которые составляют около 8 и 9 граммов на кубический сантиметр соответственно.

Эти металлы обычно встречаются в метеоритах и, возможно, это была большая часть сырья для Земли. Поэтому можно предположить, что Земля - это некая смесь камня и металла. Кроме того, железо и никель, будучи более плотными, чем камень, будут ближе к центру.

Волны Земли и сейсмическая томография

Когда Земля возмущается землетрясением, возникает несколько видов волн, все из которых могут быть записаны приборами, называемыми сейсмометрами. Некоторые из этих волн движутся по поверхности Земли. Волны Рэлея очень похожи на катящиеся волны на поверхности океана. Волны вибрируют из стороны в сторону, например, с востока на запад для бегущей на север волны. Вместе эти волны производят большую часть повреждений зданий во время землетрясений.

Тщательно проанализировав данные тысяч землетрясений, используя сейсмометры, разбросанные по всему земному шару, ученые разработали довольно детальную картину недр земли. Этот метод называется сейсмической томографией. Это похоже на использование ультразвуковых звуковых волн для узи или компьютерной томографии (КТ) рентгеновских снимков для диагностики медицинских состояний.

Сейсмическая томография также легко дает подробные данные о внешних слоях планеты. Самая внешняя часть, кора, имеет довольно низкую плотность породы, в которой волны движутся несколько медленно. Волны частично отражаются, достигнув границы, называемой Мохо. Это сокращение от разрыва Мохоровичича, названного в честь Андрия Мохоровича, хорватского сейсмолога, открывшего его в 1909 году. Глубина, на которой возникает этот разрыв, колеблется от всего лишь от 5 километров под некоторыми частями океанского дна до примерно 75 километров под некоторыми континентальными поверхностями.

Литосфера Земли

Самый внешний слой, кора, состоит из твердой породы. Кора континентов толще и менее плотна, чем дно океана. Мохо отмечает границу между корой и более плотной породой слоя под ней, мантией, которая содержит более половины массы планеты. Кора и внешняя мантия вместе называются литосферой, от греческого слова lithos, означающего "скала".

Температура и давление растут с увеличением глубины внутри планеты. Примерно в 80 километрах под поверхностью скальная порода мантии находится при температуре около 1370° C и частично расплавляется. Это начало той части мантии, которая известна как астеносфера.

Ниже примерно на 250-300 километров мантия находится под таким большим давлением, что она снова становится более жесткой, хотя она все еще достаточно пластична, чтобы позволить очень постепенные движения. Мантия простирается примерно до 2900 километров под поверхностью. Считается, что температура на дне мантии составляет примерно 3700° C.

Под мантией материал становится намного плотнее (о чем свидетельствуют более быстрые волны Р) и разжижается (о чем свидетельствует отсутствие S волны). Ученые полагают, что этот слой, называемый внешним ядром, на 90% состоит из расплавленного железа и никеля (в основном железа), а также некоторых других элементов, таких как сера. Она составляет около 30 % массы Земли.

Наконец, ниже примерно 5100 километров находится внутреннее ядро, которое простирается до самого центра, примерно на 6370 километров вниз. Оно содержит около 2 % массы Земли. Несмотря на чрезвычайно высокие температуры, которые, по оценкам, составляют от 4400 до 6600° C, давление настолько велико, что железо и никель становятся твердыми.

Горные породы и минералы Земли

Земля - это в основном каменный шар. Горные породы формируются на поверхности земли и под ней в широком диапазоне физических и химических условий.

Все горные породы состоят из минералов. Минералы в некоторых породах представляют собой отдельные химические элементы, такие как золото или медь, но минералы в большинстве пород являются соединениями - комбинациями элементов с определенным химическим составом и точно структурированной структурой. Большинство минералов образуют кристаллы. Каждый кристалл имеет характерную форму и структуру, которая определяется типом и расположением его атомов.

Наиболее распространенными атомами , присутствующими в горных породах Земли, являются кислород и кремний, которые в сочетании образуют силикаты, такие как кварц (SiO2). Силикаты составляют около 95 % земной коры и верхней мантии. Другими распространенными элементами, присутствующими в меньших количествах, являются алюминий, железо, кальций, натрий, калий и магний.

Магматическая порода Земли

Магматическая порода является основной породой земной коры в том, что большинство других видов горных пород, найденных на Земле, образуются из нее. Магматическая порода - это порода, которая затвердевает из расплавленного состояния. Расплавленный скальный материал под поверхностью Земли называется магмой. Магма, которая вытесняется на поверхность земли, либо на дно океана, либо на сушу, как при вулканическом действии, называется лавой.

Магма глубоко под поверхностью может медленно остывать. Когда это происходит, минералы растут медленно и могут достигать относительно больших размеров. Этот процесс медленного охлаждения приводит к образованию крупнозернистых пород, таких как гранит или габбро. Тип образующейся породы зависит от химических веществ, содержащихся в магме. Каждый вид можно отличить по характерному минеральному составу.

Магма ближе к поверхности остывает быстрее, давая минералам мало шансов вырасти. В результате образуются мелкозернистые породы, близкие по составу к крупнозернистым. Мелкозернистый риолит является эквивалентом крупнозернистого гранита, а мелкозернистый базальт - эквивалентом габбро.

Некоторые вещества, выброшенные из вулканов, остывают так быстро, что затвердевают еще до того, как ударятся о землю. Лава остывает так быстро, что нередко в ней застревают пузырьки газа. Когда такая лава затвердевает, она становится легкой и пористой. Пемза образуется именно таким образом. Натуральный стеклянный обсидиан также образуется из лавы.

Метаморфическая порода Земли

Метаморфические породы образуются, когда тепло и давление изменяют первоначальный состав или структуру породы. Первоначальная порода может быть любого типа - магматической, осадочной или другой метаморфической. Глубоко в земной коре температура значительно выше, чем у поверхности, и горячая порода подвергается давлению от веса земной коры сверху и от боковых движений земной коры. Иногда жидкости и газы также воздействуют на породу, чтобы изменить ее.

Известняк, осадочная порода, превращается в мрамор в результате таких сил. Под воздействием стресса минеральные зерна в осадочных породах сланца растут в новых направлениях, образуя сланец, метаморфическую породу. Продолжительное напряжение изменяет сланец на филлит, а затем на сланец, породу, которая очень отличается по внешнему виду, составу и структуре от исходного сланца. Кварцит, одна из самых твердых и компактных пород, является метаморфической формой относительно мягкого, зернистого песчаника, осадочной породы.

Осадочные породы Земли

Осадочные породы формируются на поверхности Земли или вблизи неё, часто в результате воздействия ветра и проточной воды. На самом деле скалы этого типа покрывают большую часть поверхности, но они часто скрыты тонким слоем почвы. Для удобства осадочные породы делятся на две основные группы: терригенные породы и кристаллические породы. Терригенные породы состоят из осадочных пород - частиц или фрагментов породы различных размеров, которые были уплотнены или склеены вместе. Кристаллические породы состоят из минералов, которые были осаждены из растворов.

Частицы горных пород, размытые с открытых участков, таких как горы, переносятся потоками и реками в море. Там они медленно оседают в виде мелкого ила или глины. Более крупные частицы, такие как песок, оседают ближе к берегу, а самые крупные частицы, такие как галька и булыжник, оседают на береговой линии. Поскольку эти материалы медленно накапливаются в течение длительного периода времени, вода выдавливается из промежутков между частицами. Цементирующие вещества, содержащиеся в растворе в воде, например карбонат кальция, кремнезем и оксид железа, могут связывать частицы вместе.

Галька вблизи берега зацементирована в конгломерат. Чуть дальше образуются сланцы. В открытом океане известняки образуются из карбоната кальция и раковин мертвых морских животных.

Кристаллические породы могут образовываться в неглубоких внутренних морях, где доступ к открытой воде ограничен или отрезан. В таких местах моря могут медленно испаряться, оставляя после себя соединения, образующие осадочные породы, такие как гипс и каменная соль.

Минеральные ресурсы Земли

Минеральные ресурсы, такие как уголь, нефть и природный газ, встречаются в осадочных породах. Кроме того, геологи могут реконструировать древнюю географию и окружающую среду региона, изучая распределение его осадочных пород, которые лежат слоями или пластами.

Соотнесение последовательностей слоев горных пород в различных областях позволяет им проследить конкретное геологическое событие до определенного периода. Окаменелости - останки, отпечатки или следы организмов, которые когда-то жили на Земле, встречаются почти исключительно в осадочных породах. Они описывают историю жизни на Земле, хотя в виде окаменелостей сохранились лишь отдельные части небольшого процента древней жизни, чаще всего твердый скелет или панцирь животных с такими частями или древесные структуры некоторых растений. В необычных условиях мягкие ткани живых существ сохранились.

Земная Система

Многие ученые рассматривают Землю как систему, состоящую из взаимодействующих меньших систем, называемых сферами, через которые протекает энергия и происходит рециркуляция вещества. Все взаимодействия и процессы, происходящие на Земле и вокруг нее, происходят внутри Земной системы.

Земные сферы - Геосфера и Биосфера

Систему Земли можно разделить на две основные сферы - геосферу и биосферу. Геосфера состоит из неорганических, или неживых, компонентов Земной системы и может быть далее разделена на три подсистемы: атмосферу (воздух), гидросферу (воду) и литосферу (горные породы и почву). Биосфера содержит живые части системы - живые организмы и неживые факторы, такие как солнечный свет и вода, которые помогают снабжать эти организмы энергией и питательными веществами.

Атмосфера Земли

Атмосфера - это оболочка газов, окружающих планету. Обладая массой, атмосфера гравитационно притягивается к массе остальной планеты. При земной температуре молекулы газа движутся довольно быстро, и некоторые из них действительно улетучиваются в космос.

К счастью, атмосфера Земли достаточно массивна, так что эта утечка не вызвала значительных потерь ее газов на протяжении миллиардов лет, которые ученые считают, что она существовала. Меньшие небесные тела, такие как Луна и Марс, не были так успешны в удержании любого воздуха, который они могли бы когда-либо иметь. У Луны практически нет атмосферы, а у Марса она гораздо тоньше (менее плотная), чем у Земли.

Масса атмосферы Земли

Масса атмосферы составляет чуть более 5 миллионов гигатонн (гигатонна равна миллиарду метрических тонн). Это может показаться впечатляющим, но это меньше одной миллионной массы всей планеты. Следы атмосферы можно найти в 160 км. над поверхностью, но большая ее часть находится в пределах 5,6 км. от Земли. В масштабе обычного земного шара диаметром 30 сантиметров это немногим больше толщины листа бумаги.

Воздух на Земле

Около 78% по объему сухого воздуха состоит из азота (химическая формула N2). Кислород (O2 ) составляет 21 %. Большая часть остального - это аргон (Ar), но небольшие количества других газов, таких как углекислый газ (CO2), метан (CH4) и водород (H2). Обратите внимание, что эти цифры относятся к сухому воздуху; водяной пар (H2O) составляет различные количества, обычно от 0,1 до 4 %.

Состав воздуха на Земле

Состав воздуха почти одинаков по всему земному шару и даже на разных высотах. Однако небольшая (несколько частей на миллион) концентрация озона существует в слое, называемом стратосферой, в основном более чем на 10 километров над землей. Этот озоновый слой жизненно важен для жизни на Земле, потому что он поглощает большую часть вредных ультрафиолетовых лучей, достигающих Земли от Солнца.

Эта концентрация озона была снижена в последние десятилетия, по крайней мере частично из-за реакций с искусственными химическими соединениями, называемыми хлорфторуглеродами, используемыми в торговле и промышленности. С 1992 года производство этих газов было значительно ограничено, поэтому есть надежда, что дальнейшее разрушение озонового слоя будет незначительным.

Слои атмосферы Земли

Тропосфера Земли

Хотя состав меняется лишь незначительно с высотой, температура и давление воздуха сильно различаются. В нижней части атмосферы, называемой тропосферой, температура обычно падает с увеличением высоты. На высоте около 11 километров, температура достигла примерно -57° C. Эта точка, “вершина” тропосферы, называется тропопаузой. Почти вся земная “погода” (особенно осадки) происходит в тропосфере.

Стратосфера Земли

Выше тропопаузы, температура остается примерно такой же, а затем фактически начинает подниматься с высотой. Эта зона называется стратосферой. Большая часть её тепла является результатом перехвата ультрафиолетовой солнечной энергии озоном. Из-за этой температурной структуры воздух в стратосфере очень стабилен, а это означает, что вертикальное перемешивание очень мало. По этой причине вулканическая пыль или искусственные газы, достигающие стратосферы, могут оставаться там годами.

Мезосфера Земли

Стратопауза, вершина стратосферы, находится примерно на высоте 50 километров. Над ней находится мезосфера - зона, в которой температура снова падает. После достижения дна в мезопаузе, примерно на высоте 80 километров, температура в термосфере становится очень высокой, достигая более 1100° C.

К этому моменту воздух настолько разрежен, что почти ничего не ощущается. Это просто означает, что относительно небольшое количество частиц (в основном ионов или электрически заряженных атомов) движется достаточно быстро. За пределами термосферы можно определить другую область - экзосферу. Это чрезвычайно разреженный газ, состоящий в основном из водорода и гелия, который сливается с близким вакуумом межпланетного пространства.

Атмосферное давление Земли

Атмосферное давление значительно падает с высотой по очень простой причине. Давление, оказываемое воздухом на любой высоте, обусловлено весом всего воздуха над ней. На больших высотах воздуха мало, поэтому давление и плотность становятся довольно низкими.

Давление на уровне моря в среднем составляет одну атмосферу (единица давления). Грубо говоря, давление сокращается вдвое с каждым дополнительным 5,6 километра над землей. На высоте 11 километров давление воздуха составляет примерно 25 % от давления на уровне моря.

Циркуляция атмосферы Земли

Атмосфера постоянно находится в движении, главным образом из-за разницы давлений, которая, в свою очередь, вызвана разницей в нагреве солнцем. Эта солнечная энергия перераспределяется ветрами, инфракрасным излучением и водяным паром, что приводит к изменению состояния атмосферы, называемому погодой.

Характер циркуляции атмосферы меняется изо дня в день и от сезона к сезону. Тем не менее, можно выделить некоторые определенные общие закономерности.

Воздух вблизи экватора обычно нагревается больше всего, что делает его менее плотным и заставляет атмосферу в этом регионе расширяться вверх. Это часто приводит к образованию облаков и дождей, что делает тропики относительно влажными. Воздух на больших высотах затем течет в сторону полюса. Однако вращение Земли вступает в игру через эффект Кориолиса, который отклоняет воздух вправо от ветров - направление движения в Северном полушарии и влево в Южном полушарии. Это приводит к тому, что высокогорные ветры в основном дуют с запада на восток в средних широтах.

Часть воздуха, направленного к полюсу, опускается обратно к поверхности примерно на 25 или 30 градусах широты от экватора в обоих полушариях. Затем этот воздух течет обратно к экватору вблизи поверхности, но отклоняется под действием эффекта Кориолиса, превращаясь в пассаты.

Пассаты дуют с северо-востока в Северном полушарии и с юго-востока в Южном. Там, где воздух опускается, возникает относительно высокое поверхностное давление. Опускающийся воздух сжимается и нагревается, так что облака имеют тенденцию испаряться, и дождя почти не бывает. Большинство пустынь мира расположены в этих субтропических регионах.

Ветры в средних широтах, как правило, дуют в среднем с запада. Ближе к полюсам ветры, как правило, дуют с северо-востока в Северном полушарии и с юго-востока в Южном полушарии, подобно Пассатам. Часто можно обнаружить довольно четкую границу между относительно теплыми средними широтными западными (дующими с запада на восток) ветрами и холодными полярными восточными ветрами. Именно вдоль этого “полярного фронта” часто формируются системы низкого давления, называемые циклонами. Общий эффект этих бурь заключается в том, что холодный воздух направляется к низким широтам, а теплый - к полюсам.

В дополнение к среднеширотным циклонам летом или осенью образуются очень сильные тропические циклоны, такие как ураганы и тайфуны (два названия одного и того же типа шторма, применяемые в разных регионах). Эти бури в конце концов переносят тепло в высокие широты. На самом деле погода обычно делает экватор холоднее, чем это было бы в противном случае, а полюса теплее, чем они были бы.

Гидросфера Земли

Гидросфера включает в себя всю жидкую воду на поверхности планеты или непосредственно под ней, подавляющее большинство которой находится в океанах. Часть земной воды замерзла, главным образом в Антарктиде и Гренландии. Это лед и снег -  она называется криосферой и часто включается в состав гидросферы при учете распределения земной воды.

Около 71 % поверхности Земли покрыто океанами, и лишь несколько процентов покрыто более мелкими водоемами или льдом. Водяной пар в атмосфере также можно считать частью гидросферы.

Масса гидросферы Земли

Общая масса гидросферы составляет около 1,46 миллиарда гигатонн. Масса гидросферы примерно в 270 раз превышает массу атмосферы. Однако это все еще меньше 1/4000 от общей массы Земли.

Океаны Земли

Океаны составляют немногим более 97 % гидросферы; следовательно, менее 3 % воды на Земле - это пресная вода. Ледяные шапки и ледники составляют около 68 % пресной воды Земли. Однако большая часть пригодной для использования пресной воды Земли находится в горных породах и почве.

Пресная вода Земли

Подземные воды составляют чуть более 30 % пресной воды Земли. Лишь немногим более 1% пресной воды приходится на поверхностные воды - примерно 0,2% приходится на почвенную влагу, а около 0,04% находится в атмосфере в виде водяного пара или облачных капель и кристаллов льда.

Пресная поверхностная вода в озерах и реках - вода, наиболее пригодная для использования человеком и большинством живых существ составляют около 0,37 % пресной воды Земли, или около 0,01 % от общей воды в гидросфере. Остальная часть пресной воды на Земле находится в таких источниках, как вечная мерзлота, болота и биосфера, и поэтому она не всегда доступна для использования живыми существами.

Средняя глубина мирового океана

Средняя глубина мирового океана составляет около 3,8 километра. Даже самая глубокая часть, Марианская впадина в западной части северной части Тихого океана - глубина 11,03 километра простирается всего на 1/600 пути к центру земли. Таким образом, гидросфера, как и атмосфера, образует относительно тонкую оболочку на поверхности планеты.

Примечательной особенностью океанов является то, что они содержат большое количество растворенных солей, главным образом хлористого натрия (обычная поваренная соль). В среднем на каждые 100 килограммов морской воды приходится около 3,5 килограммов соли. Если бы океаны полностью испарились, то оставшаяся спрессованная соль образовала бы отложения толщиной в среднем не менее 60 метров.

Давление под водой

Поскольку вода намного плотнее воздуха, изменения давления в вертикали в воде гораздо более драматичны, чем в воздухе. Давление в воде увеличивается на одну атмосферу на каждые 10 метров глубины. Океанское дно имеет давление в несколько сотен атмосфер, или в несколько сотен раз больше давления на уровне моря на суше.

Очень мало света проникает более чем на 30 метров в воду, поэтому глубины океана являются черными как смоль. Температура становится холодной вблизи дна, даже в тропических морях, опускаясь до 2° C. Это в значительной степени связано с холодной, плотной соленой водой из полярных регионов, оседающей на дне мировых океанов.

Океанские течения

Подобно атмосфере, океаны имеют крупномасштабные движения, или течения, которые играют важную роль в перераспределении тепла, получаемого Землей от Солнца. Огромные океанские течения, движимые главным образом ветрами, циркулируют в основном по часовой стрелке в Северном полушарии и против часовой стрелки в Южном.

Эти течения несут холодную воду к экватору на западных берегах континентов, а теплую - к полюсам на восточных. В Северной Америке холодное Калифорнийское течение делает такие места, как Сан-Франциско, удивительно прохладными, особенно летом. Теплый Гольфстрим, текущий на север у восточного побережья континента, сохраняет восточные пляжи теплыми, а также усиливает ураганы, приближающиеся к побережью.

Осадки на Земле

Испарение воды из океанов поставляет почти всю влагу для выпадения осадков. Дождь, падающий на континенты, растворяет минералы, такие как соль, которые стекают в океаны и концентрируются в них. На суше большая часть воды течет на поверхности в виде рек, но большая часть также уходит под землю, насыщая глубокие слои горных пород в резервуарах, называемых водоносными горизонтами. Многие пустынные районы имеют глубоко под землей водоносные горизонты, удерживающие воду от дождей, выпавших тысячи лет назад. Скважины, выходящие в эти водоносные горизонты, использовались на протяжении тысячелетий.

Литосфера Земли

Внешние, скалистые части планеты составляют литосферу. Простираясь на глубину примерно 100 километров, литосфера включает в себя земную кору и твердую внешнюю часть верхней мантии.

Литосфера распадается примерно на дюжину жестких блоков, или пластин, которые по существу плавают на более плотном материале внизу и дрейфуют вверх против, рядом, над или под другими пластинами. Считается, что медленные конвекционные течения глубоко в мантии Земли вызывают боковое движение плит (и континентов, покоящихся на них) со скоростью несколько сантиметров в год.

Горный цикл

В течение огромного количества времени горные породы и минералы литосферы проходят через различные формы в серии процессов, называемых горным циклом. Выветривание, эрозия и другие процессы под поверхностью земли разрушают, перестраивают и изменяют три основных типа горных пород (магматические, осадочные и метаморфические), превращая их из одной формы в другую.

Биосфера Земли

Биосфера - это “зона жизни”, состоящая из всех живых существ Земли и окружающей их среды. На самом деле она не является отдельной сферой от других, но включает в себя части всех трех. Очевидно, что жизнь обитает в океанах и на поверхности континентов, но она также существует и в атмосфере. Птицы и насекомые являются очевидными примерами, но более мелкие организмы, такие как бактерии, которые попадают в воздух, могут переноситься на многие километры над поверхностью. Кроме того, бактерии были обнаружены в горных породах на глубине 2,8 километра под землей.

Биосфера играет жизненно важную роль в химических и геологических процессах планеты. Земля, особенно внешние слои, - это совсем другой мир, чем был бы без жизни. Считается, что биосфера почти полностью похоронила древнюю атмосферу, состоящую в основном из углекислого газа, заменив часть его кислородом.

Большая часть биосферы основана на процессе фотосинтеза, посредством которого растения и некоторые микроорганизмы используют солнечный свет для преобразования воды, углекислого газа (из атмосферы) и минералов в кислород (который затем поступает в атмосферу) и простые и сложные сахара.

Животные питаются многими из этих растений и микроорганизмов, таким образом, потребляя большую часть своей накопленной энергии. Далее энергия концентрируется в небольшом количестве плотоядных, которые поедают других животных. Падальщики питаются мертвыми растениями и животными.

После того как все вышеперечисленные существа умирают, они постепенно зарываются в землю или опускаются на морское дно. Таким образом, они в конечном итоге включаются в литосферу Земли, причем некоторые газы, такие как метан, высвобождаются в атмосферу или гидросферу.

В последние десятилетия ученые обнаружили экосистемы (группы взаимозависимых организмов и их окружение), независимые от солнечного света. Примером могут служить сообщества существ, процветающих вокруг гидротермальных источников в глубоком океане.

Эти отверстия выбрасывают горячую воду, насыщенную сернистым газом, со дна океана. Бактерии так называемые хемоавтотрофы производят свою пищу (сахара, как при фотосинтезе), используя эти горячие газы вместе с углекислым газом. Другие существа, такие как длинные красные трубчатые черви, хранят бактерии в своих телах и живут за счет их энергии. Бактерии, обнаруженные в глубоких подземных породах, возможно, используют водород для приготовления пищи. Водород может поступать из воды, расщепленной ядерным излучением от радиоактивных элементов, таких как уран.

В последнее время многие биологи решили, что некоторые микроорганизмы, обитающие в экстремальных условиях (например, в очень жарких или соленых условиях), не являются истинными бактериями. Было предложено новое царство таких существ, называемое археями. Обнаружение организмов в таких удивительных условиях привело некоторых ученых к предположению, что жизнь может существовать под поверхностью Марса или в глубоких, покрытых льдом океанах спутника Юпитера - Европы.

Земные циклы

Три важных для живых организмов цикла - это круговорот воды, круговорот углерода и круговорот азота. Другие важные циклы включают цикл фосфора и цикл серы.

Круговорот воды на Земле

Можно считать, что водный или гидрологический цикл начинается когда солнечное тепло испаряет воду из океанов. Эта вода поступает в атмосферу в виде пара. Около 400 000 кубических километров морской воды испаряются каждый год. Если бы эта вода не возвращалась в океаны и вода продолжала испаряться с той же скоростью, уровень моря падал бы почти на 1,2 метра в год, и океаны исчезли бы в течение 3500 лет.

Конечно, эта вода в конце концов возвращается. Осадки, выпадающие непосредственно на океаны, составляют чуть более 90 % испаренной из них воды. Оставшаяся часть стекает обратно в океан с суши, переносимая в основном реками. Осадки также выпадают на сушу в общей сложности около 107 000 кубических километров.

Растения черпают воду из почвы и в процессе, называемом транспирацией, выпускают водяной пар в воздух через крошечные поры в их листьях. Около 70 000 кубических километров воды поступает в атмосферу над сушей таким образом и от испарения с суши. Это оставляет около 37000 кубических километров стекающих через реки каждый год.

Большая часть воды, которая попадает на сушу, не сразу попадает в ручьи и реки. Она фильтруется через пористую почву. На разной глубине под поверхностью он часто насыщает пористые породы, образуя "Водяное дно". Такая вода может оставаться под землей на протяжении сотен лет, но большая ее часть в конечном итоге находит свой путь в ручьи и попадает в конце концов в океаны.

Поскольку вода перемещается между различными резервуарами, любая данная молекула будет проводить характерное время, называемое временем пребывания, в каждом резервуаре. Обычно молекула воды остается в атмосфере чуть больше недели, прежде чем упасть на землю в виде осадков (или, возможно, образуя росу или иней). Неглубокая влажность почвы или сезонный снежный покров могут длиться месяцами. Ледники и озера удерживают воду десятилетиями. Время пребывания в океане - несколько тысяч лет.

Есть еще одна часть водного цикла, и ее иногда упускают из виду. Это химическое соединение океанской воды с камнями на морском дне и ее окончательное высвобождение в вулканических газах. Такие "гидратированные" породы имеют более низкую температуру плавления, чем в противном случае. По мере движения различных плит литосферы морское дно на одной плите иногда прижимается к краю континента на другой. Более плотная океаническая кора вдавливается под континентальную кору, и “гидратированные” породы морского дна легко плавятся.

Это оказывает смазывающее действие на движение плит, так что круговорот воды фактически связан с тектоникой плит . Столбы расплавленного материала и газов, включая водяной пар, который когда-то был частью моря, поднимаются на поверхность вулканов. Затем эта вода попадает в атмосферу после пребывания в океанической коре в течение десятков или даже сотен миллионов лет.

Углеродный цикл Земли

Углерод составляет всего около 0,03 % земной коры по весу. Его основная форма в атмосфере - углекислый газ - составляет лишь около 0,04 % атмосферы. Однако этот элемент является основой всей известной жизни и также играет жизненно важную роль в поддержании пригодных для жизни условий на Земле. Поэтому большой интерес представляет то, как он циркулирует в окружающей среде.

Подавляющее большинство - более 99,9% приповерхностного углерода Земли (углерода в литосфере и выше) хранится в осадочных породах. Оценки разнятся, но этот резервуар, вероятно, содержит примерно 80 миллионов гигатонн углерода. Этот углерод осаждался на протяжении миллиардов лет, частично в результате выветривания силикатных пород с образованием карбонатных пород, содержащих углеродные соединения. Он также накапливался из остатков морских организмов, которые использовали углерод для создания раковин из карбоната кальция.

Следующим наиболее богатым местом хранения является глубокий океан, который содержит около 38 000 гигатонн углерода. Ископаемые виды топлива - уголь, нефть и природный газ составляют примерно 5000 гигатонн. Остальная часть углерода делится примерно поровну между живыми растениями (около 600 гигатонн), органическим мусором в почве (около 1600 гигатонн), приповерхностным океаном (около 1000 гигатонн) и атмосферой (почти 800 гигатонн и увеличивается).

Углерод был постоянно погребен в горных породах на протяжении всей истории Земли и высвобождался понемногу, главным образом в результате вулканической активности. Атом углерода может провести сотни миллионов лет запертый в скале прежде чем высвободиться в газах вулкана. В течение длительных периодов времени захоронение и выделение углекислого газа ( а также метана) в значительной степени контролируют температуру поверхности Земли. Более высокое количество этих газов в далеком прошлом, вероятно, помогало согревать планету, когда Солнце было менее ярким.

Глубокий океан и приповерхностный океан не смешиваются очень быстро. Возможно, потребуются тысячи лет, чтобы изменения, происходящие вблизи поверхности, достигли дна. Океаны в целом обладают большой способностью накапливать углерод. Однако кратковременное (например, десятилетнее) хранение происходит в основном в верхних слоях, которые имеют ограниченную емкость.

Азотный цикл Земли

Как и углерод, азот имеет свой собственный биогеохимический цикл, циркулирующий в атмосфере, литосфере и гидросфере. В отличие от углерода, который хранится преимущественно в осадочных породах, большая часть азота встречается в атмосфере в виде свободного неорганического газообразного азота. Это преобладающий атмосферный газ, составляющий около 78 % объема атмосферы.

Растения не могут использовать азот в его газообразной форме и способны усваивать его только после того, как он был преобразован в аммиак и нитраты. Аммиак образуется в результате азотфиксации - химической реакции, в ходе которой некоторые почвенные бактерии и цианобактерии (сине-зеленые водоросли) превращают газообразный азот в аммиак. Небольшое количество азота фиксируется в виде оксида азота молнией и ультрафиолетовыми лучами.

Другие микроорганизмы выполняют важные задачи, которые продвигают азотный цикл. Большая часть аммиака в почве превращается в нитриты и нитраты некоторыми бактериями в процессе, называемом нитрификацией. После того, как азот был усвоен растениями, он может быть преобразован в органические формы, такие как аминокислоты и белки. Животные могут использовать только органический азот, который они получают, потребляя растения или других животных. По мере того как эти организмы умирают, некоторые микробы разлагают органический азот в аммиак через процесс вызванный аммонификацией.

Хотя фиксация атмосферного азота является существенной частью азотного цикла, аммонизация и нитрификация являются основными методами, с помощью которых органический азот не возвращается в атмосферу и удерживается в циклическом движении через биосферу.

Однако некоторое количество азота возвращается в атмосферу—поскольку денитрифицирующие бактерии расщепляют нитраты для получения кислорода, газообразный азот выделяется в атмосферу. Азот также теряется из растений и почвы в наземных условиях другими путями, такими как эрозия и сток из почв в озера и ручьи.

Поток энергии через систему Земли

Энергия течет через сферы Земной системы и между ними. Подавляющее большинство энергии, поступающей в систему Земли, - это солнечная энергия, энергия солнечного света. Небольшая часть энергии поступает в систему в виде геотермальной энергии из глубин недр Земли. Энергия может передаваться через систему Земли во многих формах. Это происходит посредством трех процессов—излучения, конвекции и проводимости.

Солнечная энергия

Солнечная энергия поступает в систему Земли в виде излучения, главным образом в виде видимого света. Излучение - это процесс теплопередачи, в котором источник тепла и нагреваемая поверхность или объект не находятся в контакте. Энергия излучается или движется от источника к объекту в виде волн.

Большая часть энергии, испускаемой Солнцем, никогда не достигает поверхности Земли: около 19% поступающей солнечной радиации поглощается облаками и газами в атмосфере до того, как она достигает поверхности Земли; примерно 32% либо отражается облаками, либо рассеивается воздухом обратно в космос. Два процента поступающей солнечной энергии достигает поверхности, но отражается обратно в космос. Из всей солнечной энергии, поступающей в земную систему, только около 47 % поглощается поверхностью Земли.

Конвекция

В процессе конвекции тепло передается посредством движения жидкости, такой как вода или воздух. Конвекция отвечает за перенос тепла из недр Земли на поверхность. Конвекционные ячейки в мантии циркулируют и передают тепло вверх через мантию в литосферу на поверхности Земли. Конвекционные потоки также циркулируют и распределяют тепло в атмосфере и океанах.

Проводимость - это передача энергии от одной молекулы к другой. Тепло, передаваемое проводимостью, перемещается от более теплого тела к более холодному. Тепловая энергия с поверхности земли передается в атмосферу посредством теплопроводности. Проводимость также может передавать тепло между молекулами воздуха, когда они сталкиваются друг с другом.

Магнитное поле Земли

Сотни лет назад китайцы открыли любопытное свойство некоторых металлических пород. Если бы такие камни (или аналогичные намагниченные железные иглы) плавали на куске дерева в воде, они бы вращались в определенной ориентации относительно Севера и Юга. Эти камни также обладали способностью притягивать куски железа. Это было открытие магнетизма (и изобретение компаса), а также того факта, что сама Земля является гигантским магнитом.

Этот невидимый эффект теперь описывается как результат действия магнитного поля, области влияния вокруг любого магнита. У Земли есть северный и южный магнитные полюса, которые находятся рядом, но не совсем на фактических географических Северном и Южном полюсах. Магнитное поле планеты можно проиллюстрировать линиями, называемыми линиями магнитного поля, которые соединяют магнитные полюса и изгибаются по краям поля, образуя замкнутые петли.

Магнитное поле Земли имеет гораздо более важные эффекты, чем просто отклонение стрелок компаса. Оно защищает Землю, управляя и захватывая электрически заряженные частицы, такие как протоны и электроны, выбрасываемые Солнцем. Этот поток частиц называется солнечным ветром.

Солнечный Ветер:

Частицы в нем движутся со скоростью около 1,6 миллиона километров в час, достигая Земли за несколько дней. Попав в ловушку, частицы движутся по спирали и эффективно отскакивают назад и вперед между полюсами. Некоторые частицы направляются в верхние слои атмосферы Земли, где они ударяются об атомы и заставляют их светиться. Это красочное явление называется полярным сиянием, также известным как северное или южное сияние.

Магнитосфера Земли

Область пространства, в которой магнитное поле Земли доминирует над окружающей средой и захватывает частицы солнечного ветра, называется магнитосферой. Многие заряженные частицы остаются там в ловушке. Наибольшие концентрации этих частиц находятся в двух областях, называемых поясами Ван Аллена, расположенных в основном между 8 000 и 32 000 километрами над Землей.

Благоприятное влияние магнитного поля состоит в том, что оно предотвращает попадание в атмосферу многих частиц солнечного ветра. Без этого поля солнечный ветер мог бы постепенно разрушать большую часть атмосферы планеты. Марс, который почти лишен магнитного поля, имеет атмосферу только около одной сотой такой же плотной, как у Земли. Более слабая гравитация Марса, вероятно, оставила бы его с меньшей атмосферой в любом случае, но его воздействие солнечного ветра очень вероятно помогло удалить часть его воздуха

Ученые считают, что магнитное поле Земли генерируется огромными токами расплавленного металла, протекающими в жидком внешнем ядре. Интересно, что ориентация поля иногда - примерно раз в миллион лет меняется, так что Северный и Южный магнитные полюса занимают места друг - друга. Этот процесс до конца не изучен, но он имеет решающее значение для геологов, которые используют корреляции между магнетизмом горных пород, чтобы документировать и датировать дрейф континентов.

Тектоника плит Земли

Целый ряд отличительных черт на Земле требует объяснения. Землетрясения и извержения вулканов сосредоточены в определенных регионах мира, особенно в Огненном кольце - в основном на краях континентов, обращенных к Тихому океану. Гавайские острова образуют длинную цепь в основном потухших вулканов, с юго-восточной оконечностью цепи. Большой остров Гавайи все еще вулканически активен.

Подводный хребет гор, идущий с севера на юг, делит Атлантический океан примерно пополам, и некоторые части хребта, такие как Исландия, возвысились над поверхностью. Свежая магма (расплавленная порода) была замечена сочащейся со дна океана в середине этого хребта.

Восточное побережье Южной Америки и западное побережье Африки выглядят так, как будто они подходят друг к другу, как кусочки головоломки, и имеют похожие камни и окаменелости примерно одного возраста. Было бы также желательно объяснить существование огромных горных хребтов, таких как Гималаи и Анды.

В течение многих лет большинство этих фактов были известны, но ни у кого не было хорошего объяснения им. В 1912 году немецкий метеоролог Альфред Вегенер предположил, что на самом деле континенты когда-то были объединены в гигантскую массу суши, которую он назвал Пангеей, что означает “Вся Земля".

Согласно этой гипотезе, названной континентальным дрейфом, этот суперконтинент давно распался на части - нынешние континенты, которые с тех пор дрейфовали к своим нынешним позициям. Вегенер не был первым, кто предположил, что континенты могут двигаться, но он развил эту гипотезу более подробно, чем раньше.

Многим геологам эта идея казалась нелепой. Как мог континент, сделанный из камня, просто двигаться? У Вегенера не было убедительного объяснения этому движению, но позже исследователи поняли, что частично расплавленная астеносфера (часть верхней мантии) может позволить движение горных пород, в основном плавающих на её вершине.

Гигантские конвекционные ячейки (вспенивающие движения) в горячих недрах Земли могут быть способны раздвигать континенты или морское дно, например, на Срединно-Атлантическом хребте.

Часть тепла внутри Земли остается, а часть выделяется из внешнего ядра, когда железо и никель медленно затвердевают. Это происходит в результате распада долгоживущих радиоактивных элементов, таких как Уран.

Астрономы считают, что эти радиоактивные элементы образовались в сверхновых - катастрофических взрывах гигантских звезд, —которые произошли до образования Солнечной системы. Уран и другие элементы смешались с облаками газа и пыли, которые в конечном итоге собрались вместе, чтобы сформировать Землю. Если это верно, то это означало бы, что дрейф континентов, землетрясения и вулканы на самом деле питаются угасающими углями древних солнц.

Переносимые конвекционными потоками снизу, плиты могли тереться друг о друга, вызывая землетрясения, когда они схватывались и соскальзывали. Плиты, сталкивающиеся друг с другом лоб в лоб, вызвали бы огромные морщины в земной коре - горные хребты.

В некоторых случаях плита, несущая кору морского дна, которая состоит из более плотных пород, чем континенты, может быть загнана под плиту, несущую континентальную кору - процесс, называемый субдукцией. Часть субдуцированной плиты затем расплавится и, возможно, пробьется вверх через край другой плиты в виде вулканов. Таким образом, большинство вулканов и землетрясений происходит вблизи границ плит, где они взаимодействуют. Огненное кольцо расположено вдоль части краев Тихоокеанской плиты.

К 1960-м годам большинство геологов приняли эту идею, ныне известную как тектоника плит . В настоящее время считается, что кора океанского дна постепенно формируется по мере того, как магма, поднимаясь конвекционными потоками, достигает поверхности (океанского дна) и охлаждается, образуя относительно новую плотную породу. Это создает подводные горные цепи, называемые океаническими хребтами, такие как Срединно-Атлантический хребет.

Дно мирового океана с хребтами:

Породы океанского дна в основном базальтовые, а более легкие породы материков - в основном гранитные. Континентальная кора также толще океанической, и она плавает выше астеносферы, так что большая часть континентальной суши имеет более высокую высоту, чем поверхность океана.

Радиоактивное датирование континентальных пород показало, что некоторым из них около 4 миллиардов лет. Породы океанической коры обычно датируются менее чем 200 миллионами лет, а некоторые из них совершенно новые, как, например, свежеохлажденная магма в Срединно-Атлантическом хребте.

Континентальный дрейф

Конфигурация земных континентов резко изменилась за сотни миллионов лет и продолжает меняться и сегодня. Плиты обычно перемещаются примерно на 5-10 сантиметров в год, что составляет примерно 50-100 километров каждый миллион лет.

Ученые полагают, что примерно до 240-200 миллионов лет назад все основные массивы суши были объединены в суперконтинент Пангея. В это время Пангея начала распадаться из-за гигантских конвективных потоков, поднимающихся под ней из мантии. Сначала она раскололась на северный континент Лавразия и Южный Гондвана, которые были разделены экваториальным морем Тетис.

Позднее Гондвана распалась, образовав Африку, Южную Америку, Антарктиду, Австралию и Индию. Лавразия была разорвана на части, образовав Северную Америку и Евразию (Европа и Азия рассматривались как единая суша). Молодой Атлантический океан отделял Южную Америку от Африки и Северную Америку от Евразии. Магма, поднимаясь из недр, поднималась вдоль Срединно-Атлантического хребта и образовывала новое морское дно, неуклонно расширяя Атлантику и разделяя континенты.

Тем временем Австралия и Антарктида все больше отдалялись друг от друга. Индия отправилась на север и начала сталкиваться с Азией около 40 миллионов лет назад, сморщив кору, чтобы сформировать самую высокую горную систему в мире - Гималаи.

Образование горных систем на Земле

Тефийское море сужалось по мере того, как Африка и Евразия приближались и устанавливали контакт. Средиземное море осталось в виде остатка. Всего лишь около 3 миллионов лет назад Северная и Южная Америка встретились впервые с тех пор, как были частью Пангеи, поскольку Панамский перешеек образовал мост между ними.

По мере того как Северная и Южная Америка дрейфовали на запад, Тихоокеанская плита субдуцировалась под их западные берега. В результате континенты смялись, подняв Скалистые горы и Анды. Землетрясения и извержения вулканов - обычное дело вблизи этих берегов.

Сама Тихоокеанская плита медленно дрейфовала на северо-запад. Шлейф горячего материала, поднимающийся из глубины мантии, прожигал океаническую кору в северной части Тихого океана, образуя вулканический остров. Когда плита двинулась, она перенесла новый остров на северо-запад и принесла другой участок коры над горячим шлейфом. Шлейф снова прорвался сквозь кору, образовав еще один остров, и процесс повторился, образовав гавайскую островную цепь.

Существует много свидетельств того, что сама Пангея образовалась из предыдущих версий столкновения нынешних континентов. Когда это произошло, меньшие куски земной коры, называемые терранами, столкнулись с крупными континентами и прикрепились к ним. Пангея, вероятно, полностью сформировалась около 250 миллионов лет назад. По мере ее формирования то, что в конечном итоге станет Северной Америкой, столкнулось с тем, что позже станет Африкой. Это подняло Аппалачи. Эти горы сейчас так стары (около 300 миллионов лет), что силы дождя и ветра сгладили их и стерли примерно до половины их прежней высоты.

Прослеживая еще дальше, оказывается, что большая часть Земли была объединена в более ранний суперконтинент под названием Родиния, который начал распадаться более 700 миллионов лет назад. Это в конечном итоге привело к появлению более ранней версии Атлантического океана, названной Япет.

К 470 миллионам лет назад морское дно Япета стало более уплотненным и плотным, и его края начали опускаться под соседние континенты. Эти континенты начали скользить навстречу друг другу, постепенно сужая Япет и в конце концов образуя Пангею. Многие ученые считают, что другие суперконтиненты сформировались и распались еще до появления Родинии. Еще раньше сами крупные континентальные массы, вероятно, образовались в результате столкновения более мелких кусков земной коры.

Другие силы, которые формируют поверхность Земли

Положение континентов почти полностью определяется процессами внутри Земли, но силы воды, льда, ветра и гравитации также помогают формировать земную поверхность. Горные породы выветриваются или дробятся на мелкие частицы как физическими, так и химическими процессами. Просачивающаяся в трещины вода и чередующиеся циклы замерзания и оттаивания помогают со временем дробить камни на более мелкие кусочки. Когда кислотная вода вступает в контакт с породой, могут происходить химические реакции,  что приводит к более быстрой фрагментации.

После того как скалы раскололись на мелкие кусочки, вода, ветер и лёд могут переносить материал на большие расстояния - процесс, называемый эрозией. Со временем реки могут прорезать глубокие каньоны и нести огромное количество мусора, откладывая его в долинах, на морском дне или в больших речных дельтах.

Лёд также оказывает значительное воздействие, поскольку ледники вырезают долины и перевозят большие валуны. В некоторых районах ветер оказывает сильное влияние, создавая большие дюнные поля и прочесывая поверхность с пылью или песком. Гравитация создает оползни, собирает осадочные породы вместе и заставляет более плотные породы скользить под менее плотными, как в случае субдукции.

Ветровые волны, а также подъем и спад приливов и отливов значительно разрушают береговую линию. Такая эрозия иногда приводит к образованию цепочек песчаных барьерных островов, отделенных от берега морскими болотами. Лава из вулканов всплывает на поверхность земли в некоторых районах, поскольку она охватывает существующую землю и охлаждается, образуя горную породу. Ветры переносят вулканический пепел на большие расстояния, причем пепел в конечном итоге оседает на поверхность.

Жизнь также играет огромную роль в формировании земной поверхности. Растения помогают разрушать камни в почве, которые могут быть смыты, но они также уменьшают эрозию, удерживая почву. Древние леса и болота были погребены и в конце концов превратились в уголь. Моллюски и другие морские организмы строят раковины из карбоната кальция, которые постоянно оседают на дно океана, образуя обширные отложения мела. Со временем эти отложения в сочетании с различными минералами образовали слои толщиной во много километров. Таким образом, большая часть земной коры была сформирована или, по крайней мере, изменена жизнью.

Образование и возраст Земли

К концу 1800-х годов геологи и биологи собрали данные, свидетельствующие о том, что возраст Земли составляет по меньшей мере сотни миллионов лет, что намного старше, чем считалось ранее. Геологи рассудили, что для того, чтобы медленная эрозия и осадконакопление оказали то воздействие, которое они, по-видимому, имели, нужны были огромные промежутки времени. Биологи полагали, что для того, чтобы эволюция привела к огромному разнообразию жизни, наблюдаемому сегодня, необходимо столь же долгое время.

Впрочем, были и другие мнения. Физики, такие как лорд Кельвин, вычислили, что Земля, по-видимому, все еще расплавленная внутри, должна была бы остыть до твердого тела, если бы ей было более 40 миллионов лет. Точно так же астрономы полагали, что возраст Солнца не может превышать нескольких десятков миллионов лет. Они верили, что Солнце светит из-за энергии от гравитационного сжатия и поэтому не могло бы поддерживать свой энергетический выход так долго без резкого уменьшения размера.

Открытие Анри Беккерелем в 1896 году радиоактивности привело к решению обеих проблем. Земля может быть нагрета изнутри радиоактивным распадом таких элементов, как уран, глубоко внутри, и это может длиться миллиарды лет. Солнце, как оказалось, светит за счет ядерного синтеза, что дает ему потенциальное время жизни не менее 10 миллиардов лет.

Радиоактивное датирование горных пород сыграло решающую роль в определении возраста Земли. Некоторые изотопы (формы элемента с различными атомными массами) некоторых элементов, таких как уран, распадаются путем испускания излучения в виде более мелких частиц, таких как электроны и альфа-частицы. Это оставляет после себя ряд “дочерних” продуктов, таких как свинец. Скорость распада была измерена с большой точностью в лабораториях. Измеряя соотношение дочерних продуктов к исходным радиоактивным элементам и предполагая, что материалы были захвачены в горной породе с момента ее затвердевания, можно рассчитать возраст породы.

Горные породы с морского дна редко встречаются старше 200 миллионов лет, но иногда встречаются породы с материков, возраст которых превышает 3 миллиарда лет. В 2001 году австралийские исследователи объявили об открытии небольшого зерна циркона (минерала, содержащего цирконий), которое они датировали 4,4 миллиарда лет назад. Более того , метеориты, которые, вероятно, сформировались примерно в то же время, что и Земля, были датированы примерно 4,5 миллиарда лет назад. Эти находки подтверждают вероятный возраст самой Земли около 4,6 миллиарда лет.

Считается, что Земля образовалась , наряду с остальной частью Солнечной системы, из облака газа и пыли, называемого туманностью. Туманности наблюдаются сегодня и в других частях Млечного пути, а также в других галактиках. Астрономы обнаружили свидетельства образования звезд и планетных систем во многих из этих туманностей, поскольку взаимное гравитационное притяжение частиц туманности притягивает их друг к другу.

Согласно этой теории, получившей название туманной гипотезы, облако состояло в основном из водорода и гелия, подавляющее большинство которых оказалось на Солнце. Внешние планеты - Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун сильно отличаются от Земли. Они находились достаточно далеко от Солнца и поэтому были достаточно холодными, чтобы эти газы, наряду с другими соединениями, такими как метан, аммиак и вода, могли гравитационно собираться вокруг небольших каменных или металлических ядер.

Внутренние планеты - Меркурий, Венера, Земля и Марс были теплее и также подвергались воздействию более сильного солнечного ветра. Эти эффекты вытеснили большую часть легких газов в космос, оставив эти планеты в виде твердых тел. Венера и Земля, и в меньшей степени Марс, были способны удерживать атмосферу, но только в виде довольно тонких оболочек, окружающих камень и металл.

Образование планет

Планеты образовались в результате аккреции - собирания вместе более мелких объектов в основном за счет гравитации. Поздние стадии аккреции приняли форму столкновений метеоров и комет. Некоторые из этих ударов должны были быть чрезвычайно энергичными, вероятно, расплавляя большую часть или всю раннюю земную кору.

Наиболее широко принятая теория Луны предполагает, что “протопланета”, размером в половину диаметра Земли ударила, взрывая материал как с нее, так и с Земли в космос. Затем часть этого материала собралась вместе и образовала Луну. Это событие, вероятно, произошло где-то в течение первых 100 миллионов лет существования Земли.

Первый миллиард лет Земли

Самый ранний период истории Земли был назван Hadean, в честь подземного мира обители мертвых в древней греческой религии. Считалось, что остаточное тепло формации, в сочетании с частыми ударами, сделало бы Землю адским местом, с раскаленными докрасна морями пылающей магмы.

Однако существование кристалла Циркона возрастом 4,4 миллиарда лет предполагает, что его поверхность могла охлаждаться быстрее, чем считалось ранее. Соотношение некоторых изотопов кислорода в цирконе также позволяет предположить, что он образовался в присутствии воды. Это означает, что температура должна была быть ниже точки кипения и некоторое количество воды присутствовало в некоторых областях к тому времени, когда кристалл сформировался.

Большая часть первого миллиарда лет существования Земли окутана тайной, отчасти потому, что от нее осталось так мало горных пород. Большинство из них прошли через повторяющиеся циклы субдукции и плавления, и в конце концов материал всплыл на поверхность посреди океанов.

Большинство лунных кратеров (которые являются результатом столкновений) образовались до 3,8 миллиарда лет назад, причем многие из них относятся непосредственно к этому времени. Ученые считают, что около 3,9 миллиарда лет назад на Землю часто падали кометы и метеориты. Это событие, названное Поздней тяжелой бомбардировкой, возможно, произошло в результате миграции Урана и Нептуна, которые нарушили орбиты меньших тел во внешней Солнечной системе и направили их к Солнцу, чтобы затем они ударили по внутренним планетам.

Океаны, скорее всего, существовали, но вместо больших континентов, по-видимому, были меньшие участки суши, такие как дуги вулканических островов. В конце концов многие из них дрейфовали вместе и образовали первые континенты.

Астрономы, изучающие и моделирующие жизненные циклы звезд, считают, что в то время Солнце было всего лишь на 75 % ярче, чем сейчас. Это должно было сделать Землю довольно холодной. Без чего-то, что удерживало бы солнечный жар, океаны могли бы полностью замерзнуть, а ранние континенты покрыться снегом. Расчеты показывают, что белая поверхность отразила бы так много солнечного света, что даже сейчас планета находилась бы в глубокой заморозке.

На самом деле, похоже, было что-то, что поддерживало тепло планеты - ранняя атмосфера Земли. Углекислый газ и метан - парниковые газы, которые пропускают видимый свет, но поглощают большую часть исходящих инфракрасных (“тепловых”) лучей, как полагают, были гораздо более распространены, чем сейчас. Эти газы, вероятно, выделялись главным образом в результате вулканической активности. Этого было достаточно, чтобы планета избежала ледяной участи. Кислород составлял лишь ничтожную долю современной концентрации атмосферы.

Появление жизни на Земле

Некоторые из древнейших пород Земли (возрастом около 3,8 миллиарда лет) обнаруживают признаки органических соединений - углеродсодержащих молекул, вероятно, производимых живыми организмами. Более определенные свидетельства появляются в породах возрастом около 3,5 миллиардов лет.

С тех пор были найдены микроскопические слепки того, что некоторые ученые считают древними бактериями, напоминающими цианобактерии (также называемые сине-зелеными водорослями). Кроме того, некоторые слоистые скальные образования, датируемые примерно тем же временем, считаются строматолитами, которые образуются в результате роста матоподобных колоний микроорганизмов, особенно цианобактерий. Эти слоистые колонны все еще формируются живыми организмами сегодня, например, в нескольких местах на западном побережье Австралии.

Первыми организмами могли быть прокариоты - одноклеточные организмы без клеточного ядра. Некоторые из них начали осуществлять фотосинтез, который использует солнечный свет в качестве источника энергии для получения углерода (необходимого для построения тел организмов) из углекислого газа в воздухе, высвобождая при этом кислород.

Считается, что эти бактерии были очень похожи на цианобактерии, которые все еще распространены сегодня. Вполне вероятно, что цианобактерии были не единственным и, возможно, не первым типом организма в этот период. Хемоавтотрофы, вероятно, существовали в глубинах моря и даже в скалах. Некоторые из этих ранних организмов, возможно, были археанами, а не настоящими бактериями.

В течение сотен миллионов лет кислород, выделяемый фотосинтезирующими организмами, быстро реагировал с материалами в окружающей среде. Поэтому кислород не мог в значительной степени накапливаться в воздухе. Большая часть этого кислорода, вероятно, сочетается с железом, по существу производя ржавчину. Длинный временной период, или Эон, только что описанный - от примерно 4 миллиардов до 2,5 миллиардов лет назад называется Архейским.

Кислород на Земле

Большинство ученых сходятся во мнении, что Архейская атмосфера содержала очень мало кислорода, вероятно, менее 1% от современного уровня. Это изменилось в течение первой части следующего Эона, Протерозоя, примерно с 2,5 миллиарда до 541 миллиона лет назад. Большая часть материала, который мог соединяться с кислородом (то есть окисляться), уже сделала это.

Примерно 2,5-1,9 миллиарда лет назад на дне океана были заложены обширные залежи, называемые полосчатыми железными образованиями. Отложения состоят из чередующихся, очень тонких слоев железа - богатые минералы и кремнеземные минералы, такие как кремнезем. Процесс их образования до конца не изучен. Однако, как представляется, это произошло в ответ на увеличение и, возможно, колебания количества свободного кислорода в атмосфере и океанах. Эти образования являются источником большей части железной руды, используемой сегодня.

К 1,5 миллиардам лет назад уровень кислорода достигал, возможно, 10 % от нынешнего. Одним из следствий этого является то, что начали формироваться так называемые “красные грядки”. Это участки, где железо в почве было окислено, производя ржавый внешний вид. Этот процесс происходит в основном в сухом, жарком климате, например в современной австралийской глубинке, которую часто называют “красным центром".

Более важным следствием повышения уровня кислорода стало резкое изменение земной жизни. Кислород ядовит для многих микроорганизмов (таких, как столбнячная бактерия, которая процветает в закрытых ранах с небольшим количеством кислорода). Большая часть этой жизни погибла, но некоторые из них нашли убежище глубоко в море или под землей.

Примерно в это же время возник более сложный тип одноклеточных живых существ - эукариоты. Эти организмы имеют клеточное ядро и многие другие структуры, не присутствующие в прокариотах. Более сложные многоклеточные эукариоты также эволюционировали позднее. Фактически, все животные, растения, грибы и протисты являются эукариотами.

Эукариотам требуется то, чего нет у прокариот, - кислород на уровне не менее 1% от нынешнего уровня. Как только появилось достаточное количество кислорода, эукариотические клетки стали очень многочисленными. Для большей части остатков протерозоя вся жизнь на Земле состояла из одноклеточных организмов, включая как прокариоты, так и эукариоты.

Изменение климата

Ближе к концу протерозоя климат резко изменился. Со времен Хадеанской эоны температура, по-видимому, была очень похожа на сегодняшнюю. Однако около 750 миллионов лет назад условия резко похолодали. Скалы того времени свидетельствуют о действии ледников и некоторые из этих пород , по-видимому, образовались вблизи древнего экватора.

Многие ученые считают, что земля замерзла, даже на экваторе, на миллионы лет. Это, по-видимому, произошло по крайней мере дважды, вероятно, около 710 миллионов лет назад и 640 миллионов лет назад. (Некоторые данные также указывают на широкое оледенение гораздо раньше, около 2,2 миллиарда лет назад). Другие ученые не верят, что оледенение было настолько обширным, так что в тропиках присутствовали открытая вода и некоторые голые земли. В любом случае, климат был, вероятно, холоднее, чем когда-либо с тех пор.

Вот как это могло произойти. К этому времени суперконтинент Родиния начал распадаться, и многие из его фрагментов, вероятно, находились в тропических регионах. Углекислый газ растворялся в дожде, падающем на континент, а также в воде, разбивающейся волнами о берега, выветрились скалы. Это вымывало ионы кальция в море, где они в сочетании с углекислым газом образовывали известняк.

Фотосинтезирующие организмы в океане продолжали поглощать углекислый газ из воздуха и хоронить его, умирая и опускаясь на дно. Когда парникового газа стало меньше, а Солнце светило лишь на 94% своей нынешней яркости, температура начала падать. Как только снег и лед начали образовываться, они отразили больше солнечного света прочь. Этот порочный круг является примером положительной обратной связи, в которой сам эффект вызывает больше того же самого эффекта, и это позволило средней температуре в мире опуститься до, возможно, -50° C.

После, возможно, миллионов лет в этом состоянии продолжающаяся вулканическая активность продолжала выделять углекислый газ. Это позволило снова увеличить содержание углекислого газа в воздухе, возможно, в сотни раз превышая сегодняшнюю концентрацию. Температура стала достаточно теплой, чтобы часть льда начала таять, обнажая более темные поверхности, которые могли бы поглощать больше солнечного света.

Затем процесс потепления с положительной обратной связью привел планету в очень горячее состояние, и средняя температура Земли достигла, возможно, 38° C. Замораживание уменьшило количество жизни, доступной для удаления углекислого газа из воздуха. Земля, возможно, прошла через по меньшей мере два таких цикла замораживания - оттаивания в позднем протерозое.

Эти стрессы, возможно, сыграли свою роль в следующем перевороте биосферы - появлении многоклеточной жизни. Эволюция может происходить быстро, когда окружающая среда резко меняется. Окаменелости, датируемые 600 миллионами лет назад, выглядят как отпечатки мягкотелых животных. Некоторые из них, называемые Эдиакарцами, выглядят круглыми, веерообразными или стегаными. Отношение Эдиакарцев к более поздним животным неясно. Относительно мало известно об этих организмах, но к концу протерозоя должен был произойти взрыв новых форм жизни.

Палеозойская Эра

Драматические изменения произошли на Земле около 541 миллиона лет назад, ознаменовав начало эпохи Палеозоя (что означает “старая жизнь”). Ледники позднего протерозоя растаяли. Это, в сочетании с изменениями на морском дне, привело к повышению уровня моря, которое затопило береговые линии древних континентов. На Земле стало теплее - немного теплее, чем сегодня. Кислород увеличился, возможно, до половины своего современного уровня. Эти изменения подготовили почву для быстрой фазы эволюции, названной Кембрийским взрывом.

Кембрийский период

Кембрийский период длился примерно от 541 млн. до 485 млн. лет назад. Окаменелости очень редки в более старых слоях горных пород, но неожиданно довольно многочисленны в кембрии. Когда-то считалось, что никакой жизни или, по крайней мере, ничего, кроме одноклеточных организмов, ей не предшествовало. Хотя были найдены окаменелости более ранних времен, резкий рост новых форм жизни в кембрии требует объяснения.

Одним из факторов является то, что примерно в это же время животные развили способность формировать твердые части тела, такие как экзоскелеты или панцири. Эти структуры легче сохраняются, чем мягкие части организмов, что может объяснить их относительное изобилие в летописи окаменелостей.

Однако вполне вероятно, что фактическая численность животных и, конечно же, количество видов животных значительно возросли. Многие ученые полагают, что почти все крупные группы, называемые в животном мире Филами, появились именно в это время. Например, предки современных членистоногих (крабы, пауки и насекомые), моллюсков (улитки, моллюски и кальмары), пориферан (губки) и иглокожих (морские звезды и морские ежи) присутствуют в кембрийских отложениях. Все эти организмы жили в море. Появились и первые рыбы без челюстей. Существуют лишь ограниченные свидетельства существования какой-либо жизни на суше в это время, и любые наземные обитатели, которые действительно существовали, были, вероятно, одноклеточными организмами, такими как бактерии.

Трилобиты

Хотя многие из кембрийских животных были родственниками современных, некоторые из них выглядели бы сегодня совершенно незнакомыми. Очень распространенным животным в море был трилобит, раннее членистоногое. Существовали тысячи видов этих сегментированных животных, которые выглядели чем-то вроде грудной клетки. Они варьировались от размера монеты до примерно 46 сантиметров в длину. Многие трилобиты, вероятно, питались водорослями или другими мелкими организмами, хотя некоторые, возможно, питались более крупной добычей. Трилобиты появились очень рано в кембрийский период и просуществовали почти 300 миллионов лет, почти всю палеозойскую эру.

Аномалокарисы

У трилобитов, по- видимому, был по крайней мере один грозный противник - аномалокарис, чье имя означает “странная креветка". Эти животные, по-видимому, были хищниками, с двумя изогнутыми, колючими придатками, выступающими спереди, похожими на рот чертами на нижней стороне и двумя большими глазами. Они обычно вырастали до 60 сантиметров в длину. Некоторые окаменелые трилобиты были найдены с явными укусами, возможно, аномалокарисом.

Остальная часть палеозойской эры состояла из периодов, называемых Ордовикским (от 485 миллионов до 443 миллионов лет назад), Силурийским (от 443 миллионов до 419 миллионов лет назад), Девонским (от 419 миллионов до 359 миллионов лет назад), Каменноугольным (от 359 миллионов до 299 миллионов лет назад) и Пермским (от 299 миллионов до 252 миллионов лет назад). За это время Земля и сама жизнь претерпели много изменений. Эти периоды отличаются значительными изменениями в донных отложениях и в ископаемой летописи, соответствующими изменениям окружающей среды и вымиранию многих видов.

Родиния распалась, и континенты стали наиболее широко разбросаны примерно 470 - 450 миллионов лет назад, в ордовикский период. Затем все более уплотняющееся морское дно начало опускаться под края плит, несущих континенты, когда они развернулись и начали приближаться друг к другу.

Ордовикский период

В ордовикский период материки были в основном разделены. Большая часть Земли находилась в Южном полушарии, и большая ее часть была сосредоточена на большом континенте Гондвана. В течение большей части периода уровень моря был высоким, и температура была теплой. Многие из групп морских организмов, появившихся в кембрии, стали более разнообразными. Членистоногие, а также примитивная растительная жизнь и грибы начали колонизировать эту землю. Однако к концу ордовикского периода большая часть Гондваны находилась вблизи южного полюса. Там началось оледенение, уровень моря понизился, и мир стал холоднее. Это привело к вымиранию многих видов животных.

Силурийский период

В силурийский период континенты вновь начали сближаться. Большая часть позднеордовикского льда растаяла, и мир стал относительно теплым. Большие коралловые рифы были очень распространены. Рыбы без челюстей стало много, а некоторые рыбы с челюстями появились в конце этого периода. Сосудистые растения—то есть растения с системой транспортировки воды и питательных веществ жили на суше, хотя у них не было определенных стеблей и листьев. Черви, многоножки и пауки добавились к растущим биологическим сообществам на суше.

Девонский период

В девонский период продолжалось сближение континентов. Растительная жизнь распространилась на суше, и уровень углекислого газа в воздухе, вероятно, упал из-за увеличения фотосинтеза. В конце этого периода в Южной Гондване появились ледники. Девонский период иногда называют веком Рыб, потому что появилось много новых видов, в том числе и акул. Ближе к концу этого времени на суше впервые появились четвероногие животные, вероятно, произошедшие от рыб. Первые были похожи на земноводных и , как полагают , являются предками современных земноводных, рептилий, птиц и других животных.

Каменноугольный период

Каменноугольный период назван так из-за огромного количества богатой углеродом растительной жизни в лесах и болотах, которые процветали в некоторых частях света. Эти леса и болота позже породили торфяные болота, когда растения умерли; за миллионы лет торфяные отложения превратились в уголь.

Обильная растительная жизнь этого периода высвобождала огромное количество кислорода, который, возможно, составлял до 35 % атмосферы. (Кислород сегодня составляет примерно 21 % атмосферы).  Некоторые ученые предполагают, что высокие уровни кислорода могли бы поддерживать особенно интенсивные лесные пожары. Ученые также предположили что высокий уровень кислорода поддерживал необычный рост некоторых насекомых.

У насекомых нет легких, но они поглощают кислород через свои экзоскелеты. Это сильно ограничивает их максимальный размер. Если удвоить рост, длину и ширину насекомого, то оно будет иметь в восемь раз больший объем и массу и потребует в восемь раз больше энергии. Однако у него будет только в четыре раза больше площади поверхности, через которую можно будет поглощать кислород.

Такое маломощное насекомое может оказаться неспособным функционировать или даже выжить. Однако с вдвое большим количеством кислорода в воздухе у него было бы достаточно энергии, чтобы поддерживать усиленный рост. Возможно, из-за этого некоторые огромные насекомые, такие как стрекозы с размахом крыльев до 76 сантиметров, смогли хорошо себя чувствовать в тот период.

Болотные леса каменноугольного периода отличались высокими, быстро растущими древовидными растениями, такими как Лепидодендрон, или “чешуйчатые деревья". Некоторые из них достигали высоты более 30 метров. Здесь же росли гигантские хвощи и папоротники. Когда эти древовидные растения умирали и падали, они образовывали плотные маты из бревен, которые медленно гнили, возможно, потому, что соответствующие микробы еще не развились, чтобы быстро потреблять мертвую материю. Бревна и другие растительные вещества были постепенно погребены и стали угольными пластами, из которых сегодня добывается так много топлива.

Некоторые из самых больших лесных поясов были на территории современной восточной части Северной Америки и Северо-Западной Европы. В то время эти области, по-видимому, находились в тропиках. Южная Гондвана достигла Южного полюса, и миллионы лет снега образовали там ледяную шапку. Планета в целом была холоднее, чем раньше. Большая разница температур между полюсами и экватором создавала сильные пассаты, которые приносили влагу из океана вглубь страны. Вызванные этим проливные дожди способствовали быстрому росту этих лесов.

Пермский период

Когда началась Пермская эпоха, континенты вновь собрались вместе, образовав Пангею. Большая часть суши была тогда очень далеко от любой воды. Большая часть Пангеи превратилась в пустыню, и растительная жизнь на суше сократилась. Южная ледяная шапка уменьшилась или исчезла, и мир стал теплее. Огромные каменноугольные леса уменьшились и были в основном заменены папоротниками и ранними хвойными деревьями.

Широколиственные лиственные деревья, называемые Glossopteris, стали обычным явлением на юге. Падение уровня моря обнажило отложения, содержащие такие материалы, как железо, которое затем могло бы забирать кислород из атмосферы.

Наземные животные включали ранних рептилий, а также существ с признаками как рептилий, так и млекопитающих. К последним относились любопытный диметродон, у которого из спины торчала похожая на парус перепонка, и хищники, называемые горгонопсидами. Горгонопсиды входили в группу терапсидов, из которой, вероятно, произошли млекопитающие.

Массовое вымирание

Границы геологических периодов и эпох обычно определяются резкими различиями в толщах или слоях осадочных пород. Одно из видимых различий это окаменелости которые преобладают в разных слоях. Периоды геологической шкалы времени, как правило, разделяются событиями вымирания, а основные эпохи - массовыми вымираниями.

Палеозойская (”старая жизнь“) и мезозойская (”средняя жизнь") эпохи разделены самым драматическим событием. Это событие, которое также отделяет Пермский период от Триасового периода, известно как пермско-триасовое вымирание. Примерно 95 % всех морских видов и 70 % всех наземных видов вымерли за это время. Даже те виды, которые выжили, вероятно, испытали значительную потерю популяции.

Пермско-триасовое вымирание, часто называемое “Великим вымиранием”, произошло около 252 миллионов лет назад. На самом деле в средней и поздней Перми произошла серия вымираний. Окончательное вымирание произошло менее чем за миллион лет, а возможно, и за несколько тысяч.

Причина Пермско-триасовых вымираний достоверно не известна, но выдвигалось много идей. Современные объяснения сосредоточены на факторах, которые могли бы нарушить круговорот питательных веществ и дестабилизировать экосистемы. Например, огромное количество вулканической активности произошло примерно во время вымирания на территории нынешней Сибири и продолжалось около миллиона лет. В целом, обширные извержения высвободили до 3 миллионов кубических километров лавы, которая затвердела в достаточное количество базальта, чтобы покрыть площадь примерно размером с Соединенные Штаты.

Вулканическая активность такого масштаба имела бы несколько серьезных последствий. Большие облака вулканического пепла ограничили бы количество солнечного света, доступного для фотосинтеза. Снижение фотосинтеза приведет к повышению уровня углекислого газа в атмосфере.

Дополнительный углекислый газ, а также метан и другие газы могли быть выброшены в атмосферу в результате выброса вулканических газов. Такие высокие уровни этих газов могли бы вызвать интенсивный парниковый эффект что, в свою очередь, согрело бы не только атмосферу Земли, но и моря. Высокие уровни парниковых газов также увеличивают производство кислотных дождей, что, в свою очередь, повысит кислотность океанских вод.

Снижение фотосинтеза привело бы к снижению уровня кислорода в окружающей среде. Отложения Пермского периода свидетельствуют о низком уровне содержания кислорода в океане того времени. Совокупное воздействие более теплой температуры воды, повышенной кислотности океана, высоких концентраций углекислого газа и низких уровней кислорода значительно изменило бы Пермскую окружающую среду, что сделало невозможным выживание большинства морских беспозвоночных, а также многих других видов.

На протяжении многих лет выдвигался ряд других причин Пермско-триасовых вымираний. Некоторые эксперты высказали предположение, что ассамблея Пангеи, возможно, сократила количество мелководных морей, которые были необходимы для поддержания многих морских сообществ. Другие ученые предположили, что в это время на Землю упала крупная комета или астероид, вызвав экологическую катастрофу. Однако эта идея продолжает вызывать серьезные споры.

Мезозойская Эра

Мезозойская эра (“средняя жизнь”) длилась от 252 до 66 миллионов лет назад. Она делится на три периода: Триасовый (от 252 млн. до 201 млн. лет назад), Юрский (от 201 млн. до 145 млн. лет назад) и Меловой (от 145 до 66 млн. лет назад). Эта эпоха знакома большинству людей лучше, чем Палеозой, потому что Мезозой был эпохой динозавров. Каждый из периодов заканчивался некоторыми вымираниями, но самое драматическое событие произошло в конце мелового периода. Хотя она и не было столь обширным, как пермско-триасовое событие, тем не менее оно положило конец динозаврам и проложило путь к появлению млекопитающих.

Триасовый период

Ранний Триас ознаменовался продолжением существования Пангеи и медленным восстановлением после предыдущих вымираний. Мир быстро заселился большим количеством особей относительно небольшого числа видов, так что биологическое разнообразие было незначительным.

Поскольку Пангея располагалась на экваторе, большая часть континента была жаркой и сухой. Районы, расположенные дальше от экватора, вероятно, имели довольно суровые сезоны, с жарким летом и довольно холодной зимой, наряду с большими сезонными различиями в количестве осадков. В конце триаса Пангея начала распадаться.

Северная и южная части Пангеи имели различные виды растений и животных. На юге леса семенных папоротников, таких как Дикроидиум, заменили Глоссоптерис, который доминировал в пермском периоде. На севере были распространены саговники (нечто среднее между папоротником и пальмой), гинкго и примитивные вечнозеленые хвойные деревья.

Терапевты доминировали в животном мире на юге, в то время как примитивные рептилии известные как архозавры, преобладали на севере. В море обитало множество рыб, а также недавно развившихся водных рептилий, таких как ихтиозавры. На суше ранние динозавры стали обычными в позднем триасе, по-видимому, развившись из архозавров. Маленькие землеройные животные, которые были первыми млекопитающими, также появились в конце этого периода.

Юрский период

Юрский период стал продолжением распада Пангеи. Трещины между разделяющимися континентами стали мелководными морями, и поднявшийся уровень моря затопил некоторые части континентов. В морях росли рифы. Климат в целом был теплее, чем сегодня. Леса росли там, где Австралия и Антарктида начали разделяться, в конечном итоге превратившись в угольные месторождения.

Динозавры сильно разнообразились в юрский период. Некоторые виды достигали огромных размеров, а растениеядные зауроподы, такие как Брахиозавр, вырастали до 12 метров в высоту и весили до 80 тонн. На травоядных охотились плотоядные тероподы, такие как аллозавр.

Некоторые травоядные, такие как стегозавр, развили в себе такие черты самообороны, как бронированные пластины и костяные шипы. Летающие и скользящие без перьев рептилии, называемые птерозаврами, были обычным явлением. Археоптерикс - самое древнее известное животное, которое принято считать птицей, впервые появился в конце Юрского периода. Млекопитающие существовали и в этот период, но оставались небольшими.

Меловой период

Во время мелового периода Атлантический океан расширился. Южный континент Гондвана полностью раскололся, и экваториальное Море Тетис начало сужаться по мере того, как Африка дрейфовала на север к Европе. Индия двинулась на север, в Азию. Климат был теплым, возможно, отчасти из-за того, как были распределены континенты, но также, вероятно, из-за высокого уровня углекислого газа, выделяемого в воздухе от частой вулканической активности. В арктических и антарктических районах можно было встретить не льды, а леса.

В мелководных морях лежали толстые отложения мела - тела бесчисленных морских организмов, производящих раковины. Большая часть глубин океана была в значительной степени лишена жизни, так как плохая циркуляция океана лишала глубины кислорода. Развивались крупные рифовые системы, но многие из них были построены крупными моллюсками, называемыми рудистами, а не кораллами. Большие рептилии, такие как плезиозавры, плавали в море.

Летающие рептилии, такие как птеродактили, были обычным явлением, но их численность уменьшалась, а огромные Птеранодоны и Кецалькоатлы оставались до конца периода. Примитивные птицы продолжали эволюционировать от динозавров - тероподов. Динозавры вообще стали еще более разнообразными в меловой период. Важными тероподами этого периода были устрашающий Тираннозавр Рекс, велоцираптор и овираптор. Двумя наиболее изученными травоядными динозаврами мелового периода были бронированный анкилозавр и большой рогатый трицератопс.

В меловой период также произошли значительные изменения в эволюции растений с первым появлением покрытосеменных, или цветковых растений. Ландшафт, ранее, вероятно, окрашенный всеми оттенками зеленого, возможно, начал приобретать другие оттенки, поскольку эти растения развили привлекательные цветы, чтобы заманить насекомых, которые могли нести пыльцу. В ответ на это сами насекомые быстро диверсифицировались в новые формы.

Довольно современные рептилии, такие как крокодилы и черепахи, встречаются в меловых слоях. Однако динозавры все еще доминировали, и млекопитающие оставались довольно маленькими; многие млекопитающие этого периода проводили большую часть своего времени под землей.

Конец эпохи динозавров

Меловой период закончился довольно внезапно, около 66 миллионов лет назад, когда произошло крупное вымирание, вызвавшее гибель динозавров. Рифы рудистов также исчезли с мелководных морей. Хотя это вымирание и не такое серьезное, как пермско-триасовое, оно является одним из самых страшных из известных: почти 80% всех видов жизни вымерло.

Как и в конце пермского периода, причины вымирания мелового периода широко обсуждались. Огромное вулканическое излияние в то время произошло на территории современной Индии, образовав Деканские ловушки (лавовые пласты). Некоторые ученые предполагают, что такая активность привела к выбросу в атмосферу огромного количества углекислого газа и других газов, что вызвало мощный парниковый эффект с последующим изменением климата и кислотными дождями, подобными тому, что произошло в конце пермского периода. Другие ученые предположили, что перестройка земной суши происходит в результате дрейфа континентов это могло привести к изменению климата и нарушению среды обитания.

Однако наиболее распространенной теорией, объясняющей причины вымирания в меловом периоде, является теория астероидов, предложенная геологом Уолтером Альваресом и его отцом Луисом Альваресом. В 1980-х. Уолтер Альварес обнаружил избыточную концентрацию элемента иридия в осадочном слое, отложившемся на границе между меловым и третичным периодами, известной как граница К-Т. Примерно в 1980 году он и Луис Альварес предложили объяснение. Они сказали, что, поскольку иридий часто встречается в метеоритах этот слой можно было бы объяснить как обломки от удара большого тела, возможно, 10 километров в поперечнике. Опустошение, вызванное таким воздействием, могло легко вызвать массовые вымирания.

Термин третичный период не фигурирует в современной геологической шкале времени, которая показывает палеоген как период, следующий за меловым периодом. Однако третичный период все еще используется учеными, когда речь идет о границе в летописи ископаемых и о массовых вымираниях, которые произошли в конце мелового периода.

К середине 1990-х годов другие исследователи накопили убедительные доказательства того, что крупное столкновение произошло около 65 миллионов лет назад в мелководных морях на том месте, где сейчас находится северное побережье мексиканского полуострова Юкатан.

Исследования гравитационных и магнитных полей в этом регионе показывают огромную круглую особенность, теперь известную как кратер Чиксулуб, примерно 160 километров в диаметре. Керны, пробуренные там нефтяной компанией много лет назад, обнаружили необычную, стекловидную породу на глубине около 1300 метров.

Кроме того, на многочисленных участках в Карибском бассейне и Северной Америке были обнаружены породы, называемые брекчиями и тектитами. Брекчии состояли из смеси фрагментов различных типов горных пород, сплавленных вместе нагреванием. Считается, что тектиты - это материал, выброшенный из мест столкновений, который плавится, а затем растворяется. Эти образцы были определены радиоактивным датированием, чтобы образоваться в момент предполагаемого воздействия.

Экологические последствия такого события были бы очень серьезными. Энергия удара оценивается примерно в 100 миллионов мегатонн - эквивалент 2 миллионов самых мощных ядерных бомб, когда-либо взорванных. Огромные цунами, землетрясения, и сильная жара имела бы почти немедленные последствия. В течение получаса вещество, выброшенное с площадки, должно было вернуться в атмосферу на большей части земного шара. Ударный нагрев воздуха вызвал бы огромные лесные пожары.

Более долгосрочные последствия включали бы почти полное прекращение солнечного света, достигающего земли на большей части земного шара, продолжающееся в течение нескольких месяцев. Химические вещества, произведенные в результате этого события, могли отравить воздух и океаны. Углекислый газ, выделяющийся при испарении донных отложений, мог вызвать мощный парниковый эффект, продолжавшийся сотни лет.

Несмотря на доказательства, подтверждающие теорию астероидов, до сих пор ведутся споры относительно основных причин вымирания мелового периода. Остается также вопрос о том, почему некоторые виды выжили.

Кайнозойская Эра

Кайнозойская эра (“недавняя жизнь”) началась около 66 миллионов лет назад и продолжается по сей день. Она традиционно делится на два довольно неравных периода: третичный и четвертичный. Однако теперь эти периоды определяются как палеоген (66 миллионов - 23 миллиона лет назад), неоген (23 миллиона -  2,59 миллиона лет назад) и четвертичный период (2,59 миллиона лет назад до наших дней). Эти периоды делятся на несколько эпох, причем нынешняя эпоха - голоцен (11 800 лет назад и по сей день). Кайнозой часто называют эпохой млекопитающих, потому что млекопитающие быстро вытеснили рептилий как наиболее выдающихся наземных животных.

В кайнозое тектоника плит привела континенты к их современному положению. Индия врезалась в Азию, создав Гималаи. Южная Америка, бывшая когда-то частью Гондваны, вступила в контакт с Северной Америкой впервые с тех пор, как Пангея распалась, всего за последние несколько миллионов лет.

Климат Земли в кайнозойскую Эру

Климат стал очень теплым, и глобальные температуры достигли своего пика в среднем от 25 до 30° C по сравнению с нынешними 15° C. В то время тропические условия простирались по крайней мере на 45 градусов от экватора, и даже в Северном Ледовитом океане температура могла достигать 20° C. После этого наступило постепенное охлаждение, и в конце концов на Антарктиде и Гренландии образовался лед.

Всего за последний миллион лет или около того климат Земли вступил в новую и драматическую фазу. Суровые ледниковые периоды происходили примерно каждые 100 000 лет. Эти ледниковые периоды были прерваны относительно мягкими интервалами, называемыми межледниковыми периодами, длящимися примерно 20 000 лет.

Ледниковый период

Последний крупный период похолодания достиг своего пика около 18 000 лет назад, когда ледяные щиты толщиной более мили покрывали большую часть Северо-Западной Европы и Северной Америки. Глобальные температуры в среднем составляли около 5-8° C. Лед начал быстро таять около 14 000 лет назад, и в настоящее время находится в Голоценовом межледниковье. В перспективе Земля сейчас значительно теплее, чем в течение большей части последних 100 000 лет, но все же значительно холоднее, чем в среднем за последние 250 миллионов лет.

В начале кайнозоя млекопитающие и птицы быстро заполнили многие экологические ниши, ранее занятые динозаврами и другими рептилиями. Некоторые млекопитающие стали довольно крупными. Индрикотериум, который питался листьями и выглядел чем-то вроде комбинации носорога и жирафа, достигал примерно 4,5 метра в высоту в плече и весил до 15 тонн. Некоторые наземные млекопитающие постепенно адаптировались к водной жизни, в конечном счете эволюционировав в китов и дельфинов. Млекопитающие даже проникли в воздух, как эволюционировали летучие мыши.

Огромные плотоядные и нелетающие птицы, некоторые до 3 метров высотой, взяли на себя некоторые из хищных ролей, которые ранее играли динозавры. Большинство биологов теперь считают, что птицы произошли от некоторых типов динозавров; таким образом, в некотором смысле динозавры никогда полностью не вымерли, а скорее они диверсифицировались в большое количество видов птиц, живущих сегодня.

Растительный мир изменился. Цветущие растения стали доминировать на большей части планеты. К ним относятся травы, которые появились в конце мелового периода, но теперь распространились и создали целую новую экосистему.

Появление людей на Земле

В кайнозое все большее распространение получили приматы. Потомки самых ранних приматов эволюционировали в просимов, а позже они разошлись в обезьян и предков человека. Современные люди появились в последние 300 000 лет или около того, после того, как начался цикл ледниковых периодов и межледниковых периодов. Человеческая цивилизация, включая земледелие и города, не развивалась до голоцена, после того как великие северные ледяные щиты в значительной степени отступили.

Взаимодействие и обратная связь в пределах Земной системы

На протяжении всей истории Земли ее сферы и циклы взаимодействовали различными способами. Водный и углеродный циклы, наряду с другими (такими как азотный цикл и фосфорный цикл) можно понимать как части системы, важнейшей частью которой является биосфера.

В некотором смысле эта система кажется саморегулирующейся. На самом деле, некоторые исследователи, такие как британский ученый Джеймс Лавлок, думают о Земле (главным образом о биосфере) почти как о некоем организме, получившем название Гея. Основная идея состоит в том, что жизнь, как правило, помогает поддерживать условия, необходимые для ее собственного непрерывного существования.

Несмотря на противоречия, очевидно, что жизнь, по крайней мере, в значительной степени сформировала внешние части планеты. Здесь важно использовать понятие обратной связи, как положительной, так и отрицательной. Положительная обратная связь возникает, когда следствие в некотором роде является его собственной причиной. Классический пример - слишком близкое расположение микрофона к громкоговорителю. Звук из динамика улавливается микрофоном, который затем производит еще больше звука из динамика, в порочном круге. Такая система считается неустойчивой.

Отрицательная обратная связь включает в себя процессы, которые являются самокорректирующимися. Простой пример - маятник; чем больше он смещен в одну сторону, тем больше сила, пытающаяся вернуть его туда, где он был. Естественным результатом является колебательное поведение относительно “равновесного” состояния или, по крайней мере, тенденция к тому, чтобы вещи “не выходили из-под контроля". Такое поведение называется стабильным.

Отрицательная обратная связь жизненно важна для поддержания достаточно постоянных условий. Например, возможно, избыток углекислого газа в воздухе стимулирует рост растений, которые тем самым поглощают больше углекислого газа из воздуха. Это будет способствовать тому, чтобы сумма не менялась слишком сильно. Примером положительной обратной связи является идея о том, что повышение глобальных температур приведет к высвобождению метана - парникового газа из хранилищ в вечной мерзлоте или в отложениях в глубоком океане. Это привело бы к “эффекту начальной загрузки”, когда температура будет расти неконтролируемым образом.

На самом деле, климат Земли является прекрасным примером эффектов петель обратной связи в системе, но он управляется внешними влияниями (в частности, Солнцем). Когда появилась Земля, Солнце было всего лишь около 70 % своей нынешней яркости. Жизнь еще не существовала, и не было времени для выветривания горных пород, чтобы похоронить большую часть углекислого газа и метана, выбрасываемого из недр. Эти газы удерживали солнечное тепло и не давали миру замерзнуть.

По мере того как вода и жизнь постепенно удаляли часть этих парниковых газов, температура Земли оставалась почти постоянной в ярком солнечном свете. Ледниковые периоды или жаркие периоды иногда происходили, но процессы отрицательной обратной связи в конце концов приходили на помощь, восстанавливая климат, пригодный для жизни.

Переменная вулканическая активность и изменение положения континентов привели к теплому мезозою и первоначально очень теплому, но затем остывающему Кайнозою, пока в течение последнего миллиона лет климат не стал неустойчивым. Как только ледяные шапки образовались, они стали самовоспроизводящимися, потому что белый лед и снег отражали солнечный свет, вызывая дальнейшее охлаждение. Другие влияния, такие как изменения в нагреве из-за циклов Миланковича, в конечном итоге склонили чашу весов в другую сторону, что привело к быстрому потеплению межледниковий.

Земная система (независимо от того, будет ли она называться Геей), безусловно, имеет много обратных связей, как положительных, так и отрицательных. Понимание этих факторов имеет решающее значение не только для понимания прошлого планеты, но и для предсказания или изменения ее потенциального будущего.

Земля по сравнению с другими планетами

Земля сильно отличается от газовых гигантов внешней Солнечной системы (гораздо меньше и плотнее). Более интересное сравнение можно провести между Землей и двумя ее ближайшими соседями - Венерой и Марсом.

Венера - почти близнец Земли по составу, массе и размерам. Можно было бы подумать, что эти двое имеют схожую историю. Однако Венера находится ближе к Солнцу и поэтому получает больше тепла. В начале истории Солнечной системы это могло бы быть преимуществом, поскольку речь шла о потенциале жизни. Венера, возможно, имела комфортные температуры, будучи ближе к слабому раннему Солнцу.

Возможно, Венере стало немного жарковато, мешая зарождению жизни или, возможно, жизнь - это очень редкое событие во Вселенной, и Венере просто не повезло. Может быть, там было меньше воды, чтобы выдержать скалы. Та вода, которая у неё была, была вскипячена, а затем она распалась на кислород и водород (которые в значительной степени ушли в космос).

Химические реакции после этого произвели масляную серную кислоту для капелек облака вместо воды. При атмосфере, состоящей в основном из углекислого газа и давлении на поверхности в 90 раз превышающем нынешнее значение уровня моря на земле, возник экстремальный парниковый эффект. Температура сейчас составляет около 465° C. Без воды, чтобы увлажнить породу и смазать плиты, ее потенциальная тектоника прекратилась. Теперь это адский, мертвый мир.

Марс, будучи дальше от Солнца, холоднее, хотя ранняя плотная атмосфера, возможно, сохраняла его теплее, чем сейчас. Его меньшая масса и отсутствие магнитного поля позволили большей части его атмосферы вырваться. В нем было разумное количество воды, но она замерзла и теперь лежит в ледяных шапках или в виде вечной мерзлоты под поверхностью. Возможно, на Марсе была или не была микробная жизнь (некоторые ученые полагают, что даже сейчас там могут существовать подземные микробы), но он стал слишком холодным и сухим, чтобы поддерживать значительную биосферу. Это тоже, по-видимому, в основном мертвый мир.

Еще одно различие между Землей и ее соседями заключается в том, что Земля имеет большую Луну, в то время как у Марса есть два крошечных спутника, а у Венеры - ни одного. Гравитационное воздействие Луны вызывает приливы и отливы, а также может помочь стабилизировать ось вращения Земли.

Некоторые ученые считают, что микробная жизнь может быть распространена во Вселенной, но условия, позволяющие эволюционировать и выживать разумным многоклеточным существам, очень редки. Возможно, мы живем в действительно особое время и место в истории вселенной.

Будущее Земли

Принимая во внимание все, что было изучено о прошлом и настоящем Земли, можно обоснованно рассуждать о том, что может ожидать планету в будущем. Это включает в себя изучение двух основных сценариев: один, в котором люди не имеют никакого влияния или роли, и другой, в котором люди влияют на ход событий различными возможными способами.

Тектоника плит должна продолжаться, по крайней мере, через повторную сборку и распад еще одного суперконтинента. Однако радиоактивные изотопы, питающие конвекционные потоки в мантии, постоянно распадаются. В конце концов континенты займут свои окончательные позиции, и вулканы и землетрясения в значительной степени прекратятся.

Если не допустить вмешательства человека (или другого разумного существа), некоторые формы жизни могут существовать миллиард лет и более. Недавняя серия ледниковых периодов и межледниковых периодов может продолжаться миллионы лет. Однако в конце концов смена континентального положения плюс медленно светлеющее солнце принесут теплый, свободный ото льда климат, подобный Мезозойскому. Растения и животные разовьются в новые формы, но, вероятно, некоторые знакомые виды выживут.

Вероятно, время от времени будут происходить столкновения астероидов и комет. Некоторые из них могут вызвать значительные вымирания и изменить ход развития жизни. Однако, если прошлое является каким-то ключом, некоторые виды почти наверняка выживут, чтобы заселить новый и несколько иной мир.

Земля через 100 миллионов лет

В течение нескольких сотен миллионов лет Земля должна стать очень теплой, возможно, с тропическими лесами даже вблизи полюсов. Однако некоторые модели предсказывают, что темпы выветривания силикатных пород возрастут, что позволит снизить уровень атмосферного углекислого газа в достаточной степени, чтобы угрожать жизни растений.

Земля через миллиард лет

Через миллиард лет условия жизни станут настолько жаркими, что многоклеточные формы жизни погибнут, и океаны начнут испаряться со все более высокой скоростью. Только одноклеточные эукариоты и прокариоты могут найти приемлемые условия жизни. Позже даже эукариоты погибнут, оставив только прокариот или других выносливых одноклеточных организмов. Другими словами, основные типы жизненных форм вымерли бы примерно в обратном порядке, в котором они появились.

Возможно, через 1,2 миллиарда лет океаны полностью испарятся. Даже образующийся водяной пар в конечном итоге будет потерян, поскольку ультрафиолетовое излучение Солнца разрывает атомы водорода воды, которые затем улетучиваются в космос.

Земля через 7 миллиардов лет

Через 7 миллиардов лет Солнце будет раздуваться к своей стадии красного гиганта, а его внешние слои в конечном итоге достигнут орбиты Земли. Земля, вероятно, будет несколько удаляться от Солнца, поскольку Солнце теряет массу в космосе. В любом случае, однако, планета превратится в шар магмы, раскаленный на тысячи градусов.

Если Земля переживет фазу красного гиганта солнца, она превратится в холодную, бесплодную скалу, когда ядерные реакции Солнца прекратятся и Солнце сожмется до слабого белого карлика. Земля будет продолжать вращаться по орбите, как это было в течение более чем 12 миллиардов лет, но с холодным, темным будущим.

Если это произойдет, то биосфера просуществует около 5 миллиардов лет, из которых три четверти уже прошли. Однако этот сценарий не вполне ясен, в основном потому, что люди или другие разумные потомки могут сыграть жизненно важную роль. В краткосрочной перспективе высвобождение захороненного углерода от человеческой деятельности угрожает нагреть планету до уровня, с которым современной цивилизации еще не приходилось иметь дело.

Однако в очень долгосрочной перспективе биосфера, вероятно, приспособится к новым условиям. В конце концов, в очень отдаленном будущем, наши потомки столкнутся с проблемой очень постепенного осветления Солнца.

Вполне возможно, что астероид можно перенаправить так, чтобы он поворачивался вокруг Земли и Юпитера каждые несколько тысяч лет, давая Земле мягкий рывок, чтобы увеличить свой орбитальный радиус. Другим вариантом было бы поместить большой диск между Землей и Солнцем, чтобы затенить землю и сохранить ее прохладнее. Если бы наши потомки действительно осуществили такие планы, то продолжительность жизни биосферы могла бы быть увеличена на миллиарды лет. В этом случае жизнь действительно помогла бы определить свою собственную судьбу.