Валерий Савченко - Начала современного естествознания: концепции и принципы

• Название: Начала современного естествознания: концепции и принципы
• Автор: Валерий Савченко
• Издательство: «Феникс»
• Жанр: Философия
• Год: 2006
• ISBN: 5-222-09157-0

В данном пособии самым подробным образом рассмотрены основные естественноисторические этапы становления и развития науки, вопросы философии науки и естествознания, фундаментальные концепции, принципы и положения классического механистического и термодинамического, неклассического полевого и квантово-полевого и постнеклассического эволюционно-синергетического и диссипативно-структурного естествознания. Рассмотрены вопросы связи математики и отражаемой ей естественнонаучной реальности мира. В конце каждой главы и некоторых наиболее сложных параграфов даны резюме, предложены вопросы для обсуждения. Дано около 400 тем рефератов и свыше 400 тестовых вопросов для контроля усвоения и аттестации теоретического материала пособия.

Предназначено для студентов очной и заочной форм обучения гуманитарных и социально-экономических специальностей вузов, а также для обучающихся по дистанционным технологиям. Пособие может быть полезно преподавателям данной учебной дисциплины и широкому кругу лиц других специальностей и профессий, в том числе, студентам естественнонаучных и инженерно-технических специальностей, всем, интересующимся вопросами истории, становления и развития классического, неклассического и постнеклассическтого естествознания, а также проблемами естествознания новейшего времени и его ролью в развитии науки и культуры.

---

Земля единственная из всех планет обладает кислородной атмосферой и гидросферой — жидкой водой на поверхности. Не исключено, что когда-то жидкая вода была и на Марсе, а сейчас она присутствует в виде захороненного под пылью льда.

Внутреннее строение планет изучено весьма слабо. Больше всего мы знаем о Земле, о которой дальше будет сказано особо. Модели внутреннего строения для остальных планет земной группы строятся по аналогии с Землей.

Планеты-гиганты представляют собой огромные газовые шары, возможно, чаще всего жидкие, т. е. не имеющие твердой поверхности, как у планет земной группы. Из-за своих больших масс и достаточной удаленности от Солнца, гиганты удержали почти полностью легкие газы, преобладавшие в протопланетном облаке, — водород и гелий, из которых и состоят, в основном, их необычайно мощные атмосферы. В горячих глубоких недрах планет-гигантов (до 20 тыс. градусов), вероятно, все же присутствуют твердые ядра, составляющие очень небольшую часть каждой планеты по массе.

Причина различий в строении планет земной группы и планет-гигантов, не исключено, связана с их расстоянием от Солнца. Так, самая удаленная планета земной группы — Марс, находится всего в 1,52 а. е. от Солнца, тогда как ближайший гигант — Юпитер, в 5,20 а. е. Вблизи Солнца большая часть легких газов из атмосфер планет была «выметена» солнечным излучением в более далекие области, в открытое космическое пространство.

7.2. Геосферы и эволюция Земли

Теперь конкретно о Земле. Непосредственные наблюдения показывают, что Земля представляет собой твердое тело, окруженное водной и газовой оболочками — гидросферой и атмосферой. Две последние обычно объединяются в географическую оболочку (см. п. 7.3).

Средний радиус Земли — 6371 км, плотность — 5517 кг/м3, масса — 5,973 · 1024 кг, на гидросферу приходится около 1,4 · 1021 кг (чуть менее 0,025 %) и на атмосферу — 5,16 · 1018 кг (около одной миллионной полной массы). Земля имеет почти сферическую форму, слегка сплюснута с полюсов и состоит из трех основных концентрических слоев или сфер: ядра, мантии и коры. Около 70 % поверхности Земли покрыты водой, включая обе полярные ледяные шапки. Средняя скорость движения вокруг Солнца — 30 км/сек. Ось вращения Земли наклонена по отношению к плоскости орбиты на 23,5 градуса, что является причиной смены времен (сезонов) года.

Поверхность Земли сильно неоднородна. Прежде всего бросаются в глаза такие ее крупнейшие образования, как океаны и материки. Затем — неровность поверхности самих этих образований и их вещественная неоднородность (в основном на материках). Твердое тело Земли изучает геология, которая начиналась как прикладная наука, призванная разрабатывать методы поиска полезных ископаемых.

Геологи довольно быстро установили, что земная твердь отнюдь не незыблема. Эрозия понижает высокие горы, в среднем, где-то на несколько десятых долей миллиметра в год. То есть на несколько сотен метров за миллион лет. Это большая скорость. Даже если она была бы в 10 раз меньше, первых сотен миллионов лет хватило бы, чтобы разровнять любые горы в плоскогорья. А Земля существует, по современным оценкам, примерно 4,65 миллиарда лет. Следовательно, горы не только разрушаются, но и растут, так же, как образуются и месторождения полезных ископаемых.

Все геологические структуры являются диссипативными структурами, которые возникают и поддерживаются за счет диссипации внутренней энергии Земли и одновременно изменяются за счет поглощения и рассеяния энергии Солнца.

Внутренняя энергия Земли образовалась благодаря многим процессам, выделим два из них — аккрецию и радиоактивность.

Предполагается что большая часть массы Земли связалась воедино за сравнительно короткое время (порядка миллионов лет), в основном, как уже отмечалось выше, за счет образования и последующего объединения (слипания) планетезималей в крупные образования. После того, как масса Земли достигла почти современной массы, но еще не приобрела атмосферы, беспрепятственное падение метеорных и астероидных тел на ее поверхность (аккреция) приводило к выделению значительной гравитационной энергии и нагреву. При этом доля тепла, идущая на нагрев недр молодой планеты, была тем больше, чем крупнее были падающие тела. Сильные удары приводили к частичному плавлению вещества в ограниченной области, но, в целом, температура растущей Земли не достигала температуры плавления, а оказалась не выше 600–800 градусов Цельсия. Примерно через 400–500 млн лет образовалась атмосфера и температура Земли снизилась почти до современной.

Среди признаваемых современных гипотез об образовании Солнца есть и та, что Солнце — звезда второго поколения, то есть оно образовалось не из первичного газа, а в значительной степени из вещества, выброшенного взрывами сверхновых звезд первого поколения, обогащенного тяжелыми элементами, в том числе и радиоактивными. Причем, кроме известных нам долгоживущих радиоактивных элементов — урана, тория и калия (который уже практически весь распался), в нем присутствовали и короткоживущие радиоактивные элементы (с периодом полураспада порядка десятков миллионов лет). Оценки показывают, что радиоактивного тепла могло быть достаточно для сильного разогрева и расплавления значительной части внутреннего объема планеты.

Разогрев и расплавление способствовали ускорению дифференциации недр планеты. Гравитационная дифференциация привела к расслоению вещества, в соответствии с плотностью тех или иных химических соединений. Тяжелые, нелетучие компоненты тонули, а легкие, летучие всплывали (возможно, что так, в частности, возникло железное ядро в центре и атмосфера с гидросферой на поверхности). Дифференциация также приводила и к дополнительному выделению гравитационной энергии.

Сейчас выделение радиоактивного тепла продолжается только за счет трех долгоживущих радиоактивных элементов, и оно примерно уравновешивает потери в окружающее пространство. Возможно, оно несколько меньше этих потерь (и Земля понемногу остывает), хотя точно этого утверждать нельзя. Во всяком случае, несмотря на довольно эффективное расслоение, Земля еще далека от равновесия и продолжает жить и совершенствовать свою геосферную структуру.

Сведения о внутренней структуре Земли нам дают сейсмологические, гравиметрические, электрические и магнитные измерения в сочетании с лабораторным исследованием вещества при высоких температурах и давлениях.

В самом грубом приближении строение Земли можно представить в виде концентрических слоев — геосфер. Сверху до глубины в несколько десятков километров простирается земная кора. Толщина ее неравномерна: максимальна под горами — до 70 км, и минимальна под океанами — 5-10 км. Подошва коры определяется как граница раздела, на которой скорость сейсмических волн скачком увеличивается на 1,5–2 км/с. Это увеличение связано с изменением плотности, которое, в свою очередь, скорее всего, связано с изменением химического состава вещества.

Кора, в свою очередь, также подразделяется на несколько сфер. Самый верхний — осадочный, состоит из плохо консолидированных осадков — продуктов разрушения коренных пород, затем следует «гранитный» или «гранито-метаморфический» слой (скорости сейсмических волн соответствуют таковым в гранитах) и нижний «базальтовый». Толщины этих сфер (слоев) варьируются очень сильно. По всей поверхности планеты присутствует лишь самый нижний — «базальтовый» слой; «гранитный» слой практически отсутствует в океанах, то есть на большей части поверхности Земли; осадочный слой может превышать по толщине 10 километров в областях длительного прогибания земной коры и вообще отсутствовать в областях поднятий.

Под корой расположена мантия, для которой предполагается так называемый ультраосновной состав (меньше, чем в базальтах, кремния и алюминия и больше железа и магния). Кора вместе с самой верхней частью мантии образует литосферу — состоящую из жесткого непластичного материала сферу, толщиной около 100 км, покрывающую Землю. Ниже находится астеносфера (ослабленная сфера) — слой с пониженной по сравнению с литосферой вязкостью и скоростью сейсмических волн. Астеносфера выполняет демпфирующую роль для поднимающейся из недр верхней мантии, не позволяя ей разрывать поверхность земной коры. Глубже 250 км скорость волн и вязкость снова нарастают.

Мантия Земли отделена от земной коры поверхностью или границей Мохоровичича. Мантия разделяется на верхнюю, толщиной 630 км, и нижнюю, толщиной 2290 км. Температура мантии составляет 1500–2000 градусов Цельсия. Простирается она до глубины 2900 км, где проходит ее граница Гутенберга с ядром. Внешнее ядро Земли расплавленное, жидкое, толщиной 2200 км, распространено до глубины 5000–5100 км и состоит в основном из железа и никеля. Глубже находится внутреннее твердое ядро диаметром 2500 км, по-видимому, того же состава, что и внешнее ядро. Его твердое состояние говорит о том, что рост температуры плавления, обусловленный ростом давления, на этой глубине опережает увеличение температуры. Его же температура достигает 5000 градусов Цельсия. (Есть, однако, гипотеза геолога Ю. А. Колясникова, что ядро может быть твердым водородно-гелиевым, в чем нет особой интриги, поскольку образование и звезд и планет происходило всегда из водород-гелиевых облаков, но гипотеза эта малоизвестна).