Походження Сонячної системи і Землі
Розв'язання питання про походження Землі і Сонячної системи в цілому значною мірою ускладнюється тим, що інших подібних систем ми не спостерігаємо. Нашу Сонячну систему поки що ні з чим порівняти, хоч системи подібні до неї, мають бути досить поширені і їх виникнення повинно бути не випадковим, а закономірним явищем.
У наш час, перевіряючи ту чи іншу гіпотезу про походження Сонячної системи, великою мірою виходять із даних про хімічний склад і вік порід Землі та інших тіл Сонячної системи. Найточніший метод визначення віку порід полягає в обчисленні відношення кількості радіоактивного урану до кількості свинцю, шо містяться в розглядуваній породі. Справа в тому, що свинець є кінцевим продуктом самодовільного розпаду урану. Швидкість цього процесу відома точно, і змінити її не можна жодним способом. Чим менше урану лишилось і чим більше свинцю стало в породі, тим більший її вік. Найдавніші гірські породи земної кори мають вік кілька мільярдів років. Земля в цілому виникла, очевидно, дещо раніше, ніж земна кора.
Вивчення скам'янілих решток тварин і рослин показує, що за останні сотні мільйонів років випромінювання Сонця істотно не змінилося. За сучасними оцінками, вік Сонця становить близько 5 млрд. років. Сонце лише ненабагато старше від Землі.
У розвитку матеріалістичного світогляду величезну роль відіграли вже перші наукові припущення про походження Сонячної системи. Такою була гіпотеза німецького філософа І. Канта, розроблена на основі закону всесвітнього тяжіння. У середині XVIII ст. він висловив ідею про виникнення Сонячної системи з хмари холодних пилинок, що перебували в хаотичному русі. У 1796 р. французький учений П. Лаплас докладно описав гіпотезу про утворення Сонця і планет з газової туманності, яка вже оберталась. Лаплас врахував основні характерні риси Сонячної системи, що їх повинна пояснити будь-яка гіпотеза про її походження: основна маса системи зосереджена в Сонці; орбіти планет і супутників майже колові й лежать майже в одній площині; відстані між ними зростають за певним законом; майже всі планети обертаються не тільки навколо Сонця, а й навколо своїх осей в одному напрямі. Свою гіпотезу він будував на основі уявлень про те, що й планети, і речовина, з якої вони утворились, первісно були в гарячому, розплавленому стані.
Нині вчені дійшли висновку, що Земля ніколи не була ні газовою, ні вогняно-рідкою.
На сьогодні найдокладніше розроблено гіпотезу, основи якої закладені працями радянського академіка О. Ю. Шмідта (1891 —1956) в середині нашого століття.
За гіпотезою Шмідта, планети виникли з речовини величезної холодної газопилової хмари, частинки якої по найрізноманітніших орбітах оберталися навколо Сонця, що незадовго до цього сформувалось. З часом форма цієї хмари змінювалась. Зіткнення частинок та обмін енергією між ними призводили до того, що хмара поступово сплющувалася, а орбіти частинок ставали коловими. Більші частинки приєднували до себе менші. Став переважати рух в одному напрямі. Виникали згустки речовини, яка тепер розподілялась у вигляді диска, що мав товщину, в тисячу разів меншу від його діаметра. Найшвидше зростала маса найбільших згустків. Потім з великої кількості «розсипчастих» грудок речовини, що утворилися спочатку, виникло кілька великих тіл — планет (мал. 66). За розрахунками, Земля виросла до її сучасної маси за кілька сотень мільйонів років. Холодна на поверхні, вона почала розігріватися всередині внаслідок розпаду радіоактивних елементів. Це зумовило розплавлення земних надр. Важкі елементи утворили ядро, а легкі спливли й утворили кору. У рої частинок, що оточував зародки планет, теж відбувався процес злипання частинок, і виникли супутники планет.
Частинки і тіла різного розміру (діаметром до кількох кілометрів) продовжували падати на планети і їхні супутники й після утворення їх кори. Ударившись об поверхню планет і супутників з космічною швидкістю, вони вибухали й утворювали численні кратери.
Гіпотеза про походження Сонячної системи з газопилової хмари дає змогу пояснити відмінності фізичних характеристик планет земної групи і планет-гігантів.
Внаслідок сильного нагрівання хмари поблизу Сонця водень і гелій звітрювались на її окраїни і в планетах земної групи вони майже не збереглись. У віддалених від Сонця частинах газопилової хмари панувала низька температура, тому гази тут намерзали на тверді частинки. З цієї речовини, що містила велику кількість водню й гелію, утворилися планети-гіганти. Об'єм і маса цієї віддаленої від Сонця частини хмари були значно більші, ніж тієї, де утворилися планети типу Землі. Тому планети-гіганти мають більшу масу.
Про походження малих тіл Сонячної системи (астероїдів і комет) існує кілька різних гіпотез.
Так, понад сто років тому було висловлено припущення, що астероїди — це осколки планети, яка існувала між Марсом і Юпітером, але з якоїсь причини зруйнувалась. Б. О. Воронцов-Вельямінов (автор підручника) вважає, що всі малі тіла Сонячної системи мають спільне походження. Вони могли утворитися з різних частин цієї колись великої і неоднорідної планети внаслідок її вибуху. Гази, пара і дрібні частинки, які після вибуху змерзлися у космічному просторі, стали ядрами комет, а уламки більшої густини — астероїдами, що, як показують спостереження, мають явно форму уламків.
Численні кометні ядра, як дрібніші й легші, при своєму утворенні дістали великі й по-різному напрямлені швидкості й відійшли дуже далеко від Сонця (або назавжди покинули Сонячну систему).
Інше можливе пояснення походження малих тіл враховує, що далеко не всі зародки виросли в планети. Багато з них залишилися в Сонячній системі як астероїди і метеоритні тіла. На великих відстанях від Сонця ці зародки існують досі у вигляді окремих льодяних брил з домішкою твердих частинок речовини. Це ядра комет, які утворюють величезну хмару, що простягається далеко за межі орбіти Плутона.
Більша частина комет рухається по своїх орбітах на периферії Сонячної системи. Притягання Юпітера може перетворити орбіти деяких з них на дуже витягнуті еліпси, рухаючись по яких комети потрапляють усередину планетної системи. Вони несуть у собі речовину, що збереглася в «космічному холодильнику» з часу їх формування мільярди років тому. На планетах, де за цей час відбувалися розплавлення, кристалізація та інші фізико-хімічні процеси, первісний склад і будова речовини дуже змінилися.
Сучасні дані про вік і хімічний склад порід на різних тілах Сонячної системи цілком узгоджуються з гіпотезою Шмідта, розвинутою в працях інших учених.
Розрахунки, що проведені за допомогою комп'ютерів і враховують наявність магнітного поля та ряд інших факторів, дають змогу пояснити походження планетної системи з газопилової хмари, яка оточувала близько 5 млрд. років тому молоде Сонце. Проте деякі аспекти цього тривалого складного процесу продовжують вивчати й уточнювати.
Ерозійні процеси. Види ерозії
Перетворення гірської породи в ґрунт проходить у результаті одночасних і тісно пов'язаних процесів вивітрювання і рельєфоутворенння.
Вивітрювання - це процес руйнування та зміни поверхневих порід і мінералів земної кори. Залежно від чинників дії розрізняють фізичне, хімічне та біологічне вивітрювання.
Фізичне вивітрювання - це руйнування гірських порід під впливом води, вітру і температури.
Руйнування гірських порід проходить у результаті неоднакового розширення чи зжимання різних мінералів, які в свою чергу, мають різні коефіцієнти розширення у різних напрямках. Останнє явище є причиною руйнування однорідних кристалів і порід.
Вода, що попадає в тріщини, зумовлює капілярний тиск на породу до 1500 атм., а замерзаюча вода - до 890 атм.
Значної дії завдають також солі, що викристалізовуються із розчинів тощо.
Фізичне вивітрювання різко збільшує поверхню стикання породи з оточуючим середовищем, що створює умови для хімічного та біологічного вивітрювання.
Хімічне вивітрювання - це зміна та руйнування гірських порід і мінералів під впливом хімічних процесів з участю води, вуглекислого газу, кисню і температури.
Вода вступає з мінералами в реакції гідролізу, гідратації. Кисень повітря окислює мінерали, які містять елементи, здатні до окислення. Вуглекислий газ з водою утворює вугільну кислоту, хоч слабку, але здатну до реакцій з різними сполуками. Температурний фактор впливає на швидкість хімічних реакцій (за зростання температури на кожні 10 °C пришвидшується перебіг хімічних реакцій в 2-2,5 рази).
Біологічне вивітрювання - це процес механічного руйнування та хімічної зміни гірських порід й мінералів під впливом рослинних і тваринних організмів та продуктів їх життєдіяльності. У процесі біологічного вивітрювання беруть участь бактерії, ціанобактерії (синьо-зелені водорості), діатомові водорості, лишайники, мохи, вищі квіткові рослини, а також тваринні організми - комахи, черви, дрібні хребетні тощо.
Наприклад, рослини і мікроорганізми виділяють вуглекислий газ і різні органічні кислоти, які руйнують мінерали та гірські породи. Корені рослин механічно розширюють тріщини. Залізобактерії окислюють та руйнують сполуки заліза тощо.
Процеси вивітрювання перетворюють гірську породу в подрібнену масу, яку називають рухляком, а далі в материнську ґрунтотвірну породу, яка є основою для подальшого процесу утворення ґрунту.
Рельєфоутворенння - це сукупність різних хімічних, фізичних і біологічних процесів і явищ, які зумовлюють виникнення та дальший розвиток ґрунтів.
Враховуючи, що основною властивістю ґрунту є його родючість, рельєфоутворенння розглядається також як процес виникнення і нагромадження у поверхневому шарі земної кори якісно нової властивості - родючості.
Залежно від чинників цього процесу, В.В. Докучаєв виділив наступні фактори рельєфоутворенння: кліматичний, біологічний, материнська порода, рельєф, вік ґрунту. Пізніше, його наступниками був виділений ще один фактор - господарська діяльність людини.
Кліматичний фактор. Найважливішими його складовими є температура, опади і рух повітря.
Так, температура і кількість опадів впливають на напрямок та інтенсивність різних фізичних, хімічних і біологічних процесів, що проходять у ґрунті. Водні та температурні умови ґрунту визначають різноманітність ґрунтових мікроорганізмів, накопичення, синтез і розпад біомаси та, відповідно, утворення гумусу. Рух повітря викликає здування найдрібніших частинок ґрунту (пилу, глини) та впливає на інтенсивність газообміну між ним і атмосферою.
Слід зазначити, що закономірна зміна саме кліматичних умов від полюсів Земної кулі до екватора, а в горах - від підніжжя до вершин є причиною виникнення явища зональності ґрунтів.
Біологічний фактор - це провідний чинник рельєфоутворенння. Тільки під впливом живих організмів материнська ґрунтотвірна порода набуває родючості, що визначається як здатність ґрунту забезпечувати рослинні організми всім необхідним для реалізації їх продуктивності.
У процесі рельєфоутворенння приймають участь ті ж організми, що і у вивітрюванні. Рослини є основним джерелом надходження в ґрунт органічних сполук, які переробляються мікроорганізмами, переважно бактеріями та грибами. Так, в 1 г ґрунту може бути до кількох мільярдів нітрифікуючих, амоніфікуючих, залізо- та інших видів бактерій.
Активну участь у процесі рельєфоутворенння відіграють тварини - найпростіші, комахи, черви, дрібні хребетні та інші. Кількість найпростіших у ґрунті, хоч і менша, ніж бактерій, але досить значна - від 10 до 100 тис. на 1 г. Велика роль у процесі рельєфоутворенння належить дощовим черв'якам, які сприяють утворенню гумусу, розпушують і перемішують ґрунт. Так, на одному гектарі родючого чорнозему може жити 2 т дощових черв'яків, які за рік переробляють до 80 т ґрунтової маси.
Комахи, їх личинки та дрібні хребетні, які живуть у ґрунті, також розпушують його, збільшуючи водо- та повітряпроникність, переробляють рослинні рештки, збагачують ґрунт гумусом та елементами мінерального живлення рослин.
Отже, внаслідок життєдіяльності живих організмів у поверхневому шарі материнської породи накопичуються органічні речовини, що є основною умовою утворення родючості.
Між ґрунтом, материнською породою та організмами встановлюється обмін речовин, який дістав назву малого біологічного кругообігу.
Материнська, або ґрунтотвірна, порода утворюється внаслідок вивітрювання гірських порід і мінералів та є основою для формування ґрунту. Вона визначає мінералогічний склад, а отже, хімічні та фізичні властивості ґрунту. Наприклад, за високого вмісту в материнській породі карбонатів, ґрунти з кислою реакцією не утворюються.
Рельєф впливає опосередковано на формування ґрунту через перерозподіл тепла і вологи, через зміну материнських порід у просторі. Розрізняють макрорельєф - гори, плато, низовини, - який викликає зональність у поширенні ґрунтів; мезорельєф - долини річок, горби тощо, - який перерозподіляє зональні екологічні фактори; і мікрорельєф - нерівності поверхні ділянок ґрунту.
Господарська діяльність людини, або антропогенний фактор, на сьогоднішній день вносить значні зміни в процес рельєфоутворенння. Так, людина обробляє близько 10% площі суходолу планети. В Україні розораність земель становить 57%, а в окремих районах Тернопільської області - 92-94%, для порівняння у США - 27%.
Джерела енергії для процесів вивітрювання - енергія Сонця і фізико-хімічний вплив атмосфери і гідросфери. Клімат визначає виборчий розвиток основних генетичних типів вивітрювання і впливає на швидкість їхнього плину. Денудація по загальному характері впливу - процес зниження земної поверхні. Підрозділяється на загальну, чи площинну, і лінійну, що розвивається вибірково. Акумуляція - процес підвищення земної поверхні. Може бути регіональної і локальний.
Генетичні типи денудації й акумуляції залежать від фізико-географічної обстановки; виникнення процесів, їх швидкість і тривалість цілком відповідають джерелам енергії. Денудація й акумуляція протікають тільки при наявності нерівностей земної поверхні і припиняються при їхньому знищенні. У геоморфологічному аспекті ендогенні фактори породжують нерівності земної поверхні, екзогенні фактори - нівелюють їх.
Від співвідношення ендогенних і екзогенних факторів залежить ступінь вирівнювання. На поверхні суші, у епіконтинентальних морях, озерах, ріках виділяються дві основні обстановки розвитку екзогенних процесів: субаеральна (наземна) і субаквальна (підводна). У межах суші розрізняються платформна й орогенная обстановки, що характеризуються різним розвитком екзогенних процесів і корелятивних їм відкладень.
