Жер планетасының эволюциясы

Жерді Күн жүйесінің планетасы әрі аспан денесі ретінде қарастырсақ, ол шамамен 4,7 млрд жыл бұрын диск тәрізді айналып тұрған газ-шаң бұлтынан қалыптасты. Протопланеталық бұлттың температурасы туралы көзқарастар әртүрлі: бір зерттеушілер тобы (В. Гольдшмидт, Г. Джеффрис, В. Г. Фесенков және т.б.) бұлт ыстық болды десе, екінші топ (В. И. Вернадский, О. Ю. Шмидт, Р. Руби, А. П. Виноградов және т.б.) оны суық болды деп есептейді.

Газ-шаң бұлттан планеталардың қалыптасуы

Жер Күнді шамамен 30 км/с жылдамдықпен айналады. Протопланеталық газ-шаң бұлттарында да заттар осыған ұқсас айналу қозғалысын сақтаған. Центрге тартқыш күштердің әсерінен бұлттағы қатты бөлшектер бір-бірімен соқтығысып, жабысып, қар түйіршіктері секілді бірігіп, біртіндеп ірі денелерге айналған.

Бастапқыда «жинақталып түзілу» үдерісі өте жылдам жүрген: әр сағат сайын Жерге орта есеппен 10–15 млрд тонна метеориттік зат түсіп отырған.

Кейін Жер орбитасынан шаңның көтеріліп кетуі массаның өсуін бәсеңдетті. Бұл үдеріс бүгін де өте баяу түрде жалғасады: қазіргі есеп бойынша Жер массасы космостық шаң мен метеориттер есебінен жылына шамамен 100 млн тоннаға өседі.

Алғашқы еру және ядроның түзілуі

Суық заттардың қысқа уақытта жинақталып, сығылуы және химиялық элементтердің радиоактивті ыдырауы бастапқы геосфераның еруіне әкелді. «Аймақтық еру» деп аталатын осы үдерістің нәтижесінде ауыр элементтер орталыққа шоғырланып, диаметрі шамамен 7000 км болатын ауыр ядро түзді.

Ядродағы температура мен қысым өте жоғары болғандықтан, ондағы заттардың көпшілігі металлдық күйге өтеді. Электрон қабаттары бұзылғанда, экваторға параллель бағытталған электрондардың алып «сақиналары» пайда болып, олар оське перпендикуляр тұрақты магнит өрісін туғызады.

Осылайша Жердің ішкі құрылысы ірі магнитті диполь (екі полюсті магнит) ретінде сипатталады.

Бұл магнит өрісі органикалық тіршілікті жойып жібере алатын космостық сәулелердің зарядталған бөлшектер ағынынан қорғайды. Дегенмен Күн белсенділігі күшейген кезеңдерде бөлшектер ағыны кейде магнит өрісінен өтіп, магниттік дауылдарға, радиобайланыстың бұзылуына және полярлық шұғылаға әкелуі мүмкін.

Заттардың тығыздық бойынша бөлінуі: мантияның рөлі

Жер затының тығыздығы бойынша бөлінуі — аса күрделі және бүгінге дейін жалғасып жатқан үдеріс. Ол ядро мен мантия шекарасында, шамамен 3000 км тереңдікте жүруі мүмкін деген жорамал бар. Радиоактивті ыдыраудан бөлінген энергия әсерінен төменгі мантияның ауырлау қатты заттары ядроға қарай батып, ал жеңіл заттар мантияның жоғарғы қабаттарына көтеріледі.

Мантия заты өте тығыз әрі жабысқақ; құрамы басым түрде метал емес, көбіне силикатты материалдардан тұрады. Сондықтан Жерді жалпы алғанда темір-никельді ядро мен силикатты мантиядан тұрады деуге болады.

Жылуды нашар өткізетін силикаттардың қалың қабаты Жердің қызған ішкі бөлігінен бөлінетін жылудың сыртқа шығуын тежейді. Мантияның жоғары бөлігінде қысым аз болғандықтан, сол аймақта жыныстар көбірек балқиды — бірақ бұл балқу жаппай емес, таңдамалы (аралық) сипатта өтеді.

Астеносфера, магма және литосфераның қалыптасуы

Таңдамалы балқу нәтижесінде мантияның ең жоғарғы бөлігінде астеносфера түзіледі (латынша — «әлсіз сфера»). Бұл қабатта заттар балқыған күйде болғандықтан, олардың ағуға икемділігі өте жоғары.

Жер қыртысында сызат пайда болғанда, астеносфера заты магма түрінде жоғары көтеріле бастайды. Вулкандардың «тамырлары» да осы аймақпен байланысты. Мұнда энергияның бөлінуі мен жинақталуы жанартаулар мен жер сілкіністерін, сондай-ақ жер қыртысы бөліктерінің тұрақтылығы мен қозғалмалылығын анықтайтын үдерістерді туындатады.

Магма кейбір минералдардың ғана балқуынан түзілетіндіктен, оның құрамы бастапқы жыныстардан өзгеше болады. Құрамы көбіне базальт қабатына ұқсас, ал тығыздығы мантияның терең қабаттарымен салыстырғанда төменірек.

Жеңіл базальтты магма бөліктері Жер бетіне шығып, суып қатайған. Уақыт өте ауыр силикаттардың төмен түсуі және базальтты магманың көбірек көтерілуі нәтижесінде Жерді тұтас жауып тұрған базальтты қыртыс қалыптасқан.

Демек, базальтты қыртыс, мантия және ядроның қалыптасуы таңдаулы (аймақтық) балқу үдерісімен тығыз байланысты. Бұл — бастапқы магманың дифференциациялануы мен жер қыртысын құрайтын тау жыныстарының пайда болуына бастау берген ұзақ тізбектегі алғашқы маңызды қадамдардың бірі. Келесі ірі үдерістердің бірі ретінде химиялық үгілу қарастырылады.

Атмосфера мен гидросфераның пайда болуы

Жер беті, яғни литосфераның қалыңдығы континенттерде 40–60 км, мұхит түбінде 7–10 км-ге дейін жетеді. Ол геосфера бетінің суынуы және құрамында су мен еріген газдары бар базальтты магманың Жер бетіне шығуы нәтижесінде қалыптасты.

Базальтты литосфераның түзілуі жанартаулар белсенділігінің күрт артуына әкеліп, жер қойнауынан азот, көмірқышқыл газы, сутегі және су буының бөлінуін күшейтті. Осылайша атмосфера мен гидросфераның бастау көздерінің бірі ретінде вулкандық газдар қарастырылады.

Алғашқы атмосфера мен гидросфера құрамында метан, су буы, аммиак, сутегі, азот және көміртегі оксидтерінің белгілі бір үлесі болған. Бұл заттардың біразы бүгінгі жанартаулар шығаратын газдар құрамында да кездеседі.

Еркін (бос) оттегі болмаған: оттегінің басым бөлігі химиялық қосылыстар құрамында байланысқан күйде болған.

Жер тарихының бастапқы кезеңдерінде атмосфера мен гидросфера жоғары температура әсерінен біртұтас «атмогидросфера» күйінде болып, қазіргі кездегідей айқын бөлінбеген. Кейін геохимиялық және геологиялық үдерістер, сондай-ақ температураның төмендеуі нәтижесінде таяз Әлемдік мұхит пайда болып, бірте-бірте көлемі ұлғайып, қазіргі деңгейіне жеткен.

Су буы конденсацияланып, ұзақ уақыт жаңбыр түрінде жауған. Соның нәтижесінде базальтты жыныстар шайылып, тұздар еріп, жыныстар үгітіліп, материалдар төмен аймақтарға тасымалданып көлдер түзілген. Көлдер көбейіп, бірігіп, алғашқы мұхитты қалыптастырған.

Ұшқыш заттар, химиялық құрам және «жұмыртқа» ұқсатуы

Әлсіз гравитациялық күштер мен жоғары температура планета жаңа пайда болған кезде ұшқыш заттардың едәуір бөлігінің планетааралық кеңістікке шашырап кетуіне себеп болды. Осы кезде ұшпайтын минералдар — силикаттар құрамындағы оттегінің салыстырмалы үлесі артқан.

Азоттың көп бөлігі де ұшып кеткен, өйткені нитридтер тұрақсыз және ұшып кетуге бейім. Сондықтан қазіргі Жердегі көміртектің мөлшері шамамен 0,034% деп беріледі.

Бейнелі түрде Жерді «ортасы бөлінген, сыртқы қабығы жоқ жұмыртқаға» ұқсатуға болады: жер қыртысы — жұқа қабықша, мантия — ақуыз, ал ядро — сарысы.

Алғашқы геосфераның алдымен қатты қызуы, кейін суынуы Жер материясының әртүрлі агрегаттық күйлерге дифференциациялануына әкелді: қатты қызған ауыр металлдық ядро, балқыған жабысқақ мантия, қатты литосфера, сұйық гидросфера және газды атмосфера.

Гравитациялық дифференциация және Жер қабаттары

Жер эволюциясындағы негізгі үдерістердің бірі — заттардың салмағы мен тығыздығына байланысты гравитациялық дифференциация: ауыр заттар төменге, орталыққа шөгеді, ал жеңіліректері жоғары көтеріледі. Нәтижесінде Жер қабаттарға бөлінді; тереңдеген сайын ауыр компоненттердің үлесі арта түсті.

Қазіргі Жер қабаттары (жоғарыдан төменге қарай):

Атмосфера — 5,3 × 10²¹ г ауа (Жер массасының шамамен 1/10000001 бөлігі).
Гидросфера — 1,46 × 10²⁴ г су (Жер массасының шамамен 1/4000 бөлігі).
Жер қыртысы — 4,7 × 10²⁵ г, орташа қалыңдығы 33 км (Жер массасының шамамен 0,8%).
Мантия — Жер көлемінің шамамен 83%-ы және массасының 65%-ы.
Ядро — Жер массасының шамамен 34%-ы.

Жердің қозғалмалы қабаттары — атмосфера мен гидросфера — қатты қабатты құрайтын тау жыныстарының бұзылу (үгілу) үдерістерін күшейтті. Мысалы, атмосферасы мен гидросферасы жоқ Ай мен Меркурий бетінде жыныстар мұндай деңгейде бұзылмайды; сондықтан ол жерлерде аспан денелерінің құлауынан қалған кратерлер өте ұзақ уақыт сақталады.

Біздің планетамыздың пішіні материктер мен мұхиттардың орналасуына байланысты күрделі.