Итак, мы познакомились с физическими свойствами Земли, но теперь остаётся ещё один интересный вопрос: а из чего же состоит наша планета и как она образовалась?
О составе Земли мы можем судить только по горным породам земной коры и средней плотности или удельному весу всей Земли в целом, или по каким-либо иным, но косвенным признакам.
Учёные уже давно исследовали горные породы земной коры. Как оказалось, земная кора состоит в основном из окислов, то-есть соединений с кислородом нескольких лёгких металлов — кремния, алюминия, кальция, магния, натрия и калия.
Как показали расчёты учёных, удельный вес земной коры в среднем равен 2,75, то-есть 1 кубический метр горных пород в среднем весит 2,75 тонны.
Если бы весь земной шар состоял из таких же горных пород, то легко было бы вычислить его массу. Для этого нужно было бы помножить 2,75 тонны на число кубических метров, заключающихся в объёме земного шара. Но мы не знаем, из чего состоит Земля внутри.
Как же всё-таки определить массу Земли? О ней можно судить только по силе притяжения Землёй других тел, так как сила притяжения Земли зависит от её массы.
Не только Земля, но и все другие тела притягивают друг друга. Мы не замечаем этого лишь потому, что притяжение их очень незначительно.
Но такое огромное тело, как гора, уже в состоянии чуть-чуть отклонить отвес, оттягивая в свою сторону его грузик.
Пользуясь этим, можно сравнить массу горы и Земли. Нужно только измерить действие притяжения грузика горой, а потом сравнить с силой притяжения его Землёй, учитывая при этом, что отвес находится гораздо ближе к центру тяжести горы, чем к центру Земли.
Производя наблюдения вблизи горы, учёные установили, что отвес действительно немного отклоняется в её сторону. Угол отклонения очень мал, по всё-таки его удалось измерить, а по этому углу вычислить и силу притяжения грузика горой.
Оказалось, что если бы Земля была вся из таких горных пород, как гора, то она притягивала бы отвес в два раза слабее, чем это происходит в действительности.
Такое наблюдение несколько раз производилось учёными ещё в XVIII веке. Они тщательно обмеряли гору, чтобы поточнее определить её объём и вес.
Но это задача не из лёгких. Тут всегда возможны большие ошибки. Нелегко, например, найти точно центр тяжести горы и определить расстояние от него до отвеса.
Поэтому учёные искали другой способ определения «веса» Земли.
Вот если бы сравнить притяжение маленького шарика Землёй и свинцовым шаром, то определить её массу можно было бы несравненно точнее: шар весь виден, его диаметр и вес известны точно, а расстояние от него до маленького шарика легко измерить.
Однако заметить притяжение большим свинцовым шаром маленького шарика долго не удавалось: для этого нужен был очень чувствительный прибор.
Только так называемые крутильные весы (рис. 8) позволили обнаружить притяжение между свинцовыми шарами.
Рис. 8. Крутильные весы — прибор, позволивший измерить притяжение между большими и маленькими свинцовыми шарами.
Крутильные весы устроены несложно: лёгкий деревянный стержень с маленькими свинцовыми шариками по концам подвешен за середину на тонкой металлической нити, которая слабо сопротивляется закручиванию.
Это легко видеть, повернув стержень в горизонтальной плоскости и затем отпустив его: стержень не останется в покое, а начнёт колебаться в горизонтальной плоскости так же, как колеблется обыкновенный маятник. По периоду колебаний стержня можно вычислить и силу сопротивления нити.
С помощью крутильных весов и было впервые определено притяжение маленького свинцового шарика большим шаром.
К концам стержня крутильных весов придвинули по большому свинцовому шару так, что шары находились по разным сторонам от него. Маленькие шарики потянулись к ним, как железо к магниту, закручивая металлическую нить.
По углу закручивания нити учёные вычислили силу притяжения между большим свинцовым шаром и маленьким шариком. Вес же маленького шарика есть сила притяжения его Землёй.
Сравнивая их, конечно, нужно помнить, что Земля и большой свинцовый шар притягивают маленький шарик с такой силой, как будто масса каждого из этих тел сосредоточена в его центре.
С помощью крутильных весов учёные очень точно определили массу Земли. Она оказалась в 5,52 раза больше массы водяного шара таких же размеров.
Но средний удельный вес горных пород земной коры вдвое меньше, чем всего земного шара. Значит, внутри Земля состоит из каких-то других, более тяжёлых горных пород.
В природе есть много руд, значительно более тяжёлых, чем обычные горные породы — гранит, базальт и другие, слагающие земную кору. Таковы, например, железные руды. Если Земля внутри богата железом, то этим можно объяснить её большой «вес».
И, действительно, изучая состав горных пород земной коры, учёные пришли к заключению, что чем они глубже, тем в них больше железа.
Верхнюю часть суши составляют слоистые горные породы. Под ними залегает гранитная оболочка — «фундамент» материков.
Гранитная оболочка Земли имеет толщину 10–15 километров. Под ней лежит базальтовая оболочка, состоящая из тёмных горных пород — базальтов, гораздо более богатых железом, чем гранит и слоистые породы.
В некоторых местах на земную поверхность выходят с больших глубин ещё более богатые железом так называемые ультраосновные горные породы.
Поэтому учёные предполагают, что под базальтовой оболочкой Земля до глубины приблизительно 1200 километров состоит из таких ультраосновных оливиновых пород (оливин — тёмно-зелёный минерал, в составе которого много железа и магния).
Части Земли, лежащие глубже 1200 километров, должны состоять из ещё более тяжёлых пород: только в этом случае средний удельный вес Земли может быть равен 5,52.
Хотя среди земных горных пород не найдено более тяжёлых, чем оливиновые, в природе они существуют.
Таковы, например, железо-каменные и железные метеориты, падающие из мирового пространства на земную поверхность.
Железо-каменные метеориты состоят из оливина и чистого железа в различной пропорции. Они тяжелее и богаче железом любой земной горной породы.
Академик А. Е. Ферсман предполагал, что из пород, подобных железо-каменным метеоритам, и состоит оболочка земного шара между мощным слоем оливиновых пород и земным ядром.
В этом случае естественно предположить, как это и делает большинство учёных, что земное ядро, подобно железным метеоритам, состоит из чистого железа.
* * *
Ответ на вопрос о том, как произошла Земля, даёт теория происхождения планет солнечной системы, предложенная советским учёным академиком О. Ю. Шмидтом.
Солнце движется в мировом пространстве, увлекая за собой окружающие её планеты, вокруг центра нашей звёздной системы.
Как предполагает О. Ю. Шмидт, Солнце некогда было окружено «облаком» космической пыли, газа и более крупных частиц. Частицы «облака» обращались вокруг Солнца по различным путям. Сталкиваясь друг с другом, они «слипались» и образовали несколько скоплений, которые двигались вокруг Солнца в том направлении, в котором теперь обращаются планеты.
Это были зародыши будущих планет. Двигаясь в облаке частиц, они всё увеличивались, подобно снежному шару, катаемому по покрытому снегом полю.
Так, по теории академика О. Ю. Шмидта, образовалась и Земля.
Сперва накопление частиц шло очень быстро. Но чем крупнее становились планеты, тем больше редело «облако».
Когда частицы образовали скопления (планеты), состав планет был сперва однородным.
Под большим давлением отдельные частицы уплотнились. Земля стала сплошным телом, в котором началось перемещение лёгких и тяжёлых частиц.
Это перемещение вследствие чрезвычайно большой вязкости вещества твёрдой Земли (превосходящей в сто миллиардов раз вязкость твёрдого сургуча) очень медленно; оно происходит и сейчас.
Тяжёлые железные частицы опускаются всё глубже. Каменные «всплывают» вверх, образуя земную кору.
Частицы, образовавшие Землю, были холодны. Хотя при столкновениях они могли нагреваться, по это тепло быстро рассеивалось в пространстве.
Но в каменных частицах, поднимавшихся к поверхности земного шара, заключались радиоактивные вещества[3], которые в процессе своего распада выделяют тепло. Вследствие плохой теплопроводности земной коры их тепло накоплялось в толще земной коры. Этим и объясняется повышение температуры горных пород с глубиной, которое наблюдается в шахтах и буровых скважинах.
Как полагает академик О. Ю. Шмидт, разогревание земного шара в его глубоких центральных частях продолжается и теперь.
Но в земной коре, по мнению О. Ю. Шмидта, «…температура уже прошла через свой максимум и теперь медленно падает. В отдельных местах земной коры, где накопилось больше радиоактивных веществ, разогрев доходит до плавления горных пород (1000–1300°), так что образуется магма, которая иногда выливается наружу через жерла вулканов. Но это явление местное».
«Новая теория, — продолжает О. Ю. Шмидт, — в этом вопросе резко расходится с господствующим до сих пор в геологии взглядом, что Земля была вначале горячей, даже огненно-жидкой, и постепенно остывала, покрываясь корой».