Žemės kilmė

Daugelį amžių astronomijos atradimai skatino žmogaus vaizduotę. Ypač sunku buvo atsisakyti plokščios Žemės įvaizdžio ir patikėti, kad ji – rutulys, kurį galima apiplaukti. Iš tiesų, tiesioginių Žemės rutuliškumo įrodymų galima gauti tik mūsų laikais, stebint Žemę vizualiai arba fotografuojant iš aukštai skrendančių lėktuvų ir dirbtinių palydovų. Mintis, kad Žemė nėra Visatos centras, ypač jaudino žmonių protus XVI-XVIII a. Jau Aristotelis IV amžiuje prieš mūsų erą ir K. Ptolemėjas II amžiuje tvirtino, kad Žemė yra dangaus kūnų sistemos centras. Pagal K. Ptolemėjo pasaulio modelį kiekviena planeta judėjo mažu apskritimu (epiciklu), o jo centras didesne orbita (deferentu) skriejo aplink Žemę. 14 amžių astronomai pripažino tik šią teoriją.

Kai prieš 500 metų M. Kopernikas įrodė, jog Žemė skrieja aplink Saulę, M. Liuteris pareiškė: “Šitas kvailys nori visą astronomijos mokslą apversti aukštyn kojomis. Bet, kaip skelbia Biblija, kaip tik Saulei, o ne Žemei Jėzus liepė sustoti”. 1508 metais M. Kopernikas savo komentaruose rašė: “Įspūdis, kad juda Saulė, atsiranda ne dėl jos, o dėl Žemės judėjimo”. Jo helio-centrinė sistema, 1543 metais aprašyta garsiame veikale “Apie dangaus sferų sukimąsi”, tapo lemtinga žmonijos minties raidos pakopa. M. Koperniko teorija nukėlė Žemę nuo jos nejudamo sosto Saulės sistemos centre.

XVIII amžiaus viduryje jau buvo žinomi spirališki kosminiai dulkių ūkai. Karaliaučiaus filosofas Imanuelis Kantas spėjo, kad kitados kosminės dulkės buvo vienodai pasklidusios visoje Visatoje, bet dėl gravitacijos formavosi paskiri dulkių telkiniai, kurie buvo ūkų pradžia. Jie sukosi aplink centrinį telkinį. Ilgainiui iš centrinio telkinio susidarė Saulė, o iš šalutinių ją supančios planetos. 1796 metais, praėjus 40 metų po I. Kanto hipotezės paskelbimo, prie panašių išvadų priėjo matematikas P. S. Laplasas, irgi teigęs, kad Saulę kitados gaubė lėtai sukęsis kosminių dujų ūkas. Dėl Saulės traukos jis susislėgė, pagreitėjo jo sukimasis. Pagaliau ūkas virto Saulę juosiančiais žiedais, kurie toliau kondensuodamiesi, susitelkė į telkinius – planetas.

I. Kanto ir P. S. Laplaso nebuliarinė hipotezė, padėjusi pagrindus dialektiniam pasaulėvaizdžiui, ištvėrė beveik šimtmetį. Per tą laikė didelę pažangą padarė fizika, chemija, astronomija ir kiti mokslai, kurių duomenys prisidėjo prie Žemės kilmės aiškinimo. I. Kantas ir P. S. Laplasas manė, kad Žemės vidinis karštis yra reliktinis, išlikęs nuo tų laikų, kai planetos formavosi iš žvaigždės. Bet ilgainiui apskaičiuota, kad planeta iki dabartinės būsenos turėjusi atvėsti per 40 milijonų metų, tuo tarpu jau tais laikais žinoma geologinė Žemės padėtis buvo daug kartų ilgesnė. Vėsdamas Žemės rutulys turėtų nurimti, tuo tarpu vidinio Žemės gyvenimo reiškiniai kartais katastrofiški, akivaizdžiai rodo, kad planeta tebegyvena audringą gyvenimą. Apskaičiuota, kad 98% visos Saulės sistemos sukimosi momento tenka planetoms, o tik 2% Saulei, nors planetos sudaro tik 0,14% visos sistemos masės. Jei Saulės sistema būtų susidariusi taip, kaip aiškino I. Kantas ir P. S. Laplasas, tai Saulė turėtų suktis septynis kartus greičiau nei dabar. Fizikai suabejojo, ar materijos žiedai iš viso gali susikondensuoti į planetas.

Toliau nagrinėti Žemės kilmės problemą labai padėjo tai, kad XIX ir XX amžių sandūroje buvo atskleistas radioaktyvusis elementų skilimas. Atrastas naujas Žemės vidinio karščio šaltinis.

Deja, šis epochinis fizikos laimėjimas labai lėtai skynėsi kelią į Žemės mokslus. XX amžiaus pirmojoje pusėje Žemės ir kitų planetų kilmė vis dar buvo aiškinama modifikuotomis senomis pažiūromis. K. T. Čamberlinas ir F. R. Moultonas 1902 metais iškėlė hipotezę, kad planetos susidarė iš Saulės materijos telkinio, kurį išplėšė, susidūrusi su Saule kita žvaigždė. 1919 metais šią mintį modifikavo Dž.H.Džynsas, teigęs, kad planetos susidarė iš medžiagos “cigaro”, kurį iš Saulės išplėšė, skriedama pro šalį kita žvaigždė.

1943 metais visiškai kitokią planetų kilmės hipotezę paskelbė tarybinis mokslininkas O. Šmitas, aiškinęs, kad planetos užsimezgė, susitelkus į gniužulus tarpžvaigždiniam dujų ir dulkių debesiui, kurį pagavo Saulė, skriedama Galaktikos orbita. Pagal šią hipotezę, tarpžvaigždinės medžiagos gniužulai – būsimosios planetos – šalti kūnai, didėjo nuo pritraukiamų dalelių. Tik jiems pakankamai padidėjus, pradėjo kauptis radioaktyviojo skilimo, taip pat meteoritų smūgių energijos karštis, ir planetos įkaito.

Ši hipotezė jau geriau paaiškino, kodėl arčiau Saulės, kur centrinio šviesulio gravitacinis poveikis didesnis, susiformavo mažos ir sunkios planetos, nedaug nutolusios viena nuo kitos, o toliau – didelės, lengvos, bet retai išsidėsčiusios planetos.

Planetų akrecijos hipotezė, aiškinanti planetų didėjimą išsklaidytos protoplanetinės medžiagos susitekimu, buvo toliau plėtojama ir tobulinama. Pastebėta, kad Saulės pusiaujo ir planetų sistemos centrinės plokštumos yra labai artimos. Buvo iškelta mintis, kad Saulė ir tarpžvaigždinis ūkas sukasi ta pačia kryptimi, taigi tikriausiai atsirado iš tos pačios masės. Praturtinus tą idėją naujausiais branduolinės fizikos ir cheminių elementų kosmogoninės evoliucijos duomenimis, reikėjo pakoreguoti O. Šmito mintį ir sugrįžti prie I. Kanto ir P. S. Laplaso idėjos apie bendrą Saulės ir planetų kilmę.

Aptikus radioaktyvumą, rastas geologinis laikrodis, pagal kurį galima tiksliai datuoti Žemės plutos sluoksnius. Pasirodė, kad radioaktyvieji elementai (uranas, toris, kali ir kiti) spontaniškai skyla, virsdami antriniais lengvesniais elementais ir kartu išskirdami daug energijos. Vieni radioaktyvių elementų izotopai skyla greitai, kiti lėtai, todėl, skaičiuojant iš atsiradusių antrinių elementų kiekio suirimo pusperiodį, šį geologinį laikrodį galima pritaikyti netolimai (pavyzdžiui, C14, kurio suirimo pusperiodis tik 5730 metų), tolimesnei (U234 – suirimo pusperiodis 250 000 metų) ir labai tolimai (U238 – suirimo pusperiodis 4,51 . 109 metų) geologinei praeičiai nustatyti.

Žinant elementų (urano, torio, kalio ir kitų) atskirų izotopų skilimo greitį, iš aptinkamos antrinės medžiagos kiekio nesunku apskaičiuoti skilimo pradžią, taigi radioaktyviųjų medžiagų turinčios uolienos amžių.

Pasirodė, kad seniausių uolienų senumo amžius yra 3,5–3,8 ir net 4,3 milijardo metų. Taigi pati Žemė turinti būti dar senesnė. Ištyrus tais pačiais metodais meteoritus, pasirodė, kad jų amžius yra 4,4 – 4,6 milijardo metų. Meteoritai gali būti laikomi pirminės protoplanetinės medžiagos gniužuliukais; jiems susitelkus į didelius konglomeratus, susidarė planetos. Beliko sutikti, kad meteoritai, planetos, jų palydovai ir kiti Saulės sistemos nariai pradėjo formuotis tuo pačiu laiku – 4,6 milijardo metų.

Prieš 3,8 – 4,2 milijardo metų, kai susidarė seniausios žinomos granitinės uolienos, prasidėjo geologinė mūsų planetos istorija. 0,4 milijardo metų laikotarpis, tarp Žemės atsiradimo ir pirmųjų uolienų susidarymo, laikomas iki geologiniu laikotarpiu; tada planeta dar augo iki maždaug dabartinės masės, formavosi jos svarbiausios geosferos.

Kyla klausimas, o kas buvo dar anksčiau, kokia buvo meteoritų ir dulkių medžiagos būsena prieš prasidedant joje radioaktyviajam skilimui, taigi prieš 4,6 milijardo metų? Kokia yra mūsų Žemės medžiagos priešistorė?

Manoma, kad radioaktyvusis elementų skilimas, lengvesnių elementų susidarymas – tai jau atgalinis materijos raidos etapas, o anksčiau Visatos medžiaga yra patyrusi progresyvinę raidą, kai vyko ne elementų skilimas, o jų jungimasis – branduolinė sintezė. Astrofizikos duomenimis, branduolinės sintezės procesai, tai yra kai susidaro sunkesni elementai ir kartu atpalaiduojama labai daug branduolinės energijos, gali vykti tik žvaigždžių vidaus termodinaminėmis sąlygomis: dešimčių ir šimtų milijonų laipsnių temperatūroje ir neapsakomai dideliame slėgyje medžiagos būsena yra tanki plazma, o labai dideliais greičiais skriejantys ir susiduriantys branduoliai jungiasi ir susidaro sunkesni elementai. Termobranduolinės reakcijos (žvaigždžių spinduliavimas) ilgiausiai vyksta kai vandenilis virsta heliu. Ilgainiui įsijungia naujas termobranduolinis reaktorius – trys helio branduoliai ima jungtis į vieną anglies branduolį. Jei žvaigždės vidus vis dar traukiasi ir toliau kaista, penktas helio branduolys anglį paverčia neonu, du anglies branduoliai jungiasi į magnį ir taip toliau. Sunkesnieji elementai, susidarę žvaigždžių gelmėse, supernovų sprogimų metu išbarstomi po plačią Visatą.

Akademikas A. Vinogradovas mano, kad tokį progresyvų raidos etapą maždaug prieš 5 milijardus metų staiga baigė ir Žemės medžiaga. Tada ji karštos plazmos būsenoje su milžiniška jėga buvo išsviesta iš pirmykštės Saulės gelmių į periferiją. Saulės pusiaujo plokštumoje atsirado plokščio žiedo pavidalo debesis, kurio medžiaga greit aušo, virto dujomis ir dulkėmis. Medžiagai atvėsus iki Kiuri taško, prieš 4,6 milijardo metų dulkių gniužuluose prasidėjo atvirkštinis procesas – radioaktyvusis skilimas, trunkąs iki šiol. Prasidėjo planetų, taigi ir Žemės medžiagos ikigeologinis istorijos etapas.

Išsviestame iš Saulės gelmių debesyje turėjo būti labai daug metalų ir kitų sunkesnių elementų, atsiradusių nesenos žvaigždės vidaus termodinaminėmis sąlygomis.

Auštančiame ikiplanetiniame medžiagos žiede formavosi vis didesnės medžiagos santalkos. Stambiausios virto planetomis. Bet didesnė ikiplanetinės medžiagos dalis vis dėlto liko chondrų (silikatinių lašelių) ir meteoritų būsenoje. Iš jų tikriausiai susiformavo meteoritų bei asteroidų žiedai.

Anksčiau buvo manoma, kad dalelių telkimosi ir planetų augimo procesas vyko tik dėl gravitacijos. Dabar pabrėžiama elektromagnetinių jėgų reikšmė santalkų formavimuisi dar iš protoplanetinės medžiagos.

Žemė ir kitos artimosios Saulės planetos (Merkurijus, Venera, Marsas) geocheminiu požiūriu sudaro ryškią Visatos anomaliją. Saulė (kaip ir kitos smarkiai spinduliuojančios geltonos žvaigždės) yra sudaryta iš 75% vandenilio, 23% helio, o visiems sunkesniems elementams tenka tik 2% masės. Tuo tarpu Žemės grupės planetose vaizdas atvirkščias. Žemėje net 30% planetos sudaro geležis. Merkurijaus masė turbūt net 60% sudėta iš geležies, Marso – 25%. Likusią šių sunkių planetų masės dalį sudaro metalų ir silicio junginiai, o vandenilio, helio, taip pat inertinių dujų labai maža. Stebina taip pat nenormaliai didelis deguonies kiekis.

Manoma, kad pirmykščiame, iš Saulės gelmių ištryškusiame plazmos debesyje sunkiujų elementų koncentracija dar nebuvo tokia didelė kaip dabar Žemėje, bet vis dėlto didesnė už vidutinį Saulėje esantį jų kiekį. Tas jau iš pat pradžių labai įvairios sudėties medžiagos žiedas netrukus ėmė sluoksniuotis; sunkiosios medžiagos atsidūrė žiedo ekvatorinėje plokštumoje, o lengvosios – jo išorinėse dalyse. Bet iš Saulės sklindantys protonų srautai (Saulės vėjas) per trumpą laiką suspėjo iš artimų saulei sričių nupūsti vandenilį ir helį, kurie didesniais kiekiais susitelkė debesies periferijose. Todėl, debesiui pradėjus skaidytis į medžiagos santalkas, arti Saulės augo nedidelės, bet sunkios planetos (Merkurijus, Venera, Žemė, Marsas), o toli nuo jos didelės (Jupiteris ir Saturnas). Nedideli šių planetų branduoliai apaugo labai storomis atmosferomis iš vandenilio, helio, taip pat iš vandenilio junginių su anglimi (metanas), su azotu (amoniakas), pagaliau su deguonimi (vanduo).

Manoma, kad dar kitokiomis sąlygomis didėjo tolimosios planetos – Uranas ir Neptūnas. Jų užuomazgos dėl labai lėto sukimosi augo lėčiausiai. Vandenilis ir helis per tą laiką jau buvo išsisklaidęs, todėl jų branduoliai aplipo daugiausia amoniako ir vandens apvalkalais.

Neaiški yra tolimiausios planetos – Plutono kilmė. Neseniai, aptikus transneptūnišką asteroidų žiedą, kilo mintis, kad ši nedidelė planeta, turinti labai u-tęstą orbitą, kitados yra buvęs asteroidas arba Neptūno palydovas.

Planetų užuomazgos, pritraukdamos mažesnius kūnus, didėjo. Nesiliaujantis meteoritų kritimas panašiai ugdė ir Žemę, didino jos tūrį. Apskaičiuota, kad planetų užuomazgos spėjo pritraukti savo traukos zonos daleles per 0,1 milijardo metų. Taigi Žemė per palyginti trumpą laiką išaugo iki 98  dabartinės masės. Vėliau Žemės pasipildymas išsklaidyta kosmine medžiaga labai sumažėjo, nors nesiliovė iki mūsų dienų.

Dabar 4,53% Saulės sistemos masės sukaupta asteroiduose, meteorituose, dulkėse. Žemė, skriedama orbita aplink Saulę, nemažai jų gauna. Apskaičiuota, kad Žemės atmosferoje nuolat yra apie 1 – 2 milijonai tonų kosminių dulkių. Iš jų apie 40 000 tonų kasmet (maždaug 100 tonų per parą) nusėda ant planetos paviršiaus. Kosminės dulkės (dažnai turinčios daugiau iridžio ir osmio elementų) dengia Antarktidos, Grenlandijos ir kalnų ledynus, sudaro nemažą giliausių vandenyno dugno nuosėdų (vadinamųjų raudonųjų dumblių) dalį. Daug kosminių dulkių, patekusių į planetos gravitacinį lauką, sukasi aplink, sudarydamos savotiškus palydovus.

Į planetas krito ir stambių meteoritų. Jų smūgiai sudarė kraterius. Didelė smūgių energijos dalis kaupėsi kaip vidinis karštis. Be abejo, ir Žemėje labai aukštų temperatūrų židinius pirmiausia sudarė kosminiai smūgiai. Jų “žaizdos” išlikusios iki šiol litosferoje, vadinamos astroblemomis. Jos atpažįstamos iš sutrupintų persilydžiusių uolienų, o neretai ir iš paviršiuje likusių kraterių.

Kitose planetose, kurių nesaugo tirštesnės atmosferos, visas paviršius yra badyte išbadytas krateriais. Žemės litosfera yra mažiau sužalota, nors pastaruoju metu astroblemų atrandama vis daugiau. Geriausios sąlygos joms išlikti paviršiuje buvo seniausiuose kontinentų branduoliuose – skyduose, kurie per ilgą geologinę praeitį nebuvo apsemti jūrų. Pavyzdžiui, Kanados skydo paviršiuje atpažįstama 19 smūginių kraterių, iš jų 9 dideli, daugiau kaip 10 km skersmens. Didžiausias Sadberio krateris į šiaurę nuo Hurono ežero yra 100 km skersmens, antras pagal dydį Manikuagano ežero krateris Labradoro pusiasalio pietrytiniame pakraštyje – 65 km skersmens.

Astroblemų amžius labai įvairus, sakysim, Sadberio kraterio – net 1 700 milijonų metų. Bet visos kitos Kanados astroblemos jaunesnės, daugiausia 300 – 200 milijonų metų. Kai kurios mažosios astroblemos visai jaunos, vos 1 – 2 milijonų metų.

Nemaža astroblemų pastaraisiais metais atpažįstama ir Rusijos teritorijoje. Didžiausias iš jų – 100 km skersmens Papigajaus duburys Vidurio Sibiro skydo šiaurės rytiniame pakraštyje.

Lietuvos geologai palaidotą astroblemą aptiko prie Druskininkų, Mizarų kaimo apylinkėse.

Atrodo, kad Žemę dideli meteoritai smarkiai bombardavo tik pradiniuose planetos gyvavimo perioduose, kol nebuvo tankesnės atmosferos. Vėliau, kai planeta įsisiautė į apsauginį atmosferos šydą, o Saulės sistemoje sumažėjo didelių ikiplanetinės medžiagos sankaupų, stambių meteoritų labai sumažėjo.

Dilelių meteoritų smūgiai turėjo dar ir kitą labai svarbią reikšmę. Jie įvairiai pakreipė planetų ašis jų orbitų atžvilgiu. Smarkokai buvo pakreipta ir Žemės ašis. Planetoms augant, ilgainiui susidarė ir antras vidinio karščio šaltinis – radioaktyviųjų elementų skilimas.

Radioaktyviųjų elementų daugiau buvo ne branduolyje, o išoriniame uoliniame didėjančios Žemės apvalkale. Dėl to pagrėstai galima spėti, kad Žemę apšvitino kosminis spinduliavimas Saulės sistemai perslenkant per Galaktikos spiralinę viją, kur vyksta supernovų sprogimai. Pagal planetų akrecijos hipotezes, Žemė įkaito nuo paviršiaus, ir karštis ėmė skverbtis gilyn. Taip pradėjo formuotis įvairių agregatinių būsenų planetos apgaubai – geosferos.

Žemės ir kitų planetų sferinės struktūros kilmė – labai svarbi ir dar tebediskutuojama problema. Kaip ir kada Žemė išsidiferencijavo į branduolį mantiją, plutą ir kitus apgaubus?

Dar neseniai vyravo mintis, kad pirmykštė Žemė susidariusi iš sukritusių atvėsusių meteoritų ir kitokios protoplanetinės medžiagos, buvusi vienalytė, neturėjusi nei branduolio, nei plutos. Ir tik vėliau, kai planetos masė pakankamai padidėjusi ir dėl meteoritų smūgių bei radioaktyviojo skilimo įkaitusi bei ėmusi lydytis, metalai panašiai kaip aukštakrosnėje grimzdę gilyn, sudarydami branduolį, o lengvesnės medžiagos kilusios į viršų, virtusios mantija ir pluta. Išsiskiriant lakiesiems komponentams. Formavosi atmosfera ir hidrosfera.

Tačiau kai kurie faktai nesiderina su pirmykštės homogeninės planetos hipoteze. Jau seniai patirta, kad planetų tankis, tolstant nuo Saulės, mažėja. Meteoritai labai aiškiai skiriasi į geležinius (branduolio medžiagos) ir akmeninius (mantijos medžiagos). Merkurijaus planetoje geležinis branduolys sudaro beveik du trečdalius visos masės. Neaišku, kaip mantija būtų galėjusi išskirti tiek geležies, juk joje metalų koncentracija nėra tokia didelė.

Svarstant šiuos ir daug kitų prieštaravimų, susiklostė vadinamosios heterogeninės planetų akrecijos (nevienalyčio didėjimo) pažiūros. Manoma, kad planetos iš pradžių turėjo sunkiųjų metalų (geležies ir nikelio) branduolius, kurie tik paskui aplipo metalų silikatais, panašiais į chondritus – akmeninius meteoritus. Galiausiai planetas apgaubė dar lengvesnių medžiagų, panašių į anglinius chondritus. Apgaubas. Pagal heterogeninės akrecijos pažiūras, Žemės sluoksniavimasis į branduolį, apatinę mantiją ir viršutinę mantiją yra pirminis, panašus į Saulę gaubusio išsklidusios protoplanetinės medžiagos žiedo sluoksniavimąsi.

Naudota literatūra:

1. A. Basalykas Žemė – žmonijos buveinė.- Vilnius: 1985. – P. – 256.
2. Enciklopedija Žemė ir jos gėrybės.- Vilnius: 1992. – P. – 256.
3. Enciklopedija Mokslas ir Visata.- Vilnius: 1989. – P. – 296.
4. R. Flintas Žemės istorija.- Vilnius: 1985. – P. – 262.
5. V. Dvareckas, A. Gaigalas Visata, Žemė, žmogus.