Научные методы изучения Земли

Каждая наука, изучающая Землю, применяет присущие ей методы, что позволяет получить комплексное знание о нашей планете.

Геологический метод сводится к изучению типов горных пород, которые обнаруживаются в обнажениях на поверхности Земли, вырытых шахтах и пробуренных скважинах. При нормальном напластовании слои осадочных пород в вертикальном разрезе располагаются по принципу, чем глубже, тем старше геологический слой. В настоящее время это кажется очевидным, но в XVII в. такая идея, обоснованная датчанином Н. Стёно (1638—1686), стала выдающимся открытием и первым шагом в создании научной геологической хронологии.

Палеонтологический метод — метод изучения возраста осадочных пород по окаменелым остаткам живых организмов.

Палеонтологический метод используется для анализа осадочных пород и пород, содержащих окаменелые следы живых существ. Слоям осадочных пород одинакового геологического возраста соответствуют окаменелые остатки живых организмов, соответствующих этому периоду. Принцип сформулирован английским ученым У. Смитом в 1817 г. Сегодня этот метод позволяет заглянуть в прошлое на 550—600 млн лет.

Изотопы — атомы определенного химического элемента с разными количествами нейтронов в ядрах.

Изотопные методы позволяют определять абсолютные возрасты ряда минералов. Они основаны на измерении содержания в минерале некоторых изотопов, накопившихся после его образования вследствие распада содержавшихся в нем радиоактивных веществ. Так, возраст свинцовых руд может быть оценен по отношениям радиоактивных изотопов свинца Pb²⁰⁶, РЬ²⁰⁷, РЬ²⁰⁸ к нерадиогенному изотопу РЬ²⁰⁴. Если соотношение РЬ²°8 / РЬ²⁰⁴ составляет 36,91, то возраст породы — 1,0 млрд лет, если 30,62, то — 4,0 млрд лет.

Геофизика — наука, изучающая физические свойства и состояния Земного шара.

Проникнуть глубоко внутрь Земли помогает система методов геофизики. Сейсмические методы используют акустические колебания. При взрывах и землетрясениях возникают упругие волны — продольные (разрежения и сжатия, звуковые волны в газе) и поперечные (сдвиговые, распространяющиеся только в твердых телах). Они распространяются в упругой среде с различной скоростью (продольные волны — около 8 км/с, поперечные — 4 км/с) и фиксируются с помощью приборов. Чем плотнее среда, тем выше скорость распространения упругих волн, тем слабее они затухают с расстоянием.

В случае однородности недр Земли сейсмические волны должны были, слегка ослабнув, дойти до любой точки поверхности Земли. Но Земля неоднородна, и эти волны, подобно волнам света и звука, отражаются и преломляются, а их траектории обычно искривлены. Через внутренние слои поперечные волны не проходят, поэтому ядро Земли, скорее всего, является жидким.

Гравиметрия изучает локальные изменения силы тяжести, которая возрастает от экватора к полюсам. На это распределение накладываются небольшие местные отклонения — гравитационные аномалии, обусловленные неодинаковой плотностью горных пород: над скоплениями тяжелых пород сила тяжести больше.

Магнитометрия изучает магнитное поле Земли. Магнитные аномалии указывают на залежи тех пород, которые способны намагничиваться. Яркий пример — Курская магнитная аномалия, самый крупный в мире железорудный бассейн с разведанными запасами богатых по содержанию руд — около 30 млрд т.

Электрометрия использует искусственно создаваемый электрический ток, силу которого измеряют в разных точках исследуемой площади для выявления пород с различной электропроводностью.

Космологические методы. Сравнительные методы изучения планет земной группы позволяют анализировать геологические процессы, которые могли происходить на Земле. К примеру, в качестве свидетельства практического завершения геологической истории Меркурия и Венеры рассматривают отсутствие на этих планетах вулканической и тектонической деятельности. В отличие от них на Земле такая деятельность продолжается.

Важную роль играет отождествление состава и структур геологических оболочек с составом и структурами метеоритов, образовавшихся из того же протопланетного вещества, что и наша планета.

Фотосъемка Земли с пилотируемых космических кораблей производится из ближнего Космоса (с высот до 500 км), с искусственных спутников — из среднего Космоса (от 500 до 3000 км), а с межпланетных автоматических станций — из дальнего Космоса (более 10 000 км).

На одном космическом снимке можно изучать одновременно крупные территории и выявлять важнейшие характеристики строения земного шара. При синхронном изображении на одном снимке атмосферы, гидросферы, литосферы, биосферы и др. становится возможным изучение взаимосвязи различных явлений природной среды. Инфракрасные изображения дают возможность судить о температурных различиях на разных участках земной поверхности и океана. Сопоставление изображений, полученных в волнах разной длины, позволяет анализировать минералогический состав залегающих пород, состояние посевов, загрязненность атмосферы и гидросферы и т. д.

Важнейшую роль в науках о Земле играет системный подход, который позволяет выявлять ее системные качества на разных уровнях исследования. Применительно к исследованию нашей планеты наиболее важны два системных уровня.

Первый уровень — Солнечная система. На этом уровне Земля рассматривается в качестве элемента этой системы. Такой подход позволяет выявить как сходство Земли с иными планетами и другими космическими объектами, так и обнаружить принципиальные различия между ними. Вне этого уровня невозможно решать проблемы происхождения Земли, поскольку она формировалась не автономно, а в составе Солнечной системы.

Второй уровень — планетарный. Здесь предполагается относительно обособленное исследование Земли, которая в этом случае сама предстает в качестве сложной системы. Такая система включает спектр подсистем, в первую очередь — геологических оболочек.

Обратимся к уровню Солнечной системы и рассмотрим этапы возникновения Земли как планеты.