Десять вопросов о Земле, ставящие ученых в тупик

Новый отчет американского Национально научно-исследовательского совета определил 10 вопросов, которые будут двигать геологическую и планетологическую науку. Имеющие целью отразить важнейшие научные проблемы, с которыми столкнулась земная наука в начале XXI века, эти вопросы отражают текущее положение вещей, как наука пришла к нему, и в каком направлении может происходить дальнейшее развитие.

«Учитывая все открытия, сделанные за последние 20 лет, мы можем получить более четкое представление о Земле, рассматривая ее как на микро- так и на макро-уровне: от каждого атома в минералах до движения континентов и роста гор, — говорит Дональд Джей Депаоло, профессор геохимии Калифорнийского университета в Беркли.- Для того, чтобы наука продолжала двигаться вперед, мы должны обратить свой взор в прошлое и задаться фундаментальными вопросами о происхождении Земли и жизни на ней, о структуре и динамике планет, и взаимосвязях между жизнью и климатом».

Отчет был подготовлен по заказу американского Министерства энергетики, Национальной научной организации, Географического комитета США и НАСА. Комитет выбирал темы вопросов вне зависимости от их принадлежности к сфере деятельности того или иного ведомства и покрыл своим выбором как пространственный спектр (от субатомного до планетарного), так и временной ( от прошлого к настоящему и будущему).

Комитет путем опроса геологического сообщества и длительных обсуждений в конце концов выделило 10 вопросов. Некоторые из вопросов озвучивают проблемы, решения которым ученые смогут найти лишь через многие десятилетия, если вообще смогут когда-либо, решение других же кажется более простым и видимый прогресс может быть достигнут в течение ближайших лет.

КАК СФОРМИРОВАЛИСЬ ЗЕМЛЯ И ДРУГИЕ ПЛАНЕТЫ?

Несмотря на то, что ученые в общем пришли к единодушному мнению, что солнце и планеты нашей Солнечной системы образовались в одном небулярном облаке, они мало знают о том, как Земля обрела свой химический состав, что помогло бы понять процесс эволюции планеты или дать ответ на вопрос почему планеты отличаются одна от другой.

Хотя сейчас существуют заслуживающие доверия модели процесса формирования планет, дальнейшее измерения тел внутри солнечной системы и вне ее позволит проникнуть в сущность процессов, в результате которых образовалась Земля и Солнечная система.

ЧТО ПРОИСХОДИЛО В «ТЕМНЫЕ ВРЕМЕНА» ЗЕМЛИ (ПЕРВЫЕ 500 МЛН ЛЕТ)?

Ученые полагают, что на ранних стадиях своего формирования Земля пережила столкновение с другой планетой, что стало причиной появление обломков, ставших Луной и расплавило Землю до самого ядра. Этот период времени является ключом для понимания планетарной эволюции, особенно того, как на Земле образовалась атмосфера и океаны.

КАК ЗАРОДИЛАСЬ ЖИЗНЬ?

Происхождение жизни — один из самых интригующих, сложных и устойчивых вопросов в науке. Единственным оставшимся доказательством того, где, когда и в какой форме впервые появилась жизнь, являются геологические исследования камней и минералов. В поисках ответов на этот вопрос ученые обратились к Марсу, где осадочные породы датируются более ранним этапом планетарной истории — они гораздо старше самых старых камней на Земле.

КАК РАБОТАЮ ЗЕМНЫЕ НЕДРА И КАК ИХ РАБОТА ВЛИЯЕТ НА ПОВЕРХНОСТЬ?

Ученые знаю, что земная мания и ядро находятся в постоянно конвекционном движении. Конвекция ядра создает магнитное поле Земли, которое может влиять на состояние поверхности, а конвекция мантии служит причиной вулканической деятельности, формирования морского дна и образованию гор. Однако ученые не могут ни точно описать эти изменения, ни рассчитать на сколько сильно они отличаются от происходящих в прошлом. Это мешает ученым понять прошлое и предсказать будущее Земной поверхности.

ПОЧЕМУ У ЗЕМЛИ ЕСТЬ ТЕКТОНИЧЕСКИЕ ПЛИТЫ И КОНТИНЕНТЫ?

Хотя теория тектонических плит хорошо изучена, ученые хотели бы знать почему Земля обладает тектоническими плитами и какое отношение это имеет к другим аспектам строения Земли, в частности к избытку водных пространств и существованию континентов, океанов и жизни. Более того, ученым до сих пор не известно дата первого образования континентов, как они оставались целыми на протяжении миллиардов лет и как они будут изменяться в будущем. Это особенно важно в связи с тем, что выветривание континентальной коры играет значительную роль в регулировании климата Земли.

КАК СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ МОГУТ КОНТРОЛИРОВАТЬ ЗЕМНЫЕ ПРОЦЕССЫ?

Учеными признан тот факт, что причину изменений на макроуровне, таких как тектоника плит или конвекция мантии, стоит искать на микроуровневых свойствах веществ из которых состоит Земля, включая самые мелкие детали их атомной структуры. Дальнейшее изучение этого направления необходимо для понимания истории Земли и создания приемлемых предсказаний того как изменятся планетарные процессы в будущем.

ЧТО СЛУЖИТ ПРИЧИНОЙ ИЗМЕНЕНИЯ КЛИМАТА И НА СКОЛЬКО ОН МОЖЕТ ИЗМЕНИТЬСЯ?

Температура на поверхности Земли на протяжении последних 4 млрд лет пребывает в довольно узких границах. Однако как ей удается так хорошо регулироваться столь длительный период времени? Изучение климатических экстремумов Земли, когда климат был исключительно холодным или жарким или резко изменялся, может значительно улучшит существующие модели, что позволит ученым предсказывать величину и последствия климатических изменений.

КАК ЖИЗНЬ ФОРМИРОВАЛА ЗЕМЛЮ И КАК ЗЕМЛЯ ФОРМИРОВАЛА ЖИЗНЬ?

Информация о том каким образом геология и биология влияли друг на друга до сих пор не известна. Ученые хотели бы выяснить, какую роль сыграло появление форм жизни в насыщении кислородом атмосферы и в изменении земной поверхности в результате выветривания и эрозии. Кроме того, ученые ищут понимания геологических процессов, приведших массовому вымиранию отдельных видов и их влияния на ход эволюции.

МОГУТ ЛИ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ, ИЗВЕРЖЕНИЯ ВУЛКАНОВ И ИХ ПОСЛЕДСТВИЯ БЫТЬ ПРЕДСКАЗАНЫ?

В вопросе предсказания вероятности землетрясения был достигнут значительный прогресс. Однако ученые по прежнему не могут точно предсказать когда и в каком месте оно случится. Тем не менее они не прекращают свои попытки расшифровать как землетрясение начинается и заканчивается и как сильно будет трясти в районах близких к эпицентрам крупных землетрясений. Что касается извержения вулканов, то геологи находятся на пути к возможности предсказывать их. Однако им пока еще далеко до создания ясной картины движения магмы от ее источников в верхней части мантии, через кору Земли на поверхность.

КАК ПОДЗЕМНЫЕ ВОДЫ И ИХ ПЕРЕМЕЩЕНИЕ ВЛИЯЮТ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ?

Хорошее управление натуральными ресурсами и окружающей средой требует знаний о поведении жидкостей как под землей, так и на ее поверхности и ученые пытаются построить математическую модель, предсказывающую поведение это природной системы. До сих пор сложно предсказать как подземные воды распределяются в неоднородной породе и почвенных слоях, как быстро они текут, на сколько эффективно они перемещают растворенные и взвешенные вещества, и как они изменяются под химическим и температурным воздействием тех слоев почвы, через которые они протекают.