"Биология. Общая биология. Профильный уровень", Захаров В.Б.
Земля получает энергию от Солнца и из собственных недр, причём у этих источников разные причины и последствия. Солнечное излучение влияет прежде всего на поверхность, а внутреннее тепло связано с формированием планеты и распадом радиоактивных изотопов. Чтобы установить возраст Земли, учёные исследуют древние минералы и метеориты: по соотношению изотопов и продуктов их распада можно оценить, когда образовались эти тела. Совокупность таких измерений даёт возраст около 4,6 млрд лет.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Возраст Земли — время, прошедшее с момента образования планеты. Его оценивают примерно в 4,6 млрд лет на основе изотопного датирования древних минералов и метеоритов. Разные образцы дают сведения о разных этапах формирования Солнечной системы. Поэтому возраст планеты устанавливают не по одной породе, а сопоставляя независимые данные.
Радиоактивное датирование — определение возраста пород и минералов по соотношению радиоактивных изотопов и продуктов их распада. Изотопы одного элемента отличаются числом нейтронов в ядре, а радиоактивные ядра со временем превращаются в другие. Сравнение их количеств помогает оценить, сколько времени прошло после образования образца. Метод применяют, если известны свойства распада и образец сохранил нужные для измерения данные.
Период полураспада — время, за которое распадается половина ядер данного радиоактивного изотопа. После каждого такого периода половина оставшихся ядер также распадается, поэтому количество уменьшается постепенно. Это не срок, по окончании которого исчезает весь изотоп. Понятие нужно, чтобы связать измеренное количество вещества с прошедшим временем.
Радиогенное тепло — энергия, выделяющаяся внутри Земли при распаде радиоактивных изотопов. Она нагревает недра, пока распад продолжается. Так объясняют часть внутреннего тепла планеты, но не всё его количество. Разделение этого источника и тепла, сохранившегося со времени формирования Земли, помогает верно описать энергетический баланс недр.
Солнечная энергия приходит к Земле в виде излучения, поэтому её действие начинается на поверхности и во внешних оболочках. Она нагревает сушу, океан и атмосферу, поддерживая многие процессы на поверхности планеты. Внутреннее тепло имеет другое происхождение и находится в недрах. Смешивать эти источники нельзя: солнечное излучение не является причиной тепла, заключённого глубоко внутри Земли.
Молодая Земля собиралась из частиц, которые сталкивались и соединялись. При столкновениях часть энергии движения превращалась в тепло, поэтому формирующаяся планета нагревалась. Затем вещество разделялось по плотности: более плотные компоненты перемещались глубже, а менее плотные оставались выше. Такое разделение называют дифференциацией; перемещение вещества также высвобождало энергию и усиливало нагрев недр.
В недрах сохранились радиоактивные изотопы, ядра которых распадаются и передают энергию окружающему веществу. Этот процесс продолжается и сейчас, поэтому радиогенное тепло не является только следом далёкого прошлого. Его количество зависит от того, какие изотопы присутствуют и как быстро они распадаются. Вместе с теплом, оставшимся после формирования Земли, оно поддерживает высокую температуру недр.
Нельзя определить время образования планеты, просто измерив, насколько горячо её внутри сегодня. Тепло переносится от одних участков к другим, а затем постепенно уходит наружу; скорость такого переноса неодинакова. Кроме того, количество радиоактивных изотопов и их вклад в нагрев менялись по мере распада. Поэтому современная температура отражает сложную историю нагрева и остывания, а не служит простыми часами.
Для оценки возраста исследуют минералы, в которых можно измерить исходные изотопы и продукты распада. Но отдельная земная порода могла сформироваться значительно позже самой планеты, поэтому её возраст не равен возрасту Земли. Метеориты важны потому, что они сохранили вещество ранней Солнечной системы и образовались в близкий период с планетами. Радиоактивное датирование метеоритов вместе с анализом древних минералов позволяет получить согласованную оценку возраста Земли.
| Объект сравнения | Источник энергии или метод | Происхождение или принцип | Значение для понимания Земли |
|---|---|---|---|
| Солнечная энергия | Излучение Солнца | Поступает извне и поглощается поверхностью и внешними оболочками. | Объясняет нагрев поверхности и поддерживает процессы во внешних оболочках. |
| Первоначальное тепло Земли | Энергия формирования планеты | Возникло при столкновениях частиц и выделилось при дифференциации вещества. | Показывает, что часть тепла недр сохранилась со времени образования Земли. |
| Радиоактивный распад | Радиогенное тепло | Радиоактивные ядра распадаются и выделяют энергию в недрах. | Объясняет продолжающийся внутренний нагрев планеты. |
| Радиоактивное датирование | Измерение изотопов и продуктов распада | Возраст рассчитывают по их соотношению и периоду полураспада. | Позволяет оценивать время образования минералов и пород. |
| Оценка возраста по метеоритам | Радиоактивное датирование метеоритов | Измеряют изотопный состав вещества ранней Солнечной системы. | Помогает оценить время формирования Земли, дополняя данные земных образцов. |
Сравнивайте строки по двум вопросам: откуда берётся энергия и что именно она помогает объяснить. Первые три строки относятся к источникам энергии, а последние две — к способам изучения времени образования тел. Так легче не путать нагрев Земли с методами определения её возраста.
Задача 1. Установить, какой источник энергии главным образом обеспечивает нагрев земной поверхности, а какой связан с теплом недр. Здесь нужно различить поступающую извне энергию и внутренние источники планеты. Уточним, что вопрос о главном нагреве относится к поверхности, а не ко всей Земле. Запишем рассуждение по шагам.
Ответ: поверхность Земли главным образом нагревает солнечная энергия, а тепло недр связано с энергией формирования планеты и радиоактивным распадом. Эти источники различаются происхождением и областью, на которую воздействуют. Поэтому при объяснении тепловых процессов сначала уточняйте, идёт ли речь о поверхности или о глубинах.
Задача 2. В образце осталось 25% исходного количества радиоактивного изотопа. Определить, сколько периодов полураспада прошло. За каждый период количество оставшегося изотопа уменьшается вдвое. Нужно последовательно сравнить долю образца с исходной, а не считать, что изотоп исчезает за один период.
Ответ: прошло 2 периода полураспада. Проверка обратным ходом даёт 25% × 2 × 2 = 100% исходного количества. Чтобы найти время в годах, дополнительно понадобилось бы знать длительность одного периода полураспада этого изотопа.
Задача 3. Объяснить, почему возраст древнего метеорита, определённый радиоактивным методом, используют для оценки возраста Земли. Метеорит — не кусок Земли, поэтому его возраст нельзя автоматически считать точным возрастом любой земной породы. Нужно установить, какую информацию он хранит и как его образование связано с появлением планет. Рассуждаем последовательно.
Ответ: возраст древних метеоритов служит ориентиром для времени формирования Земли, потому что эти тела возникли из вещества ранней Солнечной системы. Изотопные данные позволяют оценить их возраст. Вместе с измерениями древних земных минералов они обосновывают оценку возраста Земли примерно в 4,6 млрд лет.
Ошибка: считать Солнце источником внутреннего тепла Земли. Её допускают, потому что именно солнечное излучение заметно нагревает поверхность. Но воздействие снаружи не объясняет тепло глубин. Проверьте себя: если речь идёт о недрах, называйте сохранившееся тепло формирования планеты и радиоактивный распад.
Ошибка: объяснять всё внутреннее тепло только радиоактивным распадом. Радиоактивность действительно продолжает нагревать Землю, поэтому её легко принять за единственную причину. Однако часть тепла сохранилась со времени формирования планеты и дифференциации вещества. При ответе проверьте, названы ли оба источника, а не только современный.
Ошибка: путать период полураспада со временем полного распада вещества. Слово «половина» иногда понимают как половину срока до полного исчезновения изотопа. На самом деле за каждый период распадается половина оставшихся ядер, а не всего вещества сразу. Проверьте расчёт: 100% превращаются в 50%, затем в 25%, затем в 12,5%.
Ошибка: принимать возраст отдельной породы за точный возраст всей Земли. Порода могла возникнуть намного позже планеты, и потому её датировка сообщает прежде всего о её собственном образовании. Ошибку допускают, когда возраст образца обобщают на всю планету. Проверьте вывод: учитывайте древние минералы и метеориты и сопоставляйте разные изотопные данные.
Для понимания датирования нужно знать строение атома и ядра, а также понятия изотопа и радиоактивного распада. Эти знания объясняют, почему ядра меняются и как образуются продукты распада. Без них нельзя связать соотношение изотопов с прошедшим временем. Они понадобятся и при изучении ядерных процессов в других темах.
Оценки возраста образцов помогают восстанавливать геологическую историю Земли и последовательность событий в прошлом планеты. Радиоактивное датирование применяют при изучении минералов и горных пород. Понимание внутреннего тепла пригодится при изучении вулканизма и движения литосферных плит: оно связано с процессами, происходящими в недрах. С темой также связана геотермальная энергия — использование тепла Земли.
Откуда берётся тепло внутри Земли?
Часть тепла осталась со времени образования Земли: при столкновениях и слиянии частиц выделялась энергия, а разделение вещества по плотности добавляло тепла. Недра нагревает и радиоактивный распад, при котором энергия изотопов превращается в тепло.
Почему Земля до сих пор не остыла?
Земля постепенно отдаёт тепло в космос, но остывает медленно из-за своих размеров и переноса тепла через толщу пород. Кроме того, радиоактивный распад продолжает нагревать недра, хотя его вклад со временем меняется.
Чем солнечная энергия отличается от внутреннего тепла Земли?
Солнечная энергия поступает извне и главным образом нагревает поверхность, влияя на климат и многие процессы в оболочках планеты. Внутреннее тепло возникло при формировании Земли и продолжает выделяться при распаде радиоактивных изотопов.
Как по радиоактивным изотопам определяют возраст пород?
Измеряют, сколько исходного радиоактивного изотопа осталось в образце и сколько накопилось продуктов его распада. Зная период полураспада и учитывая исходные условия, рассчитывают время, прошедшее с момента образования или изменения минерала.
Почему возраст метеоритов помогает оценить возраст Земли?
Метеориты и Земля сформировались из вещества ранней Солнечной системы. Возраст древних метеоритов по изотопным данным показывает, когда происходило это формирование, и помогает оценить возраст Земли, породы которой могли возникнуть позднее.
2.2.4. Источники энергии и возраст Земли
