Jak powstała Ziemia?

Jak powstała Ziemia? Według naukowców Ziemia powstała przed 4,54 miliardami lat. To nie pewnik, ale hipoteza oparta na badaniach skał znajdowanych na naszej planecie, Księżycu oraz meteorytach, które zawitały do atmosfery. Sam proces kształtowania się Ziemi jest jeszcze bardziej zagadkowy i wciąż wywołuje gorące dyskusje. Nie mając możliwości podróżowania w czasie musimy opierać się na wiedzy, a konkretnie prawach chemii i fizyki, a także badaniach geologicznych.



Ziemia ukształtowała się przed 4,5 miliardami lat. Źródło: shutterstockZiemia ukształtowała się przed 4,5 miliardami lat. Źródło: shutterstock
  1. Ziemia – planeta wyjątkowa
  2. Początki Układu Słonecznego
  3. Od protoplanety do Księżyca
  4. Jak uformowała się Ziemia?
  5. Bakterie, asteroidy, tektonika
  6. Skąd to wszystko wiemy?
Wierzymy, że nasza planeta jest niezwykła, bo zrodziło się na niej życie – o drugim takim miejscu w nieskończonym wszechświecie jak dotąd nie wiemy. Jaki pisał Stephen Hawking, jeden z najgenialniejszych fizyków naszych czasów, nie wiadomo jednak czy w liczącej 13,8 miliardów lat historii wszechświata takich planet nie było więcej. Czy powstanie świata, pierwszej bakterii i człowieka było tylko szczęśliwym zbiegiem okoliczności? Na to pytanie odpowiedzi są jeszcze trudniejsze.

Ziemia – planeta wyjątkowa


W Układzie Słonecznym Ziemia jest piątą największą planetą, trzecią najdalszą od Słońca oraz jedyną, na powierzchni której znajduje się woda. Merkury, Wenus i Mars składają się wyłącznie z skał i metali i jest na nich bądź zbyt ciepło, bądź mroźnie. Dokładnie osiem minut zajmuje światłu słonecznemu dotarcie do Ziemi, a nachylenie osi planety pod kątem 23.4 stopni sprawia, że możemy cieszyć się zmiennością pór roku na obu półkulach.

Ziemia jest też jedyną planetą w naszym systemie, która posiada pojedynczy księżyc. Tak duży, że nocą świeci wyraźnie światłem odbitym. Paradoksalnie, to właśnie dzięki niemu nasz świat jest tak przyjazny żywym istotom. Księżyc stabilizuje bowiem chybotanie Ziemi i ogranicza gwałtowność zmian klimatycznych na przestrzeni tysięcy lat.

Woda stanowi nawet 70% powierzchni Ziemi, a otaczająca nas powłoka gazów, zwana atmosferą, zawiera 78% azotu i 21% tlenu, czyli mieszankę idealną do oddychania. Sama jej konstrukcja jest genialna – w troposferze, zlokalizowanej 8-14 km nad powierzchnią, nagrzane słońcem powietrze wznosi się, rozrzedza, a następnie ochładza i opada. Dzięki temu mamy nie tylko pogodę, ale także optymalne ciśnienie atmosferyczne.

Gdyby tego było nie dość, ochrania nas towarzystwo. Jowisz, choć tak oddalony od Ziemi, dzięki swojej ogromnej powierzchni działa jak magnes przyciągając większość „odpadów” wędrujących w kosmosie. W rezultacie Ziemia może cieszyć się dziś względnym spokojem. Aż trudno nie przysiąść ze zdumienia nad sprzężeniem tych wszystkich korzystnych warunków. Jak to się mogło wydarzyć?

Początki Układu Słonecznego


Istnieją dwie podstawowe teorie na temat genezy planet. Pierwsza z nich, ciesząca się większą popularnością i uznawana powszechnie za „tą trafną” mówi, że ok. 4,6 miliarda lat temu nasz Układ Słoneczny był zaledwie chmurą pyłu i gazów, tzw. mgławicą przedsłoneczną. W miarę wirowania siła grawitacji zaczęła sprawiać, że cząsteczki we wnętrzu zapadały się i osadzały na sobie coraz gęściej, tworząc nasze zacne Słońce. Pozostały materiał nadal wirował, coraz szybciej, i również gromadził się w większe skupiska, zalążki planet. Słoneczny wiatr zaczął tymczasem odciągać lżejsze pierwiastki, takie jak wodór i hel, pozostawiając za sobą cięższe elementy, idealne do formowania skał. Tak miały powstać planety skaliste – Merkury, Mars, Ziemia i Wenus.

Alternatywna teoria formowania się planet w Układzie Słonecznym zakłada nieco szybszy proces i wydaje się być trafna zwłaszcza w odniesieniu do gazowych olbrzymów, czyli Jowisza, Saturna, Neptuna i Uranu - planet nieposiadających stałej powierzchni. Wedle jej założeń mgławica słoneczna miała postać dysku, który nieustannie wirował. Najpierw w jego centrum uformowała się protogwiazda (Słońce), a następnie orbitujące wokół ziarenka pyłu zaczęły tworzyć większe skupiska, zwane planetozymalami. Te bliżej Słońca powstały z materiałów cięższych, o wysokiej temperaturze topnienia, te bardziej oddalone przyciągnęły także wodór i hel, tworząc gigantyczne planety gazowe.
Model 3D przedstawiający ruchy płyt tektonicznych. Źródło: shutterstock

Od protoplanety do Księżyca


Na początku Ziemia nie przypominała w niczym współczesnej, niebiesko-zielonej kuli. Planetozymale z czasem robiły się coraz większe, a dzięki sile grawitacji przyciągały kolejne cząstki materii krążąc wokół Słońca. Według ekspertów z Carnegie Institution of Washington okres zwiększenia się ciała niebieskiego o średnicy 10 km do rozmiarów dzisiejszej Ziemi mógł trwać nawet 100 milionów lat! Najpierw uformowało się przy tym skaliste jądro, gdy ciężkie pierwiastki zderzały i łączyły się ze sobą.

Zapadły się one z czasem do wnętrza, wypychając na zewnątrz lżejszą materię – tak uformowała się skorupa ziemska. W tym okresie Ziemia prawdopodobnie posiadała już własne pole magnetyczne.

Wzrost planet został w końcu zahamowany, ale nie oznacza to, że w Układzie Słonecznym zapanował spokój. Na początku ewolucji nasza planeta doznała bowiem zderzenia z innym ciałem niebieskim, najprawdopodobniej wielkości dzisiejszego Marsa, zwanym umownie Theą. Owa kolizja okazała się niezwykle brzemienna w skutkach. Jeden z wyrzuconych w kosmos ogromnych odłamków skał zaczął przyciągać dalsze odłamki i w efekcie uformował się Księżyc. Co więcej, skorupa i płaszcz Ziemi stopiły się ze skorupą i płaszczem Thei, wzbogacając strukturę naszej planety.

Tutaj warto dodać, że odnośnie genezy powstania Księżyca istnieją także inne teorie – od samoczynnego odłamania się kawałka Ziemi po przyciągnięcie uformowanego gdzie indziej ciała wskutek ziemskiej grawitacji. 
Tabela przedstawiająca etapy powstawania Ziemi; opracowanie własne

Jak uformowała się Ziemia?


Kolizja spowodowała, że naszą planetę spowił ocean lawy – stopiona wskutek wysokiej energii warstwa skorupy ziemskiej miała setki kilometrów głębokości. O atmosferze czy wodzie nie mogło być jeszcze mowy, gdyż promieniowanie ówczesnego Słońca było zbyt silne. Potrzeba było długiego czasu, aby powierzchnia planety ochłodziła się i zastygła.

W Ziemię uderzały wciąż jednak meteoryty i asteroidy, których w Układzie Słonecznym było wciąż sporo. To dzięki nim na naszej planecie pojawiła się woda, uwięziona wewnątrz minerałów. Z analiz kraterów wynika, że ok. 4,4 miliarda lat temu zaczęły już formować się morza i oceany. Naukowcy spekulują, że w owym okresie, gdy wciąż jeszcze brakowało powietrza do oddychania, w wodzie mogły rozwinąć się już pierwsze, najbardziej prymitywne formy życia.

Ciepło z wnętrza Ziemi wędrowało na powierzchnię powodując tzw. konwekcję w płaszczu. W jej efekcie powstały pierwsze płyty tektoniczne i rowy oceaniczne. Procesy te zachodziły znacznie szybciej niż dzisiaj, bowiem ok. 3 miliardów lat temu temperatura płaszcza Ziemi wynosiła prawdopodobnie 1600 stopni C.

Niezwykle ważną rolę w procesie formowania się Ziemi odegrały także erupcje wulkaniczne. Pojawiające się często i w gwałtowny sposób wytłaczały nad powierzchnię parę wodną, amoniak i dwutlenek węgla. W rezultacie zaczęła formować się atmosfera.
Krater Manicouagan widziany z kosmosu. Źródło: shutterstock

Bakterie, asteroidy, tektonika


Gdzieś w okresie między 2,7 a 2,2 milionami lat temu ewolucja doprowadziła do wykształcenia się fotosyntezujących bakterii. Ich rola okazała się kluczowa dla wszystkich współczesnych istot żywych – w miarę jak metabolizowały one dwutlenek węgla i produkowały tlen, atmosfera stawała się coraz przyjemniejsza.

Powierzchnia naszej planety również nie przestała ewoluować. Nadal uderzały w nią asteroidy powodując znaczące zmiany w ukształtowaniu terenu. Dla przykładu 215 milionów lat temu pięciokilometrowa asteroida uderzyła w terytorium dzisiejszej Kanady powodując powstanie krateru Manicouagan, szerokiego na 100 km!

Nie bez znaczenia dla późniejszego rozwoju istot żywych na Ziemi były też wspomniane już wyżej ruchy tektoniczne. Masywne płyty ścierając się ze sobą nieustannie powodowały ciągłe powstawanie i niszczenie skorupy ziemskiej. To z kolei owocowało wydzielaniem i pochłanianiem dwutlenku węgla z atmosfery utrzymując temperaturę powietrza na stabilnym i przyjaznym poziomie. CO2 odegrał w ewolucji planetarnej również inną istotną rolą – zmieszany z wodą deszczową erodował skały odsłaniając minerały, które dalej ulegały erozji. Tak powstał piasek i inne skały osadowe. Stopniowo, wraz z rozwojem życia na planecie, organizmy roślinne pochłonęły jednak nadmiar dwutlenku węgla, więżąc w go w skorupie ziemskiej choćby pod postacią węgla kamiennego.

Wróćmy jednak jeszcze na chwilę do tlenu, który z czasem zaczęły też intensywnie produkować glony. Wzrost jego poziomu w atmosferze okazał się kluczowy dla ochrony życia przed słońcem. Promieniowanie UV rozbija bowiem cząsteczki tlenu na niestabilną formę atomową, która łącząc się z powrotem tworzy 03, czyli ozon!

W ciągu ostatnich 100 milionów lat temperatura oceanów obniżyła się o 15 stopni C, poziom morza opadł o setki metrów, a kontynenty dryfując odseparowały się od siebie. Klimat również się ochłodził o 10-15 stopni C, a 20 milionów lat temu zaczęły formować się lodowce na Antarktydzie. Ziemia w końcu stała się planetą, jaką znamy dziś.

Skąd to wszystko wiemy?


Kluczem do zrozumienia historii Ziemi okazują się meteoryty, które w przeszłości zderzyły się z naszą planetą. Te latające odłamki skał niosą ze sobą materię z kosmosu, w tym pył pochodzący z czasów przed uformowaniem się planet Układu Słonecznego. Zawarte w nich radioaktywne pierwiastki, uran i hafn, pozwalają naukowcom określić wiek danych minerałów. W efekcie mogą oni chronologicznie ułożyć zdarzenia, które doprowadziły do ukształtowania się naszej planety w jej dzisiejszej postaci. Także analiza skał pozwala lepiej zrozumieć ewolucję Ziemi. Te najstarsze, z terytorium Ameryki Północnej, liczą sobie nawet 4 miliardy lat! Ich skład, warstwy, sposób osadzania się, inkluzje czy nawet sposób wietrzenia są kluczem do zrozumienia przeszłości.
Ekologia.pl (Agata Pavlinec)

Bibliografia

1. „How old is Earth?” Nola Taylot Tilman, https://www.space.com/24854-how-old-is-earth.html, 7/02/2022
2. “Earth” Solar System Exploration NASA, https://solarsystem.nasa.gov/planets/earth/in-depth/#otp_formation, 7/02/2022
3. “Formation of Earth” National Geographic, https://www.nationalgeographic.org/article/formation-earth/, 7/02/2022
4. “How the Earth and moon formed, explained” University of Chicago, https://news.uchicago.edu/explainer/formation-earth-and-moon-explained, 7/02/2022
5. “Evolution of Earth” Claude J. Allgre, Stephen H. Schneider, https://www.scientificamerican.com/article/evolution-of-earth/, 7/02/2022
6. “Photo Timeline: How the Earth Formed” Becky Oskin, https://www.livescience.com/46593-how-earth-formed-photo-timeline.html, 7/02/2022
7. “Development of Earth’s structure and composition” Britannica, https://www.britannica.com/place/Earth/Development-of-Earths-structure-and-composition, 7/02/2022

Ocena (5.0) Oceń: