192 (Планета Земля)

Планета Земля

Здесь речь пойдет о Земле, о ее строении, внутреннем состоянии и вещественном составе. Именно в этой области соприкасаются и такие науки о Земле, как геология, геофизика и геохимия. Но прежде, чем рассказать о внутреннем строении нашей планеты, необходимо показать ее место в космическом пространстве, выявить связь с другими космическими телами.

Земля — одна из девяти планет, вращающихся вокруг Солнца. Многие звезды, подобные нашему Солнцу, образуют галактику Млечного Пути. В свою очередь, спиральная галактика Млечного Пути — одна из множеств галактик разной формы, существующих во Вселенной. Она включает свыше 100 млрд. звезд. Таким образом, можно представить, насколько многообразна и бесконечна наша Вселенная. С помощью оптических и радиотелескопов было выяснено, что диаметр некоторых галактик исчисляется расстоянием в тысячи световых лет.

В виду того, что Солнце и Земля располагаются внутри нашей Галактики и мы наблюдаем ее край как бы из середины, Млечный Путь кажется нам не спиральным скоплением звезд, а сплошной дугообразной полосой, пересекающей ночное небо. Предположение, что эта светлая дуга состоит из скопления звезд, было высказано Галилео Галилеем в начале XVII в. Эти звезды слишком удалены от нас, чтобы можно было их увидеть. Невооруженным глазом наблюдается немногим более 5000 звезд. Млечный Путь имеет форму диска с диаметром около 108 тыс. световых лет.

Солнце располагается примерно в 3/5 расстояния от центра галактики Млечного Пути. Все звезды галактики, наше Солнце вместе со свитой из девяти планет и связанных с ними тел (спутников) совершают полный оборот вокруг галактического центра за 240—250 млн. лет. Скорость движения довольно велика и составляет 240 км/с. Солнце обладает массой 2,25-1027 т, что в 329 400 раз больше массы Земли (6,2-1021 т), а его объем в 1300 000 раз больше объема Земли. Оно является центром притяжения всех космических тел, входящих в Солнечную систему. Вокруг Солнца за счет гравитационного притяжения вращаются планеты и их спутники, астероиды, кометы и метеориты.

Наша планета вращается вокруг своей оси с запада на восток. Поэтому наблюдателю с Земли кажется, что все время звезды ночью, а Солнце днем смещаются к западу. Все планеты земного ряда движутся по своим орбитам с запада на восток почти в одной и той же плоскости. Даже Солнце медленно вращается вокруг своей оси с запада на восток. Все планеты, кроме Венеры и Урана, обращаются вокруг своей оси в том же направлении, в котором они движутся вокруг Солнца. Венера вращается в обратном направлении, а ось вращения Урана располагается в плоскости его орбиты. Абсолютное большинство спутников планет обращаются по орбитам того же направления, в котором вращаются их планеты вокруг своих осей.

Примечательная для Солнечной системы особенность — согласованность движения космических тел — свидетельствует о том, что Солнце, планеты и их спутники имеют общее происхождение. Как предполагают астрономы, все они возникли из единого облака межзвездной материи.

Земля, как и другие планеты, получает энергию от Солнца — звезды среднего размера диаметром 1,39-109 км. Выделяемая Солнцем энергия за 1 с составляет около 1026 Дж. Почти вся энергия, достигающая земной поверхности, приходит в виде электромагнитного излучения. Это излучение обладает широким спектром, включающим рентгеновские и ультрафиолетовые лучи, видимый свет, тепловое излучение и радиоволны. Озоновый слой в верхних слоях земной атмосферы препятствует свободному проникновению ультрафиолетовых и рентгеновских лучей.

Солнце представляет собой огромных размеров природный реактор, в котором происходят мощнейшие ядерные превращения. Но при этом надо отметить, что его диаметр в результате происходящих ядерных реакций не меняется. По мнению астрофизиков, тенденция к взрывному расширению уравновешивается гравитационным притяжением материи. На поверхности Солнца температура составляет около 5500°С, и предполагается, что в его центре, где осуществляется ядерный синтез, она повышается до 10 млн. градусов.

Свет и тепло, излучаемые Солнцем, являются основой для развития многих геологических процессов. Солнечное тепло — одно из главных слагаемых климата. Оно создает условия, пригодные для жизни на Земле.

На протяжении длительного времени количество солнечной энергии, достигающее земной поверхности, практически не меняется. Жизнь на Земле развивается в течение нескольких миллиардов лет, а ведь живые организмы могут развиваться в строго ограниченном диапазоне температур, не превышающих 80—100°С.

Давно ли возникло Солнце? Этот вопрос задавали себе ученые еще в глубокой древности, и многие естествоиспытатели пытались на него ответить. Расчеты, которые произвели астрофизики на основе теоретических предпосылок ядерной физики, свидетельствуют, что Солнце имеет возраст около 5 млрд. лет. Теоретические расчеты возраста Солнца подтвердились геологическими данными. Оказалось, что древнейшие из известных на Земле горных пород образовались 3,8—4 млрд. лет назад. На Луне обнаружены породы, возраст которых 4,7 млрд. лет, а датировки метеоритов показали около 4,6 млрд. лет. Как видно, все эти определения абсолютного возраста близки друг к другу, а это значит, что, вероятно, все космические тела — Солнце и его спутники — образовались почти в одно и то же время.

Планеты, движущиеся по орбитам вокруг Солнца, имеют разные размеры и строение. Карликами среди них являются Плутон и Меркурий, а гигантами — Нептун и Юпитер. Одни планеты сложены твердым материалом и окружены жидкой или газовой атмосферой, уплотненным газовым веществом. Меркурий, Венера, Земля и Марс — ближайшие к Солнцу планеты — имеют небольшие размеры и слагаются каменным или металлическим веществом. Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун состоят из большого количества газов: водорода, гелия, метана, а также твердого аммиака и диоксида углерода. Газовая оболочка плотным кольцом окружает твердое ядро. Понятно, что многие самые общие представления в значительной степени имеют предположительный характер.

Земля — самая крупная из близко расположенных к Солнцу планет. Она обращается вокруг Солнца почти по круговой орбите. Среднее расстояние до Солнца равно 150 млн. км. Скорость движения Земли по орбите составляет 29,7 км/с. Полный оборот вокруг Солнца она совершает за 365,26 сут. Период вращения Земли вокруг своей оси равен 23 ч 56 мин.

Форма и размеры Земли

Астрономические наблюдения, а также измерения из космоса и непосредственные замеры на поверхности Земли позволили определить форму и размеры нашей планеты, ее массу, гравитационное и магнитное поля, величину теплового потока, идущего из недр, и ряд физических свойств земной поверхности. Средний радиус Земли равен 6371 км, при этом экваториальный радиус составляет 6378,86 км, а полярный — 6356,78 км. Экваториальное вздутие и полярное сжатие возникли из-за вращения Земли вокруг своей оси и ее наклона. В целом же форма Земли очень близка к эллипсоиду вращения, который носит название геоида.

Масса Земли составляет 5,976*1027 г, или 5.976*109трлн. т. Объем Земли 1,083-1027 см3.

Зная объем и массу Земли, можно определить ее среднюю плотность. Она равна 5,52 г/см3, или в 5,52 раза выше плотности воды. Лабораторными исследованиями установлено, что плотность горных пород на земной поверхности равна 2,8 г/см3. Это значит, что в ее недрах должны находиться горные породы с плотностью, в несколько раз превышающей среднюю плотность Земли.

Ускорение свободного падения на поверхности Земли определяется с помощью измерительных приборов, называемых гравиметрами. За единицу измерения принят 1 см/с2. Современные гравиметры допускают измерение силы тяжести с точностью до 0,001 см/с2. Ускорение свободного падения на экваторе равно в среднем 978,049 см/с2. В нем учтено центробежное ускорение, создаваемое вращением Земли и равное 3,392 см/с2. На полюсах центробежное ускорение отсутствует, и поэтому там ускорение свободного падения больше, чем на экваторе, всего на 1/189.

В разных точках Земли существуют отклонения от средней величины ускорения свободного падения. Это так называемые гравитационные аномалии. Последние нередко достигают нескольких сот см/с2.

Хорошо известно, что наша планета обладает магнитным полем. Каждый может по компасу проверить существование земного магнетизма, стоит только взглянуть на его стрелку. Компас был изобретен в глубокой древности в Китае и до настоящего времени верно служит путешественникам и мореходам. Единицей измерения магнитной индукции служит тесла (Тл). Современные магнитометры, т. е. приборы, с помощью которых измеряется индукция геомагнитного поля, обладают высокой точностью.

Положение магнитных полюсов Земли не совпадает с географическим Северный конец магнитной стрелки притягивается к полюсу, расположенному около Гренландии (73° с. ш. и 100° з. д.), а южный — к полюсу, находящемуся в австралийском секторе Антарктики (68° ю. ш. и 134° в. д.). Величина индукции геомагнитного поля максимальная у магнитных полюсов (0,7*10-4 Тл у Южного и 0,6*10-4 Тл у Северного) и минимальная у экватора (0,42*10-4 Тл).

Магнитная стрелка всегда указывает на магнитный полюс. Для того чтобы определить точное положение Северного географического полюса, необходимо вводить поправку на магнитное склонение.

В чем же заключается причина действия столь интересного явления, как магнитное поле Земли? Схематично принято считать, что в ядре Земли находится магнитный диполь, наподобие магнитного стержня с двумя полюсами различного знака. Магнитологи доказали, что магнитные полюса меняют местонахождение. В определенные промежутки времени Северный полюс становился Южным, а Южный — Северным. Периоды относительно устойчивого положения знака полюсов оцениваются от 700 тыс. до 1,5 млн. лет.

Давно известно, что из глубин Земли исходит тепло. О существовании крупного источника тепла в глубине свидетельствуют извержения вулканов, когда на поверхность Земли изливается кипящая лава с температурой более 1500°С. Измерения в глубоких скважинах и шахтах показали, что температура увеличивается с определенной интенсивностью. Было вычислено, что на каждый 1 км глубины температура возрастает на 30°С. Это так называемый геотермический градиент. Геотермический поток на суше составляет (1,2—1,6) • 10-6 Дж/(см2 * с). Близкие значения получены и для океанического дна. Минимальные значения геотермического потока тепла наблюдаются в центральных частях континентов, где развиты наиболее древние горные породы, а максимальные — в областях современной вулканической деятельности. Еще большие его значения зафиксированы вдоль осевой части срединно-океанических хребтов — протяженных горных систем на дне Мирового океана.

Оболочки Земли

Современная Земля состоит из нескольких неоднородных оболочек — атмосферы, гидросферы, биосферы, литосферы, под литосферой в глубоких недрах находятся мантия и ядро.

Атмосфера — внешняя газовая оболочка, ограниченная снизу твердой и жидкой поверхностью Земли. В настоящее время земная атмосфера содержит 5,3*103 трлн. т воздуха, что составляет одну миллионную часть массы всей Земли. Давление воздуха на уровне моря в среднем равно 1,013*105 Па, а плотность— 1,3* 10-3 г/см3.

Атмосфера Земли состоит из азота (78,09%), кислорода (20,94%), аргона (0,93%), углекислого газа (0,033%), а также неона, гелия, метана, ксенона, криптона, водорода и Других газов, содержание которых незначительно. Кроме того, в воздухе имеются термодинамически активные примеси. Важнейшей такой примесью в атмосфере является водяной пар - около 12,4 трл. т. Он способен конденсироваться с образованием облаков и тумана.

Частицы водяного пара, и особенно облачность, перераспределяют потоки коротко и длинноволнового изучения в атмосфере. При этом они вносят большой вклад в развитие парникового эффекта. Атмосфера свободно пропускает солнечную радиацию до земной поверхности, но поглощает собственное излучение Земли и задерживает поток тепла, идущий в космос от нагретой земной поверхности.

Другими термодинамическими активными примесями в атмосфере являются углекислый газ, озон и различные мельчайшие взвешенные частицы, или аэрозоль. Углекислый газ играет огромную роль в развитии парникового эффекта.

Озона в атмосфере очень мало, всего одна миллионная доля, но его роль в развитии жизни на Земле весьма велика. Озон в основном сконцентрирован на высоте 17—25 км, здесь он образуется из молекулярного кислорода под действием ультрафиолетовых лучей в результате фотохимических реакций. Вся ультрафиолетовая радиация Солнца, губительная для живых организмов, поглощается озоновым экраном, и тем самым обеспечивается безопасность жизни на суше и на поверхности океана. Водная поверхность также поглощает ультрафиолетовую радиацию, и поэтому сотни миллионов лет назад, когда еще не существовало озонового экрана, жизнь зародилась и развивалась в глубинах океанов и морей. Аэрозоль рассеивает солнечную радиацию, частично отражает ее, а частично поглощает. Поэтому его роль для Земли двояка. С одной стороны, он препятствует прохождению солнечного тепла к земной поверхности, а с другой — поглощая солнечную радиацию, затем излучает инфракрасный спектр и тем самым увеличивает действие парникового эффекта.