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.

По характеру распределения температуры в атмосфере различают несколько слоев. Средняя температура воздуха у земной поверхности +14 3°C. В тропосфере (нижнем слое атмосферы) протекают погодообразующие процессы. Она ограничена во внетропических широтах высотой 8—12 км а в экваториальной зоне и тропиках до высоты 16—17 км. Воздух в тропосфере нагревается от поверхности Земли и поэтому с высотой он становится все холоднее — на каждый 1 км высоты температура в среднем понижается на 6—6 5°С. Здесь формируются и развиваются атмосферные вихри в том числе циклоны и антициклоны. В ней сосредоточен почти весь водяной пар и образуются облака.

Стратосфера располагается выше и занимает слой от 8—17 до 50—55 км. Здесь также образуются крупные атмосферные вихри а горизонтальный перенос воздуха сопровождается восходящими и нисходящими движениями.

Характерной особенностью стратосферы является повышение температуры с высотой на 1—2° на каждый километр. На верхней границе стратосферы температура не только оказывается равной 0°С но и нередко даже выше этой точки. В стратосфере находится озоновый экран. Наибольшая его концентрация приходится на высоту от 18 до 24 км.

Мезосфера расположена на высоте от 50—55 до 80 км. Здесь температуры вновь понижаются и на ее верхней границе достигают —60/-100°С. На каждый километр высоты в мезосфере температура снижается на 2-3°.

В следующем слое — термосфере температура вновь увеличивается. На высоте 100 км она переходит нулевую отметку а в слое 150—200 км достигает +500°С. На ее верхней границе на высоте около 800 км температура определяется в +2000°C. Здесь происходит интенсивное поглощение ультрафиолетовой радиации Солнца нагрев и ионизация атмосферы. В мезосфере и нижней части термосферы образуются электрически заряженные ионы. Поэтому слой расположенный на высоте от 60 до 400 км обычно называют ионосферой.

Масса гидросферы составляет 1 46*106 трлн. т. Она в 275 раз больше массы атмосферы но всего лишь равна 1/4000 массы всей Земли. Около 94% массы гидросферы представлено водами Мирового океана 4% приходится на подземные воды почти 1 8%—на ледники Антарктиды и Гренландии менее 0 2% — на горные ледники реки и озера.

Площадь Мирового океана составляет 70 8% площади земного шара а его средняя глубина 3880 м. Континенты окаймляются мелководной зоной с глубинами до 200 м — это материковая отмель (или шельф) занимающая около 8% площади Мирового океана. Ложе Мирового океана с глубинами более 3 км охватывает более 77% всей его площади. Наибольшая глубина зафиксирована в тихоокеанском Марианском глубоководном желобе - 11023 м.

В пределах океанов выделяются отдельные крупные поднятия подводные горы и протяженные хребты. Последние так называемые срединно-океанические хребты образуют непрерывную глобальную цепь длиной свыше 60 тыс. км. Они возвышаются над дном котловин на 3—4 км и нарушают глубинную циркуляцию океанических вод.

В океанических водах растворено огромное количество химических элементов и соединений которые как известно в растворе распадаются на положительные и отрицательные ионы называемые соответственно катионами и анионами. Главными катионами являются натрий магний кальций калий и стронций а главными анионами — Cl S04 НС03 Вг С02.

В морской воде находится и некоторое количество газов. Всего в океане присутствует 140 трлн. т углекислого газа (это почти в 60 раз больше чем в атмосфере) и 8 трлн. т кислорода.

Верхний слой каменной оболочки Земли или литосферы отделенный от нижележащих слоев так называемой поверхностью Мохоровичича именуется земной корой. Поверхность Мохоровичича является границей раздела между земной корой и мантией здесь происходит скачкообразное увеличение скорости распространения сейсмических волн. Различают два основных типа земной коры: континентальную из которой состоят материки и океаническую образующую дно океанов. Первая гораздо старше: некоторые ее участки датируются в 3 8 млрд. лет тогда как у океанической коры возраст немногим более 150 млн. лет. Средняя мощность континентальной коры равна 25—75 км а океанической — намного меньше.

Страницы: 1 2