Планета Земля

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.

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.

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.

Верхнюю часть континентальной коры слагают осадочные породы
мощностью около 3 км, средней плотностью 2,5 г/см3. Скорость распространения
сейсмических волн изменяется от 2 до 5 км/с. Ниже залегает
гранитно-метаморфический слой средней мощностью около 17 км. Плотность его
составляет 2,6—2,8 г/см3, а скорость прохождения волн равна 5,5—6,5 км/с. В
этом слое сосредоточена основная масса радиоактивных элементов и соединений.
Ниже находится базальтовый слой. Средняя его мощность равна 15 км, плотность
2,9— 3,3 г/см3, а скорость прохождения в нем волн 6,4 — 7,3 км/с.

Совсем по-иному выглядит разрез океанической коры. Под слоем
рыхлых осадков средней мощностью всего 0,7 км и со скоростями прохождения
сейсмических волн 1,5—1,8 км/с находятся два слоя. Первый, мощностью около 1,7
км, слагается преимущественно базальтами, а нижний, мощностью около 5 км, со
скоростью прохождения волн примерно 6,7 км/с состоит из преобразованных путем
гидратации (реакции с водой) горячих глубокозалегающих ультраосновных пород —
серпентинитов.

Для поверхности океанической коры характерны специфические формы
рельефа. Это срединно-океанические хребты, в осевой части которых располагаются
рифтовые долины, представляющие собой протяженные провалы с крутыми боковыми
стенками. Другими интересными формами являются глубоководные желоба. Их ширина
не превышает нескольких десятков километров, а длина составляет сотни километров.
Глубоководные желоба располагаются на периферии океанов и как бы отделяют от
океана островные дуги. Примерами служат Курило-Камчатский и Алеутский желоба.

На Земле выделяется еще одна оболочка, называемая биосферой. Это
глобальная система, обладающая свойствами саморегуляции. Она имеет свой «вход»
и «выход». «Вход» — это поток солнечной энергии, поступающей из космоса, а
«выход» — образования, возникающие в результате жизнедеятельности организмов.
Верхней границей биосферы служит озоновый экран, поглощающий губительные для
жизни ультрафиолетовые лучи. Примером саморегуляции является Мировой океан.
Реки ежегодно выносят в океан около 1,5 млн.т растворенного карбоната кальция,
а также большое количество других элементов и соединений. Однако при этом солевой
состав океанической воды не меняется. В чем же дело? Оказывается, организмы в
процессе своей жизнедеятельности используют для построения скелета карбонат
кальция. Весь его избыток расходуется организмами. Но после гибели организмов
раковины выпадают в осадок.

Нижняя граница биосферы довольно расплывчата. Организмы существуют
в глубоких зонах океана. Даже в глубоководной Марианской впадине были
обнаружены живые организмы. Не только бактерии, но и различные микроорганизмы
по трещинам и порам проникают в осадочный слой и толщу рыхлых пород дна океана
вплоть до базальтового слоя океана и гранитно-метаморфического слоя на
континентах. По-видимому, этими слоями надо ограничивать биосферу.

В современной биосфере существует около 2 млн., видов живых
организмов, каждый из которых, в свою очередь, миллионы и миллионы особей.

Академик Владимир Иванович Вернадский, разрабатывая проблему роли
органического мира в жизни нашей планеты, пришел к выводу, что живое вещество
принимает активное участие во всех геологических процессах на поверхности Земли
и в образовании атмосферы.


Литература

1. Аллисон А., Палмер Д.
Геология. – М., 1984

2. Вуд Дж. Метеориты и
происхождение Солнечной Системы. – М., 1999

3. Гаврилов В.П.
Путешествие и прошлое Земли. – М., 1976

4. Друянов В.А.
Загадочная биография Земли. – М., 1991