Форма, размеры и физические свойства Земли

Уровни организации вещества Земли. Вещество Земли по организации можно разделить на несколько уровней («иерархических ступеней»):

- атомы (химические элементы). На сегодня известно 108 химических элементов (таблица Менделеева). Около 90 из них встречается в природе, остальные 18 были синтезированы искусственным путем. 87 встречается в самородном состоянии, но большей частью это единичные находки (самородки)*;

- минералы – природные естественные химические соединения (или, значительно реже, самородные химические элементы); имеют неорганический состав и состоит из нескольких химических элементов, (например, гематит Fe₂O₃, халькозин Cu₂S);

- горные породы - естественные ассоциации минералов, устойчивые при определенных физико-химических условиях;

- геологические тела – это некие объёмы недр, выполненные набором горных пород образовавшихся в результате закономерных природных процессов, (слои, пачки, интрузивные тела, осадочные формации, оболочки земной коры).

- геосферы. Под геосферами понимают отдельные концентрические оболочки Земли (атмосферу, земную кору, мантию, ядро и др.)

- планета Земля как космическое тело

*Только очень немногие самородные химические элементы (S, Au, Cu, Ag, C, Pt) встречаются в природе в промышленно значимом количестве.

Форма, размеры и физические свойства Земли. Форма планеты зависит от её размеров, распределения плотности вещества в недрах и скорости её осевого вращения.

Внешнюю форму Земли довольно сложно представить в виде правильной геометрической фигуры. В первом приближении она представляет собой шарообразное тело (сфероид) со средним радиусом 6371 км.

Во втором приближении Земля является двухосным эллипсоидом вращения, несколько сплющенным у полюсов. Э кваториальный радиус Земли равен 6 379 км, а полярный 6357 км. Эксцентриситет (степень сжатия) эллипсоида 1/300.

Важным следствием элептической формы Земли и её вращения вокруг своей оси является не только очевидная смена дня и ночи, но и ряд других явлений. В первую очередь – это неравномерное распределение тепла по широтам и появление поясной географической зональности, параллельной экватору.

Наблюдаемая форма Земли связана с тем, что она не только движется по своей орбите вокруг солнца, но и вращается вокруг своей оси. Полный оборот Земля делает за 24 часа (точнее за 23 часа 56 минуты 4 секунды). В результате действия центробежных сил при вращении, Земля оказывается несколько сжатой у полюсов. Поэтому экватариальный радиус Земли на 21 км больше полярного.

Совокупность неровностей земной поверхности называется рельефом. Самая высокая гора Эверест (Джомолунгма) – 8848м выше уровня океана, самая глубокая впадина – Марианская – 11034м ниже уровня океана. Таким образом, перепады рельефа на поверхности Земли составляют около 20 км, что по сравнению с радиусом планеты (около 6300км) составляет ничтожную величину. Гораздо более существенным фактом является неравномерность распределения вещества с разной плотностью в недрах Земли.

В третьем приближении Земля представляет собой трехосный эллипсоид. Сравнительно недавно было установлено, что экваториальное сечение Земли так же представляет собой эллипс. Разность его полуосей составляет около 200м, а эксцентриситет – 1/30000. Кроме того, полярные полуоси северного и южного полушарий не одинаковы (южная на 100 – 200м) короче северной, поэтому полярное сжатие южного полушария больше чем северного.

Для решения практических задач эта модель почти не используется. Однако в результате неравномерного распределения вещества в недрах, геометрический центр Земли не совпадает с её центром масс. По законам механики такое физическое тело не может вращаться вокруг своей оси равномерно, так как должно происходить непрерывное изменение момента инерции соответствующих масс относительно оси вращения. Механическим следствием этого должны являться «биения», что приводит к непрерывному смещению самой оси вращения внутри тела Земли – её прецессии. Земная ось совершает движение в теле земли, описывая конус. Это в свою очередь приводит к перемещению полюсов планеты в пространстве – к их нутации.

По данным В.В. Шулейкина нутация полюсов оказывает огромное воздействие на распределение масс воздуха и их изменения по сезонам. Смещения полюсов приводит так же к изменениям центробежной силы, а следовательно и к деформациям поверхности Мирового океана, изменению интенсивности океанических течений и изменению характера взаимодействия между океаном и атмосферой.

Хотя представление о форме Земли как о двухосном эллипсоиде вращения для решения многих задач является верным, в действительности поверхность Земли оказывается более сложной. Наиболее близка к ней своеобразная математически рассчитанная фигура – геоид (буквальный перевод термина – «землеподобный»).

Геоид – некоторая воображаемая, математически рассчитанная, замкнутая геометрическая поверхность, по отношению к которой сила тяжести повсеместно направлена перпендикулярно. Она совпадает с невозмущенной поверхностью мирового океана и продолжается, погружаясь под материки, как бы сглаживая их рельеф. Таким образом, с точки зрения физики геоид – это эквипотенциальная поверхность.

Форма и размеры Земли были вычислены геодезистом А.А. Изотовы в 1940 г. на основании геодезических работ, проводившихся под руководством математика профессора Ф.Н. Красовского. Поэтому вычисленная Изотовым фигура Земли получила название эллипсоида Красовского (табл. 3.1.). Позднее её параметры были уточнены с помощью космических аппаратов.

Таблица.3.1. Основные параметры эллипсоида Красовского и основные характеристики Земли

Лабораторными исследованиями было установлено, что плотность горных пород, выходящих на поверхность Земли не превышает 2,7 – 3 г / см³. Из этого следует, что в её недрах должны находится горные породы, чья плотность должна значительно превышать среднюю плотность Земли.

Внутреннее строение Земли и методы его изучения. В 80-е гг. ХIХ в. австрийский геолог Эдуард Зюсс (1831-1914) высказал мысль о том, что Земля, подобно луковице, состоит из концентрических оболочек и плотного ядра – геосфер (греч. “ гея ” - земля, “сфера” - шар).

Представления о внутренней неоднородности строения Земли и о её концентрически-зональном строении основаны как на прямых наблюдениях (для внешних геосфер), так и на результатах комплексных геофизических исследований (для внутренних геосфер). При этом поверхность Земли является поверхностью раздела, отделяющей твердое тело планеты от внешних геосфер – атмосферы, гидросферы, биосферы и магнитосферы.

Все процессы, происходящие на планете, в конечном счете, сводятся к перераспределению вещества и энергии как внутри отдельных геосфер, так и между ними. За время геологической истории Земли эти перемещения меняли состав и строение отдельных оболочек. Поэтому данные, которые мы получаем, относятся к их современному состоянию. Их состояние в прошлом мы последовательно восстанавливаем по тем следам, которые хранятся в «каменной летописи» Земли, так же как археологи восстанавливают историю древних цивилизаций, читая наскальные рисунки и письмена.

По существующим представлениям земной шар разделен на ряд концентрических оболочек (геосфер), вложенных друг в друга. При этом поверхность Земли является поверхностью раздела, отделяющей твердое тело планеты от внешних геосфер – атмосферы, гидросферы и атмосферы.

Таблица 3.2. Состояние и состав оболочек Земли (по В.А. Вронскому, Г.В. Войткевичу, Ю. П. Селивестрову и А.А. Бобкову)

3.2. Внешние геосферы.

Атмосфера (греч. “атмос”- пар) газовая оболочка Земли. По характеру изменения температуры с высотой атмосферу разделяют на несколько слоев (сфер). Это тропосфера, стратосфера, ионосфера (Рис. 3.1.).

Тропосфера. Толщина её составляет от 6 км на полюсах до18 км на экваторе, средняя – около 12 км. Она содер­жит 80 % всей массы атмосферы и все водяные пары. Содержа­ние кислорода О₂ = 21 %, азота N₂ = 78 %, углекислого газа СО₂ = 0,03 % и аргона 0,93 %.

На каждые 100 м высоты пониже­ние в тропосфере фиксируется понижение температуры на 0,6°С. В результате температура у верхней границы тропосферы — (45—55°С) у полюсов и — (70—80°С) у экватора.

Стратосфера имеет верхнюю границу на высоте 80—90 км. Масса = 5 %, t = -(80-90°С). Здесь на высоте 80-120 км расположен озоновый слой, который защищает биосферу от губительного действия ультрафиолетово­го излучения Солнца.

Ионосфера. Здесь воздух сильно ионизирован. Часто наблюдаются полярные сияния в результате схода электронных и протонных лавин, поступающих от Солнца, с силовых линий геомагнитного поля. Верхняя граница полярных сияний 100-120 км. Верхняя граница ионосферы не установлена, так как она постепенно пере­ходит межпланетное пространство, заполненное межпланетным магнитным полем и потоками космических заряженных частиц (рис. 3.2. Магнитосфера Земли).

Однако это температура характеризует только скорость движения отдельных частиц, а не температуру всей ионосферы, для которой из-за высокой разреженности газа обычное для нас понимание температуры приближается к абсолютному нулю.

Выше ионосферы идут: экзосфера (от 1 до 5-10 тыс. км.) и магнитосфера (60 тыс. км).

Последние наиболее тщательные определения общей массы атмосферы дают величину 51,17^.10²⁰ г для массы сухой атмосферы, т. е. без учета водяных паров. Ее современный состав приведен в таблице 3.3. Конвекционные потоки поддерживают постоянство относительных содержаний компонентов вплоть до высоты 60 км, но выше может происходить гравитационное разделение по молеку­лярным весам, хотя оно не играет существенной роли. Ниже 100 км, даже на боль­ших высотах преобладают кислород и азот.

Атмосфера перераспределяет тепло, без атмосферы у поверхности Земли днем было бы больше +100⁰С, ночью -100⁰С, колебание - 200⁰С. Сейчас средняя температура на Земле около +15⁰С.

Гидросфера – жидкая оболочка Земли (греч. " гидор " - вода, " сфера " - шар). Гидросфера включает в себя все природные воды: океаны, моря, реки, озера, а также подземные водоносные горизонты (водяной пар атмосферы не включается в гидросферу). Общая масса воды гидросферы составляет около 1644· 10¹⁵ т (или 0,2 % от массы планеты). Она в 275 раз превышает массу атмосферы (табл. 3.4.). Около 94 % массы гидросферы составляют соленые воды мирового океана. Из оставшихся 6 % примерно ¼ приходится на ледники. На долю подземных вод приходится 1,68 % общего объема гидросферы. Объём последних оценивается примерно в 200 км³. Остальные 4 % – пресные воды суши (вода рек, озер и болот). Гидросфера покрывает 70,8% (361 млн. км ²) поверхности Земли. Наибольшая ее толщина - около 11 км. В Мировом океане глубины от 3 тыс. до 6 тыс. метров (средняя глубина океанов - 3800 метров). Соотношение резервуаров гидросферы показаны на рисунке 3.3.

Любые воды гидросферы Земли в той или иной степени минерализо­ваны и могут рассматриваться как природные растворы. В отличие от атмосферы в гидросфере четко проявлена горизонтальная неоднород­ность (зональность): воды суши в основном пресные, а океанов и мо­рей — соленые.

Таблица 3.4. Структура гидросферы и мировые запасы воды в её различных звеньях (Атлас океанов, 1980)

Воды океана исключительно постоянны по химическому составу и содержат в среднем 35 г солей в 1 л (3,5 %)

Атмосфера и гидросфера это два огромных резервуара, между которыми существует постоянный обмен веществом. Тропосфера всегда содержит пары воды, а в океане растворяются атмосферные газы. Этот обмен в значительной мере зависит от температуры системы. При повышении температуры уменьшается растворимость газов. А поскольку температура поверхности планеты зависит от активности солнечной радиации, влияние Космоса на сдвиги этих равновесий сказывается наиболее ощутимо.

Биосфера – областью существования и активной деятельности живого вещества. Термин «биосфера» впервые применил Э. Зюсс (1875), считавший ее тонкой пленкой жизни на земной поверхности, в значитель­ной мере определяющей «лик Земли». Однако заслуга созда­ния целостного учения о биосфере принадлежит В.И. Вернад­скому, так как именно он развил представление о живом ве­ществе как огромной геологической (биогеохимической) силе, преобразующей свою среду обитания. Большое влияние на В.И. Вернадского оказали работы В.В. Докучаева о почве как о естественно-историческом теле. Основы учения о биосфе­ре, изложенные В.И. Вернадским в 1926 г. в книге «Биосфе­ра», впоследствии стали идеологией и научной основой учения об окружающей среде – «экологии».

Биосфера имеет строго определенные гра­ницы. Эти границы определяются физическими и химическими условиями существования жизни. В то же время геометрические границы биосферы достаточно условны. Обычно считают, что верхняя граница биосферы находится на высоте 22-24 км от поверх­ности Земли, где образуется озоновый экран, который служит своеобразным экраном, защищающим все живое от губительного воздействия ультрафиолетовой радиации. Нижняя граница распространения жизни очень изрезана. На материках она проникает в земную кору до глубин в среднем 2-4-х километров, в океанах – на 0,5-1 км ниже их дна (рис.3.4).

Как показывают последние исследования со спутников и геофизических ракет, озоновому слою принадлежит особая роль в сохранении биосферы как планетарной целостности. Выход отдельных организмов и даже человека за эти пределы не расширяет границы биосферы, поскольку отдельные организмы не могут выполнять функции активной деятельности.

Биосфера оказывает самое существенное влияние на развитие земной коры на протяжении всей ее геологической истории, на развитие жизни, эволюцию всего органического мира, приведшего, в конечном счете, к появлению человека. Но чтобы понять это необходимо посмотреть на биосферу не как на геометрическую оболочку планеты, а как на сложную биокосную систему со своей организованностью, законами взаимодействия с другими оболочками планеты и даже с космосом (Рис. 3.4).

В пределах каждой сферы существует еще более тонкие структурированные уровни организации материи.

Масса внешних оболочек Земли составляет меньше 0,001% массы планеты, однако их значение в геологической истории Земли чрезвычайно велико. Атмосфера, гидросфера и биосфера обладают высокой подвижностью, поэтому они являются мощными геологическими факторами развития земной поверх­ности и преобразования горных пород. Благодаря их работе создаются озерные, речные, элювиальные, делювиальные, ледниковые, пролювиальные, эоловые, торфяные и другие отложения, слагающие верхнюю часть земной коры.

Масса внешних оболочек Земли составляет значительно меньше 0,001% массы планеты, однако их значение в геологической истории Земли чрезвычайно велико. Атмосфера, гидросфера и биосфера обладают высокой подвижностью, поэтому они являются мощными геологическими факторами развития земной поверх­ности и преобразования горных пород. Благодаря их работе создаются озерные, речные, элювиальные, делювиальные, ледниковые, пролювиальные, эоловые, торфяные и другие отложения, слагающие верхнюю часть земной коры.