Современные представления о строении и составе Земли, ее образовании и возрасте

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Современные представления о строении и составе  Земли, ее образовании и возрасте

 

Появившиеся в глубокой древности представления о форме и размерах Земли с течением времени менялись и трансформировались вместе с общим развитием естественных наук и до достижениями. Длительное время Земля рассматривалась как некое шарообразное тело. В XVII-XVIII вв., когда для изучения размеров Земли стали применяться более точные оптические методы геодезии, было выяснено, что Земля не представляет собой идеальный шар, так как полярный и экваториальный радиусы неодинаковы (сегодня известно, что разница между ними составляет немногим более 21 км). Это свидетельствует о сплюснутости ее по оси вращения. Фигура Земли образовалась под совместным действием гравитационных и центробежных сил. Равнодействующая этих сил называется силой тяжести. Она перпендикулярна земной поверхности и выражается в ускорении, которое приобретает каждое тело у поверхности Земли. На рубеже XVII - XVIII вв. И. Ньютоном теоретически было обосновано положение о том, что под воздействием силы тяжести Земля должна иметь сжатие в направлении оси вращения и принимать форму эллипсоида или сфероида. Впоследствии сделанные во многих странах измерения длины меридианов и параллелей подтвердили теоретические положения и расчеты И. Ньютона. Эти данные также показали, что Земля является не двухосным, а трехосным эллипсоидом, так как экваториальные радиусы отличаются по длине на 213 м.

Хотя представления о форме Земли как об эллипсоиде в первом приближении оказались верными, в действительности ее реальная поверхность оказалась более сложной. Наиболее близкой к форме Земли является своеобразная фигура, получившая название геоида (дословно – землеподобный) (рис. 1).

Рис. 1. Положение поверхностей рельефа Земли, сфероида и геоида

Геоид – некоторая воображаемая форма, по отношению к которой сила тяжести повсеместно направлена перпендикулярно. Она совпадает с уровнем Мирового океана и продолжается, погружаясь под материки, как бы сглаживая их рельеф. Таким образом, геоид – это уровенная поверхность океанов гравитационного потенциала (т. е. во всех своих точках перпендикулярная направлению отвеса), совпадающая с поверхностью Мирового океана.

Форма и размеры Земли были вычислены геодезистом А. А. Изотовым в 1940 г. Выведенная им фигура впоследствии получила название эллипсоида Красовского. Вычисленные с помощью космических аппаратов основные параметры по эллипсоиду Красовского следующие: экваториальный радиус – 6378,245 км; полярный радиус – 6356,863 км. Площадь поверхности Земли составляет около 5210 млн км2, ее объем – 1,083-1012 км3. Масса Земли равна 5,976-1027 г или 5,976-109 трлн т.

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 означает, что в ее недрах должны находиться горные породы, в несколько раз превышающие среднюю плотность Земли.

Галактика Млечного Пути вращается вокруг своей оси с неодинаковой угловой скоростью в различных точках, ее скорость возрастает по мере удаления от центра Галактики. Полный оборот вокруг Центра Галактики Солнце совершает за 215 млн лет, вращаясь со скоростью около 25 * 104 м/с. В то же время Галактика постоянно поступательно движется в направлении созвездия Единорога со скоростью около 21 * 104 м/с. Земля, являясь составной частью Солнечной системы, участвует в этих движениях вместе с Солнцем.

Одновременно Земля вращается вокруг Солнца по эллиптической орбите с запада на восток (орбитальное движение). Эксцентриситеторбиты равен 0,017. Наиболее близкая к Солнцу точка земной орбиты называется перигелием, наиболее удаленная – афелием. Полный оборот вокруг Солнца наша планета совершает за 365 сут 5 ч 48 мин 46 с. Характерно, что на отдельных участках орбиты Земля движется быстрее, нежели на других. Первую половину своего пути по орбите Земля проходит примерно за 186 сут (с 21 марта по 23 сентября), вторую – за 179 сут (с 23 сентября по 21 марта). Наибольших значений орбитальная скорость достигает в перигелии, наименьших – в афелии.

Наряду с орбитальным движением Земля постоянно совершает вращательное движение вокруг своей оси. Такое вращение происходит с запада на восток.

Полный оборот вокруг своей оси планета совершает за одни сутки (23 ч 56 мин 4 с) с угловой скоростью 77,292116-10"5 с-1 или со средней линейной скоростью 465 м/с. Продолжительность такого оборота (продолжительность суток) и угловая скорость в течение года меняются. Наибольших значений продолжительность суток достигает в марте, наименьших – в августе.

На Земле имеется ряд неопровержимых доказательств ее осевого вращения. Это не только смена дня и ночи, но и выпуклость Земли в экваториальном поясе и сплюснутость ее у полюсов. Объяснить это иначе чем осевым вращением невозможно., так как оно возникает при участии центробежной силы, развивающейся только при вращении тел. Под влиянием данного движения возникает так называемое кариолисово ускорение. Его действием объясняют подмыв правого берега рек в северном полушарии и левого – в южном. Это же ускорение отклоняет от меридиана воздушные и морские течения с эффектом, прямо пропорциональным массе движущихся воздушных и водных масс1.

Ярким доказательством осевого вращения Земли является известный опыт, поставленный Ж. Фуко в 1851 г. с физическим маятником. Опыт основан на законе механики, в силу которого всякое качающееся тело стремится сохранить плоскость своего качения при одном условии: на него не действует никакая другая сила, кроме силы тяжести.

Наблюдателю по истечении некоторого времени после начала качания маятника кажется, что плоскость качания поворачивается вокруг вертикали данного места по часовой стрелке (в южном полушарии – против часовой стрелки). В действительности же поворачивается не плоскость качания маятника (она остается неизменной), а Земля переместилась под маятником с запада на восток.

Другим важным доказательством осевого вращения Земли является отклонение падающих тел к востоку в северном полушарии и к западу в южном полушарии. Это вызвано тем, что чем дальше находится точка от оси вращения Земли, тем больше ее скорость вращения с запада на восток.

Скорости осевого вращения и движения Земли не остаются Погодиными. Изменения скоростей осевого вращения могут быть трех типов: вековыми, скачкообразными и периодическими, или сезонными. Вековые изменения приводят к увеличению периода вращения Земли вокруг своей оси. В результате этого продолжительность суток за последние 2000 лет возрастала в среднем на 0,0023 с в столетие. Нерегулярные изменения способны удлинять или сокращать продолжительность суток до 0,004 с. Периодические изменения приводят к тому, что время осевого вращения Земли в течение года может различаться на ±0,001 с.

Изменения скорости орбитального движения Земли и скорости ее осевого вращения происходят под действием ряда причин. Так называемые внутренние причины обусловлены колебаниями момента инерции Земли. В силу этого происходит уменьшение земного радиуса каждые сто лет на 5 см, а иногда и на 12 см. Изменение радиуса Земли происходит неравномерно. Оно обусловлено неустойчивостью механического и физико-химического состояния земных недр. Уменьшение радиуса планеты сопровождается резким увеличением давления во всех слоях ее недр, что приводит к перетоку новых масс в состав ее ядра и к его уплотнению. В целом из-за гравитационного сжатия и уменьшения земного радиуса наблюдается так называемое вековое ускорение вращения планеты, составляющее в относительных единицах 1,4- 10-8 в столетие.

Большое влияние на изменение скорости орбитального и осевого вращения Земли оказывают внешние причины. В первую очередь это касается приливного трения, воздушных течений и взаимодействия сезонной циркуляции атмосферы с земной поверхностью. В результате влияния на Землю притяжения Луны и Солнца в океанах и морях образуются приливные волны. Они перемещаются в направлении, противоположном вращению планеты, что приводит к уменьшению энергии вращательного движения Земли.

В земной атмосфере действуют постоянные воздушные течения, размеры которых сопоставимы с площадью материков. Скорости этих течений в среднем составляют зимой около 100 м/с, летом – 70 м/с. В целом воздушные потоки направлены зимой с запада на восток, а летом – с востока на запад. В результате трения воздушных потоков с земной поверхностью вращение Земли замедляется.

Большая роль в изменении скорости вращения нашей планеты принадлежит взаимодействию сезонной атмосферной циркуляции с поверхностью Земли. В северном полушарии над материками обычно летом возникают области низкого, а зимой высокого атмосферного давления. Это вызвано большим прогреванием летом суши, чем моря, а зимой – наоборот. В результате «избыточные массы воздуха» скапливаются над сушей зимой, над морями и океанами – летом. Вместе с географическим распределением материков в обоих полушариях это вызывает периодические изменения скорости вращения Земли. По мнению геофизиков, возможные напряжения от этих избыточных воздушных масс на поверхности Земли могут в сотни раз превышать напряжения, требуемые для объяснения наблюдаемых сезонных колебаний продолжительности суток. Поэтому наряду с годовыми и 11-летними колебаниями скоростей вращения, вызванными солнечной активностью, могут существовать колебания, соответствующие разнообразным циклам погоды и имеющие период около трех месяцев.

Поверхность Земли по существу является поверхностью раздела. Она отделяет твердое тело Земли от расположенной на ее поверхности жидкой водной оболочки – гидросферы и внешней газовой оболочки, называемой атмосферой.

Атмосфера. Согласно многочисленным данным, верхнюю границу атмосферы проводят по высоте 700 – 800 км или даже 900 – 1000 км, а с учетом экзосферы граница перехода атмосферы в космическое пространство лежит на высоте 2000 – 3000 км. В настоящее время земная атмосфера содержит 5,3-103 трлн т воздуха, но это составляет всего около одной миллионной части массы всей Земли. Атмосфера по своему составу и распределению массы весь неоднородна.

Плотность воздуха на уровне моря в среднем равна 13–10-3 г/см3. С высотой плотность воздуха быстро убывает, так что 3/4 ее массы приходится на нижние 10 км. По вещественному составу, температуре и характеру воздушных течений в ней выделяют несколько слоев. Разделяющие их границы носят название пауз. По резкой смене температур выделяются тропопауза, стратопауза, мезопауза, экзопауза (рис. 1). Они выполняют запрещающие и разрешающие функции. Паузы являются не строго определенными границами раздела. В них неоднократно возникают разрывы, через которые происходит обмен веществом и энергией между соседними слоями.

 

Рис. 1. Схематический разрез атмосферы:

1 – верхняя граница литосферы (о – суша, б – океан); 2 – серебристые облака; 3 – перламутровые облака; 4 – ярусы облачности в тропосфере; 5 – полярные сияния; 6 – температурная кривая;

7 – слой распространения озона; 8 – слой наибольшей концентрации озона (озоновый слой)

 

 

 

 

 

 

Тропосфера. В тропосфере сосредоточено около 90 % массы атмосферы. В ней формируются погода и климат, возникают мощные воздушные течения, циклоны и антициклоны. Сухой воздух состоит из 78,08 % азота, 20,95 % кислорода, 0,93 % аргона, 0,03 % углекислого газа и малых количеств благородных газов и водорода. Важную роль в формировании погоды и климата играют термодинамические активные примеси (ТАП). К ним относятся пыль и пары воды. Пары воды и облачность вместе с углекислым газом влияют на потоки коротко- и длинноволнового излучения и вносят большой вклад в создание парникового эффекта. Это означает способность атмосферы пропускать солнечную радиацию до подстилающей поверхности, но поглощать собственное тепловое излучение подстилающей поверхности и нижележащих тропосферных слоев.

Тропосферная пыль имеет различное происхождение. Она поступает в тропосферу во время вулканических извержений, поднимается сильными ветрами с открытых пространств. Много пыли в тропосфере имеет промышленное или антропогенное происхождение.

От земной поверхности температура медленно понижается и на высоте 10-12 км составляет от -60 до -70 °С. На уровне стратопаузы на высоте от 15 до 18 км температуры стабилизируются.

Стратосфера. В стратосфере до высоты около 40 км температура воздуха колеблется в пределах от -40 до -50°С, но затем быстро возрастает, достигая положительных значений около 15 °С. В настоящее время в стратосфере обнаружена активная вертикальная циркуляция воздуха, приводящая к перемешиванию воздуха до высот порядка 30-40 км. Это обеспечивает примерно постоянный газовый состав в стратосфере. Преобладающее направление ветров в стратосфере – восточное в отличие от западного в тропосфере.

Исключительно важной особенностью стратосферы и верхней части тропосферы является наличие озонового слоя. Он распространен на высоте от 17 до 30 км. Благодаря озоновому слою большая часть ультрафиолетового излучения задерживается.

Мезосфера. Ее газовый состав, в котором преобладают азот и кислород, весьма устойчив. Температура от нижней границы к верхней вновь понижается, достигая значений от -70 до -90 °С. У верхнейграницы образуются так называемые серебристые облака, представляющие собой скопления мельчайших кристалликов льда2.