Физическая модель Земли

 

 

Физическая модель Земли

 

Содержание

 

1. История  развития представлений о Земле  …………………………………  3

2. Форма  и размеры Земли…………………………………………………….  6

2. Доказательства  вращения Земли…………………………………………...  7

3. Происхождение  Земли………………………………………………………   9

4. Сферы  Земли………………………………………………………………….  11

Список  использованных источников………………………………………….  20

 

1. История развития представлений о Земле

 

Долгое время, пока господствовала мифологическая картина мира, Земля  считалась плоским диском, стоящим  на грех слонах, китах или черепахе и покрытым сверху полукруглым небесным сводом. Лишь в VI в. до н.э. один из основоположников античной науки Пифагор высказал мысль о шарообразности Земли. То, что Земля имеет шарообразную форму, доказал Аристотель в IV в. до н.э. В качестве аргументов он использовал лунные затмения, которые происходят из-за того, что Земля, встав между Солнцем и Луной, отбрасывает на Луну круглую тень. Кроме того, было известно, что в южных странах на небе появляются созвездия, невидимые на севере. Так, постепенно утвердилось представление о том, что Земля – это шар, неподвижно висящий в центре Космоса без всякой опоры, а вокруг него вращаются по идеальным круговым орбитам Луна, Солнце и пять известных тогда планет. Неподвижные звезды замыкали сложившуюся в античности геоцентрическую модель мира.

В 300 г. до н.э. географ Эратосфен достаточно точно определил размеры земного шара. Он заметил, что в день летнего солнцестояния в городе Сиене Солнце находится в зените и освещает дно самого глубокого колодца. Затем он измерил угол падения солнечных лучей в тот же день в Александрии. Зная расстояние между городами, Эратосфен вычислил длину окружности земного шара.

Тем не менее, представления  о шарообразности Земли во многом вытекали из чисто умозрительных рассуждений об идеальных телах. В античности такими телами считались шар, сфера, круг, а потому в гармоничном соразмерном Космосе Земля должна иметь форму самой совершенной фигуры - шара. Ничем другим она просто не могла быть [9].

Лишь с началом эпохи  Великих географических открытий шарообразность Земли была подтверждена на опыте. В 1522 г. португальский мореплаватель  Фернан Магеллан завершил первое кругосветное путешествие, в ходе которого он обогнул Землю и доказал наличие единого Мирового океана.

Казалось бы, вопрос о  форме Земли можно было считать  закрытым. Но в это же время было опровергнуто античное учение об идеальных телах. Поэтому встал вопрос, насколько близка форма Земли к идеальной сфере. К концу XVII в. сложились две точки зрения по этому вопросу. С одной стороны, И. Ньютон считал, что Земля имеет форму сфероида, несколько сплющенного у полюсов, вследствие ее вращения и действия сил притяжения составляющих ее масс (напоминает тыкву). С другой стороны, Р. Декарт, основываясь на теории вихрей, утверждал, что Земля сплющена у экватора и удлинена по направлению к полюсам (похожа на дыню).

Чтобы решить этот вопрос, надо было измерить кусочки дуг меридиана на разных широтах и посмотреть, как соотносятся расстояния, приходящиеся на один градус. В 1735 г. Парижская акаде- мия наук отправила с этой целью две экспедиции: одну – в Перу, на экватор, а другую – в Лапландию, к полюсу. Восемь лет потребовалось ученым, чтобы измерить с помощью сосновых жердей с выверенной длиной в десять метров дугу длиной в три градуса восемь минут. Выяснилось, что чем ближе к полюсу, тем длиннее становился градус.

С тех пор форма Земли  уточнялась еще несколько раз. С  большой точностью ее удалось  определить лишь в XX в. с помощью приборов, установленных на искусственных спутниках Земли. Сегодня точно известно, что Земля – не вполне правильный шар. Она немного сжата у полюсов и несколько вытянута к Северному полюсу. Эта фигура называется геоидом. Термин для обозначения фигуры Земли был введен в 1873 г. немецким физиком И. Листингом. Сжатие у полюсов объясняется вращением Земли вокруг своей оси. Вытянутость Земли к Северному полюсу до сих пор окончательного объяснения не получила [7, с. 157 – 158].

Коперник, утверждая, что  Земля вращается вокруг своей  оси, не располагал доказательствами этого  вращения. Он считал это вращение более  вероятным, чем вращение вокруг Земли  сферы неподвижных звезд, и старался подтвердить правоту своей точки зрения рассуждениями общего характера. Надо иметь в виду, что во времена Коперника не были известны основные законы механики, открытые лишь Галилеем и Ньютоном [9].

 

2. Форма и размеры  Земли

 

Земля – не идеальный шар, она  сплюснута у полюсов и расширена  к экватору. Такое геометрическое тело называется сфероидом, или эллипсоидом  вращения. Однако истинная форма Земли  сложнее из-за неоднородного строения недр. Известный ученый В. И. Вернадский назвал такую форму геоид («землеподобный»). Геоид – это фигура, поверхность которой всюду перпендикулярна направлению силы тяжести. Поверхность геоида совпадает с уровнем Мирового океана и сообщающихся с ним морей при некотором среднем уровне воды, отсутствии течений, волн, приливов и др.

В настоящее время с помощью  космических методов исследования ученые с достаточной степенью точности могут составить модель поверхности  Земли, которую по форме иногда сравнивают с обкусанным яблоком, подчеркивая  при этом неоднородность ее поверхности.

Полярный радиус Земли составляет 6357 км, а экваториальный – 6378 км, то есть больше полярного на 21 км (рис. 1) [2, с. 81].

 

 

 

2. Доказательства  вращения Земли

 

В настоящее время наука  располагает рядом доказательств вращения Земли. Следует вспомнить, что период вращения Земли вокруг оси равен звездным суткам, т. е. 23ч 56м 04с среднего времени. Такому периоду вращения соответствует на экваторе линейная скорость 465 м/сек, а в широтах, отличных от нуля, - та же скорость, умноженная на cos φ. Это значит, что с увеличением широты линейная скорость вращения уменьшается и при φ = 90° (на полюсе Земли) она равна нулю [3, с. 96].

Физические доказательства вращения Земли:

1. Отклонение падающих тел к востоку. Уже на основе элементарных соображений можно показать, что тело, свободно падающее с вершины башни, должно упасть не у основания башни, а несколько отклониться в направлении вращения земли, т. е. к востоку. В самом деле, линейная скорость вершины башни больше линейной скорости ее основания, описывающего за то же время дугу меньшего радиуса. Так как падающее с вершины башни тело стремится по закону инерции сохранить свою первоначальную скорость, то оно должно обогнать основание башни и несколько отклониться к востоку.

2. Маятник Фуко. В 1851 г. французский физик Фуко поставил опыт с качанием маятника, являющийся наиболее наглядным доказательством вращения Земли. Если маятник подвешен так, что он может качаться в вертикальной плоскости, он во все время качания будет сохранять плоскость колебания по закону инерции. При вращении Земли линия земной поверхности, лежащая в той же плоскости, будет поворачиваться вокруг вертикали. Это совершенно очевидно для случая, когда маятник подвешен на земном полюсе. Здесь можно было бы наблюдать, как плоскость колебания маятника совершает за звездные сутки полный оборот относительно поверхности Земли в направлении, противоположном вращению Земли с угловой скоростью 15° в час (звездный).

3. Сплюснутость Земли у полюсов. Из законов механики следует, что если бы Земля не вращалась, она должна была бы иметь форму шара. То обстоятельство, что Земля сплюснута у полюсов, может быть объяснено только вращением ;5емли. С другой стороны, при отсутствии вращения Земли нельзя было бы объяснить, почему воды океанов держатся на экваториальной выпуклости Земли и не стекают к ее полюсам.

В отличие от двух первых доказательств вращения Земли сплюснутость Земли не дает возможности установить направление вращения Земли, хотя и определяет положение оси вращения.

4. Другие явления, связанные с вращением Земли, также объясняемые законами механики, как и приведенные выше доказательства вращения Земли:

• Пассаты – постоянные ветры в тропических областях обоих полушарий, дующие к экватору, под влиянием вращения Земли (с запада на восток) направлены с северо-востока в нашем полушарии и с юго-востока в южном полушарии;
• отклонение артиллерийских снарядов: в северном полушарии снаряд отклоняется вправо, в южном – влево;
• подмывание правого берега реки в северном полушарии и левого - в южном;
• вихревое движение ветра в циклонах: в северном полушарии ветер в циклоне движется по спирали, направляясь к центру против часовой стрелки, а в южном - по часовой стрелке;
• смещение линий по принципу Допплера – Физо обнаруживаемое в спектрах звезд при их восходе и заходе [3, с. 98].

 

3. Происхождение Земли

 

Формирование ядра Земли  начиналось при охлаждении планетарной  газовой туманности в условиях относительно низких температур, хотя и превышающих 1200 0К. Аккумулировавшее вещество находилось в твердом состоянии и представляло собой железо-никелевый материал.

По мере роста массы  ядра ее гравитационная потенциальная энергия возрастала и вокруг твёрдого ядра возникала расплавленная зона с устойчивой стратификацией. При таком начале формирования Земли ядро оказывалось первичным и возникло в процессе аккреции (слипания) за короткий промежуток времени (около 100 тыс. лет).

Дальнейшее охлаждение туманности привело к конденсации  на поверхности ядра оливина и пироксенов. (Оливин и пироксены – минералы группы силикатов, характерные для глубинных областей нашей планеты). Между ядром и силикатной оболочкой мантии возникает резкая граница (эксперименты по взаимодействию металлического и силикатного расплавов показали, что они являются несмешивающимися жидкостями).

По мере роста Земли  темп аккумуляции падал в результате уменьшения количества вещества, находящегося вблизи Земли и наиболее доступного для захвата. Это приводило к понижению температуры поверхности Земли и, как

следствие, к конвективной гомогенизации  ядра и части сформировавшейся мантии.

Наружный слой Земли (около 20 % от ее массы) если по этой массе рассчитать мощность данного слоя (учитывая, что плотность есть функция радиуса Земли), то она окажется равной примерно 630–640 км сформировался в основном за 100 тыс. 10млн. лет. Вещество поверхностного слоя представляет собой смесь поздних и ранних низкотемпературных конденсатов. В соответствии с этой моделью ядро Земли и ее сферические оболочки, называемые геосферами, возникли независимо друг от друга по дискретной схеме конденсации горячей газовой туманности. Они существовали как изначальные, заданные при рождении формы, возраст которых не одинаков: наиболее древним является ядро, а самой молодой – атмосфера [8].

Окружность Земли по экватору равна 40 075,7 км, окружность по меридиану – 40 008,5 км.

Масса Земли была вычислена  на основе закона всемирного тяготения  в опытах Г. Кавендиша с крутильными  весами, на которых он измерял, с  какой силой большой свинцовый  шар притягивает к себе маленькие  свинцовые шарики, а затем сравнивал  эту силу с силой притяжения маленьких  шариков Землей, т.е. с их весом. Этот опыт был поставлен в 1798 г. Масса  Земли оказалась равной 5976∙10²¹ кг.

Поверхность Земли составляет приблизительно 510 млн. км², при этом на долю суши приходится 149 млн. км², или около 29%, так что правильнее было бы назвать нашу планету не Землей, а Океаном [7, с. 157 – 160].

 

4. Сферы Земли

 

Исследователи выделяют следующие  сферы Земли: геологическая (внутреннее строение Земли), гидросфера, атмосфера, гляциосфера (лат. glacios - лед), биосфера (сфера жизни), антропосфера (жизнедеятельность человека), магнитосфера. Большую роль в изучении геологической оболочки Земли сыграла сейсмология (греч. seismos - землетрясение, logos - наука).

Сейсмология изучает такие явления, как землетрясения и деятельность вулканов. Сейсмологические наблюдения за поверхностью Земли имеют глубокие исторические корни. По старинным летописям  было установлено, что первый сейсмоскоп был создан еще во втором столетии нашей эры в Китае. М. В. Ломоносов  в своем трактате «Слово о рождении металлов от трясения Земли» (1757) сформулировал  ряд идей о физической природе  землетрясения. Каждую минуту на Земле происходят поверхностные и глубинные землетрясения (700 км вглубь от поверхности Земли), которые сопровождаются сейсмическими волнами двух видов: продольные и поперечные. При распространении продольных волн вещества, через которые они проходят, смещаются в направлении движения волны. Продольные волны распространяются в твердых телах и жидкостях, но поперечные волны - только в твердых. Связано это с тем, что эти волны вызывают смещение частиц вещества, где происходит их распространение, под прямым углом относительно направления их движения. Сейсмические волны как бы освещают процессы, происходящие внутри Земли [7, с. 159].

Геологическая сфера  Земли ее внутреннее строение.

В прошлом веке австралийский сейсмолог  К. Буллен на основании измерения скорости сейсмических волн предложил разделить строение Земли на три области или сферы: ядро, мантия и земная кора. При этом Земля условно рассматривались как шар с радиусом 6370 км, т. е. 6370 км условно рассматривались как самая глубокая точка Земли. Этот метод исследования внутреннего строения Земли в некоторых усредненных значениях используется и сегодня с определенными уточнениями. Ядро Земли делится на внешнее ядро и внутреннее. Внутреннее ядро находится на расстоянии от 6370 до 5120 км, температура более 4000°С, состоит, как полагают, из никеля и железа, плотность 13 г/см³. Оно является твердым. Внешнее ядро занимает область глубиной от 5120 до 2900 км, температура, приблизительно 3500°С. На глубине 2900 км плотность его составляет 9,9 г/см³, состоит из железа, никеля и примесей более легких химических элементов. Железо, как полагают исследователи, составляет приблизительно 35% от всей массы Земли. Во внешнем ядре поперечные волны исчезают и снова возникают в области внутреннего ядра, следовательно, оно находится в жидком состоянии. Ядро (внешнее и внутреннее) составляет 33% массы Земли.