1. Планета Земля
2. Внутреннее строение Земли
3. Тепловая энергия планеты
4. Тектоника плит
5. Эволюция Земли
6. Атмосфера Земли
7. Гидросфера Земли
Планета Земля
Планета Земля Земля как одна из планет Солнечной системы на первый взгляд ничем не примечательна. Это не самая большая, но и не самая малая из планет. Она не ближе других к солнцу, но и не обитает на периферии планетной системы. И всё же Земля обладает одной уникальной особенностью – на ней есть жизнь. Однако при взгляде на Землю из космоса это не заметно. Хорошо видны облака, плавающие в атмосфере. Сквозь просветы в них различимы материки. Большая же часть Земли покрыта океанами.
Появление жизни, живого вещества – биосферы – на нашей планете явилось следствием её эволюции. В свою очередь биосфера оказала значительное влияние на весь дальнейший ход природных процессов. Так, не будь жизни на Земле, химический состав её атмосферы был бы совершенно иным.
Несомненно, всестороннее изучение Земли имеет громадное значение для человечества, но знания о ней служат также своеобразной отправной точкой при изучении остальных планет земной группы.
Внутреннее строение Земли
Не просто «заглянуть» в недра Земли. Даже самые глубокие скважины на суше едва преодолевают 10 – километровый рубеж, а под водой удаётся, пройдя осадочный чехол, проникнуть в базальтовый фундамент не более чем на 1.5 км. Однако нашёлся другой способ. Как в медицине рентгеновские лучи позволяют увидеть внутренние органы человека, так при исследовании недр планеты на помощь приходят сейсмические волны. Скорость сейсмических волн зависит от плотности и упругих свойств горных пород, через которые они проходят. Более того, они отражаются от границ между пластами пород разного типа и преломляются на этих границах.
По записям колебаний земной поверхности при землятресениях – сейсмограммам – было установлено, что недра Земли состоят из трёх основных частей: коры, оболочки (мантии) и ядра.
Кора отделяется от оболочки отчётливой границей, на которой скачкообразно возрастают скорости сейсмических волн, что вызвано резким повышением плотности вещества. Эта граница носит название раздел Мохоровичича (иначе – поверхность Мохо или раздел М) по фамилии сербского сейсмолога, открывшего её в 1909 г.
Толщина коры непостоянна, она изменяется от нескольких километров в океанических областях до нескольких десятков километров в горных районах материков. В самых грубых моделях Земли кору представляют в виде однородного слоя толщиной порядка 35 километров. Ниже, до глубины примерно 2900 км, расположена мантия. Она, как и земная кора, имеет сложное строение.
Ещё в XIX столетии стало ясно, что у Земли должно быть плотное ядро. Действительно, плотность наружных пород земной коры составляет около 2800 кг/м3 для гранитов и примерно 3000 кг/м3 для базальтов, а средняя плотность нашей планеты – 5500 кг/м3. В то же время существуют железные метеориты со средней плотностью 7850 кг/м3 и возможна ещё более значительная концентрация железа. Это послужило основанием для гипотезы о железном ядре Земли. А в начале XX в. были получены первые сейсмологические свидетельства его существования.
Граница между ядром и мантией наиболее отчётливая. Она сильно отражает продольные (Р) и поперечные (S) сейсмические волны и преломляет Р-волны. Ниже этой границы скорость Р-волны резко падает, а плотность вещества возрастает: от 5600 кг/м3 до 10000 кг/м3. S-волны ядро вообще не пропускает. Это означает, что вещество там находится в жидком состоянии.
Есть и другие свидетельства в пользу гипотезы о жидком железном ядре планеты. Так, открытое в 1905г. изменение магнитного поля Земли в пространстве и по интенсивности привело к заключению, что оно зарождается в глубинах планеты. Там сравнительно быстрые движения могут происходить, не вызывая катастрофических последствий. Наиболее вероятный источник такого поля – жидкое железо (т.е. проводящее токи) ядро, где возникают движения, действующие по механизму самовозбуждающегося динамо. В нём должны существовать токовые петли, грубо напоминающие витки провода в электромагните, которые и генерируют различные составляющие геомагнитного поля.
В 30–е гг. сейсмологи установили, что у Земли есть и внутреннее, твёрдое ядро. Современное значение глубины границы между внутренним и внешним ядрами примерно 5150 км.
Граница наружной зоны Земли – расположена на глубине порядка 70 км. Литосфера включает в себя как земную кору, так и часть верхней мантии. Этот жёсткий слой объединяется в единое целое его механическими свойствами. Литосфера расколота примерно на десять больших плит, на границах которых случается подавляющее число землетрясений.
Под литосферой на глубинах от 70 до 250 км существует слой повышенной текучести – так называемая астеносфера Земли. Жёсткие литосферные плиты плавают в «астеносферном океане».
В астеносфере температура мантийного вещества приближается к температуре его плавления. Чем глубже, тем выше давление и температура. В ядре Земли давление превышает 3600 кбар, а температура – 6000 С0.
Тепловая энергия планеты
О высокой температуре земных недр учёные догадывались давно. Об этом свидетельствовали и вулканические извержения, и рост температуры при погружении в глубокие шахты. В среднем у поверхности Земли её увеличение составляет 20 градусов на километр.
Тепловая энергия земных недр выделяется с поверхности планеты в виде теплового потока, который измеряется количеством тепла, выделяемого с единицы площади заединицу времени. Измерить тепловой поток Земли с достаточной точностью удалось только во второй половине XX века.
Континентальную земную кору можно представить в виде 15 – километрового слоя гранита, лежащего на слое базальта такой же толщины. Концентрация радиоактивных изотопов, служащих источниками тепла, в гранитах и базальтах хорошо изучена. Это прежде всего радиоактивный калий, уран и торий. Подсчитано, что при их распаде выделяется примерно 130 Дж/(см год). В тоже время средний тепловой поток, который равен 130 – 170 Дж/(см год). Следовательно, он почти полностью определяется тепловыделением в гранитном и базальтовом слоях.
С океанической корой всё обстоит иначе. Она значительно тоньше континентальной, и основу её составляет 5 – 6 –километровый базальтовый слой. Распад содержащихся в нём радиоактивных элементов даёт всего около 10 Дж/(см год). Однако, когда специалисты измерили тепловой поток на океанах, он оказался примерно таким же, как и на материках.
Сегодня установлено, что основная часть тепла поступает в океаническую кору через литосферную плиту из мантии. Вещество мантии постоянно находится в движении. Неравенство температур различных слоёв в ней приводит к активному перемешиванию вещества: более холодное и, соответственно, более плотное тонет, более горячее всплывает. Это так называемая тепловая конвекция.
Большинство современных исследователей указывают на три возможных источника энергии для поддержания тепловой конвекции в мантии. Во – первых, мантия всё ещё сохраняет большое количество тепла, накопленного в период формирования планеты. Его достаточно, чтобы поверхностный тепловой поток сохранялся на его теперешнем уровне в течение срока, в несколько раз превышающего нынешний возраст Земли. При этом планета должна остывать, но её остывание происходит очень медленно. Во – вторых, определённое количество тепла, по-видимому, поставляется в мантию из ядра. И, наконец, третий источник – это распад радиоактивных элементов (их содержание в мантии в настоящее время трудно оценить).
Тектоника плит
Ещё в 1912 г. немецкий исследователь Альфред Вегенер выдвинул гипотезу дрейфа континентов. На эту идею его натолкнули поразительное соответствие очертаний береговых линий материков Африки и Южной Америки, а также явные следы глобального изменения климата в прошлом во многих регионах мира. Но гипотеза поначалу была отвергнута научным сообществом, так как не указывала причин дрейфа. В 30 – е гг. английский геолог Артур Холмс предложил объяснить движение континентов тепловой конвекцией. В 50 – гг., когда широко проводились исследования дна океана, гипотеза о крупны горизонтальных перемещениях в литосфере получила новые подтверждение. Значительную роль в этом сыграло изучение магнитных свойств пород, слагающих океаническое дно.
Ещё в начале XX в. было установлено, что намагниченность современных лав соответствует нынешнему магнитному полю Земли, а у древних лав она часто ориентирована под большими углами или вообще противоположна направлению современного поля. По сути дела эта картина отражает состояние магнитного поля в предшествующие геологические эпохи. В базальтовых лавах много железа, и они, затвердевая по мере охлаждения, намагничивались в соответствии с существовавшим в тот период геомагнитным полем.
Имелись также данные о перемене полярности: северный магнитный полюс Земли становился южным, и наоборот. Зарегистрировано 16 инверсий магнитных полюсов за последние несколько миллионов лет. (Причины такой переполюсировки до сих пор окончательно не выяснены, предположительно её вызвали процессы, происходившие в жидком ядре.). И, как оказалось, график этих инверсий свидетельствовал в пользу крупномасштабных перемещений материков.
Магнитная съёмка тихоокеанского дна в 1955 и 1957 гг. обнаружила простирающиеся почти параллельно с севера на юг «полосы» с магнитными полями аномальной напряжённости. А в 1963 г. были открыты полосовые магнитные аномалии, вытянутые параллельно хребту Карлсберг в Индийском океане. К этому времени уже стала довольно известной гипотеза, выдвинутая в 1960г. профессором Принстонского университета (США) Гарри Хессом и названная позже гипотезой спрединга, или «расширения морского дна». По ней, горячая полурасплавленная мантийная масса поднимается под срединно – океаническими хребтами, распространяется в стороны от них в виде мощных потоков, которые разрывают и расталкивают плиты литосферы в разные стороны. Мантийное вещество заполняет образовавшиеся с обеих сторон от хребтов трещины – рифты.
На площадь поверхности Земли (как и её объём) практически не изменилась за время её существования. Поэтому если новые участки поверхности наращиваются вдоль хребтов, то где – нибудь они должны и уничтожаться. Вероятнее всего, это происходит в глубоководных океанских желобах. Эти так называемые зоны субдукции (поглощения) расположены вдоль вулканических дуг, протянувшихся в Тихом океане от Аляски вдоль Алеутских островов к Японии, Марианским островам и Филиппинам вплоть до Новой Зеландии и вдоль берегов Америки. Когда в этих зонах земная кора опускается до глубины 100 – 150 км, часть вещества плавится, образуя магму, которая затем в виде лавы прорывается наверх и извергается в вулканах.
Таким образом, земная кора создаётся в рифтовых зонах океанов, как ленточный конвейер, движется со средней скоростью 5 см в год, постепенно остывая.
Гипотеза спрединга может хорошо объяснить магнитные аномалии морского дна. Если расплавленная порода, изливающаяся в срединно – океанических хребтах, затвердевает с обоих сторон от них, а затем расползается в противоположных направлениях, то она будет создавать полосы, намагниченные согласно с ориентацией магнитного поля в период их застывания. Когда поверхность меняется, вновь образовавшееся морское дно намагничивается в противоположном направлении. Чередование полос даёт подробную картину формирования морского дна по обеим сторонам от активного хребта, причём одна сторона является зеркальным отражением другой.
Первые же магнитные карты тихоокеанского дна у берегов Северной Америки, в районе хребта Хуан-де-Фука, показали наличие зеркальной симметрии. Ещё более симметричная картина обнаружена с обеих сторон центрального хребта в Атлантическом океане.
Используя концепцию дрейфа материков, известную сегодня как «новая глобальная тектоника», можно восстановить взаимное расположение континентов в далёком прошлом. Оказывается, 200 млн. лет назад она составляли единый материк.
Эволюция Земли
Вопрос ранней эволюции Земли тесно связан с теорией её происхождения. Сегодня известно, что наша планета образовалась около 4.6 млрд лет назад. В процессе формирования Земли из частиц протопланетного облака постепенно увеличивалась её масса. Росли силы тяготения, а следовательно, и скорости частиц, падавших на планету. Кинетическая энергия частиц превращалась в тепло, и Земля всё сильнее разогревалась. При ударах на ней возникали кратеры, причём выбрасываемое из них вещество уже не могло преодолеть земного тяготения и падало обратно.
Чем крупнее были падавшие тела, тем сильнее они нагревали Землю. Энергия удара освобождалась не на поверхности, а на глубине, равной примерно двум поперечникам внедрившегося тела. А так как основная масса на этом этапе поставлялась планете телами размером в несколько сот километров, то энергия выделялась в слое толщиной порядка 1000 км. Она не успевала излучится в пространство, оставаясь в недрах Земли. В результате температура на глубинах 100 – 1000 км могла приблизиться к точке плавления. Дополнительное повышение температуры, вероятно, вызывал распад короткоживущих радиоактивных изотопов.
По – видимому, первые возникшие расплавы представляли собой смесь жидких железа, никеля и серы. Расплав накапливался, а затем вследствие более высокой плотности просачивался вниз, постепенно формируя земное ядро. Таким образом, дифференциация (расслоение) вещества Земли могла начаться ещё на стадии её формирования. Ударная переработка поверхности и начавшаяся конвекция, несомненно, препятствовали этому процессу. Но определённая часть более тяжёлого вещества всё же успевала опуститься под перемешиваемый слой. В свою очередь дифференциация по плотности приостанавливала конвекцию и сопровождалась дополнительным выделением тепла, ускоряя процесс формирования различных зон в Земле.
Предположительно ядро сформировалось за несколько со миллионов лет. При постепенном остывании планеты богатый никелем железоникелевый сплав, имеющий высокую температуру плавления, начал кристаллизоваться – так зародилось твёрдое внутреннее ядро. К настоящему времени оно составляет 1.7% массы Земли. В расплавленном внешнем ядре сосредоточено около 30% земной массы.
Развитие других оболочек продолжалось гораздо дольше и в некотором отношении не закончилось до сих пор.
Литосфера сразу после своего образования имела небольшую толщину и была очень не устойчивой. Она снова поглощалась мантией, разрушалась в эпоху великой бомбардировки (от 4.2 до 3.9 млрд лет назад), когда Земля, как и Луна, подвергалась ударам очень крупных и довольно многочисленных метеоритов. На Луне и сегодня можно увидеть свидетельства метеоритной бомбардировки – многочисленные кратеры и моря (области, заполненные излившейся магмой). На нашей планете активные тектонические процессы и воздействие атмосферы и гидросферы практически стёрли следы этого периода.
Около 3.8 млрд лет назад сложилась первая лёгкая и, следовательно, «непотопляемая» гранитная кора. В то время планета уже имела воздушную оболочку и океаны; необходимые для их образования газы усиленно поставлялись из недр Земли в предшествующий период. Атмосфера тогда состояла в основном из углекислого газа, азота и водяных паров, кислорода в ней было мало, но он вырабатывался в результате, во – первых, фотохимической диссоциации воды и, во – вторых фотосинтезирующей деятельности простых организмов, таких, как сине – зелёные водоросли.
600 млн лет назад на Земле было несколько подвижных континентальных плит, весьма похожих на современные. Новый сверхматерик Пангея появился значительно позже. Он существовал 300 – 200 млн лет назад, а затем распался на части, которые и сформировали нынешние материки.
Что ждёт Землю в будущем? На этот вопрос можно ответить лишь с большой степенью неопределённости, абстрагируя как от возможного внешнего, космического влияния, так и от деятельности человечества, преобразующего окружающую среду, причём не всегда в лучшую сторону.
В конце концов недра Земли остынут до такой степени, что конвекция в мантии и, следовательно, движение материков (а значит, и горообразование, извержение вулканов, землетрясения) постепенно ослабнут и прекратятся. Выветривание со временем сотрёт неровности земной коры, и поверхность планеты скроется под водой. Дальнейшая её судьба будет определятся среднегодовой температурой. Если она значительно понизится, то океан замёрзнет и Земля покроется ледяной коркой. Если же температура повысится (а скорее к этому и приведёт возрастающая светимость Солнца), то вода испарится, обнажив равную поверхность планеты. Очевидно, ни в том, ни в другом случае жизнь человечества на Земле будет уже не возможна, по крайней мере в нашем современном представлении о ней.
Атмосфера Земли
В настоящее время Земля обладает атмосферой массой примерно 5.15*10 кг., т.е. менее миллионной доли массы планеты. Вблизи поверхности она содержит 78.08% азота, 20.05% кислорода, 0.94% инертных газов, 0.03% углекислого газа и в незначительных количествах другие газы.
Давление и плотность в атмосфере убывают с высотой. Половина воздуха содержитсь в нижних 5.6 км, а почти вся вторая половина сосредоточена до высоты 11.3 км. На высоте 95 километров плотность воздуха в миллион раз ниже, чем у поверхности. На этом кровне и химический состав атмосферы уже иной. Растёт доля лёгких газов, и преобладающими становятся водород и гелий. Часть молекул разлагается на ионы, образуя ионосферу.
Выше 1000 км. Находятся радиационные пояса. Их тоже можно рассматривать как часть атмосферы, заполненную очень энергичными ядрами атомов водорода и электронами, захваченными магнитным полем планеты.
Гидросфера Земли
Вода покрывает более 70% поверхности земного шара, а средняя глубина Мирового океана около 4 км. Масса гидросферы примерно 1.46*10 кг. Это в 275 раз больше массы атмосферы, но лишь 1/4000 от массы всей Земли.
Гидросферу на 94% составляют воды Мирового океана, в которых растворены соли (в среднем 3.5%), а также ряд газов. Верхний слой океана содержит 140 трлн тонн углекислого газа, а растворённого кислорода – 8 трлл тонн.