Земля - общие сведения

Из всех объектов, которые обращаются вокруг Солнца, лучше всего мы знаем нашу собственную планету - Землю. Мы живем на ее поверхности, пьем ее воду, дышим воздухом ее атмосферы. Совершенно естественно, что об этой планете, третьей от Солнца, нам известно больше, чем о любом другом объекте Вселенной.

Инопланетным путешественникам, окажись они вблизи Солнечной системы, сразу стало бы ясно, что Земля - активная, динамическая планета. Если бы космический аппарат инопланетян приблизился к внутренним областям Солнечной системы, их взору открылась бы картина облачных вихрей в земной атмосфере. Издалека Земля, вероятно, выглядела бы заманчивее любого из ее соседей. В самом деле, Венера постоянно окружена толстым сплошным облачным покровом, не позволяющим даже мельком увидеть ее поверхность. И в атмосфере Марса - за исключением периодов редких глобальных пылевых бурь - почти никогда не обнаруживается сколько-нибудь значительной активности. Но Земля при взгляде из космоса непрерывно демонстрирует сложный танец бело-голубых ажурных узоров. Тонкие очертания и вихри непрерывно меняются, смещаются, появляются и исчезают, находясь под воздействием вечных изменений давления, температуры и влажности в атмосфере планеты.

Таблица 1.

Химический состав атмосфер трех планет
Венера
Земля
Марс
Азот
2%
78%
3%
Кислород
~0
21%
~0
Углекислый газ
97%
~0
95%
Другие газы
1%
1%
2%

При более внимательном наблюдении и анализе инопланетяне, вероятно, были бы весьма озадачены, обнаружив, что атмосфера Земли сильно отличается от атмосферы любого из ее соседей. Как видно из табл. 1, атмосферы Венеры и Марса почти целиком состоят из углекислого газа. А в атмосфере Земли углекислый газ составляет только 0,03%. Атмосфера Земли в основном представляет собой смесь азота и кислорода, содержащихся в пропорции 4:1. А в атмосферах Венеры и Марса эти два газа присутствуют лишь в очень небольших количествах.

Как это могло случиться? Почему Земля с ее азотно-кислородной атмосферой находится между двумя планетами, обладающими почти чисто углекислой атмосферой? Только приземлившись на нашу планету и изучив геологические данные, инопланетные гости могли бы понять, что на Земле по крайней мере в течение последних 3 млрд. лет существовали живые организмы и происходили различные биологические процессы. Неумолимое действие таких биологических процессов, как фотосинтез, в значительной степени определило нынешний химический состав атмосферы Земли. Фактически инопланетные гости могли бы сознательно выделить Землю по высокому содержанию кислорода в ее атмосфере, поскольку общеизвестно, что большое количество кислорода в атмосфере планеты может возникнуть только в результате непосредственной биологической активности. Поэтому богатое содержание кислорода в атмосфере планеты, по-видимому, может служить несомненным признаком жизни.

Если бы инопланетные гости решили посадить космический аппарат на Землю, они вскоре обнаружили бы вторую важную особенность нашей планеты, коренным образом отличающую ее от любой соседней планеты, - на Земле много влаги. Очень много. Примерно 71% земной поверхности покрыто водой. В самом деле, инопланетные гости могли бы послать своим согражданам тысячи фотографий типа той, что приведена на рис. 30. Такие виды было бы правильно рекламировать как типичные, «наобум» выбранные изображения Земли крупным планом. Венера и Марс, напротив, имеют крайне сухие поверхности. На Земле нет таких сухих мест, как поверхности Венеры и Марса. По венерианским и марсианским стандартам пустыня Сахара - просто болото.

Хотя более 2/3 поверхности нашей планеты покрыто океанами, Земля в основном состоит из твердых пород. Породы, которые находятся у нас под ногами, представляют собой типичные образцы внешнего слоя Земли, или коры. Все эти породы в зависимости от процессов их образования можно разделить на три класса.

Изверженные, или магматические, - породы, остывшие из расплавленного состояния. Образование магматических пород можно наблюдать, когда лава стекает по склонам вулкана. Коренная подстилающая порода под континентами и океанами-магматическая. Примерно две трети всех пород, слагающих земную кору, - магматические. К числу обычных магматических пород относится гранит.

Осадочные - породы, которые сформировались или отложились под действием ветра, воды или льда. Некоторые осадочные породы образовались при сцементировании отдельных мелких частичек пород. Хорошим примером служит песчаник. Другие осадочные породы могут формироваться, когда вещество, ранее растворенное в воде, осаждается на дно озера или океана. К числу хорошо знакомых нам осадочных пород, образовавшихся таким образом, относятся известняк и мел.

Когда магматическая или осадочная порода подвергается действию высоких давлений и температур в недрах Земли, она изменяется, т.е. претерпевает метаморфозу. Образующаяся при этом порода называется метаморфической. Например, известняк при нагревании и сжатии становится мрамором. Это хорошо известная метаморфическая порода.

Очевидно, что породы, встречающиеся в земной коре, не могут характеризовать состав планеты в целом. Зная массу и размеры .Земли, нетрудно вычислить среднюю плотность планеты; она составляет 5500 кг/м3. Но средняя плотность типичной породы коры составляет только 2500 кг/см3. Это означает, что недра Земли должны состоять из очень плотного вещества. Из всех тяжелых элементов во Вселенной обильнее всего представлено железо. Отсюда можно заключить, что у Земли, как и у Меркурия и Венеры, должно быть железное ядро.

Во многих отношениях земные недра так же скрыты и отдалены от нас, как наиболее далекие галактики и квазары во Вселенной. Даже самые глубокие скважины и шахты только «царапают» земную поверхность. Вещество со дна океанских желобов или лава, изливающаяся из вулкана, весьма похожи на породы, слагающие кору. Но нам еще никогда не удавалось извлечь вещество из глубоких недр Земли. О структуре недр нашей планеты мы можем лишь строить предположения или судить по косвенным данным.

Наиболее важные сведения о природе земных недр дают землетрясения. Время от времени и почти всегда неожиданно колоссальные напряжения, накапливающиеся в коре планеты, приводят к сильным колебаниям земной поверхности. Образующиеся при этом сейсмические волны, распространяясь в недрах планеты, преломляются в веществе, через которое они проходят. Изучая на сейсмических станциях всего мира волны, распространяющиеся при землетрясениях, и обобщая полученные данные, можно вывести некоторые важные характеристики земных недр.

Анализ сейсмических волн, порождаемых землетрясениями, показал, что недра Земли можно разделить на три основные области: кору, мантию и ядро. Кора,состав которой нам хорошо известен, очень тонка. Тоньше всего она на дне океанов - в некоторых местах ее толщина там не превышает 5 км. На континентах толщина коры обычно составляет около 35 км. Кое-где под горными массивами кора может простираться до глубины 70 км.

Непосредственно под земной корой расположен толстый слой, называемый мантией. Мантия состоит из обогащенных железом магматических пород и простирается до глубины 2900 км. Как показано на рис. 32, мантия заключена между корой и ядром. Железное ядро Земли составляет в поперечнике 7940 км. Хотя это более половины диаметра планеты, ядро занимает только 1/5 полного объема Земли.

Тщательный анализ сейсмических волн, проходящих через планету, показывает, что на самом деле ядро Земли состоит из двух частей: жидкого внешнего слоя и заключенной внутри него твердой центральной области, как показано на рис. 32. Толщина внешнего жидкого слоя составляет 2220 км, а диаметр внутреннего твердого ядра равен 2510 км.

Это, казалось бы, странное положение, когда жидкий слой находится между твердым внутренним ядром и твердой мантией, обусловлено температурами и давлениями в глубине планеты. Предполагается, что температура в центре Земли достигает приблизительно 4200°С. В обычных условиях такая температура более чем достаточна, чтобы расплавилось почти любое вещество. Однако давление в центре Земли столь велико (свыше 3,5 млн. атм), что препятствует расплавлению пород. И это гигантское давление в центре Земли, несмотря на высокую температуру, обеспечивает твердое состояние внутреннего ядра. Достаточно высокое давление и весьма низкая температура в мантии приводят к тому, что породы там не плавятся. В жидком слое ядра условия обратные. В этой области высокие температуры по своему воздействию на вещество превосходят высокие давления, и порода оказывается в жидком состоянии.

Предполагается, что жидкая часть ядра Земли ответственна за магнитное поле планеты. Подобно гигантскому генератору, электрические токи, текущие в жидком ядре, создают глобальное магнитное поле. Оно простирается на десятки тысяч километров в космическое пространство, эффективно взаимодействуя с солнечным ветром. Солнце постоянно испускает заряженные частицы (в основном протоны и электроны), которые движутся с большими скоростями. Это явление и называется солнечным ветром. Когда солнечный ветер со сверхзвуковой скоростью налетает на внешние области магнитного поля Земли, образуется ударная волна, так как скорость протонов и электронов резко снижается до дозвуковой. За фронтом ударной волны расположена магнитопауза, где давление солнечного ветра точно уравновешивается магнитным давлением геомагнитного поля. Область, расположенная в пределах магнитопаузы, и есть истинная область магнитного поля Земли.

Из-за постоянного «обдувания» солнечным ветром вся магнитосфера Земли изгибается в сторону от Солнца. Поэтому, как видно на рис. 33, общий вид магнитосферы напоминает гигантскую комету. Большинство частиц, составляющих солнечный ветер, просто обтекает магнитосферу в турбулентной области между фронтом ударной волны и магнитопаузой. Но немало частиц проходит через магнитопаузу и захватывается одним из двух гигантских тороидальных радиационных поясов, окружающих нашу планету. Внутренний пояс, начинающийся на высоте 2000 км над поверхностью Земли, состоит в основном из электронов. Внешний пояс, расположенный приблизительно на высоте 16 000 км над Землей, содержит главным образом протоны.

Время от времени в результате мощных процессов, происходящих на поверхности Солнца (например, солнечных вспышек), образуется необычно много частиц, движущихся с высокими скоростями. Когда порывы солнечного ветра достигают Земли, радиационные пояса оказываются уже не в состоянии удержать эти высокоэнергетические частицы, и последние прорываются в верхнюю атмосферу Земли. Тогда-то и вспыхивают мерцающие сполохи полярных сияний. Помимо полярных сияний (часто называемых северными или южными полярными сияниями) приток космических частиц часто вызывает нарушения радиосвязи. Таким образом, верхние области земной атмосферы тесно связаны с внешними областями солнечной атмосферы посредством сложного взаимодействия магнитных полей и заряженных частиц.

60-е годы нашего столетия ознаменовались многими потрясающими открытиями, касающимися нашей планеты. Каждый новый спутник передавал важные сведения о магнитосфере Земли, которые способствовали пониманию ее исключительной природы и позволяли оценить ее протяженность. В самом деле, в 50-е годы картина, представленная на рис. 33, казалась бы совершенно неправдоподобной. Но земное магнитное поле не только оказывает свое воздействие на космическое пространство - его существование послужило очень веским аргументом в пользу весьма спорной теории, касающейся земной коры. В 1966 г. геологи и геофизики начали понимать, что континенты в действительности движутся по поверхности Земли.

Лава, низвергающаяся из вулкана, часто оказывается обогащенной минералами, содержащими железо. Когда расплавленная порода остывает и затвердевает, атомы железа подобно крошечным компасам остаются навсегда ориентированными в направлении общего магнитного поля Земли. Затвердевшая лава в незначительной степени намагничена, и этот «реликтовый магнетизм» пород являет собой навечно сохранившуюся запись магнитного поля Земли того времени, когда образовалась порода.

Изучая реликтовую намагниченность пород, геологи прежде всего обнаружили, что магнитное поле Земли время от времени обращается. По каким-то плохо понятным причинам северный и южный магнитные полюса нашей планеты меняются местами. Это происходит с частотой порядка одного раза в миллион лет. Электрические токи и линии магнитного поля в жидком земом ядре так сильно перепутываются, что магнитное поле целиком переворачивается.

Это удивительное открытие обращений геомагнитного поля позволило объяснить данные о структуре дна Атлантического океана. Как показано на рис. 34, по всей длине Атлантического океана (от Исландии - на севере - до Антарктиды - на юге) тянется громадная горная цепь. Дно океана состоит в основном из обогащенной железом магматической породы. Изучая реликтовую намагниченность этой породы, можно установить направление земного магнитного поля в период образования данной породы.

Когда были собраны данные о восточном и западном склонах Срединно-Атлантического хребта, начала вырисовываться удивительная картина. Дно океана в настоящее время расширяется. Когда из подводных вулканов извергается лава и образует новую кору, старая кора на обоих склонах хребта отодвигается. Восточная часть дна Атлантического океана двигается к востоку, а западная часть - к западу. Скорость разделения составляет примерно 1-10 см в год.

В 1910 г. Альфред Л. Вегенер высказал предположение, что в далеком прошлом все континенты были собраны вместе, образуя суперконтинент, называемый Пангеей. (Подобное предположение было вызвано следующим обстоятельством: разрезав современную карту мира, на самом деле можно подогнать континенты друг к другу так, как показано на рис. 35.) Затем около 200 млн. лет назад Пангея начала разделяться на два меньших суперконтинента: Лавразию и Гондвану. Лавразия в конце концов распалась на Северную Америку, Гренландию и большую часть Евразии. Гондвана разделилась на Южную Америку, Африку, Антарктиду и Австралию.

Вегенер пытался подкрепить свою идею «дрейфа континентов» геологическими и палеонтологическими данными (например, указывая, что в Южной Америке и Африке имеются одни и те же ископаемые, как будто эти два материка когда-то в прошлом составляли единое целое), однако его соображения были встречены насмешками. Казалось совершенно непостижимым, чтобы гигантские континенты могли блуждать по планете.

Сегодня теория дрейфа континентов получает все дольше подтверждений. В самом деле, теперь мы знаем, что континенты представляют собой самые верхние части громадных плит, окаймляющих земной шар. Установить границы плит легче, чем можно было бы ожидать, - это участки, в которых проявляется сильнейшая геологическая активность. Извержения вулканов и землетрясения происходят там, где плиты разделяются. В этих местах лава поднимается из недр Земли и образует новую кору. При столкновении плит «выталкиваются» высокие горные хребты, и этот процесс сопровождается сильными землетрясениями и извержениями вулканов. В таких местах старая кора погружается обратно в недра Земли. Поэтому границы плит легко обнаружить, просто нанеся эпицентры землетрясений на карту, как показано на рис. 36. Механизм движения плит схематически показан на рис. 37.

Тектоника плит-это основной процесс, который доминирует в земной коре. В значительной степени облик Земли является непосредственным результатом движения плит. Например, плита, на которой сегодня лежит Индия, с силой сталкивается с плитой, на которой ныне расположен Китай. При ударе «вздыбилась» цепь молодых гор - Гималаи (рис. 38). В качестве другого примера можно привести плиты, несущие на себе Египет и Саудовскую Аравию, которые раздвигаются. Образовавшаяся при этом расселина заполнилась водой и теперь называется Красным морем (рис. 39).

Наша планета активна и динамична. Земля изменялась и развивалась с тех пор, как она образовалась из первичной солнечной туманности 4,5 млрд. лет назад. И до сих пор она не обнаруживает никаких признаков успокоения: словно планета, населенная живыми существами, сама живая.

Масса (1024кг)
5.97
Диаметр (км)
12,756
Плотность (кг/м3)
5515
Ускорение свободного падения (м/с2)
9.8
Вторая космическая скорость (км/с)
11.2
Период обращения (час)
23.9
Продолжительность суток (час)
24.0
Расстояние от Солнца (106 км)
149.6
Перигелий (106 км)
147.1
Афелий (106 км)
152.1
Период обращения (суток)
365.2
Скорость движения по орбите (км/с)
29.8
Наклон орбиты (градус)
0.0
Эксцентриситет орбиты
0.017
Наклон оси вращения (градус)
23.5
Средняя температура на поверхности (гр.C)
15
Давление на поверхности (bar)
1
Число спутников
1
Наличие системы колец
Нет
Наличие магнитосферы
Да