Планета Земля и ее происхождение

Несмотря на очень высокую температуру, вещество мантии плотное, с повышенной вязкостью. Только в астеносфере оно находится в размягченном состоянии, и как только в земной коре образуется трещина, идущая к поверхности Земли, давление под ней резко падает, и вещество астеносферы, разжижаясь, изливается на поверхность; иногда магма может застыть и не достигнув ее.

В верхней мантии происходит преобразование вещества, а также генерация энергии - процессы, вызывающие вулканизм и землетрясения, определяющие стабильность одних участков земной коры и подвижность других.

Ядро составляет 34 % массы Земли. Раньше предполагалось, что оно железное. На это указывали данные, полученные в ходе экспериментов, проведенных в 20-30-е годы XX века (Т. Эндрюс, Р. Д. Олдэм, Г. Джеффрис и др.), а именно:

1.  Земля имеет магнитное поле, и поэтому где-то внутри нее должна находиться большая масса железа.

2.  Магнитное поле дрейфует  на запад, следовательно, эта  масса вращается медленнее, чем вся остальная часть Земли.

3.  Средняя плотность Земли  выше, чем у скальных пород земной коры.

4.  S-волны (сдвиговые ударные волны, возникающие при землетрясениях) не проходят через центральную область Земли, следовательно, эта область должна быть жидкой.

Сейчас большинство  ученых склоняется к тому, что ядро состоит из силикатов, которые под влиянием высоких температур переходят в металлическое состояние. Существует мнение, согласно которому внутреннее ядро железное, а внешнее сложено силикатами.

Однако независимо от состава для ядра характерно полное вырождение свойств его вещества: температура и давление настолько велики, что вещество переходит в металлическую фазу - электронные оболочки атомов разрушаются и возникают гигантские кольцевые вихри электронов, которые порождают постоянное магнитное поле планеты.

Разделение вещества Земли по плотности - сложный процесс, который продолжается и в настоящее  время. Вероятно, более активно этот процесс происходит на границе ядра и мантии, на глубине примерно 3 тыс. км. Здесь под влиянием энергии радиоактивного распада вещество нижней мантии частично расплавляется, при этом более тяжелый материал как бы тонет и присоединяется к ядру, а более легкий поступает в верхние мантийные слои.

Таким образом, в процессе эволюции Земли происходит, с одной стороны, рост ядра, а с другой - рост верхней мантии; и то и другое - за счет нижней мантии.

Строение земного шара тесно связано с тремя видами энергетических полей, которые, с одной стороны, сами порождены особенностями этого строения, с другой - определяют многие его свойства. Это гравитационное, магнитное и электрическое поля.

Гравитационное  поле порождает силу тяжести. Масса Земли, обусловливающая силу тяжести, составляет 5,976 10²¹ т. Если бы Земля была легче, она не смогла бы удержать воздушную и водную оболочки. Если бы масса планеты была бы значительно больше, на ней в большом количестве удерживались бы легкие газы (водород, метан, гелий). Следовательно, состав атмосферы был бы иным.

Проявление силы тяжести  многообразно, оно сказывается буквально на всех процессах, происходящих на нашей планете. От силы тяжести зависит существование земной атмосферы, движение воды в реках, воздушные течения, океанические приливы и отливы, характер залегания полезных ископаемых. Существенно влияет она и на развитие органической жизни.

Не меньшее влияние  на жизнь планеты оказывает ее магнитное поле. Земля - магнитный  диполь (двухполюсный магнит).

Рождение магнитного поля Земли связано с перемещением вещества во внешнем ядре. Направление токов в нем параллельно экватору, так как силовые линии магнитного поля протягиваются почти перпендикулярно направлению осевого вращения планеты. В результате магнитное поле Земли имеет тороидальную форму. Но ось земного диполя смещена относительно оси вращения Земли, так что магнитные ее полюса не совпадают с географическими: северный магнитный полюс располагается в Канадском Арктическом архипелаге (75° с. ш. и 159° в. д.), а южный - в Антарктиде (68° ю. ш. и 140° з. д.). Там, где залегают скопления магнитных руд, и в тектонически активных областях наблюдаются аномалии магнитного поля.

Магнитное поле Земли  — причина возникновения вокруг нее зон повышенной радиации, которые представляют собой пояса заряженных частиц. Если бы магнитного поля не существовало, то космическое излучение, которое губительно для живых организмов, достигало бы поверхности Земли. Когда через это поле прорываются потоки заряженных частиц, на Земле разыгрываются магнитные бури, нарушается радиосвязь, вспыхивают полярные сияния.

Такие изменения магнитного поля приводят к возникновению электрических токов в ионизованых (проводящих) слоях атмосферы. При этом сама Земля несет отрицательный электрический заряд и создает вблизи своей поверхности радиально направленное электрическое поле. Отрицательный заряд Земли компенсируется положительным зарядом атмосферы, так что в целом Земля нейтральна.

Вследствие существования  электрического поля возникают молнии-разряды  между облаками или между облаками и земной поверхностью, огни Св. Эльма - слабые электрические разряды в виде светящихся пучков и полярные сияния.

 

 3. Атмосфера Земли

Земля окружена атмосферой - газовой оболочкой, связанной с  планетой силой тяжести и принимающей  участие в ее суточном и годовом  вращении. Масса атмосферы равна 5,3-10 кг. Свойства атмосферы меняются с увеличением высоты над планетой. Так изменение давления с увеличением высоты можно описать с помощью барометрической формулы

        p  =p exp ,

где p - давление газа на высоте h; p - давление газа на уровне моря; М- молярная масса газа; Т— температура газа (в Кельвинах); g - ускорение свободного падения; R - универсальная газовая постоянная.

Данное уравнение справедливо для 90 % газов атмосферы. Химический состав атмосферы, у поверхности Земли приведен в табл. 1.

 Таб № 1        Химический состав незагрязненного воздуха

Газ	Концентрация
Азот	78,084%
Кислород	20,946 %
Аргон	0,934%
Вода	0,5^4%
Углекислый газ	0,036%
Неон	0,00018%
Гелий	0,000052%
Метан	0,000017 %
Криптон	0,0000114 %
Водород	0,0005%
Ксенон	0,000087 %

Атмосфера разделяется  на несколько слоев (рис. 11): тропосферу, стратосферу, мезосферу, ионосферу (термосферу) и экзосферу. Каждый из этих слоев имеет специфические геофизические и геохимические свойства. Четкой границы между слоями не существует, ив зависимости от широты эти границы лежат на разных высотах.

Тропосфера - нижний слой атмосферы (90 % массы атмосферы). Простирается до высоты в среднем 12 км. Содержит около 80 % атмосферного воздуха и почти весь водяной пар. Температура воздуха понижается с высотой на 6 °С на каждые 1000 м.

Тропопауза - переходный слой от тропосферы к стратосфере толщиной от нескольких сотен метров до 2-3 км.

Рис. 11. Структура атмосферы  Земли

Стратосфера - слой атмосферы (на высоте от 8-16 км до 45-55 км). Стратосфера имеет важное значение для обеспечения благоприятных условий для жизни на Земле. В стратосфере расположен озоновый слой, который определяет верхний предел жизни в биосфере. Стратосфера благодаря своим физико-химическим свойствам способна задерживать ультрафиолетовое коротковолновое излучение. Именно эти волны изменяют магнитное поле Земли. В результате химических процессов в стратосфере на Земле наблюдаются северные сияния.

Стратопауза - пограничный слой между стратосферой и мезосферой.

Мезосфера - средний слой атмосферы, расположенный на высоте 50-95 км. Температура на верхней границе (- 70 °С) - (- 80 "С).

Термосфера или Ионосфера - слой верхней атмосферы, расположенный между верхней границей мезосферы (мезопаузой) и термопаузой. Этот слой характеризуется высоким содержанием ионов и свободных электронов.

Термопауза - промежуточный слой между термосферой и экзосферой.

Экзосфера - внешний, наиболее разреженный слой атмосферы от верхней границы термопаузы и выше, характеризующийся постоянством температуры.

Атмосфера современного состава возникла не сразу. Структура  и состав земной атмосферы менялся  в процессе эволюции Земли. В процессе эволюции атмосфера прошла ряд стадий, которые условно называют первичная, вторичная, третичная и четвертичная атмосфера.                                                            

Первичная и вторичная  атмосферы образовались в результате дегазации    1 вулканических лав, образовывавших земную кору (модель А. П. Виноградова, Г. Юри). Но если в первичной атмосфере основными элементами являются водород и гелий, то в результате активного вулканизма, при действии электрических зарядов, тепловой энергии, ультрафиолетовых лучей во вторичной атмосфере появились газы, например СН₄, NH₃, и Н₂0.

Если бы орбита Земли  была иной, то состав и структура  атмосферы Земли была совершенно другой. Так, если бы орбита Земли удалилась  всего на 1 % от настоящего положения  от Солнца, то на начальных стадиях формирования атмосферы проявился бы эффект «разгоняющегося похолодания» и Земля была бы похожа на Марс. В результате меньшего поступления солнечного тепла водяной пар в атмосфере замерзал и выпадал бы в виде снега. Температура на поверхности Земли упала бы до -90 °С.

Наоборот, смещение орбиты планеты в сторону Солнца всего  на 5 % привело бы к смертоносному нагреву тяжелой углекислой атмосферы.

 

 

 3. Форма и размеры Земли

Еще в античности в  результате наблюдений за лунными затмениями возникло представление о шарообразной форме нашей планеты. Во II в. до н. э. Эратосфен впервые определил кривизну земного шара.

В результате сложного взаимодействия гравитационных и центробежных сил  Земля имеет форму не шара, а  эллипсоида вращения.

Но еще более точная форма Земли соответствует трехосному эллипсоиду. Впрочем, сжатие земного шара в экваториальной плоскости ничтожно по сравнению с полярным: разница наибольшего и наименьшего радиусов экватора всего 200 м, а разница между полярным и экваториальным радиусами -21,4 км.

Фактически, однако, форма  Земли еще сложнее из-за наличия  на ее поверхности материков и океанов, причем эта сложность столь велика, что свести ее к какой-нибудь геометрической фигуре невозможно. Поэтому для ее описания введено понятие геоида. Это воображаемая поверхность воды в океанах, перпендикулярная к направлению отвеса. Она очень незначительно отклоняется от трехосного эллипсоида выпуклостями на материках и вогнутостями на океанах (амплитуда отклонения - 100 м).

В последние годы изучение фигуры Земли с помощью искусственных  спутников показало, что она еще  более сложная и похожа на сердце. Ее так л назвали - кардиоид. В районе северной полярной оси планета наша выпукла, а в районе южной - вдавлена, вогнута. Причины, по которым сложилась именно такая форма Земли, пока еще не нашли удовлетворительного объяснения.

 

4. Концепции эволюции Земли

В XIX в. в геологии сформировались две концепции развития Земли: теория катастроф - развитие осуществляется посредством скачков, катастроф - (Ж. Кювье) и эволюционная теория - развитие осуществляется посредством изменений, осуществляющихся в одном направлении, значительные изменения происходят в результате их суммирования («принцип униформизма» Ч. Лайелля).

В начале XX века немецкий геофизик А. Вегенер высказал предположение о постоянном движении материков. А. Вегенер обратил внимание, что контуры материков при их совмещении совпадают, как если бы они были частями одного целого. Кроме того, было известно и сходство ископаемых остатков флоры и фауны. Все это позволило А. Вегенеру высказать предположение о существовании единого массива суши, который был назван им Пангеей (от греч. «вся земля»)- Этот проматерик около 150 млн лет назад начал разламываться на части - Лавразию и Гондвану. 135 млн лет назад от Южной Америки отделяется Африка, 85 млн лет назад - от Европы откалывается Северная Америка. 40 млн лет назад образуются горные системы Тибет и Гималаи в результате столкновения Индийского материка с Азией.

В первоначальном виде данная гипотеза - гипотеза мобилизма - предполагала только горизонтальное перемещение материков. Современная гипотеза -  гипотеза неомобилизма или новая глобальная тектоника - предполагает, что крупные участки литосферы - материки и соединенные с ними участки океанической земной коры - перемещаются относительно пластичной астеносферы.

Перемещение плит связывают  с гигантскими впадинами в  районах срединных океанических хребтов, которые называются рифтовыми зонами. В этих зонах вещество в виде разогретых лавы, пепла и газа выдавливается из астеносферы, раздвигая земную кору, обеспечивая современное зафиксированное перемещение материков. Данное расширение дна океана было эмпирически обнаружено в конце 50-х годов XX в. Так, например, Америка перемещается на запад, а Евразия - на восток от Срединно-Атлантического хребта. В разломах происходит образование новой океанической коры, а прежняя поглощается мантией вдоль глубоководных желобов - зон Беньоффа. Поглощенная кора под действием высоких температур становится пластичной и дифференцируется: тяжелые вещества опускаются, а легкие поднимаются к поверхности, вызывая землетрясения и подвижки плит.