Планета Земля́

Геохимик Франк Кларк вычислил, что земная кора чуть более, чем на 47% состоит из кислорода. Наиболее распространённые породообразующие минералы земной коры практически полностью состоят из оксидов; суммарное содержание хлора, серы и фтора в породах обычно составляет менее 1%. Основными оксидами являются кремнезём (SiO₂), глинозём (Al₂O₃), оксид железа (FeO), окись кальция (CaO), окись магния (MgO), оксид калия (K₂O) и оксид натрия (Na₂O). Кремнезём служит главным образом кислотной средой, формирует силикаты; природа всех основных вулканических пород связана с ним. Из расчётов, основанных на анализе 1 672 видов пород, Кларк сделал вывод, что 99,22% из них содержат 11 оксидов (таблица справа). Все прочие компоненты встречаются в очень незначительном количестве^[101].

[править]Внутреннее строение

Земля, как и другие планеты земной группы, имеет слоистое внутреннее строение. Она состоит из твёрдых силикатных оболочек (коры, крайне вязкой мантии), и металлического ядра. Внешняя часть ядра жидкая (значительно менее вязкая, чем мантия), а внутренняя — твёрдая.

Внутренняя теплота планеты  обеспечивается сочетанием остаточного  тепла, оставшегося отаккреции вещества, которая происходила на начальном этапе формирования Земли (около 20%)^[102] и радиоактивным распадом нестабильных изотопов: калия-40, урана-238, урана-235 итория-232^[103][104]. У всех трёх изотопов период полураспада составляет более миллиарда лет^[104]. В центре планеты, температура, возможно, поднимается до 7000 К, а давление может достигать 360 ГПа (3,6 млн. атм)^[105][106]. Часть тепловой энергии ядра передаётся к земной коре посредством плюмов. Плюмы приводят к появлению горячих точек и траппов^[107]. Поскольку бо́льшая часть тепла, производимого Землёй, обеспечивается радиоактивным распадом, то в начале истории Земли, когда не были истощены запасы короткоживущих изотопов, энерговыделение нашей планеты было гораздо больше, чем сейчас^[30].

[править]Литосфера

Литосфера (от греч. λίθος — камень и σφαίρα — шар, сфера) — твёрдая оболочка Земли. Состоит из земной коры и верхней части мантии, до астеносферы, где скоростисейсмических волн понижаются, свидетельствуя об изменении пластичности пород. В строении литосферы выделяют подвижные области (складчатые пояса) и относительно стабильные платформы.

Блоки литосферы — литосферные плиты — двигаются по относительно пластичной астеносфере. Изучению и описанию этих движений посвящён раздел геологии о тектонике плит.

Литосфера под океанами и  континентами значительно различается. Литосфера под континентами состоит  из осадочного, гранитного и базальтового слоев общей мощностью до 80 км. Литосфера под океанами претерпела множество этапов частичного плавления в результате образования океанической коры, она сильно обеднена легкоплавкими редкими элементами, в основном состоит из дунитов и гарцбургитов, её толщина составляет 5—10 км, а гранитный слой полностью отсутствует.

Для обозначения внешней  оболочки литосферы применялся ныне устаревший термин сиаль, происходящий от названия основных элементов горных пород Si (лат. Silicium — кремний) и Al (лат. Aluminium — алюминий).

[править]Земная кора

Основная статья: Земная кора

Земная кора — это верхняя часть твёрдой Земли. От мантии отделена границей с резким повышением скоростей сейсмических волн — границей Мохоровичича. Есть два типа коры — континентальная и океаническая. Толщина коры колеблется от 6 км под океаном до 30—50 км на континентах^[108]. В строении континентальной коры выделяют три геологических слоя:осадочный чехол, гранитный и базальтовый. Океаническая кора сложена преимущественно породами основного состава, плюс осадочный чехол. Земная кора разделена на различные по величине литосферные плиты, двигающиеся относительно друг друга. Кинематику этих движений описывает тектоника плит.

Общая структура планеты Земля[109]
	Глубина, км	Слой	Плотность, г/см3[110]
	0—60	Литосфера (местами варьируется от 5 до 200 км)	—
	0—35	Кора (местами варьируется от 5 до 70 км)	2,2—2,9
	35—60	Самая верхняя часть мантии	3,4—4,4
	35—2890	Мантия	3,4—5,6
	100—700	Астеносфера	—
	2890—5100	Внешнее ядро	9,9—12,2
	5100—6378	Внутреннее ядро	12,8—13,1

[править]Мантия Земли

Основная статья: Мантия Земли

Мантия — это силикатная оболочка Земли, сложенная преимущественно перидотитами — породами, состоящими из силикатов магния, железа, кальция и др. Частичное плавление мантийных пород порождает базальтовые и им подобные расплавы, формирующие при подъёме к поверхности земную кору.

Мантия составляет 67% массы  Земли и около 83% её объёма. Она  простирается от границы с земной корой (на глубине 5—70 километров) до границы  с ядром на глубине 2900 км. Мантия занимает огромной диапазон глубин, и с увеличением давления в веществе происходят фазовые переходы, при которых минералы приобретают всё более плотную структуру. Наиболее значительное превращение происходит на глубине 660 километров. Термодинамика этого фазового перехода такова, что мантийное вещество ниже этой границы не может проникнуть наверх, и наоборот. Выше границы 660 километров находится верхняя мантия, а ниже, соответственно, нижняя. Эти две части мантии имеют различный состав и физические свойства. Хотя сведения о составе нижней мантии ограничены, и число прямых данных весьма невелико, можно уверенно утверждать, что её состав со времён формирования Земли изменился значительно меньше, чем верхней мантии, породившей земную кору.

Теплоперенос в мантии происходит путём медленной конвекции, посредством пластической деформации минералов. Скорости движения вещества при мантийной конвекции составляют порядка нескольких сантиметров в год. Эта конвекция приводит в движение литосферные плиты (см. тектоника плит). Конвекция в верхней мантии происходит раздельно. Существуют модели, которые предполагают ещё более сложную структуру конвекции.

[править]Ядро Земли

Основная статья: Ядро Земли

Ядро — центральная, наиболее глубокая часть Земли, геосфера, находящаяся под мантией и, предположительно, состоящая из железо-никелевого сплава с примесью другихсидерофильных элементов. Глубина залегания — 2900 км. Средний радиус сферы — 3,5 тыс. км. Разделяется на твердое внутреннее ядро радиусом около 1300 км и жидкое внешнее ядро радиусом около 2200 км, между которыми иногда выделяют переходную зону. Температура в центре ядра Земли достигает 5000°С, плотность около 12,5 т/м³, давление до 361 ГПа. Масса ядра — 1,932·10²⁴ кг.

[править]Тектонические платформы

Основная статья: Тектоника плит

Крупнейшие тектонические плиты[111]
Название плиты	Площадь  106 км²	Зона покрытия
Африканская плита	61,3	Африка
Антарктическая плита	60,9	Антарктика
Австралийская плита	47,2	Австралия
Евразийская плита	67,8	Азия и Европа
Северо-Американская плита	75,9	Северная Америка  и северо-восточная Сибирь
Южно-Американская плита	43,6	Южная Америка
Тихоокеанская плита	103,3	Тихий океан

Расположение основных тектонических  плит

Согласно теории тектонических  плит, внешняя часть Земли состоит  из двух слоёв: литосферы, включающей земную кору, и затвердевшей верхней части мантии. Под литосферой располагается астеносфера, составляющая внешнюю часть мантии. Астеносфера ведёт себя как перегретая и чрезвычайно вязкая жидкость^[112].

Литосфера разбита на тектонические плиты, и как бы плавает по астеносфере. Плиты представляют собой жёсткие сегменты, которые двигаются относительно друг друга. Существует три типа их взаимного перемещения:конвергенция, дивергенция и сдвиговые перемещения по трансформным разломам. На разломах между тектоническими плитами могут происходить землетрясения, вулканическая активность, горообразование, образование океанских впадин^[113].

Список крупнейших тектонических  плит с размерами приведён в таблице  справа. Среди плит меньших размеров следует отметить индостанскую, арабскую, карибскую плиты, плиту Наска и плиту Скотия. Австралийская плита фактически слилась с Индостанской между 50 и 55 млн лет назад. Быстрее всего движутся океанские плиты; так,плита Кокос движется со скоростью 75 мм в год^[114], а тихоокеанская плита — со скоростью 52—69 мм в год. Самая низкая скорость у евразийской плиты — 21 мм в год^[115].

[править]Географическая оболочка

Основная статья: Географическая оболочка

Распределение высот и  глубин по поверхности Земли. Данные Геофизического информационного центра США^[116]

Приповерхностные части  планеты (верхняя часть литосферы, гидросфера, нижние слои атмосферы) в  целом называютсягеографической оболочкой и изучаются географией.

Рельеф Земли очень  разнообразен. Около 70,8 %^[117] поверхности планеты покрыто водой (в том числе континентальные шельфы). Подводная поверхность гористая, включает систему срединно-океанических хребтов, а также подводные вулканы^[92], океанические желоба, подводные каньоны, океанические плато и абиссальные равнины. Оставшиеся 29,2%, непокрытые водой, включают горы, пустыни, равнины, плоскогорья и др.

В течение геологических  периодов поверхность планеты постоянно  изменяется из-за тектонических процессов  и эрозии. Рельеф тектонических плит формируется под воздействием выветривания, которое является следствием осадков, колебаний температур, химических воздействий. Изменяют земную поверхность и ледники, береговая эрозия, образование коралловых рифов, столкновения с крупными метеоритами^[118].

При перемещении континентальных  плит по планете океаническое дно погружается под их надвигающиеся края. В то же время вещество мантии, поднимающееся из глубин, создаёт дивергентную границу на срединно-океанических хребтах. Совместно эти два процесса приводят к постоянному обновлению материала океанической плиты. Возраст большей части океанского дна меньше 100 млн лет. Древнейшая океаническая кора расположена в западной части Тихого океана, а её возраст составляет примерно 200 млн лет. Для сравнения, возраст старейших ископаемых, найденных на суше, достигает около 3 млрд лет^[119][120].

Континентальные плиты состоят  из материала с низкой плотностью, такого как вулканические гранит и андезит. Менее распространёнбазальт — плотная вулканическая порода, являющаяся основной составляющей океанического дна^[121]. Примерно 75% поверхности материков покрыто осадочными породами, хотя эти породы составляют примерно 5% земной коры^[122]. Третьими по распространённости на Земле породами являются метаморфические горные породы, сформировавшиеся в результате изменения (метаморфизма) осадочных или магматических горных пород под действием высокого давления, высокой температуры или того и другого одновременно. Самые распространённые силикаты на поверхности Земли — это кварц, полевой шпат, амфибол, слюда, пироксен и оливин^[123]; карбонаты —кальцит (в известняке), арагонит и доломит^[124].

Педосфера — самый верхний слой литосферы — включает почву. Она находится на границе между литосферой, атмосферой, гидросферой. На сегодня общая площадь культивируемых земель составляет 13,31% поверхности суши, из которых лишь 4,71% постоянно заняты сельскохозяйственными культурами^[11]. Примерно 40% земной суши сегодня используется для пахотных угодий и пастбищ, это примерно 1,3·10⁷ км² пахотных земель и 3,4·10⁷ км² пастбищ^[125].

[править]Гидросфера

Основная статья: Гидросфера

Вид на Тихий океан из космоса

Гидросфера (от др.-греч. Yδωρ — вода и σφαῖρα — шар) — совокупность всех водных запасов Земли. Большая часть воды сосредоточена в океане, значительно меньше — в континентальной речной сети и подземных водах. Также большие запасы воды имеются в атмосфере, в виде облаков и водяного пара.

Часть воды находится в  твёрдом состоянии в виде ледников, снежного покрова и в вечной мерзлоте, слагая криосферу.

[править]Атмосфера

Основная статья: Атмосфера Земли

Вид земных облаков из космоса. Иллюстрация NASA.

Атмосфера (от. др.-греч. ἀτμός — пар и σφαῖρα — шар) — газовая оболочка, окружающая планету Земля. Совокупность разделов физики и химии, её изучающих, принято называть физикой атмосферы. Играет важнейшую роль в поддержании и развитии жизни на Земле. Атмосфера определяет погоду на поверхности Земли. Изучением погоды занимается метеорология, а длительными вариациямиклимата — климатология.

Атмосфера Земли разделяется  на слои, которые различаются между  собой температурой, плотностью, химическим составом и другими свойствами. Общая масса газов, составляющих атмосферу Земли, равна примерно 5,15·10¹⁸ кг. На уровне моря атмосфера оказывает на поверхность Земли давление, равное 1 атм (101,325 кПа)^[126]. Средняя плотность воздуха у поверхности равна 1,22 г/л, причём она быстро уменьшается с ростом высоты: так, на высоте 10 км над уровнем моря она составляет не более 0,41 г/л, а на высоте 100 км — 10⁻⁷ г/л^[126].

В нижней части атмосферы  содержится около 80 % общей её массы и 99 % всего водяного пара, этот слой называется тропосферой^[127]. Его толщина неодинакова и зависит от типа климата: так, в полярных регионах она составляет около 8-10 км, в умеренном поясе до 10-12 км, а втропических или экваториальных доходит до 16-18 км^[128]. В этом слое атмосферы температура опускается в среднем на 6 °С на каждый километр при движении в высоту^[126]. Выше располагается переходный слой — тропопауза, отделяющий тропосферу от стратосферы. Температура здесь находится в пределах 190—220 K.

Стратосфера — слой атмосферы, который расположен на высоте от 10-12 до 55 км (в зависимости от погодных условий и времени года)^[126]. На него приходится не более 20 % всей массы атмосферы. Для этого слоя характерно понижение температуры до высоты ~25 км, с последующим повышением на границе с мезосферой почти до 0 °С^[129]. Эта граница называется стратопаузой. В стратосфере отмечается наибольшая концентрация озона в атмосфере, который оберегает все живые организмы на Земле от вредного ультрафиолетового излучения Солнца. Интенсивное поглощение солнечного излучения озоновым слоем и вызывает быстрый рост температуры в этой части атмосферы^[126].