что преобладает в составе земли
Планета Земля
Общие сведения о Земле
Земля – это третья по удаленности от Солнца планета (третья планета Солнечной системы).
Земля вместе с Меркурием, Венерой и Марсом образует земную группу планет Солнечной системы.
У Земли есть один естественный спутник – Луна, а также множество искусственных, крупнейший из которых – Международная космическая станция.
Соседями Земли являются Венера и Марс.
Наружный слой Земли представляет собой твердую оболочку, состоящую главным образом из силикатов. Твердая кора и вязкая верхняя часть мантии составляют литосферу. Под литосферой находится астеносфера, слой относительно низкой вязкости, твердости и прочности в верхней мантии. Земля имеет ярко выраженное жидкое внешнее и твердое внутреннее ядро.
Земля – единственная известная планета с активной тектоникой плит.
Орбита Земли
Среднее расстояние от Земли до Солнца около 150 миллионов километров (1 астрономическая единица).
Перигелий (ближайшая к Солнцу точка орбиты): 147,098 миллиона километров (0,983 астрономической единицы).
Афелий (самая далекая от Солнца точка орбиты): 152,098 миллиона километров (1,017 астрономической единицы).
Средняя скорость движения Земли по орбите составляет 29,783 километра в секунду.
Один оборот вокруг Солнца планета совершает за 365,26 суток.
Продолжительность суток на Земле составляет 23 часа 56 минут 4,1 секунды.
Направление вращения Земли соответствует направлению вращения всех (кроме Венеры и Урана) планет Солнечной системы.
3D-модель Земли
Физические характеристики Земли
Земля – пятая по размеру планета в Солнечной системе.
Экваториальный радиус Земли составляет 6378,1 километра.
Площадь поверхности Земли составляет 510,072 миллиона квадратных километров.
Средняя плотность Земли составляет 5,5153 грамм на кубический сантиметр.
Ускорение свободного падения на Земле равно 9,78 метра на секунду в квадрате или 0,99732g.
Масса Земли равна 5,9726 х 10 24 килограмма.
Трансляция Земли из космоса on-line
Атмосфера Земли
Атмосфера Земли в основном состоит из азота (78,08%), кислорода (20,95%), аргона (0,93%) и углекислого газа (0,04%), также в зависимости от климата она может включать 0,1 до 1,5% водного пара.
Среднее атмосферное давление на Земле (на уровне моря) составляет 1 атмосферу (101,325 кПа).
Три четверти массы атмосферы содержится в первых 11 километрах от поверхности Земли.
Земная атмосфера не имеет определенных границ, она постепенно становится тоньше и разреженнее, переходя в космическое пространство.
Атмосфера Земли условно разделена на слои, различающиеся по плотности, температуре и составу: тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера, ионосфера, экзосфера.
Климат Земли
Климат на нашей планете носит сезонный характер из-за угла наклона оси 23,44 градуса.
Количество солнечной энергии, достигнувшее поверхности Земли, уменьшается с увеличением широты.
Земля разделена на климатические пояса – природные зоны, имеющие приблизительно однородный климат.
В системе классификации Кеппена критерием определения типа климата является то, какие растения произрастают на данной местности. В систему входят пять основных климатических зон (влажные тропические леса, пустыни, умеренный пояс, континентальный климат и полярный тип), которые, в свою очередь, подразделяются на более конкретные подтипы.
Круговорот воды в природе жизненно необходим для существования жизни на суше.
Морские течения являются важным фактором в формировании климата Земли, как и термохалинная циркуляция, создаваемая за счет перепада плотности воды и переносящая тепловую энергию из экваториальных регионов в полярные.
Рельеф Земли
Приблизительно 70,8% поверхности планеты занимает Мировой океан.
На материках расположены реки, озера, подземные воды и льды, вместе с Мировым океаном они составляют гидросферу.
Подводная поверхность гористая, включает систему срединно-океанических хребтов, а также подводные вулканы, океанические желоба, подводные каньоны, океанические плато и абиссальные равнины.
На суше выделяют горы, пустыни, равнины, плоскогорья и другие типы рельефа.
Полюсы Земли покрыты ледяным панцирем, который включает в себя морской лед Арктики и антарктический ледяной щит.
Интересные факты о Земле
Земля является наиболее исследованной планетой Солнечной системы и единственной обитаемой планетой из известных науке.
Земля самая плотная планета Солнечной системы.
Земля образовалась из солнечной туманности около 4,5 миллиарда лет назад.
Гравитационное воздействие Луны на Землю является причиной возникновения океанских приливов.
Землю населяют около 8,7 миллиона видов живых существ, и человек – один из них.
Поверхность планеты постоянно изменялась: континенты появлялись и разрушались, перемещались по поверхности, то собираясь в суперконтинент, то расходясь на изолированные материки.
Падение на Землю астероидов диаметром в несколько тысяч километров представляет опасность ее разрушения, однако все наблюдаемые тела для этого слишком малы и опасны только для биосферы.
Впервые Земля была сфотографирована из космоса в 1959 году космическим аппаратом «Explorer 6».
Первым человеком, увидевшим Землю из космоса, стал в 1961 году Юрий Гагарин.
Из открытого космоса и с планет, расположенных за орбитой Земли, можно наблюдать прохождение нашей планеты через фазы, подобные лунным.
Вещественный состав Земли
О вещественном составе глубинных зон прямых данных практически нет. Выводы базируются на геофизических данных, дополняемых результатами экспериментов и математического моделирования. Существенную информацию несут метеориты и фрагменты верхнемантийных пород, выносимые из недр глубинными магматическими расплавами.
Валовый химический состав Земли очень близок к составу углистых хондритов – метеоритов, по составу близких первичному космическому веществу, из которого формировалась Земля и другие космические тела Солнечной системы. По валовому составу Земля на 92% состоит всего из пяти элементов (в порядке убывания содержания): кислорода, железа, кремния, магния и серы. На все остальные элементы приходится около 8%.
Для описания химического состава мантии к сегодняшнему дню предложено несколько моделей (табл.). Несмотря на имеющиеся между ними различия, всеми авторами принимается, что примерно на 90% мантия состоит из окислов кремния, магния и двухвалентного железа; еще 5 – 10% представлены окислами кальция, алюминия и натрия. Таким образом, на 98% мантия состоит всего из шести перечисленных окислов.
| Окислы | Содержание, весовые % | ||
| Пиролитовая модель | Лерцолитовая модель | Хондритовая модель | |
| SiO2 | 45,22 | 45,3 | 48,1 |
| TiO2 | 0,7 | 0,2 | 0,4 |
| Al2O3 | 3,5 | 3,6 | 3,8 |
| FeO | 9,2 | 7,3 | 13,5 |
| MnO | 0,14 | 0,1 | 0,2 |
| MgO | 37,5 | 41,3 | 30,5 |
| CaO | 3,1 | 1,9 | 2,4 |
| Na2O | 0,6 | 0,2 | 0,9 |
| К2О | 0,13 | 0,1 | 0,2 |
Дискуссионным является форма нахождения этих элементов: в форме каких минералов и горных пород они находятся?
Следующий фазовый переход приурочен к границе 670 км. На этом уровне давление определяет разложение минералов, типичных для верхней мантии, с образованием более плотных минералов. Вследствие такой перестройки минеральных ассоциаций плотность нижней мантии у границы 670 км становится около 3,99 г/см3 и постепенно нарастает с глубиной под воздействием давления. Это фиксируется скачкообразным нарастанием скорости сейсмических волн и дальнейшим плавным нарастанием скорости границы 2900 км. На границе мантии и ядра, вероятно, происходит разложение силикатных минералов на металлическую и неметаллическую фазы. Этот процесс дифференциации мантийного вещества сопровождается ростом металлического ядра планеты и выделением тепловой энергии.
Суммируя приведённые данные, необходимо отметить, что разделение мантии обусловлено перестройкой кристаллической структуры минералов без значимого изменения её химического состава. Сейсмические границы раздела приурочены к участкам фазовых превращений и связаны с изменением плотности вещества.
Раздел ядро/мантия является, как отмечено ранее, очень резким. Здесь резко изменяются скорости и характер прохождения волн, плотность, температура и другие физические параметры. Такие радикальные изменения не могут быть объяснены перестройкой кристаллической структуры минералов и, несомненно, связаны с изменением химического состава вещества.
Более подробные сведения имеются в вещественном составе земной коры, верхние горизонты которой доступны для непосредственно изучения.
Химический состав земной коры отличается от более глубоких геосфер в первую очередь обогащённостью относительно лёгкими элементами – кремнием и алюминием.
Достоверные сведения имеются только о химическом составе самой верхней части земной коры. Первые данные о её составе были опубликованы в 1889 году американским ученым Ф. Кларком, как среднеарифметические из 6000 химических анализов горных пород. Позже, на основании многочисленных анализов минералов и горных пород, эти данные многократно уточнялись, но и сейчас процентное содержание химического элемента в земной коре называется кларком. Около 99 % в составе земной коры занимают всего 8 элементов, то есть они имеют наибольшие кларки (данные об их содержании приведены в таблице). Кроме того, могут быть названы ещё несколько элементов, имеющих относительно высокие кларки: водород (0,15%), титан (0,45%), углерод (0,02%), хлор (0,02%), которые в сумме составляют 0,64%. На все остальные элементы, содержащиеся в земной коре в тысячных и миллионных долях, остаётся 0,33%. Таким образом, в пересчёте на окислы, земная кора в основном состоит из SiO2 и Al2O3 (имеет «сиалический» состав, SIAL), что существенно отличает её от мантии, обогащённой магнием и железом.
Вместе с тем, нужно иметь в виду, что приведённые выше данные о среднем составе земной коры отражают лишь общую геохимическую специфику этой геосферы. В пределах земной коры по составу существенно различается океанический и континентальный типы коры. Океаническая кора образуется за счёт поступающих из мантии магматических расплавов, поэтому в значительно большей степени обогащена железом, магнием и кальцием, чем континентальная.
Среднее содержание химических элементов в земной коры
(по Виноградову)
ЗЕМЛЯ
ЗЕМЛЯ, планета, на которой мы живем; третья от Солнца и пятая из крупнейших планет в Солнечной системе. Как полагают, Солнечная система сформировалась из вихревых газово-пылевых облаков ок. 5 млрд. лет назад. Земля богата природными ресурсами, имеет в целом благоприятный климат и, возможно, является единственной планетой, на которой существует жизнь. В недрах Земли протекают активные геодинамические процессы, проявляющиеся в спрединге океанического дна (наращивании океанической коры и последующем ее раздвижении), дрейфе материков, землетрясениях, вулканических извержениях и др.
Земля вращается вокруг своей оси. Хотя это движение и не заметно на поверхности, точка на экваторе перемещается со скоростью ок. 1600 км/ч. Земля также обращается вокруг Солнца по орбите протяженностью ок. 958 млн. км со средней скоростью 29,8 км/с, совершая полный оборот примерно за год (365,242 средних солнечных суток).
ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Форма и состав.
Земля представляет собой сферу, состоящую из трех слоев – твердого (литосферы), жидкого (гидросферы) и газообразного (атмосферы). Плотность пород, слагающих литосферу, увеличивается по направлению к центру. Так называемая «твердая Земля» включает ядро, выполненное главным образом железом, мантию, состоящую из минералов более легких металлов (например, магния), и относительно тонкую твердую кору. Местами она раздроблена (в областях разломов) или смята в складки (в горных поясах).
Под влиянием притяжения Солнца, Луны и других планет на протяжении года форма орбиты и конфигурация Земли слегка меняются, а также возникают приливы. На самой Земле происходит медленный дрейф материков, постепенно меняется соотношение суши и океанов, а в процессе постоянной эволюции жизни происходит преобразование окружающей среды. Жизнь на Земле сконцентрирована в зоне контакта литосферы, гидросферы и атмосферы. Эта зона в совокупности со всеми живыми организмами, или биотой, называется биосферой. За пределами биосферы жизнь может существовать лишь при наличии специальных систем жизнеобеспечения, например космических кораблей.
Форма и размер.
Неравенство радиусов Земли частично обусловлено вращением планеты, в результате которого возникает центробежная сила, максимальная на экваторе и ослабевающая по направлению к полюсам. Если бы на Земле действовала только одна эта сила, все находящиеся на ее поверхности предметы улетели бы в космос, однако из-за силы земного притяжения этого не происходит.
Сила земного притяжения, или гравитация,
Неоднородность земной поверхности предопределяет различия гравитации в разных районах. Измерения ускорения силы тяжести позволяют получать информацию о внутреннем строении Земли. Например, вблизи гор прослеживаются бóльшие его значения. Если показатели меньше ожидаемых, то можно предположить, что горы сложены менее плотными породами. См. также ГЕОДЕЗИЯ.
Масса и плотность.
Давление.
Атмосфера оказывает давление на земную поверхность на уровне моря с силой 1 кг/см 2 (давление в одну атмосферу), которое уменьшается с высотой. На высоте ок. 8 км оно понижается примерно на две трети. Внутри Земли давление быстро возрастает: на границе ядра оно составляет ок. 1,5 млн. атмосфер, а в его центре – до 3,7 млн. атмосфер.
Температуры
на Земле сильно варьируют. Например, рекордно высокая температура + 58 ° C была зарегистрирована в Эль-Азизии (Ливия) 13 сентября 1922, а рекордно низкая, –89,2 ° С, на станции Восток близ Южного полюса в Антарктиде 21 июля 1983. С глубиной на протяжении первых километров от земной поверхности температура повышается на 0,6 ° C каждые 18 м, далее этот процесс замедляется. Расположенное в центре Земли ядро раскалено до температуры 5000–6000 ° C. В приповерхностном слое атмосферы средняя температура воздуха составляет 15 ° C, в тропосфере (нижней основной Земле части атмосферы) она постепенно понижается, а выше (начиная со стратосферы) меняется в широких пределах в зависимости от абсолютной высоты.
Оболочка Земли, в пределах которой температуры обычно ниже 0 ° С, называется криосферой. В тропиках она начинается на высоте ок. 4500 м, в высоких широтах (к северу и югу от 60–70 ° ) – от уровня моря. В приполярных районах на материках криосфера может простираться на несколько десятков сотен метров ниже земной поверхности, формируя горизонт многолетней мерзлоты.
Геомагнетизм.
Еще в 1600 английский физик У.Гильберт, показал, что Земля ведет себя, как огромный магнит. По-видимому, турбулентные движения в расплавленном железосодержащем внешнем ядре генерируют электрические токи, под действием которых возникает сильное магнитное поле, простирающееся в космосе на расстоянии более 64 000 км. Силовые линии этого поля выходят из одного магнитного полюса Земли и входят в другой (рис. 3). Магнитные полюсы перемещаются вокруг географических полюсов Земли. Геомагнитное поле дрейфует в западном направлении со скоростью 24 км/год. В настоящее время Северный магнитный полюс расположен среди островов северной Канады. Ученые полагают, что на протяжении продолжительных этапов геологической истории магнитные полюсы примерно совпадали с географическими. В любой точке земной поверхности магнитное поле характеризуется горизонтальной составляющей напряженности, магнитным склонением (угол между этой составляющей и плоскостью географического меридиана) и магнитным наклонением (угол между вектором напряженности и плоскостью горизонта). На Северном магнитном полюсе стрелка компаса, который установлен вертикально, будет указывать строго вниз, а на Южном – строго вверх. Однако на магнитном полюсе стрелка компаса, расположенного горизонтально, беспорядочно вертится вокруг своей оси, поэтому компас здесь бесполезен для навигации. См. также ГЕОМАГНЕТИЗМ.
Геомагнетизм обусловливает существование внешнего магнитного поля – магнитосферы. В настоящее время Северный магнитный полюс соответствует положительному знаку (силовые линии поля направлены внутрь Земли), а Южный – отрицательному (силовые линии направлены вовне). В геологическом прошлом полярность время от времени менялась на противоположную. Солнечный ветер (поток элементарных частиц, испускаемых Солнцем) деформирует магнитное поле Земли: на обращенной к Солнцу дневной стороне оно сжимается, а на противоположной, ночной, – вытягивается в т.н. магнитный хвост Земли.
Ниже 1000 км электромагнитные частицы в тонком верхнем слое земной атмосферы сталкиваются с молекулами кислорода и азота, возбуждая их, в результате происходит свечение, известное как полярное сияние, во всей полноте видимое только из космоса. Наиболее впечатляющие полярные сияния сопряжены с солнечными магнитными бурями, синхронными с максимумами солнечной активности, имеющими цикличность 11 лет и 22 года. В настоящее время Северное полярное сияние наилучшим образом видно из Канады и с Аляски. В средние века, когда северный магнитный полюс располагался восточнее, полярное сияние часто было видно в Скандинавии, северной России и северном Китае.
СТРОЕНИЕ
Литосфера
(от греч. lithos – камень и sphaira – шар) – оболочка «твердой» Земли. Прежде считали, что Земля состоит из твердой тонкой коры и горячего кипящего расплава под ней, а к литосфере относили только твердую кору. Сегодня полагают, что «твердая» Земля включает три концентрические оболочки, называемые земной корой, мантией и ядром (рис. 4). Земная кора и верхняя мантия представляют собой твердые тела, внешняя часть ядра ведет себя как жидкая среда, а внутренняя – как твердое тело. Сейсмологи относят к литосфере земную кору и верхнюю часть мантии. Основание литосферы расположено на глубинах от 100 до 160 км на контакте с астеносферой (зоной пониженной твердости, прочности и вязкости в пределах верхней мантии, состоящей предположительно из расплавленных пород).
Земная кора
– тонкая внешняя оболочка Земли средней мощностью 32 км. Наиболее тонкая она под океанами (от 4 до 10 км), а наиболее мощная – под материками (от 13 до 90 км). На кору приходится примерно 5% объема Земли.
Различают континентальную и океаническую земную кору (рис. 5). Первая из них ранее называлась сиаль, поскольку слагающие ее граниты и некоторые другие породы содержат в основном кремний (Si) и алюминий (Al). Океаническая кора называлась сима по преобладанию в составе ее пород кремния (Si) и магния (Mg). Обычно она состоит из темноцветных базальтов, часто вулканического происхождения. Существуют также районы с корой переходного типа, где океаническая кора медленно превращается в континентальную или, наоборот, часть континентальной коры преобразуется в океаническую. Такого рода трансформации происходят в процессе частичного или полного плавления, а также в результате коровых динамических процессов.
Около трети земной поверхности составляет суша, состоящая из шести материков (Евразии, Северной и Южной Америки, Австралии и Антарктиды), островов и групп островов (архипелагов). Бóльшая часть суши расположена в Северном полушарии. Взаимное расположение материков менялось на протяжении геологической истории. Около 200 млн. лет назад материки располагались в основном в Южном полушарии и образовывали гигантский суперконтинент Гондвану (см. также ГЕОЛОГИЯ).
Высота поверхности земной коры существенно различается от района к району: самая высокая точка на Земле – гора Джомолунгма (Эверест) в Гималаях (8848 м над уровнем моря), а самая низкая – на дне впадины Челленджер в Марианском желобе вблизи Филиппин (11 033 м ниже у.м.). Таким образом, амплитуда высот поверхности земной коры – более 19 км. В целом горные страны с высотами свыше 820 м над у. м. занимают примерно 17% поверхности Земли, а остальная территория суши – менее 12%. Около 58% земной поверхности приходится на глубоководные (3–5 км) океанические бассейны, а 13% – на довольно мелководный континентальный шельф и переходные области. Бровка шельфа обычно расположена на глубине ок. 200 м.
Крайне редко непосредственными исследованиями могут быть охвачены слои земной коры, расположенные глубже 1,5 км (как, например, в золотоносных рудниках ЮАР глубиной свыше 3 км, нефтяных скважинах Техаса глубиной ок. 8 км и в самой глубокой в мире – более 12 км – Кольской буровой экспериментальной скважине). На основе изучения этих и других скважин получено большое количество информации о составе, температуре и других свойствах земной коры. Кроме того, в районах интенсивных тектонических движений, например, в Большом Каньоне р.Колорадо и в горных странах, удалось составить детальное представление о глубинном строении земной коры.
Установлено, что земная кора состоит из твердых горных пород. Исключение составляют привулканические зоны, где существуют очаги расплавленных пород, или магмы, которые изливаются на поверхность в виде лавы. В целом породы земной коры примерно на 75% состоят из кислорода и кремния и на 13% – из алюминия и железа. Сочетания этих и некоторых других элементов образуют минералы, входящие в состав горных пород. Иногда в земной коре обнаруживаются в значительных концентрациях имеющие важное хозяйственное значение отдельные химические элементы и минералы. К ним относятся углерод (алмазы и графит), сера, руды золота, серебра, железа, меди, свинца, цинка, алюминия и др. металлов. См. также МИНЕРАЛЬНЫЕ РЕСУРСЫ; МИНЕРАЛЫ И МИНЕРАЛОГИЯ.
Мантия
– оболочка «твердой» Земли, расположенная под земной корой и простирающаяся примерно до глубины 2900 км. Она подразделяется на верхнюю (мощностью ок. 900 км) и нижнюю (мощностью ок. 1900 км) мантию и состоит из плотных зеленовато-черных железо-магниевых силикатов (перидотита, дунита, эклогита). В условиях поверхностных температур и давлений эти породы примерно вдвое жестче, чем гранит, а на больших глубинах становятся пластичными и медленно текут. Благодаря распаду радиоактивных элементов (особенно изотопов калия и урана) мантия постепенно нагревается снизу. Иногда в процессе горообразования блоки земной коры погружаются в мантийное вещество, где они плавятся, а затем во время вулканических извержений вместе с лавой выносятся на поверхность (иногда лава включает обломки перидотита, дунита и эклогита).
В 1909 хорватский геофизик А.Мохоровичич установил, что скорость распространения продольных сейсмических волн резко увеличивается на глубине ок. 35 км под материками и 5–10 км – под океаническим дном. Этот рубеж соответствует границе между земной корой и мантией и называется поверхностью Мохоровичича. Положение нижней границы верхней мантии менее определенно. Продольные волны, проникая в мантию, распространяются с ускорением до тех пор, пока не достигнут астеносферы, где их движение замедляется. Нижняя мантия, в которой скорость этих волн вновь увеличивается, более жесткая, чем астеносфера, но несколько более упругая, чем верхняя мантия.
Гидросфера
представляет собой совокупность всех природных вод на земной поверхности и вблизи нее. Ее масса – менее 0,03% массы всей Земли. Почти 98% гидросферы составляют соленые воды океанов и морей, покрывающих ок. 71% земной поверхности. Около 4% приходится на материковые льды, озерные, речные и подземные воды, немного воды содержится в минералах и в живой природе.
Четыре океана (Тихий – самый большой и глубокий, занимающий почти половину земной поверхности, Атлантический, Индийский и Северный Ледовитый) вместе с морями образуют единую акваторию – Мировой океан. Однако океаны неравномерно распределены на Земле и сильно различаются по глубине. Местами океаны разделены только узкой полосой суши (например, Атлантический и Тихий – Панамским перешейком) или мелководными проливами (например, Беринговым – Северный Ледовитый и Тихий океаны). Подводным продолжением материков являются довольно мелководные континентальные шельфы, занимающие большие площади у берегов Северной Америки, восточной Азии и северной Австралии и полого спускающиеся по направлению к открытому океану. Край шельфа (бровка) обычно резко обрывается при переходе к континентальному склону, первоначально круто падающему, а затем постепенно выполаживающемуся в зоне континентального подножья, которое сменяется глубоководным ложем со средними глубинами 3700–5500 м. Континентальный склон обычно изрезан глубокими подводными каньонами, часто являющимися морским продолжением крупных речных долин. Речные осадки выносятся через эти каньоны и образуют подводные конусы выноса на континентальном подножии. Глубоководных абиссальных равнин достигают только тончайшие глинистые частицы. Ложе океана имеет неровную поверхность и представляет собой сочетание подводных плато и горных хребтов, местами увенчанных вулканическими горами (плосковершинные подводные горы называются гайотами). В тропических морях подводные горы завершаются кольцеобразными коралловыми рифами, образующими атоллы. По периферии Тихого океана и вдоль молодых островных дуг Атлантического и Индийского океанов имеются желоба глубиной более 11 км.
Морская вода представляет собой раствор, содержащий в среднем 3,5% минеральных веществ (ее соленость обычно выражается в промилле, ‰). Основным компонентом морской воды является хлористый натрий, присутствуют также хлорид и сульфат магния, сульфат кальция, бромид натрия и др. Некоторые внутренние моря благодаря поступлению огромного количества пресной воды имеют менее высокую соленость (например, максимальная соленость Балтийского моря 11‰), тогда как другие внутренние моря и озера отличаются очень высокой соленостью ( Мертвое море – 260–310‰, Большое Соленое озеро – 137–300‰).
Атмосфера
– воздушная оболочка Земли, состоящая из пяти концентрических слоев – тропосферы, стратосферы, мезосферы, термосферы и экзосферы. Реальная верхняя граница атмосферы отсутствует. Внешний слой, начинающийся примерно на высоте 700 км, постепенно разреживается и переходит в межпланетное пространство. Кроме того, существует еще магнитосфера, пронизывающая все слои атмосферы и простирающаяся далеко за ее пределы.
Атмосфера состоит из смеси газов: азота (78,08% ее объема), кислорода (20,95%), аргона (0,9%), диоксида углерода (0,03%) и редких газов – неона, гелия, криптона и ксенона (в сумме 0,01%). Почти всюду близ земной поверхности присутствует водяной пар. В атмосфере городов и промышленных районов обнаруживаются повышенные концентрации сернистого ангидрида, углекислого и угарного газов, метана, фтористого углерода и других газов антропогенного происхождения. См. также ЗАГРЯЗНЕНИЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ.
Тропосфера
– слой атмосферы, в котором формируется погода. В умеренных широтах она простирается примерно до высоты 10 км. Ее верхний предел, известный как тропопауза, на экваторе выше, чем на полюсах. Имеются также сезонные изменения – летом тропопауза располагается несколько выше, чем зимой. В пределах тропопаузы происходит циркуляция огромных масс воздуха. Средняя температура воздуха в приземном слое атмосферы ок. 15 ° C. С высотой температура понижается примерно на 0,6 ° на каждые 100 м высоты. Холодный воздух верхних слоев атмосферы опускается, а теплый – поднимается. Но под влиянием вращения Земли вокруг своей оси и локальных особенностей распределения тепла и влаги эта принципиальная схема циркуляции атмосферы претерпевает изменения. Больше всего солнечной тепловой энергии поступает в атмосферу в тропиках и субтропиках, откуда в результате конвекции теплые воздушные массы переносятся в высокие широты, где теряют тепло. См также МЕТЕОРОЛОГИЯ И КЛИМАТОЛОГИЯ.
Стратосфера
расположена в диапазоне от 10 до 50 км над уровнем моря. Для нее характерны довольно постоянные ветры и температуры (в среднем ок. –50 ° С) и редкие перламутровые облака, образованные кристаллами льда. Однако в верхних слоях стратосферы температура повышается. Сильные турбулентные потоки воздуха, известные под названием струйных течений, циркулируют вокруг Земли в приполярных широтах и в экваториальном поясе. В зависимости от направления движения реактивных самолетов, летающих в нижних слоях стратосферы, струйные течения могут представлять опасность или благоприятствовать полетам. В стратосфере солнечная ультрафиолетовая радиация и заряженные частицы (главным образом, протоны и электроны) взаимодействуют с кислородом, продуцируя озон, ионы кислорода и азота. Наиболее высокие концентрации озона обнаружены в нижней стратосфере.
Мезосфера
– слой атмосферы, расположенный в интервале высот от 50 до 80 км. В ее пределах температура постепенно понижается примерно от 0 ° C у нижней границы до –90 ° С (иногда до –110 ° С) у верхней границы – мезопаузы. Со средними слоями мезосферы сопряжена нижняя граница ионосферы, где электромагнитные волны отражаются ионизированными частицами.
Область между 10 и 150 км иногда называется хемосферой, поскольку именно здесь, главным образом в мезосфере, происходят фотохимические реакции.
Термосфера
– высокие слои атмосферы примерно от 80 до 700 км, в которых повышается температура. Поскольку атмосфера здесь разрежена, тепловая энергия молекул – главным образом кислорода – низкая, а температуры зависят от времени суток, солнечной активности и некоторых других факторов. В ночное время температуры меняются примерно от 320 ° C в периоды минимальной солнечной активности до 2200 ° C во время пиков солнечной активности.
Экзосфера
– самый верхний слой атмосферы, начинающийся на высотах ок. 700 км, где атомы и молекулы находятся настолько далеко одни от других, что сталкиваются весьма редко. Это т.н. критический уровень, на котором атмосфера перестает вести себя как обычный газ, а атомы и молекулы перемещаются в гравитационном поле Земли как спутники. В этом слое главными компонентами атмосферы являются водород и гелий – легкие элементы, которые в конечном счете улетучиваются в космическое пространство.
Способность Земли удерживать атмосферу зависит от силы земного притяжения и скорости движения молекул воздуха. Любой объект, который удаляется от Земли со скоростью менее 8 км/с, возвращается на нее под действием силы притяжения. При скорости 8–11 км/с объект выводится на околоземную орбиту, а свыше 11 км/с – преодолевает земную гравитацию.
Многие частицы верхних слоев атмосферы, обладающие высокой энергией, могли бы быстро улетучиться в космическое пространство, если бы не улавливались магнитным полем Земли (магнитосферой), которое защищает все живые организмы (в т.ч. и человека) от пагубного влияния малоинтенсивного космического излучения. См. также АТМОСФЕРА; МЕЖЗВЕЗДНОЕ ВЕЩЕСТВО; КОСМОСА ИССЛЕДОВАНИЕ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ.
ГЕОДИНАМИКА
Движения земной коры и эволюция материков.
Континентальная земная кора сложена относительно легким материалом, поэтому материки, подобно айсбергам, плавают в плотной пластичной мантии Земли. При этом нижняя, бóльшая часть массы материков расположена ниже уровня моря. Наиболее глубоко погружена в мантию земная кора в области горных сооружений, образуя т.н. «корни» гор. Когда горы разрушаются и удаляются продукты выветривания, эти потери компенсируются новым «ростом» гор. С другой стороны, перегрузка речных дельт поступающим обломочным материалом является причиной их постоянного погружения. Такое поддержание равновесного состояния погруженной ниже уровня моря и расположенной выше него частей материков носит название изостазии.
Землетрясения и вулканическая деятельность.
В результате движений крупных блоков земной поверхности в земной коре образуются разломы и происходит складкообразование. Гигантская мировая система разломов и сбросов, известная как срединно-океанический рифт, опоясывает Землю на протяжении более 65 тыс. км. Для этого рифта характерны движения вдоль разломов, землетрясения и сильный поток внутренней тепловой энергии, что свидетельствует о том, что магма расположена близ поверхности Земли. К этой системе принадлежит и разлом Сан-Андреас в южной Калифорнии, в пределах которого во время землетрясений отдельные блоки земной поверхности смещаются на величину до 3 м по вертикали. Тихоокеанское «огненное кольцо» и Альпийско-Гималайский горный пояс – основные районы вулканической активности, связанные со срединно-океаническим рифтом. К первому из этих районов приурочены почти 2 /3 из известных примерно 500 вулканов. Здесь же происходит ок. 80% всех землетрясений на Земле. Иногда у нас на глазах возникают новые вулканы, как, например, вулкан Парикутин в Мексике (1943) или Суртсей у южных берегов Исландии (1965).
Земные приливы.
Совершенно иную природу имеют периодические деформации Земли со средней амплитудой 10–20 см, известные как земные приливы, частично обусловленные притяжением Земли Солнцем и Луной. Кроме того, точки небосвода, в которых орбита Луны пересекает плоскость земной орбиты, совершают оборот вокруг Земли с периодом 18,6 лет. Этот цикл оказывает влияние на состояние «твердой» Земли, атмосферы и океана. Способствуя увеличению высоты приливов на континентальных шельфах, он может стимулировать сильные землетрясения и вулканические извержения. В умеренных широтах это может привести к повышению скорости некоторых океанических течений, например Гольфстрима и Куросио. Тогда их теплые воды станут более существенно влиять на климат. См. также ОКЕАНИЧЕСКИЕ ТЕЧЕНИЯ; ОКЕАН; ЛУНА; ПРИЛИВЫ И ОТЛИВЫ.
Дрейф материков.
Хотя большинство геологов и полагало, что на суше и на дне океанов происходит образование разломов и формирование складчатости, считалось, что положение материков и океанических впадин строго фиксировано. В 1912 немецкий геофизик А.Вегенер предположил, что древние массивы суши раскалывались на части и дрейфовали, словно айсберги, по более пластичной океанической коре. Тогда эта гипотеза не нашла поддержки среди большинства геологов. Однако в результате исследований глубоководных бассейнов в 1950–1970-х годах были получены неопровержимые доказательства в пользу гипотезы Вегенера. В настоящее время теория тектоники плит составляет основу представлений об эволюции Земли.
Спрединг океанического дна.
Глубоководные магнитные съемки океанического дна показали, что древние вулканические породы перекрыты тонким плащом речных наносов. Эти вулканические породы, главным образом базальты, по мере остывания в процессе эволюции Земли сохраняли информацию о геомагнитном поле. Поскольку, как было сказано выше, время от времени полярность геомагнитного поля меняется, базальты, образовавшиеся в разные эпохи, имеют намагниченность противоположного знака. Океаническое дно делится на полосы, выполненные породами, различающимися знаком намагниченности. Параллельные полосы, расположенные по обе стороны от срединно-океанических хребтов, симметричны по ширине и направлению напряженности магнитного поля. Ближе всего к гребню хребта располагаются самые молодые формации, поскольку представляют свежеизверженную базальтовую лаву. Ученые считают, что горячие расплавленные породы поднимаются по трещинам вверх и растекаются по обе стороны от оси хребта (этот процесс можно сравнить с двумя конвейерными лентами, движущимися в противоположных направлениях), причем на поверхности хребтов чередуются полосы, имеющие противоположную намагниченность. Возраст любой такой полосы морского дна может быть определен с большой точностью. Эти данные рассматриваются как надежные свидетельства в пользу спрединга (расширения) океанического дна.
Тектоника плит.
Если дно океана расширяется в шовной зоне срединно-океанического хребта, это означает, что либо поверхность Земли увеличивается, либо имеются районы, где океаническая кора исчезает и погружается в астеносферу. Такие районы, называемые зонами субдукции, действительно были обнаружены в поясе, окаймляющем Тихий океан, и в прерывистой полосе, протягивающейся от Юго-Восточной Азии до Средиземноморья. Все эти зоны приурочены к глубоководным желобам, опоясывающим островные дуги. Большинство геологов полагает, что на поверхности Земли имеется несколько жестких литосферных плит, которые «плавают» по астеносфере. Плиты могут скользить одна относительно другой, или одна может погружаться под другую в зоне субдукции. Единая модель тектоники плит дает наилучшее объяснение распределению крупных геологических структур и зон тектонической активности, а также изменению взаимного расположения материков.
Сейсмические зоны.
Горообразование.
Там, где древние океанические впадины уничтожаются в процессе субдукции, происходит столкновение материковых плит между собой или с осколками плит. Как только это случается, земная кора сильно сжимается, формируется надвиг, а мощность коры увеличивается почти вдвое. В связи с изостазией смятая в складки зона испытывает подъем и таким образом рождаются горы. Пояс горных сооружений альпийского этапа складчатости прослеживается вдоль побережья Тихого океана и в Альпийско-Гималайской зоне. В этих районах многочисленные столкновения литосферных плит и подъем территории начались ок. 50 млн. лет назад. Более древние горные системы, как, например, Аппалачи, имеют возраст свыше 250 млн. лет, но в настоящее время они настолько разрушены и сглажены, что утратили типичный горный облик и превратились в почти ровную поверхность. Однако, поскольку их «корни» погружены в мантию и плавают, они испытывали неоднократный подъем. И все же со временем такие древние горы превратятся в равнины. Большинство геологических процессов проходят через стадии молодости, зрелости и старости, но обычно такой цикл занимает очень длительное время.
Распределение тепла и влаги.
Взаимодействие гидросферы и атмосферы контролирует распределение тепла и влаги на земной поверхности. Соотношение суши и моря в значительной степени определяет характер климата. Когда увеличивается поверхность суши, происходит похолодание. Неравномерное распределение суши и моря в настоящее время является предпосылкой для развития оледенения.
Больше всего тепла поверхность Земли и атмосфера получают от Солнца, которое на протяжении всего времени существования нашей планеты почти с одинаковой интенсивностью излучает тепловую и световую энергию. Атмосфера предохраняет Землю от слишком быстрого возврата этой энергии назад в космос. Около 34% солнечной радиации теряется из-за отражения облаками, 19% поглощается атмосферой и только 47% достигает земной поверхности. Суммарный приток солнечной радиации к верхней границе атмосферы равен отдаче радиации с этой границы в космическое пространство. В результате устанавливается тепловой баланс системы «Земля – атмосфера».
Поверхность суши и воздух приземного слоя быстро нагреваются днем и довольно быстро теряют тепло ночью. Если бы в верхней тропосфере отсутствовали улавливающие тепло слои, амплитуда колебаний суточных температур могла бы быть гораздо больше. Например, Луна получает от Солнца примерно столько же тепла, сколько и Земля, но, поскольку у Луны нет атмосферы, температуры ее поверхности днем повышаются примерно до 101 ° C, а ночью понижаются до –153 ° C.
Океаны, температура воды которых меняется гораздо медленнее, чем температура земной поверхности или воздуха, оказывают на климат сильное смягчающее воздействие. Ночью и зимой воздух над океанами остывает значительно медленнее, чем над сушей, а если океанические воздушные массы перемещаются над материками, это приводит к потеплению. И наоборот, днем и летом морской бриз охлаждает сушу.
Распределение влаги на земной поверхности определяется круговоротом воды в природе. Каждую секунду в атмосферу, главным образом с поверхности океанов, испаряется огромное количество воды. Влажный океанический воздух, проносясь над материками, охлаждается. Затем влага конденсируется и возвращается на земную поверхность в форме дождя или снега. Частично она сохраняется в снежном покрове, реках и озерах, а частично возвращается в океан, где снова происходит испарение. Таким образом завершается гидрологический цикл.
Океанические течения являются мощным терморегулирующим механизмом Земли. Благодаря им в тропических океанических районах поддерживается равномерная умеренная температура и теплые воды переносятся в более холодные высокоширотные регионы.
Поскольку вода играет существенную роль в эрозионных процессах, она тем самым влияет на движения земной коры. А любое перераспределение масс, обусловленное такими движениями в условиях вращающейся вокруг своей оси Земли, способно, в свою очередь, внести вклад в изменение положения земной оси. Во время ледниковых эпох уровень моря понижается, так как вода аккумулируется в ледниках. Это, в свою очередь, приводит к разрастанию материков и увеличению климатических контрастов. Сокращение речного стока и понижение уровня Мирового океана препятствуют достижению теплыми океаническими течениями холодных регионов, что ведет к дальнейшим климатическим изменениям.
ДВИЖЕНИЕ ЗЕМЛИ
Земля вращается вокруг своей оси и обращается вокруг Солнца. Эти движения усложняются за счет гравитационного влияния других объектов Солнечной системы, представляющей собой часть нашей Галактики (рис. 6). Галактика вращается вокруг своего центра, следовательно, и Солнечная система вместе с Землей вовлечены в это движение.
Вращение вокруг собственной оси.
Земля совершает один оборот вокруг оси за 23 ч 56 мин 4,09 с. Вращение происходит с запада на восток, т.е. против часовой стрелки (если смотреть со стороны Северного полюса). Поэтому кажется, что Солнце и Луна восходят на востоке и заходят на западе. Земля совершает примерно 365 1 /4 оборота за время одного витка вокруг Солнца, что составляет один год или занимает 365 1 /4 суток. Поскольку на каждый такой виток, кроме целых суток, дополнительно затрачивается еще четверть суток, каждые четыре года к календарю добавляется один день. Гравитационное притяжение Луны постепенно замедляет вращение Земли и удлиняет сутки примерно на 1/1000 с каждое столетие. По геологическим данным, темпы вращения Земли могли меняться, но не более чем на 5%.
Обращение Земли вокруг Солнца.
Земля обращается вокруг Солнца по эллиптической орбите, близкой к круговой, в направлении с запада на восток со скоростью ок. 107 000 км/ч. Среднее расстояние до Солнца 149 598 тыс. км, а разница между наибольшим и наименьшим расстоянием 4,8 млн. км. Эксцентриситет (отклонение от круга) земной орбиты меняется очень незначительно на протяжении цикла продолжительностью 94 тыс. лет. Изменения расстояния до Солнца, как полагают, способствуют формированию сложного климатического цикла, с отдельными этапами которого сопряжено наступание и отступание ледников во время ледниковых периодов. Эта теория, развитая югославским математиком М.Миланковичем, подтверждается геологическими данными.
Прецессия.
Притяжение Солнца, Луны и других планет не изменяет угла наклона земной оси, но приводит к тому, что она перемещается по круговому конусу. Это перемещение называется прецессией. В настоящее время Северный полюс направлен на Полярную звезду. Полный цикл прецессии составляет ок. 25 800 лет и вносит существенный вклад в климатический цикл, о котором писал Миланкович.
Дважды в год, когда Солнце находится непосредственно над экватором, и дважды в месяц, когда аналогичным образом расположена Луна, притяжение, обусловливающее прецессию, уменьшается до нуля и происходит периодическое увеличение и снижение темпов прецессии. Такое колебательное движение земной оси известно как нутация, которая достигает максимума каждые 18,6 лет. Эта периодичность по влиянию на климат занимает второе место после смены времен года.
Система Земля – Луна.
Земля и Луна связаны взаимным притяжением. Общий центр тяжести, называемый центром масс, расположен на линии, соединяющей центры Земли и Луны. Поскольку масса Земли почти в 82 раза больше массы Луны, центр масс этой системы расположен на глубине более 1600 км от поверхности Земли. И Земля, и Луна совершают оборот вокруг этой точки за 27,3 суток. Поскольку они обращаются вокруг Солнца, центр масс описывает сглаженный эллипс, хотя каждое из этих тел имеет волнистую траекторию.
Прочие формы движения.
В пределах Галактики Земля и остальные объекты Солнечной системы перемещаются со скоростью ок. 19 км/с в направлении звезды Вега. Кроме того, Солнце и другие соседние звезды обращаются вокруг центра Галактики со скоростью ок. 220 км/с. В свою очередь, наша Галактика входит в состав небольшой локальной группы галактик, которая, в свою очередь, является частью гигантского скопления галактик.
Магницкий В.А. Внутреннее строение и физика Земли. М., 1965
Вернадский В.И. Биосфера. М., 1967
Колесник С.В. Общие географические закономерности Земли. М., 1970
Будыко М.И. Климат в прошлом и будущем. М., 1980
Рид Г., Уотсон Дж. История Земли, тт. 1–2. Л., 1981
Рингвуд А. Происхождение Луны и Земли. М., 1982