Форма и размеры Земли

По современным космогоническим представлениям Земля образовалась примерно 4,6-4,7 млрд. лет назад из захваченного притяжением Солнца протопланетного облака. На образование первых, наиболее древних из изученных горных пород потребовалось 100-200 млн. лет.

Земля – третья планета Солнечной системы. Ее орбита находится между орбитами Венеры и Марса. Она движется вокруг Солнца со средней скоростью 29,765 км/с по эллиптической, близкой к круговой орбите (эксцентриситет 0,0167). Среднее расстояние от Солнца 149,6 млн. км, В перигелии оно уменьшается до 147 млн. км, а в афелии увеличивается до 152 млн. км. Период одного обращения по орбите 365,24 солнечных суток. Вращение Земли вокруг собственной оси происходит со средней угловой скоростью 7,3·10-5рад/с, что примерно соответствует периоду в 23 ч 56 мин 4,1 с. Линейная скорость поверхности Земли на экваторе – около 465 м/с. Ось вращения наклонена к плоскости эклиптики под углом 66° 33? 22??. Этот наклон и годовое обращение Земли вокруг Солнца обуславливают исключительно важную для климата Земли смену времен года, а ее вращение вокруг оси – смену дня и ночи. Имеются и небольшие нерегулярные вариации продолжительности суток.

В целом по форме Земля близка к эллипсоиду, сплюснутому у полюсов и растянутому в экваториальной зоне. В нашей стране принят термин «эллипсоид Красовского [Феодосий Николаевич]). Средний радиус Земли 6371 км, полярный – 6356 км, экваториальный – 6378 км. Масса Земли 5,976·10²⁴ кг, средняя плотность 5518 кг/м³. Площадь поверхности Земли 510,2 млн. км².

Фактически уровневая поверхность Земли не совпадает с поверхностью эллипсоида. Геоид – условное наименование истинной фигуры Земли, предложенное в 1873 г. немецким ученым И. Листингом (геоид – землеподобный). Геоид это геометрически сложная поверхность равных значений потенциала силы тяжести, совпадающая с невозмущенной поверхностью Мирового океана и продолженная под континентами. Он близок к эллипсоиду со сжатием 1 : 298,2.

Благодаря суточному вращению Земли существуют единственные неподвижные точки земной поверхности – географические полюса – это точки пересечения воображаемой земной оси с земной поверхностью. Положение географических полюсов меняется с периодом 434 суток с амплитудой 0,36??. Кроме того, имеются и небольшие сезонные их перемещения.

По отношению к полюсам определяют экватор, проводят параллели и меридианы. Экватор – это линия на глобусе или карте, расположенная на одинаковом расстоянии от полюсов. Его длина 40076 км. Параллели – линии, параллельные экватору. Это круги мысленного сечения Земли плоскостями, перпендикулярными ее оси. По параллелям определяют географическую широту – расстояние в градусах от экватора до какой-либо точки. Она изменяется от 90? с.ш. до 90? ю.ш. Меридианы – линии, соединяющие полюса. Это круги, образованные пересечением земного шара плоскостями, проходящими через земную ось. По меридианам определяют географическую долготу – расстояние в градусах от начального меридиана до какой-либо точки. Долготы бывают западные и восточные и изменяются от 0 до 180°.

Представление о фигуре и размерах Земли создавалось постепенно, на основе наблюдений, измерений и расчетов.

Уже в VII в до н.э. древнегреческие ученые высказали предположение о шарообразности Земли. В IV веке до н.э. Аристотель собрал уже имеющиеся доказательства шарообразности Земли, дополнил и обосновал их (круглая тень Земли при затмениях, изменение вида звездного вида и т.д.). Эратосфен Киренский во II веке до н.э. определил близкую к действительной длину большого круга (40 000 км) и одного градуса меридиана (110,6 м. – действительная 111,2 м.).

Кругосветные путешествия только подтвердили доказательства шарообразности. С появлением точных методов измерений расстояний и углов (триангуляция) в 1669-70 гг. французские ученый Жан Пикар точно измерил длину меридиана и пришел к выводу, что Земля не идеальный шар с радиусом – 6371,7 км. Французский астроном Рише проделав опыты с маятником пришел к сходным выводам.

Ньютон сформулировал закон об обязательном отклонении фигуры вращающегося тела от шара. Одновременно с Христианом Гюйгенсом он определили полярное сжатие Земли.

Внутреннее строение Земли

Ядро Земли центральная, наиболее глубокая геосфера Земли. Его средний радиус ок. 3,5 тыс. км. Делится на внешнее ядро и субъядро (внутренне ядро). Температура в центре ядра Земли, по-видимому, достигает 5000?С, плотность ок. 12,5 т/м³, давление до 361 (гига) ГПа (3,5*10⁶ атм). Предположительно ядро металлическое (железно-никелевое). Внешнее ядро – жидкое, а субъядро – твердое. С этим связано наличие у Земли магнитного поля. Мантия оболочка «твердой» Земли, расположенная между земной корой и ядром Земли. Составляет 83% объема Земли и 67% ее массы. Верхняя граница проходит на глубине от 5-10 до 70 км по поверхности Мохоровичича [1909 г. скорость продольных сейсмических волн при переходе через нее возрастает скачком с 6,7-7,6 до 7,9-8,2 км/с, а плотность с 2,9-3,0 до 3,1-3,5 т/м³]. Нижняя – на глубине 2900 км по границе с ядром Земли. Предполагают, что мантия Земли в основном сложена оливином и делится на верхнюю мантию толщиной ок. 900 км и нижнюю – ок. 2000 км. Благодаря высокому давлению – от 1 до 136 ГПа вещество мантии Земли, по-видимому, находится в твердом кристаллическом состоянии (за исключением астеносферы). Температура в мантии, по-видимому, не превышает 2000-2500?С. С процессами в мантии Земли связаны тектонические движения, магматизм, вулканизм и др.

В верхней мантии находится слой пониженной твердости, прочности и вязкости – астеносфера, подстилающий литосферу. Верхняя граница на глубине ок. 100 км под материками и ок. 50 км под дном океана; нижняя – на глубине 250-350 км. Астеносфера играет важную роль в происхождении эндогенных процессов, протекающих в земной коре (магматизм, метаморфизм и др.). Благодаря своей пластичности астеносфера выполняет роль субстрата, по которому могут перемещаться литосферные плиты. Вещество в астеносфере возможно, аморфно.

Верхняя твердая оболочка Земли называется земной корой. Она ограничена снизу поверхностью Мохоровичича. Мощность ее составляет от 5 до 75 км. По строению различают: материковую (континентальную) и океаническую кору.

Материковая кора под равнинами имеет мощность 25-30 км, а под горами – до 75 км. В среднем она составляет 33-35 км. Под горами отмечается утолщение земной коры, то есть выступы ее в глубь – «корни гор». Особенно большой толщины кора достигает под Памиром, Гиндукушем – более 60 км. Гималаями (около 75 км) и Андами (75 км). Таким образом, самые высокие горы имеют самые глубокие «корни» в земных недрах.

При сейсмическом зондировании материковой коры выделяются три основных ее слоя:

1. Верхний из них носит название осадочного слоя. Это наименее плотный слой толщиной: от 2-3 км на платформах до 20-30 км в подвижных областях. Этот слой представлен осадочными породами, то есть глинами, песками, песчаниками, известняками и мергелями. На нем залегает почвенный покров.
2. Второй, наиболее толстый слой материковой земной коры, называется гранитным слоем. Он имеет большую плотность и сложен кристаллическими горными породами, то есть гранитами и гнейсами. Этот слой местами выходит на поверхность. Например, на Кольском полуострове; в центральных частях горных хребтов Кавказа, Тянь-Шаня, Алтая, Альп, Карпат и др. В большинстве случаев гранитный слой покрыт осадочными породами, мощность которых достигает 10-20 км.
3. Третий слой материковой коры называют базальтовым слоем. Он состоит из наиболее тяжелых горных пород – базальтов, габбро и др., его толщина составляет 15-25 км.

Океаническая кора тоньше материковой и состоит из двух слоев – осадочного и базальтового. Мощность осадочного слоя колеблется и изменяется от нескольких метров на срединно-океанических хребтах до 3 км – на остальной части океанического дна. Большая часть этого слоя представлена известняковыми илами, образовавшимися за счет остатков живых организмов.

Толщина базальтового слоя изменяется от 3-х до 12 км. Между этими двумя основными слоями выделяется слой с меньшей, чем у базальтов, плотностью: его толщина от 1 до 2 км. Считается, что он представлен лавами и вулканическими туфами.

Таким образом, общая толщина океанической коры составляет 5-15 км, увеличиваясь до 20 км вблизи материков, под океаническими островами и подводными хребтами. В центральной части Тихого океана мощность коры составляет около 5-8 км.

Основную роль в исследовании внутреннего строения Земли играют сейсмические методы, основанные на исследовании распространения в ее толще упругих волн (как продольных, так и поперечных), возникающих при сейсмических событиях – при естественных землетрясениях и в результате взрывов.

 

Гравитационное, магнитное и электрическое поля Земли

Гравитационное поле Земли с высокой точностью описывается законом всемирного тяготения Ньютона. Ускорение свободного падения над поверхностью Земли определяется как гравитационной, так и центробежной силой, обусловленной вращением Земли.

Магнитное поле над поверхностью Земли складывается из постоянной (или меняющейся достаточно медленно) «главной» и переменной частей; последнюю обычно относят к вариациям магнитного поля. Главное магнитное поле имеет структуру, близкую к дипольной.

Магнитное поле Земли простирается до расстояний трех земных радиусов. Оно приблизительно соответствует полю однородно намагниченного шара с напряженностью поля 55,7 А/м (0,70 Э) у полюсов магнитных Земли и 33,4 А/м (0,42 Э) на магнитном экваторе. Околопланетное пространство Земли физические свойства которого определяются ее магнитным полем и его взаимодействием с потоками заряженных частиц космического происхождения, то есть с солнечным ветром называется Магнитосфера. С дневной стороны она простирается на 8-14 радиусов, с ночной – вытянута на несколько сот радиусов, образуя т. н. магнитный хвост Земли. В магнитосфере находятся радиационные пояса. [Протяженными магнитосферами обладают Юпитер и Сатурн. Магнитосферы Меркурия, Венеры, Марса ярко не выражены.]

Магнитные полюсы – это точки на земной поверхности, где магнитная стрелка располагается по вертикали, т. е. где магнитный компас неприменим для ориентировки по странам света. Их положение постоянно меняется в пространстве. В настоящее время они не совпадают с географическими южный магнитный полюс находится в Антарктиде, у побережья Тихого океана, а северный – в Канаде в Канадском арктическом архипелаге. За геологические промежутки времени, по палеомагнитным данным, обнаруживаются даже магнитные инверсии, то есть обращения полярности. В магнитных полюсах сходятся магнитные меридианы – проекции силовой линии геомагнитного поля на поверхность Земли.

У магнитного поля Земли наблюдаются вековые, суточные и нерегулярные изменения (вариации), в т. ч. магнитные бури. Это сильные возмущения магнитного поля, которые могут длиться несколько суток и вызываются воздействием усиленных потоков солнечной плазмы (солнечного ветра) на магнитосферу Земли.

Электрическое поле над поверхностью Земли в среднем имеет напряженность около 100 В/м и направлено вертикально вниз – это так называемое «поле ясной погоды», но это поле испытывает значительные (как периодические, так и нерегулярные) вариации.

Строение Земли имеет ряд географических следствий

• внутренние процессы, происходящие в недрах Земли являются одним из важных источников энергии поступающей в географическую оболочку;
• плотность Земли определяет силу земного притяжения, которая обеспечивает сохранность водной и воздушной оболочек;
• взаимодействия оболочек Земли обусловили возникновение комплексной географической оболочки с таким ее важным компонентом, как живое вещество;
• сферическая форма оболочек обуславливают бесконечность и единство пространства.