Глава 2. Форма и размеры Земли
Первые представления о форме и размерах Земли появились в глубокой древности. Длительное время Земля рассматривалась как шарообразное тело. В XVII - XVIII вв., когда для изучения размеров Земли впервые стали применяться более точные методы измерения, было выяснено, что Земля не представляет собой идеального шара, так как полярный и экваториальный радиусы неодинаковы (разница между ними составляет немногим более 21 км). Это свидетельствует о сплюснутости ее по оси вращения. Формирование фигуры Земли определялось совместным действием гравитации и центробежных сил. На рубеже XVII - XVIII вв. И. Ньютоном теоретически было обосновано положение о том, что под воздействием силы тяжести Земля должна иметь сжатие в направлении оси вращения и принять форму эллипсоида, или сфероида. Последующие измерения подтвердили теоретические положения и расчеты И. Ньютона и показали, что Земля сжата не только на полюсах, но и в небольшой степени и по экватору (наибольший и наименьший радиусы экватора отличаются по длине на 213 м), т.е. Земля является трехосным эллипсоидом. В экваториальной области Земля сжата в районах Тибета и Центральной Африки, а большая полуось экваториального эллипса направлена в район Гвинейского залива Атлантического океана [6].
Представления о Земле как об эллипсоиде верны, но наиболее близкой к современной фигуре Земли является фигура геоида. Геоид – это некоторая воображаемая форма, по отношению к которой сила тяжести повсеместно направлена перпендикулярно, и которая совпадает с уровнем Мирового океана. (рис.5) [3]
Рис. 5. Положение поверхностей рельефа Земли, сфероида и геоида
Форма и размеры Земли были вычислены геодезистом А. А. Изотовым в 1940 г. Выведенная им фигура была названа эллипсоидом Красовского (в честь крупного советского геодезиста Ф. Н. Красовского). Основные параметры по эллипсоиду Красовского:
Экваториальный радиус – 6378,245 км
Полярный радиус – 6356,863 км
Полярное сжатие = 1/298,25. Сжатие определяется по формуле = (a-b) /a, где a, b – большая и малая полуоси эллипсоида вращения.
Площадь поверхности Земли составляет около 510 млн км2, ее объем – 1,083*1012 км3, масса – 5,976*1027 г [6].
Глава 3. Строение Земли
Внутреннее строение Земли
Особенностью строения Земли является неоднородность физических свойств и дифференцированность состава вещества по радиусу с обособлением ряда оболочек. Непосредственному наблюдению доступны лишь верхние (глубина 15-20 км) горизонты земной коры.
Выделяют три главные области Земли (рис.6):
Рис. 6. Строение Земли: ядро, мантия и земная кора
1. Земная кора (рис. 7, слой А) - верхняя оболочка Земли, мощность которой изменяется от 6 км под глубокими частями океанов до 35-40 км под равнинными платформенными территориями континентов, до 50-75 км под горными сооружениями (наибольшие под Гималаями и Андами). Основной состав коры - это окислы кремния, алюминия, железа и щелочных металлов. От мантии земную кору отделяет граница Мохоровичича (ее часто называют границей Мохо), характеризующаяся резким нарастанием скоростей сейсмических волн. Земная кора вместе с верхней мантией образуют оболочку - литосферу. Она является единственным твердым ("каменным") слоем, который будто плавает в пластической астеносфере. Толщина литосферы разная: под океанами - около 50 км, на материках - до 200 км. Ниже литосферы располагаетсяастеносфера — менее твердая и менее вязкая, но более пластичная оболочка с температурой 1200 °С. Она может пересекать границу Мохо, внедряясь в земную кору. Астеносфера — это источник вулканизма. В ней находятся очаги расплавленной магмы, которая внедряется в земную кору или изливается на земную поверхность (рис.8) [7].
2. Мантия Земли, окружающая ядро и составляющая 83 % от объема нашей планеты. Распространяется до глубин 2900 км. В ее пределах по сейсмическим данным выделяются: верхняя мантия - слой В (рис.7) глубиной до 400 км и слой С - до 800-1000 км (некоторые исследователи слой С называют средней мантией); нижняя мантия - слой D до глубины 2900 км. Считается, что вещество мантии находится в непрерывном движении, и высказывается предположение, что в относительно глубоких слоях мантии с ростом температуры и давления происходит переход вещества в более плотные модификации. Такой переход подтверждается и экспериментальными исследованиями. Мантия разделяется на менее плотную и пластичную верхнюю часть (800-900 км), из которой образуетсямагма (это расплавленное вещество земных недр — смесь химических соединений и элементов, в том числе газов, в особом полужидком состоянии); и кристаллическую нижнюю, толщиной около 2000 км [5].
3. Ядро, расположено в центре Земли, его радиус составляет около 3,5 тыс. км. Температура ядра достигает 10 000 К, т. е. она выше, чем температура внешних слоев Солнца, а его плотность составляет 13 г/см3. Подразделяется на:
1) внешнее ядро - слой Е (рис.7) в пределах глубин 2900-4980 км;
2) переходную оболочку - слой F - от 4980 до 5120 км;
3) внутреннее ядро - слой G до 6971 км [6].
Внешнее ядро Земли имеет большую мощность, чем внутреннее и находится в жидком (расплавленном) состоянии. Именно с ним связывают происхождение земного магнитного поля, считая, что, электрические токи, текущие в жидком ядре, создают глобальное магнитное поле [5].
Внутреннее ядро подвержено колоссальному давлению. Оно не связано с мантией. Вещества, слагающие его, находятся в твердом состоянии [8].
Рис. 7. Оболочки Земли
Рис. 8. Строение земной коры
3.2. Химический состав Земли и земной коры
О среднем составе Земли судят по веществу, из которого состоят метеориты, так как считается, что именно из этого материала в свое время произошли планеты Солнечной системы, в том числе Земля. Выделяют три группы метеоритов: 1) каменные (аэролиты, 97,7%), состоящие главным образом из богатых железом и магнием силикатных минералов и включений железа; 2) железокаменные (сидеролиты, 1,3%), состоящие из железа и силикатных минералов; 3) железные (5,6%), состоящие из никелистого железа. Их химический анализ позволяет предположить, что в составе Земли преобладает железо (30-35%), кислород (28-31%), кремний (14-15%) и магний (13-17%). Все остальные элементы присутствуют в количестве, меньшем 1% (рис. 9) [6].
Рис. 9. Химический состав Земли
Средний химический состав земной коры значительно отличается от среднего химического состава Земли. Имеются наиболее достоверные сведения об этом составе, так как земная кора доступна для непосредственного наблюдения и анализа. В составе земной коры наиболее распространены следующие восемь химических элементов, составляющих в сумме свыше 98% по весу: кислород (46,5%), кремний (25,7%), железо (6,2%), кальций (5,8%), магний (3,2%), натрий (1,8%), калий (1,3%). Еще пять элементов содержатся в земной коре в количестве десятых долей процента: титан (0,52%), углерод (0,46%), водород (0,16%), марганец (0,12%), сера (0,11%) [8].
Глава 4. Методы исследования состава и строения планет и Солнца
1) Определение масс и диаметров планет:
При изучении планет с физической точки зрения прежде всего необходимо знать их размеры и массу. Зная то и другое, можно легко высчитать плотность планеты.
Определение масс планет, имеющих спутники, производится на основании III закона Кеплера (рис. 10), где M - масса Солнца, m1 и m2 – массы планеты и спутника, Т1 и Т2 – периоды обращения планеты вокруг Солнца и спутника вокруг планеты, а1 и а2 – большие полуоси их орбит.
Рис. 10. Третий закон Кеплера
Помимо этого, зная массу Земли, можно найти массу Солнца и тех планет, у которых есть спутники.
Линейный диаметр планеты легко определить, зная ее угловой диаметр. Измерение угловых диаметров производится с помощью микрометра, помещаемого в фокусе телескопа;
2) Наблюдение поверхностей планет с помощью телескопа;
3) Фотографирование;
4) Спектральный анализ: дает возможность изучать температуру, состав, строение и даже движение небесных объектов [9];
Что касается методов исследования состава и строения Земли, то в числе главных можно назвать следующие:
1. Методы полевой геологической съемки - изучение геологических обнажений, слоев горных пород в шахтах, изверженных вулканических продуктов, непосредственное полевое изучение протекающих на поверхности геологических процессов.
2. Геофизические методы - используются для изучения глубинного строения Земли и литосферы. Сейсмические методы позволили выделить внутренние оболочки Земли. Гравиметрические методы позволяют обнаружить положительные и отрицательные гравитационные аномалии и предполагать наличие определенных видов полезных ископаемых.
3. Астрономические и космические методы основаны на изучении метеоритов, приливно-отливных движений литосферы, а также на исследовании других планет и Земли (из космоса). Позволяют глубже понять суть происходящих на Земле и в космосе процессов.
4. Методы моделирования позволяют в лабораторных условиях воспроизводить (и изучать) геологические процессы.
5. Минералогические и петрографические методы изучают минералы и горные породы (поиск полезных ископаемых, восстановление истории развития Земли) [10].
Заключение
Изучение Земли актуально в наше время. Важно изучать все поверхности планеты: как внешние, так и внутренние. Возможно, сейчас это недоступно человечеству, но с развитием науки и изобретением новых технологий, задача изучить всю планету «вдоль и поперек» в скором будущем будет решена. Новейшие данные геофизики и экспериментов, связанных с исследованием структурных превращений минералов, уже сейчас позволяют смоделировать многие особенности строения, состава и процессов, происходящих в глубинах Земли, знание которых способствует решению таких ключевых проблем современного естествознания, как формирование и эволюция планеты, динамика земной коры и мантии, источники минеральных ресурсов, оценка риска захоронения опасных отходов на больших глубинах, энергетические ресурсы Земли и др.
В ходе работы были рассмотрены основные вопросы, касающиеся строения и состава планеты Земля. Были изучены гипотезы происхождения как планеты Земля, так и Солнечной системы в целом. Подробно рассмотрены основные характеристики: форма, внутренний и химический состав. Были изучены основные методы исследований планет.
Литература
1. Гипотезы происхождения Земли и их обоснование – Геологическая эволюция Земли [Электронный ресурс]: офиц. сайт. –М., 2016 – Режим доступа: http://www.bioinside.ru/conibs-62-1.html, свободный. – Загл. с экрана (дата обращения: 24.09.2016).
2. Мильничук, В.С. Гипотезы о происхождении Земли / В. С. Мильничук, М. С. Арабаджи // Общая геология / М. : Недра, 1989. – С. 238-241.
3. Горшков, Г. П. О происхождении Земли / Г. П. Горшков, А.Ф. Якушова // Общая геология / Изд-во Моск. ун-т. – М., 1973. – С. 11-29.
4. Общие сведения о строении, составе и возрасте Земли земной коры/ Гипотезы происхождения Солнечной системы [Электронный ресурс]: офиц. сайт. – Режим доступа: http://3ys.ru/obshchie-svedeniya-o-stroenii-sostave-i-vozraste-zemli-i-zemnoj-kory/gipotezy-proiskhozhdeniya-solnechnoj-sistemy-i-ee-planety-zemlya.html, свободный. – Загл. с экрана (дата обращения: 24.09.2016).
5. Внутреннее строение Земли [Электронный ресурс]: офиц. сайт. - СПб., 2005-2016. – Режим доступа: http://galspace.spb.ru/index14.html, свободный. – Загл. с экрана (дата обращения: 20.09.2016).
6. Якушова, А. Ф. Строение и состав Земли / А.Ф. Якушова, В.Е. Хаин, В.И. Славин // Общая геология / Изд-во Моск. ун-т. – М., 1998. – С. 36-39.
7. Строение земной коры. Внутреннее строение Земли [Электронный ресурс]: офиц. сайт. –М. – Режим доступа: http://www.grandars.ru/shkola/geografiya/stroenie-zemli.html, свободный. – Загл. с экрана (дата обращения: 23.09.2016).\
8. Магницкий В. А. Внутреннее строение и физика Земли. – М., 1965. – 378 с.
9. Бронштэн, В. А. Методы исследования планет / В. А. Бронштэн // Планеты и их наблюдение / М. : Паук, 1979. – С. 30-36.
10. Попов Юрий Витальевич: Образовательный геологический сайт Юрия Попова – [Ростов – на - Дону]: офиц. сайт. – Режим доступа: http://popovgeo.sfedu.ru/lecture_2, свободный. – Загл. с экрана (дата обращения: 24.09.2016).