Земля

Планета

Введение

Земля - третья по порядку от Солнца большая планета Солнечной системы.

Земля движется вокруг Солнца по эллиптической орбите, большая полуось которой (так называемое расстояние от Земли до Солнца) составляет примерно 150 млн. км. Земля в перигелии приближается к Солнцу до 147 млн. км. (в начале января), а в афелии удаляется до 152 млн. км. (в начале июля). Период обращения вокруг Солнца - (звездный или сидерический период обращения) 365 суток 6 часов 9 минут 10 секунд. Средняя скорость движения Земли по орбите 29,76 км/с.

По форме Земля близка к эллипсоиду вращения. Площадь поверхности Земли составляет 510000000 км² , объем - 1,1х10¹² км³. Масса Земли равна 6х10²⁴ кг, а средняя плотность 5,52 г/см .

Земля вращается вокруг своей оси, результатом чего является смена дня и ночи. Ось вращения Земли при ее движении вокруг Солнца перемещается в пространстве почти точно параллельно самой себе. Так как эта ось не перпендикулярна к плоскости орбиты Земли, составляя с ней угол 66⁰33^’, то к Солнцу Земля обращается то Северным, то Южным полушарием, этим объясняется смена времен года.

Ось вращения Земли не занимает в теле Земли неизменного направления: Земля совершает относительно нее незначительные колебания. Вследствие этого полюсы Земли все время меняют свое положение, перемещаясь по земной поверхности против часовой стрелки вокруг своего среднего положения и, описывая сложную спиралеобразную кривую, которая то закручивается, то раскручивается, не выходя из квадрата со сторонами равными 26 м.

Земля имеет одного спутника - Луну. Притяжение, действующее на Землю со стороны Луны и Солнца, порождает приливы и отливы в водной оболочке, а также в атмосфере и в твердом теле Земли. Поскольку угловая скорость обращения Луны вокруг Земли меньше угловой скорости вращения Земли, морские приливы, увлекаемые Луной, смещаются навстречу вращению Земли, тормозя его. Скорость вращения Земли медленно уменьшается.

Главным источником энергии, поддерживающим всю жизнь не Земле, является энергия, излучаемая Солнцем. Установлено, что количество солнечной энергии, получаемой Землей, по крайней мере, за последние полмиллиарда лет, не претерпело серьезного изменения.

Происхождение Земли

Вопрос о происхождении Земли не может быть решен изолированно от более общей проблемы о происхождении и развитии всей Солнечной системы в целом.

Первая научная гипотеза, заключающаяся в том, что все планеты Солнечной системы образовались из облака пылевой материи.

Она была выдвинута немецким философом И. Кантом в 1755 г. В 1796 г французский математик П. Лаплас опубликовал гипотезу, согласно которой Солнечная система образовалась из первоначально медленно вращавшейся вокруг своей оси газовой туманности, имевшей весьма значительное центральное сгущение зародыш Солнца. Со временем громадная туманность постепенно охлаждалась и при этом сжималась. Вращение ее убыстрялось, в результате чего от нее последовательно стали отделяться газовые кольца. В силу неизбежной неоднородности каждого кольца какой-либо его более плотный участок притягивал к себе остальное вещество кольца, и таким образом образовывалось второстепенное сгущение - будущая планета. В 1917 г английский астроном Дж. Джинс высказал новую гипотезу, согласно которой планеты образовались из громадного сигарообразного сгустка материи, вырванного из Солнца вследствие притяжения близко проходившей звезды. Однако обе эти гипотезы оказались не в состоянии объяснить многие важные особенности Солнечной системы.

Представляет интерес гипотеза советского ученого О. Ю. Шмидта. По этой гипотезе. Солнце, двигаясь в Галактике, прошло через пылевое метеорное облако и при некоторых условиях захватило его своим притяжением. Пылинки, в результате взаимных столкновений и “слипания” стали конденсироваться в сгустки вещества. Из этих сгустков, увеличивавшихся за счет падения на них новых пылинок, образовались планеты, в том числе и Земля.

Согласно гипотезе советского астронома В. Г. Фесенкова, Солнце, на первых стадиях своего существования являясь массивной, быстро вращающейся звездой, окруженной газопылевой средой. Из этого окружающего Солнце вещества и образовались планеты.

Проблема образования тел Солнечной системы, в частности Земли, полностью еще не разрешена.

Много сведений о внутреннем строении Земли можно получить, изучая волны, возникающие при землятресениях и проходящие сквозь Землю.

Мы знаем, что Земля разделена на три главные части: тонкую внешнюю кору толщиной около тридцати, или несколько более, километров; промежуточный покров - мантию, состоящую из базальтовых пород и имеющую толщину в половину радиуса Земли, и, наконец, центральное ядро.

Существуют некоторые предположения о земном ядре. Мы можем рассчитать его вес, так как из гравитационного влияния на другие планетные тела известен вес всей Земли.

Волны, образующиеся при землятресениях, свидетельствуют о том, что ядро жидкое, хотя внутри него может быть еще твердое, внутреннее ядро.

Эти известные факты, по-видимому, согласуются с предположением о том, что ядро имеет примерно такой же состав, как и металлические (железные) метеориты, т.е. оно состоит из железа и никеля.

Мантия, по-видимому, образована из кремния, кислорода и небольшого количества железа, т.е. она подобна каменным метеоритам, залетающим на Землю из космического пространства.

Наиболее важно для нас твердая внешняя кора, или литосфера, а также океаны и атмосфера, окружающие ее. Сам человек живет на этой внешней кромке Земли, привязанный к ее поверхности. Хотя человек смог взобраться на гору Эверест, ему удалось спуститься всего лишь на несколько километров в глубь океана.

Это и есть зона деятельности человека, в сущности, тонкая пленка, включающая слой воздуха и поверхность суши и океана. Иногда ее называют биосферой Земли.

Здесь создалось уникальное сочетание элементов земной коры, которое привело к возникновению жизни и теперь поддерживает ее.

Магнитное поле Земли

Если магнитную стрелку укрепить на острие так, чтобы она могла свободно вращаться, то в каждой точке вблизи, земной, поверхности, под, действием, магнитного, поля, Земли, она всегда установится приблизительно в одном направлении (с севера на юг). С давних пор известен компас, использующий это свойство и имеющий большое значение в морской и воздушной навигации. Точное знание магнитного поля Земли чрезвычайно важно для науки и практики. Первая магнитная карта была опубликована в 1701 г. Э.Галлеем. В настоящее время карты магнитного поля составляются при помощи магнитометров, установленных на искусственных спутниках Земли.

Учебным и наглядным способом графического изображения магнитного поля служит построение его силовых линий, касательные к которым в каждой точке указывают направление поля.

Густота этих линий, т.е. число линий, проходящих через единицу поверхности, будет характеризовать величину напряженности магнитного поля. Магнитное поле Земли таково, как если бы земной шар представлял собой магнит с осью, направленной приблизительно с севера на юг, проходящей через центр Земли и наклоненной на 11° к оси вращения Земли.

В современную эпоху северный полюс магнитного поля Земли расположен в Южном полушарии.

Происхождение собственного магнитного поля Земли обычно приписывается действию механизма, связанного с электрическими токами в жидком ядре планеты.

Долгое время предполагалось, что спокойное магнитное поле Земли простирается неограниченно далеко в вакууме межпланетного пространства. Проведенные на космических аппаратах измерения показали, что это не так. Оказывается, что собственное магнитное поле Земли представляет собой препятствие на пути сверхзвукового ионизированного газа, непрерывно испускаемого Солнцем, - Солнечного ветра. Вследствие этого поле сосредоточено в области конечных размеров. С освещенной Солнцем стороны Земли область ограничена примерно сферической поверхностью с радиусом примерно 10-15 радиусов Земли, а с противоположной стороны она вытянута подобно кометному хвосту на расстояние вплоть до нескольких тысяч радиусов Земли, образуя геомагнитный хвост. Эту область пространства, заполненную магнитными силовыми линиями, соединенными с Землей называют магнитосферой Земли. Магнитосфера отделена от межпланетного поля переходной областью. В определенных зонах магнитосферы - радиационных поясах - имеется поток заряженных частиц, захваченных магнитным полем Земли. В магнитосфере существуетсложная система электрических токов. Изменения этих и ионосферных токов вызывают как медленные непрерывные изменения, так и сравнительно быстрые изменения, называемые магнитными бурями.

Магнитные бури

Если в течение некоторого времени внимательно смотреть на чувствительную магнитную стрелку компаса, легко обнаружить, что она не остается неподвижной, а непрерывно отклоняется в ту или иную сторону. Наибольшего отклонения стрелки к востоку достигает около 8 часов утра, а к западу - днем, затем стрелка возвращается в начальное положение. Такие колебания стрелки, обычно с небольшим отклонением в 15'-20' , совершаются изо дня в день. Их обычно называют суточными вариациями магнитного поля Земли.

Суточные вариации обусловлены действием излучения Солнца. Часть солнечного излучения называется ультрафиолетовым излучением. Проникая в верхние слои атмосферы, ультрафиолетовое излучение ионизирует ее. В результате на высоте 100 км и выше от Земли образуется электропроводящий слой - ионосфера. Под влиянием Солнца и Луны в ней возникают приливные движения, аналогичные тем, какие возникают в морях и океанах. Так как в проводниках движущихся в магнитном поле, возникают электрические токи, то под действием геомагнитного поля (т.е. магнитного поля Земли) они возбуждаются в ионосфере. В свою очередь электрические токи сами сопровождаются порожденными собой магнитным полем. Именно это поле и заставляет магнитную стрелку на Земле испытывать непрерывные колебания.

Суточные вариации магнитного поля Земли зависят от географической широты и от времени года. Суточные вариации зимой, в среднем, в 4 раза меньше по значению, чем летом.

Не всегда магнитная стрелка ведет себя спокойно, совершая плавные небольшие колебания. В некоторые дни она начинает “волноваться”: резко и внезапно вздрогнет, на некоторое время замрет, а затем начинает метаться из стороны в сторону. В такие дни колебание стрелки могут достигать нескольких градусов. И так на несколько часов, а то и суток! Магнитологи такие дни называют возмущенными или бурными. Магнитные бури причиняют серьезный вред: они оказывают сильное влияние на радиосвязь, на линии электросвязи. Во время особенно сильных магнитных бурь (одна из сильнейших отмечена 11 февраля 1958 г) во многих местах Земли отмечали полное прекращение радиосвязи.

Происхождение магнитных бурь объясняется следующим образом. Поверхность Солнца иногда покрывается темными пятнами. Сейчас известно, что пятна появляются во время магнитных вспышек (взрывов) на Солнце, при которых оно испускает мощные потоки протонов и электронов. Их скорость достигает 1000-2000 км/с. Частицы выброшенные Солнцем, достигают Земли через одни или двое суток. Под действием земного магнитного поля поток заряженных частиц “сортируются”: протоны отклоняются в одну сторону, а электроны в другую. Вокруг Земли образуется гигантский круговой электрический ток радиусом 20-25 тысяч километров. Магнитное поле этого тока, в основном, и создает магнитную бурю, охватывающую одновременно весь земной шар. Космические частицы усиливают ионизацию атмосферы. В ней возникают сильные, сравнительно кратковременные электрические токи, которые обнаруживаются на Земле в виде магнитных возмущений. Вследствие изменения магнитного поля токов в атмосфере, в недрах земного шара индуцируются токи. Их магнитное поле так же накладывается на магнитное поле бури.

Количество сильных мировых магнитных бурь в течение года не велико: оно колеблется от нескольких бурь до 30-40 бурь в год, когда на Солнце происходят сильные взрывы. Умеренные магнитные бури бывают часто. У магнитных полюсов, где магнитное поле Земли особенно сильное, спокойные магнитные дни наблюдаются редко.

Кроме магнитного поля вокруг Земли существуют и другие поля: а) гравитационное поле, б) электрическое поле, в) тепловое поле.

Атмосфера Земли

Воздушная оболочка земли - это как бы ее одежда. Наша планета окружена обширной атмосферой. Основными газами, входящими в состав нижних слоев атмосферы Земли, являются - азот (примерно 78%), кислород (прим. 21%), и аргон (прим.1%). Других газов в атмосфере очень мало, например, углекислого газа около 0,03%. Атмосферное давление на уровне поверхности океана составляет при нормальных условиях 0,1МПа. Полагают, что Земная атмосфера сильно изменилась в процессе эволюции: сильно обогатилась кислородом и приобрела современный состав в результате длительного химического взаимодействия с горными породами и при участии биосферы, т.е. растительных и живых организмов.

Около 400 миллионов лет назад содержание свободного кислорода в земной атмосфере стало быстро увеличиваться благодаря широкому распространению зарослей крупных зеленых растений, характерных для той эпохи.

Днем атмосфера защищает нас от обжигающих лучей Солнца, а ночью сохраняет тепло, накопленное за день. Воздух спасает нас от смертельных космических излучений. Если бы не было воздушной оболочки, Земля была бы мертва и нема. Ведь живые существа не могут существовать без воздуха, а звук рождается в атмосфере.

Теперь мы знаем, что, чем ближе воздух к поверхности планеты, тем он плотнее. Вес одного м³ воздуха у земной поверхности составляет в среднем 1,293 кг. На высоте 10 км он снижается уже до 400 г. А на высоте 40 км кубометр атмосферы весит только 4 г. Каждый квадратный километр поверхности нашей планеты испытывает давление воздуха, превышающее 10000000 тонн! Отсюда легко определить и общий вес “воздушной шубы” земного шара. Он составляет 5300000000 млн. тонн!! Нелегкий груз лежит на “плечах” Земли.

Состав атмосферы.

Ее главные составные части - азот и кислород. Кроме того, в воздухе содержится углекислый газ, аргон, гелий, водород, озон, водяные пары.

Изучая атмосферу, исследователи делят ее на несколько “этажей”. Самая нижняя ее часть - тропосфера. Она простирается до 9-17 км. В тропосфере находится 4/5 всей массы воздуха. Тропосфера - “фабрика” погоды. Именно тут образуются облака, дождь, снег, гроза, ветер. Второй “этаж” атмосферы носит название стратосферы. Она простирается до высоты 50-55 км над земной поверхностью. Здесь стоит неизменно ясная погода, но часто дуют сильные ветры.

Между тропосферой и стратосферой происходит постоянный обмен воздушными массами. Значит, к погоде причастна и стратосфера; ее можно назвать “кладовой погоды”.

Следующий “этаж” - ионосфера. Здесь царство ионов - заряженных электрических частиц вещества, возникающих под действием мощных возмущений Солнца. Воздушные слои ионосферы обладают большой электропроводимостью. Они отражают короткие радиоволны, что и позволяет осуществлять дальнюю радиосвязь. В ионосфере так же нет покоя. Исследования показали, что на высоте 250 км дуют ураганные ветры.

Четвертый “этаж” атмосферы располагается на высоте 800-1000 км над Землей. Его называют зоной рассеивания или экзосферой. Приборы, установленные на искусственном спутнике Земли, отметили, что на высоте 800 км в каждом см³ пространства имеется свыше 160000 атомов кислорода и азота, а следы атмосферы есть даже на высоте более 10000 км.

Последние исследования показали, что внешняя форма воздушной оболочки нашей планеты не шарообразная, а вытянутая с ночной стороны наподобие хвоста кометы. Длина хвоста достигает 100000 км. Ученые считают, что он образовался в результате давления солнечных лучей - солнечного ветра, как его называют.

Некоторые исследователи выделяют в ней мезосферу и термосферу, лежащие за стратосферой. По этому деление мезосферы начинается от 50-55 км, мощность ее по вертикале - около 30 км. Температура в ней понижается с высотой, доходя до -90°С. Выше лежит термосфера (от 75-80 до 600-800 км над поверхностью Земли), где температура воздуха, наоборот, с высотой растет. В верхней части этого “этажа” она достигает 1500°.

До высоты 100-120 км газовый состав нашей атмосферы не меняется. Выше - до 200-250 км - преобладает азот, затем до 500-700 км - атомарный кислород, еще выше вперед выходит гелий. Он господствует до высоты 1600 км. А у поверхности “воздушного океана” преобладающим становится самый легкий элемент - водород.