Планета Земля

Размещено на http://www.allbest.ru

ЗЕМЛЯ, третья от Солнца большая планета Солнечной системы. Земля принадлежит к группе земных планет, которая включает также Меркурий, Венеру и Марс. Земля часто сравнивается именно с этой группой, а также с Луной, поскольку их происхождение, структура и эволюция одинаковы. Благодаря своим уникальным, быть может, единственным во Вселенной природным условиям (хотя это сомнительно), стала местом, где возникла и получила развитие органическая жизнь.

По современным космогоническим представлениям Земля образовалась примерно 4,566 миллиарда лет (плюс-минус несколько миллионов) назад из газопылевого облака в котором зародилось Солнце. Проанализировав соотношение изотопов гафния и вольфрама в обломках метеоритов, образовавшихся из космической пыли, из марсианских метеоритов и земных камней, ученые пришли к новым оценкам (по старому примерно 60 млн.лет), согласующимся с компьютерными моделями. "Образование ядра, а следовательно, и планет, похожих на Землю, закончилось в первые 30 миллионов лет после рождения Солнечной системы", - заключил 30.08.2002г Торстен Клайн из Мюнхена (Германия).

Примерно 3,8 млрд. лет назад возникли условия, благоприятные для возникновения жизни. По мнению американских исследователей, самое раннее из известных науке падений крупных метеоритов на Землю произошло 3 миллиарда 470 миллионов лет назад (с погрешностью не более плюс-минус 2-х миллионов лет по возрасту циркона - одного из самых стойких в природе минералов). Согласно подсчётам космический пришелец имел диаметр около 20-ти километров и вызвал на молодой планете катастрофические разрушения, включая, судя по всему, даже те трещины в земной коре, которые поныне делят её на тектонические плиты. Считается, что Земля в тот период была почти полностью покрыта водой, а единственной формой жизни на ней были бактерии. На их дальнейшую эволюцию эта космическая катастрофа повлияла мало.

Для более позже развитой жизни частичное исчезновение (около 380 (погибло 40% всех обитателей океана), 251, 214 - Канаде: удар пришелся на территорию современного Квебека, где до сих пор сохранился кратер диаметром в 100 километров и 65 миллионов лет назад- точнее последние исследования дают возраст кратера Чиксулуб (Chicxulub) в Мексике диаметром 180 км в 65,5 плюс-минус 0,6 млн. лет) объясняется тем, что на Землю упал метеорит (их диаметры были порядка 6-12 км) и последствия имели глобальный характер для Земли. В результате второго катаклизма 90 % обитателей моря и 70 % животных были буквально стерты с лица нашей планеты, а последний уничтожил 75% всего живого и положил конец эпохе динозавров (правда может был двойной удар по Земле, так как возраст метеоритного кратера Болтыш на Украине, чей диаметр 24 км датирован приблизительно в 65,2 плюс-минус 0,6 млн. лет).

Правда есть мысль, что возможно появление жизни на Земле после космической катастрофы (падения астероида, кометы), происшедшей 200 миллионов лет назад в жизни Земли. Многие ученые полагают, что Земле за всю ее историю пришлось пережить несколько столкновений с астероидами и после каждого катаклизма на нашей планете начинала развиваться жизнь, а затем опять происходила почти полная "стерилизация" нашей планеты. Особенно в ранний период ее развития, приходилось сталкиваться с весьма крупными небесными телами. Однако другие "каменные гости" - примерно в несколько километров в диаметре - способствовали нагреву земной атмосферы до 100 градусов Цельсия. При этом большая часть океанов после столкновения с астероидом испарялась, а оставшаяся вода была почти кипятком. Единственными организмами, имевшими шансы выжить после катастрофы, были бы так называемые высокотемпературные - то есть, "термостойкие" бактерии. Они, вероятно, зарывались в землю, а после того, как планета немного остывала, начинали активно размножаться. Впоследствии такие микробы мутировали и давали начало новым формам жизни. земля солнечный планета затмение

Группа ученых под руководством Ганса Кепплер из германского университета города Тюбинген считает, что выброс углерода в атмосферу в форме диоксида углерода приводит к проявлению в гигантских масштабах тепличного эффекта, который является причиной неконтролируемого потепления на планете. Если углеродистые соединения поднимутся в земной мантии на глубину 40-60 км, произойдет процесс разложения, что приведет к выходу диоксида углерода, который через трещины в земной поверхности проникнет в атмосферу. Подобные явления, сопровождавшиеся резким изменением концентрации двуокиси углерода в атмосфере, уже имели место в различные эпохи развития планеты. Так, в конце пермского периода, 245 млн лет назад, 96% обитателей океанов и три четверти живых существ на суше погибли. В более поздний период, приблизительно 208 млн лет назад, в конце триасового периода, снова неожиданно погибла половина живых существ на планете.

Ряд ученых считают, что вспышка близкой к Земле сверхновой могла привести к уничтожению жизни. Исследование слоев с возрастом в 3 млн. лет, а второго - в 4-6 млн. лет, к которым относятся два до сих пор необъясненных случая массового исчезновения морских форм жизни, которые, как известно, появились на земле раньше сухопутных, показало, что природное железа-60 (радиоактивного изотопа железа) образовалось под влиянием космических лучей необычно высокой интенсивности, что наводит на мысль о вспышке сверхновых в одной из относительно молодых и близких к Солнцу звездных подгрупп. В результате мог быть значительно поврежден озоновый слой, из-за чего нашей планеты оказалась незащищенной от жесткого ультрафиолетового излучения Солнца. Например, по расчетам специалистов, вспышка сверхновой на расстоянии 130 световых лет от Земли могла привести к уменьшению толщины озонового слоя на 60% (Но последние оценки Нила Герельса из Goddard Space Flight Center показывают, что в этом случае сверхновая должна была взорваться на расстоянии не более 25 св.лет). В результате под действием УФ-лучей погибла большая часть морского планктона, вслед за которым из-за нарушения пищевой цепи исчезли и другие морские организмы.

Нельзя исключать возможности возникновения жизни на Земле привнесенной из космоса с помощью метеоритов (в них обнаружены не только органические вещества, но и сахар), как впрочем и воды на Земле по мнению Луиса Фрэнка (Louis Frank) из Университета штата Айова, который утверждает, что им найдено новое доказательство в поддержку его теории появления на Земле воды занесенной небольшими кометами, в изобилии миллиарды лет назад падавшими на Землю.

В истории Земли было несколько периодов глобального потепления, самый древний из которых имел место 135 миллионов лет назад. Осадочные породы свидетельства бывших в истории Земли ранее неизвестных периодов глобального потепления. Одно из потеплений, скорее всего вызванных выбросами метана, произошло примерно 55 миллионов лет назад. Оно продолжалось около 200 тысяч лет и привело к гибели от 30% до 50% всех форм глубинно-океанической жизни, но при этом стимулировало появление новых видов, обитающих у поверхности.

20 - 22,5 миллиона лет Земля изменила свою орбиту и это вызвало глобальное изменение климата на нашей планете. После достаточно продолжительного периода потепления и таяния снегов, пришло временное похолодание. Такого мнения придерживаются специалисты Калифорнийского университета во главе с Джеймсом Зачосом (James Zachos). Гипотеза о связи между климатом Земли и изменением параметров ее орбиты не нова [выдвинута в 20-х годах прошлого века астрофизиком Милатином Миланковичем (Milutin Milankovitch)]. Но американским специалистам удалось получить ряд неожиданных результатов. Так оказалось, что около 23 миллионов лет назад произошло совпадение минимального значения эксцентриситета земной орбиты и периода минимального изменения наклонения оси вращения Земли. Продолжительность периода составила около 200 тысяч лет. Именно в эти годы земное лето мало чем отличалось от земной зимы, а разница в летних и зимних температурах на полюсах составляла всего несколько градусов. Антарктические льды за лето не успевали таять и произошло заметное увеличение их площади.

Астрономы из Университета Джонса-Хопкинса собрав воедино сведения из астрономии, геологии и палеонтологии, высказали гипотезу, что около 2 млн лет назад озоновый слой Земли, который задерживает ультрафиолетовое излучение Солнца, буквально сдуло, унеся в космос. Это привело к экологической катастрофе в земных океанах. Свидетельства былой ликвидации озона были найдены при бурении океанского дна. Тогда был найден очень необычный изотоп железа, который, возможно, является остатком того вещества, которое было заброшено на Землю в результате взрыва сверхновой. Ну а палеонтологи обнаружили, что приблизительно 2 миллиона лет назад произошло массовое и никак на первый взгляд не объяснимое вымирание фитопланктона и других морских организмов. Взрыв сверхновой мог произойти в результате:

1) Близко от солнечной системы (на расстоянии 130 световых лет) около 2 млн.лет назад пролетело звездное скопление Scorpius-Centaurus OB, содержащее тысячи крупных короткоживущих звезд. В этом звездном скоплении взрывы сверхновых происходили довольно часто.

2) Второй кандидат в убийцы земного озона - это звезда Антарес, которая находится на расстоянии 160 световых лет, но она была существенно дальше кластера Scorpius-Centaurus OB.

Homo sapiens («Человек разумный») как вид появился примерно около 2 млн.лет назад, а формирование современного типа человека произошло около 100 тыс. лет назад.

Земля - единственная из главных планет, которая является геологически активной. Крупномасштабные детали ее поверхности возникли в процессе создания, относительного движения, взаимодействия и разрушения небольшого числа (порядка десяти) корковых плит, составляющих литосферу планеты, которые скользят по лежащей ниже менее жесткой астеносфере. Столкновения плит приводят к появлению гор, а по границам плит лежат зоны сейсмической активности.

У Земли имеется единственный спутник - Луна. Ее орбита близка к окружности с радиусом около 384400 км. Но кроме того имеется еще один "компаньон" - это астероид 3753 (1986 ТО) со сложной орбитальной связью с Землей.

Форма, размеры и движение Земли

По форме Земля близка к эллипсоиду, сплюснутому у полюсов и растянутому в экваториальной зоне. Средний радиус Земли 6371,032 км.

Земля движется вокруг Солнца со средней скоростью 29,765 км/с по эллиптической, близкой к круговой орбите на среднем расстояние от Солнца 149,6 млн.км. Период одного обращения по орбите 365, 24 солнечных суток.

Неравномерность движения Солнца по эклиптике:

Апогей 1-5 января, перемещение среди звезд 61'/сутки.

Перигей начало июля, перемещение 57'/сутки.

Вращение Земли вокруг собственной оси происходит со средней угловой скоростью 7,292115·10^-5рад/с, что примерно соответствует периоду в 23 ч 56 мин 4,1 с. Ось вращения наклонена к плоскости эклиптики под углом 66° 33' 39'' (около 23°26' наклон между экваториальной плоскостью и эклиптикой принят с 1 января 1983г, когда наклон уменьшился до 23° 26' 29". Влияние прецессии и нутации приводит к его изменению в пределах от 21°55' до 24°18'). Этот наклон и годовое обращение Земли вокруг Солнца обуславливают исключительно важную для климата Земли смену времен года, а собственное ее вращение - смену дня и ночи. Вращение Земли из-за приливных воздействий неуклонно (хотя и очень медленно - на 0,0015 с за столетие) замедляется. Имеются и небольшие нерегулярные вариации продолжительности суток.

Положение географических полюсов меняется с периодом 434 суток с амплитудой 0,36''. Кроме того, имеются и небольшие сезонные их перемещения.

Поверхность Земли

Площадь поверхности Земли 510,2 млн. км², из которых примерно 70,8% приходится на Мировой океан. Его средняя глубина около 3,8 км, максимальная (Марианская впадина в Тихом океане) равна 11,022 км; объем воды 1370 млн. км³, средняя соленость 35 г/л. Суша составляет соответственно 29,2% и образует шесть материков и острова. Она поднимается над уровнем моря в среднем на 875 м; наибольшая высота (вершина Джомолунгма в Гималаях) 8848 м.

Самая низкая точка планеты становится еще ниже. За период с 1930 по 1999 годы Мертвое моря опустилось с отметки 390 метров до 414 метров ниже уровня океана. Данные, полученные с помощью радара на спутниках, наблюдавших за регионом с 1992-го по 1999 год показали, что в среднем суша уходит вниз примерно на 2 сантиметра в год, хотя в некоторых районах эта цифра составляет 6 сантиметров. Формулируя кратко существо происходящих изменений, геологи и океанографы говорят, что вода уходит из Мертвого моря, из-за чего пористые скальные породы высыхают и проседают под весом верхних слоев.

Горы занимают свыше 1/3 поверхности суши. Пустыни покрывают около 20% поверхности суши, саванны и редколесья - около 20%, леса - около 30%, ледники - свыше 10%. Свыше 10% суши занято под сельскохозяйственными угодьями. Значительная часть северных территорий представляет собой вечную мерзлоту. За минувшие 20 лет с начала подробных космических исследований с 1981г Северное полушарие нашей планеты стало гораздо зеленее. Одной из возможных причин такого феномена специалисты называют глобальное потепление климата. Если бы лед и снег на Земле растаяли, то уровень Мирового океана поднялся более чем на 50м, что привело бы к затоплению гигантских территорий.

Результаты нового анализа данных, полученных спутниками НАСА к концу 2002г, свидетельствуют о том, что площадь вечных льдов в Арктике уменьшается со скоростью, намного превосходящей ее ранние оценки. В период с 1978 по 2000 гг. площадь ледяного покрова в Северном Ледовитом океане уменьшилась на 1,2 млн. км2, что примерно равно площади Британии. Скорость его таяния составляет около 9% в десятилетие. Измерения, проводившиеся в предыдущие годы, давали скорость таяния, составлявшую примерно 3% в десятилетие. В 2002 году ледяная шапка была наименьшей за всю историю наблюдений. Сокращение поверхности ледяного покрова Северного Ледовитого океана отмечается на фоне тенденции к повышению средней летней температуры воздуха в приполярных регионах в среднем на 1,2 градуса за десятилетний период. Наибольшая скорость таяния отмечалась в Чукотском море и море Бофорта, в северных районах Канады и на Аляске.

Последние исследования с помощью космических спутников показали, что по экваториальной линии происходит увеличение диаметра Земли с 1998 года, то есть планета становится чуть более приплюснутой (расширяться в зоне экватора). Ученые столь озадачены этим феноменом, что пока не могут дать ясный ответ, что происходит с нашей планетой и чем это чревато.

К июлю 2002г специалисты NASA создали уникальную карту. Эта самая точная и подробная современная карта мира. В трехмерной графике здесь отмечены города, реки, горы, пустыни и моря. Одним нажатием кнопки можно совершить восхождение на Эверест или побывать в пустыне Сахара. Причем показывается не сразу конечная точка, а весь маршрут движения. Над созданием этой карты NASA работала почти два года, обработав на компьютере данные, полученные топографическим шаттлом - более триллиона различных отметок земной поверхности.

Внутреннее строение Земли

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. На основании этих исследований Землю условно разделяют на три области: кору, мантию и ядро (в центре). Внешний слой - кора - имеет среднюю толщину порядка 35 км. Основные типы земной коры - континентальный (материковый) и океанический; в переходной зоне от материка к океану развита кора промежуточного типа. Толщина коры меняется в довольно широких пределах: океаническая кора (с учетом слоя воды) имеет толщину порядка 10 км, тогда как толщина материковой коры в десятки раз больше.

Поверхностные отложения занимают слой толщиной около 2 км. Под ними находится гранитный слой (на континентах его толщина 20 км), а ниже - примерно 14-километровый (и на континентах, и в океанах) базальтовый слой (нижняя кора). Средние плотности составляют: 2,6 г/см³ - у поверхности Земли, 2,67 г/см³ - у гранита, 2,85 г/см³ - у базальта.

На глубину примерно от 35 до 2885 км простирается мантия Земли, которую называют также силикатной оболочкой. Она отделяется от коры резкой границей (так называемая граница Мохоровича, или «Мохо»), глубже которой скорости как продольных, так и поперечных упругих сейсмических волн, а также механическая плотность скачкообразно возрастают. Плотности в мантии увеличиваются по мере возрастания глубины примерно от 3,3 до 9,7 г/см³.

Последние исследования проведенные в Гарварде на основании сведения о более 300 тысяч землетрясений, произошедших в 1964-1994 годах, показали, что существует внутренняя часть внутреннего ядра - диаметром около 600 километров с температурой в центре Земли до 7500К.

В коре и (частично) в мантии располагаются обширные литосферные плиты. Их вековые перемещения не только определяют дрейф континентов, заметно влияющий на облик Земли, но имеют отношение и к расположению сейсмических зон на планете. По планетарным понятиям поверхность Земли очень молода. Базальтовые породы, формирующие дно океанов, - одни из самых молодых. Докембрийские щиты, которые занимают около 10% поверхности, самые старые и наиболее близкие к покрытой кратерами поверхности других планет. Погодные процессы сгладили на поверхности Земли все следы имевшихся на ней когда-то кратеров, за исключением лишь нескольких.

Еще одна обнаруженная сейсмическими методами граница (граница Гутенберга) - между мантией и внешним ядром - располагается на глубине 2775 км. На ней скорость продольных волн падает от 13,6 км/с (в мантии) до 8,1 км/с (в ядре), а скорость поперечных волн уменьшается от 7,3 км/с до нуля. Последнее означает, что внешнее ядро является жидким. По современным представлениям внешнее ядро состоит из серы (12%) и железа (88%). Наконец, на глубинах свыше 5120 км сейсмические методы обнаруживают наличие твердого внутреннего ядра, на долю которого приходится 1,7% массы Земли. Предположительно, это железо-никелевый сплав (80% Fe, 20% Ni).

Химический состав в процентах к массе Земли

В числе многих химических элементов, входящих в состав Земли, имеются и радиоактивные. Их распад, а также гравитационная дифференциация (перемещение более плотных веществ в центральные, а менее плотных в периферические области планеты) приводят к выделению тепла. Температура в центральной части Земли порядка 5000 °С. Максимальная температура на поверхности приближается к 60 °С (в тропических пустынях Африки и Северной Америки), а минимальная составляет около -90 °С (в центральных районах Антарктиды).

Давление монотонно возрастает с глубиной от 0 до 3,61 ГП. Тепло из недр Земли передается к ее поверхности благодаря теплопроводности и конвекции.

Плотность в центре Земли около 12,5 г/см³.

Атмосфера Земли

АТМОСФЕРА ЗЕМЛИ (от греч. atmos - пар и сфера), воздушная среда вокруг Земли, вращающаяся вместе с нею; масса ок. 5,15·10¹⁵ т. По плотности атмосферы она занимает промежуточное место между Венерой и Марсом. Она уникальна в том отношении, что обладает обширными запасами жидкой воды. Сложное взаимодействие между океаном, атмосферой и планетарной поверхностью определяет ее энергетический баланс и температурный режим. Облачный покров обычно закрывает около 50% поверхности, и теплота, остающаяся внутри атмосферы (парниковый эффект), поднимает среднюю температуру более чем на 30 градусов.

Состав ее у поверхности Земли: 78,1% азота, 21% кислорода, 0,9% аргона, в незначительных долях процента углекислый газ, водород, гелий, неон и другие газы. В нижних 20 км содержится водный пар (у земной поверхности - от 3% в тропиках до 2·10^-5% в Антарктиде), количество которого с высотой быстро убывает. Углекислота - наиболее важная следовая компонента атмосферного воздуха. Высокая концентрация кислорода (возникшая примерно 2000 млн. лет назад) является прямым результатом существования растений. Присутствие кислорода позволило сформироваться в верхних слоях атмосферы озонному слою (на высоте 20-25 км), который экранирует поверхность планеты от солнечного ультрафиолетового излучения, вредного для жизни.

Выше 100 км растет доля легких газов, и на очень больших высотах преобладают гелий и водород; часть молекул разлагается на атомы и ионы, образуя ионосферу. Давление и плотность воздуха в атмосфере Земли с высотой убывают. В зависимости от распределения температуры атмосферу Земли подразделяют на тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу, экзосферу. Неравномерность ее нагревания способствует общей циркуляции атмосферы, которая влияет на погоду и климат Земли. Атмосфера Земли обладает электрическим полем.

Все типы свечения, возникающие в верхней атмосфере Земли (ночное свечение атмосферы), исключая тепловое излучение, полярные сияния, молнии и яркие следы метеоров. Спектр ночного свечения лежит в диапазоне от 100 нм до 22,5 мкм. Основная часть свечения возникает в слое толщиной от 30 до 40 км на типичных высотах в 100 км и представляет собой излучение на длине волны кислорода 558 нм. Из космического пространства свечение неба выглядит как зеленоватое светлое кольцо вокруг Земли.

ТРОПОСФЕРА (от греч. tropos - поворот и сфера), нижний, основной слой атмосферы до высоты 8-10 км в полярных, 10-12 км в умеренных и 16-18 км в тропических широтах. В тропосфере сосредоточено более ¹/₅всей массы атмосферного воздуха, сильно развиты турбулентность и конвекция, сосредоточена преобладающая часть водяного пара, возникают облака, развиваются циклоны и антициклоны - все происходящие здесь процессы играют определяющую роль для формирования погоды на планете. Температура в тропосфере падает с увеличением высоты. Тропосфера сверху ограничена тропопаузой, которая соответствует переходу к более устойчивым условиям лежащей выше стратосферы.

СТРАТОСФЕРА (от лат. stratum - слой и сфера), слой атмосферы, лежащий над тропосферой от 8-10 км в высоких широтах и от 16-18 км вблизи экватора до 50-55 км. Стратосфера характеризуется возрастанием температуры с высотой от -40 °С (-80 °С) до температур, близких к 0 °С, малой турбулентностью, ничтожным содержанием водного пара, повышенным по сравнению с ниже- и вышележащими слоями содержанием озона.

ОЗОН (от греч. ozon - пахнущий), О₃, аллотропная модификация кислорода. Газ синего цвета с резким запахом, t_кип - 112 °С, сильный окислитель. При больших концентрациях разлагается со взрывом. Образуется из О₂ при электрическом разряде (например во время грозы) и под действием ультрафиолетового излучения (в стратосфере под действием ультрафиолетового излучения Солнца). Основная масса О₃ в атмосфере расположена в виде слоя - озоносферы - на высоте от 10 до 50 км с максимумом концентрации на высоте 20-25 км. Этот слой предохраняет живые организмы на Земле от вредного влияния коротковолновой ультрафиолетовой радиации Солнца. Поглощает свет с длиной волны от 240 до 270нм и сильно поглощает в интервале 200-320нм, в то время как кислород в основном поглощает до 170нм. Основная причина появления озона на Земле - молнии. В промышленности О₃ получают действием на воздух электрического разряда. Используют для обеззараживания воды и воздуха.

ИОНОСФЕРА, верхние слои атмосферы, начиная от 50- 85 км до 600км, характеризующиеся значительным содержанием атмосферных ионов и свободных электронов. Атомы и молекулы в этом слое интенсивно ионизируются под действием солнечной радиации, в частности, ультрафиолетового излучения. Перемещение заряженных частиц по магнитным силовым линиям к полярным областям на широтах от 60 до 75° приводит к появлению полярных сияний. Верхняя граница ионосферы - внешняя часть магнитосферы Земли. Причина повышения ионизации воздуха в ионосфере - разложение молекул атмосферы газов под действием ультрафиолетовой и рентгеновской солнечной радиации и космического излучения. Ионосфера оказывает большое влияние на распространение радиоволн. Состоит ионосфера из мезосферы и термосферы.

ПОЛЯРНОЕ СИЯНИЕ - быстро изменяющиеся разноцветные картины свечения, наблюдаемые время от времени на ночном или вечернем небе, обычно в высокоширотных областях Земли (как на севере, так и на юге). Зеленый и красный цвета соответствуют эмиссионным линиям атомов кислорода и молекул азота, которые возбуждаются энергичными частицами, приходящими от Солнца. Полярные сияния происходят на высотах порядка 100 км.

Во время полярных сияний в ионосфере протекают многочисленные процессы, такие как возмущения геомагнитного поля, электрические ионосферные токи и рентгеновское излучение. В невидимых частях спектра излучается гораздо больше энергии, чем в видимом диапазоне. Появление полярных сияний связано с солнечным циклом, вращением Солнца, сезонными изменениями и магнитной активностью.

Полярные сияния принимают несколько основных форм. Спокойные дуги или полосы шириной в несколько десятков километров простираются с востока на запад на расстояния до 1000 км. Полосы могут сворачиваться, принимая спиральную или S-образную форму. Можно увидеть и лучи, идущие вдоль магнитного поля. Пятна полярных сияний - это отдельные светящиеся области неба без образования каких-либо форм. Изредка встречаются обширные полярные сияния в форме драпри.

МЕЗОСФЕРА находится примерно до 80-85 км, над которой наблюдаются (обычно на высоте около 85 км) серебристые облака. Здесь температура с высотой уменьшается, достигая -90°C у верхней границы (мезопаузы).

Светлые голубоватые облака в летнем сумеречном небе. Они возникают в верхней атмосфере на высотах около 80 км и по структуре довольно разнообразны.

СЕРЕБРИСТЫЕ облака очень тонки и рассеивают лишь малую часть падающего на них солнечного света, так что с Земли днем или в начале сумерек их нельзя заметить. Так как они появляются только в летнее время, их невозможно наблюдать в самых высоких широтах, где небо никогда не становится достаточно темным. В то же время серебристые облака - явление высокоширотное, т.к. диапазон широт, в которых они практически наблюдаются, весьма узок (от 50°до 65°). Облака образуются в присутствие ядер конденсации, на которых вода превращается в лед. Точно не известно, каковы эти ядра (ионы, возникающие под действием солнечного ультрафиолета, или микрометеоритные частицы). Главное условие возникновения серебристых облаков - достаточно низкая температура, которая на высотах 80-90 км должна быть около 120 K (-150° C). Облака возникают в результате воздушных течений от одного полюса к другому и не зависят от уровня солнечной радиации. Имеются наблюдения, позволяющие предположить, что в течение последних десятилетий серебристые облака возникают чаще. Это связано с возрастанием концентрации водяных паров в верхней атмосфере из-за увеличения количества метана. Частота возникновения серебристых облаков изменяется с циклом солнечной активности по обратному закону.

ТЕРМОСФЕРА, слой атмосферы над мезосферой от высот 80-90 км, температура в котором растет до высот 200-300 км, где достигает значений порядка 1500 К, после чего остается почти постоянной до больших высот.

ЭКЗОСФЕРА (от экзо... и сфера) (сфера рассеяния), внешний слой атмосферы, начинающийся с высоты около 400-500 км, которые граничат с межпланетной средой. В этих слоях плотность настолько низка, что между атомами происходит очень мало столкновений и атомы, движущиеся с большой скоростью, могут выйти из сферы гравитационного притяжения планеты и улетать (ускользать) в космическое пространство.

Наконец, на расстояниях более 1000 км слой холодной плазмы высокой плотности (плазмосфера). Плазмосфера простирается до расстояний в 3 - 7 земных радиусов. Ее верхняя граница (плазмопауза) отмечена резким падением плазменной плотности. Большинство частиц в плазмосфере составляют протоны и электроны. газ настолько разрежен, что столкновения между молекулами перестают играть существенную роль, а атомы ионизированы более чем наполовину. На высоте порядка 1,6 и 3,7 радиусов Земли находятся первый и второй радиационные пояса.

Поля Земли

Гравитационное поле Земли с высокой точностью описывается законом всемирного тяготения Ньютона. Движение жидкостей, а также возникающие в твердых объектах напряжения, вызываемые циклическим изменением действующих на них гравитационных сил. Так, океанские приливы на Земле, запаздываемые ежедневно на 50 минут, возникают из-за изменения суммарного гравитационного действия Солнца и Луны, которое подвержено суточным, месячным и годичным вариациям, обусловленным вращением Земли, движением Луны по орбите вокруг Земли и движением Земли вокруг Солнца. Деформация за счет приливных сил Земли достигает 30см, Луны 40 см, водная поверхность поднимается до 1 метра, а в заливе Фапти (Атлантический океан) до 18 метров.

Ускорение свободного падения над поверхностью Земли определяется как гравитационной, так и центробежной силой, обусловленной вращением Земли. Зависимость ускорения свободного падения от широты приближенно описывается формулой g = 9,78031 (1+0,005302 sin2 ) m/c², где m - масса тела.

Магнитное поле над поверхностью Земли складывается из постоянной (или меняющейся достаточно медленно) «главной» и переменной частей; последнюю обычно относят к вариациям магнитного поля. Наличие расплавленного металлического ядра приводит к появлению магнитного поля и магнитосферы Земли. Магнитосфера Земли определяется магнитным полем и его взаимодействием с потоками заряженных частиц космического происхождения (с солнечным ветром). Магнитосфера Земли с дневной стороны простирается до 8-14 R, с ночной - вытянута, образуя магнитный хвост Земли в несколько сотен R; в магнитосфере находятся радиационные пояса. Измерения со спутников показали, что Земля является интенсивным источником радиоволн в километровом диапазоне, хотя такие волны генерируются высоко и на уровне земной поверхности не обнаружены. Магнитный дипольный момент Земли, равный 7,98·10²⁵ единиц СГСМ, направлен примерно противоположно механическому, хотя в настоящее время магнитные полюсы несколько смещены по отношению к географическим. Их положение, впрочем, меняется со временем, и хотя эти изменения достаточно медленны, за геологические промежутки времени, по палеомагнитным данным, обнаруживаются даже магнитные инверсии, то есть обращения полярности. Нынешнюю полярность Земля приобрела 12 тысяч лет (по другим источникам 750 тыс.лет) назад, а в среднем каждые 250 тыс.лет (500 тыс.лет по другим источникам) меняется полярность, а иногда в 2-4 раза быстрее. Некоторые ученые утверждают, что возможно скоро полярность изменится.

В первом приближении магнитное поле Земли подобно полю намагниченного стержня (диполя), который смещен относительно центра Земли к Тихому океану и наклонен к земной оси. В настоящее время это смещение составляет 451 км, а наклон равен 11°. Сила и форма геомагнитного поля постепенно меняются, причем масштаб времени этих изменений составляет годы. Интенсивность геомагнитного поля обозначается векторной величиной F или B, а единицами измерения являются гаусс (Гс), тесла (Т) или гамма (г) (1 тесла = 10000 гаусс; 1 гамма = 1 нанотесла= 10^-5 гаусс.) Направление поля в любой точке земной поверхности может быть описано двумя углами: 1) наклонением I , т.е. углом между горизонтальной плоскостью и вектором поля (угол считается положительным, когда поле направлено вниз); 2) склонением D, т.е. азимутом - углом, измеряемым от направления на север к востоку или западу на горизонтальной плоскости.

Положение магнитных полюсов Земли на 1985г:

Северный магнитный полюс - 77^о36' с.ш.; 102^о48' з.д.

Южный магнитный полюс - 65^о06' ю.ш.; 139^о00' в.д.

Положение геомагнитных полюсов на 1985г:

Северный геомагнитный полюс - 78^о48' с.ш.; 70^о54' з.д.

Южный геомагнитный полюс - 78^о48' ю.ш.; 109^о06' в.д.

Напряженности магнитного поля на северном и южном магнитных полюсах равны соответственно 0,58 и 0,68 Э, а на геомагнитном экваторе - около 0,4 Э.

Приборы Центрального военно-технического института Сухопутных войск (ЦНИВТИ СВ) зафиксировали в начале 2002 года, что магнитный полюс Земли сместился на 200 км. По мнению ученых, аналогичное смещение магнитных полюсов произошло и на других планетах Солнечной системы по видимому по причине, что Солнечная система проходит "определенную зону галактического пространства и испытывает влияние со стороны других космических систем, находящихся рядом". "Переполюсовка" повлияла на ряд процессов, происходящих на Земле. Так, "Земля через свои разломы и так называемые геомагнитные точки сбрасывает в космос избыток своей энергии, что не может не сказаться как на погодных явлениях, так и на самочувствии людей". Кроме того избыточные волновые процессы, возникающие при сбросе энергии Земли, влияют на скорость вращения нашей планеты. По данным Центрального военно-технического института, "примерно каждые две недели эта скорость несколько замедляется, а в последующие две недели наблюдается определенное ускорение ее вращения, выравнивающее среднесуточное время Земли". Смещение магнитного полюса Земли не влияет на географические полюса планеты, то есть точки Северного и Южного полюсов остались на месте.

РАДИАЦИОННЫЕ ПОЯСА - внутренние области планетных магнитосфер, в которых собственное магнитное поле планеты удерживает заряженные частицы (протоны, электроны), обладающие большой кинетической энергией. В радиационных поясах частицы под действием магнитного поля движутся по сложным траекториям из Северного полушария в Южное и обратно. У Земли обычно выделяют внутренний и внешний радиационные пояса. Внутренний радиационный пояс Земли имеет максимальную плотность частиц (преимущественно протонов) над экватором на высоте 3-4 тыс. км, внешний электронный радиационный пояс - на высоте ок. 22 тыс. км. Радиационный пояс - источник радиационной опасности при космических полетах. Мощными радиационными поясами обладают Юпитер и Сатурн.

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.

Две кольцеобразные области вокруг Земли с высокой концентрацией высокоэнергичных электронов и протонов, которые были захвачены магнитным полем планеты. Пояса были обнаружены первым американским искусственным спутником Земли "Эксплорер-1", запущенным 31 января 1958 г. Пояса названы по имени Джеймса Ван Аллена - физика, руководившего экспериментом на "Эксплорере-1". Внутренний пояс Ван Аллена лежит над экватором на высоте около 0,8 земных радиусов. Во внешнем поясе область наибольшей концентрации находится на высоте от 2 до 3 земных радиусов над экватором, а обширная область, простирающаяся от внутреннего пояса до высоты 10 земных радиуса, содержит протоны и электроны более низкой энергии, которые, по-видимому, принесены в основном солнечным ветром. Поскольку магнитное поле Земли отклоняется от оси вращения планеты, внутренний пояс опускается вниз к поверхности в Южной части Атлантического океана, недалеко от побережья Бразилии. Эта Южноатлантическая аномалия представляет потенциальную опасность для искусственных спутников. В 1993 г. в пределах внутреннего пояса Ван Аллена была обнаружена область, содержащая частицы, которые проникли туда из межзвездного пространства. содержащая частицы, которые проникли туда из межзвездного пространства.

геомагнитная буря - существенное уменьшение горизонтальной компоненты магнитного поля Земли, продолжающееся обычно несколько часов. Причина - попадание в околоземное пространство электрически заряженных частиц, как правило, выбрасываемых из Солнца при солнечных вспышках. Во время таких бурь наблюдаются полярные сияния и происходит нарушение радиосвязи.

История исследований

Начальный этап

Наиболее древние картографические изображения Земли созданы в Египте и Вавилонии в 3-1 тыс. до н. э. В 7 в. до н. э. в Месопотамии карты изготавливались на глиняных табличках. Чисто умозрительные представления об окружающем мире содержатся в источниках, оставленных народами Древнего Востока. Однако, в этот период представления о Земле в основном определялись мифами и легендами.

Ранняя античность (6-1 вв. до н. э.)

Наибольших достижений в этот период достигли ученые Древней Греции, стремившиеся дать представление о Земле в целом. Первую попытку создать карту всей Земли осуществил Анаксимандр, по мнению которого Земля представляет собой цилиндр (окруженный небесной сферой), вокруг морского бассейна располагается суша, в свою очередь, опоясанная водным кольцом. Одна из первых географических работ - «Землеописание» Гекатея Милетского сопровождалась, по-видимому, географической картой, на которой кроме Европы и Азии, были показаны известные древним грекам моря: Средиземное, Черное, Азовское, Каспийское, Красное. Гекатей впервые ввел понятие ойкумены. Между 350 и 320 до н. э. Питеас (Пифей) достиг берегов Западной Европы, открыв Британские и Ирландские острова. Ему принадлежит верное наблюдение о связи приливов и отливов в океане с движениями Луны.

Предположение о шарообразности Земли впервые, по-видимому, было сделано Пифагором. Опытные мореплаватели, древние греки, обратили внимание на то, что при приближении корабля к наблюдателю сначала видны паруса и только потом весь корабль, что свидетельствовало о сферичности планеты. В развитие этих представлений Гераклитом была высказана идея о вращении Земли вокруг своей оси. В 340 до н. э. в книге «О небе» Аристотель привел доказательства шарообразности Земли: при лунных затмениях Земля всегда отбрасывает на Луну круглую тень, а Полярная звезда в северных районах располагается выше над горизонтом, чем в южных. Оценив разницу в кажущемся положении Полярной звезды в Греции и в Египте Аристотель вычислил длину экватора, которая, однако, оказалась примерно вдвое больше реальной.

Впервые достаточно точно диаметр земного шара определил Эратосфен на основе простого опыта - по разнице высоты Солнца в городах Сиена и Александрия, лежащих на одной полуденной линии, и расстоянию между ними. Измерение выполнялось во время летнего солнцестояния, вычисленная длина диаметра отличалась от действительной только на 75 км. Геометрические принципы, которыми он пользовался, легли в основу градусных измерений Земли. Почти все труды этого ученого не сохранились, о них известно по трудам более поздних греческих авторов.

Во 2 в. до н. э. древнегреческими учеными были введены понятия географической широты и долготы, разработаны первые картографические проекции, на которых показывалась сетка параллелей и меридианов, предложены методы определения взаимного расположения точек на земной поверхности.

Античные ученые обратили внимание на изменение поверхности Земли с течением времени в результате действия воды и внутренних сил Земли, особенно вулканических процессов. Эти идеи позднее легли в основу геологических концепций нептунизма и плутонизма.

Поздняя античность (1-2 вв.)

В первые десятилетия 1в утвердилась идея о шарообразности Земли. Уровень знаний об окружающем мире этого периода характеризует выдающийся труд Плиния Старшего «Естественная история» в 37 книгах, содержащая сведения по географии, метеорологии, ботанике, минералогии, а также истории и искусству.

Своеобразным итогом географических знаний античности служит «География» Страбона в 17 книгах, где довольно подробно описаны Кавказ и Боспорское царство. Книга должна была служить практическим пособием для полководцев, мореплавателей, торговцев и поэтому содержала многочисленные бытовые и исторические сведения. Страбон высказал мнение о том, что в неизвестном океане между западной оконечностью Европы и Восточной Азией вероятно лежат несколько континентов и островов. Не исключено, что это предположение было известно Х. Колумбу.

Во 2 в. Птолемей в труде «География» дал сводку географических сведений, включающую карту мира и 16 областей Земли. Он уже высказал предположение о центральном положении Земли во Вселенной (геоцентрической системе мира). В этот период наряду с правильными представлениями, основанными на открытиях ученых, путешественников и купцов, были распространены легенды о неизвестных или исчезнувших областях и странах, например Атлантиде.

Средние века (конец 8-14 вв.)

В 8-10 вв. викинги, совершавшие завоевательные походы, открыли Гренландию и первыми из европейцев достигли Северной Америки (так называемую страну Винланд, Маркланд, Хелуланд). В 9-11 вв. исследования неизвестных для европейцев земель, выполненные арабскими учеными и путешественниками (Масуди, Мукаддаси, Якуби), стали важным источником для изучения Востока. Бируни первым на Среднем Востоке предположил, что Земля движется вокруг Солнца. Он привел много интересных для своего времени топографических и географических наблюдений, а также геологических и минералогических сведений. В 12-13 вв. путешествия Плано Карпини и Марко Поло позволили составить представление о Центральной, Восточной и Южной Азии.

Великие географические открытия (15 - середина 17 вв.)

Усовершенствование приборов, позволявших ориентироваться в океане (компас, лаг, астролябия), создание морских карт, а также потребность в новых торговых связях, способствовали Великим географическим открытиям. Результаты этих открытий окончательно прояснили вопрос о шарообразности земли, прямым доказательством которой послужило кругосветное путешествие Ф. Магеллана в начале 16 в. Плавания Х. Колумба, Васко да Гамы, А. Веспуччи и других мореплавателей в Мировом океане, путешествия русских землепроходцев в Северной Азии позволили установить контуры материков, а также описать большую часть земной поверхности, животный и растительный мир Земли. В этот же период предложенная польским ученым Н. Коперником гелиоцентрическая система мира ознаменовала начало новой эпохи в естествознании.

Научный этап исследования Земли

Первый период (17 - середина 19 вв.)

Этот этап характеризуется широким использованием физических, математических и инструментальных методов. Открытие И. Ньютоном закона всемирного тяготения во второй половине 17 в. привело к возникновению идеи о том, что Земля представляет собой не идеальный шар, а сплющенный у полюсов сфероид. Исходя из предположений о внутреннем строении Земли и основываясь на законе всемирного тяготения, Ньютон и Х. Гюйгенс дали теоретическую оценку величины сжатия земного сфероида и получили столь различные результаты, что возникли сомнения в справедливости гипотезы о земном сфероиде. Чтобы рассеять их, Парижская Академия наук в первой половине 18 в. направила экспедиции в приполярные области Земли - в Перу и Лапландию, где были выполнены градусные измерения, подтвердившие верность идеи о сфероидичности Земли и закона всемирного тяготения.

Р. Декарт и Г. Лейбниц впервые рассмотрели Землю как развивающееся космическое тело, которое первоначально было в расплавленном состоянии, а затем охлаждалось, покрываясь твердой корой. Расплавленная Земля была окутана парами, которые затем сгустились и создали Мировой океан, его воды частично ушли в подземные пустоты, создав сушу. Возникновение гор на Земле Р. Гук, Г. В. Рихман и другие связывали с землетрясениями, либо с вулканической деятельностью. М. В. Ломоносов также объяснял образование гор «подземным жаром».

Открытия, исследования и идеи 17 - первой половины 19 вв. подготовили почву для возникновения комплекса наук о Земле. К важнейшим из них относится, в частности, открытие У. Гильберта, заключающееся в том, что Земля в первом приближении является элементарным магнитом. Ломоносов предположил, что значение силы тяжести на земной поверхности определяется внутренним строением планеты. Он же одним из первых предпринял попытку измерить вариации ускорения силы тяжести, а также совместно с Г. В. Рихманом исследовал атмосферное электричество. В этот же период была развита теория маятника, на основе которой стали производиться достаточно точные определения силы тяжести, разработаны метеорологические приборы для измерения скорости ветра, количества осадков, влажности воздуха. А. Гумбольдт установил, что напряженность земного магнетизма меняется с широтой, уменьшаясь от полюса к экватору, разработал представления о закономерном распределении растительности на поверхности Земли (широтная и высотная зональность). Он одним из первых наблюдал магнитную бурю и обобщил накопившиеся к первой четверти 19 в. данные о строении Земли. Для изучения прохождения в земле сейсмических волн Малле в 1851 осуществил первое искусственное землетрясение (взрывая порох и наблюдая распространение колебаний на поверхности ртути в сосуде). В 1897 Э. Вихерт, основываясь на результатах изучения состава метеоритов и распределении плотности в недрах планеты, выделил в Земле металлическое ядро Земли и каменную оболочку. В этот период установлена возможность определения относительного возраста пород по сохранившимся в них остаткам флоры и фауны, что позволило позднее построить геохронологическую шкалу, осуществить палеореконструкции положения материков и океанов в разные геологические эпохи, изучать историю геологического развития Земли.

Второй период (середина - конец 19 в.)

В это время происходило углубление знаний о строении нашей планеты на основе развивающихся магнитного, гравиметрического, сейсмического, электрического и радиометрического методов геофизики. Среди геологов получила широкое распространение контракционная гипотеза. В 1855 английский астроном Эйри высказал предположение о равновесном состоянии земной коры (изостазии), подтвердившееся в 20 в. при изучении глубинного строения гор, когда было установлено, что более высокие горы имеют более глубокие корни.

Третий период (первая половина 20 в.)

Начало века было отмечено крупными успехами в исследовании полярных областей Земли. В 1909 Р. Пири достиг Северного полюса, в 1911 Р. Амундсен--Южного. Норвежские, бельгийские, французские и русские путешественники обследовали приполярные области, составили их описания и карты. Позднее начато планомерное изучение этих областей с помощью антарктических научных станций и дрейфующих обсерваторий «Северный полюс». В первой половине 20 в., благодаря дальнейшему усовершенствованию геофизических методов и, особенно, сейсмологии, были получены фундаментальные данные о глубинном строении Земли. В 1909 А. Мохорович выделил планетарную границу раздела, являющуюся подошвой земной коры. В 1916 сейсмолог Б. Б. Голицын зафиксировал границу верхней мантии, а в 1926 Б. Гутенберг установил в ней наличие сейсмического волновода (астеносферы). Этот же ученый определил положение и глубину границы между мантией Земли и ядром. В 1935 Ч. Рихтер ввел понятие магнитуды землетрясения, разработал совместно с Гутенбергом в 1941-45 Рихтера шкалу. Позднее на основе сейсмологических и гравиметрических данных была разработана модель внутреннего строения Земли, которая остается практически неизменной до наших дней.

Начало 20 в. ознаменовалось появлением гипотезы, которой в дальнейшем было суждено сыграть ключевую роль в науках о Земле. Ф. Тейлор (1910), а вслед за ним А. Вегенер(1912) высказали идею о горизонтальных перемещениях материков на большие расстояния (дрейфе материков), подтвердившуюся в 1960-х гг. после открытия в океанах глобальной системы срединно-океанических хребтов, опоясывающих весь земной шар и местами выходящих на сушу (см. Рифтов мировая система). Выяснилось также, что земная кора под океанами принципиально отличается от континентальной коры, а мощность осадков на дне увеличивается от гребней хребтов к их периферии. Были закартированы аномалии магнитного поля океанского ложа, которые имеют удивительную, симметричную относительно осей хребтов структуру. Все эти и другие результаты послужили основанием для возврата к идеям дрейфа континентов, но уже в новой форме - тектоники плит, которая остается ведущей теорией в науках о Земле.

Значительный объем новой информации, особенно о строении атмосферы, был получен в результате исследований глобальных геофизических процессов во время максимальной солнечной активности, проводившихся в рамках Международного геофизического года (1957-58) учеными 67 стран.

Четвертый период (вторая половина 20 в.)

Развитие методов радиометрического датирования горных пород во 2-ой половине 20 в. позволило уточнить возраст планеты. Началось интенсивное развитие спутниковой геофизики. На основе измерений с помощью спутников была изучена структура магнитосферы, а также выявлено наличие радиационных поясов вокруг Земли. В конце 1970-х гг. с помощью геодезических спутников (GEOS-3), оснащенных высокоточными радарными альтиметрами, удалось достичь существенного прогресса в изучении геоида. Наряду со спутниковой геодезией широкое развитие получили методы изучения атмосферных процессов со спутников - спутниковая метеорология, что значительно повысило точность метеорологических прогнозов.

С 1968 ведется международная программа глубоководного бурения в Мировом океане, пробурено около 2000 скважин, получено более 182 км керна. Это позволило существенно продвинуться в понимании тектонического строения, в палеоокеанографии и осадконаполнении океанских бассейнов. На континентах изучение глубинного строения Земли ведется с помощью сверхглубокого бурения, достигшего в 1984 глубины свыше 12 км (Кольская сверхглубокая скважина).