Строение Земли

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Что такое географическое пространство

2. Верхние и высшие слои атмосферы

2.1 Стратосфера

2.2 Мезосфера

2.3 Термосфера

2.4 Ионосфера

2.5 Экзосфера

2.6 Магнитосфера

3. Нижние слои литосферы

3.1 Открытие и формирование ядра Земли

3.2 Ядро Земли

3.3 Мантия Земли

Введение

Разработкой идей «географического пространства и времени» занимались многие ученые, такие, как Ю.К. Ефремов, Д.Л. Арманд, К.К. Макаров, Н.М. Сватков, В.С. Лямин и др. Лямин считает, что «существует множество реально существующих форм пространства времени, можно говорить о химическом, биологическом, географическом пространстве и времени». Пространство есть взаимное расположение компонентов системы, время - чередование состояний данной саморазвивающейся системы. В Географическом энциклопедическом словаре дается следующее определение географического пространства: «географическое пространство - форма существования географических объектов и явлений в пределах географической оболочки; совокупность отношений между географическими объектами, расположенными на конкретной территории и развивающимися во времени». земля литосфера атмосфера мантия

Так как в данном вопросе необходимо рассмотреть геопространство вне биосферы, следует определить границы биосферы. Биосфера - это область распространения жизни, включающая наряду с организмами и среду их обитания. Биосфера - часть геологической оболочки Земли, включающая верхнюю часть литосферы, всю гидросферу и нижнюю часть атмосферы - тропосферу, в которых существует жизнь.

1. Что такое географическое пространство

Географическое пространство чаще всего трактуется как философская концептуальная категория, как объективная, всеобщая и познаваемая форма существования материальных географических образований и объектов в пределах геосферной оболочки. Более конкретно -- под географическим пространством понимается «совокупность отношений между геообъектами, расположенными на конкретной территории и развивающимися во времени» (Э.Б. Алаев, 1983). Можно выразиться еще проще: тот вид пространства, изучением которого занимается география, -- это земное пространство (R.M. Downs, 1970). При этом не следует забывать о том, что географическое пространство -- трехмерно, а территория с точки зрения геометрии -- всего лишь двумерное. (А по Эйнштейну, геометрическое пространство искривлено, что требует модификации отдельных аспектов Евклидовой геометрии.)

Отличие территории от географического пространства состоит в том, что территория служит лишь общим фоном расположения материально-вещественных объектов и, строго говоря, «пуста» с точки зрения модельных построений (хотя на практике -- даже в научной литературе -- территория часто отождествляется с пространством, и в этом большой беды нет). Все материально-вещественные объекты и явления представляют собой составные части геопространства как трехмерного образования.

Его специфическая особенность связана с одновременным наличием качеств прерывности и непрерывности. Обладая своим собственным физическим пространством, каждый географический объект выполняет определенные функции в формировании географического ландшафта (или поля) и воздействует на окружающие его географические объекты. Именно в этом проявляется «географизм» материально-вещественных объектов и явлений.

Более широкое толкование «географического пространства» дано в брошюре К.В.Пашканга. Он считает, что географическая оболочка тесно связана с окружающим ее космическим пространством и с внутренними частями Земли. Солнечная энергия, поступающая от Солнца к Земле, является источником всех географических процессов. Сила притяжения Солнца удерживает Землю на околосолнечной орбите, сил притяжения луны обуславливает образование приливов. На поверхность Земли падают метеориты. Из недр Земли поступает эндогенная энергия, определяющая формирование наиболее крупных форм земной поверхности. Верхняя граница географического пространства располагается на высоте 10 градусов Земли, на верхней границе магнитосферы; нижняя - на поверхности Мохо. Географическое пространство подразделяется на четыре части.

1.Ближний Космос. Нижняя граница проходит по верхней границе атмосферы на высоте 2000 км над Землей. Здесь происходит взаимодействие космических факторов с магнитным и гравитационным полями. В магнитосфере задерживается корпускулярное излучение Солнца.

2.Высокая атмосфера. Снизу она ограничивается стратопаузой. Здесь происходит торможение космических лучей, их преобразование, образование озона.

3.Географическая оболочка.

4.Подстилающая кора. Нижняя граница - поверхность Мохо. Это область проявления эндогенных процессов, формирующих геотекстуры и морфоструктуры планеты.

2. Верхние и высшие слои атмосферы

Атмосфера начала образовываться вместе с формированием Земли. В процессе эволюции планеты и по мере приближения ее параметров к современным значениям произошли принципиально качественные изменения ее химического состава и физических свойств. Согласно эволюционной модели, на раннем этапе Земля находилась в расплавленном состоянии и около 4,5 млрд. лет назад сформировалась как твердое тело. Этот рубеж принимается за начало геологического летоисчисления. С этого времени началась медленная эволюция атмосферы. Некоторые геологические процессы, (например, излияния лавы при извержениях вулканов) сопровождались выбросом газов из недр Земли. В их состав входили азот, аммиак, метан, водяной пар, оксид СО и диоксид СО2 углерода. Под воздействием солнечной ультрафиолетовой радиации водяной пар разлагался на водород и кислород, но освободившийся кислород вступал в реакцию с оксидом углерода, образуя углекислый газ. Аммиак разлагался на азот и водород. Водород в процессе диффузии поднимался вверх и покидал атмосферу, а более тяжелый азот не мог улетучиться и постепенно накапливался, становясь основным компонентом, хотя некоторая его часть связывалась в молекулы в результате химических реакций. Под воздействием ультрафиолетовых лучей и электрических разрядов смесь газов, присутствовавших в первоначальной атмосфере Земли, вступала в химические реакции, в результате которых происходило образование органических веществ, в частности аминокислот. С появлением примитивных растений начался процесс фотосинтеза, сопровождавшийся выделением кислорода. Этот газ, особенно после диффузии в верхние слои атмосферы, стал защищать ее нижние слои и поверхность Земли от опасных для жизни ультрафиолетового и рентгеновского излучений. Согласно теоретическим оценкам, содержание кислорода, в 25 000 раз меньшее, чем сейчас, уже могло привести к формированию слоя озона со всего лишь вдвое меньшей, чем сейчас, концентрацией. Однако этого уже достаточно, чтобы обеспечить весьма существенную защиту организмов от разрушительного действия ультрафиолетовых лучей.

Верхние слои атмосферы, слои атмосферы от 50 км и выше, свободные от возмущений, вызванных погодой. Включают стратосферу, мезосферу, термосферу и экзосферу. На этой высоте воздух разрежен, температура изменяется в пределах от -1100 °С на низком уровне до 250°-1500 °С на более высоком. На поведение верхних слоев атмосферы сильно влияют такие внеземные явления, как солнечная и космическая радиация, под действием которых молекулы атмосферного газа ионизируются и образуют ионосферу, а также атмосферные потоки, вызывающие турбулентность.

2.1 Стратосфера

Стратосфера - это слой атмосферы земли, ее толщина около 39 километров, начинается с 11 километров и заканчивается примерно на 50 километрах. Эта часть атмосферы имеет верхний и нижний слой. Нижний слой начинается с 11 километров и заканчивается на высоте 25 километров, дальше, с двадцати пяти километров идет верхний слой стратосферы до 50 километров, здесь происходит изменение температуры с -56 градусов до 0,8 градусов Цельсия. На высоте 40 километров от земли температура приближается к абсолютному нулю, молекулы перестают двигаться, плотность воздуха очень маленькой становится. В общем, стратосфера это часть атмосферы, содержащая очень маленькое количество молекул.

Стратосфера содержит около 90 процентов всего озона планеты, а остальная часть находится в тропосфере, части атмосферы, которая сразу следует сразу после стратосферы, то есть это 10 процентов озона. Озон это соединение трех молекул воздуха, она защищает нашу планету от воздействия губительных лучей. Обычно это лучи приходящие из космоса в виде радиоактивных лучей, ультрафиолетовых, а также других видов лучей, которые испускают звезды, в том числе и наше солнце. Звезды испускают губительные лучи, так как в них происходят радиоактивные превращения, атомы водорода превращаются в атомы гелия, при этом испуская огромное количество тепла. Толщина нашего озона на высоте около тридцати километров будет составлять толщину от 1,7 миллиметров до 4 миллиметров, этого достаточно для защиты нашей фауны и флоры, где мы живем и обитаем. Также озон содержится и на поверхности земли. В одних случаях он губителен, а в других нет. Для людей болеющих болезнями легких он полезен, найти озон можно в сосновых борах, сосны вырабатывают соединения О3. Озон имеет розовый цвет. Он губителен для урожая и роста лесов, поэтому при увеличении озона на земле происходит упадок сельскохозяйственной культуры и выработка простого кислорода, который необходим для всех живых существ.

В двадцать первом веке появилась такая проблема как истощение озонового слоя. Это происходит над материком Антарктидой, там содержание озона в стратосфере всего лишь 60 процентов - это называют озоновой дырой. Озоновая дыра пропускает различные лучи из космоса, которые убивают все живое на земле.

Озоновый слой расположен в стратосфере на высоте от 12 до 50 км (наибольшая плотность на высоте около 23км). И, несмотря на то, что концентрация озона в атмосфере меньше 0.0001%, озоновый слой полностью поглощает губительное для всего живого коротковолновое ультрафиолетовое излучение. Долгое время озоновый слой стремительно истощался из-за деятельности человека.

Вот основные причины его истончения:

1) Во время запуска космических ракет в озоновом слое буквально «выжигаются» дыры. И вопреки старому мнению о том, что они сразу же затягиваются, эти дыры существуют довольно долгое время.

2)Самолеты летающие на высотах в 12-16 км. также приносят вред озоновому слою, тогда как летающие ниже 12 км. напротив способствуют образованию озона.

3) Выброс в атмосферу фреонов.

Самой главной причиной разрушения озонового слоя является хлор и его водородные соединения. Огромное количество хлора попадает в атмосферу, в первую очередь от разложения фреонов. Фреоны - это газы, не вступающие у поверхности планеты ни в какие хим. реакции. Фреоны закипают и быстро увеличивают свой объем при комнатной температуре, и потому являются хорошими распылителями. Из-за этой особенности фреоны долгое время использовались в изготовлении аэрозолей. И так как, расширяясь, фреоны охлаждаются, они и сейчас очень широко используются в холодильной промышленности. Когда фреоны поднимаются в верхние слои атмосферы, от них под действием ультрафиолетового излучения отщепляется атом хлора, который начинает одну за другой превращать молекулы озона в кислород. Хлор может находиться в атмосфере до 120 лет, и за это время способен разрушить до 100 тысяч молекул озона. В 80-ых годах мировое сообщество начало принимать меры по сокращению производства фреонов. В сентябре 1987 года 23 ведущими странами мира была подписана конвенция, согласно которой, страны к 1999 году должны были снизить потребление фреонов в два раза. Уже найден практически не уступающий заменитель фреонов в аэрозолях - пропан-бутановая смесь. Она почти не уступает фреонам по параметрам, единственным ее минусом является то, что она огнеопасна. Такие аэрозоли уже достаточно широко используются. Для холодильных установок дела обстоят несколько хуже. Лучшим заменителем фреонов сейчас является аммиак, однако он очень токсичен и все же значительно хуже их по физ. параметрам. Сейчас достигнуты неплохие результаты по поиску новых заменителей, но пока проблема окончательно не решена.

Благодаря совместным усилиям мирового сообщества, за последние десятилетия производство фреонов сократилось более чем в два раза, но их использование все еще продолжается и по оценкам ученых, до стабилизации озонового слоя должно пройти еще как минимум 50 лет.

2.2 Мезосфера

Мезосфера -- средний слой атмосферы, который расположен между стратосферой и ионосферой на высоте от 40-50 до 80-90 км. Между стратосферой и мезосферой располагается тонкий промежуточный слой, называемый стратопаузой.

Для мезосферы характерно повышение температуры с высотой. Максимальная температура (около +50°C) отмечается на высоте примерно 60 км, а далее с увеличением высоты температура снижается до ?70° или ?80°C. Понижение температуры обусловлено энергичным поглощением озоном солнечной радиации (излучения).

В мезосфере чаще всего ветер дует вдоль широтных кругов; зимой ветер западный, летом - восточный. Haибольшая скорость ветра образуется на высоте 60-70 км. Летом скорость ветра составляет 50-60 м/с, а зимой - 70-80 м/с.

Летом на высотах 78-93 км в средних и высоких широтах возникают серебристые облака, которые состоят из ледяных кристалликов, так как на этих высотах чрезвычайно низкие температуры воздуха. Форма серебристых облаков свидетельствует, что на этих высотах существуют волны с длиной до нескольких десятков километров, а также крупные квазистандартные вихревые образования.

Мезосфера имеет такой же газовый состав, как и атмосферные слои, расположенные ниже нее. Газовый состав постоянный и состоит из 80% азота и 20% кислорода. Мезосфера отделяется мезопаузой от вышележащей ионосферы. Мезопауза, в основном, соответствует турбопаузе. В мезосфере метеоры начинают светиться и полностью сгорают.

В мезосфере воздух слишком разрежен (плотность воздуха на уровне моря в тысячу раз превышает таковую на высоте около 50 км), поэтому условия в мезосфере не пригодны для полётов летательных аппаратов. Разряженный воздух не может поддерживать самолёты или аэростаты, а для запуска искусственных спутников на такую низкую орбиту воздух слишком плотный.

Иногда летом в сумеречном небе можно наблюдать редкое и живописное атмосферное явление - серебристые, или мезосферные, облака. Как несложно понять из названия, возникают они в мезосфере на высоте 80-85 км над земной поверхностью и потому являются самыми высокими облаками в атмосфере.

Их можно увидеть обычно в летние месяцы и только тогда, когда они освещены солнцем из-за горизонта, а более низкие слои атмосферы, чем мезосфера, в это время находятся в земной тени. Впервые о серебристых облаках стало известно в 1885 году, после того, как их наблюдали Т. Бэкхаус в Германии и профессор Московского университета Витольд Цераский.

До сих пор об этом явлении немногое известно. Так, пока не ясна природа серебристых облаков, однако известно, что они состоят преимущественно изо льда. Кроме того, точно не ясно, каким образом возникают серебристые облака.

Согласно одной из гипотез, летом водяной пар попадает в пограничный слой между мезосферой и термосферой. Там пар вымерзает, и появляются серебристые облака. А по другой гипотезе, водяной пар образуется, когда атомы водорода, летящие к Земле от Солнца, взаимодействуют с атомами кислорода верхних слоев атмосферы.

Интересно, что серебристые облака - это один из основных источников информации о движении воздушных масс в верхних слоях атмосферы. Это так, поскольку эти облака передвигаются крайне быстро - приблизительно со скоростью 100 м/сек.

2.3 Термосфера

Термосфемра -- слой атмосферы, следующий за мезосферой. Начинается на высоте 80--90 км и простирается до 800 км. Температура воздуха в термосфере колеблется на разных уровнях, быстро и разрывно возрастает и может варьировать от 200 К до 2000 К, в зависимости от степени солнечной активности. Причиной является поглощение ультрафиолетового излучения Солнца на высотах 150--300 км, обусловленное ионизацией атмосферного кислорода. В нижней части термосферы рост температуры в сильной мере обусловлен энергией, выделяющейся при объединении (рекомбинации) атомов кислорода в молекулы (при этом в энергию теплового движения частиц превращается энергия солнечного УФ-излучения, поглощённая ранее при диссоциации молекул O2). На высоких широтах важный источник теплоты в термосфере -- джоулево тепло, выделяемое электрическими токами магнитосферного происхождения. Этот источник вызывает значительный, но неравномерный разогрев верхней атмосферы в приполярных широтах, особенно во время магнитных бурь.

Из-за крайней разреженности воздуха полёты выше линии Кармана возможны только по баллистическим траекториям. Все пилотируемые орбитальные полёты (кроме полётов к Луне) проходят в термосфере, преимущественно на высотах от 200 до 500 км -- ниже 200 км сильно сказывается тормозящее действие воздуха, а выше 500 км простираются радиационные пояса, оказывающие на людей вредное действие.

Беспилотные спутники тоже по большей части летают в термосфере -- вывод спутника на более высокую орбиту требует бомльших затрат энергии, кроме того, для многих целей (например, для дистанционного зондирования Земли) малая высота предпочтительнее.

Высокая температура воздуха в термосфере не страшна летательным аппаратам, поскольку из-за сильной разреженности воздуха он практически не взаимодействует с обшивкой летательного аппарата, то есть плотности воздуха недостаточно для того, чтобы нагреть физическое тело, так как количество молекул очень мало и частота их столкновений с обшивкой судна (соответственно и передачи тепловой энергии) невелика. Исследования термосферы проводятся также с помощью суборбитальных геофизических ракет.

В термосфере наблюдаются полярные сияния. В высоких широтах во время возмущений магнитного поля наблюдаются полярные сияния. Они могут продолжаться несколько минут, но часто видимы в течение нескольких часов. Полярные сияния сильно различаются по форме, цвету и интенсивности, причем все эти характеристики иногда очень быстро меняются во времени. Спектр полярных сияний состоит из эмиссионных линий и полос. В спектре сияний усиливаются некоторые из эмиссий ночного неба, прежде всего зеленая и красная линии l 5577 Е и l 6300 Е кислорода. Бывает, что одна из этих линий во много раз интенсивнее другой, и это определяет видимый цвет сияния: зеленый или красный. Возмущения магнитного поля сопровождаются также нарушениями радиосвязи в полярных районах. Причиной нарушения являются изменения в ионосфере, которые означают, что во время магнитных бурь действует мощный источник ионизации. Установлено, что сильные магнитные бури происходят при наличии вблизи центра солнечного диска больших групп пятен. Наблюдения показали, что бури связаны не с самими пятнами, а с солнечными вспышками, которые появляются во время развития группы пятен.

Полярные сияния - это световая гамма изменяющейся интенсивности с быстрыми движениями, наблюдаемая в высокоширотных районах Земли. Визуальное полярное сияние содержит зеленую 5577Е) и красную (6300/6364Е) эмиссионные линии атомарного кислорода и молекулярные полосы N2, которые возбуждаются энергичными частицами солнечного и магнитосферного происхождения. Эти эмиссии обычно высвечиваются на высоте около 100 км и выше. Термин оптическое полярное сияние используется для обозначения визуальных полярных сияний и их эмиссионного спектра от инфракрасной до ультрафиолетовой области. Энергия излучения в инфракрасной части спектра существенно превосходит энергию видимой области. При появлении полярных сияний наблюдались эмиссии в диапазоне УНЧ (< 30 кГц), включая УНЧ-хоры и УНЧ-шипения. Термин радиоаврора используется для обозначения авроральной активности, создающей неоднородности ионизации, ориентированные вдоль силовых линий поля на авроральных высотах, которые являются причиной обратного рассеяния радиоволн.

2.4 Ионосфера

Ионосфера - сильно ионизированные, т.е. содержащие большое число электронов и ионов, слои атмосферы. Ионизация атмосферы вызывается воздействием Солнца, главным образом его ультрафиолетовым излучением. Степень ионизации меняется с высотой не монотонно: с ростом высоты ионизация сначала повышается, затем, достигнув некоторого максимума, начинает уменьшаться, после чего, достигнув минимального значения, снова увеличивается, достигает максимума и т.д. Ионосферу можно считать состоящей из нескольких отдельных ионизированных слоев. На большой высоте, где ультрафиолетовое излучение Солнца еще не ослаблено поглощением в атмосфере, лежит сильно ионизированный слой, а ниже - более слабо ионизированные слои.

Ионосфера играет существенную роль при распространении радиоволн, особенно средне- и коротковолнового диапазонов. В результате преломлении радиоволн в ионосфере в отдельных ее слоях происходит сильное искривление путей их распространения, так что волны, не достигшие той высоты, на которой находится максимум ионизации данного слоя, настолько изменяют направление, что снова возвращаются к поверхности Земли. При этом слои ионосферы, лежащие на разной высоте, неодинаково влияют на распространение волн различной длины.

Самый нижний слой ионосферы - слой D - лежит на высоте примерно 60-90 км над Землей. Днем концентрация электронов в нем достигает около 1*103 электронов в 1см3 (ночью этот слой исчезает). Слой D играет существенную роль, главным образом, при распространении длинных волн, вызывая заметное их поглощение, обусловленное частными соударениями электронов с молекулами атмосферы, плотность которой на высотах этого слоя еще значительна.

Следующий слой E, расположенный на высоте 100-120 км (концентрация электронов 1*103 в 1см3), влияет на распространение средних волн, вызывая их преломление и заставляя их следовать за кривизной Земли. В дневные часы, когда ионизация выше, слой E иногда влияет и на распространение коротких волн.

Примерно на высоте слоя E нерегулярно появляется и исчезает более сильно ионизированный слой, названный спорадическим слоем Es (он был обнаружен М.Л.Бонч-Бруевичем в 1934 г.). Ионизация слоя может достигать таких больших значений, что он вызывает отражение не только коротких, но и ультракоротких (метровых) волн.

Выше слоя E лежит еще более сильно ионизированная область, имеющая максимумы ионизации на высотах 180-220 км (слой F1) и 200-500 км (слой F2). Первый максимум (слой F1) отчетливо наблюдается только днем в летние месяцы, концентрация электронов в нем достигает 5*105 на 1см3. Максимальная концентрация электронов в слое F2 составляет примерно 2*106 на 1см3. Короткие волны, достигнув этих слоев, преломляются в них и снова возвращаются на Землю, часто на очень большом расстоянии от передающей радиостанции. Поскольку коэффициент преломления в ионосфере уменьшается с увеличением частоты волн (укорочением волны), ультракороткие волны не испытывают в ионосфере заметного преломления. Только лежащие в длинноволновой части этого диапазона волны (6-10 м) заметно преломляются в ионосфере при наличии сильной ионизации, например в спорадическом слое Es.

Поскольку ионизация атмосферы вызывается воздействием Солнца, то степень ионизации и высота, на которой лежат ее максимумы, для различных слоев ионосферы существенно зависят от времени суток и года, а также от уровня солнечной активности. Наиболее сильна эта зависимость для слоя F2, определяющего условия распространения коротких волн; вследствие этого особенно сильно изменяются в течение суток и в течение года условия дальнего приема коротких волн.

2.5 Экзосфера

Экзосфера (сфера рассеяния) - внешний, наиб, разряжённый слой верх, атмосферы Земли (см. Атмосфера верхняя ),в к-ром длины свободного пробега частиц так велики, что они могут диссипировать (рассеиваться) в межпланетное пространство, если их тепловая скорость превышает параболическую (вторую космическую) -469-512_07-30.jpg Вблизи основания Э. 469-512_07-31.jpg Быстрее всего диссипируют атомы H и Не; скорость диссипации увеличивается с ростом темп-ры. Рассеяние частиц компенсируется их поступлением в Э. снизу из термосферы.

В зависимости от абс. величин и направлений скоростей, приобретённых диссипирующими частицами при их последнем соударении с др. частицами, они могут двигаться по параболич., гиперболич. или эллиптич. траекториям. При движении по эллиптич. орбитам частицы возвращаются в Э., а при др. типах траекторий - уходят в космос. Ниж. граница Э. в период пониженной солнечной активности находится на высоте ~ 450-500 км, а в период повышенной - до 750 км. Верх, граница Э. (т. н. геокорона) отстоит от Земли на неск. тысяч км (иногда геокороной наз. всю Э.).

Средняя плотность вблизи основания Э. ~10-15 - 10-16 г/см3, причём над освещённой Солнцем (дневной) стороной Земли она в неск. раз выше, чем над неосвещённой (ночной). Под действием космич. лучей, УФ- и рентг. излучения Солнца атм. газы в Э. ионизуются. У начала Э. отношение концентраций заряженных и нейтральных частиц близко к 1, а в верх, половине Э. газ почти полностью ионизован. Ионизованные частицы могут длительное время удерживаться магн. полем Земли, тогда как время нахождения внутри Э. нейтральных атомов H и Не ограничено фотоионизацией. Нижняя и средняя части Э. в осн. состоят из атомов О, H и Не; с увеличением высоты быстро растёт относит, концентрация лёгких газов. При низком уровне солнечной активности Э. выше 1500- 2000 км почти полностью состоит из ионов H, а при высоком - из ионов Не и H. В зависимости от уровня солнечной активности газокинетич. темп-pa Э. ~1500- 3000 К (чем выше активность, тем выше темп-pa); темп-ра слабо растёт с высотой.

2.6 Магнитосфера

Магнитосфера - область пространства, окружающего планету, в котором магнитное поле планеты преобладает над солнечным ветром и управляет поведением плазмы (заряженных частиц) внутри него. Граница магнитосферы называется магнитопаузой, вне которой находится турбулентная магнитная область, называемая магнитной оболочкой. По направлению от планеты солнечный поток вытягивает магнитосферу в длинный конусообразный магнитный хвост. Меркурий, Земля и гигантские планеты имеют магнитосферы. Магнитосфера Земли содержит пояса Ван Аллена, состоящие из заряженных частиц.

Магнитосфера -- это область, в которой может быть обнаружено магнитное попе Земли. Она была бы симметричной, если бы не было электрически заряженных частиц от Солнца, которые искажают ее форму в виде слезы. Частицы встречаются с магнитным полем Земли на границе ударного фронта. За ней есть область турбулентности, а внутри турбулентной области находится магнитопауза, граница магнитного поля. Пояса Ван Аллена (3) -- это две зоны радиации в магнитопаузе. Внутренний пояс состоит из частиц высокой энергии, производимой космическими лучами, а внешний пояс -- из солнечных электронов.

3. Нижние слои литосферы

Литосфера - каменная оболочка Земли, включающая земную кору и часть верхней мантии, простирается до атеносферы и имеет мощность 150-200 км.

В состав биосферы входит земная кора, включая осадочный, «гранитный», «базальтовый» слои, которые и отделяются от верхней мантии границей биосферы.

3.1 Формирование и открытие ядра Земли

Механизм и время формирования земного ядра -- один из наиболее трудных и наименее проработанных вопросов в сценариях эволюции Земли. Образование ядра можно отнести к событиям катастрофического типа. Энергия, выделяющаяся в ударных процессах в период аккреции планет, была, вероятно, достаточна для частичного проплавления планеты. Поскольку температура плавления железа и его сплавов ниже, чем силикатов, расплавленный металл мог отделяться от окружающего материала и опускаться к центру планеты, формируя ядро. При этом выделялась гравитационная энергия, дополнительно нагревающая планету на сотни градусов и вследствие этого препятствующая вхождению сильно летучих элементов в состав металла.

В литературе рассматривались различные сценарии такого процесса. По одной из схем жидкие фракции железа или его сплавов, опускаясь в частично расплавленном силикатном материале (магматический океан) и сливаясь, формировали слой расплава, образующегося в тех участках планеты (как правило, в верхней мантии), в которых достигалась температура плавления металла. Вследствие гравитационной неустойчивости жидкого металлического слоя, последний либо целиком проваливался к центру планеты, либо распадался на несколько достаточно крупных капель, которые опускались к центру и образовали протоядро. Другой сценарий предполагает возникновение термических неоднородностей не только в верхней, но и в нижней мантии за счет ударов наиболее массивных крупных тел в период аккреции и приводит к гипотезе частичного проплавления нижней мантии, дифференциация которой сопровождалась выделением ядра на ранней стадии эволюции Земли.

Интерпретация данных по изотопии системы Hf-W позволяет предположить, что формирование ядра происходило очень быстро -- за период 50-70 млн лет после начала аккреции. Последующее охлаждение планеты приводило к кристаллизации железа во внешнем ядре и росту внутреннего твердого ядра за время порядка 2 млрд лет.

Уже в 1896 г. Е. Вихертом на основе данных по каменным и железным метеоритам было высказано предположение, что Земля состоит из внешней оболочки (мантии), окружающей более плотное металлическое ядро. В 1906 г. Р. Олдхэм привел первое сейсмологическое доказательство существования центрального ядра и дал грубую оценку его радиуса ~1600 км. Позднее крупнейшие геофизики ХХ в. Б. Гутенберг и Х. Джеффрис подтвердили наличие центрального ядра и довольно точно оценили его размеры. По современным геофизическим данным радиус ядра Земли оценивается равным 3480-3485 км.

Было установлено, что на границе между мантией и ядром происходит скачкообразное увеличение плотности (с 5,55 до 9,9 г/смі), сопровождающееся резким уменьшением скорости распространения продольных волн (с 13,7 км/с в подошве мантии до 8 км/с в кровле ядра), и показано, что эта поверхность раздела не пропускает поперечные волны. По этой причине внешнее ядро считается жидким, поскольку модуль сдвига жидких сред равен нулю.

Существование магнитного поля Земли также указывает на жидкое агрегатное состояние внешнего ядра. В 1936 г. датский геофизик И. Леманн, интерпретируя сейсмологические данные, пришла к выводу о зональном строении ядра и, тем самым, к открытию небольшого внутреннего ядра. Эти исследования приводят к выводу, что внутреннее ядро радиусом около 1220 км и, занимающее менее 1% объема и 2% массы Земли, является твердым. Оказалось также, что скорость распространения продольных волн на 3-4% больше вдоль полярной оси, нежели в экваториальном плане (сейсмическая анизотропия). Вероятное объяснение анизотропии внутреннего ядра может быть связано с пластической деформацией железа (основной компоненты ядра), обнаруженной в экспериментах при давлениях свыше 2 Мбар.

3.2 Ядро Земли

Ядро - геосфера земли, занимающая центральное положение. Как и Земля, ядро имеет слоистое строение и состоит из внешнего и внутреннего ядра (субъядра), разделённых тонкой промежуточной зоной, толщиной около 300 км. Оно залегает на глубине 2900 км, имеет средний радиус сферы 3500 км. Его объем составляет 16% всего объема Земли, а масса -- 31,5%.

Средняя плотность вещества в земном ядре около 11 т/м3. Даже при том огромном давлении, какое господствует в ядре, такую плотность может иметь только металл. Кроме того, для создания и поддержания магнитного поля, ядро должно иметь большую электропроводность. Все это вместе взятое указывает на металлические свойства ядра.

Довольно долго ученые придерживались мнения, что земное ядро состоит из железа, однако накопилось много возражений насчет данного утверждения. Например, последние исследования показали, что если бы ядро было железное, вся мантия была бы расплавленной или все ядро было твердым. Нельзя не учитывать тот факт, что Земля и Луна образовались из одного и того же материала, так им образом их состав должен быть одинаков. Между тем средняя плотность Луны говорит о том, что в ней нет большого количества железа.

В последнее время появилась и другая точка зрения: предполагают, что ядро (по крайней мере внешнее) состоит из металлизованных силикатов, которые при больших давлениях приобретают плотность, электропроводность и другие свойства металла. При расплавлении таких кристаллов металлические свойства сохраняются. Однако эта гипотеза тоже встречает возражения. Главное из них состоит в том, что подавляющее большинство веществ не металлизуется при тех давлениях, какие существуют в земном ядре: для них требуются по крайней мере в десятки раз большие давления.

Внешнее ядро - жидкая оболочка Земли, залегающая под мантией и имеющая толщину около 2250 км. Верхняя граница раздела находится на глубине 2890 км, она была открыта американским геофизиком Э. Гутенбергом, в 1910 году. Переход от внутреннего ядра и внешнего ядра находится на глубине около 5150 км под поверхностью Земли.

Внешнее ядро не находится под достаточным давлением, чтобы быть твердым, так что жидкость, даже если она имеет состав, похожий на внутреннее ядро, остается жидкостью.

Внутреннее ядро - самая глубокая геосфера Земли, состоящая из сплавов железа и никеля. Достоверно состав неизвестен, но считается, что в субъядре давление повысило точку плавления вещества настолько, что оно осталось нерасплавленным. Есть, однако, и доводы в пользу того, что внешнее ядро силикатное, а субъядро -- железоникелевое.

3.3 Мантия Земли

Мантия земли - геосфера, расположенная между земной корой и ядром. Мантия составляет 83% объема и 67% всей массы Земли. В ней выделяют несколько слоев -- верхнюю и нижнюю мантии. Между ними нет четкой границы. Кроме того, верхнюю мантию еще подразделяют на несколько геосфер. Мантия занимает огромный диапазон глубин, и с увеличением давления в веществе происходят фазовые переходы, при которых минералы приобретают всё более плотную структуру.

Согласно современным научным представлениям, состав земной мантии считается похожим на состав каменных метеоритов. В состав мантии преимущественно входят химические элементы, находившиеся в твёрдом состоянии или в твёрдых химических соединениях во время формирования Земли: кремний, железо, кислород, магний и др.

Верхняя мантия -- геосфера, расположенная между земной корой и нижней мантией Земли. Сверху отделена от коры поверхностью Мохоровичича. Нижняя граница верхней мантии нечёткая, находится на глубине около 900 км. Верхняя мантия играет важную роль в тектонических, магматические и метаморфических процессах, происходящих в земной коре, в образовании полезных ископаемых и т.д.

Субстрат. Субстрат - слой верхней мантии, располагающийся на астеносфере. Вместе с земной корой образует литосферу. Представляет собой жесткую платформу, на которой в процессе геологического развития, возникла земная кора. Предполагается, что эта геосфера имеет пониженную вязкость, в связи с чем, испытывает медленные перемещения (токи), под действием нижележащих структур. Именно с этим связывают причину перемещения литосферных плит. Кроме того, весь субстрат находится в состоянии изостазии, обуславливающем взаимное уравновешивание плит: при опускании одних, поднимаются другие.

Астеносфера. Скорости сейсмических волн в мантии растут с глубиной. Но начиная с глубины 80--100 км под материками и около 50 км под океанами они понижаются на протяжении около 100 км, потом начинают повышаться и на глубине около 400 км приходят опять к нормальным значениям, соответствующим общему ходу кривых на графике скоростей в этой части мантии. Особенно заметно понижение скорости поперечных волн. Эту зону пониженных скоростей сейсмических волн называют астеносферой или слоем Гутенберга.

Из-за большой температуры и давления, вещество не расплавляется, а переходит в аморфное состояние. Есть и другое предположение: в слое Гутенберга расплавились только самые легкоплавкие кристаллы, так что в твердом в общем веществе вкраплены отдельные капли жидкости. Из обоих предположений вытекает, что для астеносферы характерна пониженная вязкость, а это очень важно для объяснения многих процессов, протекающих на Земле.

Дело в том, что горные породы при большом давлении и температуре могут медленно течь, оставаясь твердыми, как течет ледник с горы. Очевидно, что перетекание материала при неравномерном давлении как раз и происходит в астеносфере. Считают, что изостазия возникает благодаря перетеканию материала в слое Гутенберга.

При измерении скорости распространения сейсмических волн, наблюдается, что поперечные упругие волны свободно проходят сквозь кору и всю мантию, а известно, что сквозь жидкость они не проходят. Это указывает на то, что ни в коре, ни в мантии нет сплошного жидкого слоя. Твердость верхней мантии подтверждается еще и тем, что в ней (как и в коре) наблюдаются очаги землетрясений -- в некоторых областях до глубины 700 км. Глубже землетрясений не бывает.

Слой Голицына. Оставшаяся часть верхней мантии под астеносферой называется слоем Голицына. В слое Голицына скорости сейсмических волн с глубиной растут особенно быстро. Это объясняется тем, что под действием очень большого давления, силикаты приобретают другую форму кристаллов, с более плотной упаковкой атомов. Это и приводит к сильному увеличению скоростей сейсмических волн. Одновременно должна возрастать и плотность, поэтому в слое Голицына предполагают быстрый рост плотности с глубиной.

Слой Голицына служит границей раздела между верхней и нижней мантией и располагающийся на глубине около 670 км.

Нижняя мантия - часть мантии, находящаяся под астеносферой и залегающая на глубинах 670 -- 2900 км. В нижней мантии скорости сейсмических волн растут с глубиной как раз так, как они должны расти за счет роста давления. Рост плотности идет только за счет упругого сжатия под давлением. На долю нижней мантии приходится 47% объема Земли и 41% ее массы. По сейсмическим данным в ней выделяют слои D' и D".

Мантийный слой D'. Характеризуется дальнейшим нарастанием скоростей сейсмических колебаний (скорость поперечных упругих волн достигает 10,75-13,68 км/c). На рубеже 660 км скорость сейсмических волн аномально низка и имеет горизонтальные и вертикальные неоднородности. Это связывают с изменением состава мантии (переход минералов рингвудтита и мейжорита в первоскит, магнезиовюстит и оксидные фазы). Большинство исследователей принимает, что нижняя мантия на 70% сложена перовскитом.

Увеличение плотности с глубиной, начиная с 670 км, иногда связывают с увеличением содержания железа, т.е. допускается изменение химического состава мантии. Максимальная вязкость (прочность, добротность) мантийного вещества отмечается на глубине ? 2000 км.

Граница раздела. Сама граница между слоями D' и D" выражена с различной чёткостью. На одних участках переход постепенный, на других -- резкий; на одних участках ниже этой границы сейсмические скорости возрастают, на других -- понижаются.

Мантийный слой D". Отличительной особенностью данного слоя является резко выраженная анизотропность. Она проявлена неровностью кровли, соответственно изменчивой мощностью, значительными вариациями сейсмических скоростей в вертикальном и горизонтальном направлениях, наличием в основании слоя зоны ультранизких скоростей.

Очень важное значение имеет открытие в основании слоя зоны низких сейсмических скоростей, обладающей мощностью 20-30 км. Предполагается, что вещество находится здесь в состоянии значительного частичного плавления, что определяет возможность интенсивного массо- и теплообмена между мантией и ядром Земли. Расплавленное железо из мантии стекает в ядро, при этом выделяется огромное количество тепловой энергии и происходит разуплотнение мантии. Мантийный слой D" на 75 % сложен постперовскитом, который устойчив в широком диапазоне термодинамических условий и хорошо объясняет свойства слоя D"

Тепло- и массообмен осуществляются не только непосредственно вдоль границы мантия-ядро (2900 км), но и во всём объёме слоя D", который с одной стороны является местом зарождения масштабных восходящих потоков разогретого разуплотнённого мантийного вещества, а с другой -- местом захоронения погружающихся слэбов океанской литосферы.

Размещено на Allbest.ru