Считается, что первое достаточно точное определение размеров Земли провел греческий ученый Эратосфен (276— 194 до н. э.), живший в Египте. Идея, положенная в основу измерений Эратосфена, весьма проста: измерить длину дуги земного меридиана в линейных единицах и определить, какую часть полной окружности эта дуга составляет. Получив эти данные, можно вычислить длину дуги в 1°, а затем длину окружности и величину ее радиуса, т. е. радиуса земного шара.

Для того чтобы определить эту разность, Эратосфен сравнил полуденную высоту Солнца в них в один и тот же день. Измерив высоту Солнца h_В (илл. 1) в полдень 22 июня в Александрии, где он жил, Эратосфен установил, что Солнце отстоит от зенита на 7,2°. В этот день в полдень в городе Сиена (ныне Асуан) Солнце освещает дно самых глубоких колодцев, т. е. находится в зените h_А. Следовательно, длина дуги составляет 7,2°. Расстояние между Сиеной (Л) и Александрией (В) около 5000 греческих стадий — l.

Стадией в Древней Греции считалось расстояние, которое проходит легко вооруженный греческий воин за тот промежуток времени, в течение которого Солнце, коснувшееся горизонта своим нижним краем, целиком скроется за горизонт.

Несмотря на кажущееся неудобство такой единицы и достаточную громоздкость словесного определения, ее введение выглядело вполне оправданным, учитывая, что строгая периодичность небесных явлений позволяла использовать их движение для счета времени.

Точная величина стадии в современных единицах неизвестна, но, зная, что расстояние между Александрией и Асуаном составляет 800 км, можно полагать, что 1 стадия = 160 м. Это означает, что результат, полученный Эратосфеном, практически не отличается от современных данных, согласно которым длина окружности Земли составляет 40 000 км.

Эратосфен ввел в практику использование терминов «широта» и «долгота». Видимо, появление этих терминов связано с особенностями формы карт того времени: они повторяли по очертаниям побережье Средиземного моря, которое длиннее по направлению запад—восток (по долготе), чем с севера на юг (по широте).

Определить географическую широту двух пунктов оказывается гораздо проще, чем измерить расстояние между ними. Зачастую непосредственное измерение кратчайшего расстояния между этими пунктами оказывается невозможным из-за различных естественных препятствий (гор, рек и т. п.). Поэтому применяется способ, основанный на явлении параллактического смещения и предусматривающий вычисление расстояния на основе измерений длины одной из сторон (базиса — ВС) и двух углов В и С в треугольнике АВС (илл. 2).

Параллактическим смещением называется изменение направления на предмет при перемещении наблюдателя.

Чем дальше расположен предмет, тем меньше его параллактическое смещение, и чем больше перемещение наблюдателя (базис измерения), тем больше параллактическое смещение.

Для определения длины дуги используется система треугольников — способ триангуляции, который впервые был применен еще в 1615 г. Пункты в вершинах этих треугольников выбираются по обе стороны дуги на расстоянии 30— 40 км друг от друга так, чтобы из каждого пункта были видны по крайней мере два других. Основой для вычисления длин сторон во всех этих треугольниках является размер базиса АС (илл. 3). Точность измерения базиса длиной в 10 км составляет около 1 мм. Во всех пунктах устанавливают геодезические сигналы — вышки высотой в несколько десятков метров. С вершины сигнала с помощью угломерного инструмента (теодолита) измеряют углы между направлениями на два-три соседних пункта. Измерив углы в треугольнике, одной из сторон которого является базис, геодезисты получают возможность вычислить длину двух других его сторон. Проводя затем измерение углов из пунктов, расстояние между которыми вычислено, можно узнать длину двух очередных сторон в треугольнике. Зная длину сторон этих треугольников, можно определить длину дуги АВ.

Илл. 3. Схема триангуляции

В какой степени форма Земли отличается от шара, выяснилось в конце XVIII в. Для уточнения формы Земли Французская академия наук снарядила сразу две экспедиции. Одна из них работала в экваториальных широтах Южной Америки в Перу, другая — вблизи Северного полярного круга на территории Финляндии и Швеции. Измерения показали, что длина одного градуса дуги меридиана на севере больше, чем вблизи экватора. Последующие исследования подтвердили, что длина дуги одного градуса меридиана увеличивается с возрастанием географической широты. Это означало, что форма Земли — не идеальный шар: она сплюснута у Полюсов. Ее полярный радиус на 21 км короче экваториального.

Отношение разности величин экваториального и полярного радиусов Земли к величине экваториального называется сжатием. По современным данным оно составляет 1/298, или 0,0034. Это означает, что сечение Земли по меридиану будет не окружностью, а эллипсом, у которого большая ось проходит в плоскости экватора, а малая совпадает с осью вращения.

В XX в. благодаря измерениям, точность которых составила 15 м, выяснилось, что земной экватор также нельзя считать окружностью. Сплюснутость экватора составляет всего 1/30 000 (в 100 раз меньше сплюснутости меридиана). Более точно форму нашей планеты передает фигура, называемая эллипсоидом, у которого любое сечение плоскостью, проходящей через центр Земли, не является окружностью.

В настоящее время форму Земли принято характеризовать следующими величинами:

экваториальный радиус              — 6378,160 км;

полярный радиус                    —6356,777км;

сжатие эллипсоида                  — 1 : 298,25;

средний радиус                     — 6371,032 км;

длина окружности экватора          — 40075,696 км.

Земля в центре Вселенной

Современные представления о форме и размерах Земли состоят в следующем. В качестве математически удобной и достаточно близкой к реальной фигуре Земли модели принимается эллипсоид вращения — пространственная фигура, получаемая вращением эллипса вокруг одной из его осей (для Земли — малой оси). Именно на этот эллипсоид проецируют все измерения, выполненные на реальной Земле. Еще более близким к реальной поверхности Земли считают геоид. Это фигура, которую образовала бы поверхность Мирового океана, будь она свободна от всяческих возмущений (приливов, неоднородностей атмосферного давления и т. п.). Сила тяжести в любой точке перпендикулярна гипотетической поверхности геоида. Представить такую поверхность можно, продлив поверхность океана под континенты. Геоид и эллипсоид вращения, описывающие поверхность Земли, достаточно близки друг другу.

Земля состоит из литосферы (земной коры), протяженностью 10-80 км, мантии и ядра. В атмосфере Земли, вес которой 5 300 000 млрд. тонн, преобладает азот и кислород. Разделяется она на топосферу (до 9 —17 км) — «фабрику погоды», стратосферу (до 55 км) — «кладовую погоды», ионосферу, которая состоит из заряженных под воздействием излучений Солнца частиц, и зону рассеивания, располагающуюся на высоте 800-1000 км. Пояса радиации из частиц высоких энергий выше атмосферы предохраняют Землю от жестких космических лучей, губительных для всего живого.

Исследования показывают, что полюса на Земле менялись, и когда-то Антарктида была вечнозеленой. Вечная мерзлота образовалась 100 тыс. лет назад после великого оледенения.

В XIX веке в геологии сформировались две концепции развития Земли: 1) посредством скачков («теория катастроф» Жоржа Кювье); 2) посредством небольших, но постоянных изменений в одном и том же направлении на протяжении миллионов лет, которые, суммируясь, приводили к огромным результатам («принцип униформизма» Чарльза Лайелля).

Успехи физики XX века способствовали существенному продвижению в познании истории Земли. В 1908 году ирландский ученый Д. Джоли сделал сенсационный доклад о геологическом значении радиоактивности: количество тепла, испущенного радиоактивными элементами, вполне достаточно, чтобы объяснить существование расплавленной магмы и извержение вулканов, а также смещение континентов и горообразование. С его точки зрения, элемент материи — атом — имеет строго определенную длительность существования и неизбежно распадается. В следующем 1909 году русский ученый В. И. Вернадский основывает геохимию — науку об истории атомов Земли и ее физико-химической эволюции.

В соответствии с современными взглядами температура ядра Земли может быть низкой, а процессы в земной коре имеют радиоактивную природу. Сначала Земля была холодной. Атомы радиоактивных элементов, распадаясь, выделяли тепло, и недра разогревались. Это повлекло за собой выделение газов и водяных паров, которые, выходя на поверхность, положили начало воздушной оболочке и океанам.

В 1915 году немецкий геофизик А. Вегенер предположил, исходя из очертаний континентов, что в карбоне (геологический период) существовал единый массив суши, названный им Пангеей (греч. «вся земля»). Пангея раскололась на Лавразию и Гондвану. 135 млн, лет назад Африка отделилась от Южной Америки, а 85 млн. лет назад Северная Америка — от Европы; 40 млн. лет назад Индийский материк столкнулся с Азией и появились Тибет и Гималаи.

Решающим аргументом в пользу принятия данной концепции стало эмпирическое обнаружение в конце 50-х годов расширения дна океанов, что послужило отправной точкой создания тектоники литосферных плит. В настоящее время считается, что континенты расходятся под влиянием глубинных конвективных течений, направленных вверх и в стороны и тянущих за собой плиты, на которых плавают континенты. Эту теорию подтверждают и биологические данные о распространении животных на нашей планете. Теория дрейфа континентов, основанная на тектонике литосферных плит, ныне общепринята в геологии.

Приведем основные характеристики земного эллипсоида. Большая полуось (радиус экватора) эллипсоида — 6 378 160 м, малая полуось (половина расстояния между полюсами) — 6 356 912 м (илл. 4).

Движение Земли

Движение Земли во Вселенной достаточно сложно. Мы уже говорили о траектории Солнца в Галактике. Земля двигается вокруг Солнца со скоростью около 30 км/с. При этом Земля вращается вокруг оси. Скорость движения точки на поверхности зависит от широты, в средних широтах она близка к 250 м/с. Но и ось вращения Земли не является неподвижной. Из-за влияния Луны и жидких оболочек она описывает в пространстве коническую поверхность. Ось конуса перпендикулярна к плоскости эклиптики. Это движение называется прецессией. Оно знакомо каждому, кто когда-либо запускал детский волчок. Период прецессии — около 24 тысяч лет. Вследствие прецессии ось вращения Земли в разные эпохи направлена на разные звезды. Полярная — самая яркая звезда близ теперешнего северного полюса мира — не всегда будет указывать на полюс.

Илл. 4

Условные сечения Земли по нулевому (Гринвичскому) меридиану и экватору. Пунктир — эллипсоид. Сплошная линия на первом сечении — геоид. На шкалах показаны отклонения физической поверхности Земли от геоида в километрах

Примерно через 12 тысяч лет вблизи полюса будет находиться звезда Вега. Ежегодно направление земной оси отклоняется на 50 угловых секунд. Но и это еще не все. Во время прецессии земная ось «кивает» с амплитудой около 9 угловых секунд. Период этого процесса (нутации) — около 19 лет.

Масса Земли 6 1024 кг, средняя плотность — 5500 кг/м3. Это значение существенно превышает среднюю плотность пород, образующих доступную для исследований кору Земли. То есть плотность земных недр существенно выше средней плотности.

Строение Земли

Что на сегодняшний день известно о строении Земли? При исследовании Вселенной мы имеем один универсальный инструмент — электромагнитное излучение. Для исследований недр Земли этот инструмент непригоден. С помощью глубинного бурения достигнуты глубины около 15 км. Только с такой глубины геологи имеют образцы пород. Причем скважин такой глубины единицы.

Однако появляется новый инструмент — звук, акустические колебания. При землетрясениях и взрывах возникают упругие волны двух типов: продольные (разрежения и сжатия; звуковые волны в газе относятся к продольным волнам) и поперечные (сдвиговые, распространяющиеся только в твердых телах). Эти волны распространяются в упругой среде и могут быть зафиксированы с помощью приборов. Скорость продольных волн — около 8 км/с, поперечных — 4 км/с.

Чем плотнее среда, тем больше скорость распространения упругих волн, тем слабее они затухают с расстоянием.

Если бы недра Земли были однородны, то порожденные взрывом или землетрясением продольные и поперечные волны должны были бы, слегка ослабнув, дойти до любой точки поверхности Земли. Этого не происходит.

Результаты наблюдений показывают, что Земля неоднородна и состоит из слоев разной плотности, причем через внутренние слои упругие поперечные волны не проходят. То есть внутри Земли есть жидкие оболочки (Илл. 5).

На глубину в среднем 35 км простирается кора (под материками толщина коры до 70 км, под океанами 5-10 км). То есть пятнадцатикилометровая скважина — слабый укол поверхностных слоев.

Таблица 1

Сравнение химических составов земной и лунной коры и метеоритов (в весовых процентах)

Материковая кора сложена в основном из гранитов. Океаническая — из базальтов. Граниты содержат больше двуокиси кремния (SiO₂) и меньше железа и магния, чем базальты. То есть и состав коры неоднороден. В табл. 1 сравнивается химический состав коры Земли и Луны, а также метеоритов.

На глубину до 400 км простирается верхняя мантия. На расстоянии около 2900 км от поверхности начинается нижняя мантия, а на глубине 4000 км — внешнее ядро.

По современным геофизическим данным внешнее ядро жидкое. Именно оно не пропускает поперечные упругие волны, пропуская продольные. Давления на этой глубине превышают 500 000 атмосфер, температуры несколько тысяч кельвин.

Внешнее ядро состоит, по-видимому, из жидкого железа с примесью кремния и никеля и их соединений с серой и кислородом (илл. 7, табл. 2).

На глубинах, превышающих 5000 км, находится твердое ядро. Состав его близок к составу внешнего ядра.. Твердое ядро «плавает» в жидкой оболочке.

Илл. 7.

Зависимость плотности железа и двуокиси кремния и средней плотности нижней мантии и внешнего ядра от давления. Внешнее ядро примерно на 10% менее плотное, чем железо при соответствующих давлениях. Это позволяет утверждать, что ядро содержит расплавленные элементы, такие как сера и кислород

Таблица 2

Химический состав геосфер и оболочек Земли

На илл. 8 показана связь распространенности в коре Земли химического элемента с его атомным номером. Видно, что с ростом номера распространенность убывает неравномерно, элементы с четным атомным номером более распространены, чем с нечетным. Особенно это относится к элементам с массовым числом, кратным 4 (Не, С, О, Ne, Mg, Si, S, Ar, Ca). Удивительно, но точно такая же кривая отвечает распространенности химических элементов во Вселенной! Ряд максимумов соответствует элементам с ядрами, у которых число протонов и нейтронов равно 2, 8, 20, 50, 82, 126. Этим «магическим числам» соответствуют устойчивые ядра.

По этому поводу американские химики Г. Юри и Г. Зюсс писали так: «Представляется, что распространенность элементов и их изотопов определяется ядерными свойствами и что окружающее нас вещество похоже на золу космического ядерного пожара, в котором оно было создано».

Земля оказывает влияние и на окружающее пространство.

Радиус гравитационной сферы влияния Земли может быть представлен либо как расстояние, на котором могут двигаться объекты, оставаясь спутниками Земли (1 500 000 км), либо — как радиус сферы, в которой земное притяжение больше притяжения Солнца (2 600 000 км).

Как любое нагретое тело. Земля имеет собственное тепловое излучение (приходящееся на инфракрасный диапазон длин волн). Нагрев Земли связан с внешними (солнечное излучение, космическое излучение, приливное трение) и внутренними (теплопередача от нагретых недр, радиоактивный распад в глубинах Земли, хозяйственная деятельность человека) источниками. Вследствие радиоактивного распада в недрах Земля выделяет до 0,02 Вт/м². За счет тепловых потоков из недр Земля теряет до 0,002 Вт/м².

Илл. 8. Распространенность химических элементов в земной коре (в относительных единицах)

Радиоактивность является существенным фактором теплового баланса Земли. По словам В. И. Вернадского, «...количество создаваемой радиоактивным процессом тепловой энергии не только достаточно для того, чтобы объяснить потерю Землею тепла и все динамические и морфологические воздействия внутренней энергии планеты на ее поверхность — земную кору, но и для того, чтобы поднять ее температуру...».

В 1958 г. было обнаружено, что верхние слои атмосферы Земли (высоты от 100 до 300 км) излучают избыточную энергию в инфракрасном (тепловом) диапазоне длин волн. Исследования показали, что это излучение связано со сложными процессами взаимодействия коротковолнового (ультрафиолетового и рентгеновского) излучения Солнца с молекулами газов (в основном азота и кислорода). В настоящее время инфракрасному излучению верхних слоев атмосферы отводится важное место в проблеме влияния солнечной активности на погоду. С одной стороны, изменение потока солнечной энергии в периоды солнечной активности незначительно по сравнению с солнечной постоянной. Однако в течение короткого времени в отдельные районы Земли (полярные области, магнитные аномалии) в верхнюю атмосферу через радиационные пояса могут поступать дополнительные потоки энергии.

При среднем по величине всплеске солнечной активности на площади 1 миллион квадратных километров в течение суток выделится энергия около 1017 Дж. Это не так много, примерно в сто раз меньше энергии обычного циклона. Но почти вся эта энергия переходит в инфракрасное (тепловое) излучение, достигающее нижних слоев атмосферы. Происходит слабый нагрев атмосферы на высотах 10-30 км, вызывающий незначительное изменение давления. Перепад давлений приводит к появлению ветра со скоростью до 0,1 м/с и направлением с севера на юг. Это очень слабый ветерок, но на огромной территории он взаимодействует с обычным широтным переносом воздушных масс (с запада на восток).

Именно такое взаимодействие является одним из факторов, спусковых механизмов возникновения неустойчивостей в атмосфере (циклонов и антициклонов).

Заключение

В предложенной работе освещены следующие вопросы: форма, размеры и строение Земли, химический состав ее коры.

Представления о форме Земли люди имели давно. Еще в VI в. до нашей эры Пифагор утверждал, что Земля имеет форму шара и свободно и неподвижно висит в центре Вселенной. Вокруг нее движутся имеющие форму шара планеты и Солнце, окруженные небесной сферой с рассыпанными на ней звездами. Однако уже тогда Филолай впервые сформулировал предположение о том, что Земля не есть центр Вселенной.

Первые четкие доказательства шарообразности Земли сформулированы Аристотелем. Обратив внимание на форму Луны в различных фазах, Аристотель утверждал, что с Земли такую картину можно видеть только в том случае, если Луна — шар. Но если Луна — шар, то из естественных соображений надо предположить, что и Земля — шар.

Второе доказательство шарообразности Земли Аристотель связывал с лунными затмениями. Справедливо полагая, что лунное затмение — это прохождение тени Земли по лунному диску, он обратил внимание на форму тени, соответствующую телу шарообразной формы.

Известно и еще одно рассуждение Аристотеля о шарообразности Земли. Путешественники, возвратившиеся с востока (имеется в виду — из Индии) и с запада (из Африки), рассказывали, что и там и там есть слоны. Но слоны могут быть только в одной стране. Значит Земля — шар, идя на восток или на запад, мы достигаем страну, в которой живут слоны.

Итак, представления о Земле как о шаре, который свободно, без всякой опоры находится в космическом пространстве, является одним из величайших достижений науки древнего мира.

Вывод, который можно сделать на современном этапе развития Земли и человечества, заключается в том, что планета Земля является фабрикой по производству (причем безотходному) сложных соединений, минералов и живых тел.

Литература

                    Бялко А.В. Наша планета Земля. - Н., 1990.

                    Горелов А.А. Концепции современного естествознания. - М., 1998.

                    Декарт Р. Рассуждение о методе. Избр. произв. - М., 1950.

                    Поппер К. Открытое общество и его враги. - Т. 2-М., 1992.

                    Пригожин И.Р. От существующего к возникающему. - М., 1994.

                    Шкловский И.С. Вселенная, жизнь, разум. – М., 1988.

                    Юрлов В.Ф. Концепции современного естествознания. – Киров, 1997.