Земля - планета Солнечной системы

Земля занимает пятое место по размеру и массе среди больших планет, но из планет т. н. земной группы, в которую входят Меркурий, Венера, Земля и Марс, она является самой крупной. Важнейшим отличием Земли от других планет Солнечной системы является существование на ней жизни, достигшей с появлением человека своей высшей, разумной формы. Условия для развития жизни на ближайших к Земле телах Солнечной системы неблагоприятны; обитаемые тела за пределами последней пока также не обнаружены. Однако жизнь тАФ естественный этап развития материи, поэтому Землю нельзя считать единственным обитаемым космическим телом Вселенной, а земные формы жизни тАФ её единственно возможными формами.

Согласно современным космогоническим представлениям, Земля образовалась приблизительно 4,5 млрд. лет назад путём гравитационной конденсации из рассеянного в околосолнечном пространстве газопылевого вещества, содержащего все известные в природе химические элементы. Формирование Земли сопровождалось дифференциацией вещества, которой способствовал постепенный разогрев земных недр, в основном за счёт теплоты, выделявшейся при распаде радиоактивных элементов (урана, тория, калия и др.). Результатом этой дифференциации явилось разделение Земли на концентрически расположенные слои тАФ геосферы, различающиеся химическим составом, агрегатным состоянием и физическими свойствами. В центре образовалось ядро Земли, окруженное мантией. Из наиболее лёгких и легкоплавких компонентов вещества, выделившихся из мантии в процессах выплавления, возникла расположенная над мантией земная кора. Совокупность этих внутренних геосфер, ограниченных твёрдой земной поверхностью, иногда называют ВлтвёрдойВ» Землей (хотя это не совсем точно, поскольку установлено, что внешняя часть ядра обладает свойствами вязкой жидкости). ВлТвёрдаяВ» Земля заключает почти всю массу планеты (см. табл. 1).

Табл. 1. Схема строения Земли (без верхней атмосферы и магнитосферы)

За её пределами находятся внешние геосферы тАФ водная (гидросфера) и воздушная (атмосфера), которые сформировались из паров и газов, выделившихся из недр Земли при дегазации мантии. Дифференциация вещества мантий Земли и пополнение продуктами дифференциации земной коры, водной и воздушной оболочек происходили на протяжении всей геологической истории и продолжаются до сих пор.

Большую часть поверхности Земля занимает Мировой океан (361,1 млн. км², или 70,8%), суша составляет 149,1 млн. км² (29,2%) и образует шесть крупных массивов тАФ материков: Евразию, Африку, Северную Америку, Южную Америку, Антарктиду и Австралию (см. табл. 2),

Табл. 2. тАФ Материки (с островами)

а также многочисленные острова. С делением суши на материки не совпадает деление на части света: Евразию делят на две части света тАФ Европу и Азию, а оба американских материка считают за одну часть света тАФ Америку, иногда за особую ВлокеаническуюВ» часть света принимают острова Тихого океана тАФ Океанию, площадь которой обычно учитывается вместе с Австралией. Мировой океан расчленяется материками на Тихий, Атлантический, Индийский и Северный Ледовитый (см. табл. 3);

Табл. 3. тАФ Океаны

некоторые исследователи выделяют приантарктические части Атлантического, Тихого и Индийского океанов в особый, Южный, океан.

Северное полушарие Земли тАФ материковое (суша здесь занимает 39% поверхности), а Южное тАФ океаническое (суша составляет лишь 19% поверхности). В Западном полушарии преобладающая часть поверхности занята водой, в Восточном тАФ сушей.

Обобщённый профиль суши и дна океанов образует две гигантские ВлступениВ» тАФ материковую и океаническую. Первая поднимается над второй в среднем на 4670 м (средняя высота суши 875 м; средняя глубина океана около 3800 м). Над равнинной поверхностью материковой ВлступениВ» возвышаются горы, отдельные вершины которых имеют высоту 7тАФ8 км и более. Высочайшая вершина мира тАФ г. Джомолунгма в Гималаях тАФ достигает 8848 м. Она возвышается над глубочайшим понижением дна океана почти на 20 км.ВаВаВаВаВаВаВаВа

Земля обладает гравитационным, магнитным и электрическим полями. Гравитационное притяжение Земли удерживает на околоземной орбите Луну и искусственные спутники. Действием гравитационного поля обусловлены сферическая форма Земли, многие черты рельефа земной поверхности, течение рек, движение ледников и другие процессы.ВаВаВаВаВаВаВа Магнитное поле создаётся в результате сложного движения вещества в ядре Земли. В межпланетном пространстве оно занимает область, объём которой намного превосходит объём Земли, а форма напоминает комету с хвостом, направленным от Солнца. Эту область называют магнитосферой.

С магнитным полем Земли тесно связано её электрическое поле. ВлТвёрдаяВ» Земля несёт отрицательный электрический заряд, который компенсируется объёмным положительным зарядом атмосферы, так что в целом Земля, по-видимому, электронейтральна.ВаВаВаВа

В пространстве, ограниченном внешним пределом геофизических полей Земли, происходит последовательное и глубокое изменение первичных космических факторов тАФ поглощение и преобразование солнечных и галактических космических лучей, солнечного ветра, рентгеновского, ультрафиолетового, оптического и радиоизлучений Солнца, что имеет важное значение для процессов, протекающих на земной поверхности. Задерживая большую часть жёсткой электромагнитной и корпускулярной радиации, магнитосфера и особенно атмосфера защищают от их смертоносного воздействия живые организмы.ВаВаВаВаВаВаВаВа

Земля получает 1,7-10¹⁷ г Дж/сек (или 5,4*10²⁴ Дж/год) лучистой энергии Солнца, но лишь около 50% этого количества достигает поверхности Земли и служит главным источником энергии большинства происходящих на ней процессов.

Поверхность Земли, гидросферу, а также прилегающие слои атмосферы и земной коры объединяют под названием географической, или ландшафтной, оболочки. Географическая оболочка явилась ареной возникновения жизни, развитию которой способствовало наличие на Земле определённых физических и химических условий, необходимых для синтеза сложных органических молекул. Прямое или косвенное участие живых организмов во многих геохимических процессах со временем приобрело, глобальные масштабы и качественно изменило географическую оболочку, преобразовав химический состав атмосферы, гидросферы и отчасти земной коры. Глобальный эффект в ход природных процессов вносит и деятельность человека. Ввиду громадного значения живого вещества как геологического агента вся сфера распространения жизни и биогенных продуктов была названа биосферой.

Современные знания о Земле, её форме, строении и месте во Вселенной формировались в процессе долгих исканий. Ещё в глубокой древности делалось много попыток дать общее представление о форме Земли. Индусы, например, верили, что Земля имеет форму лотоса. Вавилоняне, как и многие другие народы, считали Землю плоским диском, окруженным водой. Однако ещё около 3 тыс. лет назад начали формироваться и правильные представления. Халдеи первыми заметили на основании наблюдений лунных затмений, что Земля тАФ шарообразна. Пифагор, Парменид (6тАФ5 вв. до н. э.) и Аристотель (4 в. до н. э.) пытались дать этому научное обоснование. Эратосфен (3 в. до н. э.) сделал первую попытку определить размеры Земли по длине дуги меридиана между городами Александрией и Сиеной (Африка). Большинство античных учёных считало Землю центром мира. Наиболее полно разработал эту геоцентрическую концепцию Птолемей во 2 в. Однако значительно раньше Аристарх Самосский (4тАФ3 вв. до н. э.) развивал гелиоцентрические представления, считая центром мира Солнце. В средние века представления о шарообразности Земли и её движении отрицались, как противоречащие священному писанию, и объявлялись ересью. Идея шарообразности Земли вновь завоевала признание лишь в эпоху Возрождения, с началом Великих географических открытий. В 1543 Коперник научно обосновал гелиоцентрическую систему мира, согласно которой Земля и другие планеты обращаются вокруг Солнца. Но этому учению пришлось выдержать жестокую длительную борьбу с геоцентрической системой, которую продолжала поддерживать христианская церковь. С этой борьбой связаны такие трагические события, как сожжение Дж. Бруно и вынужденное отречение от гелиоцентрических представлений Г. Галилея. Окончательное утверждение гелиоцентрической системы обязано открытию в начале 17 в. И. Кеплером законов движения планет и обоснованием в 1687 И. Ньютоном закона всемирного тяготения.

Структура ВлтвёрдойВ» Земли была выяснена главным образом в 20 в. благодаря достижениям сейсмологии. Открытие радиоактивного распада элементов привело к коренному пересмотру многих фундаментальных концепций. В частности, представление о первоначально огненно-жидком состоянии Земли было заменено идеями о её образовании из скоплений холодных твёрдых частиц. На основе радиоактивного распада были разработаны также методы определения абсолютного возраста горных пород, позволившие объективно оценивать длительность истории Земли Ваи скорость процессов, протекающих на её поверхности и в недрах.

ВаВо 2-й половине 20 в. в результате использования ракет и спутников сформировались представления о верхних слоях атмосферы и магнитосфере.

Землю Ваизучают многие науки. Фигурой и размерами Земли занимается геодезия, движениями Земли как небесного тела тАФ астрономия, силовыми полями тАФ геофизика (отчасти астрофизика), которая изучает также физическое состояние вещества Земли и физические процессы, протекающие во всех геосферах. Законы распределения химических элементов Земли и процессы их миграции исследует геохимия. Вещественный состав литосферы и историю сё развития изучает комплекс геологических наук. Природные явления и процессы, происходящие в географической оболочке и биосфере, являются областью наук географических и биологических циклов. Земных проблем касаются также науки, изучающие законы взаимодействия природы и общества.

II. Земля как планета.

Земля тАФ третья по расстоянию от Солнца большая планета Солнечной системы. Масса Земли равна 5976*10²¹ кг, что составляет ¹/₄₄₈ долю массы больших планет и ¹/₃₃₀₀₀₀ массы Солнца. Под действием притяжения Солнца Земля, как и другие тела Солнечной системы, обращается вокруг него по эллиптической (мало отличающейся от круговой) орбите. Солнце расположено в одном из фокусов эллиптической орбиты Земли, вследствие чего расстояние между Землёй и Солнцем в течение года меняется от 147,117 млн. км (в перигелии) до 152,083 млн. км (в афелии). Большая полуось орбиты Земли, равная 149,6 млн. км, принимается за единицу при измерении расстояний в пределах Солнечной системы. Скорость движения Земли по орбите, равная в среднем 29,765 км/сек, колеблется от 30,27 км/сек (в перигелии) до 29,27 км/сек (в афелии). Вместе с Солнцем Земля участвует также в движении вокруг центра Галактики, период галактического обращения составляет около 200 млн. лет, средняя скорость движения 250 км/сек. Относительно ближайших звёзд Солнце вместе с Землей движется со скоростью  19,5 км/сек в направлении созвездия Геркулеса.

Период обращения Земли вокруг Солнца, называемый годом, имеет несколько различную величину в зависимости от того, по отношению к каким телам или точкам небесной сферы рассматривается движение Земли и связанное с ним кажущееся движение Солнца по небу. Период обращения, соответствующий промежутку времени между двумя прохождениями Солнца через точку весеннего равноденствия, называется тропическим годом. Тропический год положен в основу календаря, он равен 365,242 средних солнечных суток.ВаВаВаВаВаВаВаВа

Плоскость земной орбиты (плоскость эклиптики) наклонена в современную эпоху под углом 1,6

Естественный спутник Земли тАФ Луна обращается вокруг Земли по эллиптической орбите на среднем расстоянии 384 400 км. Масса Луны составляет 1:81,5 долю массы Земли (73,5*10²¹ кг). Центр масс системы Земля тАФ Луна отстоит от центра З. на ^¾ её радиуса. Оба тела тАФ Земля и Луна тАФ обращаются вокруг центра масс системы. Отношение массы Луны к массе Земли тАФ наибольшее среди всех планет и их спутников в Солнечной системе, поэтому систему Земля тАФ Луна часто рассматривают как двойную планету.

Земля имеет сложную форму, определяемую совместным действием гравитации, центробежных сил, вызванных осевым вращением Земли, а также совокупностью внутренних и внешних рельефообразующих сил. Приближённо в качестве формы (фигуры) Земли принимают уровненную поверхность гравитационного потенциала (т. е. поверхность, во всех точках перпендикулярную к направлению отвеса), совпадающую с поверхностью воды в океанах (при отсутствии волн, приливов, течений и возмущений, вызванных изменением атмосферного давления). Эту поверхность называют геоидом. Объём, ограниченный этой поверхностью, считается объёмом Земли. Средним радиусом Земли называют радиус шара того же объёма, что и объём геоида. Для решения многих научных и практических задач геодезии, картографии и других в качестве формы Земли принимают земной эллипсоид. Знание параметров земного эллипсоида, его положения в теле Земли. А также гравитационного поля Земли имеет большое значение в астродинамике, изучающей законы движения искусственных космических тел. Эти параметры изучаются путём наземных астрономо-геодезических и гравиметрических измерений и методами спутниковой геодезии.

Вследствие вращения Земли точки экватора имеют скорость 465 м/сек, а точки, расположенные на широте  тАФ скорость 465cos (м/сек), если считать Землю шаром. Зависимость линейной скорости вращения, а, следовательно, и центробежной силы от широты приводит к различию значений ускорения силы тяжести на разных широтах (см. табл. 4).

Табл. 4. тАФ Геометрические и физические характеристики Земли

Вращение Земли вокруг своей оси вызывает смену дня и ночи на её поверхности. Период вращения Земли определяет единицу времени тАФ сутки. Ось вращения Земли отклонена от перпендикуляра к плоскости эклиптики на 23В° 26,5' (в середине 20 в.); в современную эпоху этот угол уменьшается на 0,47тАЬ за год. При движении Земли по орбите вокруг Солнца её ось вращения сохраняет почти постоянное направление в пространстве. Это приводит к смене времён года. Гравитационное влияние Луны, Солнца, планет вызывает длительные периодические изменения эксцентриситета орбиты и наклона оси Земли, что является одной из причин многовековых изменений климата.

Период вращения Земли систематически увеличивается под воздействием лунных и в меньшей степени солнечных приливов. Притяжение Луны создаёт приливные деформации как атмосферы и водной оболочки, так и ВлтвёрдойВ» Земли. Они направлены к притягивающему телу и, следовательно, перемещаются по З. при её вращении. Приливы в земной коре имеют амплитуду до 43 см, в открытом океане тАФ не более 1м, в атмосфере они вызывают изменение давления в несколько сот н/м² (несколько мм рт. ст.). Приливное трение, сопровождающее движение приливов, приводит к потере системой Земля тАФ Луна энергии и передаче момента количества движения от Земли к Луне. В результате вращение Земля замедляется, а Луна удаляется от Земли. Изучение месячных и годичных колец роста у ископаемых кораллов позволило оценить число суток в году в прошлые геологические эпохи (до 600 млн. лет назад). Результаты исследований говорят о том, что период вращения З. вокруг оси увеличивается в среднем на несколько м/сек за столетие (500 млн. лет назад длительность суток составляла 20,8 ч). Фактическое замедление скорости вращения Земли несколько меньше того, которое соответствует передаче момента Луне. Это указывает на вековое уменьшение момента инерции Земли, по-видимому, связанное с ростом плотного ядра Земли либо с перемещением масс при тектонических процессах. Скорость вращения Земли несколько меняется в течение года также вследствие сезонных перемещений воздушных масс и влаги. Наблюдения траекторий искусственных спутников Земли позволили с высокой точностью установить, что сплюснутость Земли несколько больше той, которая соответствует современной скорости её вращения и распределению внутренних масс. По-видимому, это объясняется высокой вязкостью земных недр, приводящей к тому, что при замедлении вращения Земли её фигура не сразу принимает форму, соответствующую увеличенному периоду вращения. Поскольку Земля имеет сплюснутую форму (избыток массы у экватора), а орбита Луны не лежит в плоскости земного экватора, притяжение Луны вызывает прецессию тАФ медленный поворот земной оси в пространстве (полный оборот происходит за 26 тыс. лет). На это движение накладываются периодические колебания направления оси тАФ нутация (основной период 18,6 года). Положение оси вращения по отношению к телу Земли испытывает как периодические изменения (полюсы при этом отклоняются от среднего положения на 10тАФ15 м), так и вековые (среднее положение северного полюса смещается в сторону Северной Америки со скоростью ~11 см в год.).

III. Ва1. Строение Земли

а)Ва Магнитосфера

Самой внешней и протяжённой оболочкой Земли является магнитосфера тАФ область околоземного пространства, физические свойства которой определяются магнитным полем Земли и его взаимодействием с потоками заряженных частиц.

Исследования, проведённые при помощи космических зондов и искусственных спутников Земли, показали, что Земля постоянно находится в потоке корпускулярного излучения Солнца (т. н. солнечный ветер). Он образуется благодаря непрерывному расширению (истечению) плазмы солнечной короны и состоит из заряженных частиц (протонов, ядер и ионов гелия, а также более тяжёлых положительных ионов и электронов). У орбиты Земли скорость направленного движения частиц в потоке колеблется от 300 до 800 км/сек. Солнечная плазма несёт с собой магнитное поле, напряжённость которого в среднем равна 4,8-10^-За/м (6*10^-5 э).

При столкновении потока солнечной плазмы с препятствием тАФ магнитным полем Земли тАФ образуется распространяющаяся навстречу потоку ударная волна, фронт которой со стороны Солнца в среднем локализован на расстоянии 13тАФ14 радиусов Земли (R_) от её центра. За фронтом ударной волны следует переходная область толщиной ~ 20 тыс. км, где магнитное поле солнечной плазмы становится неупорядоченным, а движение её частиц тАФ хаотичным, температура плазмы в этой области повышается примерно с 200 тыс. градусов до ~ 10 млн. градусов.

Переходная область примыкает непосредственно к магнитосфере Земли, граница которой тАФ магнитопауза тАФ проходит там, где динамическое давление солнечного ветра уравновешивается давлением магнитного поля Земли; она расположена со стороны Солнца на расстоянии ~ 10тАФ12 R (_) (70тАФ80 тыс. км) от центра З., её толщина ~ 100 км. Напряжённость магнитного поля З. у магнитопаузы ~ 8*10^-2а/м (10^-3э), т. е. значительно выше напряжённости поля солнечной плазмы на уровне орбиты Земли. Потоки частиц солнечной плазмы обтекают магнитосферу и резко искажают на значительных расстояниях от З. структуру её магнитного поля. Примерно до расстояния 3 R_ от центра Земли магнитное поле ещё достаточно близко к полю магнитного диполя (напряжённость поля убывает с высотой ~¹/_R3). Регулярность поля здесь нарушают лишь магнитные аномалии (влияние наиболее крупных аномалий сказывается до высот ~0,5R_) над поверхностью Земли. На расстояниях, превышающих 3 R_, магнитное поле ослабевает медленнее, чем поле диполя, а его силовые линии с солнечной стороны несколько прижаты к Земле. Линии геомагнитного поля, выходящие из полярных областей Земли, отклоняются солнечным ветром на ночную сторону Земли. Там они образуют ВлхвостВ», или ВлшлейфВ», магнитосферы протяжённостью более 5 млн. км. Пучки магнитных силовых линий противоположного направления разделены в хвосте областью очень слабого магнитного поля (нейтральным слоем), где концентрируется горячая плазма с температурой в млн. градусов.

Магнитосфера реагирует на проявления солнечной активности, вызывающей заметные изменения в солнечном ветре и его магнитном поле. Возникает сложный комплекс явлений, получивший название магнитной бури. При бурях наблюдается непосредственное вторжение в магнитосферу частиц солнечного ветра, происходит нагрев и усиление ионизации верхних слоев атмосферы, ускорение заряженных частиц, увеличение яркости полярных сияний, возникновение электромагнитных шумов, нарушение радиосвязи на коротких волнах и т.д. В области замкнутых линий геомагнитного поля существует магнитная ловушка для заряженных частиц. Нижняя её граница определяется поглощением захваченных в ловушку частиц атмосферой на высоте несколько сот км., верхняя практически совпадает с границей магнитосферы на дневной стороне Земли, несколько снижаясь на ночной стороне. Потоки захваченных в ловушку частиц высоких энергий (главным образом протонов и электронов) образуют т. н. Радиационный пояс Земли. Частицы радиационного пояса представляют значительную радиационную опасность при полётах в космос.

б)Ва Атмосфера

Атмосферой, или воздушной оболочкой Земли, называют газовую среду, окружающую ВлтвёрдуюВ» Землю и вращающуюся вместе с ней. Масса атмосферы составляет ~5,15*10¹⁸ кг. Среднее давление атмосферы на поверхность Земли на уровне моря. Равно 101 325 н/м² (это соответствует 1 атмосфере или 760 мм рт. ст.). Плотность и давление атмосферы быстро убывают с высотой: у поверхности З. средняя плотность воздуха  = 1,22 кг/м³, на высоте 10 км, а на высоте 100 км =8,8. Атмосфера имеет слоистое строение, слои различаются своими физическими и химическими свойствами (температурой, химическим составом, ионизацией молекул и др.).

Принятое деление атмосферы на слои основано главным образом на изменении в ней температуры с высотой, поскольку оно отражает баланс основных энергетических процессов в атмосфере.

Нижняя часть атмосферы, содержащая около 80% всей её массы, называется тропосферой. Она распространяется до высоты 16тАФ18 км в экваториальном поясе и до 8тАФ10 км в полярных широтах. Температура тропосферы понижается с высотой в среднем на 0,6. К на каждые 100 м. Над тропосферой до высоты 55 км расположена стратосфера, в которой заключено почти 20% массы атмосферы. От тропосферы она отделена переходным слоем тАФ тропопаузой, с температурой 190тАФ220 К. До высоты ~25 км температура стратосферы несколько падает, но дальше начинает расти, достигая максимума (~270К) на высоте 50тАФ55 км. Этот рост связан главным образом с увеличением в верхних слоях стратосферы концентрации озона, интенсивно поглощающего ультрафиолетовое излучение Солнца. Над стратосферой расположены мезосфера (до 80 км), термосфера (от 80 км до 800тАФ1000 км) и экзосфера (выше 800тАФ1000 км). Общая масса всех этих слоев не превышает 0,5% массы атмосферы. В мезосфере, отделённой от стратосферы стратопаузой, озон исчезает, температура вновь падает до 180тАФ200К. вблизи её верхней границы (мезопаузы). В термосфере происходит быстрый рост температуры, связанный главным образом с поглощением в ней солнечного коротковолнового излучения. Рост температуры наблюдается до высоты 200тАФ300 км. Выше, примерно до 800тАФ1000 км, температура остаётся постоянной (~1000К), т.к. здесь разреженная атмосфера слабо поглощает солнечное излучение.

Верхний слой атмосферы тАФ экзосфера тАФ крайне разрежен (у его нижней границы число протонов в 1 м³составляет ~ 10¹¹) и столкновения частиц в нём происходят редко. Скорости отдельных частиц экзосферы могут превышать критическую скорость ускользания (вторую космическую скорость). Эти частицы, если им не помешают столкновения, могут, преодолев притяжение Земли, покинуть атмосферу и уйти в межпланетное пространство. Так происходит рассеяние (диссипация) атмосферы. Поэтому экзосферу называют также сферой рассеяния. Ускользают из атмосферы в межпланетное пространство главным образом атомы водорода и гелия.ВаВа

Приведённые характеристики слоев атмосферы следует рассматривать как усреднённые. В зависимости от географической широты, времени года, суток и др. они могут заметно меняться.

Химический состав земной атмосферы неоднороден. Сухой атмосферный воздух у поверхности Земли содержит по объёму 78,08% азота,20,95% кислорода (~ 10^{-6Вместе с этим смотрят:}

Aerospace industry in the Russian province

РЖсторiя астрономii

РЖсторiя ракетобудування Украiни

РЖсторiя спостереження НЛО

Авиационно-космические отрасли в российской провинции