Параметры планеты Земля и анализ гипотез её происхождения. Работа №21990

Целью данной статьи является краткий обзор параметров планеты Земля, с целью дальнейшего изучения гипотез образования планетарного тела, формирования представлений предыдущих поколений ученых о терраформировании, и развитиенаук, изучающихпланетуЗемля(литосферу, гидросферу и атмосферу), а также космическое пространство вокруг нашей планеты.
1. Основные параметры планеты Земля
Наша планета - Земля - имеет множество имен: голубая планета, Терра (лат.), третья планета, Earth (анг.). Она вращается вокруг Солнца по круговой орбите, радиусом около 1 астрономической единицы (150 млн. км). Период обращения по орбите происходит со скоростью 29,8 км/с и длится 1 год (365 суток) Ее возраст, сравним с возрастом всей солнечной системы, и насчитывает 4,5 миллиарда лет. Современная наука полагает, что Земля образовалась из пыли и газа, который остался, от формирования Солнца. Из того, что элементы с высокой плотностью находятся на больших глубинах, а легкие вещества (силикаты различных металлов) остались на поверхности, следует закономерный вывод - Земля, в начале своего формирования, находилась в расплавленном состоянии. Сейчас, температура ядра планеты, находится в пределах 6200 С. После спада высоких температур, она начала твердеть. Огромные площади Земли, до сих пор покрыты водой, без которой возникновение жизни, было бы невозможно.
Первоначальное представление о том, что Земля имеет плоскую форму, основывалось на визуальном восприятии ее поверхности, Однако уже в Древней Греции ученые имели неоспоримые доказательства шарообразности Земли (Пифагор, Аристотель и др.) В дальнейшем шарообразность Земли подтверждалось многочисленными как бытовыми, так и научными наблюдениями.
Экспериментальное подтверждение шарообразности Земли было получено при кругосветных путешествиях, а также при наблюдении из космоса. Однако шарообразность - это только наиболее общее представление о форме Земли. Более детальные исследования показали, что Земля сплюснута с полюсов. Это подтверждается тем, что длина экваториального радиуса Земли больше полярного на 21,4 км, а длина одного градуса дуги меридиана на экваторе меньше (110,57 км), чем вблизи полюсов (111, 7 км).
На основании этих данных было принято считать, что Земля имеет форму, которая называется эллипсоидом вращения или сфероидом.
Дальнейшие исследования показали, что фактическая форма Земли не совпадает с геометрической фигурой сфероида. Доказано, что северный радиус длиннее южного на 30 км, а экваториальное сечение, также имеет форму эллипса, при разнице между большим и малым радиусами равной около 200 м. Эту геометрически неправильную фигуру В. И. Вернадский назвал геоидом (землеподобный). Поверхность геоида соответствует среднему идеальному (без внешнего возмущения) уровню Мирового океана.
Таким образом, Земля имеет форму геоида, средний радиус которого 6371,0 км, экваториальный 6378,2 км, полярный 6356,8 км. Длина окружности экватора 40075,7 км. Площадь поверхности Земли 510,2 млн. км2, в том числе суша - 149,1 млн. км2(29,2%), моря и океаны 361,1млн. км2(70,8%).
Форма и размеры Земли имеют большое значение для развития всех географических явлений и процессов на Земле. Например, шарообразность Земли вызывает неравномерное солнечное нагревание различных территорий планеты. На экваторе, где солнечные лучи падают на Землю почти под прямым углом, нагревание поверхности большое. В сторону полюсов идет постепенное уменьшение тепла. Это определяет общую географическую зональность Земли и образование различных природных зон.
Кроме формы и общих размеров Земли большое географическое значение имеют такие ее параметры как масса, объем, плотность и вещественный состав.
Масса Земли равна 5,976 1027 г, объем 1,083 1012 м3, средняя плотность - 5,518 кг/м3. В составе Земли преобладают железо: (34,6%), кислород(29,5%), кремний(15,2%) и магний (12,7%).
С параметрами Земли связаны следующие общие закономерности соотношения структур земной коры. Во-первых, площадь водной поверхности Земли относится к площади суши так, что уравнивается плотность материковых и водных масс. Это значит, что вес материков примерно равен весу океанических вод. Во-вторых, имеется определенная закономерность в расположении и конфигурации материков. Все материки, кроме Антарктиды, сужаются к югу; у всех материков на западе имеются большие заливы, на востоке – выступы в сторону океана; с севера на юг материки простираются в трех направлениях, образуя континентальную звезду. Южные материки являются как бы продолжением северных, но несколько смещены к востоку. Материки и океаны являются антиподами: Северный Ледовитый океан лежит напротив Антарктиды, Африка с Европой - напротив Тихого океана, Северная Америка – напротив Индийского океана, Австралия - напротив Атлантического океана.
2. Строение Земли
Земля, так же, как и многие другие планеты, имеет слоистое внутреннее строение. Наша планета состоит из трех основных слоев. Внутренний слой это ядро, наружный - земная кора, а между ними размещена мантия.
Основное ядро Земли, делится на внутреннее твердое, радиусом 1300 км и внешнее жидкое (2200 км). Температура в центре ядра доходит до 5000 С. Современные представления о ядре нашей планеты получены в ходе длительных исследований и анализа полученных данных. Так, доказано, что в ядре планеты содержание железа достигает 35%, что обусловливает его характерные сейсмические свойства. Внешняя часть ядра представлена вращающимися потоками никеля и железа, которые хорошо проводят электрический ток.
Мантия простирается на глубине 2900 км и составляет 83% объема Земли и 67% общей массы. Она имеет каменистый вид и состоит из 2ух частей: внешней и внутренней. Литосфера - внешняя часть мантии протяженность около 100 км.
Толщиназемной коры(внешней оболочки) изменяется от нескольких километров (в океанических областях) до нескольких десятков километров (в горных районах материков). Сфера земной коры очень небольшая, на ее долю приходится всего около 0,5% общей массы планеты. Основной состав коры - это окислы кремния, алюминия, железа и щелочных металлов. В составе континентальной коры, содержащей под осадочным слоем верхний (гранитный) и нижний (базальтовый), встречаются наиболее древние породы Земли, возраст которых оценивается более чем в 3 млрд. лет. Океаническая же кора под осадочным слоем содержит в основном один слой, близкий по составу к базальтовым. Возраст осадочного чехла не превышает 100-150 миллионов лет.
Верхний слой земной коры состоит из достаточно мягких горных пород. Они образованы в результате разрушения твёрдых пород (например, песок), отложения остатков животных (мел) или растений (уголь), осаждения на дно морей и океанов разных веществ (поваренная соль).
Следующий слой земной коры - гранитный. Гранит называют магматической породой. Он образовался из магмы в толще земной коры в условиях высоких температур и давления. Магма в переводе с греческого означает густая мазь. Она представляет собой расплавленное вещество земных недр, которое заполняет трещины в земной коре. При ее застывании образуется гранит. Химический анализ гранита показывает, что он содержит большое количество самых разных минералов - кремнезема, алюминия, кальция, калия, натрия.
После гранитного слоя, находится слой, сложенный преимущественно из базальта - горной породы глубинного происхождения. Базальт тяжелее гранита, он содержит больше железа, магния и кальция. Эти три слоя земной коры - осадочный, гранитный и базальтовый - хранят все полезные ископаемые, используемые человеком. Толщина земной коры не везде одинакова: от 5 км под океанами до 75 км под материками. Под океанами, как правило, отсутствует гранитный слой.
3. Гипотезы внутреннего строения планеты Земля
В поисках полезных ископаемых люди уже тысячелетия назад научились проникать глубоко в земную кору. При этом рудокопы заметили, что, чем глубже горные выработки, тем выше в них температура. Кроме того, наблюдения за действующими вулканами привели человека к мысли, что на значительной глубине горные породы находятся в расплавленном состоянии. Пытаясь объяснить грозную деятельность вулканов, люди сложили о них много легенд. Древние греки считали вулканы владением бога огня Гефеста. Особенный интерес возбуждал вулкан Этна на острове Сицилия. Извержение Этны, по представлению греческого поэта Пиндара (V в. до н. э.), вызывает стоглавый Тифон (в древнегреческой мифологии - грозное огнедышащее чудовище, порожденное богиней земли Геей), заключенный в недра горы в наказание за то, что поднял восстание против Зевса.
Философ Эмпедокл (V в. до н. э.), ссылаясь на действующие вулканы и горячие источники, высказал мысль о расплавленном состоянии внутренних частей Земли. Эмпедокл изучал вулкан Этну, по склонам которого временами текли мощные потоки лавы, заливавшие окрестности на десятки километров. Он предпринял отчаянно смелое путешествие вглубь кратера Этны и погиб в жерле вулкана.
С той далекой поры человечество прошло большой путь развития. Накопилось много фактов, которые ученые начали обобщать в стройные гипотезы. В науке XVIII в. господствовало представление, что внутри земного шара находится огненно-жидкое ядро. Основываясь на этом предположении, ученые логично объясняли повышение температуры при опускании в недра Земли, а также вулканические явления. Однако стройное учение о происхождении и устройстве Земли было создано только в конце этого века Кантом и Лапласом.
Немецкий философ Иммануил Кант, а несколько позднее французский астроном и математик Пьер Симон Лаплас предложили гипотезу, в которой они пытались дать картину возникновения планет солнечной системы.
Кант полагал, что до образования солнечной системы существовала туманность, состоявшая из отдельных движущихся частиц. Столкновения этих частиц между собой привели с течением времени к упорядочению движения. Вследствие сближения частиц и их сжатия туманность постепенно раскалялась. Вращающаяся раскаленная газовая туманность приобрела сплюснутую форму и по своим размерам превосходила планетную систему. Затем при увеличении скорости вращения от туманности постепенно отделились слои вещества и образовали ряд колец. Каждое из них под действием сил взаимного притяжения слагавших его частиц постепенно превратилось в шаровидное тело - планету. Сначала планета была раскаленной, но потом в результате излучения тепла в мировое пространство стала остывать. Центральная часть туманности после сжатия и отделения от нее ряда колец стала Солнцем. Согласно гипотезам Канта и Лапласа, земное ядро должно быть огненно-жидким, а земная кора - продукт остывания некогда огненно-жидкого шара.
Однако несколько позднее стали раздаваться, правда очень робко, голоса ученых, несогласных с гипотезой Канта-Лапласа. К этому меньшинству у нас в России принадлежал выдающийся ученый академик В. И. Вернадский. Он считал, что Земля никогда не была огненно-жидкой. В настоящее время эта точка зрения принята наукой. Большинство современных геофизиков и геологов отрицают стадию огненно-жидкого состояния Земли при ее образовании и объясняют разогрев земных оболочек в основном процессами радиоактивного распада.
Л. С. Лейбензоном было заложено новое направление изучения механических свойств Земли на основе наблюдений за земными приливами. Им впервые с достаточной убедительностью было показано, что Земля является твердой до глубины, равной половине радиуса планеты, и только ядро Земли может обладать свойствами жидкого тела.
После Великой Октябрьской революции в СССР в первую очередь стали развертываться прикладные геофизические исследования с целью изучения природных ресурсов страны. В 30-х годах уже появляются важные исследования в области теоретической геофизики. В первую очередь отметим работы по динамике упругих волн. В. И. Смирнова и С. Л. Соболева, а также исследования по термике Земли В. Г. Хлопина и А. Н. Тихонова. В 1939 г. В. Н. Лодочников выдвигает гипотезу о металлизации силикатов в условиях земного ядра. Эта гипотеза впоследствии детализировалась английским геофизиком В. Рамзеем и известна как гипотеза Лодочникова-Рамзея. Наряду с развитием теоретических исследований, в это время все более интенсивно проводятся и экспериментальные геофизические исследования земных глубин, процессов и движений в недрах Земли. Именно изучению этих движений и были посвящены наклономерные исследования, поставленные В. Ф. Бончковским.
В первые же годы после Великой Отечественной войны наметился значительный прогресс в исследовании Земли в целом. Так, в 1938 г. О. Ю. Шмидт организует Институт теоретической геофизики (впоследствии Институт физики Земли) — основной центр исследований внутреннего строения Земли в СССР. В 1944 г. О. Ю. Шмидт выдвигает прогрессивную гипотезу холодного происхождения Земли из газопылевого облака, которая легла в основу многих теоретических исследований по геофизике, геохимии и геологии.
В 1947 г. Я. И. Френкель формулирует гипотезу происхождения магнитного поля Земли. Она основана на предположении наличия магнитогидродинамических явлений в проводящем жидком ядре Земли. Генерация магнитного поля Земли, согласно гипотезе, происходит по принципу действия динамомашин с самовозбуждением. Значение этой гипотезы особенно важно в связи с тем, что к этому времени все ранее существовавшие объяснения происхождения магнитного поля Земли оказались несостоятельными.
С начала 50-х годов в области исследований внутреннего строения Земли постепенно происходит значительный качественный сдвиг. В геофизику все более проникают новейшие методы и достижения экспериментальной и теоретической физики. Создаются специальные лаборатории по физике высоких давлений с геофизической направленностью исследований. Сейчас весь диапазон давлений и температур, соответствующих глубинам Земли вплоть до ее центра, перекрыт лабораторными экспериментами. Так, в динамических исследованиях с помощью ударных волн достигнуты условия, соответствующие земному ядру, а исследования при статических нагрузках позволяют изучать вещество при условиях, существующих на глубинах 600-800км.Все это позволило значительно конкретизировать сведения о внутреннем строении Земли.
Идея железного ядра имеет очень давнюю историю. С момента открытия земного магнетизма и магнетизма железа, это сопоставление представлялось очевидным. Немецкий геолог Г. Штеффенс пришел к аналогичному выводу на основе магнитных наблюдений. Идея, связывающая магнетизм Земли и магнетизм железа, развивалась немцами К. Шмидером и К. Гоффом. С другой стороны, учеными высказывалась и вторая предпосылка: плотность внутренних слоев Земли (так же как и железа) значительно превосходит плотность земной коры, которая, в свою очередь, существенно ниже средней плотности Земли. Третья предпосылка состоит в следующем. Русский ученый Э.Ф. Хладни, французские геологи А. Добре и С. Менье, а так же известный русский химик Д.И. Менделеев, на основании аналогии химического состава Земли и метеоритов, пришли к выводу о том, что ядро Земли, так же как и метеориты, состоит из никелистого железа. Впоследствии это предположение было развито в научную гипотезу, ставшую господствующей с начала XX века и до наших дней.
Экспериментальные исследования при сверхвысоких давлениях, которые проводились с конца 50-х годов Л. В. Альтшулером с сотрудниками, не обнаружили металлизации силикатов вплоть до давлений в 5 млн.атм,т. е. больших, чем в центре Земли. Тем самым гипотеза металлизированного ядра поставлена под большое сомнение. Другим важнейшим результатом геофизических исследований при давлении до 100-150 тыс.атми температурах 1000-2000 С явился синтез высокоплотной модификации кварца (плотность - 2,65г/см3,плотность новой модификации — 4,35 г/см3). Она была получена молодыми советскими учеными С. М. Стишовым и С. В. Поповой в лаборатории Л. Ф. Верещагина. Значение этого открытия определяется тем, что кварц является одним из главных породообразующих минералов.
Широким фронтом изучаются также другие минералы и горные породы в условиях высоких давлений и температур с целью выяснения минералогического состава различных оболочек Земли. Эти и другие экспериментальные работы представляют наибольший интерес в сочетании с теоретическими исследованиями путем приложения методов физики твердого тела к геофизике. В последние годы по инициативе и под руководством А. П. Виноградова достигнуты большие успехи по физико-химическому объяснению образования земной коры из верхней мантии по принципу зонной плавки, при которой легкие и легкоплавкие вещества вытесняются из мантии. Большое значение в проблеме кора - оболочка призван сыграть проект сверхглубинного бурения. По этому проекту земная кора будет пробурена до верхов мантии, что, естественно, даст совершенно новый экспериментальный материал. За последнее десятилетие получены многочисленные экспериментальные доказательства существования несколько ниже земной коры ослабленного слоя с пониженной вязкостью (волновода), к которому приурочены очаги первичного питания вулканов. Этот слой также играет большую роль в проблеме изостатической компенсации земной коры.
Начиная с 50-х годов много внимания уделялось теоретической оценке физических параметров оболочки Земли с позиций физики высоких давлений, причем использовались и собственно геофизические наблюдения. В результате в настоящее время мы можем уверенно ориентироваться в значении и изменении с глубиной таких величин, как коэффициенты теплового расширения, теплоемкости, теплопроводность, электропроводность и т. д. В особенности большую роль сыграло привлечение методов физики твердого тела для оценки вязкости земных недр. Несмотря на имеющиеся неопределенности, мы сейчас уже можем говорить об изменении этого важнейшего механического параметра в мантии Земли в весьма широких пределах.
Значительное внимание уделяется исследованию температуры недр Земли и ее термической истории. Сейчас можно считать установленными основные черты распределения температуры с глубиной. Детальное же ее распределение в этом направлении все еще представляет важнейшую нерешенную геофизическую проблему.
Интересные результаты получены по проблеме земного ядра — наименее изученной области нашей планеты. Основными достижениями здесь можно считать, во-первых, несомненное доказательство жидкого состояния наружной, большей части земного ядра, имеющего достаточно низкую вязкость, что следует из наблюдений за скоростями и поглощением сейсмических волн, из данных о собственных колебаниях Земли и, наконец, из исследования приливов в теле Земли и нутации земной оси; во-вторых, установление того факта, что земное ядро не может состоять из чистого железа или сплава железа с никелем. Поэтому были привлечены исследования сплавов железа с более легкими веществами. Из изученных в этом направлении сплавов пока наиболее близким по свойствам к земному ядру оказался сплав из 80% железа с 20% кремния.
В самое последнее время открылись новые возможности в изучении свойств земных недр. Это произошло благодаря экспериментальным исследованиям собственных колебаний Земли и длиннопериодных поверхностных волн. Их результаты позволяют определить значение вязкости земных недр как функцию глубины, а также уточнить распределение упругих свойств и плотности внутри Земли.
В связи с достижениями в области изучения космоса исследования по внутреннему строению Земли начинают привлекаться для сравнительного анализа внутреннего строения Луны и других планет.
Список литературы:
Вернадский В. И.Химическое строение биосферы Земли и её окружения—М.: Наука, 2001г.
Земля//Большая советская энциклопедия:[в 30 т.]/ гл. ред.А. М. Прохоров.— 3-е изд.—М.: Советская энциклопедия, 1969—1978.
Войткевич Г. В. Основы теории происхождения Земли - М. : Недра, 1988. - 110,[2] с. : ил.; 21 см.;
2