Космическая «прописка» Земли

 

Мы с вами, дорогие читатели, живем на одной из планет Солнечной системы, которая представляет собой сравнительно небольшую совокупность небесных тел в одном из уголков необъятного звездного мира. Многие звезды, подобные нашему Солнцу, образуют галактику Млечного Пути. В свою очередь, спиральная галактика Млечного Пути – одна из множеств галактик разной формы, существующих во Вселенной. Млечный Путь имеет форму диска с диаметром около 100 тысяч световых лет. Он включает в себя свыше 100 миллиардов звезд. Таким образом, можно представить, насколько многообразна и бесконечна наша Вселенная.

Поскольку Земля располагается внутри нашей Галактики, мы наблюдаем края Млечного Пути как бы из середины, а он нам кажется не спиральным скоплением звезд, а сплошной дугообразной полосой, пересекающей ночное небо.

Все звезды этой Галактики, в том числе и наше Солнце со своей планетной системой, совершают полный оборот вокруг галактического центра за 240–250 миллионов лет. Скорость этого движения велика и составляет 240 км/с. Солнце располагается примерно в 3/5 расстояния от центра галактики Млечного Пути.

Помимо собственно Солнца, в состав его системы входят девять больших планет со спутниками, несколько десятков тысяч малых планет (астероидов), большое множество комет и неисчислимое количество мелких метеорных тел.

Планеты расположены в следующем порядке от Солнца: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон. Расстояния планет от Солнца образуют закономерную последовательность: промежутки между орбитами планет увеличиваются с удалением от Солнца.

Планеты делятся на две группы, отличающиеся друг от друга по массе, химическому составу, скорости вращения и количеству спутников. Ближайшие к Солнцу планеты (Меркурий, Венера, Земля и Марс) называют планетами земной группы. Они сравнительно невелики по своим размерам, имеют примерно одинаковый химический состав и состоят преимущественно из тяжелых металлов. Так, например, средняя плотность вещества Земли составляет 5,52 единицы, где за единицу принимается плотность воды. У второй группы планет‑гигантов (Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна) значительную часть массы составляет водород и его соединения с углеродом или с азотом (соответственно, метаном и аммиаком). От поверхности в глубь этих планет газообразное состояние постепенно переходит в жидкое конденсированное состояние. Предполагается, что это происходит на глубине в несколько сот километров. Планета Плутон не включена ни в одну группу, так как информации, необходимой для классификации, нет.

Наша планета вращается вокруг своей оси с запада на восток. Поэтому наблюдателю с Земли кажется, что все время звезды ночью, а Солнце днем смещаются к западу. Все планеты земного ряда движутся по своим орбитам тоже с запада на восток. Даже само Солнце медленно вращается вокруг своей оси с запада на восток. Все планеты, кроме Венеры и Урана, обращаются вокруг своей оси в том же направлении, в котором они движутся вокруг Солнца. Венера вращается в обратном направлении, а ось вращения Урана располагается в плоскости его орбиты. Абсолютное большинство спутников планет обращаются по орбитам того же направления, в котором вращаются их планеты вокруг своих осей.

Примечательная для Солнечной системы особенность – согласованность движения космических тел – свидетельствует о том, что Солнце, планеты и их спутники имеют общее происхождение. Как предполагают сегодня астрономы, все эти небесные тела возникли из единого облака межзвездной материи.

Земля, как и другие планеты, получает энергию от Солнца – звезды среднего размера диаметром 1,39 х 10⁹ километров. Выделяемая Солнцем энергия за одну секунду составляет 10²⁶ Дж. Почти вся энергия, достигающая земной поверхности, приходит в виде электромагнитного излучения, обладающего широким спектром и включающего рентгеновские и ультрафиолетовые лучи, видимый свет, тепловое излучение и радиоволны. Озоновый слой в верхних слоях земной атмосферы препятствует свободному проникновению к поверхности Земли опасных для живых организмов ультрафиолетовых и рентгеновских излучений Солнца.

 

ФОРМА И РАЗМЕРЫ ЗЕМЛИ

 

Непосредственные замеры на поверхности Земли, а также астрономические наблюдения и измерения из космоса позволили определить форму и размеры нашей планеты, ее массу, гравитационное и магнитное поля, величину теплового потока, идущего из недр, и ряд физических свойств земной поверхности.

Средний радиус Земли равен 6371 километр, а полярный – 6356,78 километра. Экваториальное расширение и полярное сжатие возникли из‑за вращения Земли вокруг своей оси и ее наклона. В целом же форма Земли очень близка к эллипсоиду вращения, который носит название «геоид».

Масса Земли составляет 5,976 × 10⁹триллионов тонн. Объем Земли равен 1,083 х 10²⁷ кубических сантиметров. Зная объем и массу Земли, нетрудно определить и ее среднюю плотность, она составляет 5,52 грамма на кубический сантиметр.

Многочисленными лабораторными исследованиями установлено, что плотность горных пород на земной поверхности оказывается равной 2,8 грамма на кубический сантиметр, а это означает, что в недрах нашей планеты должны находиться породы с плотностью, в несколько раз превышающей среднюю плотность Земли.

Ускорение свободного падения на поверхности Земли составляет в среднем на экваторе 978,049 см/с². В нем учтено центробежное ускорение, создаваемое вращением Земли и равное 3,392 см/с². На земных полюсах центробежное ускорение, как известно, отсутствует, и поэтому там ускорение свободного падения больше, чем на экваторе, всего на 1/189. В различных точках на поверхности Земли существуют отклонения от средней величины ускорения свободного падения. Это зоны так называемых гравитационных аномалий, в которых величина отклонений может достигать значений в несколько сот см/с².

Достаточно хорошо известно, что Земля обладает магнитным полем. Единицей измерения магнитной индукции является тесла (Тл). Положения магнитных полюсов Земли не совпадают с географическими. Так, например, северный конец стрелки компаса притягивается к полюсу, расположенному около Гренландии (73°с.ш. и 100°з.д.), а южный – к полюсу, находящемуся в австралийском секторе Антарктики (68°ю.ш. и 134°в.д.). Величина индукции геомагнитного поля максимальна у магнитных полюсов (0,7 × 10^‑4 Тл у Южного и 0,6 х 10^‑4 Тл у Северного) и значительно меньше, минимальна, у экватора (0,42 х 10^‑4 Тл).

Важным моментом является то, что исследования магнитологов установили факт смены магнитными полюсами своего месторасположения (инверсию), т. е. в определенные промежутки времени Северный полюс становится Южным, а Южный – Северным. Продолжительность временных периодов относительно устойчивого положения знака магнитных полюсов оценивается специалистами в пределах от 700 тысяч до 1,5 миллиона лет.

Ученым давно стало известно, что из земных глубин постоянно исходит тепло. О существовании внутри Земли крупного источника тепла свидетельствуют извержения вулканов, когда на поверхность планеты изливаются многочисленные лавовые потоки с температурой более 1500 °C. Выполненные измерения показывают, что с глубиной температура увеличивается с вполне определенной интенсивностью: при «опускании» на каждый 1 километр температура возрастает на 30 °C.

Геотермический поток, «стекающий» из земных недр, дает близкие значения по интенсивности как для суши, так и дли океанического дна: (1,2–1,6) 10^‑6Дж/(см² х с). Следует, правда, отметить, что минимальные значения геотермического потока тепла наблюдаются в центральных частях континентов, где находятся наиболее древние горные породы, а максимальные – в областях интенсивной вулканической деятельности и вдоль осевой части срединно‑океанических хребтов, т. е. протяженных горных систем, имеющихся на дне Мирового океана.

 

ЗЕМНЫЕ ОБОЛОЧКИ

 

Современная Земля состоит из нескольких неоднородных оболочек – атмосферы, гидросферы, биосферы и литосферы, под которой в глубоких недрах находятся мантия и ядро.

АТМОСФЕРА – внешняя газовая оболочка, ограниченная снизу твердой и жидкой поверхностью Земли. Масса земной атмосферы около 5,3 10¹⁵ тонн, что составляет 1/1000000 часть массы всей планеты. Давление воздуха на уровне моря в среднем равно 1,013 х 10⁵Па, а плотность – 1,3 х 10^‑3 г/см³.

Атмосфера Земли состоит из азота 78,09 %), кислорода (20,94 %), аргона 0,93 %), углекислого газа (0,033 %), а также неона, гелия, метана, ксенона, криптона, водорода и других газов, процентное содержание которых незначительно. Помимо этого, в воздухе имеются некоторые активные примеси, такие, например, как водяной пар, озон и различные аэрозоли (мельчайшие взвешенные частицы).

Средняя температура воздуха у земной поверхности составляет +14,3 °C. По характеру распределения температуры в атмосфере различают несколько слоев:

а) Нижний слой – ТРОПОСФЕРА, ограниченная в зависимости от широты высотами 8–17 километров. Воздух в этом слое нагревается от поверхности Земли, и поэтому с высотой он становится все холоднее (на каждый километр высоты температура в среднем понижается на 6–6,5 °C). Здесь сосредоточен почти весь водяной пар, образуются облака, формируются и развиваются мощные атмосферные вихри (циклоны и антициклоны).

б) СТРАТОСФЕРА расположена на высотах от 8–17 до 50–55 километров. Здесь находится озоновый экран, роль которого в поглощении ультрафиолетовой радиации, губительной для живых организмов, трудно переоценить. Наибольшая концентрация озона наблюдается на высотах 18–24 километра. Особенностью стратосферы является то, что с увеличением высоты на один километр температура в ней повышается на 1–2 градуса: поэтому на верхней границе этого слоя температура может оказаться не только нулевой, но даже и положительной.

в) МЕЗОСФЕРА располагается на высотах от 50–55 до 80 километров. В этом слое вновь происходит понижение температуры с увеличением высоты, что приводит к значениям минус 60– 100 °C на его верхней границе.

г) В следующем слое – ТЕРМОСФЕРЕ температура снова начинает увеличиваться таким образом, что на высоте 100 километров она переходит нулевую отметку, а на высоте около 800 километров достигает максимума +2000 °C. Здесь происходит интенсивное поглощение ультрафиолетового излучения Солнца, нагрев и ионизация атмосферы. В мезосфере и нижней части термосферы образуются электрически заряженные ионы, в связи с чем слой, расположенный в интервале высот 60–400 километров, зачастую называют ИОНОСФЕРОЙ.

Следующая оболочка Земли – ГИДРОСФЕРА. Ее масса равна 1,46 10⁶триллионов тонн, что в 275 раз больше массы атмосферы, но в то же самое время она составляет всего‑навсего только 1/4000 часть от массы всей Земли. Воды Мирового океана «охватывают» 94 % от общей массы гидросферы, 4 % приходится на подземные воды, почти 1,8 % – на ледники Антарктиды и Гренландии, менее 0,2 % – на горные ледники, поверхностные реки и озера.

Мировой океан занимает 70,8 % земной поверхности, а его средняя глубина составляет около четырех километров. Это ничтожно малая величина по сравнению с общей длиной земного радиуса, но она вполне достаточна, чтобы сделать дно Мирового океана почти недосягаемым для непосредственных исследований. Наибольшая глубина зафиксирована в тихоокеанской Марианской впадине – 11023 метра. Ложе Мирового океана с глубиной более 3 километров занимает 77 % всей его площади.

Океаническая вода – это сложный раствор солей, заполняющий океанические впадины. Вода океанов и морей обладает массой 1,4 миллиарда тонн, объемом немногим более 1,3 миллиарда кубических километров, что составляет почти 5 % всего объема гидросферы.

В пределах земных океанов выделяются отдельные крупные поднятия, подводные горы и так называемые срединно‑океанические хребты, в осевой части которых располагаются рифтовые долины, представляющие протяженные провалы с крутыми боковыми стенками. Хребты эти образуют непрерывную цепь длиной свыше 60 000 километров. Они возвышаются на 3–4 километра и, естественно, нарушают глубинную циркуляцию океанических вод. Еще одной специфической формой океанического дна являются глубоководные желоба, ширина которых не превышает нескольких десятков километров, а длина достигает сотни километров. Эти желоба располагаются в основном на периферии океанов и как бы отделяют от него островные дуги. Примерами в данном случае могут служить Курило‑Камчатский и Алеутский глубоководные желоба.

Земные континенты окаймляют мелководной зоной глубинами до 200 метров – это так называемые шельфы, или материковые отмели, занимающие всего лишь 8 % площади Мирового океана.

Верхний слой каменной оболочки земли, или, по‑другому, ЛИТОСФЕРЫ, отделенный от нижележащих слоев (мантии) так называемой «поверхностью Мохоровичича», именуется земной корой.

Различают два основных типа земной коры: континентальную, из которой состоят материки, и океаническую, образующую дно океанов. Первая гораздо старше: некоторым ее участкам 3,8 млрд лет, тогда как у океанической коры возраст составляет немногим более 150 млн. лет. Средняя мощность континентальной коры равна 25–75 километрам, а океанической – намного меньше.

Верхнюю часть континентальной коры слагают осадочные породы мощностью около 3 километров и средней плотностью 2,5 г/см³. Ниже залегает гранитно‑метаморфический слой средней мощностью около 17 километров. Плотность его составляет 2,6–2,8 г/см³. Еще ниже находится базальтовый слой средней толщины 15 километров и плотностью 3,3 г/см³.

Совершенно по‑иному выглядит разрез океанической коры. Под слоем рыхлых осадков средней мощностью всего 0,7 километра находятся два слоя. Первый из них, мощностью около 1,7 километра, слагается преимущественно базальтами, а второй, мощностью около 5 километров, состоит из преобразованных путем гидратации (реакции с водой) горячих глубокозалегающих ультраосновных пород – серпентинитов.

И, наконец, на Земле нужно выделить еще одну оболочку, которая очень часто называется БИОСФЕРОЙ. Это глобальная система, обладающая свойствами саморегулирования, имеет свой «вход» (поток солнечной энергии, поступающий из космоса) и «выход» (образования, возникающие в результате жизнедеятельности земных организмов).

Верхней границей биосферы служит озоновый слой атмосферы, в то время как ее нижняя граница довольно расплывчата. Дело в том, что даже в Марианской впадине были обнаружены живые организмы. Оказывается, не только бактерии, но и самые различные микроорганизмы по существующим трещинам и порам проникают в осадочный слой и толщу рыхлых пород дна Мирового океана вплоть до его базальтового слоя и, соответственно, до гранитно‑метаморфического слоя на континентах. А в современной биосфере, по подсчетам ученых, существует около двух миллионов видов живых организмов, каждый из которых, в свою очередь, включает в себя миллионы и миллионы особей.

В этом плане можно согласиться с академиком В. И. Вернадским, который, изучая проблему роли органического мира в жизни нашей планеты, пришел к выводу, что живое вещество принимает самое активное участие во всех геологических процессах на поверхности Земли и в образовании ее атмосферы.

 

ЭКСКУРС В ГЛУБЬ ЗЕМЛИ

 

Наука еще не изобрела такой аппарат, в котором человек мог бы проникнуть в глубокие недра планеты и исследовать их. Пока ученым приходится судить о строении земных недр по косвенным признакам. Они делают это с помощью геофизических методов: сейсмического, гравиметрического и магнитометрического.

Первый наиболее важен. Суть его заключается в том, что на поверхности Земли искусственно (например, путем взрыва) создают упругие колебания – сейсмические волны, которые имеют определенные особенности при прохождении земных недр: в плотной среде скорость этих волн возрастает, в рыхлой – резко снижается, а в жидкостях некоторые из них вообще не распространяются.

Сейсмические волны делятся на объемные и поверхностные. Объемные волны, в отличие от поверхностных, пронизывают все тело нашей планеты, т. е. они буквально «просвечивают» Землю и, подобно рентгеновскому анализу, выявляют внутреннее ее строение. Поверхностные же волны используют для изучения структуры наружных слоев Земли.

Сейсмические колебания, проходя земной шар насквозь или частично отражаясь от разделов сред с различной плотностью, возвращаются на поверхность Земли, где они регистрируются и изучаются. Изучив полученные данные, ученые выяснили, что земной шар внутри, подобно луковице, состоит из нескольких концентрических оболочек, вложенных одна в другую. Наиболее отчетливо выделяются три оболочки (или геосферы), о которых уже упоминалось выше: земная кора (литосфера), мантия и ядро.

Самая верхняя оболочка нашей планеты – земная кора – представляет собой весьма тонкое «покрывало», под которым скрыты неспокойные недра Земли. В среднем толщина коры или, если говорить образно, тонкой пленки, в которую «обернут» земной шар, составляет всего 0,6 % от длины радиуса Земли.

 

 

Земная кора отделяется от нижележащего слоя, как уже говорилось, поверхностью Мохоровичича, или сокращенно – границей Мохо. Ниже ее располагается мантия Земли. Плотность вещества мантии выше плотности пород земной коры и колеблется от 3,3 г/см³ в верхней части до 6–9 г/см³в низах мантии. Некоторые ученые делят мантию на верхнюю и нижнюю (граница между ними лежит на глубине 900 километров).

Верхняя мантия изучена лучше нижней, но в отношении ее у ученых еще осталось немало вопросов. Характерная черта строения верхней мантии – ее расслоенность. Например, на глубине около 100 километров под материками и около 50 километров под океанами находится слой, близкий к плавлению или даже содержащий расплавы составляющих его пород, который носит название астеносферы (слой Гутенберга). Благодаря пластичности астеносферы, лежащие выше ее твердые блоки (плиты) земной коры могут скользить по ней.

Нижняя мантия, располагающаяся в интервале глубин от 900 до 2920 километров, характеризуется большой плотностью вещества. Под нижней мантией сокрыто земное ядро.

 

САМАЯ ЗАГАДОЧНАЯ ГЕОСФЕРА

 

Как, вероятно, уже догадался читатель, речь в данном случае пойдет о земном ядре, которое занимает центральную часть Земли, составляя около 17 % ее объема и 33 % массы, и в отношении которого единой точки зрения у ученых не существует.

Сейсмические данные указывают на сложное строение ядра: оно состоит из двух, а, возможно, и более концентрических оболочек с несколько различающимся составом. Пожалуй, наиболее достоверно все же то, что оно делится на внешнее и внутреннее ядро с промежуточным слоем.

Внешнее ядро (слой Е) заключено в пределах 2900–5000 километров. Его объем 15,16 %, а масса – 29,8 %. Предполагается, что данный слой находится в расплавленно‑жидком состоянии.

В основании внешнего ядра располагается переходная оболочка (слой F), находящаяся в интервале глубин 5000–5200 километров, и характеризующаяся некоторым увеличением скорости продольных упругих колебаний.

Внутреннее ядро (слой G или субъядро) занимает самую сердцевину нашей планеты. Его радиус 1250 километров, объем около 7 %, а масса около 1,2 % массы Земли. Плотность вещества внутреннего ядра достигает 13 г/см³ и более.

О химическом составе ядра Земли существуют два основных мнения. Одни исследователи считают ядро железным, но состоящим из никеля и железа. Другие же считают, что оно сложено силикатами, которые находятся в «металлизированном» состоянии. Однако последнее предположение ставится под большое сомнение. Сейчас преобладает промежуточная точка зрения, согласно которой внутреннее ядро – все же железо‑никелевое, а внешнее сложено сверхплотными силикатами, которым, однако, присуще высокое содержание железа и никеля.

Более десяти лет назад американскими геологами была сделана удивительная находка, ставшая «последней каплей», которая склонила чашу весов в пользу модели земного ядра, состоящего из внешнего слоя, сложенного сверхплотными силикатами, и внутреннего, железо‑никелевого субъядра…

В 1974 году в обломках гравия горного хребта Кламат в штате Орегон был обнаружен минерал, не имеющий ничего общего ни с одним из известных на Земле минералов. Первоначально предположили, что это обломок метеорита, но на образце не было следов обжига, ударного воздействия. Кроме того, на метеоритах остаются космические метки за счет жесткого облучения Солнцем, здесь же было все чисто. Вывод был сделан один – это минерал чисто земного происхождения. Что же в нем было необычного?.. Его химический состав.

Геологи и геохимики Корнеллского университета США определили, что минерал, названный джозефинитом, состоит на 86 % из металлов и на 14 % из силикатов. Металлическая фракция сложена никелем (69,9 %) и железом (30,1 %). По своему составу обсуждаемый минерал как нельзя лучше соответствует гипотетическому веществу внешнего ядра Земли, у него высокая плотность и своеобразная уплотненная структура. Ученые предполагают, что кусочек самых глубоких внутренних сфер нашей планеты был вынесен на ее поверхность мощными потоками мантийного материала.

Таким образом, современные данные о внутреннем строении Земли, с которыми мы конспективно ознакомились выше, позволяют сравнить нашу планету с вращающимся толстостенным шаром (кора и мантия) с внутренней полостью, заполненной жидкостью (внешнее ядро), в которой плавает сравнительно небольшое, также шарообразное твердое субъядро.

В центре этой системы внутреннее ядро удерживается силами ньютоновского тяготения, оно может вращаться иначе, чем мантия. По существующим представлениям, именно благодаря этому эффекту (динамо‑механизм) и возникает геомагнитное поле Земли.