3.2.11. Земля
Наконец мы приблизились к Земле. Можем взглянуть на нее с космической точки зрения, как на планету Солнечной системы: выяснить, каково ее строение, планетарные параметры и свойства и многое другое. Ведь о Земле, наверное, известно намного больше, чем о планетах и других космических телах, которые находятся от нас на огромных расстояниях. Взглянем вначале на Землю из космоса, так легче получить общее представление. Тем более что взгляд из космоса сейчас вполне возможен – имеется большое количество фотографий Земли, сделанных с орбит искусственных спутников, из других точек околоземного пространства, с Луны и более отдаленных областей Солнечной системы (см. рис. 13, 14 на вкладке).
Посмотрим на рис. 14. Ничего неожиданного, голубая планета, темно-синие океаны, зеленовато-коричневые континенты, все узнаваемо, почти как на глобусе. Видны белые облака, закрывающие часть поверхности. Это наш космический дом. Чтобы понять, как он стал таким, каким мы его знаем, и как он устроен внутри, о чем мы знаем не так уж много, заглянем в прошлое. Постараемся представить себе волнующий момент в истории космоса – рождение Земли, а заодно и всех остальных планет Солнечной системы. Как судят об этом естественные науки? Имеются ли какие-либо основания описать процессы образования планет и объяснить, почему Солнечная система такая, какая она есть сейчас, почему Земля стала нашим домом? Детального ответа на все эти вопросы мы дать не сможем, исследования в этой области находятся в стадии развития, данные все время уточняются, появляются новые факты и новые мнения. Да и события эти происходили очень давно, в то время не было фото- и видеоаппаратуры, чтобы зафиксировать происходящее. Не было и самих наблюдателей! Но общая картина, как ее представляют себе ученые, существует. Она построена с помощью известных законов природы на основе имеющихся в распоряжении науки данных.
Самое начало, самый трудный для описания этап. Предполагается, что вначале вокруг уже существующего Солнца вращалось допланетное газопылевое облако – это гипотеза российского академика О. Ю. Шмидта, которая поддерживается большинством ученых, занимающихся этим вопросом. Анализ движения мелких частиц показал, что, вращаясь вокруг Солнца по различным, отличающимся друг от друга орбитам, частицы, которых было огромное множество, неизбежно сталкивались друг с другом. Это приводило к обмену между ними энергией, разогреву и к слипанию их в вакууме. В результате столкновения и слипания «усреднялись» параметры движения частиц, сближались орбиты. К слипшимся частицам присоединялись новые, образовывались сгустки, которые росли в размерах тем быстрее, чем больше становились. Это является следствием закона всемирного тяготения – чем больше (массивнее) тело, тем сильнее оно притягивает к себе другие тела. Так постепенно образовывались первичные зародыши планет. Чем крупнее они становились, тем ближе к круговым (вследствие «усреднения») становились их орбиты. Наклоны орбит также «усреднялись», что на следующем этапе привело к образованию планет, орбиты которых находятся почти в одной плоскости. И изменением формы орбит, и выравниванием плоскостей вращения вокруг Солнца также управлял закон всемирного тяготения.
В областях, близких к Солнцу, частицы, образовавшие планеты, сильно нагревались. Летучие легкие компоненты, входящие в их состав, – замерзшие газы – испарялись. Поэтому поблизости от Солнца образовались небольшие планеты, состоящие из тугоплавких тяжелых элементов, – Меркурий, Венера, Земля и Марс – планеты земного типа. В более далеких и в более холодных частях Солнечной системы легкие элементы, находящиеся первоначально в твердом состоянии, сохранились. Поэтому там образовались планеты-гиганты – Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, состоящие в основном из водорода и его соединений. Совсем далеко от Солнца, там, где вещества в газопылевом облаке оставалось уже немного, образовался небольшой Плутон, орбита которого не смогла прийти к оптимальному виду, так как за ним уже не было значительных масс для образования других тел. По поводу образования Плутона высказываются, правда, и другие предположения.
Модель О. Ю. Шмидта позволяет объяснить многие особенности строения Солнечной системы, в частности эмпирический (выведенный на основе наблюдений) закон планетных расстояний, связывающий радиус орбиты планеты с ее номером, отсчитывающимся в порядке удаления от Солнца. Возникновение систем спутников планет также удовлетворительно может быть объяснено процессом, аналогичным процессу образования самих планет.
Безусловно, остаются вопросы, которые не удается полностью решить в рамках одной, даже очень привлекательной гипотезы. В рождении Земли не все совершенно ясно.
Но какие бы новые данные ни появились в результате новейших исследований, одно положение не может подвергаться сомнению. Ведущую роль в рождении и дальнейшей эволюции Земли играет Солнце. Его поле тяготения, свет и другие виды излучения определяют всю историю Земли.
Итак, Земля родилась из небольшого сгустка частиц протопланетного (газопылевого) облака. Произошло это, по современным данным, примерно 4,5 млрд лет тому назад. Этот срок очень велик. Жизнь одного поколения людей не превышает стомиллионной доли жизни планеты. Со времен античности до нашего времени сменилось не более 60 поколений, а за всю историю Земли могло бы смениться 100 000 000 поколений.
Когда молодая Земля выросла примерно до современной массы, а это произошло примерно через 100–200 млн лет после ее образования, она нагрелась. Главным источником разогрева первично холодной Земли считается тепло, выделяющееся при радиоактивном распаде нестабильных изотопов. Это то же тепло, которое выделяется в ядерных реакторах атомных электростанций. Только для получения большего эффекта люди ускоряют процессы распада, в единицу времени тепла на атомных электростанциях выделяется больше, чем в естественных условиях. Дополнительно нагрев Земли усиливался под действием ударов при столкновении с Землей других сгустков и более мелких тел, которых при образовании планет на орбитах вокруг Солнца было много. Предварительные расчеты показали, что в результате этих процессов температура на глубине 300–500 км под поверхностью выросла до 1500 °C. Разогрев Земли приводил к тому, что более тяжелые вещества плавились и опускались вниз, а более легкие поднимались наверх. Расплавлялись тяжелые металлы, железо, никель и погружались к центру планеты. Вверх поднимались вещества, содержащие кремний, алюминий, кислород, углерод. Этот процесс привел к гравитационному расслоению Земли (расслоению в поле тяжести) и образованию плотного ядра и менее плотных окружающих ядро оболочек.
Действительно ли так происходило, есть ли следы произошедшего расслоения, которые можно обнаружить? Оказывается, образование различных земных слоев – геосфер – на разной глубине под поверхностью действительно произошло, это можно подтвердить с помощью геофизических опытов. Во время землетрясений ударные волны пронизывают недра земного шара и на границах геосфер частично меняют скорость своего прохождения, частично отражаются от поверхности раздела. На специальных сейсмических станциях приборы улавливают эти волны, исследователи сравнивают показания различных станций и определяют центр землетрясения и одновременно устанавливают, на каких глубинах находятся поверхности раздела различных геосфер и через какие породы прошли ударные волны.
В настоящее время выделяются следующие оболочки Земли (см. рис. 15 на вкладке). В центре земного шара находится внутреннее металлическое ядро, в состав которого входят потонувшие в поле тяжести Земли железо и никель. Его радиус примерно 1250 км, т. е. граница внутреннего ядра находится на глубине 5150 км под внешней поверхностью (у нас под ногами). Расчеты показывают, что температура в центре Земли достигает 5000 °C!
Внутренне ядро окружено внешним ядром, верхняя граница которого находится на глубине 2900 км. Внешнее ядро реагирует на сейсмические волны как жидкая среда, видимо, вещество здесь находится в жидком или жидкопластичном состоянии. Ядро окутано слоем, который называется мантией. Мантия имеет сложное строение. До глубины 700 км находится нижняя мантия, вещество нижней мантии однородно по составу, об этом свидетельствуют скорости прохождения через нее сейсмических волн. Верхняя мантия расположена выше, до глубин 100–200 км. Она неоднородна по составу, в ней по мере приближения к поверхности Земли происходит падение температуры до 1000 °C, вещество этого слоя может являться смесью твердых и частично расплавленных пород.
Последняя твердая оболочка нашей планеты – земная кора. Иногда ее объединяют с твердой частью верхней мантии и называют литосферой. По составу она тоже неоднородна, как по вертикали (сверху вниз), так и по горизонтали. Ее верхней границей является поверхность Земли со всеми формами своего рельефа. Нижняя граница, расположенная на разной глубине и как бы отражающая рельеф земной поверхности, названа по имени югославского геофизика А. Мохоровичича, обнаружившего эту границу, поверхностью Мохоровичича. Под горными областями ее глубина может доходить до 80 км, под равнинами она находится не глубже 30–50 км, под океанами ее глубина составляет всего 10–12 км. Земная кора и есть та скорлупа, которая отделяет все, что на ней находится – живой мир, людей и всю человеческую цивилизацию, от частично расплавленного, раскаленного, подвижного внутреннего мира Земли. Толщина этой скорлупки в среднем меньше 1/100 радиуса земного шара, в некоторых же местах еще меньше, почти 1/1000. Об этом стоит подумать.
Современные исследования показали, что земная кора разбита сложной сетью глубоких трещин, которые уходят на большую глубину. Обычно такие трещины – их называют рифтами – соответствуют границам материковых массивов и океанических впадин (например, кольцевая зона разломов вдоль побережья Тихого океана) или горным поясам – Гималайскому, Уральскому и т. д. Горные пояса при этом представляют собой нечто вроде швов, закрывающих старые разломы. Свежие разломы – это рифты вдоль осей срединно-океанических хребтов. На суше аналогом таких рифтов являются Восточно-Африканские разломы.
Рифты разделяют всю земную кору на отдельные блоки – литосферные плиты, или платформы. Считается установленным, что литосферные плиты могут скользить по подстилающим пластичным полурасплавленным породам верхней мантии. Этот ослабленный подстилающий слой называют астеносферой («астенос» в переводе с греческого означает слабый, ослабленный), он делает возможным горизонтальный дрейф блоков литосферы. Впервые гипотезу о дрейфе материков высказал немецкий ученый А. Вегенер в начале XX в. Он обратил внимание на совпадение береговых линий некоторых материков, они как будто совмещаются друг с другом. Стыковка получается более плотной, если брать не береговую линию, а очертание шельфа – материковой отмели. В 1970 г. американские ученые изучили совмещение некоторых материков с помощью ЭВМ. Результат говорит сам за себя: хорошо совместилось более 93 % границ шельфа, т. е. краевой части материков. Особенно хорошо состыковались Африка и Южная Америка, Антарктида и Африка.
Современная теория дрейфа литосферных плит – теория мобилизма – предполагает, что плиты с одного края наращиваются вдоль рифта. Это наращивание происходит за счет выдавливания вещества верхней мантии через рифты срединно-океанических хребтов. Каждая новая порция поступающего снизу вещества давит на породы, возникшие раньше, и отодвигает их в стороны от рифта. Это давление передается далее, и дно океана постепенно расширяется, раздвигая материки. С другого края плиты погружаются в верхнюю мантию под края соседних плит. Так, африканско-индийская плита, расположенная между срединными хребтами Атлантического и Индийского океанов, на западе постоянно наращивается, а на востоке погружается под индоокеанскую плиту. Общая картина расположения литосферных плит показана на рис. 16.
Оставшиеся оболочки Земли, о которых еще не шла речь, – это гидросфера и атмосфера. Гидросфера – жидкая водяная оболочка, а атмосфера – газовая оболочка Земли. Считается, что гидросфера и атмосфера образовались вместе с земной корой в результате высвобождения веществ верхней мантии. Основная часть воды гидросферы, примерно 97 %, занимает океанские впадины и окраины материков, образуя океаны и моря. Большая часть оставшейся воды (около 2 %) образует полярные шапки и горные ледники. Пресные воды континентов – реки, озера, грунтовые и подземные воды – содержат всего 1 %. Гидросфера играет очень важную роль в формировании современного облика земного шара. Воды океанов являются основной средой в тепловом балансе Земли. Медленно нагреваясь, они в теплом сезоне аккумулируют солнечное тепло и медленно отдают его в атмосферу, нагревая массы воздуха. Суша быстро нагревается и быстро теряет тепло. Поэтому только несколько процентов тепла в общий баланс дает суша, а большая часть поступает из океанов. Присутствие жидкой воды на поверхности Земли считается ключевым фактором образования и развития биосферы. Не было бы жидкой воды, не было бы и жизни на нашей планете.
Рис. 16. Карта, иллюстрирующая расположение основных тектонических плит
Атмосфера – самая легкая из всех оболочек Земли. Ее масса составляет всего одну стотысячную долю процента (0,00001 %) массы земного шара. Под действием силы тяжести верхние слои воздуха давят на нижележащие. Наибольшее значение атмосферное давление имеет у поверхности Земли – 105 Па. Такое же давление оказывает водяной столб высотой 10 м. Давление атмосферы уменьшается с высотой, с высотой же уменьшается и ее плотность. Около 50 % всей массы атмосферы сосредоточено в ее нижнем пятикилометровом слое, там, где мы сами обитаем. Первоначально атмосфера состояла из углекислого газа и азота с некоторым количеством водорода и паров воды. К нашему времени ее состав сильно изменился. Причина этого изменения кроется в появлении жизни на поверхности Земли и ее влиянии на атмосферу. За всю историю существования биосферы – около трех миллиардов лет – живые организмы постепенно приспособили состав атмосферы к своему жизненному циклу. Точнее, произошло взаимное приспособление биосферы и атмосферы: организмы менялись под воздействием внешней среды и сами меняли ее состав так, чтобы их существование могло продолжаться.
Газовую оболочку Земли, так же как и твердую, разделяют на несколько слоев, отличающихся по своим свойствам. Слои эти расположены на разной высоте от поверхности Земли, между ними нет четких границ, они постепенно переходят друг в друга, но примерные высоты и средние свойства слоев обычно приводят. На рис. 17 (см. вкладку) даны названия атмосферных слоев, показано их расположение и ход изменения температуры при увеличении расстояния от поверхности Земли.
Самый нижний слой вблизи земной поверхности, уровень которой отсчитывают от уровня моря, распространяется до высот от 12 до 17 км в зависимости от географической широты и атмосферных условий. Это тропосфера. Тропосфера вместе с гидросферой – это зоны жизни Земли. За пределами этих геосфер живая природа сама по себе существовать не может. Выше тропосферы расположена стратосфера, знаменитая тем, что внутри нее на высотах от 20 до 35 км имеется озоновый слой – природный экран, предохраняющий все живое на Земле от губительного ультрафиолетового излучения Солнца. Верхняя граница стратосферы находится на высотах 50–60 км. Еще выше лежит срединный слой атмосферы – мезосфера («мезос» – значит средний в переводе с латинского языка). Здесь возникают самые высокие на Земле тонкие облака. При освещении Солнцем из-за горизонта эти облака блестят, поэтому их называют серебристыми облаками. Природа серебристых облаков изучена пока не полностью. Предполагается, что они состоят из мелкой пыли, занесенной потоками воздуха на большие высоты. Переходные между атмосферными слоями области носят название пауз –
тропопауза, стратопауза, мезопауза. Их толщины невелики, от нескольких сотен метров до нескольких километров.
Между высотами 80 и 800 км расположена термосфера. Она характеризуется тем, что излучение Солнца нагревает находящийся на этих высотах очень разреженный газ. Чем дальше от Земли, тем выше температура в термосфере, на высотах 500–600 км она превышает 1500 °C. В термосфере газы находятся по большей части в атомарном состоянии. Под действием ультрафиолетового излучения Солнца нейтральные атомы теряют часть своих электронов. Такие атомы приобретают электрический заряд и называются ионами. Газы, содержащие ионы, т. е. частично заряженные газы, называются ионизированными. Поэтому термосферу, содержащую ионизированные газы, называют также ионосферой. Ионосфера влияет на распространение радиоволн. Ионизированные газы отражают радиоволны среднего и короткого диапазонов длин. Эти радиоволны вновь возвращаются на земную поверхность, но уже на значительном удалении от места радиопередачи. Таким образом, ионосфера позволяет осуществлять дальнюю радиосвязь без помощи ретрансляторов.
Экзосфера – самая верхняя, очень сильно разреженная часть атмосферы. Газ, существующий в экзосфере, для нас – это почти полная пустота. Однако, если сравнивать его с пустотой межпланетного пространства, которое существует на расстояниях нескольких миллионов километров от поверхности Земли, то его плотность в сотни раз больше. Определенное значение расположения верхней границы экзосферы указать трудно. Но считается, что на высотах 1500–2000 км отличить космическое пространство от шлейфа земной атмосферы становится почти невозможно.
Данный текст является ознакомительным фрагментом.