Земля как планета и природное тело

Ты разумом вникни поглубже, пойми, что значит для нас называться людьми. земное с небесным в тебе сплетено два мира связать не тебе ли дано?

Фирдоуси

Земля кажется такой огромной, такой надежной и так много значит для нас, что мы не замечаем ее второстепенного положения в семье планет Единственное слабое утешение состоит в том, что Земля — наибольшая из планет земной группы. К тому же она обладает атмосферой средней мощности, значительная часть земной поверхности покрыта тонким неоднородным слоем воды, а вокруг нее обращается величественный спутник диаметр которого равен четверти земного диаметра (рис. 9.3). Однако эти аргументов вряд ли достаточно для того, чтобы поддерживать наше космическое самомнение. Крошечная по астрономическим масштабам Земляэто наша родная планета, и поэтому она заслуживает самого тщательног изучения.

По форме Земля близка к двуосному эллипсоиду. На XVI съезде Международного астрономического союза, состоявшемся в Гренобле (Франция) в августе 1976 г., приняты следующие элементы земного сфероида: экваториальный (наибольший) радиус /?, = 6378,140 км, полярный (наименьший)В радиус = 6356,755 км, различие в радиусах Д_э —В = 21,385 км, сжатие.

Сфероид Земли близок к геоиду — поверхности океанов, продолженной под материками, в каждой точке которой перпендикуляр совпадает с направлением силы тяжести. За средний радиус Земли принимаю 7?_ср = 6371 км, который соответствует радиусу шара по объему равного объему эллипсоида Земли.

Относительно геоида производятся измерения высот на суше и глубин в океане. Наибольшую высоту над поверхностью мирового океана — 8848 км имеет вершина Джомолунгма (Эверест), находящаяся в Гималая (Евразия), а наибольшую глубину — 11 022 м — имеет Марианский жело в Тихом океане.

Рис. 93. Планета Земля со спутником.

Земля участвует в двух движениях, происходящих с запада на восток: она вращается вокруг собственной оси и обращается вокру Солнца. Положение точки или тела на земной поверхности определяют с помощью географической сетки. Географическую сетк образуют полюса, параллели и меридианы.

Точки пересечения оси вращения Земли с ее поверхностью называются географическим полюсами. Имеются северный и южный географические полюса. Большой круг земно поверхности, образованный пересечение плоскости, проходящей через центр Земл перпендикулярно оси ее вращения, называется экватором. Он делит земной шар на Северное и Южное полушария Линии сечения поверхности Земли плоскостями, параллельными плоскости экватора, называются параллелями, а линии сечения, образованны плоскостями, проходящими через ось вращения Земли, — меридианами.

Для определения положения точки на земной поверхности используют две географические координаты: широту и долготу. Географическая широт (ф) — это угол между плоскостью экватора и отвесной линией в точке, положение которой определяется. Широта отсчитывается в пределах от нуля (на экваторе) до 90° (на полюсах) в сторону Северного и Южного полюсов и называется соответственно северной и южной широтой. Географическая долгота (Я) — это угол между нулевым (Гринвичским) меридиано и плоскостью меридиана, проходящего через точку, положение которо определяется. Долгота отсчитывается в пределах от нуля (на Гринвичско меридиане) до 180° на восток или на запад. Соответственно этому различают восточную или западную долготу. Орбита обращения Земли вокру Солнца близка к окружности и представляет собой эллипс с малым эксцентриситетом (е = 0,017). Солнце находится не в центре орбиты, а в одно из фокусов эллипса. Поэтому на протяжении года расстояние от Солнц до Земли периодически меняется: от 147,1 млн км (3 января) до 152,1 мл км (4 июля). Большая полуось земной орбиты определяет среднее расстояние Земли от Солнца — 149,6 млн км. Фокус орбиты отстоит от центр эллипса на 2,5 млн км. Самая ближайшая к Солнцу точка земной орбит называется перигелием, а самая далекая — афелием, апогелием.

Перпендикулярная к солнечным лучам поверхность Земли на среднем расстоянии от Земли до Солнца за последние 3 млрд лет получала одинаковое количество солнечной энергии. Поэтому ее называют Солнечно постоянной, она равна Е₀ = 1360 Вт/м². Однако количество поступающе солнечной энергии в данную точку земной поверхности в течение год изменяется. Поэтому на Земле происходит смена времен года. Это изменение количества энергии происходит по двум причинам. Из-за изменения расстояния от Земли до Солнца в перигелии (3 января) количеств энергии, поступающее на Землю, на 7% больше, чем в афелии (4 июля) Более существенно изменяется солнечная энергия, поступающая на данную поверхность Земли, из-за изменения наклона падения солнечны лучей. Это происходит в течение года вследствие обращения Земли вокру Солнца, наклона земной оси к плоскости орбиты под углом 66°33' и сохранения этого наклона при обращении вокруг Солнца. Например, Москва 4,6 раза больше получает солнечной энергии в день летнего солнцестояни 22 июня, чем в день зимнего солнцестояния 22 декабря. Количество падающей солнечной энергии зависит от географической широты и полуденно высоты Солнца над горизонтом.

В соответствии с видимым движением Солнца земная поверхность разделена на тепловые (климатические) пояса. Области земной поверхности, отстоящие от полюсов на 23°27 называются полярными кругами или северным и южным холодным поясами. На границах полярных круго один раз в году наблюдается полярный день и полярная ночь. Пояс земно поверхности, ограниченный по обе стороны от экватора географическим параллелями 23°27' (северным и южным тропиками), называется жарким или тропическим, поясом. В этом поясе два раза в год Солнце в полден проходит через самый зенит и его лучи падают на земную поверхност отвесно. На самих тропиках Солнце проходит через зенит только один ра в год — 22 июня на северном тропике и 22 декабря — на южном тропике Между полярными кругами и тропиками лежат умеренные пояса; в них никогда не бывает полярных дней и ночей и Солнце никогда не проходит через зенит.

Данные геофизики, геохимии, геологии, физической географии и других наук привели к выводу о том, что земной шар в своем строении состоит из ряда концентрических оболочек, или геосфер. Геосферы одна от друго отличаются по химическому составу и агрегатному состоянию вещества что определяется термодинамическими условиями их существования В направлении от центра земного шара к космическому пространству выделяются следующие геосферы: литосфера, биосфера, гидросфера, атмосфера, магнитосфера. Литосфера и атмосфера, в свою очередь, разделяютс на ряд сферических слоев, неодинаковых по своим физическим свойствам.

Ниже приведены краткие данные о каждой сфере.

Литосфера, т. е. твердая сфера Земли, изучена методами анализа распространения сейсмических волн. Эти исследования показали, что плотность земных пород, увеличивающаяся к центру Земли, в некоторых местах дает скачкообразный рост. По этим изменениям строение Земли разделяю на ядро, мантию и кору (рис. 9.4). Причем внешнее ядро находится в расплавленном состоянии, внутри него имеется твердое ядро. Вещество внешнего ядра обладает свойствами тягучей жидкости и электропроводностью Температура внутри Земли повышается с градиентом 2° на 100 м глубины Причиной разогрева земного грунта является радиоактивный распад элементов в мантии. Сейчас считают, что кора вместе с гидросферой и атмосферой образовалась в результате вулканической деятельности — выбросо лавы, пара и газов из внутренних частей мантии. Вулканическая деятельность также привела к образованию гор. Возраст земной коры оцениваетс примерно в 3,8 млрд лет. В верхней части она образована осадочными, т. е вторичными, породами, кое-где с участием молодых вулканогенных пород В океанических впадинах под осадочными имеется базальтовый слой У материков между осадочной толщей и базальтовым слоем залегает ещ гранитный слой. Пересекая поверхность Мохоровичича, продольные сейсмические волны изменяют свою скорость скачкообразно: с 7,1 км/с на 8,1 км/с.

Рис. 9.4. Разрез земного шара:

Л — земная кора; В_} С, О — верхняя, средняя и нижняя мантии; ?, ? — внешнее и внутреннее ядра Мощнейшие толщи вторичных пород (в том числе и преобразованных в граниты) земной коры — ярчайший показатель необычно высокой активности действующих на Земле экзогенных процессов по сравнени с процессами на других планетах. Природа щедро разбросала свои материальные ресурсы по нашей планете. Но если сравнить их с наиболее част употребляемыми материалами, то нетрудно заметить между ними неку обратно пропорциональную зависимость: чаще всего человек используе те вещества, запасы сырья которых ограничены, и, наоборот, крайне слаб использует такие химические элементы и их соединения, сырьевые ресурс которых почти безграничны. В самом деле, 98,6% массы физически доступного слоя Земли составляют всего восемь химических элементов. Картин их распределения представлена на рис. 9.5.

Рис. 9.5. Природное распределение элементов Земли.

В морфоструктурном отношении Земля резко отличается от других планет, в частности, широким распространением линейных форм, которых там или вообще нет, кроме тектонических разломов, или они единичны и слаб выражены. Для человечества недра Земли являются кладовой полезны ископаемых. Их добыча из года в год растет, и в настоящее время человечество ежегодно извлекает из недр Земли более 1 млрд т железной руды более 3 млрд т нефти, более 2,5 млрд т угля, миллиарды тонн строительны и других материалов.

Процесс формирования полезных ископаемых связан с эволюцией Земли. Одна из современных теорий, объясняющих динамику процессо в земной каре, называется теорией неомобилизма. Дрейф крупных пли литосферы с возвышающейся на них сушей называется неомобилизмом Теория неомобилизма сегодня является основой всех наук о Земле. Она в частности, вносит весомый вклад в описание таких процессов, происходящих в земной коре, как извержения вулканов и землетрясения.

Атмосфера. Земли представляет собой газовое образование, которое окутывает нашу планету сплошной оболочкой. Верхняя граница атмосфер лежит на высоте нечетко, так как с высотой газы разрежаются и постепенн переходят в мировое пространство.

Атмосфера сохраняет тепло солнечных лучей, защищает живое от губительного воздействия далеких ультрафиолетовых солнечных излучений и космических лучей. Без атмосферы на Земле был бы резкий температурный контраст между освещенной и не освещенной солнечным излучение сторонами планеты.

Атмосфера Земли образована смесью газов, влаги и частиц пыли. Сухой воздух вблизи поверхности Земли содержит 78,09% азота, 20,95% кислорода, 0,93% аргона, 0,03% углекислого газа. На долю всех остальных газообразных элеентов вместе взятых приходится 0,01%. Состав атмосфер до высоты 100 км существенно не изменяется, а выше кислород, а зате и азот находятся в атомарном состоянии. Влага попадает в атмосфер вследствие испарений с поверхности Земли. Около 90% ее сосредоточен в нижнем пятикилометровом слое. Половина массы атмосферы находитс до высоты 5—6 км, а 90% — до 16 км.

С высотой изменяется не только атмосферное давление, плотность и температура воздуха, но и электрическое состояние атмосферы, а на больших высотах еще и состав. Поэтому в атмосфере выделяют несколько сфе с различными свойствами. К ним относятся: тропосфера, стратосфера мезосфера, термосфера (или моносфера), экзосфера. Тропосфера простирается от поверхности Земли до высоты 8—12 км. В тропосфере находитс почти весь водяной пар. Здесь формируется погода. Характерная особенность тропосферы — понижение температуры в среднем на 6 °C на кажды километр высоты. Над тропосферой находится стратосфера. Ее верхняя граница расположена на высоте 50—55 км. Стратосфера характеризуется возрастанием температуры с высотой. Стратосфера отличается от тропосфер малой турбулентностью воздушных масс, ничтожным содержанием водяного пара, повышенным содержанием озона. Выше стратосферы до высо порядка 80 км находится мезосфера. В ней температура с высотой надае и у верхней границы составляет -80 °С. Между высотами 80 км и 800 к располагается термосфера. В термосфере температура растет до 2000 °СВ из-за влияния радиации Солнца. Учитывая способность газов термосфер ионизировать, ее называют также ионосферой. Экзосфера — самая верхняя сильно разреженная часть атмосферы с температурой 2000 °C. На высота 20—25 км концентрация озона наиболее высокая и этот тонкий слой называют озоносферой.

Гидросфера, или водная оболочка Земли, не является сплошной и занимает 70,8% земной поверхности. Гидросфера влияет на климат, создавая значительный парниковый эффект, сглаживает температурные контрасты различных участков земной поверхности за счет большой теплоемкости и переноса тепла из экваториальной области в умеренные и полярны широты. К гидросфере относятся Мировой океан и воды суши: реки, озера подземные воды, ледники. Все они связаны между собой в планетарно процессе круговорота воды, газов и минеральных солей. Самое большо скопление воды на поверхности Земли составляет Мировой океан, который делится на Тихий, Атлантический, Индийский, Северный и Южны Ледовитый. Интенсивное перемещение океанических вод происходит ка за счет мощных течений, так и вследствие приливов и отливов. Поверхност океанов и морей постоянно покрыта волнами. Различают волны ветровые, цунами и барические. Первые из них возникают при ветре. Особенн большие волны вызывают штормы и ураганы. Волны цунами образуютс при извержениях подводных вулканов и при подводных землетрясениях Барические волны возникают при прохождении циклона. Мировой океан является самым большим скоплением воды на Земле, основным водохранилищем и колыбелью жизни нашей планеты и играет роль гигантского геохимического реактора и аккумулятора тепловой энергии.

В гидросферу Земли входят также реки и озера. Различают четыре вида питания рек: дождевое, снеговое, ледниковое, подземное. Озера занимают 2% поверхности суши. В целом гидросфера Земли представляе собой уникальное образование. Ничего подобного пока что не обнаружен ни на какой другой планете. Именно благодаря гидросфере на Земле присутствует живое вещество, и вполне возможно, что именно наличие гидросферы является основной причиной его возникновения.

Биосфера — одна из оболочек Земли, свойства которой обусловили появление, существование и развитие в ее пределах органической жизни В биосферу включают нижнюю часть атмосферы (тропосферу), гидросфер и верхнюю часть литосферы. Таким образом, верхняя граница биосфер поднимается до высоты 33 км, где еще встречаются бактерии, а нижня граница находится в литосфере на глубине 11 км, где обнаружены микроорганизмы в водах нефтяных месторождений. С жизнедеятельностью организмов связаны процессы газообмена, круговорот кислорода, углекислог газа, углекислоты и воды, а также малый биологический круговорот биогенных химических элементов. Кроме того, организмы принимают значительное участие в формировании геологических напластований в земно коре (ископаемые угли, ракушечные известняки и др.); изменяют релье поверхности Земли и играют первостепенную роль в развитии почв.

Магнитосфера обусловлена наличием вокруг нее магнитного ноля. Земля обладает относительно большим магнитным полем. Магнитны полюса Земли не совпадают с географическими, а магнитная ось Земл наклонена относительно оси вращения под углом около 11,5°. Причино несоответствия современного геомагнитного поля древним полям (палеомагнетизм) являются горизонтальные перемещения отдельных частей земной коры. Магнитное поле Земли удерживает огромное число энергичны частиц, как электронов, так и протонов, образуя вокруг Земли ее магнитосферу. Частицы заполняются как огромные кольца или пояса, охватывающие Землю вокруг геомагнитного экватора.

Для людей важным процессом на Земле является погода, которая определяется явлениями, происходящими в атмосфере при ее взаимодействии с земной поверхностью, Мировым океаном и Вселенной. Совокупност и последовательная смена всех возможных в данной местности услови погоды за многолетний промежуток времени называется климатом. Различают климат материка, какой-то его части, зоны, района, города. Погод и климат воздействуют на все живое, существенно влияют на деятельность людей. Наука о земной атмосфере и происходящих в ней процесса называется метеорологией. Метеорологи разрабатывают и совершенствую методы прогноза погоды, ищут способы изменения погоды и климат в необходимом для людей направлении.

Климат любой части земного шара зависит прежде всего от географической широты. Имеется зональность и высотная поясность растительности, связанная с изменением количества приходящего на Землю тепла.

Основными причинами зональности природы Земли являются ее шарообразность, суточное вращение и годовое обращение Земли вокруг Солнца. Количество поступающей солнечной энергии убывает от экватора к полюсам в зависимости от угла падения солнечных лучей и длины их пути чере атмосферу. Это и является причиной географической зональности.

Поверхность Земли обладает различной способностью отражать солнечные лучи (величиной альбедо). Больше всего солнечных луче (от 80 до 97%) поглощает гидросфера. Поэтому Мировой океан являетс накопителем и главным источником тепла на Земле. Однообразием свойст водной поверхности объясняется равномерность и малая величина колебаний температуры над океанами. В отличие от водной свойства поверхности суши разнообразны и ее участки поглощают разное количество солнечной энергии. Основной причиной движения воздуха на земном шаре, т. е причиной возникновения ветров, является неравномерное распределени на поверхности Земли лучистой энергии Солнца.

К метеорологическим элементам, определяющим погоду, относятся солнечная радиация, температура воздуха и почвы, влажность воздуха, атмосферное давление, ветер, облачность, осадки, снежный покров, видимость, метель, туманы и т. д.

При сближении теплового и холодного потоков воздуха горизонтальные перепады температуры, влажности и давления увеличиваются, а скорост ветра возрастает. Зоны, в которых холодные и теплые воздушные масс сближаются, называют переходными, или фронтальными. В области эти фронтов из-за разности температур и давлений возникают обширны вихри, называемые циклонами и антициклонами. Как и на всякое движени относительно Земли, на направление и силу ветра существенное влияни оказывает вращение Земли (силы Кориолиса). Развиваясь, эти вихри охватывают всю тропосферу, достигая десятков тысяч километров в диаметре Обычно с циклонами связана облачная с осадками погода, с антициклонами — ясная и малооблачная. В циклоне преобладают восходящие движения воздуха, которые способствуют конденсации влаги, в антициклоне —В нисходящие, при которых степень насыщения влагой уменьшается.

На низких географических широтах преобладают ветры, называемые пассатами и муссонами. Пассаты — это ветры, возникающие из-за различия атмосферного давления в экваториальной зоне. В Северном полушарии они имеют северо-восточное направление, в Южном — юго-восточное Муссоны — это сезонные ветры, возникающие из-за разности температу воздуха над материками и океанами. Зимой они дуют с холодных материков к теплым океанам, летом — со сравнительно холодных океано на нагретые материки.

В последнее столетие наблюдается глобальное потепление климата Земли. Причиной глобального потепления па планете считается увеличение содержания в атмосфере углекислого газа. Это является результато развивающейся хозяйственной деятельности людей.

Большинство обитателей Земли принимают свою планету такой, какая она есть. Конечно, люди ворчат на плохую погоду, жалуются на плохи урожаи или стихийные бедствия, но обычно не проводят критического анализа. Когда-то такое отношение было оправданно. Ведь у человека не было выбора, поскольку, родившись на Земле, он должен был принимать ее гостеприимство. Теперь, когда наступила эпоха освоения космического пространства, уместно спросить: не стоит ли переселиться на другу планету или обосноваться в космическом корабле? Окинем же родну планету критическим взглядом. Посмотрим, в какой степени безопасн существовать на Земле, какие опасности таятся в космосе и какие уникальные условия необходимы для поддержания хрупкого творения, которое м называем жизнью.

Среди планет земной группы Земля достигла высокой степени эволюции благодаря исключительному динамизму развития, широкому диапазону интенсивных природных процессов. Коренные изменения планеты произошли в ее внешней области — в строении коры, устройстве поверхности, составе атмосферы и климатической обстановке. По сравнени с другими планетами Земля обладает наибольшей плотностью, а следовательно, и большим количеством радиогенной и гравитационной энергии что обеспечивает ей чрезвычайно активную внутреннюю жизнь.

Сила притяжения Земли оказалась достаточной для удержания выделявшихся из ее недр газов и паров воды, из которых сформировались плотная атмосфера и мощная гидросфера. Земная поверхность как бы надежно защитилась от воздействия космоса (сильного охлаждения, проникновени губительной для всего живого коротковолновой радиации Солнца и космических лучей), а также и от метеоритной бомбардировки. Атмосфер обладает еще одним важным свойством — парниковым эффектом. Благодаря ему средняя температура земной поверхности поднялась на 38 °C, т. е вместо равновесной температуры земной поверхности в -23 °С ее действительная температура составляет в настоящее время +15 °С.

Гидросфера вследствие высокой теплоемкости и низкой теплоотдачи сильно смягчает температурную контрастность земной поверхности. Этом способствует и облачный покров, распространенный приблизительн на 50% поверхности земного шара.

На Земле мало мест, где максимальные годовые амплитуды температур превышают 100 °C (Центральная Якутия). Колебания температуры в остальных районах крайне малы — на экваторе, например, не более 10 °C, в средне максимальные колебания можно считать от +50 °С до -50 °С. Для функционирования природной среды важно, что в этом температурном интервал гидросфера может находиться во всех трех фазах: жидкой, твердой, газообразной. Воды на Земле так много (причем 95% ее находится в жидкой фазе), чт если бы ее равномерно распределить по поверхности суши, то образовался б слой толщиной в 2,7 км, т. е. Землю можно считать океанической планетой В самом деле, 71% поверхности Земли приходится на океаны и моря и тольк 29% площади, т. е. в ~2,5 раза меньше, занимает суша.

На Земле экзогенные процессы (перемещения и преобразования вещества под влиянием солнечной энергии) протекают в бурном темпе, что оказывает существенное воздействие даже на общую эволюцию планеты, а тем более на ее внешнюю область. Экзогенный фактор на Земле може при соответствующих условиях не только свести на нет морфологический эффект действия эндогенного фактора (перемещения и преобразования под воздействием внутренней энергии), но и полностью нейтрализоват фундаментальный космический фактор — метеоритную бомбардировку.

Сейсмическое зондирование земных недр установило факты их дифференциации на концентрические сферы. Это установлено из анализа изменения скорости прохождения сейсмических волн — продольных (Р)В и поперечных (5). В твердом веществе земных недр плотность с глубино возрастает и соответственно увеличивается скорость прохождения сейсмических волн. Через жидкую среду (внешнее ядро) поперечные волн не проходят, а скорость продольных снижается.