ПЛАНЕТА ЗЕМЛЯ

Зміст

1. Планета Земля
2. Внутрішня будова Землі
3. Теплова енергія планети
4. Тектоніка плит
5. Еволюція Землі
6. Атмосфера Землі
7. Гідросфера Землі

Планета Земля

Планета Земля Земля як одна з планет Сонячної системи на перший погляд нічим не примітна. Це не найбільша, але й не найменша з планет. Вона не ближче інших до сонця, але й не живе на периферії планетної системи. І все ж Земля має одну унікальну особливість - на ній є життя. Однак при погляді на Землю з космосу це не помітно. Добре видно хмари, плаваючі в атмосфері. Крізь просвіти в них помітні материки. Більша ж частина Землі вкрита океанами.
Поява життя, живої речовини - біосфери - на нашій планеті стало наслідком її еволюції. У свою чергу біосфера мала значний вплив на весь подальший хід природних процесів. Так, якби не було життя на Землі, хімічний склад її атмосфери був би зовсім іншим.
Поза сумнівом, всебічне вивчення Землі має величезне значення для людства, але знання про неї служать також своєрідною відправною точкою при вивченні інших планет земної групи.
  
Внутрішня будова Землі

Не просто «заглянути» в надра Землі. Навіть найглибші свердловини на суші ледве долають 10 - кілометровий кордон, а під водою вдається, пройшовши осадовий чохол, проникнути в базальтовий фундамент не більше ніж на 1.5 км. Проте знайшовся інший спосіб. Як в медицині рентгенівські промені дозволяють побачити внутрішні органи людини, так при дослідженні надр планети на допомогу приходять сейсмічні хвилі. Швидкість сейсмічних хвиль залежить від щільності та пружних властивостей гірських порід, через які вони проходять. Більш того, вони відбиваються від кордонів між шарами порід різного типу і переломлюються на цих кордонах.
З записів коливань земної поверхні при землетрусів - сейсмограмою - було встановлено, що надра Землі складаються з трьох основних частин: кори, оболонки (мантії) та ядра.
Кора відокремлюється від оболонки виразною кордоном, на якій стрибкоподібно зростають швидкості сейсмічних хвиль, що викликано різким підвищенням щільності речовини. Ця межа зветься розділ Мохоровичича (інакше - поверхня Мохо або розділ М) на прізвище сербського сейсмолога, що відкрив її в 1909 р.
Товщина кори непостійна, вона змінюється від декількох кілометрів в океанічних областях до кількох десятків кілометрів у гірських районах материків. У самих грубих моделях Землі кору представляють у вигляді однорідного шару товщиною близько 35 кілометрів. Нижче, до глибини приблизно 2900 км, розташована мантія. Вона, як і земна кора, має складну будову.
Ще в XIX столітті стало ясно, що у Землі має бути щільне ядро. Дійсно, щільність зовнішніх порід земної кори становить близько 2800 кг/м3 для гранітів і приблизно 3000 кг/м 3 для базальтів, а середня щільність нашої планети - 5500 кг/м3. У той же час існують залізні метеорити із середньою щільністю 7850 кг/м3 і можлива ще більш значна концентрація заліза. Це стало підставою для гіпотези про залізного ядрі Землі. А на початку XX ст. були отримані перші сейсмологічні свідоцтва його існування.
Кордон між ядром і мантією найбільш виразна. Вона сильно відображає поздовжні (Р) і поперечні (S) сейсмічні хвилі і переломлює Р-хвилі. Нижче цієї межі швидкість Р-хвилі різко падає, а щільність речовини зростає: від 5600 кг/м 3 до 10000 кг/м 3. S-хвилі ядро взагалі не пропускає. Це означає, що речовина там знаходиться в рідкому стані.
Є й інші свідчення на користь гіпотези про рідкому залізному ядрі планети. Так, відкрите в 1905р. зміна магнітного поля Землі в просторі і за інтенсивністю призвело до висновку, що воно зароджується в глибинах планети. Там порівняно швидкі рухи можуть відбуватися, не викликаючи катастрофічних наслідків. Найбільш ймовірний джерело такого поля - рідке залізо (тобто проводить струми) ядро, де виникають руху, що діють за механізмом самовозбуждающегося динамо. У ньому повинні існувати струмові петлі, грубо нагадують витки дроту в електромагніт, які і генерують різні складові геомагнітного поля.
У 30-і рр.. сейсмологи встановили, що у Землі є і внутрішнє, тверде ядро. Сучасне значення глибини кордону між внутрішнім і зовнішнім ядрами приблизно 5150 км.
Кордон зовнішньої зони Землі - розташована на глибині близько 70 км. Літосфера включає в себе як земну кору, так і частину верхньої мантії. Цей жорсткий шар об'єднується в єдине ціле його механічними властивостями. Літосфера розколота приблизно на десять великих плит, на межах яких трапляється переважна кількість землетрусів.
Під літосферою на глибинах від 70 до 250 км існує шар підвищеної плинності - так звана астеносфера Землі. Жорсткі літосферні плити плавають у «астеносферном океані».
У астеносфері температура мантійних речовини наближається до температури його плавлення. Чим глибше, тим вище тиск і температура. У ядрі Землі тиск перевищує 3600 кбар, а температура - 6000 С0.
 
Теплова енергія планети

Про високій температурі земних надр вчені здогадувалися давно. Про це свідчили і вулканічні виверження, і зростання температури при зануренні в глибокі шахти. В середньому у поверхні Землі її збільшення становить 20 градусів на кілометр.
Теплова енергія земних надр виділяється з поверхні планети у вигляді теплового потоку, що вимірюється кількістю тепла, що виділяється з одиниці площі заедініцу часу. Виміряти тепловий потік Землі з достатньою точністю вдалося тільки в другій половині XX століття.
Континентальну земну кору можна представити у вигляді 15 - кілометрового шару граніту, що лежить на шарі базальту такої ж товщини. Концентрація радіоактивних ізотопів, що служать джерелами тепла, у гранітах і базальтах добре вивчена. Це перш за все радіоактивний калій, уран і торій. Підраховано, що при їх розпаді виділяється приблизно 130 Дж/(см рік). У той же час середній тепловий потік, що дорівнює 130 - 170 Дж/(см рік). Отже, він майже повністю визначається тепловиділенням в гранітному і базальтовому шарах.
З океанічної корою все інакше. Вона значно тонше континентальної, і основу її становить 5 - 6-кілометровий базальтовий шар. Розпад що містяться в ньому радіоактивних елементів дає всього близько 10 Дж/(см рік). Однак, коли фахівці виміряли теплової потік на океанах, він виявився приблизно таким же, як і на материках.
Сьогодні встановлено, що основна частина тепла надходить у океанічну кору через плит літосфери з мантії. Речовина мантії постійно знаходиться в русі. Нерівність температур різних шарів в ній призводить до активного перемішування речовини: більш холодне і, відповідно, більш щільне тоне, більш гаряче спливає. Це так звана теплова конвекція.
Більшість сучасних дослідників вказують на три можливі джерела енергії для підтримання теплової конвекції в мантії. По - перше, мантія усе ще зберігає велику кількість тепла, накопиченого в період формування планети. Його достатньо, щоб поверхневий тепловий потік зберігався на його теперішньому рівні протягом терміну, у кілька разів перевищує нинішній вік Землі. При цьому планета повинна охолоджуватися, але її охолодження відбувається дуже повільно. По - друге, певна кількість тепла, мабуть, поставляється в мантію з ядра. І, нарешті, третє джерело - це розпад радіоактивних елементів (їх вміст у мантії в даний час важко оцінити).
Тектоніка плит

Ще в 1912 р. німецький дослідник Альфред Вегенер висунув гіпотезу дрейфу континентів. На цю ідею його наштовхнули разючу відповідність контурів берегових ліній материків Африки та Південної Америки, а також явні сліди глобальної зміни клімату в минулому в багатьох регіонах світу. Але гіпотеза спочатку була відкинута науковим співтовариством, тому що не вказувала причин дрейфу. У 30 - ті роки. англійська геолог Артур Холмс запропонував пояснити рух континентів теплової конвекцією. У 50 - мм., Коли широко проводились дослідження дна океану, гіпотеза про великі горизонтальних переміщеннях в літосфері отримала нові підтвердження. Значну роль у цьому відіграло вивчення магнітних властивостей порід, що складають океанічна дно.
Ще на початку XX ст. було встановлено, що намагніченість сучасних лав відповідає сучасному магнітного поля Землі, а у стародавніх лав вона часто орієнтована під великими кутами або взагалі протилежна напрямку сучасного поля. По суті справи ця картина відображає стан магнітного поля в попередні геологічні епохи. В базальтових лавах багато заліза, і вони, затвердевая у міру охолодження, намагнічується згідно з існуючим в той період геомагнітним полем.
Були також дані про зміну полярності: північний магнітний полюс Землі ставав південним, і навпаки. Зареєстровано 16 інверсій магнітних полюсів за останні кілька мільйонів років. (Причини такої переполюсіровкі досі остаточно не з'ясовані, імовірно її викликали процеси, що відбувалися в рідкому ядрі.). І як виявилось, графік цих інверсій свідчив на користь великомасштабних переміщень материків.
Магнітна зйомка тихоокеанського дна в 1955 і 1957 рр.. виявила що тягнуться майже паралельно з півночі на південь «смуги» з магнітними полями аномальної напруженості. А в 1963 р. були відкриті смугові магнітні аномалії, витягнуті паралельно хребту Карлсберг в Індійському океані. До цього часу вже стала досить відомою гіпотеза, висунута в 1960р. професором Прінстонського університету (США) Гаррі Хесом і названа пізніше гіпотезою спредінга, або «розширення морського дна». По ній, гаряча полурасплавленная мантійних маса піднімається під серединно - океанічними хребтами, поширюється в сторони від них у вигляді потужних потоків, які розривають і розштовхують плити літосфери в різні боки. Мантійних речовина заповнює що утворилися по обидва боки від хребтів тріщини - Рифт.
На площу поверхні Землі (як і її обсяг) практично не змінилася за час її існування. Тому якщо нові ділянки поверхні нарощуються уздовж хребтів, то де - небудь вони повинні і знищуватися. Найімовірніше, це відбувається в глибоководних океанських жолобах. Ці так звані зони субдукції (поглинання) розташовані уздовж вулканічних дуг, що простягаються в Тихому океані від Аляски уздовж Алеутських островів до Японії, Маріанські острови та Філіппінам аж до Нової Зеландії і вздовж берегів Америки. Коли в цих зонах земна кора опускається до глибини 100 - 150 км, частина речовини плавиться, утворюючи магму, яка потім у вигляді лави проривається наверх, та й назовні в вулканах.
Таким чином, земна кора створюється в рифтових зонах океанів, як стрічковий конвеєр, прямує із середньою швидкістю 5 см на рік, поступово остигаючи.
Гіпотеза спредінга може добре пояснити магнітні аномалії морського дна. Якщо розплавлена порода, що виливається в серединно - океанічних хребтах, твердне з обох боків від них, а потім розповзається в протилежних напрямках, то вона буде створювати смуги, намагнічені згідно з орієнтацією магнітного поля в період їх застигання. Коли поверхню міняється, знову утворилося морське дно намагнічується в протилежному напрямку. Чергування смуг дає докладну картину формування морського дна по обидва боки від активного хребта, причому одна сторона є дзеркальним відображенням іншою.
Перші ж магнітні картки тихоокеанського дна біля берегів Північної Америки, в районі хребта Хуан-де-Фука, показали наявність дзеркальної симетрії. Ще більш симетрична картина виявлена з обох сторін центрального хребта в Атлантичному океані.
Використовуючи концепцію дрейфу материків, відому сьогодні як "нова глобальна тектоніка», можна відновити взаємне розташування континентів в далекому минулому. Виявляється, 200 млн. років тому вона складали єдиний материк.

Еволюція Землі

Питання ранньої еволюції Землі тісно пов'язаний з теорією її походження. Сьогодні відомо, що наша планета утворилася близько 4.6 млрд років тому. У процесі формування Землі з частинок протопланетної хмари поступово збільшувалася її маса. Росли сили тяжіння, а отже, і швидкості частинок, що падали на планету. Кінетична енергія частинок перетворювалася на тепло, і Земля все сильніше розігрівалася. При ударах на ній виникали кратери, причому ту, яка викидається з них речовина вже не могло подолати земного тяжіння і падало назад.
Чим більше були падали тіла, тим сильніше вони нагрівали Землю. Енергія удару звільнялася не на поверхні, а на глибині, що дорівнює приблизно двом поперечником упровадився тіла. А так як основна маса на цьому етапі поставлялася планеті тілами розміром у кілька сотень кілометрів, то енергія виділялася в шарі товщиною близько 1000 км. Вона не встигала випроменить в простір, залишаючись в надрах Землі. В результаті температура на глибині 100 - 1000 км могла наблизитися до точки плавлення. Додаткове підвищення температури, імовірно, викликав розпад короткоживучих радіоактивних ізотопів.
За - мабуть, перше що виникли розплави являли собою суміш рідких заліза, нікелю та сірки. Розплав накопичувався, а потім внаслідок більш високої щільності просочувався вниз, поступово формуючи земне ядро. Таким чином, диференціація (розшарування) речовини Землі могла початися ще на стадії її формування. Ударна переробка поверхні й бажання зробити конвекція, безсумнівно, перешкоджали цьому процесу. Але певна частина більш важкого речовини все ж таки встигала опуститися під перемішуємо шар. У свою чергу диференціація за щільністю припиняла конвекцію і супроводжувалася додатковим виділенням тепла, прискорюючи процес формування різних зон в Землі.
Імовірно ядро сформувалося за кілька зі мільйонів років. При поступовому охолодженні планети багатий нікелем железонікелевий сплав, який має високу температуру плавлення, почав кристалізуватися - так зародилося тверде внутрішнє ядро. До теперішнього часу вона становить 1.7% маси Землі. У розплавленому зовнішньому ядрі зосереджено близько 30% земної маси.
Розвиток інших оболонок тривало набагато довше і в деякому відношенні не закінчилося дотепер.
Літосфера відразу після свого утворення мала невелику товщину і була дуже не стійкою. Вона знову поглиналася мантією, руйнувалася в епоху великої бомбардування (від 4.2 до 3.9 млрд років тому), коли Земля, як і Місяць, піддавалася ударам дуже великих і досить численних метеоритів. На Місяці і сьогодні можна побачити свідоцтва метеоритного бомбардування - численні кратери і моря (області, заповнені вилилась магмою). На нашій планеті активні тектонічні процеси і вплив атмосфери і гідросфери практично стерли сліди цього періоду.
Близько 3.8 млрд років тому склалася перша легка і, отже, «непотоплюваного» гранітна кора. У той час планета вже мала повітряну оболонку й океани; необхідні для їх освіти гази посилено поставлялися з надр Землі в попередній період. Атмосфера тоді складалася в основному з вуглекислого газу, азоту і водяної пари, кисню в ній було мало, але він вироблявся в результаті, по - перше, фотохімічної дисоціації води і, по - друге фотосинтезуюча діяльності простих організмів, таких, як синьо - зелені водорості .
600 мільйонів років тому на Землі було кілька рухомих континентальних плит, дуже схожих на сучасні. Новий сверхматерік Пангея з'явився значно пізніше. Він існував 300 - 200 млн років тому, а потім розпався на частини, які й сформували нинішні материки.
Що чекає Землю в майбутньому? На це питання можна відповісти лише з великим ступенем невизначеності, абстрагуючись як від можливого зовнішнього, космічного впливу, так і від діяльності людства, що перетворює навколишнє середовище, причому не завжди в кращий бік.
Врешті решт надра Землі охолонуть до такого ступеня, що конвекція в мантії і, отже, рух материків (а значить, горотворення і, виверження вулканів, землетруси) поступово ослабнуть і припиняться. Вивітрювання з часом зітре нерівності земної кори, і поверхня планети сховається під водою. Подальша?? е доля буде визначаться середньорічною температурою. Якщо вона значно знизиться, то океан замерзне і Земля покриється крижаною кіркою. Якщо ж температура підвищиться (а скоріше до цього і призведе зростаюча світність Сонця), то вода випарується, оголивши рівну поверхню планети. Очевидно, ні в тому, ні в іншому випадку життя людства на Землі буде вже не можлива, принаймні в нашому сучасному уявленні про неї.

Атмосфера Землі

В даний час Земля володіє атмосферою масою приблизно 5.15 * 10 кг., Тобто менше мільйонної частки маси планети. Поблизу поверхні вона містить 78.08% азоту, 20.05% кисню, 0.94% інертних газів, 0.03% вуглекислого газу і в незначних кількостях інші гази.
Тиск і щільність в атмосфері зменшуються з висотою. Половина повітря міститься в нижніх 5.6 км, а майже вся друга половина зосереджена до висоти 11.3 км. На висоті 95 кілометрів щільність повітря в мільйон разів нижче, ніж у поверхні. На цьому кровне і хімічний склад атмосфери вже іншою. Зростає частка легких газів, і переважаючими стають водень і гелій. Частина молекул розкладається на іони, утворюючи іоносферу.
Вище 1000 км. Знаходяться радіаційні пояси. Їх теж можна розглядати як частину атмосфери, заповнену дуже енергійними ядрами атомів водню і електронами, захопленими магнітним полем планети.

Гідросфера Землі

Вода покриває понад 70% поверхні земної кулі, а середня глибина Світового океану близько 4 км. Маса гідросфери приблизно 1.46 * 10 кг. Це в 275 разів більше маси атмосфери, але лише 1/4000 від маси всієї Землі.
Гідросферу на 94% складають води Світового океану, в яких розчинені солі (в середньому 3.5%), а також ряд газів. Верхній шар океану містить 140 трлн тонн вуглекислого газу, а розчиненого кисню - 8 трлл тонн.

Література:

Енциклопедія «Астрономія для дітей»