Як влаштована планета Земля

 

Середня відстань від Сонця 149,6 мільйонів км Екваторіальний діаметр 12756 км Період обертання 23 години 56 хв 04 сек. Період обертання 365,26 діб Швидкість руху по орбіті 29,79 км/сек Температура на поверхні від -55 гр C до +70 гр C Маса 5.976*1024 кг Середня щільність речовини (вода=1) 5,52 = 5517 кг/м3. Сила тяжіння на поверхні 9.7805 м/с2 Кількість супутників 1

Земля, третя планета від Сонця, є найбільшою з 4-х внутрішніх планет, які мають схожу з земної внутрішню структуру.

У процесі руху нашої планети по орбіті навколо Сонця площину земного екватора (нахилена до площини орбіти на кут 23o45′) переміщується паралельно самій собі таким чином, що в одних ділянках орбіти земна куля нахилений до Сонця своїм північним півкулею, а в інших – південним, саме це і є причиною зміни пір року. Крім того відстань від Землі до Сонця в різних точках орбіти неоднакові, в перигелії (3 січня) воно приблизно на 2.5 млн. км. менше, а в афелії (3 липня)- на стільки ж більше середнього відстані, що становить 149, 6 млн. км.
Більшу частину поверхні Землі займає Світовий океан (361 млн. км 2, або 71%), суша складає 149 млн. км 2 (29%). Середня глибина Світового океану – 3 900 м. Існування осадових порід, вік яких (за даними радіоізотопного аналізу) перевершує 3,7 млрд. років, служить доказом існування на Землі великих водойм вже в ту далеку епоху, коли, імовірно з’явилися перші живі організми .

Форма Землі, як відомо близька до кулястої, при більш детальних вимірах виявляється дуже складною, навіть якщо змалювати її рівною поверхнею океану (не спотвореної припливами, вітрами і течіями) і умовним продовженням цієї поверхні під континенти. Нерівності підтримуються нерівномірним розподілом маси в надрах Землі. Така поверхня називається геоидом. Геоїд (з точністю порядку сотень метрів) збігається з еліпсоїдом обертання, екваторіальний радіус якого 6 378 км, а полярний радіус на 21,38 км. менше екваторіального. Різниця цих радіусів виникла за рахунок відцентрової сили, створюваної добовим обертанням Землі.

Одна з особливостей Землі як планети – її магнітне поле, завдяки якому ми можемо користуватися компасом. Магнітний полюс Землі, до якого притягається північний кінець стрілки компаса, не збігається з Північним географічним полюсом, а знаходиться в пункті з координатами приблизно 76o с. ш. 101o з.д. Магнітний полюс, розташований у південній півкулі Землі, має координати 66o ю.ш. і 140o в. д. (в Антарктиді).Крім того, вісь магнітного поля не проходить через центр Землі, а відстоїть від нього на 430 км. Магнітне поле Землі несиметрично. Під дією вихідного від Сонця течії плазми (сонячного вітру) магнітне поле Землі спотворюється і набуває “шлейф” у напрямку від Сонця, який простягається на сотні тисяч кілометрів.

Полюси нашої планети постійно знаходяться в русі.

Наша планета оточена великою атмосферою, яка завдяки присутності невеликого озонового шару, нейтралізує небезпечне для життя короткохвильове сонячне та космічне випромінювання. З-за міститься в атмосфері вуглекислого газу на нашій планеті має місце парниковий ефект. Він проявляється не так сильно, як на Венері, але все ж піднімає середню (рівноважну) температуру на Землі з теоретичних мінус 23 до плюс 15. Діючи подібно до хорошого одягу, атмосфера захищає земну поверхню і від температурних перепадів. У відсутність атмосфери в деяких точках Землі температура протягом доби коливалася б між 160-ма тепла і 100 градусами морозу.

Основними газами, входять до складу нижніх шарів атмосфери Землі, є азот (~78%), кисень (близько 21%) і аргон (~1%). Інших газів в атмосфері Землі дуже мало, наприклад, вуглекислого газу близько 0,03%. Атмосферний тиск на рівні поверхні океану складає за нормальних умовах ~0,1 МПа. Вважають, що земна атмосфера сильно змінилася в процесі еволюції: збагатилася киснем і придбала сучасний склад в результаті тривалого хімічної взаємодії з гірськими породами і за участю біосфери, тобто рослинних і живих організмів.

Доказом того, що такі зміни дійсно відбулися, служать, наприклад, поклади кам’яного вугілля і потужні пласти відкладень карбонатів в осадових породах. Вони містять величезну кількість вуглецю, який раніше входив в склад земної атмосфери у вигляді вуглекислого газу і окису вуглецю.

Вчені вважають, що давня атмосфера сталася газоподібних продуктів вулканічних вивержень; про її складі судять за хімічним аналізу зразків газу, “замурованих” в порожнинах давніх гірських порід. У досліджених зразках, вік яких більше 3,5 млрд. років, міститься приблизно 60% вуглекислого газу, а решта 40% – це з’єднання сірки (сірководень і сірчистий газ), аміак, а також хлористий і фтористий водень. У невеликому кількості були знайдені азот і інертні гази.

Доказом того, що в земній атмосфері протягом перших 4 млрд. років її існування не було вільного кисню, є виявлені в геологічних пластах відповідного віку надзвичайно легко окислюються, але не окислені речовини такі, як сірчистий натрій. Кисень, який виділявся у незначній кількості з водяної пари під дією сонячного опромінення, повністю затрачивался на окислення містилися в атмосфері горючих газів: аміаку, сірководню, а також, ймовірно, метану та оксиду вуглецю. В результаті окислення аміаку звільнявся азот, який поступово накопичувався в атмосфері. 600 млн. років тому кількість вільного кисню в земній атмосфері досягла 1% від його сучасного змісту. У це час вже існувало значне число різних примітивних одноклітинних живих організмів. Близько 400 млн. років тому вміст вільного кисню в земній атмосфері стало швидко збільшуватися завдяки широкому поширення заростей великих рослин, характерних для цієї епохи.

Раніше припускали, що Земля спочатку була розплавленою, а потім остигала. Але ця точка зору не підтверджується сучасними висновками науки. Велика процентний зміст на Землі деяких летких речовин вказує на те, що температура частинок, з яких утворилася наша планета, не могла бути дуже високою. Середній хімічний склад первинної Землі, ймовірно, відповідав хімічним складом відомих сьогодні типів метеоритів.

В результаті природного розпаду радіоактивних елементів і деяких інших процесів надрах Землі протягом довгого часу виділялася і накопичувалася теплова енергія. Це призвело до сильного розігріву і часткового розплавлення речовини в надрах і до поступового формування і зростання центрального ядра з найбільш важких елементів і зовнішньої кори з менш щільних речовин.

Про внутрішню будову Землі насамперед судять по особливостям проходження крізь різні шари Землі механічних коливань, виникають при землетрусах або вибухи. Цінні відомості дають також зміни величини теплового потоку, що виходить із надр, результати визначень загальної маси, моменту інерції і полярного стискання нашої планети.

ШАР ТОВЩИНА СКЛАД Кора 6-40 км Тверді кремнієві породи Мантія 2800 км В основному, тверді кремнієві породи Зовнішнє ядро 2300 км Розплавлене залізо і нікель Ядро (радіус) 1200 км Тверді залізо і нікель

Маса Землі знайдена з експериментальних вимірювань фізичної постійної тяжіння і прискорення сили тяжіння (на екваторі прискорення сили тяжіння дорівнює 978,05 гал; 1 гал = 1 см/с2). Для маси Землі отримано значення 5,976*1024кг., що відповідає середньої щільності речовини 5517 кг/м3. Визначено, що середня щільність мінералів на поверхні Землі приблизно вдвічі менше середньої щільності Землі. З цього випливає, що густина речовини в центральних частинах планети вище для всієї Землі. Отриманий з спостережень момент інерції Землі, який сильно залежить від розподілу щільності речовини вздовж радіуса Землі, свідчить також про значне збільшення щільності від поверхні до центру.

Потік тепла з надр, різних в різних ділянках поверхні Землі, у середньому близький до 1,6*10-6 кал*см-2*с-1, що відповідає сумарному виходу енергії 1028 ерг в рік. Оскільки тепло може передаватися тільки від більш нагрітого до менш нагрітому речовини, температура речовини в надрах Землі повинна бути вище, ніж на її поверхні. Дійсно, згідно вимірюваннями, проведеними в шахтах і свердловинах, температура підвищується приблизно на 20 o на кожний кілометр глибини. У нижньої межі мантії тиск досягає 130 ГПа, температура там не вище 5 000К. У центрі Землі температура, можливо, піднімається до 10 000К.

Будь-яке пружне тіло після удару (землетруси) подібно дзвону здійснює коливання. У 1911 році математик Ляв (Love) обчислив період власні коливання сталевої кулі розміром з Землю. Виявилося, що він буде дорівнює одній годині. Перші власні коливання Землі з періодом 57 хв виявлені Беньоффом у 1952 році після землетрусу на Камчатці. Зареєстровані коливання Землі з періодом 54 хв після чилійського землетруси в 1960 році. Оскільки Земля — не однорідний сталева куля, а має значно більш складну будову, то і власні коливання мають досить багатий спектр.

Існують два типи власних коливань пружного кулі, які називають модами. Сфероїдальні коливання дають моду S (з періодом 54 хв, що на 6 хв менше теоретичного значення, отриманого Лявом. Це відмінність вказує, перш за все, на відміну від Землі однорідного сталевої кулі.), а крутильні коливання — моду T. Цього крутильному коливанню відповідає тільки одна поверхня, січна поверхня Землі по екватору. При цьому північну і південну півкулі зміщуються в протилежні сторони.

Серед інших мод ( свого роду гармонік) існують і такі, період яких значно відрізняється від теоретичного. Власні коливання – прекрасний матеріал для тестування прийнятої моделі Землі. Вони можуть бути обчислені заздалегідь, теоретично. З іншого сторони, – отримані шляхом спостережень, з використанням , наприклад, того факту, що сила тяжіння залежить від висоти точки, де вона спостерігається. Вертикальний градієнт сили тяжіння становить приблизно 300 мкГал/м. Зауважимо, що 1 мкГал становить приблизно 10-9g. Зміна висоти всього на 1 мм, викликає зміна сили тяжіння на 0,3 мкГал. Зараз існують прилади здатні зареєструвати значно менші зміни сили тяжіння — це кріогенні гравиметры. Зіставлення теоретичних і спостережних даних дає підставу прийняти рішення про правильність або помилковість прийнятої моделі

На основі всього комплексу сучасних наукових даних і побудована модель внутрішнього будови Землі, яка добре задовольняє виміряним значень всіх перерахованих вище параметрів.

Таблиця. Модель Буллена будови Землі

Зона найменування шару глибина (км) щільність (г/см3)

А кора 35 3,2
В силікати 400 3,5
З фазові переходи 900 4,0
D нижня мантія 2700 5,0
D’ перехідна зона 2883
E зовнішнє ядро 4980 10-11
F перехідна зона 5120
G внутрішнє ядро 6371 12

Зони В і С утворюють так звану верхню мантію, а зона D — нижню мантію. Мантія Землі складається із силікатних порід. За міру збільшення тиску і температури в речовині відбуваються фазові переходи: певні види порід з твердої фази переходять в рідку. Такі фазові переходи відзначені в зоні і в зоні D’. Причому в останньому випадку весь метал виплавляється і зовнішнє ядро (зона Е) цілком складається з розплавленого металу. Через цю зону поперечні хвилі не проходять, так як модуль зсуву дорівнює нулю. У перехідній зоні F рідка фаза металу перехід в тверду фазу і внутрішнє ядро складається з твердого металу з щільністю 12. Однак вважають, якщо змінити фізичні умови і помістити цей метал в умови “нормальної” температури і тиску, то його щільність виявиться рівною 7.

Тверду оболонку Землі називають літосферою. Її можна порівняти з “шкаралупою”, що охоплює всю поверхня Землі. Але ця “шкаралупа” як би потріскалася на частини і складається з декількох великих літосферних плит, які повільно переміщаються одна щодо інший. За їх кордонів концентрується переважна більшість вогнищ землетрусів. Верхній шар літосфери – ця земна кора, мінерали якої складаються переважно з оксидів кремнію і алюмінію, оксидів заліза і лужних металів. Земна кора має нерівномірну товщину: 35-65 км. на континентах і 6-8 км. під дном океанів.

Верхній шар земної кори складається з осадових порід, нижній – з базальтів. Між ними знаходиться шар гранітів, характерний тільки для континентальної кори. Під корою розташована так звана мантія, що має інший хімічний склад і велику щільність. Межа між корою і мантією називається поверхнею Мохоровичича. В ній стрибкоподібно збільшується швидкість розповсюдження сейсмічних хвиль.

На глибині 120-250 км під материками і 60-400 км під океанами залягає шар мантії, що називається астеносферою. Тут речовина знаходиться в близькому до плавлення станом, в’язкість його сильно знижена.

Всі літосферні плити як би плавають в напіврідкої астеносфері, як крижини у воді. Більш товсті ділянки земної кори, а також ділянки, що складаються з менш щільних порід, піднімаються по відношенню до інших ділянок кори. В той же час додаткове навантаження на ділянку кори, наприклад, внаслідок накопичення товстого шару материкових льодів, як це відбувається в Антарктиді, призводить до поступового занурення ділянки. Таке явище називається ізостатичним вирівнюванням.

Нижче астеносфери, починаючи з глибини близько 410 км, “упаковка” атомів у кристалах мінералів ущільнена під впливом великого тиску. Різкий перехід виявлено сейсмічними методами досліджень у 1906 році на глибині 2880 – 2 920 км. Вище цієї позначки щільність речовини складає 5 560 кг/м3, а нижче її – 10 080 кг/м3. Тут починається земне ядро, або, точніше кажучи, зовнішнє ядро, так як у його центрі знаходиться ще одне- внутрішнє ядро, радіус якого 1 250 км. З існуванням рідкого зовнішнього ядра пов’язують походження магнітного поля Землі.

Межа розділу зовнішнього ядра характерна тим, що на ній різко падає швидкість поздовжньої хвилі від 13,6 км/з до 8,1 км/с. Поперечна хвиля взагалі через зовнішнє ядро не проходить, що говорить про те, що воно рідке. Тверде внутрішнє ядро виявила Леман (Данія) в 1936 році. Вона показала, що воно розташоване на глибині приблизно рівної 5000 км

Гравітаційні аномалії.

Термін аномалії означає відхилення від деякої “норми” — то є значення, яке можна передбачити, обчисливши його за формулою. Обчислене значення сили тяжіння називають “нормальним”, а наблюденное — аномальним. Якщо прийняти Землю рівноважним еліпсоїдом обертання, з стисненням, обчисленим по супутникових даних 1 : 298,256 – значення сили тяжіння можна обчислити за формулою прийнятої Міжнародним Геофізичним і Геодезичним союзом на своїй Генеральної Асамблеї в серпні 1971 року :

Відомо, що сила тяжіння залежить від висоти точки спостереження. Спостереження виробляються, в крайньому випадку, на рівні моря, тобто на висоті, що дорівнює нулю. Всі сухопутні визначення сили тяжкості виконуються на різних висотах. Так як поверхню еліпсоїда не збігається з поверхнею рівня, тому розвинена теорія приведення гравітаційної аномалії (редукції) до однієї і тієї ж поверхні. Крім того, сила тяжіння залежить і від мас, лежать між еліпсоїдом і геоидом. Щоб врахувати ці фактори, розвинена теорія геологічних редукций. В такому випадку разом з гравітаційними аномаліями обов’язково повинен вказуватися і вид редукций, з якими дана аномалія обчислена. Існують аномалії в вільному повітрі, аномалії Фая, аномалії Буге, изостатические аномалії тощо .

Гравітаційні аномалії на Землі, як правило, менше 100 мГал ( 1Гал= 1см/с2), їх середньоквадратичне варіація по Землі складає величину близько 20 мГал. Отже, гравітаційне поле Землі досить гладке. Для екстремальних умов (острівні дуги, глибоководні западини) гравітаційні аномалії досягають величини 400 мГал, що в 12,5 разів менше різниці в значеннях сили ваги на полюсі і екваторі і складають всього 0,04% від величини сили тяжіння. Тому для отримання даних, за якими можна судити про внутрішню будову нашої планети, необхідно вивчати аномалії на рівні не тільки миллигалов, але і микрогалов, чого і домагаються геофізики.

Друга характеристика гравітаційного поля-це відхилення прямовисної лінії (вертикалі) від нормалі до эллипсоиду. Це відхилення також невелика і складає секунди дуги. Геодезичні роботи в Індії поблизу гірського масиву Гімалаїв показали, що координати астрономічних пунктів через відхилень прямовисної лінії відрізняються від геодезичних на 5,2″, тоді як обчислене відхилення, пов’язане з тяжінням гір, становить 27,9″.

Для пояснення цього явища англійський геодезист Пратт висловив думку, що під горами щільність порід набагато менше, ніж корінні породи під рівнинами. Іншими словами, якщо всі породи розбити на блоки, то щільність цих блоків має залежати від їх товщини: чим товще блок, тим менше щільність. При цьому вага всіх блоків на деякій поверхні, званої поверхнею компенсації, один і той же. Вся земна кора, таким чином, знаходиться в рівновазі. Ця гіпотеза Пратта отримала назву изостатической.

Звичайно, з геологічної точки зору ця гіпотеза нікуди не годиться. Французький геодезист Ері запропонував більш правдоподібну схему: земні блоки по Ері подібно айсбергами на морі плавають на більш щільною, але і більш пластичної середовищі — верхній мантії. В цьому випадку, так само як і у айсбергів, повинна утворитися під гірськими масивами “підводна частина” з щільністю, меншою, ніж щільність вміщуючих порід. Таким чином ефект гравітаційної компенсації повинні створювати коріння гір, існування яких сейсмологи підтверджують.

Будова земної кори неможливо вивчити, користуючись тільки одним методом. Геофізики застосовують всі доступні їм методи, насамперед сейсмологічний і гравіметричний. За сучасними уявленням земна кора має різну товщину в різних регіонах. В горах товщина її досягає 60 і більше кілометрів. Складається вона з різних шарів. Великий обсяг займає кислі (гранітні) породи з щільністю 2,67. Рівнини покриті осадовими породами товщиною кілька кілометрів і з щільністю 2,2.

Нижче цих шарів лежать основні породи — базальти з щільністю 2,8. Товщина кори для рівнинних регіонів вважають рівною 30 км. Гірські райони і рівнини утворюють основні морфологічні особливості континентів. При переході до океану, гранітний шар поступово виклинцьовується, а осадові породи покривають на абиссальных улоговинах, основному, базальтові породи. При цьому товщина кори стає менше й у середньому складає 10-15 км. Особливо тонкої кора стає в глибоководних западинах (4-5 км).