Земля як планета - минуле, сьогодення, майбутнє
Чи всі ми знаємо про Землю? Спробуємо відповісти на це просте, але, з іншого боку, складне питання. Об'єкт дослідження даної роботи - тверда Земля і відбуваються на ній процеси, Земля в Сонячній системі і в космічному просторі. Геодезисти, астрономо-геодезисти, геофізики мають справу перш за все з твердої Землею, правда, вічно змінює свій лик. Однак деякі природні явища (геологічні, геофізичні та інші) пов'язані з багатьма космічними тілами, існуючими разом із Землею в світовому просторі. Отже, важливо розглянути астрономічне положення нашої планети, щоб розібратися в тому, як впливають на неї різні процеси, що відбуваються у Всесвіті.
Земля - найбільша з 4 кам'яних планет, близьких до Сонця, - звертається навколо Сонця по еліптичній орбіті з ексцентриситетом, рівним 0,017; таким чином, орбіта Землі за формою дуже близька до кола. Середня відстань від Землі до Сонця - приблизно дорівнює 150 млн км. Швидкість руху Землі по орбіті 29,7 км / с, повний оборот вона робить за 365,26 доби. Період обертання Землі навколо своєї осі становить 23 години 56 хвилин. В результаті цього обертання виникають невелике екваторіальна здуття і відповідно полярне стиснення, так що діаметр Землі в екваторіальному перетині на 43 км більше діаметра, що з'єднує полюси обертання. Маса Землі - близько 6 · +1024 кг, середня щільність речовини - 5500 кг / м3. радіус рівновеликого Землі кулі (тобто кулі, що має той же обсяг, що і Земля) дорівнює 6371 км.
Земля - це, без сумніву, єдина в Сонячній системі планета, де існує високорозвинена життя в тому вигляді, в якому ми її знаємо. Для того щоб виникло життя, потрібні певні умови. Ймовірно, єдиним хімічним елементом, властивості якого роблять можливим утворення `` довгих '' молекул, здатних до самовідтворення, є вуглець. Двоокис вуглецю (вуглекислий газ) і водяна пара - необхідні компоненти атмосфери, в якій рослини можуть виробляти фотосинтез. Хімічні властивості вуглецю, рідкий стан води і стабільне випромінювання сонячної енергії уможливили тривале існування і розвиток життя на Землі. Життя на Землі може існувати і зберігатися в діапазоні температур всього лише близько 100С. Свідченням сталості температури Сонця протягом тривалого часу є існування безперервного еволюціонував ряду копалин форм життя, прослеживаемого по скам'янілостям майже на 3 млрд. Років.
Сонце - зірка середнього розміру (діаметр Сонця - 1,39 · 106 км), що є всього лише однією з трильйона зірок, що утворюють нашу Галактику - Чумацький Шлях. Довгий час інтригуючим був природне запитання: чи існують у інших зірок свої планети? Зараз такі планетні системи вже знайдені у десятків зірок. Більш того, з кожних трьох мільйонів зірок одна може супроводжуватися планетної системою з розумною цивілізацією (Шеплі, 1962). Що виділяється Сонцем енергія становить близько тисячі двадцять сім Дж в секунду - величина, настільки ж незбагненна для більшості з нас, як, скажімо, мільярд світлових років. Сонячна енергія доходить до Землі у вигляді електромагнітного випромінювання, що включає рентгенівські і ультрафіолетові промені, видиме світло, теплове випромінювання і радіохвилі. Земна атмосфера для деяких довжин хвиль непрозора, але теплове випромінювання і видиме світло вільно проникає через неї. Джерело сонячної енергії - ядерний синтез. Ядра водню (протони) з'єднуються між собою, утворюючи ядра гелію. В ході ядерних перетворень діаметр Сонця практично не змінюється. Тенденція до вибухового розширення врівноважується гравітаційним притяганням складових частин Сонця, стягує гази в компактне сферичне тіло. Що виділяється нашим світилом енергія залишається практично незмінною протягом тривалого часу.
Вік Сонця становить майже 5 млрд років. При визначенні віку Сонця, як, втім, і інших небесних тіл, використовується наступний факт: радіоактивний розпад урану призводить до того, що він повільно перетворюється в один з ізотопів свинцю. Ставлення кількостей залишився урану і утворився таким способом ізотопу свинцю і дозволяє вимірювати вік небесних тіл. Найдавніші породи на Землі мають вік 3,5-4 млрд років, на Місяці знайдені породи віком 4,7 млрд років, а деякі метеорити мають вік 4,6 млрд років.
Атомного пального нашого світила вистачить принаймні ще на 5 млрд років. Яке ж майбутнє Сонця? Коли запаси водневого палива закінчаться, гелиевое ядро Сонця почне стискатися, а зовнішні шари, розширюючись, утворюють зовсім іншу зірку - `` червоний гігант ''. Втративши невелику частку свого поверхневого матеріалу, після стадії `` червоного гіганта '' Сонце вступить в стадію `` білого карлика ''; тоді його випромінювання значно зросте. Цього буде достатньо, щоб вчетверо підвищити абсолютну температуру земної поверхні від 300 вище абсолютного нуля (нинішня температура) до приблизно 1200 вище абсолютного нуля.
Космічні промені, джерелом яких в першу чергу є Сонце, є заряджені частинки, ядра атомів хімічних елементів, що мають масу від 1 до 50 а.е.м. (Атомна одиниця маси - а.е.м. - дорівнює приблизно масі протона): водню, гелію, берилію, бору, кремнію. заліза, нікелю. Космічні частинки в верхніх частинах атмосфери відчувають неупругие зіткнення з атомами повітря. Нижче 20 км в атмосфері немає первинних частинок з енергією близько 2 · 103 еВ. Земна атмосфера служить своєрідним екраном від первинних космічних частинок.
Магнітне поле Землі
До числа найцікавіших тем в дослідженні історії Землі відноситься проблема її магнітного поля. Про існування земного магнетизму людству стало відомо приблизно з 800 р до нашої ери. Геомагнітне поле дипольне, але магнітні полюси Землі не збігаються з полюсами обертання, тобто істинними північним і південним полюсами Землі. Кут між магнітною віссю і віссю обертання становить близько 11,5. Фундаментальною особливістю магнітного поля Землі є так звані інверсії; їх можна виявити при дослідженні періодів історії Землі з тимчасовим масштабом в кілька десятків мільйонів років.
Спостережуване сьогодні магнітне поле Землі створюється гігантським стрижневим магнітом, орієнтованим уздовж лінії північ-південь і поміщеним в центрі Землі. Точніше, цей стрижневий магніт повинен бути встановлений так, щоб його північний магнітний полюс був спрямований на південний географічний полюс Землі, а південний магнітний полюс - на північний географічний. Виявилося, що це не є незмінною властивістю магнітного поля Землі. Як вдалося встановити, полярність геомагнітного поля з плином часу неодноразово змінювалася.
Відома роль магнітного поля Землі в житті людини і в процесах біосфери, тому викликають інтерес особливості зміни стану геомагнітного поля. Останнім часом геофізики відзначають факт руху північного магнітного полюса, що знаходиться в південній півкулі. Встановлено, що за останні 100 років північний магнітний полюс перемістився майже на 900 км і знаходиться в Індійському океані. Пробіг арктичного (південного) магнітного полюса склав 270 км за останні 20 років. Спостерігається тенденція прискорення руху полюсів. Все це свідчить про те, що можлива переполюсовка (інверсія) магнітного поля Землі, причому це може статися набагато швидше, ніж це прогнозується багатьма дослідниками.
Сучасні уявлення про шаруватої моделі Землі зводяться до наступного. Земля - сфероид, що складається з твердої масивної оболонки товщиною приблизно 2900 км. Оболонка покрита гідросферою, що реагує як на приливні впливу Сонця і Місяця, так і на перерозподіл мас в тілі Землі. Під оболонкою - в'язка рідина (зовнішнє ядро), в центрі якої знаходиться твердий сфероид (внутрішнє ядро) радіусом близько 1200 км, щільністю 12,4 г / см3. Вся ця сукупність обертається з частотою добового обертання Землі.
В даний час існує гіпотеза магнітного динамо, згідно з якою магнітне поле Землі можна пояснити циркуляцією електричного струму в ядрі. Передбачається, що постійне магнітне поле Землі виникає під дією складної системи електричних струмів, що супроводжують турбулентну конвекцію в рідкому зовнішньому ядрі. Земля працює як динамо-машина, в якій механічна енергія цієї конвекционной системи генерує електричні струми і пов'язаний з ними магнетизм.
Палеомагнітна вивчення порід, вік яких встановлено калій-аргоновим методом, дозволило скласти хронологічну шкалу епох полярності магнітного поля Землі. Оскільки при своєму формуванні породи намагнічуються в напрямку існуючого тоді земного магнітного поля, то, вивчаючи намагніченість порід, можна отримати інформацію про магнітне поле Землі відповідної епохи, про знаходження магнітних полюсів і лінії дрейфу магнітних полюсів. З'ясувалося, що з плином геологічного часу відбувалося почергове посилення і ослаблення магнітного поля Землі, яке впливало на поглинання Землею приходять космічних променів. Можливо, сильна бомбардування космічними променями в періоди низької напруженості магнітного поля могла впливати на розвиток життя на Землі.
У океанічної корі і осадових породах можна простежити безперервну хроніку земного магнетизму. На величезних площах океанічного дна виявлені магнітні аномалії, які утворюють систему паралельних смуг чергується знака, орієнтованих субмеридіонально. Аномалії представляють собою як би поховану історію інверсій магнітного поля Землі. Смуги інтенсивних позитивних і негативних аномалій простягаються уздовж серединно-океанічних хребтів. Вони утворилися в результаті підйому нової лави і її охолодження в магнітному полі - нормальному або зверненому, залежно від того, яке переважало в той час.
З 1838 р напруженість магнітного поля Землі зменшується приблизно на 4% за століття. Можна лише припускати, що і цей процес свідчить про можливу зміну полярності, інверсії. Вперше гіпотеза про інверсії геомагнітного поля була висловлена Б.Брюнессом в 1906 р За останні 4 млн років виділяють 4 доби з чергуються напрямками поля: Брюнесса (сучасна), Матуяма, Гаусса, Гільберта. Крім того, протягом однієї доби можуть відбуватися так звані івенти і екскурси. Івент - це короткочасне повне звернення магнітного поля тривалістю близько 100 тис. Років. Екскурс - короткочасне відхилення геомагнітного полюса від початкового положення не менше ніж на 60 і не більше ніж на 120 з періодом не менше 10 тис. Років, після чого магнітний полюс повертається у вихідне положення. Остання інверсія магнітного поля Землі сталася 700 тис. Років тому.
Перетворення в Сонячній системі
Кліматичні зміни на Землі пов'язані з розбалансом температурного режиму і тиску атмосфери. В останні роки зафіксовано підвищення середньої температури повітря на 0,3С, води - на 0,2С. Незворотні зміни в кліматі можуть виникнути при досягненні граничного зміни температури в 1С.
Таким чином, сукупність планетообразующіх процесів в даний час розгортається стрімко, повсюдно і різноманітно; тому проблема вивчення Землі як планети і її впливу на розвиток, існування і майбутнє людської цивілізації є актуальною.
1. Аллісон А. Палмер Д. Геологія: Пер. з англ. М. Світ, 1984. 565 с.
2. Озима М. Історія Землі: Пер. з япон. М. Знання, 1983. 205 с.
5. Жарков В.Н. Внутрішня будова Землі і планет. М. Наука, 1983. 416 с.