На планете Земля выделяют воздушную, водную и твердую оболочки. Воздушную оболочку называют атмосферой, водную - гидросферой, твердую - литосферой. На других планетах также могут существовать эти оболочки, однако обычно не все три.
Атмосфера есть далеко не у всех планет. Гидросфера скорее всего есть только на Земле, так как даже если на других планетах есть лед, то это все-таки не жидкость. Твердая оболочка тоже есть не у всех планет. У Земли, Марса, Венеры она, например, есть, а у Юпитера и Сатурна ее нет, так как это газовые планеты.
Но наличие трех оболочек далеко не главная причина уникальности Земли. Следует отметить особенный состав воздуха на Земле, особенную температуру, немонолитность (раздробленность) и подвижность литосферы. Самая же главная уникальность Земли - это наличие на ней жизни. Живую оболочку Земли называют биосферой .
Конечно, возникновение биосферы - это заслуга «правильного» сочетания соответствующих атмосферы, гидросферы и литосферы. Однако, когда биосфера появилась, она стала оказывать на Землю большое влияние. Особенно сильно изменила атмосферу, в которой появился кислород, необходимый для дыхания более сложных организмов.
Стоит ли отмечать, что еще одной особенностью Земли является возникновение на ней человека, разума? Может быть и стоит. Но коли жизнь в космосе невероятно редкое явление, а может быть и единственное, то основную уникальность Земли можно охарактеризовать наличием на ней биосферы.
На Земле в настоящую эпоху существуют 6 материков и 4 океана. Когда-то все было не так. Хотя океанов меньше по числу, чем материков, но они занимают больше площади поверхности Земли.
Можно выделить еще одну особенность Земли - это огромное разнообразие ее поверхностей, климата, природных комплексов. Горы и морские глубины, леса и пустыни - у каждой местности на Земле есть свои особенности.
Характеристики планеты:
- Расстояние от Солнца: 149,6 млн км
- Диаметр планеты: 12 765 км
- Сутки на планете: 23ч 56мин 4с *
- Год на планете: 365 дней 6ч 9мин 10с *
- t° на поверхности: средняя по планете +12°C (В Антарктиде до -85°C; в пустыне Сахара до +70°C)
- Атмосфера: 77% Азот; 21% кислород; 1% водяной пар и остальные газы
- Спутники: Луна
* период вращения вокруг собственной оси (в земных сутках)
** период обращения по орбите вокруг Солнца (в земных сутках)
C самого начала развития цивилизации людей интересовало происхождение Солнца, планет и звезд. Но больше всего вызывает интерес планета, являющаяся нашим общим домом, Земля. Представления о ней менялись вместе с развитием науки, само понятие о звездах и планетах, так как мы это понимаем сейчас, сформировалось всего лишь несколько веков назад, что ничтожно мало по сравнению с самим возрастом Земли.
Презентация: планета Земля
Третья от Солнца планета, ставшая нашим домом, имеет спутник - Луну, и входит в группу планет земного типа, таких как Меркурий, Венера и Марс. Планеты-гиганты существенно отличаются от них по физическим свойствам и строению. Но даже такая крохотная по сравнению с ними планета, как Земля, имеет невероятную по осмыслению массу - 5, 97х1024 килограмм. Она вращается вокруг светила по орбите на среднем расстоянии от Солнца в 149, миллиона километров, вращаясь вокруг своей оси, что является причиной смены дней и ночей. А сама эклиптика орбиты характеризует времена года.
Наша планета играет уникальную роль в Солнечной системе, ведь Земля - единственная планета, на которой есть жизнь! Расположилась Земля крайне удачным образом. Она путешествует по орбите на расстоянии почти 150 000 000 километров от Солнца, а это означает лишь одно - На Земле достаточно тепло, чтобы вода сохранялась в жидком виде. При условии жарких температур вода бы просто выпарилась, а в холоде превращалась бы в лед. Только на Земле присутствует атмосфера, в которой может дышать человек и все живые организмы.
Истрия возникновения планеты Земля
Отталкиваясь от Теории Большого Взрыва и основываясь на исследовании радиоактивных элементов и их изотопов, ученые выяснили, приблизительный возраст земной коры, - он составляет около четырех с половиной миллиардов лет, а возраст Солнца - около пяти миллиардов лет. Так же, как и вся галактика, Солнце образовалось в результате гравитационного сжатия облака межзвездной пыли, а вслед за светилом образовались и планеты, входящие в Солнечную систему.
Что касается образования самой Земли как планеты, само ее рождение и формирование продолжалось сотни миллионов лет и проходило в несколько фаз. На фазе рождения, подчиняясь законам гравитации, на ее все растущую поверхность падало большое количество планетезималей и крупных космических тел, составивших впоследствии практически всю современную массу земли. Под действием такой бомбардировки произошло разогревание, а затем и расплавление вещества планеты. Под воздействием сил гравитации тяжелые элементы, такие как феррум и никель, создали ядро, а из более легких соединений образовались земная мантия, кора с лежащими на ее поверхности континентами и океанами, и атмосфера, которая первоначально сильно отличалась от настоящей.
Внутренне строение Земли
Из планет своей группы Земля обладает наибольшей массой и поэтому имеет самую большую внутреннюю энергию — гравитационную и радиогенную, под воздействием которых процессы в земной коре еще продолжаются, что видно по вулканической и тектонической деятельности. Хотя уже успели образоваться магматические, метаморфические и осадочные породы, сформировавшие очертания ландшафтов, которые под действием эрозии постепенно видоизменяются.
Под атмосферой нашей планеты расположилась твердая поверхность, которая называется земной корой. Она делится на огромные куски (плиты) из твердой породы, которые могут двигаться и при движении задевать и толкать друг друга. В результате такого движения появляются горы и иные особенности земной поверхности.
Земная кора имеет толщину от 10 до 50 километров. Кора «плавает» на жидкой земной мантии, масса которой составляет 67% массы всей Земли и простирается в глубину на 2890 километров!
За мантией следует наружное жидкое ядро, которое тянется в глубину еще на 2260 километров. Это слой является также подвижным и способен издавать электрические токи, которые и создают магнитное поле планеты!
В самом центре Земли находится внутреннее ядро. Оно очень твердое и содержит уйму железа.
Атмосфера и поверхность Земли
Земля единственная из всех планет Солнечной системы, имеет океаны, - они покрывают более семидесяти процентов ее поверхности. Первоначально находящаяся в атмосфере в виде пара вода сыграла большую роль в образовании планеты - парниковый эффект поднял температуру на поверхности на те десятки градусов, необходимые для существования воды в жидкой фазе, а в сочетании с солнечной радиацией дал начало фотосинтезу живого вещества - органики.
Из космоса атмосфера кажется голубой каймой вокруг планеты. Эта тончайший купол состоит на 77% из азота, на 20% из кислорода. Остальное - это смесь разнообразных газов. Земная атмосфера содержит намного больше кислорода, чем любая другая планета. Кислород жизненно необходим животным и растениям.
Это уникальное явление можно расценивать как чудо или считать невероятным совпадением случайностей. Именно океан дал начало зарождению жизни на планете, и, как следствие, возникновению гомо сапиенс. Удивительно, но океаны еще хранят множество тайн. Развиваясь, человечество продолжает изучать космос. Выход на околоземную орбиту дал возможность по новому осмыслить многие геоклиматические процессы, происходящие на Земле, дальнейшее изучение тайн которой еще предстоит не одному поколению людей.
Спутник Земли - Луна
У планеты Земля есть свой единственный спутник - Луна. Первым, кто описал свойства и характеристики Луны был итальянский астроном Галилео Галилей, он описал горы, кратеры и равнины на поверхности Луны, а в 1651 году астроном Джованни Риччоли написал карту видимой стороны лунной поверхности. В XX веке 3 февраля 1966 года на Луну впервые прилунился спускаемый аппарат Луна-9, а несколькими годами позже 21 июля 1969 года на поверхность Луны впервые ступила нога человека.
Луна всегда повернута к планете Земля только одной своей стороной. На этой видимой стороне Луны видны равнинные "моря", цепочки гор и множественные кратеры самых разных размеров. Другая, невидимая с Земли, сторона имеет на поверхности большое скопление гор и еще больше кратеров, а отражающий от Луны свет, благодаря которому ночью мы можем видеть ее в бледно-лунном цвете, это слабо отражаемые лучи от Солнца.
Планета Земля и ее спутник Луна сильно отличаются по многим свойствам, при этом соотношение стабильных изотопов кислорода у планеты Земля и ее спутника Луны совпадает. Проводимые радиометри́ческие исследования показали, что возраст обоих небесных тел одинаковый, примерно 4,5 миллиардов лет. Эти данные вызывают предположение о происхождении Луны и Земли из одного вещества, что рождает несколько интересных гипотез о происхождении Луны: от происхождения из одного протопланетного облака, захватом Землей Луны и до образования Луны от столкновения Земли с крупным объектом.
Краткая характеристика планеты Земля. Географические координаты. Уникальность Земли в семействе планет солнечной системы в первую очередь связана с тем, что только на нашей планете существует жизнь. Шансы обнаружить хотя бы простейшие формы жизни на соседних планетах (даже на Марсе) большинством ученых оцениваются как близкие к нулю. Другие уникальные особенности Земли (наличие атмосферы с высоким содержанием кислорода, наличие океана, занимающего 70% поверхности планеты, высокая тектоническая активность, сильное магнитное поле и др.) так или иначе связаны с наличием жизни: они либо способствовали ее возникновению, либо являются следствиями жизнедеятельности.
Шарообразность Земли (а о том, что Земля представляет собой шар, знали еще древние греки) предопределяет выделение в ее строении концентрических оболочек. Впервые такой подход к изучению нашей планеты предложил австрийский геолог Э. Зюсс, он же предложил называть эти оболочки геосферами . Реальная форма Земли несколько отличается от сферической и при строгом математическом моделировании ее формы чаще всего используют такие понятия как эллипсоид и геоид . Геоид (что означает землеподобный ) – это наиболее точная модель Земли, он представляет собой уникальное геометрическое тело, поверхность которого совпадает с поверхностью среднего уровня спокойной воды в океане, мысленно продолженной под материками так, что отвесная линия в любой точке пересекает эту поверхность под прямым углом. Поверхности эллипсоида и геоида не совпадают, расхождение между ними может достигать ±160 м. Относительно поверхности геоида измеряют высоты и глубины точек реальной поверхности Земли. Максимальную высоту (8848 м) имеет Эверест, а наибольшую глубину (11022 м) – Марианский желоб в Тихом океане. Экваториальный радиус Земли составляет 6375,75 км, полярные же радиусы неодинаковы: северный на 30 метров больше южного и равен 6355,39 км, (соответственно, южный - 6355, 36 км).
Ось вращения Земли, проходящая через полюса и центр планеты, наклонена к плоскости ее орбиты на угол 66°33"22". Именно эта величина определяет продолжительность дня и ночи на разных широтах и существенно влияет на тепловые (климатические) характеристики различных поясов Земного шара. Один оборот вокруг своей оси Земля совершает за 23 ч 56 мин 4 с, этот промежуток времени называют звездными сутками, а сутки, в которых ровно 24 часа, называют средними или солнечными сутками.
Единственный спутник Земли Луна имеет размеры, близкие к размерам Меркурия, ее диаметр составляет 3476 км., а средний радиус орбиты – 384,4 тыс. км. Орбита Луны наклонена к орбите Земли на 5 градусов. Период вращения Луны вокруг своей оси абсолютно совпадает с периодом ее обращения вокруг Земли, поэтому с Земли можно видеть только одно лунное полушарие.
Линии сечения земного шара плоскостями, параллельными экваториальной, называют параллелями, а линии сечения плоскостями, проходящими через ось вращения Земли – меридианами. Каждой параллели соответствует своя широта (северная или южная), а каждому меридиану – своя долгота (западная или восточная). Совокупность параллелей и меридианов называют географической сеткой, с ее помощью определяют географические координаты любой точки на поверхности Земли.
Географическая широта произвольной точки – это угол между плоскостью экватора и проходящей через эту точку нормалью (отвесной линией), широта изменяется от нуля (на экваторе) до 90 градусов. Долгота – это угол между меридиональной плоскостью данной точки и плоскостью некоторого меридиана, условно принятого за начальный (такой начальный меридиан проходит через Гринвичскую астрономическую обсерваторию * и называется Гринвичским). Долгота изменяется в пределах от нуля до 180°, меридиан, которому соответствует широта 180°, является линией смены дат.
Для удобства отсчета времени и временной координации деятельности людей поверхность Земли разделена (в первом приближении по меридианам) на 24 часовых пояса. Применять для отсчета времени систему часовых поясов предложил канадский инженер Флемингв 1879 г., сегодня этой системой пользуется весь мир. Изменению времени на 1 час должно соответствовать изменение долготы на 15°, однако границы часовых поясов строго совпадают с меридианами лишь в мировом океане, на суше смежные часовые пояса разделяют, как правило, не меридианы, а какие-либо близкие к ним (а иногда и не очень близкие) административные границы.
Наклон земной оси к плоскости эклиптики, как уже отмечалось, определяет широтные границы климатических зон (поясов). Центральный пояс земной поверхности, границами которого являются северный и южный тропики, называют тропическим, широта каждого тропика – 23° 26" 38"". В тропическом поясе Солнце два раза в год в полдень проходит через зенит, а на широте тропиков оно бывает в зените только один раз: в полдень 21 июня на северном тропике и 22 декабря - на южном.
Географические параллели, которым соответствует широта 66° 33" 22"" называют полярными кругами, область между полюсом и полярным кругом называют полярным поясом. Только за полярным кругом (т.е в более высокоширотной области) имеют место такие явления как полярный день и полярная ночь. Между полярным кругом и тропиком в каждом полушарии расположен умеренный пояс (область умеренного климата).
Строение Земли. Внешние и внутренние геосферы. К внешним геосферам принято относить атмосферу, гидросферу и биосферу, хотя последнюю из них следовало бы рассматривать как промежуточную оболочку, так как она включает в себя гидросферу и те области атмосферы и земной коры (а это уже внутренняя оболочка), в пределах которых существует органическая жизнь. Иногда в качестве внешней геосферы рассматривают магнитосферу, что также не вполне оправданно, так как магнитной поле присутствует в любой из геосфер.
Атмосфера. Атмосфера Земли представляет собой смесь газов, в ее нижних слоях содержатся также влага и пылевые частицы. В сухом очищенном воздухе вблизи поверхности Земли содержится азота примерно 78 % азота, чуть меньше 21 % кислорода и около 1 % аргона. На долю углекислого газа приходится примерно 0,03 %, а на долю всех остальных газов (водород, озон, инертные газы и др.) – около 0,01 %. Состав атмосферы практически не меняется вплоть до высот порядка 100 км. На уровне моря при нормальном давлении (1 атм = 1,033 кг/см 2 = 1,013 10 5 Па) плотность сухого воздуха составляет 1,293 кг/м 3 , но при удалении от поверхности Земли плотность воздушной массы и связанное с ней давление быстро уменьшаются. Атмосфера непрерывно увлажняется за счет испарений воды с поверхности водоемов. Концентрация паров воды уменьшается с увеличением высоты быстрее, чем концентрация газов – 90 % влаги сосредоточено в нижнем пятикилометровом слое.
С изменением высоты меняются не только плотность, давление и температура воздуха, но и другие физические параметры атмосферы, а на больших высотах меняется и ее состав. Поэтому в атмосфере принято выделять несколько сферических оболочек с разными физическими свойствами. Основные из них – это тропосфера , стратосфера и ионосфера . Высотную протяженность (толщину) той или иной сферической оболочки Земли (это относится и к внутренним оболочкам) часто называют ее мощностью.
Тропосфера содержит около 80 % всей воздушной массы, ее мощность составляет 8…12 км в средних широтах, а над экватором – до 17 км. С увеличением высоты температура воздуха в пределах тропосферы непрерывно понижается вплоть до значений порядка -85°С (скорость понижения температуры составляет примерно 6 градусов на километр). Вследствие неравномерного прогрева поверхности земного шара тропосферные массы воздуха находятся в непрерывном движении, перенося не только тепло, но и влагу, пыль и всевозможные выбросы. Именно эти явления в тропосфере в первую очередь формируют погоду и климат на Земле.
Над тропосферой до высот порядка 50…55 км простирается стратосфера. В пределах этого слоя имеет место повышение температуры с увеличением высоты, на верхней границе стратосферы температура близка к нулю. В стратосфере практически отсутствует водяной пар. На высотах от 20 до 40 км расположена т.н. озоносфера , т.е. слой с повышенным содержанием озона. Этот слой часто называют щитом планеты, так как в нем почти полностью поглощается губительное для всего живого на Земле жесткое (коротковолновое) ультрафиолетовое излучение Солнца.
В промежутке между высотами 55 и 80 км расположен слой, в котором температура с высотой вновь уменьшается. У верхней границы этого слоя, который называют мезосферой , температура составляет примерно -80°С. За мезосферой вплоть до высот порядка 800…1300 км располагается ионосфера (иногда этот слой называют также термосферой, т.к. температура в этом слое с увеличением высоты непрерывно повышается).
Гидросфера. В составе гидросферы выделяют четыре вида вод: океаносферу, т. е. соленые воды морей и океанов (86,5 % массы), пресные воды суши (реки и озера), подземные воды и ледники. 97 % вод океаносферы сосредоточено в Мировом океане, являющемся не только основным хранилищем воды, но и основным аккумулятором тепла на нашей планете. Благодаря океану на Земле зародилась жизнь, образовалась и сохраняется кислородная атмосфера, океан поддерживает на низком уровне содержание в атмосфере углекислого газа, предохраняя планету от парникового эффекта (океан в существенно более высокой степени, нежели наземная растительность, выполняет функции "легких" нашей планеты).
В целом мировой океан, средняя глубина которого около 3,6 км, является холодным, только 8% воды теплее 10 о С. Давление в толще воды растет с увеличением глубины со скоростью 0,1 ат/м. Соленость океанских вод, среднее значение которой составляет около 35 промилле (35 ‰) неодинакова (от 6…8 ‰ в поверхностных водах Балтики до 40 ‰ на поверхности Красного моря). В то же время состав и относительное содержание различных солей повсюду неизменны, что свидетельствует об устойчивости динамического равновесия между растворением веществ, попадающих в океан с суши, и их осаждением.
Удельная теплоемкость воды примерно в 4 раза больше, чем воздуха, однако из-за огромной разницы в плотности (почти в 800 раз) 1 кубический метр воды, охлаждаясь на 1 градус, способен нагреть на 1 градус более 3000 кубометров воздуха. В умеренных и высоких широтах воды Мирового океана летом накапливают тепло, а зимой отдают его в атмосферу, именно поэтому в приморских районах климат всегда мягче, чем в глубине континентов. В экваториальных широтах вода нагревается круглый год, и это тепло переносится океанскими течениями в высокоширотные области, холодные же воды, захватываясь глубинными противотечениями, возвращаются в тропики. Помимо течений и противотечений, океанские воды перемещаются и перемешиваются за счет приливов и отливов, а также волн другой природы, среди которых выделяют ветровые волны, барические волны и цунами.
Биосфера. Наличие гидросферы и атмосферы с высоким содержанием кислорода существенно отличает нашу планету от всех других, входящих в солнечную систему. Но главное отличие Земли состоит в наличии на ней живого вещества – растительности и животного мира. Термин биосфера ввел в научный оборот уже упоминавшийся Э. Зюсс.
Биосфера охватывает все пространство, где существует живое вещество – нижнюю часть атмосферы, всю гидросферу и верхние горизонты земной коры. Масса живого вещества, составляющая примерно 2,4·10 15 кг, ничтожно мала в сравнении даже с массой атмосферы (5,15·10 18 кг), однако по степени воздействия на систему под названием Земля, эта оболочка существенно превосходит все другие.
Основу живого вещества составляет углерод, дающий бесконечное множество разнообразных химических соединений. Кроме него в состав живого вещества входят кислород, водород и азот, остальные химические элементы встречаются в незначительных количествах, хотя их роль в жизнеобеспечении тех или иных организмов может быть исключительно важной. Основная масса живого вещества сосредоточена в зеленых растения. Процесс естественного построения органических веществ с использованием солнечной энергии – фотосинтез – вовлекает в годовой кругооборот огромные массы углекислоты (3,6·10 14 кг) и воды (1,5·10 14 кг), при этом выделяется 2,66·10 14 кг свободного кислорода. С химической точки зрения фотосинтез является окислительно-восстановительной реакцией:
СО 2 + Н 2 О → СН 2 О + О 2 .
По способу питания и отношению к внешней среде живые организмы делятся на автотрофные и гетеротрофные. Последние питаются другими организмами и их остатками, а пищей для автотрофных организмов являются минеральные (неорганические) вещества. Большинство организмов относятся к аэробным, т. е. способны существовать только в среде, содержащей воздух (кислород). Меньшая часть (в основном это микроорганизмы) относится к анаэробным, обитающим в бескислородной среде.
При гибели живых организмов происходит процесс, обратный фотосинтезу, органические вещества разлагаются путем окисления. Процессы образования и разложения органики находятся в динамическом равновесии, благодаря чему общее количество биомассы практически не меняется со времен зарождения жизни на Земле.
Влияние биосферы на процессы геологической эволюции Земли было подробно проанализировано выдающимся российским ученым академиком В.И. Вернадским. В течение более чем трех миллиардов лет живое вещество поглощало и трансформировало энергию Солнца. Значительная часть этой энергии законсервирована в залежах полезных ископаемых органического происхождения, другая часть использована в процессах формирования различных горных пород, накопления солей в мировом океане, накопления кислорода, содержащегося в атмосфере, а также растворенного в океанской воде и входящего в состав горных пород. Вернадский первым указал на ведущую роль биосферы в формировании химического состава атмосферы, гидросферы и литосферы, обусловленную необычайно высокой геохимической активностью живого вещества.
Жизнь на Земле существует в огромном множестве форм, однако все эти формы существуют не автономно, а связаны сложными взаимоотношениями в единый непрерывно развивающийся гигантский комплекс.
Внутренние геосферы – это оболочки в твердом теле Земли. В нем можно выделить три крупные области (главные внутренние оболочки): центральную – ядро , промежуточную – мантию и наружную – земную кору . Углубиться в недра Земли с целью непосредственного их изучения удалось пока лишь на глубину чуть более 12 км, такая сверхглубокая скважина была пробурена в нашей стране (на Кольском полуострове). Но 12 км – это менее 0,2 % земного радиуса. Поэтому с помощью глубокого и сверхглубокого бурения можно получить данные о строении, составе и параметрах земных недр лишь в пределах верхних горизонтов коры.
Информацию о глубинных участках, в том числе и о поверхностях, разделяющих различные внутренние оболочки, геофизики получают, анализируя и обобщая результаты многочисленных сейсмических (от греч. «сейсмос » - колебание, землетрясение) исследований. Суть этих исследований (в упрощенном виде) заключается в том, что по результатам измерения времени прохождения сейсмической волны между двумя точками на поверхности (или внутри) земного шара, можно определить ее скорость, а по величине скорости волны – параметры среды, в которой она распространялась.
Земной корой называют верхнюю каменную оболочку, мощность которой в различных участках составляет от 6 - 7 км (под глубокими океаническими впадинами) до 70 – 80 км под Гималаями и Андами. Можно сказать, что нижняя поверхность земной коры является своеобразным «зеркальным отражением» наружной поверхности твердого тела Земли. Эту поверхность – границу раздела между корой и мантией – называют раздел Мохоровича.
В химическом составе земной коры преобладают кремний и алюминий, отсюда происходит условное название этой оболочки – "сиал". Строение земной коры отличается большой сложностью, проявлением которой являются отчетливо выраженные вертикальные и горизонтальные неоднородности. В вертикальном направлении в пределах земной коры традиционно выделяют три слоя – осадочный, гранитный и базальтовый. Породы, образующие эти слои, различны по составу и происхождению.
Мантия расположена между ядром и земной корой, поверхность, разделяющую мантию и ядро, называют раздел Вихерта-Гутенберга. Это промежуточная и самая крупная оболочка Земли, она простирается до глубин порядка 2900 км. Масса мантии составляет около 2/3 всей массы планеты. На границе земной коры и мантии температура может превышать 1000 о С, а давление 2000 МПа. В этих условиях вещество мантии может переходить из кристаллического состояния в аморфное (стекловидное) состояние. О химическом составе вещества мантии судить значительно сложнее, тем не менее эту оболочку называют "сима ". Это означает, что преобладающими элементами в составе мантии (по крайней мере, в составе верхней мантии), являются кремний и магний.
Ядро – это центральная и наиболее плотная оболочка Земли, ее радиус составляет 3470 км. На границе Вихерта-Гутенберга поперечные волны пропадают, это позволяет сделать вывод о том, что наружная часть ядра находится в жидком состоянии. В пределах внутренней части ядра (его радиус примерно 1250 км) скорость продольных волн снова возрастает, и вещество, как полагают, снова переходит в твердое состояние. Химический состав внешнего и внутреннего ядра приблизительно одинаков, преобладают железо и никель, отсюда условное название этой оболочки – "нифе ".
Физические поля Земли. Описание строения нашей планеты будет неполным, если не рассмотреть ее физические поля, в первую очередь, гравитационное и магнитное поля. Понятие «поле» используют в тех случаях, когда каждой точке в определенной области пространства можно сопоставить значение некоторой физической величины. В этом смысле можно говорить о поле температур (тепловом поле), поле скоростей, поле сил и т. п. В соответствии с характером физической величины поля подразделяют на векторные и скалярные.
Гравитационное поле Земли. Установленный И. Ньютоном закон всемирного тяготения выражается формулой
F т = GMm/r 2 ,
где F т - сила тяготения, М и m - массы взаимодействующих тел, r - расстояние между центрами тяжести этих тел, G = 6, 673·10 -11 м 3 с -2 кг -1 - гравитационная постоянная.
Описывая гравитационное взаимодействие какого-либо малого тела, обладающего массой m, с большим небесным телом (например, с Землей), закон тяготения удобно записать в виде:
где l = GM – постоянная тяготения рассматриваемого небесного тела. В случае Земли эта постоянная имеет величину около 4·10 14 м 3 с -2 .
Если малое тело (тяготеющая точка) находится в непосредственной близости над поверхностью небесного тела, силу притяжения определяют как
где g = l/r 2 - ускорение свободно падающего тела. В случае Земли, как известно, g = 9,8 м/с 2 .
Отметим, что при необходимости определять силу тяготения с большой точностью нужно учитывать зависимости величины g от координат точки, в которой определяется эта сила. В предположении однородного распределения массы по объему Земли силу тяжести в любой заданной точке можно рассчитать. Имеющиеся на практике отклонения фактических (измеренных) значений ускорения g от расчетных (т. н. гравитационные аномалии) обусловлены в первую очередь неравномерностью распределения масс. Тщательное изучение гравитационного поля Земли позволяет не только выявлять крупные тектонические нарушения, но и вести поиски месторождений полезных ископаемых.
Магнитное поле Земли. О том, что Земля обладает магнитными свойствами, известно с давних времен. Достаточно сказать, что история непосредственных магнитных измерений на земном шаре насчитывает более 400 лет (результаты экспериментальных исследований “большого магнита - Земли” были опубликованы английским естествоиспытателем У. Гильбертом в 1600 г.). Наша планета действительно представляет собой большой магнит, форма современного магнитного поля Земли близка к той, которая была бы создана магнитным диполем, помещенным в ядре.
Любая земная порода в момент своего образования под действием геомагнитного поля приобретает намагниченность, которая сохраняется до тех пор, пока эта порода не будет разогрета до температур, превышающих температуру Кюри. Изучая естественную остаточную намагниченность пород, возраст которых известен, можно узнать о пространственном распределении и временных изменениях геомагнитного поля в прошлом. Можно сказать, что информация об эволюции геомагнитного поля в буквальном смысле «записана» в земных недрах. Роль магнитного носителя лучше всего выполняют магматические породы, извергавшиеся из вулканов при высокой температуре (выше температуры Кюри для содержащихся в этих породах ферромагнитных материалов). Одним из важнейших результатов подобных палеомагнитных исследований является открытие т. н. инверсий геомагнитного поля (иногда используется термин «реверсия »), т. е. изменения направления магнитного момента Земли на противоположное.
Магнитные полюса нашей планеты не совпадают с географическими и с течением времени могут изменять свое положение. Последние 100 лет, как показывают наблюдения, северный магнитный полюс перемещается в восточном направлении (с севера Канады через Северный Ледовитый океан к Сибири), его перемещение составило уже около 1000 км. Пока не вполне ясно, что это – начало очередной инверсии, или часть нормальной осцилляции, после которой полюс вернется на свое привычное место.
Тепловое поле Земли . Планета Земля находится в термодинамическом равновесии с окружающей средой, она одновременно и поглощает, и излучает примерно равные количества тепла. Главным источником внешней энергии для Земли является Солнце. Среднее значение плотности потока солнечной энергии над атмосферой Земли составляет примерно 0,14 Вт/см 2 . Почти половина падающей энергии (порядка 45%) отражается в мировое пространство, остальная энергия аккумулируется атмосферой, водой, почвой и зелеными растениями. Преобразуясь в тепло, энергия солнечной радиации приводит в движение массы атмосферного воздуха и огромные массы воды в мировом океане.
Определенный вклад в создание теплового поля Земли вносят и внутренние источники. Этих источников достаточно много, но к основным следует отнести только три: распад радиоактивных элементов, плотностная (гравитационная) дифференциация вещества и приливное трение.
Скалярное тепловое поле Земли имеет достаточно сложное строение. В верхнем слое земной коры (до 30 – 40 м) сказывается влияние прогрева поверхности солнечными лучами, поэтому этот слой называют гелиотермической зоной . Температура в этой зоне периодически изменяется в течение суток и в течение года. Чем больше период колебаний поверхностной температуры, тем глубже эти колебания проникают в земные недра, но в любом случае амплитуда колебаний температуры экспоненциально уменьшается с увеличением глубины.
Температурный режим нижней зоны земной коры, называемой геотермической зоной , определяется внутренним теплом. В этой зоне с увеличением глубины температура повышается, скорость ее изменения различна в разных участках поверхности земного шара, что связано как с различной теплопроводностью пород, так и с неравномерностью теплового потока, идущего их земных недр.
Между гелиотермической и геотермической зонами проходит пояс постоянных температур, в пределах которого среднегодовая температура, соответствующая тому или иному региону, примерно постоянна. Глубина залегания этого пояса зависит от теплофизических свойств пород и от широты местности (увеличивается с повышением широты). Если среднегодовая температура какой-то области отрицательна, то атмосферные осадки, просачивающиеся в недра, превращаются в лед, в этих условиях образуется т.н. вечная мерзлота . В зонах вечной мерзлоты, общая площадь которых составляет около четверти всей твердой поверхности нашей планеты, верхний слой почвы оттаивает в летнее время на глубину от нескольких сантиметров до 3 - 4 метров.
Развитие отечественной и мировой экономики пока базируется на росте энергопотребления. В ХХ веке население Земли увеличилось в 2,2 раза, а потребление энергии – в 8,5 раз. В условиях надвигающегося энергетического кризиса солнечная энергия, а также тепловая энергия земных недр могут и должны составить конкуренцию традиционным источникам энергии (нефть, газ, уголь, ядерное топливо).
Земля: интересные факты о нашей планете
5 (100%) 3 votesНаша Земля также известна как «Голубая планета», потому что она похожа на синий шар из космоса. Этот синий цвет обусловлен водами океанов, которые покрывают более 70 процентов планеты. Земля – единственная планета нашей Солнечной системы, которая поддерживает естественную жизнь и имеет воду. Наша планета также вступает в контакт с другими небесными телами, особенно с Луной и Солнцем. Мы собрали самые интересные факты о Земле.
Третья планета от Солнца
Земля находится в третьем положении от Солнца после Венеры и Меркурия. Это пятая по размеру планета. Земля является одной из 4 планет земной группы нашей Солнечной системы. Земные планеты состоят из горных пород.
Земля является самой большой из всех планет земной группы:
- она имеет максимальную плотность;
- она имеет максимальный вес;
- она имеет сильное магнитное поле;
- скорость вращения Земли больше, чем у любой другой твердой планеты.
Строение нашей планеты
В соответствии с физическими свойствами Земля разделена на три слоя:
- наружный слой называется кора;
- вязкое вещество под корой называется мантией;
- внутренняя часть Земли является твердой и известна как ядро.
Два самых распространенных элемента, присутствующих в Земле, — это железо и кислород.
Земля состоит из трех типов пород:
- магматические породы;
- осадочные породы;
- метаморфические породы.
Площадь суши Земли составляет около 30%, и она разделена на 7 континентов. Это Азия, Африка, Северная Америка, Антарктида, Европа, Южная Америка и Австралия.
Воображаемая линия, которая делит Землю на Северный и Южный полюса, называется экватор.
Земля разделена на два полушария – северное и южное.
Северное полушарие простирается от экватора до Северного полюса, а Южное полушарие – от экватора до Южного полюса.
Марианская впадина является самым глубоким место Земли. Она расположена на дне Тихого океана.
На 70% планета состоит из воды. 97,5 % это – соленая вода, которая не пригодна для питья, и только 2,5 % воды – питьевая.
Атмосфера Земли
Атмосфера – это воздух, который покрывает, как куртка, поверхность Земли. Она состоит из ряда газов, которые позволяют нам и другим видам жить на этой планете. Общая высота атмосферы Земли составляет около 60 000 км. На уровне моря слои атмосферы плотнее, и ее толщина уменьшается с увеличением высоты.
В состав атмосферы входят три газа, которые являются жизненно важными для нашего выживания:
- диоксид углерода;
- озон;
- водород.
Азот и кислород – наиболее распространенные газы в атмосфере. Кислорода имеется 21%, а азота – 78%.
Атмосфера нашей планеты делится на 4 слоя:
- тропосфера;
- стратосфера;
- мезосфера;
- термосфера.
В Писании говорится, что «Бог… создавший Землю, образовал ее для жительства» (Исаия 45:18) . Беспристрастное исследование планеты Земля убедит каждого студента в том, что за этим простым заявлением стоит огромное, потрясающее значение.
Земля
Одного мимолетного взгляда на планету Земля будет достаточно, чтобы понять, насколько она отличается от других известных нам планет. Даже если смотреть из космоса, планета Земля резко выделяется среди остальных семи планет нашей солнечной системы. Планета Земля отличается приятными ярко-голубым и белым цветами, тогда как все остальные планеты (а также их спутники) имеют непривлекательный красный, оранжевый или тускло-серый цвета. Более того, наша планета Земля – единственная из планет, вращающихся вокруг Солнца, на которой могла бы существовать и существует жизнь в известной нам форме.
Планета Земля состоит в основном из кислорода, железа, серы, кремния, магнезия, алюминия, кальция, водорода и никеля (вместе эти вещества составляют 98 % Земли). Остальные два процента включают более сотни других элементов. В отличие от любой другой планеты, планета Земля покрыта зеленой растительностью, огромнейшими зелено-голубыми океанами, на ней содержится более миллиона островов, сотни тысяч ручьев и рек, громадные массивы Земли, которые называются континентами, горы, ледниковые покровы и пустыни, которые придают Земле эффектное разнообразие цветов и текстур. Все другие известные планеты, если не принимать во внимание происходящих на них ужасных катастроф, в основном покрыты безжизненным слоем грунта или газа, который немного изменяется только благодаря слабому движению ветра или потоков воздуха. Совершенно бесплодная поверхность большинства планет разительно отличается от нашей планеты с ее яркими цветами – оттенками зеленого, голубого и белого, ведь поверхность всех других планет имеет тускло-серый или коричневый оттенок, и, зачастую, покрыта толстым слоем атмосферы.
В буквально каждой экологической нише поверхности нашей планеты можно найти какой-то из видов жизни. Даже в озерах чрезвычайно холодной Антарктики можно найти живых существ, с трудом различимых под микроскопом. В кусочках мха и лишайника обитают крохотные бескрылые насекомые и растут растения, цветущие каждый год. Жизнь на Земле присутствует везде – от самых верхних слоев атмосферы до дна океана, от самых холодных точек полюсов до самых жарких мест экватора. До сегодняшнего дня ни на одной другой планете не было найдено доказательств существования жизни.
Планета Земля имеет огромные размеры --8000 миль (12756 км) и обладает массой в 6.6 x 10 21 тонн. Планета Земля находится на расстоянии приблизительно в 93 миллиона миль от Солнца. Если бы Земля вращалась вокруг Солнца по своей орбите длиной в 584 миллионов миль быстрее, ее орбита стала бы более длинной, и Земля отдалилась бы от Солнца на большее расстояние. А если бы она слишком далеко отошла от небольшой обитаемой зоны, все виды жизни на Земле прекратили бы свое существование. Если бы планета Земля двигалась по своей орбите медленней, она бы приблизилась к Солнцу, что также привело бы к исчезновению жизни.
Путешествие Земли вокруг солнца, которое занимает 365 дней, 6 часов, 49 минут и 9.54 секунд (звездный год), всегда происходит с точностью до одной тысячной секунды! Если бы средняя годовая температура Земли изменилась хотя бы на несколько градусов, большинство форм жизни в конце-концов погибли бы от перегрева или замерзания. Такая перемена нарушила бы водно-ледный баланс, и другие важнейшие балансы, что привело бы к катастрофическим последствиям. Если бы планета Земля вращалась по своей оси медленнее, вся жизнь со временем вымерла бы либо от замерзания ночью (из-за недостатка солнечного тепла), либо от перегрева днем (из-за жары от солнца).
Солнце
Только одна миллиардная часть энергии, ежедневно производимой Солнцем, используется нашей планетой. Солнце обеспечивают ежедневно Землю энергией, сопоставимой с более 130 триллионов лошадиных сил. Хотя, по всей вероятности, во Вселенной существует несколько сотен миллиардов галактик, и в каждой из них насчитывается около 100 миллиардов звезд, на каждый атом припадает 333 литров пространства, и это значит, что пустое пространство занимает большую часть вселенной!
Если бы Луна была более крупной, или находилась бы ближе к Земле, это привело бы к возникновению цунами, которые заливали бы долины и разрушали горы. Ученые считают, что если бы континенты находились на одном уровне, вода покрыла бы всю поверхность суши на глубину более двух километров ! Если бы Земля находилась под наклоном не в 23°, а, скажем, в 90° по отношению к Солнцу, у нас бы не было четырех времен года. А без смены времен года жизнь на земле не могла бы существовать – полюса находились бы в вечных сумерках, а испаряющаяся из океанов вода относилась бы ветром на северный и южный полюс, и замерзала там. Со временем, в полярных регионах скопились бы громадные континенты из снега и льда, а остальная часть Земли стала бы сухой пустыней. В конце концов, океаны исчезли бы с лица Земли и прекратились бы дожди. Вес накопленного льда на полюсах заставил бы планету выпучиться по линии экватора, и, в результате, вращение Земли коренным образом изменилось бы.
Чудо воды
Еще один пример, который проиллюстрирует жестокие изменения, которые могли бы наступить из-за изменений под воздействием внешних условий – это существование воды. Планета Земля – единственная известная нам планета с таким огромным скоплением воды -70% ее поверхности покрыто океанами, озерами и морями, окружающими огромные массивы суши. Лишь на немногих планетах есть вода, и она содержится там либо в форме влаги, парящей в виде пара на поверхности, либо в виде льда – но нигде нет таких огромных массивов жидкости, как на Земле.
Вода уникальна тем, что она может поглощать огромное количество тепла и это не вызывает значительных изменений ее температуры. Коэффициент теплопоглощения воды в более чем в десять раз превышает коэффициент теплопоглощения стали. На протяжении дня водные массивы Земли поглощают огромное количество тепла, и таким образом, на земле сохраняется относительно прохладная температура. Ночью вода отдает большое количество тепла, поглощенного за день, что, вместе с атмосферными эффектами, не позволяет поверхности Земли замерзнуть за ночь. Если бы на Земле не было того огромного количества воды, существовали бы намного более резкие перепады дневных и ночных температур . Многие части поверхности Земли нагревались бы днем настолько, что на них можно было бы кипятить воду, и те же самые части замерзали бы ночью настолько, что на них можно было бы замораживать воду. Так как вода является превосходным стабилизатором температуры, присутствие огромных океанов является жизненно важным условием для существования жизни на нашей планете.
Однако переизбыток воды на Земле также мог бы создать проблему. Большинство материалов расширяются при нагревании и сужаются при охлаждении. Поэтому если взять два предмета одинакового размера и состоящих из одного материала, тот предмет, который будет более холодным, будет иметь большую плотность. Возможно, это и не кажется нам проблемой, но это могло бы стать серьезной проблемой в случае с водой, если бы не одна редкая аномалия.
Вода, как и почти все другие вещества, сужается при остывании, однако в отличие от буквально всех других веществ (редкими исключениями являются также резина и сурьма), она сужается при охлаждении до 4° Цельсия, а потом – удивительным образом расширяется до момента замерзания. Если бы вода продолжала охлаждаться так же, как и все другие вещества, она становилась бы более плотной, и, в результате, опускалась бы на дно океана. Более того, превращаясь в лед, вода также опускалась бы на дно океана. Со временем, дно океана все больше покрывалось бы льдом, в то время как вода на поверхности продолжала бы замерзать, опускаться и копиться на дне.
Таким образом, благодаря этой аномалии, лед, формирующийся в морях, океанах и озерах, остается на поверхности, где солнце нагревает его на протяжении дня, а теплая вода снизу помогает ему растаять летом. Благодаря этому процессу, а также эффекту Кориолиса, из-за которого возникают океанические течения, большая часть океана находится в форме жидкости и это дает возможность бесчисленному количеству существ обитать в воде и подтверждает, что истинно, «Господь премудростью основал землю, небеса утвердил разумом»; (Притчи 3:19) .
Чудо воздуха
На суше же происходит обратное. Воздух, находящийся вблизи поверхности Земли, нагревается энергией солнца, а после нагревания воздух становится менее плотным и поднимается вверх. В результате возле поверхности Земли поддерживается такая температура, при которой возможно существование жизни. Если бы воздух при нагревании сжимался и становился более плотным, температура возле поверхности Земли была бы просто невыносимой – при такой температуре большинство форм жизни не смогли бы прожить долгое время. Температура же в нескольких метрах над поверхностью наоборот была бы очень низкой и большинство форм жизни также не смогли бы прожить при ней долгое время. На земле была бы очень тонкая прослойка атмосферы, пригодной для жизни, но даже и в ней жизнь не смогла бы продержаться долгое время, так как растения и деревья, необходимые для поддержания жизни, находились бы в «холодной зоне». Таким образом, у птиц не было бы места для жизни, еды, воды или кислорода. Но благодаря тому, что воздух поднимается вверх при нагревании, на Земле возможно существование жизни.
Движение теплого воздуха вверх от поверхности Земли создает воздушные течения (ветер), которые также являются очень важной частью экологической системы Земли. Они уносят углекислый газ из местностей, где он вырабатывается в чрезмерных количествах (например, в городах) и переносят кислород в те места, где он необходим (например, в густозаселенные центры).
Смесь газов, которые содержатся в незагрязненной человеческой деятельностью атмосфере, просто идеальна для жизни . Если бы их соотношение значительно отличалось (к примеру, было бы 17% кислорода вместо 21%, или было бы слишком мало углекислого газа, или атмосферное давление было бы намного выше или ниже), жизнь на Земле прекратила бы свое существование. Если бы слой атмосферы был бы намного тоньше, миллионы метеоров, которые сжигаются, не достигая Земли, попадали бы на землю и несли с собой смерть, разруху и пожары.
Окружающая среда, пригодная для жизни: адаптация или сотворение?
Если благодаря эволюции возникают формы жизни, способные обитать в соответствующих условиях окружающей среды, то почему же жизнь не распространилась в равной мере везде? Планета Земля намного лучше приспособлена для жизни, чем любая другая планета, но даже большая часть Земли имеет либо слишком жаркий, либо слишком холодный микроклимат. Жизнь не может существовать как слишком глубоко под землей, так и слишком высоко над ее поверхностью. На расстоянии во многие тысячи километров от центра Земли до края ее атмосферы, существует лишь несколько метров окружающей среды, пригодной для обитания большинства форм жизни, и, таким образом, почти все живые создания вынуждены жить в этом промежутке. Хотя в нашей солнечной системе только планета Земля создана пригодной для обитания (Исаии 45:18 ), даже на Земле лишь тонкая прослойка атмосферы пригодна для жизни большинства форм жизни, с которыми мы лучше всего знакомы – это млекопитающие, птицы и рептилии.
И эта прослойка буквально изобилует различными формами жизни. По оценкам ученых, в одном акре обычной фермерской почвы глубиной в 15 см содержится несколько тонн живых бактерий, около тонны грибков, 90 кг простейших одноклеточных организмов, около 40 кг дрожжевых грибов и практически столько же водорослей.
Выводы
Эту экстремально тонкую грань между окружающей средой, в которой жизнь может существовать и средой, где она не может существовать, можно проиллюстрировать одним фактом. По оценке ученых, изменение средней мировой температуры всего на пять градусов со временем серьезно повлияло бы на существование жизни на Земле, а более значительные изменения температуры могли бы быть губительными для жизни.
Эти допустимые отклонения ничтожно малы, и даже если во всей вселенной есть еще и другие планеты, весьма маловероятно, что они пригодны для жизни, так как для существования жизни требуются весьма жесткие условия.
Вероятность того, что планета будет нужного размера, что она будет находиться на нужном расстоянии от звезды нужного размера, и что будут соблюдены и все остальные условия, описанные в этой статье, невероятно мала - даже если учесть, что, возможно, вокруг большинства звезд вращаются множество планет, как считают многие ученые. Математическая вероятность того, что все эти и другие важные условия существования создались по стечению астрономических обстоятельств, составляет примерно несколько миллиардов к одному!
Ссылки и примечания
- Г. Гиллермо, Дж. В. Ричардз. Привилегированная планета: о том, как наша планета в космосе создана для открытий. Washington, DC: Regnery. 2004.
- П.Д. Ворд, Д. Вроули. Редкая планета Земля: Почему сложная жизнь необычна для Вселенной. New York: Copernicus. 2000
* Благодарю за помощь в написании этой статьи доктора Девида Джонсона, профессором химии из университета Спринг Арбор, и Роберта Лейнга, президента лабораторий «Клин Флоу».