Планета Земля. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Планета Земля - третья по порядку от Солнца планета Солнечной системы. Ср. расстояние от Солнца 149,6 млн. км (1 а. е.), эксцентриситет орбиты е=0,0167, ср. скорость движения по орбите 29,765 км/с, период обращения по орбите 365,24 ср. солнечных суток. Наклон земной оси к плоскости эклиптики 66°33'22'', период вращения вокруг оси 23 ч 56 мин 4,1 с. Вращение вокруг оси вызывает смену дня и ночи, наклон оси и обращение вокруг Солнца - смену времён года. У планеты 3. имеется спутник - Луна ,обращающийся вокруг неё на ср. расстоянии 384 400 км. Форма 3.- геоид: из-за вращения её фигура близка к эллипсоиду, она сплющена у полюсов и растянута в экваториальной зоне. Ср. радиус R_D=6371,032 км, экваториальный - 6378,160 км, полярный - 6356,777 км (сжатие равно 1/298,25). Площадь поверхности 510,2 млн. км², объём 1,083.10¹² км³, ср. плотность 5518 кг/м³, масса М_D=5,976.10²⁴ кг. Ускорение свободного падения на экваторе 9,7805 м/с². Отклонение потенциала внеш. гравитац. поля 3. от ньютоновского потенциала мало (~ 1/300). Первый поправочный член к ньютоновскому потенциалу связан с величиной сжатия геоида и равен 1,08270.10^-³; отклонение геоида от эллипсоида описывается последующими поправочными членами, величины к-рых на три порядка меньше первого члена. Они содержат информацию о флуктуациях плотности в недрах 3., об отклонении 3. от состояния гидростатич. равновесия, различии моментов инерции 3. относительно её гл. осей. Момент инерции 3. относительно оси вращения I= 8,04.10³⁷ кг.м², безразмерный ср. момент инерции 3. I*=I/M_DR²_D=0,33076, что указывает на концентрацию массы к центру планеты (за счёт роста плотности с глубиной под действием давления, из-за роста с глубиной концентрации тяжёлых компонентов вещества 3., а также из-за уплотнения вещества в недрах при происходящих там фазовых переходах). 3. обладает магн. полем, имеющим дипольный характер, но на больших высотах (>3R_D) структура поля значительно сложнее (см. Магнитосфера Земли ).Магн. полюсы 3. не совпадают с её географич. полюсами; дипольный магн. момент 3., равный 8.10²⁵ единиц СГС, образует с осью вращения 3. угол 11,5°. Напряжённость геомагн. поля убывает от магн. полюсов к магн. экватору от 0,70 до 0,42 Э. Осн. магн. поле испытывает медленные вековые вариации. С периодом от сотен тыс. лет до неск. десятков млн. лет происходит смена полярности магн. поля 3. Само существование у 3. этого поля объясняется эффектом гидромагнитного динамо в её жидком металлич. ядре (см. Земной магнетизм). Согласно сейсмич. данным, недра 3. разделяются на три осн. области: кору, мантию и ядро. Кора отделена от мантии резкой сейсмич. границей, на к-рой скорости сейсмич. продольных волн v_p, поперечных волн v_s и плотность r скачкообразно возрастают. Эту границу наз. границей Мохоровичича (граница Мохо, или М). Осн. типы земной коры - океанический (толщина с учётом слоя воды ~10 км) и материковый (толщина до неск. десятков км в горных районах); в зонах перехода от материка к океану кора имеет промежуточный тип. Эффективная толщина коры принимается равной 35 км. В интервале глубин 35-2885 км расположена силикатная оболочка, или мантия 3. Сейсмич. граница на глубине 2775 км между мантией и ядром 3. была открыта в 1914 Б. Гутенбергом (В. Gutenberg). Эта граница - наиб. резкая граница раздела в недрах 3. Она сильно отражает и преломляет сейсмич. волны. На ней скорость продольных волн (Р-волн) скачком падает от 13,6 км/с в мантии до 8,1 км/с в ядре, а скорость поперечных волн (S-волн) уменьшается от 7,3 км/с до нуля. Непропускание ядром 3. поперечных волн означает, что модуль сдвига ядра равен нулю, т. е. ядро 3.- жидкое. На рис. 1 представлена сейсмич. модель 3., т. е. показан характер изменения скоростей Р- и S-волн с глубиной. В соответствии с данными сейсмологии, земные недра разделяются на восемь зон: А, В, С, D (D' и D''), Е, F, G. Зона А (0-35 км) - земная кора; зона В (35-400 км) - слой пониженных скоростей сейсмич. волн; зона С (400-1000 км) - зона аномально быстрого возрастания скоростей (переходный слой); зона D разделяется на зону D' (1000-2700 км) - нормального возрастания скоростей за счёт увеличения давления - и зону D'' (2700-2885 км) - узкую граничную зону мантии с ядром, характеризующуюся постоянством скоростей сейсмич. волн; зона Е (2885- 4980 км) - жидкое внеш. ядро; зона F (4980-5120 км) - переходная зона ядра; зона G (5120-6371 км) - твёрдое внутр. ядро 3.

Рис. 1. Сейсмическая модель Земли: изменение скорости сейсмических Р- и S-волн с глубиной.

Распределение плотности, давления и ускорения свободного падения в 3. представлено на рис. 2. Совр. модели 3. выделяют литосферу - наружную зону, включающую в себя кору и верх. зону мантии приблизительно до глубины 70 км. Литосфера расколота примерно на 10 больших плит, по границам к-рых расположено подавляющее число очагов землетрясений. Под жёсткой литосферой расположен слой повышенной текучести - астеносфера 3. Из-за малой вязкости астеносферы литосферные плиты плавают в "астеносферном океане", находясь тем самым в изостатич. равновесии.

Рис. 2. Распределение плотности r, давления р (1 Мбар = 10¹¹ Па) и ускорения свободного падения g внутри Земли.

Астеносфера почти совпадает со слоем пониженных скоростей сейсмич. волн, т. к. в ней температуры мантийного вещества наиб. близко подходят к температурам плавления. Согласно концепции больших горизонтальных перемещений литосферных плит и раздвигания океанич. дна [концепции "мобилизма", А. Вегенер (A. Wegener), 1912], кора 3. создаётся в рифтовых зонах океанов и, как ленточный конвейер, движущийся со скоростью ~ 5 см/год, раздвигается, а у глубоководных желобов погружается в мантию. У оси рифта астеносфера ближе всего подходит к поверхности 3., по мере отодвигания литосферы плита остывает, и на расстоянии ~ 10³ км от рифта толщина её стабилизируется и достигает 70-80 км, на континентах толщина литосферы может достигать 150-200 км. По-видимому, процессы, протекающие в астеносфере, определяют геол. строение земной коры, в ней же расположены и первичные магматич. очаги вулканов. Оболочечная структура 3. находит естеств. объяснение как следствие дифференциации её вещества под действием гравитац. поля в условиях разогрева недр. Под чехлом метаморфич. и осадочных пород, имеющим перем. мощность, расположена континентальная кора, состоящая из двух гл. слоев: гранитного и базальтового. Наращивание новой континентальной коры происходит в настоящее время за счёт магматизма в местах расположения островных и материковых дуг (темп ~ 0,5 км³/год). Океанич. кора имеет базальтовый состав, и вся мантия состоит из ультрабазитов. Внеш. ядро (30% массы 3.) находится в жидком состоянии и состоит (по совр. представлениям) из смеси серы (12%) и железа (88%). Внутр. ядро (1,7% массы 3.) - железо-никелевый сплав (20% Ni, 80% Fe). В состав 3. кроме Fe (34,6%), О (29,5%), Si (15,2%), Mg (12,7%) входят в меньшем кол-ве многие др. хим. элементы, в т. ч. U, Th и К, выделяющие теплоту за счёт радиоакт. распада. Разогрев планеты мог также быть усилен теплотой, аккумулированной при образовании планеты, а также выделившейся при последующей гравитац. дифференциации вещества 3. на силикатную мантию и железное ядро. От поверхности 3. к центру возрастают давление, плотность н температура: давление в центре 3. ~ 3,6.10¹¹ Н/м², плотность ок. 12,5.10³ кг/м³, темп-pa ~ 5000 °С. Поверхность 3. в среднем излучает (6,3-7,5).10^-² Вт/м²(преим. в ИК-диапазоне). По совр. представлениям, теплота из недр 3. выносится не только посредством теплопроводности, но и конвекцией вещества в недрах. Более того, рождение литосферных плит в рифтовых зонах, последующее их движение и, наконец, погружение в мантию у глубоководных желобов являются следствием конвенции в верх. мантии, т. е. океанич. литосфера определяется как наружный холодный пограничный слой конвективных ячеек верх. мантии. Эти представления развиваются теорией, рассматривающей тектонич. движение плит, или новой глобальной тектоникой (НГТ). В результате дифференциации вещества в недрах 3. и его дегазации возникли также гидросфера и атмосфера. Общая масса совр. атмосферы ~ 5,15.10¹⁸ кг, она содержит азот (~ 78,08% по объёму), кислород (~ 20,95%), а также водяной пар, углекислый газ и др. газы (см. Атмосфера Земли). Макс. темп-pa поверхности суши 57-58 °С (в пустынях Африки), минимальная ок. -90 °С (в Антарктиде). Мировой океан занимает большую часть поверхности 3. (361,1 млн. км²; ~ 70,8%), его ср. глубина ок. 3800 м, наиб.- 11 022 м (Марианская впадина в Тихом океане), объём воды 1370 млн. км³, ср. солёность 35 г/л. Поверхность суши составляет 149,1 млн. км² (~ 29,2%). Суша поднимается над уровнем Мирового океана в среднем на 875 м (наиб. высота 8848 м - вершина Джомолунгма в Гималаях). По совр. космогонич. представлениям, 3. образовалась ок. 4,6 млрд. лет назад в протопланетном облаке. Абс. возраст наиб. древних горных пород составляет свыше 3,75 млрд. лет. Геол. история 3. делится на два этапа: докембрий, длившийся ок. 3 млрд. лет, и фанерозой - последние 570 млн. лет. Ок. 3,5- 3,8 млрд. лет назад на 3. создались условия (температурные, хим. и др.), благоприятные для зарождения жизни, началось развитие биосферы, оказавшее значит. влияние на состав атмосферы, гидросферы и осадочных пород. Имеются указания на возможное влияние внеш. (космич.) факторов на развитие жизни на 3. Исследования морских отложений свидетельствуют о периодич. массовых вымираниях мн. видов животных и растений в среднем каждые 30 млн. лет. Слои с возрастом в 65 и 230 млн. лет сильно обогащены редкими для 3. элементами: Ir и др. Эти же эпохи совпадают с двумя наиб. сильными биол. катастрофами. Возможно они были вызваны столкновениями 3. с кометами или др. малыми телами Солнечной системы. Производств. деятельность человечества в 20 в. по своему влиянию на биосферу оказалась сопоставимой с воздействием глобальных природных факторов, иоэтому проблемы взаимоотношений человеческого общества с природой (проблемы экологии человека) выдвинулись в науке и в практич. деятельности человечества на первый план.

Литература по планете Земля

Знаете ли Вы, что только в 1990-х доплеровские измерения радиотелескопами показали скорость Маринова для CMB (космического микроволнового излучения), которую он открыл в 1974. Естественно, о Маринове никто не хотел вспоминать. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.