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 релятивистское объяснение феномену CMB (космическому микроволновому излучению) придумал человек выдающейся фантазии Иосиф Шкловский (помните книжку миллионного тиража "Вселенная, жизнь, разум"?). Он выдвинул совершенно абсурдную идею, заключавшуюся в том, что это есть "реликтовое" излучение, оставшееся после "Большого Взрыва", то есть от момента "рождения" Вселенной. Хотя из простой логики следует, что Вселенная есть всё, а значит, у нее нет ни начала, ни конца... Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.