<<
>>

3.3. Земля


Земля — третья от Солнца и самая крупная из планет земной группы. Вместе со своим спутником Луной она образует систему — двойную планету.
Фигура Земли. Земля имеет самую совершенную из математических форм — шарообразную, со средним радиусом 6371,032 км.
Сжатие, обусловленное осевым вращением, составляет l/300, что определяет разность экваториальной и полярной полуосей эллипсоида вращения в 21,383 км (6378,160 и 6356,777 км соответственно). В зависимости от цели исследования используют различные модели, считая их последовательными приближениями к истинной форме Земли.
Первое приближение — сфера. Это наиболее общая модель планеты. Сплюснутость Земли с полюсов в отдельных случаях не играет существенной роли. Сфера не имеет выраженной единственной оси симметрии — все ее оси равноправны, их бесчисленное множество, так же как и экваторов. Несоответствие сферической модели Земли ее реальной форме заметно проявляется при изучении горизонтальной структуры географической оболочки, характеризующейся выраженной поясностью и известной симметрией относительно экватора.
Второе приближение — эллипсоид вращения. Тип симметрии эллипсоида отвечает указанным выше особенностям формы Земли (выраженная ось, экваториальная плоскость симметрии, меридиональные плоскости). Эта модель используется в высшей геодезии для расчета координат, построения картографических сеток и др.
Третье приближение — трехосный эллипсоид. Установлено, что экваториальное сечение Земли также представляет эллипс, разность полуосей которого составляет всего около 200 м, а эксцентриситет — 1/30 000. Однако полярные полуоси северного и южного полушарий не одинаковы (вторая на 100—200 м короче первой), поэтому полярное сжатие южного полушария больше, чем северного. Такая сердцевидная фигура с осевой впадиной на южном полюсе и выпуклостью на северном получила название кардио-идального эллипсоида. Экваториальное сжатие свидетельствует о сложном внутреннем строении планеты, проявляющемся в несимметричном распределении масс. В географических исследованиях эта модель почти не используется.
Четвертое приближение — геоид (буквально — землеподобный). Геоид — геометрически неправильное тело, ограниченное уровенной (или изопотенциальной) поверхностью, совпадающей со средним уровнем Мирового океана. Эта поверхность представляет собой геометрическое место точек пространства, имеющих одинаковый потенциал силы тяжести, и не является горизонтальной плоскостью. Уровенная поверхность в любой точке перпендикулярна отвесу, благодаря чему можно проследить положение объектов — их отклонение (высоту или глубину) от невозмущенного состояния с помощью измерительных средств (например, альтиметров). Внутри материков поверхность геоида поднимается над поверхностью эллипсоида, в океанах — опускается. Некоторые свойства последнего приближения показаны на рис. 3.5 — 3.6.
Форма Земли зависит от размеров планеты, распределения плотностей и скорости осевого вращения.
Ни один из этих факторов нельзя назвать стабильным. Вследствие глубинного сжатия радиус планеты сокращается приблизительно на 5 см за столетие, а значит, уменьшается и объем Земли. Однако это уменьшение носит пульсирующий характер, потому что его сменяют периоды расширения, вызываемые огромным количеством тепла, освобождаемого сокращением радиуса.
Описанные выше процессы отражаются и на скорости вращения Земли: при уменьшении радиуса скорость возрастает, при увеличении — замедляется. Следовательно, при вековой тенденции к уменьшению объема планеты скорость вращения должна увеличиваться. Но так как имеет место еще один (весьма мощный) фактор — приливное торможение, скорость вращения Земли в итоге систематически уменьшается. Это означает ослабление полярного сжатия Земли (оно изменяется пропорционально квадрату угловой скорости вращения планеты) и стремление земного эллипсоида перейти к форме шара. Однако следует иметь в виду, что из-за значительной вязкости вещества планеты изменение ее фигуры будет несколько отставать от изменения скорости вращения. Современная форма Земли отвечает не теперешней скорости, а той, которая была около 10 млн лет назад.

Рис. 3.5. Отклонение (м) поверхности геоида от эллипсоида вращения (Мир географии, 1984)


Рис. 3.6. Соотношение положений поверхности литосферы (I), геоида (//) и эллипсоида вращения (///): 1 — литосфера; 2 — океан
Длительное уменьшение полярного сжатия должно привести к уменьшению экваториального вспучивания Земли и поднятию приполярных областей, увеличение сжатия — к восстановлению экваториальной «опухоли» и погружению приполярных районов. Первый случай создает благоприятные условия для возникновения океана в экваториальной области и материков в полярных и умеренных широтах, второй — для занятия экваториальных районов материками, а умеренных и полярных — океаном. Современное распределение суши и океана отражает ослабление полярного сжатия в Северном полушарии и его увеличение в Южном полушарии. По-видимому, в ходе векового уменьшения полярного сжатия Земли Северное полушарие опережает Южное.
Главное географическое значение формы Земли состоит в том, что она обусловливает зональное распределение тепла на земной поверхности (убывание от экватора к полюсам), и, следовательно, зональность всех явлений, зависящих от теплового режима.
Модели строения Земли. Первая модель, которая разработана В.М.Гольдшмидтом в первой четверти XX в., основана на аналогии процессов дифференциации элементов при доменной плавке и в расплавленной Земле. В соответствии с этой моделью металл погружается к центру Земли, образуя ядро плотностью около 7 г/см3, а на поверхность всплывает наиболее легкий «шлак» — силикатное вещество, образующее магматические породы земной коры (плотность ниже 3 г/см3). Между ними располагается исходное вещество — мантия. Основным фактором дифференциации Гольдшмидт считал атомные объемы элементов. Элементы с минимальными атомными объемами, соединяясь с железом (сидеро-фильные элементы), образовали ядро. Элементы с максимальными атомными объемами и некоторые другие, обладающие сходством с кислородом (литофильные элементы), составили земную кору и верхнюю мантию — литосферу. Элементы, способные соединяться с серой (халькофильные элементы), образовали сульфидно-оксидную оболочку нижней мантии.
Через 10 лет после гипотезы В.М.Гольдшмидта академик А. Е. Ферсман предложил свою модель внутреннего строения Земли. Он выделил следующие геосферы: гранитно-базальтовую кору (до 70 км от поверхности), перидотитовую (оливиновую) оболочку (до глубины 1200 км), рудную оболочку (до глубины 2450 км) и ядро, состоящее из никелистого железа.
В модели Гутенберга—Буллена использована индексация геосфер, популярная и в настоящее время. Авторы выделяют: земную кору (слой А) — гранит, метаморфические породы, габбро; верхнюю мантию (слой В); переходную зону (слой С); нижнюю мантию (слой D), состоящую из кислорода, кремнезема, магния и железа. На глубине 2900 км проводят границу между мантией и ядром. Ниже находится внешнее ядро (слой Е), а с глубины 5120 м — внутреннее ядро (слой G), сложенное железом.
Предположения о внутренней неоднородности («сферности») Земли основаны как на правилах дифференциации вещества, так и на имеющихся данных об изменении скоростей и направлений геофизических векторов (сейсмических, магнитных, электрических волн) при их распространении в глубь планеты. Именно последние послужили основой выделения внутренних сфер — земной коры, мантии, ядра. Однако известно, что такие изменения возникают не только при изменении состава вещества. Геофизически установленные границы, конечно, реальны, но их нельзя объяснить исключительно сменой элементного состава вещества. Непосредственные наблюдения на Кольской сверхглубокой скважине показали, что аналогичная граница проходит внутри одинаковых по составу горных пород, но находящихся в разном состоянии. Кроме того, большая часть гипотез исходит из признания того, что вещества, послужившие основой для образования земных оболочек, были близки к современным, а их химические реакции и процессы минералообразования сходны с наблюдаемыми ныне.
Новую гипотезу строения Земли предложил в середине 70-х годов XX в. В. Н.Ларин. Согласно его представлениям, при возникновении сфер первостепенное значение имела не гравитационная дифференциация, а магнитная сепарация вещества. Исходным материалом послужили не отдельные элементы, а их соединения в виде гидридов и карбидов металлов. Разложение гидридов, обладающих повышенной плотностью и выделяющих энергию при своем распаде, обусловило процессы окисления и образование силикатов протопланет. В этой модели дано объяснение источника внутренней энергии планет с выделением огромной энергии (тип водородных реакторов), обусловливающей процессы дегазации вещества, образование оксидов, зонные плавки и др. Кислородно-водородная (изначально гидридная) модель объясняет возникновение земных оболочек не столько дифференциацией вещества, сколько химическими реакциями, происходящими при возгонке водорода, когда меняются состав вещества и его свойства: от центра к периферии Земли идет многократное разуплотнение исходного материала и смена восстановительных условий окислительными.
Происхождение Земли. Вопрос о происхождении нашей планеты непосредственно связан с космогоническими гипотезами, объясняющими образование Солнечной системы в целом. Распад протопланетного диска на отдельные компоненты с образованием большого числа твердых и довольно крупных (до нескольких сотен километров в диаметре) тел — планетезималей, их последующее скопление и соударение способствовали аккреции Земли как небесного формирования. Продолжают дискутироваться следующие вопросы: какой, холодной или горячей, однородной (гомогенной) с последующим развитием слоев или неоднородной (гетерогенной) с одновременным расслоением вещества вышла Земля из стадии аккреции? Как формировались ее внутренние оболочки, прежде всего ядро и мантия? По мнению В. Е. Хаина (1994), вероятным сценарием начальной стадии развития Земли были: 1) быстрая аккреция с участием не только мелких, но и более крупных планетезималей, возможно, с тенденцией некоторого обогащения ранних порций аккретирующего вещества более тяжелыми, металлическими компонентами; 2) разогрев в процессе аккреции вплоть до частичного плавления, приведшего к началу дифференциации Земли на ядро и мантию. Возможный способ образования планеты подтверждается геохимическими закономерностями распределения элементов и реализуется в моделях строения Земли.
Гипотеза образования Земли и планет в быстро вращающейся протосолнечной небуле разработана японскими исследователями на основе представлений об аккумуляции твердых тел и частиц (силикатных и металлических). Согласно этой гипотезе, в течение всего периода формирования Земля оставалась окруженной протосолнечной небулой (туманностью). В результате гравитационного притяжения вокруг нее возникла флюидная оболочка (в 200 раз массивнее современной атмосферы), препятствующая потере аккреционного тепла. Температура достигла значений (более 4000 К), достаточных для расплавления, что определило расслоение Земли на оболочки. После этого флюидная оболочка Земли была удалена под воздействием солнечного ветра, ультрафиолетового и теплового излучения Солнца.
<< | >>
Источник: Ю. П. Селиверстов, А. А. Бобков. Землеведение: Учеб. пособие для студ. вузов. 2004

Еще по теме 3.3. Земля:

  1. Земля
  2. Полоцкая земля
  3. 1. Земля как война
  4. Турово-пинская земля
  5. ЗЕМЛЯ
  6. НОВГОРОДСКАЯ ЗЕМЛЯ
  7. [«ЗЕМЛЯ И ВОЛЯ»] 5
  8. ЗАГАДКА ПЛАНЕТЫ ЗЕМЛЯ
  9. Новое небо и новая земля
  10. Рязанская земля
  11. Новая Земля — это не утопия