Науки о Земле Вид на Землю с

Науки о Земле

Вид на Землю с расстояния 384, 4 тыс. км

Вид на Землю с расстояния 6, 44 млрд км Из книги А. Гора 3

Понятие о летосчислении Тропический год – промежуток времени между двумя последовательными прохождениями Солнца через точку весеннего равноденствия. Он равен 365 суток 5 часов 48 минут 46 секунд. Чтобы начало весны приходилось примерно на один и тот же день года, календарный год должен содержать целое число суток с продолжительностью, близкой к продолжительности тропического года. В юлианском календаре (старый стиль, введенный в 46 г. до н. э. Юлием Цезарем) средняя продолжительность года составляла 365, 25 суток : три года содержали по 365 суток, а четвертый (високосный) — 366. 4

Год юлианского календаря длиннее тропического. За каждые 400 лет различие между тропическим и календарным годом достигает 3 суток ( весеннее равноденствие будет наступать по этому календарю на 3 дня позже). В 1582 г. папа Григорий XIII ввел новый стиль (григорианский календарь). В результате проведенной реформы календаря, во первых, 5 октября 1582 г. объявили 15 м октября. Во вторых, годы типа 1700, 1800, 1900, 2100 (у них число сотен не делится на 4 ) решили считать простыми, а не високосными. Ошибка в одни сутки накапливается в григорианском календаре (в котором продолжительность года составляет 365, 2425 суток) за 3300 лет. В нашей стране новый стиль был введен в 1918 г. Расхождение юлианского календаря со счетом времени тогда достигло 13 суток, и день 1 февраля декретом Совнаркома предписывалось считать 14 февраля. Расхождение в 13 дней сохранится до 2100 г. (лишь после 28 февраля 2100 г. оно достигнет 14 дней). 5

Годичный параллакс Астрономическая единица (а. е. ) – среднее расстояние от Земли до Солнца. 1 а. е. = 149 600 000 км Угол, под которым со звезды виден средний радиус земной орбиты, расположенный перпендикулярно направлению на звезду, называется годичным параллаксом (обозначается π). Чем больше расстояние, тем меньше π. Расстояние от звезды, соответствующее параллаксу 1”, называется парсеком (пк) 1 пк = 206 265 а. е. Световой год – единица, равная расстоянию, который свет (движущийся со скоростью 300 тыс. км в сек. ) проходит за один тропический год, 9, 46 1012 км. 6

Вселенной называют совокупность всего существующего, всех материальных частиц и пространства между этими частицами. В космологии Вселенная определяет пространственно временной отрезок, в котором находятся вся материя и энергия. Возраст Вселенной составляет около 14, 7 миллиардов лет. Она состоит из сотен миллиардов галактик, и в каждой галактике десятки миллиардов звезд. 7

Галактика – гравитационно связанная система из звезд, пыли и темной материи. Размеры галактик меняются от 5 до 50 килопарсек. NGC 4414, спиральная галактика из созвездия Волосы Вероники Галактика M 1 Спиральная галактика Галактика N 253 95 8

Масштабы Вселенной Шкала размеров и масс объектов, из которых состоит Вселенная Метагалактика – видимая для человека часть Вселенной 9

Эффект Доплера 10

Спектр излучения Спектр видимого света лежит примерно в пределах от 400 нм до 800 нм (длины волн). Спектр излучения железа Спектр излучения водорода. 11

В 1929 г. Эдвин Хаббл измерял скорости движения галактик. Для этого он определял так называемое “красное смещение” наблюдаемый в спектрах излучения галактик сдвиг спектральных линий, присущих определенным химическим элементам, в сторону более длинных волн по сравнению с их нормальными. Скорость (V) удаления галактик в зависимости от их расстояния (R) от нашей Галактики описывается простым выражением V=HR. Постоянная Н называется постоянной Хаббла и ее современное значение составляет около 70 км/с Мпк. 12

Большой взрыв Ось времени США в 1990 г. запустили на околоземную орбиту мощный космический телескоп имени Хаббла. 13

Косми ческий телеско п «Хаббл» — автоматическая обсерватория на орбите вокруг Земли, названная в честь Эдвина Хаббла. Телескоп «Хаббл» — совместный проект NASA и Европейского космического агентства. Размещение телескопа в космосе даёт возможность регистрировать электромагнитное излучение в диапазонах, в которых земная атмосфера непрозрачна; в первую очередь — в инфракрасном диапазоне. «Хаббл» заглядывает в прошлое на 12 млрд. лет. Из за отсутствия влияния атмосферы, разрешающая способность телескопа в 7 10 раз больше аналогичного телескопа, расположенного 14 на Земле

«Хаббл» сфотографировал смерть звезды На снимке запечатлено облако газа, сброшенное умирающей звездой Туманность NGC 6210, расположенная в созвездии Геркулеса в 6, 5 тысячи световых лет от Земли, представляет собой облако газа, выброшенное умирающей звездой. Она превратилась в белого карлика (он виден в центре туманности). Оптика орбитального телескопа «Хаббл» позволила получить снимок внутренней части туманности с очень высокой степенью детализации Планетарные туманности образуются, когда звезды, напоминающие наше Солнце, достигают завершающих стадий своей жизни. Обычно они обладают округлыми очертаниями, однако в некоторых случаях их форма может быть весьма необычной, напоминающей, например, умирающую птицу 15

Наша Земля находится в галактике, которая называется Млечный путь. До ближайшей галактики Андромеды 2 миллиона световых лет. Разбегаемся мы со скоростью 1, 5 миллиона км/час. 16

Наша Галактика составляет в поперечнике около 30 тысяч парсек и содержит около 100 миллиардов звёзд. Основная масса звёзд расположена в форме плоского диска. Масса Галактики оценивается в 5, 8× 1011 масс Солнца, или 1, 15× 1042 кг. Галактика относится к классу спиральных галактик, что означает, что у Галактики есть спиральные рукава, которые расположены в плоскости диска. Солнечная система находится на расстоянии 8, 5 тысяч парсек от галактического центра, вблизи плоскости Галактики (смещение к Северному полюсу Галактики составляет всего 10 парсек), на внутреннем краю рукава, носящего название рукав Ориона 17

Схема строения нашей Галактики Масштаб указан в килопарсеках ( кпс ). Один килопарсек равен 3260 световых лет. 18

Вид сверху на орбиту (пунктирная кривая) Солнечной системы в Галактике. Скорость движения 250 км/с, полный оборот за 200 млн лет I, III, IV спиральные рукава (ветви) галактики 19

Основные законы небесной механики 20

Первый закон Кеплера. Орбита каждой планеты есть эллипс, в одном из фокусов (F 1) которого находится Солнце. Форму эллипса, степень его отличия от окружности характеризует (эксцентриситет е) отношение: е=c/a, с=(a 2 – b 2)0, 5 Орбиты Венеры и Земли близки к окружностям (эксцентриситет орбиты Венеры 0, 0068, Земли — 0, 0167). Орбиты большинства других планет более вытянуты. 21

Второй закон Кеплера. Радиус вектор планеты в равные промежутки времени описывает равные площади. Площади М 1 SM 2 и М 3 SM 4 равны. Отрезки орбиты М 1 М 2 и М 3 М 4 планета проходит за равные промежутки времени, но они не равны. Значит скорость движение планеты вокруг Солнца не постоянна: линейная скорость вблизи перигелия больше, чем вблизи афелия. 22

НЬЮТОН ОБОБЩИЛ И УТОЧНЕНИЛ ЗАКОНЫ КЕПЛЕРА, опираясь на Закон всемирного тяготения. Все тела притягиваются друг к другу с силой, модуль которой прямо пропорционален произведению их масс и обратно пропорционален квадрату расстояния между ними: F=Gm 1 m 2/r 2 где т1 и т2 — массы тел; r — расстояние между их центрами; G — гравитационная постоянная (в системе СИ G= 6, 67 • 10 11 Н м 2/кг 2). Гравитация — общее свойство всех тел в природе. Ею объясняются не только почти все движения, но процессы, связанные с образованием и развитием небесных тел. Если законы Кеплера отвечают на вопрос, по каким траекториям движутся небесные тела, то закон всемирного тяготения отвечает на вопрос, какая сила удерживает планеты около Солнца, спутники около планет и т. д. Раздел астрономии, исследующий движения небесных тел под действием их взаимного притяжения, называется небесной механикой. 23

Первый закон в формулировке Ньютона. Под действием силы тяготения одно небесное тело может двигаться по отношению к другому по окружности, эллипсу, параболе и гиперболе. Форма орбиты зависит от модуля и направления начальной скорости 1 — круговая (v 0= 7, 9 км/с); 2, 3, 4 — эллиптические (при v 0 равных 10, 0 км/с; 11, 0 км/с и 11, 1 км/с); 5 — параболическая (v 0 11, 2 км/с); в — гиперболическая (v 0 12, 0 км/с). 24

Гипотезы происхождения Солнечной системы Две группы гипотез: -небулярные (лат. «небула» туман ): - холодные, - горячие -катастрофические. Небулярные гипотезы: 1. И. Кант (1755). 2. По мнению И. Канта, Солнечная система возникла из огромного пылевого облака мелких твердых холодных частиц, взаимно притягивающих друга. В этом хаотическом облаке, как считал Кант, должны были рано или поздно образоваться отдельные сгущения, постепенно уплотняющиеся за счет падающих на них новых частиц. Самое большое из сгущений стало Солнцем, а меньшие — планетами. 25

2. П. Лаплас (1797) Лаплас предполагал, что Солнце и планеты образовались из огромной раскаленной вращающейся газовой туманности. Под влиянием холода мирового пространства туманность сжималась, при сжатии угловая скорость ее вращения увеличивалась, а сама туманность постепенно сплющивалась, превращаясь в кольца, которые затем превращались в планеты. Центральный сгусток туманности превратился в Солнце. Гипотеза Лапласа просуществовала около полутора веков Обе гипотезы сходны между собой по существу и часто рассматриваются как одна, а авторов ее считают основоположниками научной космогонии. 26

Гипотеза О. Ю. Шмидта Солнечная система образовалась из облака межзвездной материи, захваченной Солнцем в процессе вокруг центра Галактики. Облако межзвездной материи обладало некоторым вращением, в противном случае его частицы выпали бы на Солнце. «Протопланетное» облако состоявшего из холодной пыли и частичек замерзших газов. Составляющие облако частицы вещества обращались вокруг Солнца и, испытывая взаимное тяготение, падали друг на друга, образуя постепенно растущие сгущения — зародыши будущих планет ( «протопланеты» ). При этом «протопланетное» облако постепенно сплющивалось, а конденсирующиеся «протопланеты» приобретали все более и более круговые орбиты. 27

Этапы формирования планет Согласно современным космогоническим представлениям Земля и Луна, как и другие планеты Солнечной системы, образовались за счет аккреции (слипания и дальнейшего роста) твердых частиц газопылевого «протопланетного» облака, состоявшего из холодной пыли и частичек замерзших газов. 28

Гипотеза Джеймса Джинса (1919 г. ) Катастрофическая гипотеза Джеймса Джинса (1919 г. ): проходящая мимо Солнца звезда вырвала из него струю газа, которая по своей форме напоминала сигару. В центральной части этого вращающегося вокруг Солнца тела образовались крупные планеты— Юпитер и Сатурн, а в концах «сигары» — планеты земной группы: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Плутон. 29

Одновременное формирование солнечной системы 1. Первоначальное вращающееся газопылевое облако начало сжиматься под действием гравитационных сил. 2. Центральная часть сжимается самостоятельно и превращается в протозвезду. Переферийная часть облака с массой, примерно в десять раз меньше центральной части, продолжает медленно вращаться вокруг центрального утолщения. В ней образуется газопылевой диск протопланетное облако 3. Из за гравитационной неустойчивости в пылевом диске образуются отдельные мелкие холодные сгустки, которые, сталкиваясь друг с другом, образуют все более массивные тела – планетезимали. Образуется рой допланетных тел размером около 1 км, количество таких тел очень велико – миллиарды. 4. Затем допланетные тела объединяются в протопланеты. Аккумуляция планет продолжается миллионы лет. 30

Образование звезды При достижении температуры в несколько тысяч кельвинов, центральная область диска начала светиться (протозвезда). Вещество облака продолжало падать на протозвезду, увеличивая давление и температуру в центре. 31

5. При достижении температуры центра облака в несколько тысяч кельвинов, он начинает светиться (протозвезда). Вещество облака продолжало падать на протозвезду, увеличивая давление и температуру в центре. Внешние же области диска оставались относительно холодными. 6. Когда температура в центре протозвезды достигла миллионов кельвинов, в центральной области запустилась термоядерная реакция горения водорода. Протозвезда превратилась в обычную звезду главной последовательности. 7. Во внешней области диска крупные сгущения образовали планеты, вращающиеся вокруг центрального светила примерно в одной плоскости и в одном направлении. 8. Протосолнце становится горячим. Его излучение нагревает внутреннюю область протопланетного облака до 400 К, образовав зону испарения. Под действием солнечного ветра и давления света легкие химические элементы (водород и гелий) оттесняются из окрестностей молодой звезды. В далекой области, на расстоянии свыше 5 а. е. , образуется зона намерзания с температурой примерно 50 К. Это приводит к различиям в химическом составе будущих планет 32

Образование Луны До недавнего времени существовало три теории происхождения Луны: 1. «Молодая» Земля вращалась настолько быстро, что сбросила с себя часть вещества, ставшую затем Луной. 2. Луна прилетела из глубин космоса и была захвачена силой земного тяготения. 3. Земля и Луна образовались независимо, почти одновременно и примерно на одинаковом расстоянии от Солнца. Различия в химическом составе Земли и Луны указывают на то, что эти небесные тела вряд ли когда либо составляли одно целое. 33

4. Импактная гипотеза : столкновение Земли с объектом размером с Марс. Компьютерное моделирование образования Луны группой американских астрофизиков во главе с А. Камероном. 34

Возрождение гипотезы 3 российскими учеными ( акад. Галимов Э. М. , ГЕОХИ РАН) F=Gm 1 m 2/r 2 где т1 и т2 — массы тел; r — расстояние между их центрами; G — гравитационная постоянная (в системе СИ G= 6, 67 • 10 11 Н м 2/кг 2). Гравитация — общее свойство всех тел в природе. Компьютерное моделирование показывает, что больший из образовавшихся зародышей (красный цвет) развивается гораздо быстрее и аккумулирует большую часть оставшегося исходного облака частиц (синий цвет). 35

Солнечная система 365 5

Время образования Солнечной системы 4. 5 5 млрд. лет назад. В Солнечной системе «осталось» 8 планет. Основная масса системы сосредоточена в Солнце (~99. 9%), но 99% момента количества движения ("запаса вращения" системы) связано с движением планет. Все планеты условно делятся на 2 группы: Меркурий, Венера, Земля, Марс планеты земной группы небольшого размера с плотностью ρ=(3 5. 5)· 103 кг/м 3; Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун – образуют группу планет гигантов с небольшой плотностью ρ=(1 2)· 103 кг/м 3. Необходимо также выделить пояс астероидов, занимающий место между Марсом и Юпитером и 37 наличие в Солнечной системе метеоров и комет.

Все большие планеты движутся вокруг Солнца в одном направлении по эллиптическим орбитам. Орбиты всех планет почти круговые, и все они (за исключением орбиты Плутона) лежат примерно в плоскости эклиптики (в плоскости Солнечного экватора). Все планеты обращаются вокруг Солнца в одном направлении (совпадающем с направлением вращения Солнца), как и почти все спутники вокруг своих планет. Расстояния планет от Солнца подчиняются эмпирическим формулам и составляют некоторую прогрессию, определяемую правилом Тициуса Боде: 38

Основные сведения о планетах Название планеты Сред нее расстояние от Солнца, а. е. Сидери ческий период, годы Эксцентриситет орбиты Орбитальная скорость км/с Средний радиус, км Наклон оси к плоскости орбиты, град Период вращения вокруг оси Сред няя плот ност ь, 103 кг/м 3 Меркурий 0, 39 0, 24 0, 206 47, 9 2440 89 58, 7 5, 5 Венера 0, 72 0, 61 0, 007 35, 0 6050 86, 6 243, 1 д 5, 2 Земля 1, 0 0, 017 29, 8 6371 66, 5 23 ч56'4'' 5, 5 Марс 1, 52 1, 88 0, 093 24, 1 3397 65, 5 24 ч37 м 22 с 3, 9 Юпитер 5, 2 11, 86 0, 048 13, 1 69900 87 9 ч59 м 1, 3 Сатурн 9, 54 29, 46 0, 054 9, 6 58000 63, 5 10 ч14 м 0, 7 Уран 19, 19 84, 02 0, 046 6, 8 25400 8 1049 м 1, 4 Нептун 30, 07 164, 78 0, 008 5, 4 24300 61 15 ч48’ 1, 6 Плутон 39, 52 247, 7 0, 253 4, 7 1140 15(? ) 6, 4 2, 0

Меркурий Масса: 0, 055 массы Земли, то есть 3, 3*1023 кг Диаметр экватора: 0, 38 диаметраэкватора Земли, то есть 4870 км Плотность: 5, 43 г/см 3 Температура поверхности: максимум 480°С. минимум 180°C Период вращения относительно звёзд: 58, 65 земных суток Расстояние от Солнца (среднее): 0, 387 а. е. , то есть 58 млн км Период обращения по орбите (год): 88 земных суток 40

Венера Поверхность Венеры спрятана под плотным слоем облаков( рис. слева). В облачном слое на высотах от 50 до 70 км над поверхностью планеты зафиксированы ураганные ветры. Но вблизи поверхности этой планеты скорость ветра достигает всего лишь нескольких метров в секунду. 41

Венера Масса: 0, 815 массы Земли, то есть 4, 87· 1024 кг Диаметр экватора: 0, 949 диаметра экватора Земли, то есть 12100 км Плотность: 5, 25· 103 кг/м 3 Температура поверхности: 480°С (максимум) Период вращения относительно звёзд: 243 дня Расстояние от Солнца (среднее): 0, 723 а. е. , то есть 108 млн км Период обращения по орбите (год): 224, 7 земных суток Фото сделано радаром 41

Земля Масса: 5, 98*1024 кг. Диаметр экватора: 12 756 км. Плотность: 5, 52· 103 кг/м 3. Температура поверхности: от 96°С до +70°С Длительность звёздных суток: 23, 56 часа Расстояние от Солнца (среднее): 1 а. е. (149, 6 млн км). Наклон экватора к орбите: 23° 27' Эксцентриситет орбиты: 0, 017 Период обращения по орбите (год): 365, 25 дней Средняя скорость движения по орбите: 29, 77 км/сек 42

Луна Форма Луны близка к шару с диаметром 3476 км (почти в четыре раза меньше земного). Отношение массы Луны к массе Земли равно Mл/Mз= 1/ 81, 53. Средняя плотность Луны 3, 33 г/см 3. Среднее расстояние до • Луны 3, 84 • 105 км в 60 раз больше земного радиуса. Полный оборот вокруг Земли Луна совершает за 27, 3 суток. За это же Время она делает оборот вокруг своей оси, поэтому к Земле всегда обращено одно и то же полушарие Луны 44

Марс Масса: 0, 107 массы Земли, то есть 6, 4· 1023 кг. Диаметр экватора: 0, 53 диаметра экватора Земли, то есть 6670 км. Плотность: 3, 95 г/см 3. Температура поверхности: Средняя 40°С и колеблется от + 20 до 125°С. Период вращения относительно звёзд (продолжительность суток): 24, 6229 часа. Расстояние от Солнца (среднее): 1, 5237 а. е. (228 млн км). Период обращения по орбите (год): 687 дней 45

Поверхность Марса 46

Фобос и Деймос Диаметр Фобоса (ниже) всего 23 км, а Деймоса (выше) 16 км. На этих спутниках Марса имеется несколько кратеров. Возможно, Фобос и Деймос являются астероидами, захваченными полем тяготения Марса 47

Пояс астероидов между Марсом и Юпитером. Зарегистрировано около 6000 малых планет. Астероиды движутся вокруг Солнца в ту же сторону, что и большие планеты. Их орбиты имеют большие эксцентриситеты (в среднем 0, 15), чем орбиты больших планет. Астероиды имеют диаметры от нескольких километров до нескольких десятков километров, причем большинство астероидов — бесформенные глыбы Общая масса всех астероидов, собранных вместе, примерно в 20 раз меньше массы Луны 48

Астероид Гаспра (малая планета 951) Освещенная часть астероида – 16 х12 км, кратеры до 1 2 км. Образовался в результате столкновения более крупных астероидов. Сфотографирован с расстояния 16 тыс. км в 1991 г. с борта американского космического корабля «Галилео» . 29. 01. 08 астероид размером 0, 5 км пролетел на расстоянии 540 тыс. км от Земли. Вероятность столкновения 1: 37 000 лет(? ). В январе 2007 г. астероид Опофиз размером 400 м пролетел на расстоянии 50 тыс. км. Вернется в 2009 г. Вероятность столкновения 1: 45 000. Столкновение эквивалентно взрыву с эквивалентом 400 Мт. В третий раз он вернется в 2036 г. Конгресс США выделил финансирование NASA на отслеживание этого астероида. 49

Не исключено, что столкновение астериода с Землей привело 65 млн. лет назад к гибели динозавров 50

Астероидные кратеры На Земле обнаружено более 150 кратеров астероидного происхождения На п ов Юкатан упал астероид диаметром 10 км и образовал кратер диаметром 180 км 51

Зона возможного падения Апофиса в 2036 г. 52

Юпитер Масса: в 318 раз больше массы Земли 1, 9 1027 кг Диаметр экватора: в 11, 2 раза больше диаметра экватора Земли 143760 км. Плотность: 1, 31 · 103 кг/м 3 Температура верхних облаков: 160°С (максимум) Период обращения вогруг оси: 9, 93 часа Расстояние от Солнца (в среднем): 5, 203 а. е. , то есть 778 млн. км Период обращения по орбите (год): 11, 86 лет 53

Луны Юпитера Ио удивительная луна Юпитера. Её поверхность покрыта серой, извергнутой из недр активных вулканов. 54

Луны Юпитера: Ганимед, Каллисто и Европа по величине приблизительно равна нашей Луне. Ганимед и Европа покрыты льдом. 55

Сатурн Масса: в 95 раз больше массы Земли, то есть 5, 68*1026 кг Диаметр экватора: в 9, 46 раза больше диаметра экватора Земли, то есть120420 км. Плотность: 0, 71 г/см 3 Температура верхних слоёв облаков: 1500°С (максимум) Период обращения вогруг оси: 10, 54 часа Расстояние от Солнца (в среднем): 9, 54 а. е. , то есть 778 млн км Период обращения по орбите (год): 29, 46 лет 56

Полярные сияния на Сатурне 54 57

Свет и тени Кольца и два спутника 56

Уран Масса: В 14, 5 раза больше массы Земли, 8, 7 1025 кг Диаметр экватора: В 4 раза больше, чем на Земле, 51 300 км Плотность: 1, 27 г/см 3 Температура: 220°С Период обращения вокруг оси: 17 ч 14 мин Расстояние от Солнца (среднее): 19, 2 а. е. , 2, 86 млрд. км Период обращения по орбите (год): 84 года 59

Пристальный взгляд на наклонную планету 60

Нептун Масса: В 17, 2 раза больше массы Земли, 1 1026 кг Диаметр экватора: В 3, 9 раза больше, чем на Земле, 49 500 км Плотность: 1, 77 г/см 3 Температура: 213°С Период обращения вокруг оси: 17 ч 52 мин Расстояние от Солнца (среднее): 30 а. е. , 4, 5 млрд км Период обращения по орбите (год): 165 года 61

Плутон и Харон Масса: 0, 0022 массы Земли, то есть 1, 3*1022 кг. Диаметр экватора: 2324 км Плотность: 2 г/см 3. Температура: 230°С Расстояние от Солнца: 49, 28 а. е. (максимальное), на сильно вытянутой эллиптической орбите. Харон в цифрах: Масса: 0, 0003 массы Земли, то есть 1, 8*1021 кг. Диаметр экватора: 1212 км Плотность: 2 г/см 3. Температура: 230°С Расстояние от Солнца: 49, 28 а. е. (максимальное), на сильно вытянутой эллиптической орбите. 62

С о л н ц е 63

Сравнительные размеры Солнца и планет. Возраст С. — около 5× 109 лет. Радиус Солнца RO =696, 2 • 103 км в 109 раз больше радиуса Земли. Масса Солнца m. O=l, 99 • 1030 кг примерно в 330 000 раз больше массы Земли и почти в 750 раз больше суммарной массы движущихся вокруг него планет. Т. е. в Солнце сосредоточено 99, 866% массы Солнечной системы 64

Вращение Солнца Солнце вращается. Это заметили по движению пятен. Солнце вращается не как твердое тело: скорости вращения разных слоев Солнца различны. Экваториальные области делают один оборот вокруг оси Солнца за 25 земных суток, а области вблизи полюсов Солнца — примерно за 30 (в других источниках 35) суток. Линейная скорость вращения на экваторе Солнца составляет 2 км/с. Наблюдения показывают, что все пятна перемещаются от восточного края к западному. Следовательно, Солнце вращается вокруг своей оси в прямом направлении, т. е. в направлении движения планет вокруг него. Ось вращения Солнца, однако, не точно перпендикулярна эклиптике, а составляет с нормалью к ней угол, равный 7° 15'. Между 7 июня и 7 декабря мы с Земли можем видеть Северный полюс Солнца, остальные полгода — Южный. Вглубь угловая скорость Солнца тоже изменяется, но как именно, с полной достоверностью пока неизвестно. По последним сообщениям гелиосейсмологов внутренность Солнца вращается твердотельно — поверхностные чудеса вращения прекращаются на глубине четверти солнечного радиуса. 65

Химический состав Солнца Средняя плотность Солнца 1, 41 кг/м 3 По числу атомов Солнце на 90, 7 % состоит из водорода, на 9, 1% — из гелия, остальные элементы присутствуют в малых количествах. По массе гелий вносит заметно больший вклад, 28%, поскольку масса его атома вчетверо больше массы атома водорода. Кроме того, Фрауегофер в 1814 г. обнаружил в спектре Солнца множество узких темных линий ( 40000) – следы 66 еще более 70 химических элементов.

На рисунке представлены все видимые цвета Солнца, полученные в результате прохождения солнечного света через призму. Этот спектр получен в Солнечной обсерватории на телескопе Mc. Math Pierce. Прежде всего, из него видно, что хотя свет желтого Солнца включает в себя практически все цвета, ярче всего наше светило выглядит в желто зеленой области спектра. Темные участки в спектре возникают из за поглощения солнечного света газом, находящимся на уровне солнечной поверхности или выше ее. Поскольку различные газы поглощают свет разных цветов, можно определить газовый состав Солнца. Например, гелий был впервые открыт в 1870 году в солнечном спектре и только потом найден на Земле. 67

68

Строение Солнца 1. Ядро 2. Зона радиации 3. Зона конвекции 4. Фотосфера 5. Хромосфера 6. Корона 7. Протуберанцы 69

Состояние вещества на Солнце. Температура видимой поверхности Солнца фотосферы равна около 6000 К. С глубиной температура растет, достигая в центре Солнца 1, 5 107 К. К центру Солнца увеличивается также плотность до 1, 5 • 105 кг/м 3 и давление до 3, 4 • 1016 н/м 2 (около 3 • 1011 атмосфер). При таких температурах вещество на Солнце находится в газообразном состоянии, причем атомы химических элементов ионизованы. Поэтому основное состояние, в котором находится вещество на Солнце, — это плазма, а Солнце — это раскаленный плазменный шар. 70

Солнечная радиация Солнечный спектр ограничен длинами волн, лежащими между 0, 3 и 2 . Радиация длин волн ниже 0, 36 обычно относится к ультрафиолетовому, а радиация длин волн выше 0, 76 инфракрасному участкам спектра. На рис. Солнечное и земное излучение за пределами атмосферы. Интенсивность солнечной радиации количество энергии, поступающее в единицу времени на единицу площади, перпендикулярной к солнечным лучам на среднем расстоянии Земли от Солнца, называется солнечной постоянной и равна 1360 6 вт/м 2. Ее колебания связаны с положением Земли на орбите и с солнечной активностью. 71

Энергия ядерных реакций Источником энергии, поддерживающим высокую температуру Солнце, являются термоядерные реакции, происходящие в его недрах. В недрах Солнца водород ионизован и находится в виде ядер атомов водорода — протонов. Скорость этих протонов в условиях огромных температур настолько велика, что они сближаются, преодолевая электрические силы отталкивания. На очень близких расстояниях вступают в действие мощные ядерные силы и начинается реакция, в ходе которой водород превращается в гелий с выделением большого количества энергии. Слияние двух протонов 1 Н сопровождается образованием ядра тяжелого водорода дейтерия 2 D и испусканием двух элементарных частиц: позитрона е+ и нейтрино Кратко эту реакцию можно записать так: 1 Н + 1 H 2 D + е+ + . 72

Если образовавшийся в результате взаимодействия протонов дейтерий сам вступит в ядерную реакцию с протоном, то возникнет ядро легкого изотопа гелия 3 He и выделится энергия в виде коротковолнового гамма излучения 2 D +1 H 3 Не + . В дальнейшем слияние двух ядер 3 Hе приведет к образованию ядра гелия 4 He и двух ядер водорода: 3 Hе + 3 Hе 4 Не+ 1 Н +1 Н. Рассмотренная цепочка из трех реакций называется протонным циклом. В результате цикла из четырех ядер водорода образуется одно ядро гелия. Какая же энергия выделяется при этом? 73

Масса одного протона в атомных единицах составляет 1, 008, четырех — 4, 032. Поскольку масса одного ядра гелия 4, 004, то разность 4, 032 4, 004 = 0, 028 (дефект массы). Так как 0, 028 : 4, 032 = 0, 007, то при синтезе 1 г гелия дефект массы составит примерно 0, 007 г. Зная это и используя открытый Эйнштейном закон взаимосвязи массы и энергии Е =mc 2, подсчитаем, сколько энергии выделяется при «сгорании» 1 г водорода: Е =mc 2 = 7 • 10 6 кг • (3 • 108 м/с)2 6, 3 • 1011 Дж/гн ( на 1 г водорода) Интенсивность солнечной радиации количество энергии солнечных лучей, которое поступает в единицу времени на единицу площади, перпендикулярной к солнечным лучам и находящейся вне земной атмосферы на среднем расстоянии Земли от Солнца. Вне земной атмосферы она называется солнечной постоянной Sз и равна 1360 6 вт/м 2. 74

Такой поток энергии имеет солнечная энергия на расстоянии Земли от Солнца. Поэтому умножив площадь поверхности этой сферы на солнечную постоянную можно получить величину энергии , которую Солнце излучает за секунду. Эта величина называется светимостью Солнца: L 0=4 a 2·Sз=3. 83· 1026 Вт [4 3. 14 (149 109)2 1360=3. 79 1026 ] Весь этот поток солнечной энергии проходит через солнечную поверхность. Поэтому легко можно рассчитать, какая мощность излучается квадратным метром поверхности Солнца. Разделим светимость Солнца на площадь его поверхности 4 R 2 с и получим, что плотность потока излучения или, другими словами, яркость Солнца, равна S = LO/4 R 2 с = 6, 29 • 107 Вт/м 2. Пример Масса Солнца МO=l, 99 • 1030 кг =2· 1033 г L 0=4 a 2·Sз=3. 83· 1026 Дж/с Светимость Солнца Сколько г водорода сгорает в 1 с L 0/Е=6· 1014 гн/с 1 год= 31 536 000 с Сколько надо времени, чтобы сгорел весь водород. 2· 1033/(6· 1014 · 31 536 000)= 2· 1033/2· 1022=1011 лет = 100 млрд. лет 75

«Атмосфера» Солнца Температура видимой поверхности Солнца фотосферы равна примерно 6000 К. Это нижний слой «атмосферы» толщиной 300 400 км. (гр. atmos – пар) Именно этот слой излучает практически всю приходящую к нам солнечную энергию. Температурный ход в «атмосфере» Солнца. 76

Темные пятна на Солнце Солнечные пятна Фотосферы— это тёмные образования, представляют собой коническую воронку, глубина которой примерно 300— 400 км. Пятна кажутся темными лишь по контрасту с фотосферой. Из сравнений интенсивностей линий и непрерывного спектра пятен и фотосферы следует, что пятна холоднее фотосферы на 1— 2 тыс. градусов. Солнечные пятна. Отчетливо видны ядро и полутень. Вокруг пятна видна грануляция 77

Вследствие этого на фоне фотосферы пятна кажутся тёмными: яркость ядра составляет 0, 2— 0, 5 яркости фотосферы. Солнечные пятна крупнее гранул. Диаметры наибольших пятен достигают 200 000 км. Иногда пятно бывает окружено светлой каёмкой. Совсем маленькие пятна называются порами. Время жизни пятен — от нескольких часов до нескольких месяцев. Солнечные пятна были открыты Г. Галилеем в 1611, а в 1843 немецкий астроном Г. Швабе обнаружил 11 летнюю цикличность солнечной активности. Продолжительность же отдельных циклов солнечной активности колеблется от 7, 5 до 16 лет. 79

Среднее за год число солнечных пятен с 1610 по 1984 годы. Отложено так называемое Цюрихское число – число Вольфа число видимых пятен плюс удесятеренное число отдельных групп пятен. 80

Число солнечных пятен с 1750 до 2000 г. 81

Солнечная корона — самая внешняя и наиболее разрежённая часть солнечной атмосферы, простирающаяся на несколько (иногда более 10) солнечных радиусов. Из короны в межпланетное пространство распространяются потоки частиц, образующие солнечный ветер Протяжённость хромосферы неодинакова при наблюдении в разных спектральных линиях: в самых сильных хромосферных линиях её можно проследить до 10 14 000 км над фотосферой. В слое, где происходит переход от фотосферы к хромосфере, температура переходит через минимум и по мере увеличения высоты над основанием хромосферы становится равной 8— 10 тыс. К, а на высоте в несколько тыс. км достигает 15— 20 тыс. К. Установлено, что в хромосфере имеет место хаотическое (турбулентное) движение газовых масс со скоростями до 15× 103 м/сек. 82

Солнечная активность совокупность явлений, наблюдающихся в различных оболочках Солнца (пятна, факелы, флоккулы, вспышки, волокна и протуберанцы, возмущённые места короны и т. д. ). Для характеристики уровня солнечной активности введён ряд индексов: относительные числа солнечных пятен, или числа Вольфа, площадь пятен, площадь и яркость факелов, флоккул, волокон и протуберанцев, яркость и протяжённость областей монохроматического излучения солнечной короны, интенсивность радиоизлучения Солнца. Наиболее часто для характеристики солнечной активности используются числа Вольфа, данные о которых имеются с 1749 г. Уровень солнечной активности испытывает циклические изменения с средним периодом 11 лет (продолжительность отдельных солнечных циклов меняется от 7, 5 до 16 лет). Отмечаются также и длительные изменения солнечной активности, охватывающие ряд 11 летних циклов, т. н. вековые изменения (порядка 80 лет и более). 83

Изменениями солнечной активности обусловливается ряд геофизических явлений. В определённые периоды развития процессов в активных областях Солнца происходит дополнительное излучение света в далёкой ультрафиолетовой области (с длиной волны короче 1000 А), изменяющее нормальную ионизацию верхних слоев земной атмосферы. Активные области Солнца могут излучать потоки ионизованных корпускул (протоны, ионы кальция, электроны и др. ), которые вызывают существенные изменения в геомагнитном поле и ионосфере (магнитно ионосферные бури), земных токах, а также обусловливают появление полярных сияний. Связь солнечной активности с метеорологическими явлениями, хотя и существует, однако изучена еще очень слабо. 84

85

Прогнозы Солнце, как и все звезды его размера, прошло стадию сжатия с увеличением температур в недрах до 107 К и возникновением термоядерных реакций. На это ушло сотни миллионов лет. Стадия сжатия сменилась стационарной стадией, сопровождающейся постепенным «выгоранием» водорода. Предполагается, что Солнце выжгло примерно половину своего топлива. Это приводит к тому, что за счет дефекта масс его масса постепенно будет падать. Силы гравитации и магнитные силы, сжимающие этот термоядерный котел, будут уменьшаться и размеры Солнца расти. Снижение температур внутри Солнца приведет к сдвигу спектра излучения в красную область. Солнца постепенно будет превращаться из желтого карлика в красного гиганта. При этом радиус Солнца может достичь пределов Венеры. Внешние слои покинут ядро и Солнце превратится в белого карлика. 86

Конец Солнечной системы 87

Геохронология – наука, занимающаяся геологическим летосчислением В течение сотен миллионов лет на поверхности нашей планеты проходил ряд геологических процессов: на месте древних морей возникали горы, ранее созданные горные хребты разрушались и погружались в пучину вод, затоплявших сушу. На суше и дне морей и океанов слой за слоем накапливались пласты осадочных горных пород. В этих пластах оставалась флора и фауна далеких времен. В результате эволюции органического мира одни растительные и животные организмы сменялись другими. Изучая последовательность образования горных пород, слагающих верхние части земной коры, а также остатки флоры и фауны далеких времен, ученые восстанавливают историю развития земной коры и жизни на ней. 88

Относительная геохронология использует стратиграфический и палеонтологический методы. Принцип стратиграфического определения относительного возраста пород в одном геологическом разрезе прост: каждый налегающий пласт образовался позднее того пласта, на который он ложится. Палеонтологический метод определения относитель ного возраста горных пород основывается на данных палеонтологии, науки о древних вымерших организмах (окаменелые морские раковины, кости животных, отпечатки листьев и т. п. ) Сходство найденной фауны и флоры рассматривается как указание на одновремен ность образования пластов. Родоначальники научной геохронологии У. Смит в Англии и Ж. Кювье во Франции в самом конце XVIII века обнаружили, что остатки древних животных и растений размещены (с увеличением глубины) в одном и том же порядке, хотя поиски их производились в разных местах, 89

Их последователи предполагали в каждой смене органического мира Земли новый творческий акт. На этой основе было установлено 27 смен фаун. В Болонье в 1881 г. была принята единая шкала для совокупности напластований осадочных толщ земного шара. Она делится на 5 групп, каждая из которых, подразделяется на системы, отделы, ярусы и зоны, а для обозначения времени, в течение которого происходило накопление соответствующих толщ, употребляются термины: эон, эра, период, эпоха, век, время. Становление методов абсолютной хронологии По Библии Земля существует всего несколько тысяч лет. Древние персы считали, что Земля возникла 12000 лет назад. Древневавилонские жрецы считали, что Земле 2 млн. лет. 90

Первую попытку научно обосновать возраста Земли сделал век спустя после Смита его знаменитый соотечественник лорд Кельвин. Он утверждал, что возраст Земли близок к 25 млн. лет. Это – время, которое потребовалось для охлаждения огненно жидкой Земли до современной температуры. В 1906 г. другой известный английский физик лорд Релей заметил, что лорд Кельвин не учел тепло, выделяющееся при распаде радиоактивных элементов, широко представленных в горных породах. В начале 20 в. П. Кюри во Франции и Э. Резерфорд в Англии предложили воспользоваться для определения абсолютного возраста горных пород распадом радиоактивных элементов. . Известно, что уменьшение количества радиоактивного вещества происходит по экспоненте: m=m 0 exp( kt), где 91

m 0—первоначальная масса распадающегося элемента; m — его масса в момент времени t; k — постоянная распада коэффициент, зависящий от свойств данного элемента. Период полного распада любого радиоактивного элемента равен вечности. Поэтому в качестве временной характеристики распада радиоактивного вещества физики ввели период полураспада T, т. е. промежуток времени, за который распадется половина первоначального количества данного вещества. Константа k легко выражается через период полураспада: k=ln 2/T. Распад урана (238 U), завершающийся образованием нерадиоактивного изотопа свинца (206 РЬ), имеет период полураспада 4, 5 млрд. лет. Радиоактивный изотоп калия 40 К имеет период полураспада Т 1, 3 109 лет. Предположим, что первоначально все радиоактивные элементы (включая уран 238) на Земле еще только начинали распадаться. Если сегодня в породах, содержится известное количество уран 238 и конечного продукта его распада (свинца 206), то можно по простым формулам можно посчитать, за какое время из чистого урана 238 могло образоваться это количество «уранового» свинца. Это и будет нижним пределом возраста Земли. 92

Такова идея «радиоактивных часов» . Методы определения абсолютного возраста горных пород: свинцовый (в основе лежит радиоактивный распад урана и тория, дающих радиогенные изотопы свинца), калий аргоновый (при распаде радиоактивного изотопа 40 К выделяется 12% 40 Аг и 88% 40 Са), гелиевый, базирующийся на выделении некоторыми химическими элементами радиогенного гелия и др. Пример «свинцового» метода 238 U 206 Рb + 84 Не + энергия 232 Тh 208 Рb + 64 Не + энергия. Зная скорость распада урана и тория, можно определить возраст минерала в годах по формулам: t =1, 515 1010 lg(1+(1, 156 Pb)/(U+0, 34 Th)) или t =76 108 (206 Рb+208 Pb)/(U+0. 38 Th) Для вычисления возраста, который определяется по отношению свинца к урану и торию, в формулы подставляются содержания Рb, U, Тh (г/г). 93

Для определения возраста молодых образований пользуются радиоуглеродным методом, основывающимся на распаде радиоактивного углерода 14 С. Этот метод позволяет определять только возраст молодых отложений, образованных не ранее 20 тыс. лет назад. Период полураспада углерода (14 С —> 14 N) равен 5700 годам. (Пример: Маундеровский минимум). Самые древние породы земной коры имеют возраст 3, 5 млрд. лет. Наиболее древние породы Карелии существуют 3 млрд. 600 млн. лет, магматические горные породы Украины — 3 млрд 200 млн лет. Земля, конечно, старше своей коры. Возраст метеоритов, определенный аналогичными методами, не превышает 4, 5 млрд. лет. В настоящее время этот промежуток времени — 4, 5 млрд. лет принято считать возрастом Земли (разброс оценок от 3. 5 до 5 млрд. лет). К 3, 5— 4, 5 млрд. лет близок также возраст лунных пород и метеоритов. Солнце, конечно, не может быть моложе Земли и Луны. Скорее всего, возраст Солнца (желтой звезды, находящейся в средней части главной последовательности диаграммы «спектр — светимость» ) — 5 млрд. лет. 94

Хронологическая таблица (общая) Эон, млн. лет Фанерозой PH, 570 20 Эра, млн. лет Кайнозойская KZ, 65 Период Четвертичный или Антропогеновый Q Неоген N Палеоген P Мезозойская MZ, 165 Мел K Юра J Триас T Пермь P Карбон C Палеозойская PZ, 340 Девон D Силур S Ордовик О Кембрий Криптозой или Докембрий Протерозой PR, Около 2000 Архей AR, более 1500 95

Геохронологическая шкала Эон, млн лет Эра, млн лет Период Эпоха Фанерозой PH, 570 20 Кайнозойская KZ, 65 Четвертичный или Антропогеновый Q Современная Неоген N Плиоцен Палеоген P Границы периодов (1978)* QIV Шкала ISC (1998) 1. 8 Позднечетвертичная QIII Среднечетвертичная Q II Раннечетвертичная QI N 2 1. 8 21. 2 Миоцен N 1 23 1 Олигоцен P 3 42 Эоцен P 2 5. 3 23 0. 5 33. 7 0. 5 53 1 Палеоцен Мезозойская MZ, 165 Мел K Юра J P 1 65 3 65 0. 5 Позднемеловая K 2 70 96 2 Раннемеловая K 1 135 10 Позднеюрская J 3 Среднеюрская 55 J 2 135 5 154 5 175 Раннеюрская Триас T J 1 190 5 203 3 Позднетриасовая T 3 40 230 6 Среднетриасовая T 2 Раннетриасовая T 1 240 5 230 15 250 5 96

Палеозойская PZ, 340 Пермь P Карбон C Позднепермская P 2 65 Раннепермская P 1 295 15 Позднекаменноугольная C 3 C 1 Позднедевонская D 3 Среднедевонская Силур S Ордовик О D 1 Позднесилурийская 355 55 375 5 385 8 405 10 S 2 408 5 30 S 1 435 10 Позднеордовикская О 1 45 Среднеордовикская О 2 О 3 Позднекембрийская 1 Среднекембрийская 435 5 480 15 2 Раннекембрийская 3 Криптозой Или Докембрий 350 15 Раннесилурийская Раннеордовикская Кембрий 315 5 D 2 Раннедевонская 295 5 55 C 2 Раннекаменноугольная Девон D Среднекаменноугольная 258 5 90 570 20 540 Протерозой PR, Около 2000 Архей AR, Более 1500 97

Геологический возраст веков фанерозоя Период Эпоха 0. 01 / 0. 00 9 5 0. 69 / 0. 01 0. 68 / 0. 01 36 8 1. 61 / 0. 01 0. 92 / 0. 01 16 5 3. 38 / 0. 02 1. 77 / 0. 02 Занклий 30 13 5. 26 / 0. 02 1. 88 / 0. 03 15 5 6. 51 / 0. 05 1. 25 / 0. 05 Тортонский 19 6 10. 39 / 0. 05 3. 88 / 0. 07 Серравелий Миоцен 7 Мессиний Плиоцен Длительность века / ошибка, млн лет Пьянчеций Неоген Начало века / ошибка, млн лет Калабрии Четвертичный Количе ство дати ровок Голоцен 7 Сицилии Плейстоцен Век Использ. датирово к 15 9 15. 13 / 0. 06 4. 74 / 0. 08 Лангий 16 7 16. 37 / 0. 07 1. 24 / 0. 09 Бурдигальский 16 8 21. 66 / 0. 11 5. 29 / 0. 13 Аквитанский 53 25 23. 60 / 0. 08 1. 94 / 0. 14 98

Сопоставление кривой вымирания семейств морских организмов в фанерозое с положением Солнца на орбите и его удалением от центра Галактики и четырех спиральных рукавов 99

Распределение веков фанерозоя по длительности 100

Ландшафты первичной Земли. Условия на поверхности молодой Земли были весьма необычными. Наша планета в те далекие времена была представлена только ландшафтами неприветливой, суровой и холодной пустыни с черным небом, а на нем яркие немерцающие звезды, желтое слабо греющее Солнце (его светимость была приблизительно на 30% ниже современной) и совершенно непомерно большой диск Луны, на которой еще не было привычных нам "морей". Рельеф Земли напоминал тогда испещренную кратерами поверхность Луны. Этот пустынный пейзаж первозданной Земли временами нарушался лишь выбросами реголита от беззвучных взрывов падавших на Землю остаточных Планетезималей. Поскольку в катархейскую эпоху (ниже архея 4, 6 4, 0 109 лет назад )земное вещество нигде не плавилось, то не могли тогда развиваться и процессы дегазации Земли. Именно по этой причине следует ожидать, что в течение первых 600 млн. лет жизни нашей планеты на ее поверхности полностью отсутствовала гидросфера, а молодая атмосфера была, как и у первичной Земли, исключительно разреженной и состояла в основном из благородных газов. 102

Удивительным тогда было и стремительное движение Солнца всего за 3 часа оно пересекало небосвод с тем, чтобы еще через 3 часа вновь взойти с востока над безжизненным горизонтом первозданной Земли. Движение Луны было гораздо медленнее, поскольку она быстро вращалась вокруг Земли в ту же сторону, но фазы Луны менялись буквально на глазах, проходя все стадии за 8 10 часов. Непривычными были и размеры Луны сразу же после образования (около 4, 6 109 лет назад) она приблизительно в 300 350 раз превышала современную видимую площадь диска Луны. В самом начале существования Луна была еще горячей планетой и излучала тепловую энергию в красной и инфракрасной частях спектра, поэтому днем и ночью наряду с отраженным солнечным светом она светилась темно красным светом и так как имела огромные видимые размеры, то заметно обогревала земную 103 поверхность.

Рост Земли вначале происходил во все ускоряющемся режиме аккреции, но затем в связи с исчерпанием запасов твердого вещества в околоземном рое планетезималей вновь замедлился. При аккреции Земли выделилось гигантское количество гравитационной энергии около 23, 3 1031 Дж. Этой энергии более чем достаточно не только для расплавления земного вещества, но и для его полного испарения. Однако большая часть этой энергии выделялась в приповерхностных частях растущей Протоземли и вновь терялась с ее тепловым излучением. Естественно, что потери тепла оказывались тем большими, чем медленнее происходил рост самой Земли. Полное время формирования Земли до уровня 99% ее современной массы, составило примерно 100 млн. лет. 104

Дальнейший путь развития Земли опирается на два основных вывода теории планетообразования: молодая Земля сразу же после образования была относительно холодным космическим телом, и в ее недрах температура не превышала температуры плавления земного вещества; первичная Земля имела достаточно однородный состав. Дальнейшая эволюция Земли (ее мантии, ядра, коры, гидросферы и атмосферы) полностью определяется изначальным составом земного вещества, теплозапасом нашей планеты и историей ее взаимодействия с Луной. 105

Состояние холодной и тектонически пассивной Земли продолжалось около 600 млн. лет. За это время Земля только разогревалась за счет выделения в ее теле энергии приливного взаимодействия с Луной и благодаря распаду радиоактивных элементов. Проявления же тектоно магматической активности Земли могли начаться лишь, после того, как температура в ее недрах поднялась до уровня начала плавления первозданного земного вещества. Решающим внешним воздействием, резко возбудившим тектоно магматическую активность Земли, могло послужить "накачивание" приливной энергии в земную астеносферу, впервые возникшую около 4 млрд. лет назад. 106

Земля и Луна Возникновение астеносферы, предопределившее резкое усиление приливного взаимодействия наших планет, привело в то время к ускоренному отодвиганию Луны от Земли. В момент образования Луна вращалась вокруг Земли по очень близкой к ней орбите с радиусом 19 25 тыс. км (сейчас радиус орбиты Луны равен 384, 4 тыс. км). Поэтому в те времена амплитуда лунных приливов на Земле (деформация суши) была исключительно высокой и превышала 1, 5 км. 107

Схема приливного взаимодействия Земли с Луной Дважды в сутки, а точнее, каждые 12 часов 25 минут, уровень открытых морей поднимается примерно на метр, затем через четверть суток море отступает. Т. е. возникают два горба приливов, обегающих Землю при ее вращении. F приливная сила, тормозящая вращение Земли f – приливная сила, ускоряющая орбитальное вращение Луны d – угол увлечения приливов 108 Землей

Приливный горб на стороне Земли, обращенной к Луне, возникает, как результат усиленного притяжения его самого, а приливный горб на обратной стороне Земли — как результат того, что притяжение Земли в среднем сильнее притяжения ее дальней стороны. Приливные горбы движутся по поверхности Земли со скоростью 290 м/с. . Эта скорость оказывается близкой к скорости распространения самых длинных волн в океане. Поэтому прилив как бы переносится океанской волной, попутно усиливаясь. Наиболее высокие приливы бывают в сужающихся заливах и в мелководных Беринговом и Охотском морях, поглощающих энергию прилива Тихого океана. Наибольшая разность между высокой и низкой водной зарегистрирована в заливе Фанди, в Канаде, на широте 45°: там она достигает 16, 3 м. Высота солнечного прилива – порядка 0, 16 м. 109

Луна тормозит вращение нашей планеты. Земля вращается с большей угловой скоростью, чем вокруг нее обращается Луна. Поэтому вращение Земли немного увлекает за собою приливные горбы. Они оказываются не точно на прямой Земля — Луна, а повернуты в сторону вращения Земли на угол увлечения, равный 2, 16°. Вызванная этим смещением асимметрия притяжения приливных горбов к Луне создает малый момент сил, замедляющий земное вращение. Расчеты показывают, что каждый год угловая скорость Земли должна убывать примерно на 2 10 10 своей величины. Следовательно, длительность суток должна возрастать каждый год на величину порядка 2 10 5 с. Момент сил, замедляющий Землю, увеличивает орбитальный момент импульса Луны ( приливные горбы 110 Земли «тянут» за собой Луну).

111

К концу катархея лунные приливы снизились уже до 7 м (для сравнения отметим, что современные приливы твердой Земли вблизи подлунной точки достигают 45 см). Однако вернемся в Архей. В архее произошла гравитационная дифференциация первичного вещества Земли, которое было богато железом (около 13%) и его окислами (около 24%). Основными источниками эндогенной энергии, питающей собой тектоническую активность Земли являются: 1) гравитационная дифференциация земного вещества на плотное окисло железное ядро и остаточную силикатную мантию, 2) распад радиоактивных элементов и 3) приливное взаимодействие Земли и Луны. 112

Этапы формирования ядра Земли 113

Процесс зонной дифференциации Земли начал развиваться под влиянием "накачивания" в первичную астеносферу приливной энергии. Поэтому впервые такой процесс мог возникнуть только под экваториальным поясом Земли, где приливные деформации достигали максимальной величины. После почти полного замыкания кольцевой зоны дифференциации в единый, заполненный тяжелыми расплавами сферический слой началось выжимание бывшей сердцевины к одному из полюсов Земли, и втекание тяжелых окисло железных расплавов в формирующееся ядро с противоположного полюса, поскольку только при этом условии главная ось момента инерции Земли могла совпадать с осью ее вращения. Процесс образования у Земли плотного ядра развивался в самом конце архея в короткий период около 2, 7 2, 6 млрд. лет назад. 114

В начале позднего архея, где то около 3, 2 109 лет назад резко активизировались все процессы формирования континентальной коры. В конце позднего архея все обособленные до этого континентальные массивы стали стремительно перемещаться к одному из полюсов Земли, сталкиваться друг с другом, деформироваться и объединяться в единый континентальный массив. Возник первый в истории нашей планеты суперконтинент Моногея. 115

К началу архея Луна уже удалилась от Земли на расстояние около 160 тыс. км, но все же еще приблизительно в 2, 4 раза была ближе к Земле, чем сейчас. В то время наша планета вращалась вокруг своей оси с высокой угловой скоростью, и в году еще было около 890 суток, а каждые сутки продолжались только 9, 9 часов. С большей скоростью вращалась Луна вокруг Земли и лунные приливы амплитудой до 360 см деформировали земную поверхность через каждые 5, 2 ч. К концу архея вращение Земли уже существенно замедлилось, и в году насчитывалось только 460 суток продолжительностью по 19 ч. приливных деформаций Земли (до 45 см), т. е. Луна практически перестала влиять на тектоническую 116 активность Земли.

Дегазация земного вещества В катархее молодая Земля была лишена как гидросферы так и заметной атмосферы. После подъема температуры в недрах молодой Земли до уровня появления у нее астеносферы и возникновения конвективных движений, т. е. после начала действия мощного процесса выделения земного ядра начал действовать процесс дегазации земного вещества (примерно 3, 8 3, 7 109 лет назад ). Помимо углекислого газа в архейской атмосфере уже должны были в заметных количествах накопиться азот и пары воды. Кислород же в атмосфере еще полностью отсутствовал. И связано это было не с отсутствием фотосинтезирующих водорослей, которые в то время уже появились, а с присутствием свободного 117 (металлического) железа в мантийном веществе.

В результате гидратация океанской коры в архее оставалась ограниченной, а вместе с тем и связывание углекислого газа в карбонатах слабым. Поэтому есть все основания ожидать, что в архее, и особенно в раннем архее, парциальное давление углекислого газа было повышенным. Гидросфера Земли в раннем архее В раннем архее, несмотря на интенсивную дегазацию Земли, масса гидросферы еще была сравнительно небольшой. Тогда не существовало единого океана и гребни срединно океанических хребтов возвышались высоко над уровнями большинства морских бассейнов и протоокеанов. Контрастность рельефа вначале оставалась не очень высокой не более 1 2 км. Все понижения рельефа постепенно заполнялись водой и в позднем архее уже образовался мелководный (до 1 км), но все же единый 118 Мировой океан.

В раннем протерозое около 2, 5 2, 3 млрд. лет назад первое в истории Земли почти глобальное Гуронское оледенение охватило собой большинство щитов древних континентальных платформ Моногеи. огеи олярное ложение представляет собой необычное явление, так как, благодаря действию центробежных сил, Земля стремится занять такое положение по отношению к оси ее вращения, при котором крупные континентальные . массивы попадают на экватор вращения планеты. Конвективные импульсы растяжения, действующие снизу из мантии, и центробежные силы привели к дроблению суперконтинента около 2, 3 млрд. лет назад. В результате, в середине раннего протерозоя многие из щитов вновь обособились и стали дрейфовать в центробежных направлениях в стороны от бывшей Моногеи. 119

На фоне еще сравнительно большой тектонической активности раннего протерозоя, раскол Моногеи происходил на мелкие блоки кратоны и, в основном, по старым швам, спаявшим ранее архейские щиты в единый суперконтинент. 120

Вновь спаявшиеся крагоиы около 1, 9 1, 8 млрд. лет назад образовали новый суперконтннент Meгагея. Как и Моногея, Мегагея просуществовала не долго не более 100 150 млн. лет, так как уже около 1, 7 109 лет назад проявились первые признаки раскола раннепротерозойского суперконтинента. Распавшиеся фрагменты Мегагеи центробежно дрейфовали в разные стороны от центра тяжести бывшего суперконтинента. 121

Распавшиеся части Мегегеи примерно 1 млрд. лет тому назад собрались на экваторе в суперконтинент Мезогею. Мезогея просуществовала недолго (не более 100 150 млн. лет), и уже где то около 900 млн. лет назад начался ее распад на две части: северную – Лавразию , и южную Гондвану. Эта Лавразия еще отличалась от классической вегенеровской Лавразии, вошедшей позже в состав Пангеи. 122

Приблизительно 850 млн. лет назад между ними возник широкий океанический бассейн Прототетис. В некоторых случаях палеоклиматические данные помогают оценивать также и ширину межконтинентальных океанических бассейнов. Так циркумэкваториальный Прототетис по ширине достигал приблизительно 6 10 тыс. км. В фанерозое Лавразия и Гондвана сблизились и образовали новый суперконтинент Пангею 123

Палеореконструкции расположения континентов и океанов в геологической истории Земли 124

Тектоника литосферных плит Земная кора никогда не остается в покое. Она испытывает деятельность внутренних сил Земли и постоянно находится в движении, претерпевая определенные качественные измене ния. Изучением закономерностей движений и строения зем ной коры, происхождением и историей ее развития занимается наука геотектоника, или тектоника. Тектонические движения приводят к возникновению гор, к образованию морей и океанов, и создают неровности рельефа земной коры, т. е. они являются созидательными процессами (греч. «тектонос» —созидательный). В 1912 г. немецкий геофизик Альфред Вегенер выдвинул предположение, что в начале мезозоя, около 200 млн. лет назад все материки были сгруппированы в единый гигантский континент, который он назвал 125 Пангеей.

Пангея состоял из двух крупных частей: северной Лавразии и южной – Гондваны. Между юго восточной границей Лавразии и северо восточной Гондваны в виде огромного залива находилась впадина океана Тетис. Первоначально гипотеза А. Вегенера основывалась на поразительном сходстве в очертании берегов Африки и Южной Америки. Эволюция материков по А. Вегенеру. Выделены участки, покрытые мелкими морями. 126

Позднее голландский геофизик Ф. Венинг Мейнес предположил наличие конвективных течений в мантии Земли, а англичанин А. Холмс и американец Д. Григс связали их с дрейфом материков. Серьезное подтверждение теория тектоники литосферных плит получила в конце 50 х начале 60 х годов, когда началось интенсивное геолого геофизическое изучение океанов, охватывающих 2/3 поверхности Земли, и был сделан ряд принципиально важных открытий в науках о Земле. Было установлено существование пластичного слоя астеносферы, который допускал возможность перемещения литосферы относительно подстилающей мантии; было подтверждено существенное отличие мощности и состава океанической коры от континентальной; но самое главное было установлено существование глобальной системы срединно океанических хребтов (СОХ) и рифтов. 127

Перемещения литосферных плит по поверхности астеносферы происходят под влиянием конвективных течений в мантии. Отдельные литосферные плиты могут расходиться, сближаться или скользить друг относительно друга. В первом случае между плитами возникают зоны растяжения с рифтовыми трещинами вдоль границ плит, во втором зоны сжатия, сопровождаемые надвиганием одной из плит на другую, в третьем сдвиговые зон трансформные разломы, вдоль которых происходит скольжение соседних плит. Пододвигание океанских плит под континенты называется субдукция, а надвигание океанской плиты на континент – абдукция. Субдукция обычно приводит к постепенному закрытию океана, сопровождающемуся столкновением обрамлявших его континентов. Таким путем, например, на месте древнего океана Тетис возник 128 Альпийско Гималайский горный пояс.

Благодаря широкому развитию сейсмостанций, стало возможным построить карту сейсмической активности Земли. Большая часть эпицентров землетрясений (98%) размещалась на вытянутых поясах, вокруг обширных, почти асейсмичных, участков поверхности Земли, названных позже литосферными плитами. 129

В 1961 1968 гг. усилиями американских, английских, канадских и французских геофизиков и геологов были разработаны основы новой мобилистской теории, названной тектоникой литосферных плит. Зародышем ее явилась идея об образовании океанов в результате раздвижения континентов и разрастания пространства молодой океанской коры начиная от осей срединно океанических хребтов. Этот процесс был впервые описан американскими геологом Г. Хессом и геофизиком Р, Дитцем и получил название спрединга океанского дна (spreading буквально означает разрастание). Горячее, частично расплавленное мантийное вещество, поднимаясь вдоль рифтовых трещин растекается в разные стороны от оси срединно океанического хребта, заполняет рифтовую трещину, застывая в ней и наращивая, таким образом, расходящиеся края океанической коры. 130

Схематическая карта возраста океанической коры 131

Плиты земной коры Стрелками указано движение плит 132

133

Схематический разрез зоны пододвигания океанической литосферы под континентальную (субдукция) 134

Компьютерное моделирование дало возможность уникально совместить суши Земли в один континент. Это, конечно, не научная палео реконструкция. Примеры. Африка – Ю. Америка Средиземное море Национальный парк в Сомали 135

Из книги А. Гора 136

К настоящему времени рассчитаны взаимные перемещения всего ансамбля литосферных плит на поверхности Земли. По расчетам Австралия удаляется от Антарктиды со скоростью около 7 см/год, а Южная Америка от Африки со скоростью около 4 см/год. Отодвигание Северной Америки от Европы происходит существенно медленнее на 2 2, 3 см/год. Еще медленнее расширяется Красное море на 1, 5 см в год. Зато скорость "столкновения" Индии с Азией достигает 5 см/год, чем и объясняются исключительно высокий уровень сейсмической активности всего региона, сказывающейся далеко за пределами самой зоны столкновения плит, распространяясь вплоть до Байкала. Деформации Большого и Малого Кавказа вызываются давлением Аравийской плиты на этот район Евразии, однако скорость сближения плит здесь существенно меньше всего 1, 5 2 см/год. Поэтому меньшей здесь 137 оказывается и сейсмическая активность региона.

Геологические ритмы Развитие Земли происходило не монотонно, а циклично. Следы циклов различной продолжительности прослеживаются в геологических отложениях всех эпох. Они видны в осадочных породах и остатках древней жизни. Их можно заметить в стратиграфическом размещении полезных ископаемых. Это относится к солям, углям, к горючим сланцам и нефти. «Цикличность» залежей в значительной мере отражает цикличность тектонических процессов — поднятий и опусканий земной коры, появлений суши на месте моря и, наоборот, наступления моря на сушу (трансгрессий) и снижение уровня океана (регрессий). Характерная черта геологических циклов — их многоритмичность. В геологической истории Земли действует сразу, одновременно целая иерархия циклов самой различной продолжительности — от десятков 138 тысяч до сотен миллионов лет.

Геологические (геодинамические) процессы По своему происхождению геологические процессы подразделяются на процессы внутренней геодинамики, или эндогенные процессы, и процессы внешней динамики, или экзогенные процессы. 139

Экзогенные процессы проявляются в непрерывном разрушении и изменении поверхности Земли вследствие воздействия атмосферных и подземных вод, рек и ледников, морей и океанов, выветри вания, астительных и животных организмов, р в результате деятельности человека. Экзогенные процессы направлены на нивелирование Земли. Выделяют три основных вида тектонических движений земной коры: колебательные, складчатые и землетрясения. 1. Колебательные движения иногда называют также эпейро геническими (греч. «эпейрогенёз» — созидающий континенты). Эти движения проявляются в результате радиальных перемещений в земной коре. Колебательные движения характеризуются медленными вековыми неравномерными поднятиями и опусканиями земной поверхности. 140

Они охватывают обширные территории, проявляются в течение значительных отрезков времени и устанавливаются лишь в результате длительных наблюдений. Колебательные движения меняют лик нашей планеты — очертания суши и моря: при опускании материка море наступает на сушу, происходит так называемая трансгрессия моря, при поднятии материка море отступает с территории суши— это регрессия моря. Колебательные движения подразделяют на три вида: движения древних геологических периодов, новейшие колебательные движения четвертичного периода и современные движения. В современную эпоху территории Швеции, Финляндии, Карпат и Донбасса медленно поднимаются, а территория Голландии опускается. В связи с этим территория этой страны уже на 2/5 лежит ниже уровня моря. 141

Предельная скорость современных колебательных движений составляет 3 см в год. Территория Нидерландов опускается со скоростью 2, 5 см в 100 лет. Западный берег Ботнического залива Балтийского моря поднимается со скоростью 1 м в 100 лет. Подтверждением нисходящих колебательных движений земной коры служит продолжение долин у многих рек в глубь моря или океана на значительные расстояния от современных устьев. Примерами могут служить реки Конго, Рейн, Эльба и др. В некоторых случаях долины рек прослеживаются по дну моря на 100 км и более. 2. Складчатые движения земной коры являются другим видом движений, проявляющимся в результате тангенциальных напряжений в земной коре. Они называются также горообразовательными, или орогеническими (греч. «орогенез» — горообразование). 142

Складчатые движения земной коры характеризуются большей интенсивностью, силой и амплитудой проявления. Складчатость протекает в меньшие по сравнению с колебательными движениями сроки и дает ощутимые результаты: возникают высокие горы, интенсивно смятые в складки. Складчатость сопровождается образованием крупных разломов и трещин в земной коре. По разломам происходят значительные перемещения отдельных участков земной коры, их воздымание или опускание. Горообразовательные движения сопровождаются вулканизмом и землетрясениями. Установлено, что складчатые движения проявляются в определенных участках земной коры. Такие участки представляют собой подвижные ослабленные зоны в земной коре. Здесь наиболее активно проявляется магматическая деятельность и, в частности, вулканизм. Такие зоны получили название геосинклиналей. 143

Все горы на Земле в разные геологические эпохи возникли в геосинклинальных зонах. Наибольшее количество землетрясений (около 90%) происходит в двух поясах: Тихоокеанском, охватывающем побережье Тихого океана в виде кольца (здесь происходит около 70% всех землетрясений), и Средиземноморском сейсмическом поясе, прослеживающемся от островов Зеленого Мыса и Португалии через бассейны Средиземного и Черного морей на Кавказ и Гималаи в Индонезию. С данным поясом связано более 20% всех землетрясений. 3. Землетрясения — внезапное и резкое сотрясение земной поверхности, проявляющееся в виде толчков различной силы, вызванных рядом геологических факторов, действующих в земной коре и в верхней мантии. Это – самое быстрое из движений земной коры. 144

Центр очага называется гипоцентром. Его проекция на земную поверхность, где с наибольшей разрушитель ной силой проявляется землетрясение, получила название эпицентра. В различных участках земной коры землетрясения проявляются с разной силой. Подсчитано, что ежегодно на Земле происходят 20 катастрофических землетрясений, 150 разрушительных, около 7 тыс. сильных и 150 тыс. слабых. В противоположность геосинклиналям на поверхности земного шара выделяются и менее подвижные участки, где тектоническая активность проявляется очень слабо. 145 Это — устойчивые области земной коры.

Они получили название платформ. Здесь проявляются слабые движения земной коры — медленные колебательные движения с амплитудой в несколько километров. На земном шаре выделяют платформы: Восточно Европейскую (Русскую), Сибирскую, Северо Американскую, Северо Африканскую, Австралийскую, Антарктическую и ряд других. Изучение тектонических движений, строения земной коры, распределения суши и моря в различные геологические эпохи имеет не только теоретическое значение, но и большой практический интерес: оно помогает в поисках полезных ископаемых. Например, известно, что месторождения нефти и газа приурочены в природе к сводовым антиклинальным поднятиям. Учитывая это, геологи ищут соответствующие структуры и затем с помощью буровых скважин добывают из них полезные ископаемые. 146

Землетрясение, происходящее на море или океане, называется моретрясением. Оно не опасно для судов, находящихся в эпицентре, так как возникающие волны имеют очень большую длину (до 200 300 км) и сравнительно небольшую высоту. Моретрясения опасны волнами, которые возникают при подводном землетрясении; они называются цунами. Распространяясь со скоростью до 800 км/ч, цунами производят опустошительную работу на территориях многих прибрежных стран. 147

Подводное землетрясение в Индийском океане, произошедшее 26 декабря 2004 года в 07: 58: 53 по местному времени стало причиной цунами, признанного самым смертоносным стихийным бедствием в современной истории. Магнитуда землетрясения составляла от 9, 1 до 9, 3, это второе или третье по силе землетрясение за всю историю наблюдения. Погибло примерно 227 000 человек. Истинное число погибших вряд ли когда либо станет известно, потому что множество тел было унесено водой в море. Погибло 10000 европейцев. Шведов – 60 погибли, 148 1500 пропали без вести (вынесены в океан. )

Параметры планеты Земля Масса Земли равна М = 5, 98 1021 т, объем V = 1, 083 1021 м 3, средний радиус R = 6371 км, средняя плотность 5, 52 г/см 3 , среднее ускорение силы тяжести на земной поверхности достигает g = 9, 81 м/с2. Среднее расстояние 3 емли от Солнца составляет 149, 6 10 6 км. Ось вращения Земли направлена к созвездию Малая Медведица в точку близкую к Полярной звезде. Угол между осью вращения Земли и направлением на полюс эклиптики составляет 23° 27’. Расстояние от Земли до Солнца в различных точках орбиты неодинаковые, в перигелии (3 января) оно приблизительно на 2. 5 млн. км. меньше, а в афелии (3 июля) – на столько же больше среднего расстояния, составляющего 149, 6 млн. км. 149

Форма Земли Равновесная фигура вращающейся планеты близка к сфероиду – эллипсоиду вращения. Нормаль к поверхности направлена вдоль векторной суммы гравитационного и центробежного ускорений. 150

Строго говоря, истинная форма поверхности Земли с ее неровностями довольно сложна. Геодезисты ввели понятие «геоид» . Буквально «геоид» —это «земноподобный» . Это воображаемая поверхность, . которая приближенно совпадает со спокойной поверхностью Мирового океана и перпендикулярами к которой в каждой ее точке служат отвесные линии. Продолжив эту поверхность под материками так, чтобы во всех точках она оставалась перпендикулярной к отвесной линии, получим полную поверхность геоида. 151

Науки, изучающие Землю 1)Сейсмология — изучает упругие колебания (сейсмические волны), возникающие в теле 3 емли при естественных землетрясениях и искусственных взрывах, и определяет скорость их распространения на разных глубинах. Эта скорость зависит от сочетания упругих свойств и плотности соответствующих слоев, вследствие чего имеется возможность различать эти слои, определять глубину их залегания и мощность (толщину). 2) Гравиметрия — изучает поле силы тяжести, зависящее от расположения масс внутри 3 емли, и позволяет делать ряд заключений о распределении плотности масс и слоев внутри 3 емли. 3) Магнитометрия — исследует магнитное поле 3 емли , что даёт ряд указаний на размещение в 3 емли веществ с различными магнитными свойствами. 152

4) Геотермика — исследует температурное поле 3 емли. Её данные позволяют судить о теплопроводности и теплоёмкости пород, а также о размере теплового потока, выделяемого 3 емли. 5) Электрометрия — изучает естественные и искусственные электрические токи 3 емли и даёт сведения о распределении пород с различными электрическими свойствами Строение планеты Земля Твердое тело Земли состоит из трех концентрических оболочек — геологических сфер: центрального ядра, промежуточной оболочки, или мантии, и наружной оболочки, или земной коры. Литосферой называют каменную оболочку Земли, все компоненты которой находятся в твердом кристаллическом состоянии. Она включает: земную кору, подкорковую верхнюю мантию и подстилается астеносферой. 153

154

155

156

Изменение основных физических параметров в недрах Земли. Плотность пород верхней мантии до глубины 400 км постепенно растет с глубиной вследствие сжатия ее вещества. Затем плотность мантии возрастает резко и скачкообразно. С глубины примерно 900 км плотность снова медленно увеличивается. На глубине около 2900 км плотность скачком растет почти в 2 раза: от значения 5, 6 г/см 3 на подошве мантии до 9, 5 10 г/см 3 на поверхности ядра. В ядре плотность вещества вновь монотонно возрастает. В некоторых моделях строения Земли предполагается, что между внешним и внутренним ядром на уровне слоя F происходит еще один, правда, менее значительный скачок плотности от 11, 4 до 13, 8 г/см 3, отражающий изменение здесь фазового состояния или состава вещества . В центре Земли плотность вещества 157 достигает 14, 3 г/см 3.

Температура в недрах Земли увеличивается с глубиной от значения около 1300 о. С в верхней мантии до 3700 °С в центре ядра. Увеличение температуры происходит по адиабатическому закону: оно зависит лишь от сжатия вещества под давлением при отсутствии геплообмена с окружающей средой. Давление в недрах Земли линейно увеличивается до глубины примерно 400 км, где оно достигает 13 ГПа. Затем скорость его возрастания несколько увеличивается, отражая рост плотности, и на поверхности внешнего ядра оно составляет 135 ГПа. Вблизи переходной зоны между внешним н внутренним ядром (оболочки F) давление достигает 340 ГПа, после чего скорость его роста уменьшается. В центре Земли давление составляет 361 ГПа. 158

Ядро делится на 2 слоя: внешний и внутренний. Радиус внутреннего твердого ядра (слой G) равен 1200 1250 км, мощность переходного слоя (F) между внутренним и внешним ядром равна 300 400 км, а радиус внешнего, жидкого ядра находится на глубине 2900 км). Плотность вещества во внешнем ядре монотонно меняется от 9, 5 10, 1 г/см 3 на его поверхности до 11, 4 12, 3 г/см 3 на подошве. Во внутреннем ядре плотность вещества возрастает и достигает 13 14 г/см 3 в центре Земли. Масса земного ядра по оценкам составляет 31 32% всей массы Земли, а его объем около 16% от объема Земли. Современные эксперименты позволяют считать, что земное ядро примерно на 90% состоит из железа с добавками кислорода, серы, углерода, водорода, при этом внутреннее твердое ядро состоит из железо никелевого сплава метеоритного состава. 159

Литосфера и астеносфера Толщина литосферы в океанах меняется от нескольких километров под рифтовыми долинами срединных хребтов до примерно 100 км на периферии океанов. Под древними щитами континентов толщина литосферы достигает 300 350 км. Температура земных пород постепенно возрастает с глубиной. Под основанием литосферных плит обычно располагается астеносфера пластичная оболочка мантии, вещество в которой вследствие высоких температур частично расплавлено. Подошву литосферы – верхнюю границу астеносферы можно связать с изотермой поверхностью постоянной температуры, соответствующей началу плавления перидотита в астеносфере равной приблизительно 1300°С. Предполагают, что литосферные плиты образуются за счет остывания и полной кристаллизации частично 160 расплавленного вещества астеносферы.

Мантия Земли Силикатная оболочка Земли ее мантия расположена между подошвой земной коры и поверхностью земного ядра. По оценкам масса мантии составляет 67, 8 % от общей массы Земли. Согласно сейсмическим данным мантию делят на три слоя: верхнюю (слой В; до глубины 400 км), переходный слой Голицына (слой С; в интервале глубин 400 1000 км) и нижнюю мантию (слой D) с подошвой на глубине примерно 2900 км. Важной границей раздела в верхней мантии является подошва литосферы. Физически она представляет собой поверхность перехода от охлажденных жестких пород верхней мантии к частично расплавленному мантийному веществу, перешедшему в пластическое состояние и составляющему астеносферу. 161

Строение земной коры по Гутенбергу 162

Земная кора самый верхний слой твердой Земли и отличается от нижележащих оболочек строением и химическим составом. Подошва земной коры трассируется сейсмически границей Мохоровичича, на которой скорости распространения сейсмических волн скачком возрастают до 8, 0 8, 2 км/с. Поверхность земной коры формируется двумя разнонаправленными воздействиям: 1) эндогенным, включающим тектонические и магматические процессы, создающие неровности рельефа; 2) экзогенным, вызывающим денудацию (выравнивание) этого рельефа за счет разрушения (выветривания) слагающих его горных пород и осадконакопления, скрывающих неровности рельефа фундамента и формирующего самый верхний слой земной коры. Выделяют два основных типа земной коры: "базальтовая" океаническая и "гранитная" континентальная. 163

Средний химический состав континентальной и океанической коры Окислы Содержание, % в континентальной коре в океанической коре Si. O 2 61, 9 49, 4 Тi. O 2 0, 8 1, 4 Аl 2 О 3 15, 6 16, 0 Fe 2 O 3 2, 6 2, 3 Fe. O 3, 9 7, 6 Mn. O 0, 1 0, 2 Земная кора состоит преимущественно из легкоплавких силикатов с преобладанием алюмосиликатов. Из химических элементов в земной коре в наибольших количествах присутствуют кислород (43, 13%), кремний (26%) и алюминий (7, 45%) в форме силикатов и окислов. 164

Океанская кора представляет собой верхний слой мантии, перекрытый сверху тонким слоем осадков. Средняя мощность океанических осадков около 0, 5 км и только у материковых склонов и крупных речных дельт до 10 12 и даже 15 км. Почва есть в «текст для сборника ФПК» для транснефти 165

Тепловой режим Земли складывается из двух видов: внешней теплоты, получаемой в виде солнечной радиации, и внутренней, зарождающейся в недрах планеты. Солнце дает Земле огромное количество тепловой энергии, измеряемой цифрой 5, 4· 1024 Дж. Солнечная энергия обычно не проникает глубже 10— 20 м в толщу земной коры. С углублением в недра Земли увеличивается роль внутренней энергии На некоторой глубине от поверхности Земли располагается пояс постоянной температуры, где не наблюдается ее изменение в течение суточных и сезонных колебаний, происходящих на поверхности планеты. Здесь находится уровень постоянной температуры, соответствующий среднегодовой температуре данной местности. 166

В разных районах земного шара пояс постоянной температуры располагается на различных глубинах. На экваторе он отмечается всего на глубине 1— 2 м от поверхности Земли, в Москве — на глубине около 20 м. В Париже термометр, установленный на глубине 27, 6 м, уже в течение более 100 лет показывает все время одну и ту же температуру: +11, 85 °С. Ниже пояса постоянных температур отмечается повышение температуры от теплоты, поступающей из недр Земли. Факт повышения температуры с глубиной указывает на непрерывный поток теплоты из недр Земли к поверхности. Наиболее вероятными источниками тепла являются: энергия радиоактивного распада элементов, гравитационная (энергия тяготения), энергия химических реакций, кристаллизации и другие виды энергии, тайна которых еще не раскрыта. Геотермический градиент — это величина повышения температуры в градусах Цельсия на единицу углубления. 167

Раньше полагали, что за среднюю величину геотермического градиента следует считать 3 °С на каждые 100 м погружения, однако данные непосредственных измерений в разных странах показали, что величина его может колебаться в широких пределах— от 5 до 148 °С на 1 км или от 0, 5 до 15 °С на 100 м. Геотермическая ступень — расстояние, на которое надо углубиться, чтобы температура повысилась на 1 °С. Геотермическая ступень также может колебаться в довольно широких пределах. Так, в США, по данным Б. Гутенберга, минимальное значение геотермической ступени составляет 6, 7 м (штат Орегон), максимальное — 137, 8 м (отмечено для штата Алабама). В, нашей стране величина геотермической ступени изменяется от нескольких метров до 30 40 м в районах с горизонтально залегающими горными породами и до 150 м — в районах с развитием метаморфических и 168 магматических пород.

Земли—самая глубокая скважина сейчас достигла глубины 12 км, т. е. около 0, 2 % земного радиуса. Тем не менее можно быть уверенным, что рост температуры продолжается и глубже. . Если предположить, что она нарастает по тем же законам, что и в поверхностных зонах ниже пояса постоянных температур, то, даже при минимальном геотермическом градиенте, в центре нашей планеты она должна достигать 46000°С. О температуре глубинных зон Земли можно судить по лавам, изливающимся из вулканов. Их температуры колеблются в диапазоне 1000 1300°С. При движении магмы через земную кору происходит ее охлаждение, поэтому температура магматических очагов выше и, по видимому, составляет около 1500°С. Согласно расчетным данным, температура в ядре нашей планеты составляет несколько тысяч градусов Цельсия и, очевидно, не превышает 3000— 4000 °С. 169

Специалисты британской компании ВР пробурили с плавающей в Мексиканском заливе платформы11 километровую скважину и первыми в истории нашли на такой глубине огромное месторождение «черного золота» .

Наши ученые рассчитывают обнаружить в Астраханской области на глубинах 7 8 км залежи объемом в несколько миллиардов тонн нефти. Похожая ситуация и в Западной Сибири. России нынешних запасов нефти хватит примерно на 22 года

Возьмем для оценки коэффициент теплопроводности базальта k =2 Дж/(м с К). Тогда, чтобы узнать тепловой поток через всю земную поверхность, нужно умножить на величину площади земной поверхности коэффициент теплопроводности k и градиент температуры d. T/dz=0. 03 K/м. Этот поток составит Q = 4 R 2 k d. T/dz = 3 • 1013 Вт. Для сравнения Солнце дает нам 1, 8· 1017 Вт 170

Магнитные свойства Земли Вокруг земного шара имеется магнитное поле, природа которого до сих пор не выяснена. Магнитное поле простирается до высоты 90 тыс. км. Выше этой зоны оно теряет способность притягивать заряженные частицы. Здесь проходит граница газовой оболочки Земли. Всю область, где проявляются магнитные свойства земного шара, принято называть магнитосферой. земного магнетизма: 1) он связан с магнетизмом веществ, слагающих планету 2) является следствием вращения Земли; 3) обусловлен вихревыми электрическими токами, текущими по поверхности ядра. Первые две гипотезы признаны несостоятельными и отвергнуты, последняя находится в стадии разработки. 171

Земля является гигантским «шаровым» магнитом. В первом приближении магнитное поле Земли равноценно магнитному полю линейного магнита, ось которого наклонена к оси вращения Земли под углом 12° (11 о) и не проходит через центр Земли, а смещена по отношению к нему на 400 км (1200 км) в сторону Тихого океана. Точки, в которых магнитная ось пересекает земную поверхность, называются геомагнитными полюсами. Эти полюса Земли не совпадают с географическими. Магнитный полюс Земли, к которому притягивается северный конец стрелки компаса находится в пункте с координатами приблизительно 76 o с. ш. и 101 o з. д. (Канадский Арктический архипелаг). Магнитный полюс, расположенный в южном полушарии Земли, имеет координаты 66 o ю. ш. и 140 o в. д. (на берегу Антарктиды под Австралией). 172

Магнитная стрелка в любой точке Земли занимает положение по направлению магнитных силовых линий, т. е. направлена на магнитный полюс, а не на географический. Угол между геомагнитным и географическим меридианами называется углом магнитного склонения. Склонение различают восточное и западное. Для получения истинного географического меридиана при восточном склонении величину склонения следует вычитать из показания магнитной стрелки, при западном — прибавлять. Средняя геомагнитная индукция В в системе единиц СИ составляет около 50000 н. Тл (нанотесла), (напряженность около 40 А/м). Минимальное значение В наблюдается на геомагнитном экваторе В 35 000 н. Тл, максимального на магнитных полюсах В 65 000 н. Тл. 173

Координаты идеализированных магнитных полюсов отличаются от координат реальных полюсов, где стрелка компаса занимает вертикальное положение, поскольку реальное магнитное поле Земли отличается от теоретического магнитного поля из за наличия местных магнитных аномалий, создаваемых залежами магнитных пород, а также из за «солнечного ветра» потоков выброшенных Солнцем корпускул (электронов, протонов и ядер более тяжелых атомов). «Солнечный ветер» —это электропроводящая плазма или в целом электрически нейтральная смесь положительно и отрицательно заряженных частиц. Она всегда переносит с собой слабое (напряженностью 0, 8 10 3 А/м) магнитное поле. Хотя магнитное поле Земли имеет значительно большую напряженность, под воздействием «солнечного ветра» оно заметно 174 искажается.

Пространство, в котором напряженность магнитного поля Земли не уступает напряженности межпланетного магнитного поля (0, 8 10 3 А/м), называется магнитосферой. Со стороны, обращенной к Солнцу, магнитосфера сжата магнитным давлением «солнечного ветра» . С противоположной стороны ее силовые линии разомкнуты и образуют так называемый магнитный хвост Земли. Внутри него обнаружен слой, где напряженность, магнитного поля близка к нулю. В наиболее удаленных частях граница магнитосферы проходит на расстоянии 10 15 земных радиусов от центра Земли. Результатом взаимодействия «солнечного ветра» и магнитного поля Земли являются радиационные пояса Земли внутренние области магнитосферы, в которых магнитное поле удерживает заряженные частицы (протоны, электроны), обладающие большой кинетической энергией. 175

Магнитосфера Земли . Числа указывают расстояния в радиусах Земли. Заштрихованы радиационные пояса. 176

Магнитосфера Земли 177

СТРУКТУРА РАДИАЦИОННЫХ ПОЯСОВ ЗЕМЛИ В радиационных поясах частицы под действием магнитного поля движутся по сложным траекториям под действием силы Лоренца F=e(E [v·B]/c). У Земли обычно выделяют внутренний и внешний радиационный пояс. /— внутренний (протонный) пояс Земли имеет максимальную плотность частиц (преимущественно протонов) над экватором на высоте 3 — 4 тыс. км, // — пояс протонов малых энергий; III — внешний (электронный) радиационный пояс около 22 тыс. км. ; IV — зона квазизахвата частиц «солнечного ветра» . Радиационные пояса— источники радиационной опасности при космических полётах 178

Земные недра и магнитные аномалии Причина аномалий — присутствие в данном районе больших залежей намагниченных пород. Самые заметные магнитные аномалии порождаются железными рудами, менее значительные — изверженными (базальты, диабазы) и метаморфическими (железистые кварциты) породами. Магнитные карты Земли, на которых изображены кривые равной напряженности, напоминают рентгенограмму нашей планеты. Вся территория России покрыта аэромагнитной съемкой, причем среднее расстояние между маршрутами полетов не превышает нескольких километров. 179

На общей магнитной карте Земли выделяются три мировые аномалии — одна в Канаде, вторая в Антарктиде, третья в нашей стране, между Енисеем и Леной. Происхождение их пока не совсем ясно, но зато в других случаях « холмы» магнитной карты привели к открытию мощных залежей очень полезных для промышленности пород. Классический пример — Курская магнитная аномалия (КМА), огромная кладовая железа. Ныне известно, что КМА представляет собой два подземных почти параллельных железорудных хребта. Один из них имеет ширину около 25 км и тянется к югу на 400 км, другой на 5 км шире и на 200 км длиннее. Стрелка компаса в этих районах вместо севера иногда показывает на восток, запад и даже на юг! 180

Загадки палеомагнетизма Явление остаточного магнетизма свойственно очень многим телам. Частицы магнетитовых пород, образовавшиеся в процессе их выветривания (разрушения), переносятся реками в океан. Опускаясь на дно океана, они, как крошечные магнитики, ориентируются вдоль магнитных меридианов. Степень намагниченности осадочных пород указывает на напряженность геомагнитного поля в прошлом. Другим источником данных о палеомагнетизме служат также застывшие лавовые потоки. Лава содержит соединения железа и в раскаленном состоянии сравнительно легко намагничивается. А затем, остывая, она сохраняет на долгое время свою «магнитную память» . Изучая древнюю намагниченность горных пород, ученые научились определять характеристики магнитного поля в прошлом. 181

1. Палеомагнитологи обнаружили, что за последние 8000 лет магнитное поле Земли изменялось периодически, со средним периодом 1200— 1500 лет. Максимальной напряженности оно достигло в начале нашей эры. 2. Если верить палеомагнитным измерениям, то магнитные полюсы Земли непрерывно странствуют. Судя по данным, полученным в Африке, около 570 млн. лет назад северный геомагнитный полюс находился вблизи экватора, а затем постепенно переместился на север, к своему теперешнему местоположению. 3. Более того, магнитное поле Земли, многократно испытывало «переполюсовку» или инверсию. Говоря яснее, магнитные полюсы менялись ролями — северный становился южным, и наоборот. Это доказано системами линейных знакопеременных магнитных аномалий, параллельных и симметричных осям срединных хребтов, способных фиксировать периодические инверсии магнитного поля Земли. 182

Симметричная система линейных магнитных ано малий (в гаммах) на пересечении через Восточно Тихоокеанское поднятие. Верхний профиль по данным аэро магнитной съемки, нижний – рассчитан по магнито хронологической щкале (дана справа). 1 прямая полярность, 183 2 – обратная

Смещение северного геомагнитного полюса по палеомагнитным данным. 184

На основе идеи спрединга английские геофизики Ф. Вайн и Д. Мэттьюз предложили изящное объяснение полосовых магнитных аномалий океана. К тому времени было установлено, что изменения намагниченности континентальных пород связаны с изменением полярности главного магнитного поля нашей планеты. Оказалось, что за последние несколько миллионов лет магнитные полюса Земли меняли свою полярность свыше 20 раз. Для объяснения природы знакопеременного и симметричного аномального магнитного поля океанского дна Ф. Вайн и Д. Мэтьюз предположили, что магнитные аномалии океана есть не что иное, как запись инверсий магнитного поля Земли в геологическом прошлом на гигантской природной "магнитофонной" ленте океанической коре, которая, застывая в рифтовой трещине, рвется в ней примерно по середине и каждая половина раздвигается в 185 стороны от места своего рождения.

Во время «переполюсовки» , судя по остаткам ископаемых животных и растений, происходили резкие скачки в эволюции биосферы — исчезали одни виды животных, уступая место другим. Возможно, что эти скачки были вызваны временным ослаблением и даже исчезновением (перед очередной инверсией) того магнитного экрана, роль которого выполняет магнитное поле Земли, Когда оно существует и достигает значительной напряженности, магнитосфера становится ловушкой для солнечных корпускул и частиц, образующих космические лучи. Наоборот, во время инверсии, космическая корпускулярная радиация беспрепятственно достигает Земли и, возможно, губительно действует на генетический аппарат живых 186 организмов, что ведет к их вырождению.

Мы живем «прикрытые» магнитосферой и радиационными поясами Земли. Но, как показывают измерения, за последние полтора века магнитное поле Земли стало заметно слабее. Если этот процесс будет продолжаться, то примерно через 2000 лет геомагнитное поле и вовсе исчезнет. Может быть, скоро наступит очередная инверсия геомагнитного поля, грозящая земной биосфере какими то катаклизмами? Поставить такой вопрос, конечно, легче, чем дать на него определенный ответ: наши сведения по палеомагнетизму пока очень скудны. Возможно, вековые что колебания магнитного поля Земли вызываются наряду с процессами, происходящими в земном ядре, и внешними космическими причинами, например колебаниями солнечной активности. 187

188

189

Динамика параметров орбиты 190

Моделирование температуры Варшавы 191

192

Возникновение жизни на Земле РЕДактировать стр 50 51 Д Д и позже Неблагоприятные условия для возникновения и развития жизни на Земле продолжались до тех пор, пока примерно (3, 8 3, 7) 109 лет назад начал действовать процесс дегазации земного вещества. На самых ранних этапах дегазации Земли большая часть попадавшей на ее поверхность воды и других элементоорганических соединений поглощалась реголитом первозданного грунта молодой Земли. Связано это с тем, что первозданный реголит и первичные вулканические пеплы молодой Земли содержали еще в изобилии в свободном состоянии хром, железо, кобальт, никель, свинец, платину и некоторые другие переходные металлы, обладающие наиболее активными каталитическими свойствами по отношению к синтезу органических соединений. 193

и способность реголита, по видимому, могли обеспечивать наиболее благоприятные условия для формирования сложных органических соединений и зарождения жизни. Поэтому есть основания предполагать, что первая жизнь на Земле зародилась в пропитанном водой и элементоорганическими соединениями первозданном (вулканическом) грунте на рубеже катархея и раннего архея, где то около (4, 0 3, 9) 109 лет назад. По мере дегазации Земли и развития гидросферы возникшие в грунте наиболее примитивные формы жизни, вероятно, еще в виде простых ассоциаций сложных органических молекул или примитивных, но уже содержащих рибонуклеиновые кислоты образований, могли переместиться в воду молодых морских бассейнов раннего архея. ). 194

Дальнейшее совершенствование жизни должно было происходить уже по биологическим законам развития живой материи под влиянием направленного давления и "фильтрующих" свойств внешней среды. В результате еще в раннем архее, вероятно, появились наиболее примитивные одноклеточные организмы и водоросли прокариоты, уже ограниченные от внешней среды защитными полупроницаемыми мембранами, но еще не обладавшие обособленным ядром. По видимому, тогда же появились и фотосинтезирующие одноклеточные микроорганизмы или водоросли, способные окислять железо. Об этом, в частности, говорит распространенность в отложениях раннего архея (около 3, 8 109 лет) железорудных формаций, сложенных окислами трехвалентного железа (например, формация Исуа в Западной Гренландии) 193

«Двоюродная прапрабабушка человека» 194

Катастрофа «расширяющейся Земли» • Сорохтин 148