Планета Земля и науки о Земле 1

Планета Земля и науки о Земле

1. Концепции возникновения Земли. 2. Физические характеристики тела Земли и её оболочек. 3. Структура атмосферы Земли и факторы её изменяющие. 4. Физико-химическая эволюция Земли и техтоника литосферных плит. Теория Вегенера. 5. Климат, цикличность изменений, эволюция. 6. Науки о Земле. 7. Этапы заселения Земли. Геологическая шкала.

Климат Парниковый эффект География Геология Конвекция Пангея Геохимия Гидрология Гляциология Тектоника литосферных плит Атмосфера

1. Бабушкин В. И. Концепции современного естествознания. М. 2006 2. Горелов А. А. Концепции современного естествознания. М. Высшее образование 2006 3. Дубнищева Т. Я. Концепции современного естествознания. М. 2006 4. Найдыш В. М. Концепции современного естествознания. М. 2004 5. Карпенков С. Х. Концепции современного естествознания. М. 2006

1. Концепции возникновения Земли ● Мифологические концепции: Общая идея мифологического мышления заключается в том, что Мир в целом и Земля, в частности, сотворены из хаоса, крутящихся вихрей материи. - В индийской мифологии – Земля создается из расколовшегося яйца, плававшего в безднах Мирового Океана (Миф «Творение» ). - В греческой мифологии – из яйца птицы Феникс, в недрах которого находились «семена всех вещей» (Гесиод). - В скандинавской мифологии – «Старшая Эдда» . Земля возникла, когда не было времени, ночи, дня, Солнца, Луны, из холодных крутящихся вихрей пыли и камней. ● Религиозные концепции: Мир и Земля сотворены Богом в акте творения (Иудаизм, Христианство, Ислам) за шесть дней (Ветхий Завет, Тора, Коран).

● Научные концепции: - Гипотеза Канта-Лапласа: планетарная система Солнца образовалась в результате действия сил притяжения и отталкивания между частицами рассеянной материи, находящейся во вращательном движении вокруг Солнца. - Гипотеза Дж. Джинса: когда-то Солнце столкнулось с другой звездой, в результате чего из него была вырвана струя газа, которая, сгущаясь, преобразовалась в планеты. - Гипотезы Х. Альвена и Ф. Хойла: авторы предположили, что электромагнитные силы сыграли решающую роль при зарождении Солнечной системы и Земли, ионизируя частицы вещества и стягивая их в некую целостность. - Гипотеза О. Шмидта представила идею формирования Солнечной системы из холодной газово-пылевой туманности.

- Гипотеза В. Амбарцумяна представляет процесс формирования звёзд и планетных систем из сверхплотного вещества, находящегося в ядрах галактик, путём его фрагментации. Человечество веками пыталось понять, как выглядит Земля, определить ее возраст. В начале XVII века Джеймс Ашер «вычислил» дату сотворения Мира по Библии – 4004 г. до н. э. Ашер ошибся более, чем в миллион раз. Возраст Земли почти равен возрасту Солнца – 4, 5 млрд. лет. Возраст Земли так велик, что его трудно себе представить. Но если предположить, что нашей планете всего один год, то человечество просуществовало пока всего менее пяти часов.

2. Физические характеристики тела Земли и её оболочек Земля – третья от Солнца планета Солнечной системы, самая большая из 4 -х внутренних планет. ● По своей форме Земля отличается от шара, скорее напоминая эллипсоид вращения – сплюснутый сфероид. Полярный радиус Земли равен 6. 356. 755 м. ● Земной экватор можно с достаточной точностью считать окружностью, с радиусом, равным 6. 378. 140 м. Таким образом, экваториальный радиус Земли больше полярного на 21 км 385 м. Это и есть сжатие фигуры Земли, равное 1/298, 26 км.

● Общая площадь поверхности Земли более 510 млн. м 2 Большую часть занимает мировой океан – 71%, ● Суша составляет 149 млн. м 2 (29%), и образует шесть материков и острова. Она поднимается над уровнем мирового океана в среднем на 875 метров (наибольшая высота 8. 848 метров – г. Джомолунгма). ● Горы занимают 30% суши. Пустыни – 20%. ● Саванны и редколесья – около 20%. Леса – около 30%. ● Ледники – 10%. ● Средняя глубина океана около 3800 метров, наибольшая – 11022 метра (Марианский желоб в Тихом океане).

● Среднее расстояние Земли от Солнца 149, 6 млн км. ● Скорость обращения Земли по эллиптической орбите вокруг Солнца равна – 29, 765 км/с. ● Масса Земли 5, 976* кг. ● Период обращения по орбите (год) – 365, 24219 суток. ● Длина суток – 23 часа 56 минут 4, 1 секунды. ● Температура поверхности от 0˚ до +15°. ● Объём Земли – 1, 083* м 3.

Внутреннее строение Земли ●Земля имеет слоистое строение. Внешний тонкий слой земной коры покоится на подстилающей поверхности и как бы плавает на ней. ●Под внешними слоями находится толстый слой, называемый мантией Земли. ●Мантия это силикатная оболочка Земли, сложенная преимущественно перидотитами – породами , состоящими из силикатов магния, железа, кальция и др. ●Мантия простирается вглубь до половины радиуса Земли и имеет среднюю плотность вещества около 5 г/ см 3, составляя 80% массы Земли.

● Ещё глубже расположено внешнее ядро Земли, с плотностью вещества около 10 г/ см 3. Оно жидкое, температура 5000 К. ● Внутреннее ядро имеет плотность вещества ещё выше (около 15 г/ см 3). Радиус внутреннего ядра около 1280 км. Считается, что вещество во внутреннем ядре Земли находится в твёрдом состоянии и состоит из железо – никелевого сплава с примесью других сидерофильных элементов.

Магнитное поле Земли Основная часть магнитного поля Земли создается источниками, расположенными внутри Земли. Магнитный полюс Земли, к которому притягивается северный конец стрелки компаса, не совпадает с Северным географическим полюсом, а находится в пункте с координатами приблизительно 76˚ с. ш. 101˚ з. д. Магнитный полюс, расположенный в южном полушарии Земли, имеет координаты 66˚ ю. ш. и 140˚ в. д. (в Антарктиде). Таким образом, ось магнитного поля не проходит через центр Земли, а отстает от него на 430 км. Следовательно, магнитное поле Земли нессиметрично. Под действием исходящего от Солнца течения плазмы (солнечного ветра) магнитное поле Земли искажается и приобретает «шлейф» в направлении Солнца, который простирается на сотни тысяч километров.

3. Структура атмосферы Земли и факторы её изменяющие ● Атмосфера – смесь различных газов, окружающих Землю. Эти газы обеспечивают жизнь всем живым организмам. Атмосфера состоит из смеси 10 различных газов: - азота - 78% - кислорода – 21% - аргона, - углекислого газа, - гелия, - неона, - озона, - аммиака, - двуокиси серы, - угарного газа – 1 % ● В атмосфере содержатся частицы дыма, вулканический пепел, соль, пыль.

Атмосфера:

Факторы изменяющие атмосферу Земли. Атмосфера сохраняла естественное равновесие в течение сотен тысяч лет. Однако теперь этому источнику жизни и защиты серьёзно угрожают последствия интенсивной деятельности человека: - парниковый эффект, - глобальное потепление климата, - загрязнение воздуха, - разрушение озонового слоя, - кислотные дожди. В результате развития всемирной индустриализации за последние 200 лет нарушился газовый баланс атмосферы. Сжигание ископаемых видов топлива привело к колоссальным выбросам двуокиси углерода и других газов, особенно после появления автомобилей в конце XX века.

Парниковый эффект возникает как результат: ● уменьшения поглотительной способности «зеленого пояса Земли» ; ● поступающих в атмосферу газов, способных задерживать тепло от солнечных лучей, не пропуская их обратно в Космос; ● увеличения в парниковых газах огромного количества углекислого газа вследствие сжигания горючих ископаемых и др. За минувшие столетия температура на планете увеличилась на +0, 5˚С. Ученые прогнозируют дальнейшее потепление в XXI веке примерно еще на +4, 5˚С.

Озоновые дыры ● Тревогу вызывает возросшее количество людей, страдающих от рака кожи. Это, как правило, результат интенсивного воздействия ультрафиолетовых лучей, проникающих через разрушенный озоновый слой, который защищает нас путём поглощения именно ультрафиолетовых солнечных лучей. ● Применение хлор- и фторсодержащих углеводородов, используемых в аэрозольных баллончиках, холодильниках, многих видах бытовой химии и т. д. привело к тому, что по мере подъёма вверх эти газы распадаются и образуют хлор, который разрушает озон.

● Снимки со спутника, показывающие увеличение размеров дыр в озоновом слое за период 2001 – 2003 г. XXI века.

Кислотные дожди Кислотный дождь (включающий серную и азотную кислоту) образуется в результате реакции сернистого ангидрида и окислов азота с водяными парами в атмосфере. В местах выпадения кислотных дождей погибают растения и животные. Известны случаи, когда кислотные дожди уничтожали целые леса. Более того, кислотные дожди попадают в озёра и реки, распространяя своё пагубное влияние на большие площади, убивая даже мельчайшие формы жизни.

4. Физико-химическая эволюция Земли. Техтоника литосферных плит. Теория Вегенера. ● К XIX в. в науке сложилось два взгляда на историю формирования тела Земли: теория катастроф (Кювье) и теория униформизма (Лайель). ● Общим мнением этих теорий была мысль о стабильности и неизменности внешнего вида Земли, неподвижности ее континентов. ● Землетрясения, вулканическая деятельность, засухи и т. д. воспринимались как «кара свыше» за грехи человеческие, но не как естественный результат жизнедеятельности Земли, или последствия неправильного использования человеком природных ресурсов планеты и ее географического пространства. ● Люди, называя себя землянами, рассматривали планету только как место своего рождения, жизни, как то, что по праву называют Отечеством, Родиной, но не как физический объект, имеющий космическую историю и логику развития, свое настоящее и будущее.

В 1908 г. геофизик Д. Джоли сделал сенсационный доклад о геологической истории Земли и роли радиоактивных атомов в космической эволюции планеты. Джоли заявил, что тепла, испускаемого радиоактивными элементами в недрах планеты достаточно, чтобы объяснить существование: • расплавленной магмы; • извержений вулканов; • землетрясений и горообразования; • рождение и исчезновение суши в океанических водах; • образование атмосферы и мирового океана.

Реконструкция физико-химической эволюции Земли и формирование тектонических процессов • Первоначально планета была раскаленным физическим телом с температурой 8000 – 4000 К и неустойчивым гравитационным полем

• Формирование первичной поверхности Земли и ее • • внутренней структуры началось 0, 5 млрд лет после возникновения Солнца Вследствие вращения Земли ее температура резко снижалась, при этом атомы тяжелых элементов перемещались к центру, а в поверхностных слоях планеты концентрировались атомы легких элементов – H, O, Ne, C – из которых впоследствии и сложились тела живых организмов При дальнейшем охлаждении Земли появились первые химические соединения: вода, двуокись углерода, аммиак, цианистый водород и т. д.

• В период от 4, 5 млрд лет до 3, 9 млрд лет шел интенсивный процесс формирование первичной атмосферы, первичной гидросферы, первичной литосферы и земной коры. üПервичная атмосфера Земли носила восстановительный характер и была насыщена He, Ar, Ne. Сегодня она утрачена, на ее месте сформировалась вторая атмосфера Земли, состоящая на 20% из кислорода, как следствие развития органической материи.

Первичная земная кора. Снижение температуры обусловило переход газообразных веществ в жидкое и твердое состояние, что способствовало формированию коры Земли. Падение космических тел на поверхность земной коры вплавляло их в тело Земли.

üПервичная гидросфера. При температуре 100˚С происходит сгущение водяных паров в атмосфере. Ливни, грозы привели к образованию водоемов – первичной гидросферы Земли, перенасыщенной солями, углеводородами, аммиаком, углекислым газом и т. д.

• • Вулканическая деятельность выносила на поверхность планеты карбиды, соединения металлов с углеродом. При соединении карбидов с водой в атмосферу выделялись углеводородные соединения. Возникали группы молекул – N = C = N – способные присоединять к атому углерода атом кислорода и реагировать на азотистые основания.

• Таким образом, на поверхности планеты стали накапливаться простейшие органические соединения, ставшие основой формирования еще одной оболочки Земли – биосферы.

Откуда берутся энергетические источники разогрева недр Земли. По мнению Д. Джоли, это результаты радиактивного распада элементов и выделения гравитационной потенциальной энергии при аккрекции и конвекции – перераспределения фрагментов мантии по глубине в соответствии с их массой. Эти процессы вызывают перемещение участков земной коры, ее деформацию, горообразование, тектонические и вулканические процессы.

● ● Для объяснения механизмов и последовательности тектонических процессов А. Вегенером была предложена гипотеза горизонтального дрейфа континентов Факты, предложенные для обоснования гипотезы: Сходство очертаний берегов Атлантического океана, особенно в южном полушарии (у Ю. Америки и Африки). Сходство геологического строения континентов (совпадение некоторых региональных тектонических простираний, сходство в составе и возрасте пород и др. ). Многие животные и растения, имея ограниченные ареалы расселения по обе стороны Атлантического океана. но они очень схожи, хотя разделены многокилометровым водным пространством, и трудно предположить, что они пересекли Океан.

• По представлениям Вегенера в период Карбон 250 млн. лет тому назад современные континенты представляли собой один суперконтинент - Пангею. • В Мезозое началось дробление этого суперконтинента и перемещение отдельных континентальных глыб в направлении их современного положения (или их дрейф).

Процесс расщепления Пангеи

§ Недостатком гипотезы А. Вегенера был её описательный характер и отсутствие физического обоснования. Гипотезу отвергли, но накопление новых фактов при изучении океанической коры заставило вновь обратиться к идеям мобилизма. § Что нового установили геофизики при изучении ложа Мирового океана? Это наличие: - Системы срединно-океанических хребтов. - Раздвигание океанской коры в стороны от этих хребтов. - Линейное расположение зон вулканизма и землетрясений. - Наличие в зонах срединно-океанических хребтов тепловых потоков. - Полосовое размещение знакопеременных магнитных аномалий относительно срединно-океанических хребтов. § Эти и другие факты позволили модернизировать гипотезу дрейфа континентов в гипотезу тектоники литосферных плит.

Литосферные плиты Земли • Современные исследования геофизиками ложа Мирового Океана показывают, что более 90 % поверхности Земли покрыто 8 крупнейшими литосферными плитами: - Австралийская плита - Антарктическая плита - Африканская плита - Евразийская плита - Индостанская плита - Тихоокеанская плита - Северо-Американская плита - Южно-Американская плита

Современная карта литосферных плит

• • • Из анализа перемещений континентов было сделано эмпирическое наблюдение, что континенты каждые 400 -600 млн. лет собираются в огромный материк, содержащий в себе почти всю континентальную кору - суперконтинент. Современные континенты образовались 200 -150 млн. лет назад, сейчас они находятся на этапе почти максимального разъединения. Однако океанологи фиксируют расширение Атлантического океана и закрытие Тихого океана. Индостан движется на север и «наезжает» на Евразийскую плиту, но, видимо, ресурс этого движения почти исчерпан. В скором геологическом времени в Индийском океане возникнет новая зона субдукции, в которой океаническая кора Индийского океана будет поглощаться под Индийский континент.

Расположение материков в будущем. • На рисунке представлено изменение положения материков в • течение 150 млн. лет. При сохранении современного движения континентов следующий суперконтинент возникнет около 300 миллионов лет в будущем.

5. Климат, цикличность изменений, эволюция • Уже в Древнем мире (Египте, Вавилоне и т. д. ) знали, что температура и погодные условия на Земле зависят от угла наклона солнечных лучей к земной поверхности. Угол наклона (климат) зависит: - от широты местности - времени года - времени суток • В старинный хрониках (летописях, мифах, религиозных источниках) зафиксированы свидетельства неоднократного изменения климата на всей планете. Это подтверждают и данные географии, геофизики, геохимии, палеонтологии и других наук. - Когда-то Антарктида была зеленым континентом. - Вечная мерзлота образовалась около 100 тыс. лет тому назад после Великого обледенения. - Полюса Земли неоднократно менялись, вызывая глобальные изменения внешнего лика планеты (таяние льдов, изменение флоры и фауны) • К факторам, изменяющим климат планеты, относят деятельность человека особенно после начала промышленной революции в конце XVIII века.

• В основе изменения климата лежит изменение угла наклона земной оси к плоскости орбиты ее вращения вокруг Солнца. • Земная ось наклонена примерно под углом 23˚ к плоскости собственной орбиты. • Известно, что этот угол меняется вследствие прецессии – медленного движения оси вращения Земли по круговому конусу. • Чем больше угол наклона Земли, тем более резкие различия наступают между летним и зимним сезонами.

6. Науки о Земле ● География одна из самых древних наук, когда – либо созданных человеком. Она занималась описанием поверхности Земли – т. е. развивалась как физическая география. Сегодня это уже конструктивная наука – о способах и путях преобразования лика Земли. ● В XXI в высокого уровня развития достигли: § Геология – наука, изучающая строение и эволюцию Земли. § Геофизика, изучающая физические процессы, происходящие в недрах и на поверхности Земли. § Геохимия, изучающая геохимические процессы, происходящие в недрах и на поверхности Земли. § Биогеохимия, изучающая влияние живого вещества на распространение химических элементов на Земле. § Геоморфология – наука о рельефе. § Гидрология – наука о гидросфере. § Гидрогеология – наука о подземных водах. § Гляциология – наука о льдах и т. д.

• • 7. Этапы заселения Земли ● Около 570 млн лет тому назад на Земле началось бурное развитие жизни. Около 400 млн лет тому назад в атмосфере уже было достаточно кислорода для роста растений на суше, а за последующие 50 млн лет появились и начали эволюционировать наземные животные. Геологи делят историю последних 570 млн. лет на ряд периодов. Самый ранний из них кембрийский. Геологическое время с начала кембрия до нынешнего четвертичного периода известно как фанерозойский эон. Остальная часть истории Земли обычно объединяется под общим названием докембрий. Если представить себе, что Земля существует один год, то самые ранние формы жизни появились в начале мая, а кембрийский период начался в ноябре. Первые люди возникли около 7 часов вечера 31 декабря, а современный человек сформировался приблизительно за 5 минут до полуночи.

Геологическая шкала заселения Земли