VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015

Земля — третья от Солнца планета. Пятая по размеру среди всех планет Солнечной системы. Она является также крупнейшей по диаметру, массе и плотности среди планет земной группы. Средний радиус Земли 6371 км, полярный – 6356 км, экваториальный – 6378 км. Масса Земли 5,976·10²⁴ кг, средняя плотность 5518 кг/м³. Площадь поверхности Земли 510,2 млн. км² [1].

Иногда упоминается как Мир, Голубая планета, иногда Терра (от лат. Terra). Единственное известное человеку на данный момент тело Солнечной системы в частности и Вселенной вообще, населённое живыми организмами. Миром в узком смысле (в отличие от вселенной) называется планета Земля с антропоцентрической, человеческой точки зрения, как сообщество людей («страны мира», «карта мира»). Это название используется для описания человеческой истории и опыта («всемирная история», «крупнейший в мире»), в то время как название «Земля» используется в физическом смысле и для отличия от других планет. Планет Земля называется голубой из-за больших водных пространств и/или оттенка атмосферы [1].

Приблизительно 70,8 % поверхности планеты занимает Мировой океан, остальную часть поверхности занимают континенты и острова. На материках расположены реки, озёра, подземные воды и льды, вместе с Мировым океаном они составляют гидросферу. Жидкая вода, необходимая для всех известных жизненных форм, не существует на поверхности какой-либо из известных планет и планетоидов Солнечной системы, кроме Земли. Полюсы Земли покрыты ледяным панцирем, который включает в себя морской лёд Арктики и антарктический ледяной щит [1].

Планета является домом для миллионов видов живых существ, включая человека. Территория Земли разделена на 195 независимых государств, которые взаимодействуют между собой путём дипломатических отношений, путешествий, торговли или военных действий [1].

Спутник Земли

Луна — относительно большой планетоподобный спутник с диаметром, равным четверти земного. Это самый большой, по отношению к размерам своей планеты, спутник Солнечной системы. По названию земной Луны, естественные спутники других планет также называются «лунами» (рис. 1).

Гравитационное притяжение между Землёй и Луной является причиной земных приливов и отливов. Аналогичный эффект на Луне проявляется в том, что она постоянно обращена к Земле одной и той же стороной (период оборота Луны вокруг своей оси равен периоду её оборота вокруг Земли; см. также приливное ускорение Луны). Это называется приливной синхронизацией. Во время обращения Луны вокруг Земли Солнце освещает различные участки поверхности спутника, что проявляется в явлении лунных фаз: тёмная часть поверхности отделяется от светлой терминатором [2].

Из-за приливной синхронизации Луна удаляется от Земли примерно на 38 мм в год. Через миллионы лет это крошечное изменение, а также увеличение земного дня на 23 мкс в год, приведут к значительным изменениям. Так, например, в девоне (примерно 410 млн лет назад) в году было 400 дней, а сутки длились 21,8 часа [2].

Луна может существенно повлиять на развитие жизни путём изменения климата на планете. Палеонтологические находки и компьютерные модели показывают, что наклон земной оси стабилизируется приливной синхронизацией Земли с Луной. Если бы ось вращения Земли приблизилась к плоскости эклиптики, то в результате климат на планете стал бы чрезвычайно суровым. Один из полюсов был бы направлен прямо на Солнце, а другой — в противоположную сторону, и по мере обращения Земли вокруг Солнца они менялись бы местами. Полюсы были бы направлены прямо на Солнце летом и зимой. Планетологи, изучавшие такую ситуацию, утверждают, что, в таком случае на Земле вымерли бы все крупные животные и высшие растения [2].

Видимый с Земли угловой размер Луны очень близок к видимому размеру Солнца. Угловые размеры (и телесный угол) этих двух небесных тел схожи, потому что хоть диаметр Солнца и больше лунного в 400 раз, оно находится в 400 раз дальше от Земли. Благодаря этому обстоятельству и наличию значительного эксцентриситета орбиты Луны, на Земле могут наблюдаться как полные, так и кольцеобразные затмения [2].

Наиболее распространённая гипотеза происхождения Луны, гипотеза гигантского столкновения, утверждает, что Луна образовалась в результате столкновения протопланеты Теи (размером примерно с Марс) с прото-Землёй. Это, среди прочего, объясняет причины сходства и различия состава лунного грунта и земного [2].

В настоящее время у Земли нет других естественных спутников, кроме Луны, однако есть по крайней мере два естественных соорбитальных спутника —это астероиды 3753 Круитни, 2002 AA₂₉ и множество искусственных [2].

.

Строение Земли

Земля относится к планетам земной группы, и, в отличие от газовых гигантов, таких как Юпитер, имеет твёрдую поверхность. Это крупнейшая из четырёх планет земной группы в Солнечной системе, как по размеру, так и по массе. Кроме того, Земля среди этих четырёх планет имеет наибольшие плотность, поверхностную гравитацию и магнитное поле. Это единственная известная планета с активной тектоникой плит [3].

Недра Земли делятся на слои по химическим и физическим (реологическим) свойствам, но в отличие от других планет земной группы, Земля имеет ярко выраженное внешнее и внутреннее ядро​​. Наружный слой Земли представляет собой твёрдую оболочку, состоящую главным образом из силикатов. От мантии она отделена границей с резким увеличением скоростей продольных сейсмических волн — поверхностью Мохоровичича. Твёрдая кора и вязкая верхняя часть мантии составляют литосферу. Под литосферой находится астеносфера, слой относительно низкой вязкости, твёрдости и прочности в верхней мантии [3].

Значительные изменения кристаллической структуры мантии происходят на глубине 410—660 км ниже поверхности, охватывающей переходную зону (en:Transition zone (Earth)), которая отделяет верхнюю и нижнюю мантию. Под мантией находится жидкий слой, состоящий из расплавленного железа с примесями никеля, серы и кремния — ядро​​ Земли. Сейсмические измерения показывают, что оно состоит из 2 частей: твёрдого внутреннего ядра с радиусом ~1220 км и жидкого внешнего ядра, с радиусом ~ 2250 км [3].

Форма

Форма Земли (геоид) близка к сплюснутому эллипсоиду. Расхождение геоида с аппроксимирующим его эллипсоидом достигает 100 метров. Средний диаметр планеты составляет примерно 12 742 км, а окружность — 40 000 км, поскольку метр в прошлом определялся как 1/10 000 000 расстояния от экватора до северного полюса через Париж (из-за неправильного учёта полюсного сжатия Земли эталон метра 1795 года оказался короче приблизительно на 0,2 мм, отсюда неточность) [3].

Вращение Земли создаёт экваториальную выпуклость, поэтому экваториальный диаметр на 43 км больше, чем полярный. Высочайшей точкой поверхности Земли является гора Эверест (8848 м над уровнем моря), а глубочайшей — Марианская впадина (10 994 м под уровнем моря)^[90]. Из-за выпуклости экватора самыми удалёнными точками поверхности от центра Земли являются вершина вулкана Чимборасо в Эквадоре и гора Уаскаран в Перу [3].

Химический состав

Масса Земли приблизительно равна 5,9736·10²⁴ кг. Общее число атомов, составляющих Землю, ≈ 1,3-1,4·10. Она состоит в основном из железа (32,1 %), кислорода (30,1 %), кремния (15,1 %), магния(13,9 %), серы (2,9 %), никеля (1,8 %), кальция (1,5 %) и алюминия (1,4 %); на остальные элементы приходится 1,2 %. Из-за сегрегации по массе область ядра, предположительно, состоит из железа (88,8 %), небольшого количества никеля (5,8 %), серы (4,5 %) и около 1 % других элементов^[96]. Примечательно, что углерода, являющегося основой жизни, в земной коре всего 0,1 %. (рис. 2).

Геохимик Франк Кларк вычислил, что земная кора чуть более, чем на 47 % состоит из кислорода. Наиболее распространённые породообразующие минералы земной коры практически полностью состоят из оксидов; суммарное содержание хлора, серы и фтора в породах обычно составляет менее 1 %. Основными оксидами являются кремнезём (SiO₂), глинозём (Al₂O₃), оксид железа (FeO), окись кальция (CaO), окись магния (MgO), оксид калия (K₂O) и оксид натрия (Na₂O). Кремнезём служит главным образом кислотной средой, формирует силикаты; природа всех основных вулканических пород связана с ним. Из расчётов, основанных на анализе 1 672 видов пород, Кларк сделал вывод, что 99,22 % из них содержат 11 оксидов (таблица справа). Все прочие компоненты встречаются в очень незначительных количествах. Ниже приводится более подробная информация о химическом составе Земли (для инертных газов данные приведены в 10⁻⁸см³/г; для остальных элементов — в процентах) [4].

Внутреннее строение Земли

Земля, как и другие планеты земной группы, имеет слоистое внутреннее строение. Она состоит из твёрдых силикатных оболочек (коры, крайне вязкой мантии), и металлического ядра. Внешняя часть ядра жидкая (значительно менее вязкая, чем мантия), а внутренняя — твёрдая (рис. 3).

Ядро — центральная часть земного шара. Его радиус приблизительно 3 500 км. Температура внутри ядра очень высока. Считается, что ядро состоит в основном из расплавленного металла, предположительно — железа. Внутреннее ядро — самая глубокая геосфера Земли, имеющая радиус около 1220 км (согласно сейсмологическим исследованиям), что сравнимо с 70% радиуса Луны. Считается, что оно состоит в основном из сплавов железа и никеля, и находится при температурах порядка 4-5 тысяч K [5].

В отличие от жидкого внешнего ядра, находится в твёрдом состоянии. О его существовании известно по преломлению и отражению продольных сейсмических волн. Его масса — 9,675·10²² кг. [6].

Средняя плотность внутреннего ядра 12,85 г/см³. Плотность в центре ядра — 13,1 г/см³.

Мантия — это силикатная оболочка Земли, расположенная между земной корой и ядром Земли.

Мантия составляет 67 % массы Земли и около 83 % её объёма (без учёта атмосферы). Она простирается от границы с земной корой (на глубине 5—70 километров) до границы с ядром на глубине около 2900 км. От земной коры разделена поверхностью Мохоровичича, где скорость сейсмических волн при переходе из коры в мантию быстро увеличивается с 6,7—7,6 до 7,9—8,2 км/с. Мантия занимает огромный диапазон глубин, и с увеличением давления в веществе происходят фазовые переходы, при которых минералы приобретают всё более плотную структуру. Мантия Земли подразделяется на верхнюю мантию и нижнюю мантию. Верхний слой, в свою очередь, подразделяется на субстрат, слой Гутенберга и слой Голицына (средняя мантия) [6].

Согласно современным научным представлениям, состав земной мантии считается похожим на состав каменных метеоритов, в частности хондритов. В состав мантии преимущественно входят химические элементы, находившиеся в твёрдом состоянии или в твёрдых химических соединениях во время формирования Земли: кремний, железо, кислород, магний и др. Эти элементы образуют с диоксидом кремния силикаты. В верхней мантии (субстрате), скорее всего, больше форстерита MgSiO₄, глубже несколько увеличивается содержание фаялита Fe₂SiO₄. В нижней мантии под воздействием очень высокого давления эти минералы разложились на оксиды (SiO₂, MgO, FeO) [5].

Агрегатное состояние мантии обуславливается воздействием температур и сверхвысокого давления. Из-за давления вещество почти всей мантии находится в твёрдом кристаллическом состоянии, несмотря на высокую температуру. Исключение составляет лишь астеносфера, где действие давления оказывается слабее, чем температуры, близкие к точке плавления вещества. Из-за этого эффекта, по-видимому, вещество здесь находится либо в аморфном состоянии, либо в полурасплавленном [5].

Земная кора — это верхняя часть твёрдой Земли. От мантии отделена границей с резким повышением скоростей сейсмических волн — границей Мохоровича. Есть два типа коры — континентальная и океаническая.(рис. 4) Толщина коры колеблется от 6 км под океаном до 30—70 км на континентах. В континентальной коре выделяют три слоя: осадочный чехол, гранитный и базальтовый. Океаническая кора сложена преимущественно породами основного состава, плюс осадочный чехол. Земная кора разделена на различные по величине литосферные плиты, двигающиеся относительно друг друга. Кинематику этих движений описывает тектоника плит [4].

Земная кора под океанами и континентами существенно различается.

Земная кора под континентами обычно имеет толщину 35—45 км, в гористых местностях мощность коры может доходить до 70 км. С глубиной в составе земной коры увеличивается содержание оксидов магния и железа, уменьшается содержание кремнезёма, причём эта тенденция в большей степени имеет место при переходе к верхней мантии (субстрату) (рис. 5).

Верхняя часть континентальной земной коры представляет собой прерывистый слой, состоящий из осадочных и вулканических горных пород. Слои могут быть смяты в складки, смещены по разрыву. На щитах осадочная оболочка отсутствует. Ниже расположен гранитный слой, состоящий из гнейсов и гранитов (скорость продольных волн в этом слое — до 6,4 км/с). Ещё ниже находится базальтовый слой (6,4—7,6 км/с), сложенный метаморфическими горными породами, базальтами. Между этими 2-мя слоями проходит условная граница, называемая поверхностью Конрада. Скорость продольных сейсмических волн при прохождении через эту поверхность скачкообразно увеличивается с 6 до 6,5 км/с [4].

Кора под океанами имеет толщину 5—10 км. Она подразделяется на несколько слоёв. Сначала расположен верхний слой, состоящий из донных осадков, толщиной менее километра. Ниже лежит второй слой, сложенный главным образом из серпентинита, базальта и, вероятно, из прослоев осадков. Скорость продольных сейсмических волн в данном слое доходит до 4—6 км/с, а его толщина 1—2,5 км. Этот слой имеет толщину в среднем около 5 км и скорость прохождения сейсмических волн 6,4—7 км/с [5].

Интересные факты о планете Земля

По многочисленным исследованиям, определено самое жаркое место. Им является Долина смерти, которая находится в американском штате Калифорния. Рекордные показатели температуры были зафиксированы там в 1917 году. Целых 43 дня держалась температура 48,9 градусов (по Цельсию). А вот городку Аль-Азизиа, в Ливии, принадлежит самый высокий показатель температуры воздуха – 57,8 градусов [5].

Самым холодным местом на Земле признан Полюс Недоступности, который находится в Антарктиде. Средняя температура в году там составляет минус 57 градусов.

Удивительный факт: через атмосферу на Землю выпадает около одной тысячи тонн пыли.

Наверное, все жители нашей планеты задумывались над такими интересными фактами о планете Земля, которые бы отображали ее необъятные размеры. Так, например, расстояние от поверхности до центра Земли равно более шести тысячам километрам. Но самое «тонкое» место – в 66 километрах [5].

Воздух, которым дышат люди, всего лишь на 20% состоит из кислорода. Большую часть в нем занимает именно азот.

Гравитация распределяется по поверхности Земли неравномерно. Оказывается, в некоторых местах вы можете почувствовать себя тяжелее, чем в других. Область низкой гравитации наблюдается возле берегов Индии, а относительно высокая гравитация – в южной части Тихого океана. Причина этого неизвестна , так как существующие поверхностные образования не являются доминирующими [6].

Атмосфера «улетучивается». Благодаря тепловой энергии, скорость некоторых молекул, находящихся на внешней границе атмосферы Земли, увеличивается настолько, что они выходят за пределы зоны действия ее гравитации. В результате происходит медленный, но равномерный отток атмосферы в космос. Из-за того, что летучий водород имеет более низкую молекулярную массу, его молекулы легче развивают необходимую скорость, и «утекают» в космос быстрее. Поэтому в настоящее время атмосфера Земли не уменьшается, а окисляется, влияя на химическую природу жизни, сформировавшейся на планете. К тому же, атмосфера, насыщенная кислородом, сохраняет уцелевший водород, заключая его в молекулы воды.

Земля замедляется. Как следствие изменений гравитационных сил, вызванных воздействием луны, Солнца и других планет солнечной системы, смещений материи в различных частях планет и иных влияний, скорость вращения Земли вокруг своей оси различается по времени. В последнее время день сократился на сотые доли секунды, указывая на то, что угловая скорость планеты возросла. Факторы, вызывающие это возрастание, не установлены. По данным о вращении Земли видны колебания в различных временных масштабах. Крупнейшие из них наблюдаются в сезонном масштабе: Земля замедляется в январе и феврале [6].

Луна создает приливы в атмосфере. Луна оказывает приливной эффект не только на океаны, но и на атмосферу. Теоретические знания предсказывают более сильные колебания лунного давления в тропиках, но их амплитуда редко превышает 100 микробар (0,01% от среднего приповерхностного давления). Для обнаружения такого слабого сигнала, замаскированного более сильными колебаниями давления связанными с погодой, потребовалось разработать особые статистические методы и накопить данные по множеству систематических наблюдений. Это нормально для атмосферных волн – увеличивать свою амплитуду с высотой из-за разряженного воздуха. Лунные приливы, однако, слабы по сравнению с солнечными, происходящими в верхних слоях атмосферы [4].

Планете Земля больше четырех с половиной миллиардов лет. И по своему возрасту, она лишь немного уступает Солнцу, которому на десять миллионов лет больше. Именно поэтому так многочисленны удивительные и интересные факты о планете Земля [4].

Рис. 1 Спутник Земли – Луна

Химический элемент	Распространённость в процентах	Химический элемент	Распространённость в процентах
Водород (H)	0,0033	Рутений (Ru)	0,000118
Гелий (4He)	111	Родий (Rh)	0,0000252
Литий (Li)	0,000185	Палладий (Pd)	0,000089
Бериллий (Be)	0,0000045	Серебро (Ag)	0,0000044
Бор (B)	0,00000096	Кадмий (Cd)	0,00000164
Углерод (С)	0,0446	Индий (In)	0,000000214
Азот (N)	0,00041	Олово (Sn)	0,000039
Кислород (O)	30,12	Сурьма (Sb)	0,0000035
Фтор (F)	0,00135	Теллур (Te)	0,000149
Неон (20Ne)	0,50	Иод (I)	0,00000136
Натрий (Na)	0,125	Ксенон (132Xe)	0,0168
Магний (Mg)	13,90	Цезий (Cs)	0,00000153
Алюминий (Al)	1,41	Барий (Ba)	0,0004
Кремний (Si)	15,12	Лантан (La)	0,0000379
Фосфор (P)	0,192	Церий (Ce)	0,000101
Сера (S)	2,92	Празеодим (Pr)	0,0000129
Хлор (Cl)	0,00199	Неодим (Nd)	0,000069
Аргон (36Ar)	2,20	Самарий (Sm)	0,0000208
Калий (K)	0,0135	Европий (Eu)	0,0000079
Кальций (Ca)	1,54	Гадолиний (Gd)	0,0000286
Скандий (Sc)	0,00096	Тербий (Tb)	0,0000054
Титан (Ti)	0,082	Диспрозий (Dy)	0,0000364
Ванадий (V)	0,0082	Гольмий (Ho)	0,000008
Хром (Cr)	0,412	Эрбий (Er)	0,0000231
Марганец (Mn)	0,075	Тулий (Tm)	0,0000035
Железо (Fe)	32,07	Иттербий (Yb)	0,0000229
Кобальт (Co)	0,084	Лютеций (Lu)	0,0000386
Никель (Ni)	1,82	Гафний (Hf)	0,000023
Медь (Cu)	0,0031	Тантал (Ta)	0,00000233
Цинк (Zn)	0,0074	Вольфрам (W)	0,000018
Галлий (Ga)	0,00031	Рений (Re)	0,000006
Германий (Ge)	0,00076	Осмий (Os)	0,000088
Мышьяк (As)	0,00032	Иридий (Ir)	0,000084
Селен (Se)	0,00096	Платина (Pt)	0,000167
Бром (Br)	0,0000106	Золото (Au)	0,0000257
Криптон (84Kr)	0,0236	Ртуть (Hg)	0,00000079
Рубидий (Rb)	0,0000458	Таллий (Tl)	0,000000386
Стронций (Sr)	0,00145	Свинец (204Pb)	0,000000158
Иттрий (Y)	0,000262	Висмут (Bi)	0,000000294
Цирконий (Zr)	0,00072	Торий (Th)	0,00000512
Ниобий (Nb)	0,00008	Уран (U)	0,00000143
Молибден (Mo)	0,000235	Плутоний (Pu)	—

Рис. 2 Химический состав Земли

Рис. 3 Внутреннее строение Земли

Рис. 4 Строение земной коры

Рис. 5 Химический состав земной коры

Список литературы

1. Аки К., Ричардс П. Количественнаясейсмология. – М, 1983.

2. Буллен К. Введение в теоретическуюсейсмологию. — М., 1966.

3. Джеффрис Г. Земля, еепроисхождение, история и строение. – М., 1999.

4. Жарков В.Н. Внутреннее строениеЗемли и планет. — М.,1983.

5. Магницкий В.А. Внутреннее строениеи физика Земли. – М., 2002.

6. Пузырев Н.Н. Методы и объектысейсмических исследований. — Новосибирск, 1997.

Код для цитирования: Скопировать