Земля, ее строение и состав

Строение Земли

Земля — третья от Солнца планета, обладает атмосферой кислородазотного состава. Диаметр ее — 12,74 тыс. км, площадь — 510 млрд км², объем — 1,083 млрд км³, масса — 5,98 • 10²⁴ кг, плотность — 5,52 г/см³. Земля имеет спутник — Луну, который вызывает приливы и отливы в водной и каменной оболочках планеты. Первоначально считалось, что Земля имеет шарообразную форму, предположенную Пифагором (571—497 гг. до н. э.). Научные доказательства такой формы были приведены позже Аристотелем (392—384 гг. до н. э.) по наблюдениям за лунными затмениями. В XVIII в. И. Ньютон рассчитал, что вращение Земли обусловливает отклонение ее формы от точного шара и придает ей некоторую сплюснутость у полюсов. Он определил ее форму как эллипсоид вращения, сжатый у полюсов. Полярный радиус Земли равен 6356 км, экваториальный — 6377 км, разница составляет 21 км. Такой эллипсоид, правильнее называемый сфероидом, должен быть сложен однородным по плотности материалом, что для Земли является неверным. Земля имеет неравномерное распределение масс по плотности, что создает неодинаковый наклон вектора силы тяжести и соответственно неровную, подчиняющуюся этому вектору поверхность. Такую, очень сложную поверхность Земли, называют геоидом. Условно за поверхность геоида (т. е. поверхность Земли) принимается поверхность, образуемая в морях и океанах поверхностью спокойной воды, а на континентах уровнем воды в воображаемых каналах, соединяющих эти водоемы. Эта уровенная воображаемая поверхность не совпадает ни с рельефом Земли, ни с поверхностью сфероида.

Земной шар состоит из оболочек, концентрически окружающих друг друга. Различают внешние и внутренние оболочки. К внешним относятся атмосфера, гидросфера и биосфера, к внутренним — земная кора, мантия и ядро. В стратосфере на высоте 20—50 км выделяют озоновый слой (озоносфера), состоящий из разобщенных молекул озона. Если уплотнить все молекулы озона в один слоек, толщина его будет составлять 3—4мм. Озон предохраняет все живое на Земле от ультрафиолетового излучения Солнца.

Атмосфера — воздушная оболочка Земли, подразделяется на тропосферу (высота до 10—17 км), стратосферу (высота до 80—100 км) ю и ионосферу (выше 100 км). Атмосфера имеет в основном азотно-кислородный состав, другими ее компонентами являются аргон и углекислый газ. Тропосфера — это нижняя часть атмосферы с высоким содержанием паров воды (рис. 1.1.). Для нее характерны непрерывные вертикальные и горизонтальные движения с меняющимися скоростями и температурой. Роль ее заключается в том, что это своеобразный генератор экзогенных сил, воздействующих на литосферу.

Рис. 7.7. Внешние и внутренние оболочки Земли (по Н. В. Короновскому.

с изменениями, 2002).

Гидросфера — водная оболочка Земли. Большая часть воды Земли сосредоточена в Мировом океане (86,5%). Верхняя граница гидросферы определяется уровнем поверхности океана, нижняя довольно неопределенная, соответствует в земной коре температурному уровню 375 °C, при котором вода находится в состоянии пара.

Биосфера — живая оболочка Земли, представляет собой пространство, в котором существуют живые зоои фитоорганизмы.

Земная кора — верхняя каменная оболочка Земли, сложена магматическими, метаморфическими и осадочными породами. Земная кора — это наиболее активный слой Земли — сфера магматических и тектонических процессов, она имеет неоднородное как по вертикали, так и по горизонтали строение. По мощности и составу выделяют два типа земной коры: континентальную и океаническую. Континентальная кора характеризуется наибольшей мощностью и состоит из трех слоев: осадочного, гранитного и базальтового, мощность ее составляет 30—70 км. Океаническая кора имеет также три слоя: осадочный, базальтовый и габбро-серпентинитовый, общая их мощность составляет 5—15 км.

Мантия — самая крупная оболочка Земли, делится на верхнюю и нижнюю. Верхняя отличается сейсмической неоднородностью, считается, что она сложена Fe-Mg силикатными минералами: оливином, пироксеном, гранатом, встречаемыми в ксенолитах кимберлитовых трубок. Нижняя мантия, более однородная, соответствует составу кварца. Раздел между земной корой и мантией определяется как граница Мохоровичича (Мохо), где Т = 1000 °C, Р = 1,3 ГПа.

Земная кора и верхняя часть верхней мантии (до глубины 200— 400 км) составляют литосферу.

По существующим представлениям верхняя мантия, особенно ее верхняя часть, способна к вязкому или пластическому движению. Этот слой мантии, подстилающий литосферу, называется астеносферой. Упомянутые движения считаются причиной горизонтальных и вертикальных перемещений протяженных участков земной коры. Поднятия астеносферы образуют астеносферные диапиры.

Ядро — самая плотная оболочка Земли, разделяется на внутреннее и внешнее ядра. Полагают, что внешнее ядро находится в состоянии, близком к жидкому, внутреннее — твердое. Считается, что все ядро имеет Fe-Ni состав, близкий к составу метеоритов. Раздел между мантией и ядром называется границей Вихерта — Гутенберга, где Т = 3000 °C, Р = 140 ГПа.

Земля обладает тепловым, магнитным и гравитационным полями.

Тепловое поле имеет сложное строение, оно разделяется на поверхностную и глубинную составляющие. Поверхностная составляющая образована излучением Солнца, которое за 1 с излучает 10²⁶ калорий тепла. Доля этого излучения, падающего на Землю, невелика и составляет 0,5 миллиардную часть лучистой энергии Солнца (5 • 10¹⁷ кал), из которой треть отражается атмосферой и поверхностью Земли. Надо сказать, что солнечное тепло проникает в недра Земли на незначительную глубину, измеряемую метрами. Поэтому солнечная энергия является главной движущей силой для геологических процессов, совершающихся на поверхности Земли, так называемых экзогенных процессов.

Глубинное тепловое поле связано с источниками ее внутренней энергии, основным из которых является радиоактивный распад элементов: урана, тория, радиоактивного изотопа калия. Наибольшее содержание этих элементов приходится на породы гранитного слоя земной коры; с глубиной количество их уменьшается. В мантии и ядре их совсем мало. Земная кора по температурным условиям делится на две зоны: верхнюю, где сказывается действие солнечного тепла, и нижнюю, где температурный режим определяется глубинным тепловым потоком. Граница, разделяющая эти две зоны, носит название пояса постоянной температуры. Глубина ее небольшая, от нескольких метров до первых десятков метров. Ниже пояса постоянной температуры идет прогрессивный разогрев недр земной коры, который зависит от восходящего теплового потока и теплопроводности пород. Поэтому различные районы Земли характеризуются разной скоростью увеличения температуры. Эта скорость измеряется значением геотермического градиента — повышение температуры в градусах на каждые 100 м глубины. Среднее значение геотермического градиента для верхней части земной коры составляет 3 °C на 100 м, а в целом колеблется от 1 до 10 °C.

Магнитное поле Земли проявляется в атмосфере, на поверхности и в недрах Земли, интенсивность его невелика, не более 1 эрстеда. По форме силовых линий внешнее магнитное поле Земли близко к полю так называемого диполя — элементарного очень малого магнита, мысленно помещенного в центр Земли, но смещенного относительно геометрического центра планеты в восточное полушарие на 430 км. Ось этого диполя отклонена от оси вращения Земли на 11°26', в связи с чем магнитные полюса не совпадают с географическими. Соответственно угол между магнитным и географическим меридианами называется склонением, которое бывает восточным и западным и по величине не более 20°. Определяют еще наклонение — это угол наклона магнитной стрелки к горизонту. Точки земной поверхности, где наклонение равно 90°, называют магнитными полюсами. Линия, на которой наклонение равно 0, называется магнитным экватором. Она не совпадает с географическим экватором.

Гравитационное поле или поле силы тяжести обусловлено массой Земли, измеряется сила тяжести в галлах. Среднее значение силы тяжести на поверхности Земли — 981 галл.