Земля как одна из планет Солнечной системы на первый взгляд ничем не примечательна. Это не самая большая, но и не самая малая из планет. Она не ближе других к Солнцу, но и не обитает на периферии планетной системы. И всё же Земля обладает одной уникальной особенностью — на ней есть жизнь. Однако при взгляде на Землю из космоса это незаметно. Хорошо видны облака, плавающие в атмосфере. Сквозь просветы в них различимы материки. Большая же часть Земли покрыта океанами.
Появление жизни, живого вещества — биосферы — на нашей планете явилось следствием её эволюции. В свою очередь биосфера оказала значительное влияние на весь дальнейший ход природных процессов. Так, не будь жизни на Земле, химический состав её атмосферы был бы совершенно иным.
Несомненно, всестороннее изучение Земли имеет громадное значение для человечества, но знания о ней служат также своеобразной отправной точкой при изучении остальных планет земной группы.
Земля — третья по удалённости от Солнца планета Солнечной системы, крупнейшая из планет земной группы, в которую входят также Меркурий, Венера и Марс. Согласно современным представлениям, Земля образовалась около 4,5 млрд лет назад вследствие гравитационного сжатия первичного газово-пылевого облака.
Характеристики
Форма: шарообразная, слегка приплюснутая у полюсов (учёные назвали форму геоидом).
Радиус: экваториальный — 6378 км, полярный — 6356 км, средний — 6371 км.Площадь поверхности: 510 млн км².
Длина экватора: около 40 000 км.
Среднее расстояние от Солнца: около 150 млн км.
Период обращения вокруг Солнца: 365 дней.
Орбитальная скорость: около 30 км/с.
Период вращения вокруг своей оси: 24 часа.
Число спутников: 1 (Луна).
Большая часть поверхности: покрыта водой, Мировой океан делится на четыре океана: Тихий, Атлантический, Индийский и Северный Ледовитый.Над водой выступают шесть материков: Евразия, Африка, Северная Америка, Южная Америка, Антарктида и Австралия, а также многочисленные острова.
Внутренне строение Земли
Не просто «заглянуть»в недра Земли. Даже самые глубокие скважины на суше едва преодолевают 10-километровый рубеж.
Кольская экспериментальная опорная сверхглубокая скважина (СГ-3) — самая глубокая горная выработка в мире. Имеет научное значение. Являлась частью системы сверхглубоких скважин в СССР. Расположена в 15 км к востоку от посёлка Никель и 12 км к западу от города Заполярный.
В результате бурения, которое с перерывами велось с 1970 по 1991 год, глубина скважины составила 12 262 метра; диаметр верхней части — 92 см, диаметр нижней части — 21,5 см. После ряда аварий в 1994 году скважина была закрыта.
В 1997 году занесена в Книгу рекордов Гиннесса как самое глубокое вторжение человека в земную кору, и остаётся таковой до сих пор. Была также самой длинной скважиной в мире до 2008 года, когда её обошла пробурённая под острым углом к поверхности земли нефтяная скважина Maersk Oil BD-04A (12 290 м, нефтяной бассейн Аль-Шахин, Катар). В данный момент самой длинной скважиной является пробурённая для добычи нефти на шельфе Сахалина Z-44 Чайво (Россия) — 15 км (рекорд поставлен в 2017 году)
Однако нашёлся другой способ. Как в медицине рентгеновские лучи позволяют увидеть внутренние органы человека, так при исследовании недр планеты на помощь приходят сейсмические волны. Скорость сейсмических волн зависит от плотности и упругих свойств горных пород, через которые они проходят. Более того, они отражаются от границ между пластами пород разного типа и преломляются на этих границах.
По записям колебаний земной поверхности при землетрясениях — сейсмограммам — было установлено, что недра Земли состоят из трёх основных частей: коры, оболочки (мантии) и ядра.
Кора отделяется от оболочки отчётливой границей, на которой скачкообразно возрастают скорости сейсмических волн, что вызвано резким повышением плотности вещества. Эта граница носит название раздел Мохоровичича (иначе — поверхность Мохо или раздел М) по фамилии сербского сейсмолога, открывшего её в 1909 г.
Толщина коры непостоянна, она изменяется от нескольких километров в океанических областях до нескольких десятков километров в горных районах материков. В самых грубых моделях Земли кору представляют в виде однородного слоя толщиной порядка 35 км. Ниже, до глубины примерно 2900 км, расположена мантия. Она, как и земная кора, имеет сложное строение.
Ещё в XIX столетии стало ясно, что у Земли должно быть плотное ядро. Действительно, плотность наружных пород земной коры составляет около 2800 кг/м3 для гранитов и примерно 3000 кг/м3 для базальтов, а средняя плотность нашей планеты — 5500 кг/м3. В то же время существуют железные метеориты со средней плотностью 7850 кг/м3 и возможна ещё более значительная концентрация железа. Это послужило основанием для гипотезы о железном ядре Земли. А в начале XX в. были получены первые сейсмологические свидетельства его существования.
Граница между ядром и мантией наиболее отчётливая. Она сильно отражает продольные (Р) и поперечные (S) сейсмические волны и преломляет P-волны. Ниже этой границы скорость P-волн резко падает, а плотность вещества возрастает: от 5600 кг/м3 до 10 000 кг/м3. S-волны ядро вообще не пропускает. Это означает, что вещество там находится в жидком состоянии.
Есть и другие свидетельства в пользу гипотезы о жидком железном ядре планеты. Так, открытое в 1905 г. изменение магнитного поля Земли в пространстве и по интенсивности привело к заключению, что оно зарождается в глубинах планеты. Там сравнительно быстрые движения могут происходить, не вызывая катастрофических последствий. Наиболее вероятный источник такого поля — жидкое железное (т.е. проводящее токи) ядро, где возникают движения, действующие по механизму самовозбуждающегося динамо. В нём должны существовать токовые петли, грубо напоминающие витки провода в электромагните, которые и генерируют различные составляющие геомагнитного поля.
В 30-е гг. сейсмологи установили, что у Земли есть и внутреннее, твёрдое ядро. Современное значение глубины границы между внутренним и внешним ядрами примерно 5150 км, переходная зона довольно тонкая — около 5 км.
Граница наружной зоны Земли — литосферы — расположена на глубине порядка 70 км. Литосфера включает в себя как земную кору, так и часть верхней мантии. Этот жёсткий слой объединяется в единое целое его механическими свойствами. Литосфера расколота примерно на десять больших плит, на границах которых случается подавляющее число землетрясений.
Под литосферой на глубинах от 70 до 250 км существует слой повышенной текучести — так называемая астеносфера Земли. Жёсткие литосферные плиты плавают в «астеносферном океане».
В астеносфере температура мантийного вещества приближается к температуре его плавления. Чем глубже, тем выше давление и температура. В ядре Земли давление превышает 3600 кбар, а температура — 6000°C.
Тепловая энергия планеты
О высокой температуре земных недр учёные догадывались давно. Об этом свидетельствовали и вулканические извержения, и рост температуры при погружении в глубокие шахты. В среднем у поверхности Земли её увеличение составляет 20°С на километр.
Тепловая энергия земных недр выделяется с поверхности планеты в виде теплового потока, который измеряется количеством тепла, выделяемого с единицы площади за единицу времени. Измерить тепловой поток Земли с достаточной точностью удалось только во второй половине XX в.
Континентальную земную кору условно можно представить в виде 15-километрового слоя гранита, лежащего на слое базальта такой же толщины. Концентрация радиоактивных изотопов, служащих источниками тепла, в гранитах и базальтах хорошо изучена. Это прежде всего радиоактивный калий, уран и торий. Подсчитано, что при их распаде выделяется примерно 130 Дж/(см2•год). В то же время средний тепловой поток, который ежегодно рассеивается с поверхности, равен 130–170 Дж/(см2•год). Следовательно, он почти полностью определяется тепловыделением в гранитном и базальтовом слоях.
С океанической корой всё обстоит иначе. Она значительно тоньше континентальной, и основу её составляет 5–6-километровый базальтовый слой. Распад содержащихся в нём радиоактивных элементов даёт всего около 10 Дж/(см2•год). Однако, когда в 1956 г. специалисты измерили тепловой поток на океанах, он оказался примерно таким же, как и на материках.
Сегодня установлено, что основная часть тепла поступает в океаническую кору через литосферную плиту из мантии. Вещество мантии постоянно находится в движении. Неравенство температур различных слоёв в ней приводит к активному перемешиванию вещества: более холодное и, соответственно, более плотное тонет, более горячее всплывает. Это так называемая тепловая конвекция.
Большинство современных исследователей указывают на три возможных источника энергии для поддержания тепловой конвекции в мантии. Во-первых, мантия всё ещё сохраняет большое количество тепла, накопленного в период формирования планеты. Его достаточно, чтобы поверхностный тепловой поток сохранялся на его теперешнем уровне в течение срока, в несколько раз превышающего нынешний возраст Земли. При этом планета должна остывать, но её остывание происходит очень медленно. Во-вторых, определённое количество тепла, по-видимому, поставляется в Мантию из ядра. И, наконец, третий источник — это распад радиоактивных элементов (их содержание в мантии в настоящее время трудно оценить).
Эволюция Земли
Вопрос ранней эволюции Земли тесно связан с теорией её происхождения. Сегодня известно, что наша планета образовалась около 4,6 млрд лет назад. В процессе формирования Земли из частиц протопланетного облака постепенно увеличивалась её масса. Росли силы тяготения, а следовательно, и скорости частиц, падавших на планету. Кинетическая энергия частиц превращалась в тепло, и Земля всё сильнее разогревалась. При ударах на ней возникали кратеры, причём выбрасываемое из них вещество уже не могло преодолеть земного тяготения и падало обратно.
Чем крупнее были падавшие тела, тем сильнее они нагревали Землю. Энергия удара освобождалась не на поверхности, а на глубине, равной примерно двум поперечникам внедрившегося тела. А так как основная масса на этом этапе поставлялась планете телами размером в несколько сот километров, то энергия выделялась в слое толщиной порядка 1000 км. Она не успевала излучиться в пространство, оставаясь в недрах Земли. В результате температура на глубинах 100–1000 км могла приблизиться к точке плавления. Дополнительное повышение температуры, вероятно, вызывал распад короткоживущих радиоактивных изотопов.
По-видимому, первые возникшие расплавы представляли собой смесь жидких железа, никеля и серы. Расплав накапливался, а затем вследствие более-высокой плотности просачивался вниз, постепенно формируя земное ядро. Таким образом, дифференциация (расслоение) вещества Земли могла начаться ещё на стадии её формирования. Ударная переработка поверхности и начавшаяся конвекция, несомненно, препятствовали этому процессу. Но определённая часть более тяжёлого вещества всё же успевала опуститься под перемешиваемый слой. В свою очередь дифференциация по плотности приостанавливала конвекцию и сопровождалась дополнительным выделением тепла, ускоряя процесс формирования различных зон в Земле.
Предположительно ядро образовалось за несколько сот миллионов лет. При постепенном остывании планеты богатый никелем железоникелевый сплав, имеющий высокую температуру плавления, начал кристаллизоваться — так зародилось твёрдое внутреннее ядро. К настоящему времени оно составляет 1,7% массы Земли. В расплавленном внешнем ядре сосредоточено около 30% земной массы.
Развитие других оболочек продолжалось гораздо дольше и в некотором отношении не закончилось до сих пор.
Литосфера сразу после своего образования имела небольшую толщину и была очень неустойчивой. Она снова поглощалась мантией, разрушалась в эпоху так называемой великой бомбардировки (от 4,2 до 3,9 млрд лет назад), когда Земля, как и Луна, подвергалась ударам очень крупных и довольно многочисленных метеоритов. На Луне и сегодня можно увидеть свидетельства метеоритной бомбардировки — многочисленные кратеры и моря (области, заполненные излившейся магмой). На нашей планете активные тектонические процессы и воздействие атмосферы и гидросферы практически стёрли следы этого периода.
Около 3,8 млрд лет назад сложилась первая лёгкая и, следовательно, «непотопляемая» гранитная кора. В то время планета уже имела воздушную оболочку и океаны; необходимые для их образования газы усиленно поставлялись из недр Земли в предшествующий период. Атмосфера тогда состояла в основном из углекислого газа, азота и водяных паров. Кислорода в ней было мало, но он вырабатывался в результате, во-первых, фотохимической диссоциации воды и, во-вторых, фотосинтезирующей деятельности простых организмов, таких, как сине-зелёные водоросли.
600 млн лет назад на Земле было несколько подвижных континентальных плит, весьма похожих на современные. Новый сверхматерик Пангея появился значительно позже. Он существовал 300–200 млн лет назад, а затем распался на части, которые и сформировали нынешние материки.
Что ждёт Землю в будущем? На этот вопрос можно ответить лишь с большой степенью неопределённости, абстрагируясь как от возможного внешнего, космического влияния, так и от деятельности человечества, преобразующего окружающую среду, причём не всегда в лучшую сторону.
В конце концов недра Земли остынут до такой степени, что конвекция в мантии и, следовательно, движение материков (а значит, и горообразование, извержения вулканов, землетрясения) постепенно ослабнут и прекратятся. Выветривание со временем сотрёт неровности земной коры, и поверхность планеты скроется под водой. Дальнейшая её судьба будет определяться среднегодовой температурой. Если она значительно понизится, то океан замёрзнет и Земля покроется ледяной коркой. Если же температура повысится (а скорее всего именно к этому и приведёт возрастающая светимость Солнца), то вода испарится, обнажив ровную поверхность планеты. Очевидно, ни в том, ни в другом случае жизнь человечества на Земле будет уже невозможна, по крайней мере в нашем современном представлении о ней.
...
Отдаленное будущее нашей планеты можно предсказать достаточно точно (на основе прошлых данных и наблюдений за другими планетами и звездами). Итак, «что будет дальше»?
Через 50 тысяч лет
Вся планета — громадный ледник (если кто не знал, мы уже 34 млн лет живем в ледниковом периоде и сейчас наслаждаемся его теплой частью;). На небе — ни облачка, влаги мало, времен года нет, есть только зима.
Моря и океаны уменьшатся в размерах, Средиземное море высохнет, а джунгли превратятся в степи, Земля станет планетой холодных пустынь, ледников, засухи, ветра и пыли.
Через 250 млн лет
Самое долгое и жаркое лето на планете. Ледники начнут таять, создавая громадные потопы. На планете есть только один континент (как когда-то была Пангея). В нашем случае — Африка соединиться с Евразией, и к ним добавятся Австралия, обе Америки и Антарктида. В центре этого суперконтинента будет гигантская пустыня, ближе к воде — леса из потомков кактусов и бамбука.
Через 500 млн лет
Вся суша становиться бескрайней пустыней. Солнце светит все мощнее, средняя температура 50–60 градусов. Никаких растений, только столбы лишайников высотой с трехэтажный дом. Никакой почвы, только смесь из песка, глины и известняков. Жизнь станет только ночной, потом постепенно переместиться в воду, потом, постепенно, на ней останутся только простые микроорганизмы.
Через 1 млрд лет
Жара усиливается. Вода постепенно испарится, из организмов — только бактерии и археи, живущие под землей. На самой земле — бескрайняя пустыня, а над ним — небо кофейного цвета, с бурями и облаками, полностью закрывающими солнце. Последние водные пары улетят в космос и на Земле закроется «окно обитаемости».
Через 7,5 млрд лет
Солнце увеличивается в 150 раз, сжигая Меркурий и Венеру и нагревая поверхность Земли до 2000 градусов. Вокруг Земли
Через 8 млрд лет
Солнце угасает, превращаясь в черный холодный шар размером с Землю…