Большая советская энциклопедия - земля1

I (планета) Земля (от общеславянского зем — пол, низ), третья по порядку от Солнца планета Солнечной системы, астрономический знак A или, +. I. Введение З. занимает пятое место по размеру и массе среди больших планет, но из планет т. н. земной группы, в которую входят Меркурий, Венера, Земля и Марс, она является самой крупной (см. Планеты). Важнейшим отличием З. от др. планет Солнечной системы является существование на ней жизни, достигшей с появлением человека своей высшей, разумной формы. Условия для развития жизни на ближайших к З. телах Солнечной системы неблагоприятны; обитаемые тела за пределами последней пока также не обнаружены (см. Внеземные цивилизации). Однако жизнь — естественный этап развития материи, поэтому З. нельзя считать единственным обитаемым космическим телом Вселенной, а земные формы жизни — ее единственно возможными формами. Согласно современным космогоническим представлениям, З. образовалась Земля4,5 млрд. лет назад путем гравитационной конденсации из рассеянного в околосолнечном пространстве газо-пылевого вещества, содержащего все известные в природе химические элементы (см. Космогония). Формирование З. сопровождалось дифференциацией вещества, которой способствовал постепенный разогрев земных недр, в основном за счет теплоты, выделявшейся при распаде радиоактивных элементов (урана, тория, калия и др.). Результатом этой дифференциации явилось разделение З. на концентрически расположенные слои — геосферы, различающиеся химическим составом, агрегатным состоянием и физическими свойствами. В центре образовалось ядро Земли, окруженное т. н. мантией (см. Мантия Земли). Из наиболее легких и легкоплавких компонентов вещества, выделившихся из мантии в процессах выплавления (см. Зонное плавление), возникла расположенная над мантией земная кора. Совокупность этих внутренних геосфер, ограниченных твердой земной поверхностью, иногда называют «твердой» З. (хотя это не совсем точно, поскольку установлено, что внешняя часть ядра обладает свойствами вязкой жидкости). «Твердая» З. заключает почти всю массу планеты (см. табл. 1). За ее пределами находятся внешние геосферы — водная (гидросфера) и воздушная (атмосфера), которые сформировались из паров и газов, выделившихся из недр З. при дегазации мантии. Дифференциация вещества мантий З. и пополнение продуктами дифференциации земной коры, водной и воздушной оболочек происходили на протяжении всей геологической истории и продолжаются до сих пор. Табл. 1. Схема строения Земли (без верхней атмосферы и магнитосферы) ГеосферыРасстояние нижней* границы от поверхности Земли, кмОбъем, 1018 м3Масса, 1021 кгДоля массы геосферы от массы Земли, % Атмосфера, до высоты2000**1320Земля0,005Земля 10 -6 Гидросферадо 111,41,40,02 Земная кора5-7010,2280,48 Мантиядо 2900896,6401367,2 Ядро6371 (центр З.)175,2193432,3 Вся Земля (без атмосферы) 1083,45976100,0 *Кроме атмосферы. **Атмосфера в целом простирается до высоты Земля 20 тыс. км. Табл. 2. — Материки (с островами) Название материкаПлощадь, млн. км2Средняя высота, мНаибольшая высота гор на материке, м* Евразия 53,458408848 Африка30.307505895 Северная Америка24,257206194 Южная Америка18,285906960 Антарктида13,9720405140 Австралия (с Океанией)8,893402230 * Сверху вниз по колонке вершины: Джомолунгма (Эверест), Килиманджаро, Мак-Кинлн, Аконкагуа, массив Винсон, Косцюшко. Наиболее высокая вершина Океании — г. Джая, 5029 м (на острове Новая Гвинея). Табл. 3. — Океаны Название океанаПоверхность зеркала, млн. км2Средняя глубина, мНаибольшая глубина, м Тихий 179,68398411022 Атлантический 93,36*39268428 Индийский 74,9238977130 Северный Ледовитый13,1012055449 * По др. данным, 91,14 млн. км2. Большую часть поверхности З. занимает Мировой океан (361,1 млн. км2, или 70,8%), суша составляет 149,1 млн. км2 (29,2%) и образует шесть крупных массивов — материков: Евразию, Африку, Северную Америку, Южную Америку, Антарктиду и Австралию (см. табл. 2), а также многочисленные острова. С делением суши на материки не совпадает деление на части света: Евразию делят на две части света — Европу и Азию, а оба американских материка считают за одну часть света — Америку, иногда за особую «океаническую» часть света принимают острова Тихого океана — Океанию, площадь которой обычно учитывается вместе с Австралией. Мировой океан расчленяется материками на Тихий, Атлантический, Индийский и Северный Ледовитый (см. табл. 3); некоторые исследователи выделяют приантарктические части Атлантического, Тихого и Индийского океанов в особый, Южный, океан. Северное полушарие З. — материковое (суша здесь занимает 39% поверхности), а Южное — океаническое (суша составляет лишь 19% поверхности). В Западном полушарии преобладающая часть поверхности занята водой, в Восточном — сушей. Обобщенный профиль суши и дна океанов образует две гигантские «ступени» — материковую и океаническую. Первая поднимается над второй в среднем на 4670 м (средняя высота суши 875 м; средняя глубина океана около 3800 м). Над равнинной поверхностью материковой «ступени» возвышаются горы, отдельные вершины которых имеют высоту 7—8 км и более. Высочайшая вершина мира — г. Джомолунгма в Гималаях — достигает 8848 м. Она возвышается над глубочайшим понижением дна океана (Марианский глубоководный желоб в Тихом океане 11 022 м) почти на 20 км. См. Гипсографическая кривая. З. обладает гравитационным, магнитным и электрическим полями. Гравитационное притяжение З. удерживает на околоземной орбите Луну и искусственные спутники. Действием гравитационного поля обусловлены сферическая форма З., многие черты рельефа земной поверхности, течение рек, движение ледников и др. процессы. Магнитное поле создается в результате сложного движения вещества в ядре З. (см. Земной магнетизм). В межпланетном пространстве оно занимает область, объем которой намного превосходит объем З., а форма напоминает комету с хвостом, направленным от Солнца. Эту область называют магнитосферой. С магнитным полем З. тесно связано ее электрическое поле. «Твердая» З. несет отрицательный электрический заряд, который компенсируется объемным положительным зарядом атмосферы, так что в целом З., по-видимому, электронейтральна (см. Атмосферное электричество). В пространстве, ограниченном внешним пределом геофизических полей З. (главным образом в магнитосфере и атмосфере), происходит последовательное и глубокое изменение первичных космических факторов — поглощение и преобразование солнечных и галактических космических лучей, солнечного ветра, рентгеновского, ультрафиолетового, оптического и радиоизлучений Солнца, что имеет важное значение для процессов, протекающих на земной поверхности. Задерживая большую часть жесткой электромагнитной и корпускулярной радиации, магнитосфера и особенно атмосфера защищают от их смертоносного воздействия живые организмы. З. получает 1,7-1017 г дж/сек (или 5,4 X 1024 дж/год) лучистой энергии Солнца, но лишь около 50% этого количества достигает поверхности З. и служит главным источником энергии большинства происходящих на ней процессов. Поверхность З., гидросферу, а также прилегающие слои атмосферы и земной коры объединяют под названием географической, или ландшафтной, оболочки. Географическая оболочка явилась ареной возникновения жизни, развитию которой способствовало наличие на З. определенных физических и химических условий, необходимых для синтеза сложных органических молекул. Прямое или косвенное участие живых организмов во многих геохимических процессах со временем приобрело глобальные масштабы и качественно изменило географическую оболочку, преобразовав химический состав атмосферы, гидросферы и отчасти земной коры. Глобальный эффект в ход природных процессов вносит и деятельность человека. Ввиду громадного значения живого вещества как геологического агента вся сфера распространения жизни и биогенных продуктов была названа биосферой. Современные знания о З., ее форме, строении и месте во Вселенной формировались в процессе долгих исканий. Еще в глубокой древности делалось много попыток дать общее представление о форме З. Индусы, например, верили, что З. имеет форму лотоса. Вавилоняне, как и многие др. народы, считали З. плоским диском, окруженным водой. Однако еще около 3 тыс. лет назад начали формироваться и правильные представления. Халдеи первыми заметили на основании наблюдений лунных затмений, что З. — шарообразна. Пифагор, Парменид (6—5 вв. до н. э.) и Аристотель (4 в. до н. э.) пытались дать этому научное обоснование. Эратосфен (3 в. до н. э.) сделал первую попытку определить размеры З. по длине дуги меридиана между городами Александрией и Сиеной (Африка). Большинство античных ученых считало З. центром мира. Наиболее полно разработал эту геоцентрическую концепцию Птолемей во 2 в. Однако значительно раньше Аристарх Самосский (4—3 вв. до н. э.) развивал гелиоцентрические представления, считая центром мира Солнце. В средние века представления о шарообразности З. и ее движении отрицались, как противоречащие священному писанию, и объявлялись ересью. Идея шарообразности З. вновь завоевала признание лишь в эпоху Возрождения, с началом Великих географических открытий. В 1543 Коперник научно обосновал гелиоцентрическую систему мира, согласно которой З. и др. планеты обращаются вокруг Солнца. Но этому учению пришлось выдержать длительную жестокую борьбу с геоцентрической системой, которую продолжала поддерживать христианская церковь. С этой борьбой связаны такие трагические события, как сожжение Дж. Бруно и вынужденное отречение от гелиоцентрических представлений Г. Галилея. Окончательное утверждение гелиоцентрической системы обязано открытию в начале 17 в. И. Кеплером законов движения планет и обоснованием в 1687 И. Ньютоном закона всемирного тяготения. Структура «твердой» З. была выяснена главным образом в 20 в. благодаря достижениям сейсмологии. Открытие радиоактивного распада элементов привело к коренному пересмотру многих фундаментальных концепций. В частности, представление о первоначально огненно-жидком состоянии З. было заменено идеями о ее образовании из скоплений холодных твердых частиц (см. Шмидта гипотеза). На основе радиоактивного распада были разработаны также методы определения абсолютного возраста горных пород, позволившие объективно оценивать длительность истории З. и скорость процессов, протекающих на ее поверхности и в недрах. Во 2-й половине 20 в. в результате использования ракет и спутников сформировались представления о верхних слоях атмосферы и магнитосфере. З. изучают многие науки. Фигурой и размерами З. занимается геодезия, движениями З. как небесного тела — астрономия, силовыми полями — геофизика (отчасти астрофизика), которая изучает также физическое состояние вещества З. и физические процессы, протекающие во всех геосферах. Законы распределения химических элементов З. и процессы их миграции исследует геохимия. Вещественный состав литосферы и историю се развития изучает комплекс геологических наук. Природные явления и процессы, происходящие в географической оболочке и биосфере, являются областью наук географических и биологических циклов. Земных проблем касаются также науки, изучающие законы взаимодействия природы и общества. II. Земля как планета. З. — третья по расстоянию от Солнца большая планета Солнечной системы. Масса З. равна 5976·1021 кг, что составляет 1/448 долю массы больших планет и 1/330000 массы Солнца. Под действием притяжения Солнца З., как и др. тела Солнечной системы, обращается вокруг него по эллиптической (мало отличающейся от круговой) орбите. Солнце расположено в одном из фокусов эллиптической орбиты З., вследствие чего расстояние между З. и Солнцем в течение года меняется от 147,117 млн. км (в перигелии) до 152,083 млн. км (в афелии). Большая полуось орбиты З., равная 149,6 млн. км, принимается за единицу при измерении расстояний в пределах Солнечной системы (см. Астрономическая единица). Скорость движения З. по орбите, равная в среднем 29,765 км/сек, колеблется от 30,27 км/сек (в перигелии) до 29,27 км/сек (в афелии). Вместе с Солнцем З. участвует также в движении вокруг центра Галактики, период галактического обращения составляет около 200 млн. лет, средняя скорость движения 250 км/сек. Относительно ближайших звезд Солнце вместе с З. Движется со скоростью Земля 19,5 км/сек в направлении созвездия Геркулеса. Период обращения З. вокруг Солнца, называемый годом, имеет несколько различную величину в зависимости от того, по отношению к каким телам или точкам небесной сферы рассматривается движение З. и связанное с ним кажущееся движение Солнца по небу. Период обращения, соответствующий промежутку времени между двумя прохождениями Солнца через точку весеннего равноденствия, называется тропическим годом. Тропический год положен в основу календаря, он равен 365,242 средних солнечных суток. Плоскость земной орбиты (плоскость эклиптики) наклонена в современную эпоху под углом 1,6° к т. н. Лапласа неизменяемой плоскости, перпендикулярной главному вектору момента количества движения всей Солнечной системы. Под действием притяжения др. планет положение плоскости эклиптики, а также форма земной орбиты медленно изменяются на протяжении миллионов лет. Наклон эклиптики к плоскости Лапласа при этом меняется от 0° до 2,9°, а эксцентриситет земной орбиты от 0 до 0,067. В современную эпоху эксцентриситет равен 0,0167, убывая на 4·10-7 в год. Если смотреть на З., поднявшись над Северным полюсом, то орбитальное движение З. Происходит против часовой стрелки, т. е. в том же направлении, что и ее осевое вращение, и обращение Луны вокруг З. Естественный спутник З. — Луна обращается вокруг З. по эллиптической орбите на среднем расстоянии 384 400 км (Земля60,3 среднего радиуса З.). Масса Луны составляет 1:81,5 долю массы З. (73,5·1021 кг). Центр масс системы Земля — Луна отстоит от центра З. на 3/4 ее радиуса. Оба тела — З. и Луна — обращаются вокруг центра масс системы. Отношение массы Луны к массе З. — наибольшее среди всех планет и их спутников в Солнечной системе, поэтому систему З. — Луна часто рассматривают как двойную планету. З. имеет сложную форму, определяемую совместным действием гравитации, центробежных сил, вызванных осевым вращением З., а также совокупностью внутренних и внешних рельефообразующих сил. Приближенно в качестве формы (фигуры) З. принимают уровенную поверхность гравитационного потенциала (т. е. поверхность, во всех точках перпендикулярную к направлению отвеса), совпадающую с поверхностью воды в океанах (при отсутствии волн, приливов, течений и возмущений, вызванных изменением атмосферного давления). Эту поверхность называют геоидом. Объем, ограниченный этой поверхностью, считается объемом З. (т. о., в него не входит объем той части материков, которая расположена выше уровня моря). Средним радиусом З. называют радиус шара того же объема, что и объем геоида. Для решения многих научных и практических задач геодезии, картографии и др. в качестве формы З. принимают земной эллипсоид. Знание параметров земного эллипсоида, его положения в теле З., а также гравитационного поля Земли имеет большое значение в астродинамике, изучающей законы движения искусственных космических тел. Эти параметры изучаются путем наземных астрономо-геодезических и гравиметрических измерений (см. Геодезия, Гравиметрия) и методами спутниковой геодезии. Вследствие вращения З. точки экватора имеют скорость 465 м/сек, а точки, расположенные на широте j — скорость 465cosj (м/сек), если считать З. шаром. Зависимость линейной скорости вращения, а следовательно, и центробежной силы от широты приводит к различию значений ускорения силы тяжести на разных широтах (см. табл. 4). Вращение З. вокруг своей оси вызывает смену дня и ночи на ее поверхности. Период вращения З. определяет единицу времени — сутки. Ось вращения З. отклонена от перпендикуляра к плоскости эклиптики на 23° 26,5' (в середине 20 в.); в современную эпоху этот угол уменьшается на 0,47“ за год. При движении З. по орбите вокруг Солнца ее ось вращения сохраняет почти постоянное направление в пространстве. Это приводит к смене времен года. Гравитационное влияние Луны, Солнца, планет вызывает длительные периодические изменения эксцентриситета орбиты и наклона оси З., что является одной из причин многовековых изменений климата. Табл. 4. — Геометрические и физические характеристики Земли Экваториальный радиус6378,160 км Полярный радиус6356,777 км Сжатие земного эллипсоида1:298,25 Средний радиус6371,032 км Длина окружности экватора40075,696 км Поверхность 510,2 ?106 км2 Объем 1,083 ?1012 км3 Масса 5976 ? 1021 кг Средняя плотность5518 кг/м3 Ускорение силы тяжести (на уровне моря) а) на экваторе9,78049 м/сек2 б) на полюсе9,83235 м/сек2 в) стандартное9,80665 м/сек2 Момент инерции относительно оси вращения8,104 ? 1037 кг ? м2 Период вращения З. систематически увеличивается под воздействием лунных и в меньшей степени солнечных приливов (см. Вращение Земли). Притяжение Луны создает приливные деформации как атмосферы и водной оболочки, так и «твердой» З. Они направлены к притягивающему телу и, следовательно, перемещаются по З. при ее вращении. Приливы в земной коре имеют амплитуду до 43 см, в открытом океане — не более 1м, в атмосфере они вызывают изменение давления в несколько сот н/м2 (несколько мм рт. ст.). Приливное трение, сопровождающее движение приливов, приводит к потере системой Земля — Луна энергии и передаче момента количества движения от З. к Луне. В результате вращение З. замедляется, а Луна удаляется от З. Изучение месячных и годичных колец роста у ископаемых кораллов позволило оценить число суток в году в прошлые геологические эпохи (до 600 млн. лет назад). Результаты исследований говорят о том, что период вращения З. вокруг оси увеличивается в среднем на несколько м/сек за столетие (500 млн. лет назад длительность суток составляла 20,8 ч). Фактическое замедление скорости вращения З. несколько меньше того, которое соответствует передаче момента Луне. Это указывает на вековое уменьшение момента инерции З., по-видимому, связанное с ростом плотного ядра З. либо с перемещением масс при тектонических процессах. Скорость вращения З. несколько меняется в течение года также вследствие сезонных перемещений воздушных масс и влаги. Наблюдения траекторий искусственных спутников З. позволили с высокой точностью установить, что сплюснутость З. несколько больше той, которая соответствует современной скорости ее вращения и распределению внутренних масс. По-видимому, это объясняется высокой вязкостью земных недр, приводящей к тому, что при замедлении вращения З. ее фигура не сразу принимает форму, соответствующую увеличенному периоду вращения. Поскольку З. имеет сплюснутую форму (избыток массы у экватора), а орбита Луны не лежит в плоскости земного экватора, притяжение Луны вызывает прецессию — медленный поворот земной оси в пространстве (полный оборот происходит за 26 тыс. лет). На это движение накладываются периодические колебания направления оси — нутация (основной период 18,6 года). Положение оси вращения по отношению к телу З. испытывает как периодические изменения (полюсы при этом отклоняются от среднего положения на 10—15 м), так и вековые (среднее положение северного полюса смещается в сторону Северной Америки со скоростью Земля11 см в год, см. Полюсы географические). Б. Ю. Левин. См. илл. III. Строение Земли Магнитосфера Самой внешней и протяженной оболочкой З. является магнитосфера — область околоземного пространства, физические свойства которой определяются магнитным полем З. и его взаимодействием с потоками заряженных частиц. Исследования, проведенные при помощи космических зондов и искусственных спутников З., показали, что З. постоянно находится в потоке корпускулярного излучения Солнца (т. н. солнечный ветер). Он образуется благодаря непрерывному расширению (истечению) плазмы солнечной короны и состоит из заряженных частиц (протонов, ядер и ионов гелия, а также более тяжелых положительных ионов и электронов). У орбиты З. скорость направленного движения частиц в потоке колеблется от 300 до 800 км/сек. Солнечная плазма несет с собой магнитное поле, напряженность которого в среднем равна 4,8-10-За/м (6·10-5 э). При столкновении потока солнечной плазмы с препятствием — магнитным полем З. — образуется распространяющаяся навстречу потоку ударная волна (рис.), фронт которой со стороны Солнца в среднем локализован на расстоянии 13—14 радиусов З. (RA) от ее центра. За фронтом ударной волны следует переходная область толщиной Земля 20 тыс. км, где магнитное поле солнечной плазмы становится неупорядоченным, а движение ее частиц — хаотичным. температура плазмы в этой области повышается примерно с 200 тыс. градусов до Земля 10 млн. градусов. Переходная область примыкает непосредственно к магнитосфере З., граница которой — магнитопауза — проходит там, где динамическое давление солнечного ветра уравновешивается давлением магнитного поля З.; она расположена со стороны Солнца на расстоянии Земля 10—12 R (A) (70—80 тыс. км) от центра З., ее толщина Земля 100 км. Напряженность магнитного поля З. у магнитопаузы Земля 8·10-2а/м (10-3э), т. е. значительно выше напряженности поля солнечной плазмы на уровне орбиты З. Потоки частиц солнечной плазмы обтекают магнитосферу и резко искажают на значительных расстояниях от З. структуру ее магнитного поля. Примерно до расстояния 3 RA от центра З. магнитное поле еще достаточно близко к полю магнитного диполя (напряженность поля убывает с высотой Земля1/R3A). Регулярность поля здесь нарушают лишь магнитные аномалии (влияние наиболее крупных аномалий сказывается до высот Земля0,5RA) над поверхностью З.). На расстояниях, превышающих 3 RA), магнитное поле ослабевает медленнее, чем поле диполя, а его силовые линии с солнечной стороны несколько прижаты к З. Линии геомагнитного поля, выходящие из полярных областей З., отклоняются солнечным ветром на ночную сторону З. Там они образуют «хвост», или «шлейф», магнитосферы протяженностью более 5 млн. км. Пучки магнитных силовых линий противоположного направления разделены в хвосте областью очень слабого магнитного поля (нейтральным слоем), где концентрируется горячая плазма с температурой в млн. градусов. Магнитосфера реагирует на проявления солнечной активности, вызывающей заметные изменения в солнечном ветре и его магнитном поле. Возникает сложный комплекс явлений, получивший название магнитной бури. При бурях наблюдается непосредственное вторжение в магнитосферу частиц солнечного ветра, происходит нагрев и усиление ионизации верхних слоев атмосферы, ускорение заряженных частиц, увеличение яркости полярных сияний, возникновение электромагнитных шумов, нарушение радиосвязи на коротких волнах и т.д. В области замкнутых линий геомагнитного поля существует магнитная ловушка для заряженных частиц. Нижняя ее граница определяется поглощением захваченных в ловушку частиц атмосферой на высоте несколько сот км, верхняя практически совпадает с границей магнитосферы на дневной стороне З., несколько снижаясь на ночной стороне. Потоки захваченных в ловушку частиц высоких энергий (главным образом протонов и электронов) образуют т. н. Радиационный пояс Земли. Частицы радиационного пояса представляют значительную радиационную опасность при полетах в космос. Б. А. Тверской, Ю. Н. Дрожжин. Атмосфера Атмосферой, или воздушной оболочкой З., называют газовую среду, окружающую «твердую» З. и вращающуюся вместе с ней. Масса атмосферы составляет Земля5,15·1018 кг. Среднее давление атмосферы на поверхность З. на уровне моря. Равно 101 325 н/м2 (это соответствует 1 атмосфере или 760 мм рт. ст.). Плотность и давление атмосферы быстро убывают с высотой (см. Барометрическая формула): у поверхности З. средняя плотность воздуха r = 1,22 кг/м3 (число молекул в 1 м3 n = 2,55·1025), на высоте 10 км (= 0,41 кг/м3 (n = 8,6·1024), а на высоте 100 км r=8,8(10-7 кг/м3 (n=1,8·1018). Атмосфера имеет слоистое строение, слои различаются своими физическими и химическими свойствами (температурой, химическим составом, ионизацией молекул и др.). Принятое деление атмосферы на слои основано главным образом на изменении в ней температуры с высотой, поскольку оно отражает баланс основных энергетических процессов в атмосфере (см. Тепловой баланс атмосферы). Нижняя часть атмосферы, содержащая около 80% всей ее массы, называется тропосферой. Она распространяется до высоты 16—18 км в экваториальном поясе и до 8—10 км в полярных широтах. Температура тропосферы понижается с высотой в среднем на 0,6 К на каждые 100 м. Над тропосферой до высоты 55 км расположена стратосфера, в которой заключено почти 20% массы атмосферы. От тропосферы она отделена переходным слоем — тропопаузой, с температурой 190—220 К. До высоты Земля25 км температура стратосферы несколько падает, но дальше начинает расти, достигая максимума (Земля270К) на высоте 50—55 км. Этот рост связан главным образом с увеличением в верхних слоях стратосферы концентрации озона, интенсивно поглощающего ультрафиолетовое излучение Солнца. Над стратосферой расположены мезосфера (до 80 км), термосфера (от 80 км до 800—1000 км) и экзосфера (выше 800—1000 км). Общая масса всех этих слоев не превышает 0,5% массы атмосферы. В мезосфере, отделенной от стратосферы стратопаузой, озон исчезает, температура вновь падает до 180—200 К вблизи ее верхней границы (мезопаузы). В термосфере происходит быстрый рост температуры, связанный главным образом с поглощением в ней солнечного коротковолнового излучения. Рост температуры наблюдается до высоты 200—300 км. Выше, примерно до 800—1000 км, температура остается постоянной (Земля1000К), т.к. здесь разреженная атмосфера слабо поглощает солнечное излучение. Верхний слой атмосферы — экзосфера — крайне разрежен (у его нижней границы число протонов в 1 м3 составляет Земля 1011) и столкновения частиц в нем происходят редко. Скорости отдельных частиц экзосферы могут превышать критическую скорость ускользания (вторую космическую скорость). Эти частицы, если им не помешают столкновения, могут, преодолев притяжение З., покинуть атмосферу и уйти в межпланетное пространство. Так происходит рассеяние (диссипация) атмосферы. Поэтому экзосферу называют также сферой рассеяния. Ускользают из атмосферы в межпланетное пространство главным образом атомы водорода и гелия. Приведенные характеристики слоев атмосферы следует рассматривать как усредненные. В зависимости от географической широты, времени года, суток и др. они могут заметно меняться. Химический состав земной атмосферы неоднороден. Сухой атмосферный воздух у поверхности З. содержит по объему 78,08% азота,20,95% кислорода (Земля 10-6% озона), 0,93% аргона и около 0,03% углекислого газа. Не более 0,1% составляют вместе водород, неон, гелий, метан, криптон и др. газы. В слое атмосферы до высот 90—100 км, в котором происходит интенсивное перемешивание атмосферы, относит. состав ее основных компонентов не меняется (этот слой называется гомосферой). В атмосфере содержится (1,3—1,5)·1016 кг воды (см. Вода). Главная масса атмосферной воды (в виде пара, взвешенных капель и кристалликов льда) сосредоточена в тропосфере, причем с высотой ее содержание резко убывает. Во влажном воздухе содержание водяного пара у земной поверхности колеблется от 3—4% в тропиках до 2·10-5% в Антарктиде. Очень изменчивы аэрозольные компоненты воздуха, включающие пыль почвенного, органического и космического происхождения, частички сажи, пепла и минеральных солей. У верхней границы тропосферы и в стратосфере наблюдается повышенное содержание озона. Слой максимальной концентрации озона расположен на высотах Земля21—25 км. Начиная с высоты Земля 40 км увеличивается содержание атомарного кислорода. Диссоциация молекулярного азота начинается на высоте около 200 км. Наряду с диссоциацией молекул под действием коротковолнового и корпускулярного излучений Солнца на высотах от 50 до 400 км происходит ионизация атмосферных газов. От степени ионизации зависит электропроводность атмосферы. На высоте 250—300 км, где расположен максимум ионизации, электропроводность атмосферы в 1012 раз больше, чем у земной поверхности. Для верхних слоев атмосферы характерен также процесс диффузионного разделения газов под действием силы тяжести (гравитационное разделение): газы распределяются с высотой в соответствии с их молекулярной массой. Верхние слои атмосферы в результате оказываются обогащенными более легкими газами. Совокупность процессов диссоциации, ионизации и гравитационного разделения определяет химическую неоднородность верхних слоев атмосферы. Примерно до 200 км основным компонентом воздуха является азот N2. Выше начинает превалировать атомарный кислород. На высоте более 600 км преобладающим компонентом становится гелий, а в слое от 2 тыс. км и выше — водород, который образует вокруг З. т. н. водородную корону. Через атмосферу к поверхности З. поступает электромагнитное излучение Солнца — главный источник энергии физических, химических и биологических процессов в географической оболочке З. Атмосфера прозрачна для электромагнитного излучения в диапазоне длин волн l от 0,3 мкм (3000 A) до 5,2 мкм (в котором заключено около 88% всей энергии солнечного излучения) и радиодиапазоне — от 1 мм до 30 м. Излучение инфракрасного диапазона (l>5,2мкм) поглощается в основном парами воды и углекислым газом тропосферы и стратосферы. Непрозрачность атмосферы в радиодиапазоне обусловлена отражением радиоволн от ее ионизованных слоев (ионосферы). Излучение ультрафиолетового диапазона (l от 3000 до 1800 A) поглощается озоном на высотах 15—60 км, а волны длиной 1800—1000 A и короче — азотом, молекулярным и атомарным кислородом (на высоте от нескольких десятков до нескольких сот км над поверхностью З.). Жесткое коротковолновое излучение (рентгеновское и гамма-излучение) поглощается всей толщей атмосферы, до поверхности З. оно не доходит. Т. о., биосфера оказывается защищенной от губительного воздействия коротковолнового излучения Солнца. В виде прямой и рассеянной радиации поверхности З. достигает лишь 48% энергии солнечного излучения, падающего на внешнюю границу атмосферы. В то же время атмосфера почти непрозрачна для теплового излучения З. (за счет присутствия в атмосфере углекислого газа и паров воды, см. Парниковый эффект). Если бы З. Была лишена атмосферы, то средняя температура ее поверхности была бы —23°С, в действительности средняя годовая температура поверхности З. составляет 14,8°С. Атмосфера задерживает также часть космических лучей и служит броней против разрушительного действия метеоритов. Насколько велико защитное значение земной атмосферы, показывает испещренная метеоритными кратерами поверхность Луны, лишенная атмосферной защиты. Между атмосферой и подстилающей поверхностью происходит непрерывный обмен энергией (теплооборот) и веществом (влагооборот, обмен кислородом и др. газами). Теплооборот включает перенос теплоты излучением (лучистый теплообмен), передачу теплоты за счет теплопроводности, конвекции и фазовых переходов воды (испарения, конденсации, кристаллизации). Неравномерный нагрев атмосферы над сушей, морем на разных высотах и в разных широтах приводит к неравномерному распределению атмосферного давления. Возникающие в атмосфере устойчивые перепады давления вызывают общую циркуляцию атмосферы, с которой связан влагооборот, включающий процессы испарения воды с поверхности гидросферы, переноса водяного пара воздушными потоками, выпадение осадков и их сток. Теплооборот, влагооборот и циркуляция атмосферы являются основными климато-образующими процессами. Атмосфера является активным агентом в различных процессах, происходящих на поверхности суши и в верхних слоях водоемов. Важнейшую роль играет атмосфера в развитии жизни на З. Гидросфера Вода образует прерывистую оболочку З. Около 94% общего объема гидросферы сосредоточено в океанах и морях; 4% заключено в подземных водах; около 2% — в льдах и снегах (главным образом Арктики, Антарктики и Гренландии); 0,4% — в поверхностных водах суши (реки, озера, болота). Незначительное количество воды содержится в атмосфере и организмах. Все формы водных масс переходят одна в другую в процессе обращения (см. Влагооборот, Водный баланс). Ежегодное количество осадков, выпадающих на земную поверхность, равно количеству воды, испарившейся в сумме с поверхности суши и океанов. В общем круговороте влаги наиболее подвижны воды атмосферы. Вода гидросферы содержит почти все химические элементы. Средний химический состав ее близок к составу океанической воды, в которой преобладают кислород, водород, хлор и натрий. В водах суши преобладающими являются карбонаты. Содержание минеральных веществ в водах суши (соленость) подвержено большим колебаниям в зависимости от местных условий и прежде всего от климата. Обычно воды суши слабо минерализованы — пресные (соленость рек и пресных озер от 50 до 1000 мг/кг). Средняя соленость океанической воды около 35 г/кг (35о/оо), соленость морской воды колеблется от 1—2°/оо (Финский залив Балтийского моря) до 41,5°/оо (Красное море). Наибольшая концентрация солей — в соленых озерах (Мертвое море до 260°/оо) и подземных водах (до 600°/оо). Современный солевой состав вод гидросферы сформировался за счет продуктов химического выветривания изверженных пород и привноса на поверхность З. продуктов дегазации мантии: в океанической воде катионы натрия, магния, кальция, калия, стронция присутствуют главным образом за счет речного стока. Хлор, сера, фтор, бром, йод, бор и др. элементы, играющие в океанической воде роль анионов, являются преимущественно продуктами подводных вулканических извержений. Содержащиеся в гидросфере углерод, азот, свободный кислород и др. элементы поступают из атмосферы и из живого вещества суши и океана. Благодаря большому содержанию в океане биогенных химических элементов океаническая вода служит весьма благоприятной средой для развития растительных и животных организмов. Мировой океан образует самое большое скопление вод на земной поверхности. Морские течения связывают отдельные его части в единое целое, вследствие чего воды океанов и морей обладают общими физико-химическими свойствами. Поверхностный слой воды в океанах (до глубины 200—300 м) имеет непостоянную температуру, меняющуюся по сезонам года и в зависимости от температурного режима соответствующего климатического пояса. Средняя годовая температура этого слоя постепенно убывает от 25 °С у экватора до 0 °С и ниже в полярных областях. Характер вертикального изменения температур океанических вод сильно варьирует в зависимости от географической широты, что объясняется главным образом неодинаковым нагреванием и охлаждением поверхностных вод. С др. стороны, имеются существенные различия в изменении температуры воды по глубине на одних и тех же широтах в связи с течениями. Однако для огромных экваториальных и тропических пространств океана в изменении температур по вертикали имеется много общего. До глубины 300—500 м температура воды здесь быстро понижается, затем до 1200— 1500 м понижение температуры происходит медленнее, глубже 1500 м она почти не изменяется. В придонных слоях температура держится обычно между 2°С и 0 °С. В умеренных областях изменение температуры с глубиной менее значительно, что связано с меньшим прогревом поверхностных вод. В приполярных областях температура сначала понижается до глубин около 50—100 м, затем до глубин около 500 м несколько повышается (за счет приноса более теплых и соленых вод из умеренных широт), после чего медленно понижается до 0 °С и ниже в придонных слоях. С изменением температуры и солености меняется и плотность воды. Наибольшая плотность характерна для высоких широт, где она достигает у поверхности 1,0275 г/см3. В приэкваториальной области плотность воды у поверхности — 1,02204 г/см3. Табл. 5.—Основные данные о геосферах «твердой» Земли ГеосферыПодразделения геосферБуквен-ное обозна- чениеГлубина нижней границы*, кмОбъем, 1018 м3Масса**, 1021 кг Земная кораосадочный слойAдо 201,02,5 «гранитный» слойдо 403,610 «базальтовый» слойдо 705,616 Мантия верхняя мантиясубстратB50-100180,1610 слой Гутенберга (астеносфера)около 400 слой ГолицынаCоколо 900205,7856 Нижняя мантияD2900510,82547 Ядро Внешнее ядроEоколо 4800166,61828 Fоколо 5100 субъядроG63718,6106 * Разность между средним радиусом З. и средним радиусом границы (кроме коры). ** Кора по А. Б. Ронову и А. А. Ярошевскому (1969), остальные по Ф. Берчу (1964). Характерной особенностью океана является циркуляция и перемешивание вод. В слое до 150—200 м циркуляция определяется главным образом господствующими ветрами, под влиянием которых образуются мощные океанические течения. В более глубоких слоях циркуляция связана преимущественно с существующей в толще воды разностью плотностей, зависящей от температуры и солености. Основными элементами циркуляции, определяемой воздействием ветров, являются антициклональные круговороты в субтропических широтах и циклональные — в высоких. Плотностная циркуляция участвует в вертикальном распределении водных масс и охватывает всю толщу вод. Планетарным видом движения вод служит приливо-отливное течение, вызванное влиянием Луны и Солнца. Океан играет огромную роль в жизни З. Он служит главным водохранилищем планеты и основным приемником солнечной энергии на поверхности З. Вследствие большой теплоемкости воды (и малой теплоемкости воздуха) он оказывает умеряющее воздействие на колебания температуры воздуха окружающего пространства. В умеренных и полярных широтах морские воды летом накапливают тепло, а зимой отдают его атмосфере. В экваториальных и тропических пространствах вода нагревается с поверхности круглый год. Теплые воды переносятся отсюда течениями в высокие широты, утепляя их, а холодные воды возвращаются к тропикам в противотечениях. Таким образом океан влияет на климат и погоду З. Велика роль океана в круговороте веществ на З. (влагооборот, взаимный обмен с атмосферой кислородом и углекислым газом, вынос на сушу растворенных в океанической воде солей и привнос в океан реками материала с суши, биогеохимические превращения). Непрерывно движущиеся водные массы океана, взаимодействуя с горными породами дна и берегов, производят огромную разрушительную и созидательную (аккумулятивную) работу. Разнообразный обломочный и растворенный материал, полученный в результате разрушительной работы океанической воды и благодаря речному стоку, осаждается на дне океана, образуя осадки, превращающиеся затем в осадочные горные породы. Отмершие растительные и животные организмы дают начало биогенным осадкам. Немалую роль играют и воды суши. Пресные воды удовлетворяют потребности человека в воде, обеспечивают промышленность и поливное земледелие. Поверхностные текучие воды совершают большую геологическую работу, осуществляя размыв (эрозию), перенос и отложение продуктов разрушения горных пород. Деятельность текучих вод приводит к расчленению и общему понижению рельефа суши. Суммарное количество выносимого реками в моря и океаны материала оценивается более чем в 17 млрд. т в год. «Твердая» Земля О строении, составе и свойствах «твердой» З. имеются преимущественно предположительные сведения, поскольку непосредственному наблюдению доступна лишь самая верхняя часть земной коры. Все данные о более глубоких недрах планеты получены за счет разнообразных косвенных (главным образом геофизических) методов исследования. Наиболее достоверны из них — сейсмические методы, основанные на изучении путей и скорости распространения в З. упругих колебаний (сейсмических волн). С их помощью удалось установить разделение «твердой» З. на отдельные сферы и составить представление о внутреннем строении З. (см. табл. 5). Строение «твердой» Земли. Верхняя сфера «твердой» З. — земная кора (А) — самая неоднородная и сложно построенная. Из нескольких типов земной коры преобладающее распространение имеют материковая и океаническая; в строении первой различают три слоя: верхний — осадочный (от 0 до 20 км), средний, называемый условно «гранитным» (от 10 до 40 км), и нижний, т. н. «базальтовый» (от 10 до 70 км), отделяющийся от «гранитного» поверхностью Конрада (см. Конрада поверхность). Под океанами осадочный слой на обширных площадях имеет толщину лишь в несколько сотен метров. «Гранитный» слой, как правило, отсутствует: вместо него наблюдается т. н. «второй» слой неясной природы, толщиной около 1—2,5 км. Мощность «базальтового» слоя под океанами — около 5 км. Кроме основных типов коры, встречается несколько типов «промежуточного» строения, в том числе кора субконтинентальная (под некоторыми архипелагами) и субокеаническая (в глубоководных впадинах окраинных и внутриконтинентальных морей). Субконтинентальная кора характеризуется нечетким разделением «гранитного» и «базальтового» слоев, которые объединяются под названием гранитно-базальтового. Кора субокеаническая близка к океанической, отличаясь от нее большей мощностью в целом и осадочного слоя в частности. С помощью сейсмических методов четко устанавливается поверхность раздела, отделяющая земную кору от нижележащей мантии (см. Мохоровичича поверхность). Мантия состоит из трех слоев (В, С и D) и простирается от поверхности Мохоровичича до глубины 2900 км, где она граничит с ядром З. Слои В и С образуют верхнюю мантию (толщиной 850—900 км), слой D — нижнюю мантию (около 2000 км). Верхнюю часть слоя В, залегающую непосредственно под корой, называется субстратом; кора вместе с субстратом составляет литосферу. Нижнюю часть верхней мантии называют именем открывшего ее свойства сейсмолога Б. Гутенберга. Скорость распространения сейсмических волн в пределах слоя Гутенберга несколько меньше, чем в выше- и нижележащих слоях, что связывают с повышенной текучестью его вещества. Отсюда — второе название слоя Гутенберга — астеносфера (слабая сфера). Этот слой является сейсмическим волноводом, поскольку сейсмический «луч» (путь волны) долгое время идет вдоль него. Лежащий ниже слой С (Голицына слой) выделен как зона быстрого нарастания с глубиной скоростей сейсмических волн (продольных от 8 до 11,3 км/сек, поперечных от 4,9 до 6,3 км/сек). Земное ядро имеет средний радиус около 3,5 тыс. км и делится на внешнее ядро (слой Е) и субъядро (слой G) с радиусом около 1,3 тыс. км. Их разделяет переходная зона (слой F) толщиной около 300 км, которую относят обычно к внешнему ядру. На границе ядра наблюдается скачкообразное падение скорости продольных волн (от 13,6 до 8,1 км/сек). Внутри ядра она возрастает, увеличиваясь скачком до 11,2 км/сек вблизи границы субъядра. В субъядре сейсмические волны распространяются почти с неизменной скоростью. Физические характеристики и химический состав «твердой» Земли. С глубиной в З. изменяются значения плотности, давления, силы тяжести, упругих свойств вещества, вязкости и температуры (см. графики). Средняя плотность земной коры в целом — 2,8 т/м3. Средняя плотность осадочного слоя коры — 2,4—2,5 т/м3, «гранитного» — 2,7 т/м3, «базальтового» — 2,9 т/м3. На границе земной коры и мантии (поверхность Мохоровичича) плотность увеличивается скачком от значений 2,9—3,0 т/м3 до 3,1—3,5 т/м3. Далее она плавно растет, достигая у подошвы слоя Гутенберга 3,6 т/м3. у подошвы слоя Голицына 4,5 т/м3 и у границы ядра 5,6 т/м3. В ядре плотность скачком поднимается до 10,0 т/м3, а далее плавно возрастает до 12,5 т/м3 в центре З. Ускорение силы тяжести в З. не изменяется скачком. До глубины 2500 км оно отклоняется от значения 10 м/сек менее чем на 2%, на границе ядра равно 10,7 м/сек2 и далее плавно убывает до нуля в центре З. По данным о плотности и ускорении силы тяжести вычисляется давление, которое непрерывно растет с глубиной. У подошвы материковой коры оно близко к 1 Гн/м2 (109н/м2), у подошвы слоя В — 14 Гн/м2, слоя С — 35 Гн/м2, на границе ядра — 136 Гн/м2, в центре З. — 361 Гн/м2. Зная плотность и скорости сейсмических волн, вычисляют величины, характеризующие упругие свойства материала З. Их ход в зависимости от глубины показан на втором графике. В земной коре и верхней мантии температура повышается с глубиной. Из мантии к поверхности «твердой» З. идет тепловой поток, в несколько тыс. раз меньший поступающего от Солнца (в среднем около 0,06 вт/м2 или около 2,5·1013 вт на всю поверхность З.). В мантии температура везде ниже температуры полного расплавления слагающего ее материала. Под материковой корой она предполагается близкой к 600—700 °С. В слое Гутенберга температура, по-видимому, близка к точке плавления (1500—1800 °С). Оценка температур для более глубоких слоев мантии и ядра З. носит весьма предположительный характер. По-видимому, в ядре она не превышает 4000—5000 °С. Вязкость материала мантии выше и ниже границ астеносферы, видимо, не менее 1023nз (1nз=0,1 н (сек/м2); вязкость астеносферы сильно понижена (1019—1021nз). Считается, что благодаря этому в астеносфере происходит медленное перетекание масс в горизонтальном направлении под влиянием неравномерной нагрузки со стороны земной коры (восстановление изостатического равновесия). Вязкость внешнего ядра на много порядков меньше вязкости мантии. Табл. 6.—Химический состав Земли Химический элементСодержание в весовых процентахХимический элементСодержание в весовых процентах Железо 34,63Натрий 0,57 Кислород 29,53Хром 0,26 Кремний 15,20Марганец 0,22 Магний 12,70Кобальт 0,13 Никель 2,39Фосфор 0,10 Сера 1,93Калий 0,07 Кальций 1,13Титан 0,05 Алюминий 1,09 В верхней мантии до глубины 700 км отмечаются очаги землетрясений, что указывает на значительную прочность слагающего ее материала; отсутствие более глубоких сейсмических очагов объясняется либо малой прочностью вещества, либо отсутствием достаточно сильных механических напряжений. Электропроводность в верхней части слоя В очень низка (порядка 10-2 ом-1(м-1); в слое Гутенберга она повышена, что связывают с ростом температуры. В слое Голицына она постепенно увеличивается приблизительно до 10—100 ом-1·м-1, а в нижней мантии, по-видимому, возрастает еще на порядок. В ядре З. электропроводность очень высока, что указывает на металлические свойства его вещества. Из современных космогонических гипотез вытекает, что химический состав планет, их спутников и метеоритов должен быть близок к составу Солнца (см. Геохимия). Сопоставляя известные химические анализы земных и лунных пород, метеоритов, спектральные анализы Солнца и учитывая данные о плотности и др. физических свойствах материала в недрах З., можно в общих чертах охарактеризовать состав З. в целом и состав ее различных геосфер. В табл. 6 приводится общий химический состав З., согласно подсчетам американского геохимика Б. Мейсона. При этом предполагается, что ядро состоит из железо-никелевого сплава, подобного металлической фазе хондритов. Относительно состава земного ядра существуют две гипотезы. Согласно первой — ядро состоит из железа с примесью (18—20%) кремния (или иного, сравнительно легкого материала); согласно второй — внешнее ядро слагается силикатом, который под влиянием огромного давления и высокой температуры перешел в металлическое состояние (см. Давление высокое); субъядро может быть железным или силикатным. В составе З. преобладают (как по массе, так и по числу атомов) железо, кислород, кремний и магний. В сумме они составляют более 90% массы З. Земная кора почти наполовину состоит из кислорода и более чем на четверть из кремния. Значительная доля принадлежит также алюминию, магнию, кальцию, натрию и калию. Кислород, кремний, алюминий дают наиболее распространенные в коре соединения — кремнезем (SiO2) и глинозем (A12O3). Мантия состоит преимущественно из тяжелых минералов, богатых магнием и железом. Они образуют соединения с SiO2 (силикаты). В субстрате, по-видимому, больше всего форстерита (MgSiO4), глубже постепенно возрастает доля фаялита (Fe2SiO4). Предполагается, что в нижней мантии под влиянием очень высокого давления эти минералы разложились на окислы (SiO2, MgO, FeO). Агрегатное состояние вещества земных недр обусловлено наличием высоких температур и давлений. Материал мантии был бы расплавлен, если бы не высокое давление, вследствие которого вся мантия находится в твердом кристаллическом состоянии, за исключением, вероятно, астеносферы, где влияние близкой к точке плавления температуры сказывается сильнее, чем действие давления. Полагают, что здесь вещество мантии находится либо в аморфном, либо частично в расплавленном состоянии. В слое Голицына, по мере роста давления с глубиной, по-видимому, происходит перестройка кристаллических решеток минералов в сторону более плотной упаковки атомов, чем объясняется быстрый рост с глубиной плотности и скоростей сейсмических волн. Внешнее ядро, очевидно, находится в жидком (расплавленном) состоянии, поскольку поперечные сейсмические волны, не способные распространяться в жидкости, через него не проходят. С существованием жидкого внешнего ядра связывают происхождение магнитного поля З. Субъядро, по-видимому, твердое (продольные волны, подходя к границе субъядра, возбуждают в нем поперечные волны). Е. Н. Люстих. Геодинамические процессы. Вещество геосфер З. находится в непрерывном движении и изменении. Быстрее всего они протекают в жидкой и газообразной оболочках, но основное содержание истории развития земного шара составляют гораздо более медленные изменения, совершающиеся во внутренних геосферах, сложенных преимущественно твердым веществом; именно изучение их природы и динамики необходимо прежде всего для верного понимания современного и всех прошлых состояний З.