ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 30.09.2020
Просмотров: 6181
Скачиваний: 506
от 92 до 275 млн. км от Солнца. За этими пределами планеты
получают или слишком много, или слишком мало солнечного тепла
для того, чтобы могли возникнуть и развиваться известные нам
формы жизни. Пределы экосферы непостоянны: она расширяется
или сокращается в зависимости от активности Солнца.
В экосферу Солнца в современных ее пределах входят только
3 из 9 больших планет Солнечной системы: Венера, Земля и Марс.
Венера расположена близ внутренней границы экосферы, Марс —
недалеко от внешней ее границы. В наиболее благоприятных
условиях находится Земля, и именно на ней существуют высоко
развитые формы жизни.
Несомненно, кроме положения планеты в экосфере, для раз
вития жизни на ней имеют значения ее размеры, масса, состав
атмосферы, внутреннее тепло.
Условия, аналогичные земным, вероятно, существуют на пла
нетах других звездных систем, а следовательно, и там возможна
высокоразвитая жизнь. Совсем не исключено существование не
знакомых нам форм жизни и в совершенно отличных от земных
условиях. На больших планетах, находящихся вне экосферы, не
достаток солнечного тепла может компенсироваться внутренним
теплом. А если предположить, что жизнь возможна без воды, при
других, заменяющих ее соединениях с более низкой температурой
замерзания, низкие температуры могут и не быть препятствием
для развития жизни.
Органические соединения, обнаруживаемые в метеоритах (вы
сокомолекулярные углеводороды, подобные земным углеводоро
дам озокерита, органические соединения, содержащие кислород),
позволяют надеяться на существование жизни на других плане
тах Солнечной системы, хотя нет сомнения, что высокоразвитая
жизнь в пределах Солнечной системы существует только на Земле.
Современные представления о происхождении Солнечной си
стемы.
Иммануил Кант (1755 г.) считал, что Солнечная система
возникла при эволюционном развитии холодной пылевой туман
ности, в центре образовалось Солнце, в периферийных частях —
планеты. Французский математик Лаплас (1796 г.) предполагал,
что первоначальная туманность была газовой, очень горячей и
быстро вращалась, причем от нее отделялись кольца — будущие
планеты (они образовались раньше Солнца). Гипотеза Канта —
Лапласа и сейчас не потеряла научного значения.
Большой вклад в развитие представлений о происхождении
планетной системы был сделан трудами О. Ю. Шмидта и его
последователей. Процесс формирования планетной системы из
холодного газово-пылевого облака в общем представляется доста
точно обоснованным.
На первом этапе во вращающемся газово-пылевом облаке шло
образование относительно крупных тел, промежуточных между
пылевыми частицами
и
планетами. Обладая значительно мень-
$3
шими скоростями, чем легкие газовые молекулы, пылинки соби
рались в центральной плоскости вращающегося облака. Посте
пенно расстояние между пылинками уменьшалось, взаимное
притяжение увеличивалось, образовывались сгущения пылевых
частиц, двигающиеся вокруг Солнца в направлении движения
облака. Со временем пылевые сгущения превратились в сравни
тельно крупные тела — малые планеты —
астероиды.
Более круп
ные тела притягивали мелкие и, постепенно увеличиваясь в раз
мерах, становились большими планетами. При этом происходило
гравитационное перераспределение вещества планеты под дей
ствием силы тяжести.
Увеличение размеров шло сначала сравнительно быстро за счет
присоединения захваченного в облаке вещества. Поздние планеты
продолжали «расти», но уже медленно, за счет прямого выпаде
ния вещества на их поверхности '.
Количественные расчеты показывают, что Земля могла достичь
современной массы приблизительно за 200 млн. лет. К концу этого
периода температура в центре планеты составляла примерно
+ 1300° С, но поверхность была холодной. Затем разогрев за счет
тепла радиоактивного распада привел к плавлению вещества
в недрах планеты, к его химической дифференциации.
Протопланетпое облако вследствие большого количества пыли
было малопрозрачно для солнечного излучения. Поэтому часть
облака, находившаяся ближе к Солнцу, сильно нагревалась, в то
время как удаленные от Солнца части его имели очень низкую
температуру.
Вследствие постепенного рассеивания газов близ Солнца могли
существовать только частицы из нелетучих, тугоплавких соедине
ний. Здесь образовались планеты типа Земли. Вдали от Солнца
в условиях низкой температуры газы намораживались на холод
ные пылевые частицы, увеличивая их объем. В этой части облака
формировались планеты-гиганты.
Небольшие размеры Плутона можно объяснить его «крайним»
положением в планетной системе. Но как можно объяснить выяв
ляющиеся при более близком знакомстве с этой планетой основа
тельные отличия ее от соседних планет, пока неясно.
Очень важный вопрос о происхождении самого протопланет-
ного облака еще далек от решения. Предположение О. Ю. Шмидта
о захвате газово-пылевого облака Солнцем оказалось несостоя
тельным. Наиболее вероятно одновременное возникновение всей
Солнечной системы. Возможно, оно связано со взрывом.
Процесс выпадания вещества из Космоса на Землю происходит и сей
час. Земля при своем движении вокруг Солнца захватывает встречающиеся
ей частицы, и они, оседая, увеличивают ее массу в среднем величиной
в
Ю млн. т (10
13
г) в год. По сравнению с массой Земли (5,8 10
27
) эта ве
личина очень мала, но по сравнению с массой земной коры (2 • 10
25
г) ее
значение возрастает.
2 Н. П. Неклюкова-- Ж6
Ш
Земля — одна из планет Солнечной системы, возникшая вместе
с ней, подчиняющаяся действующим в этой системе закономер
ностям, но в то же время имеющая ряд своих особенностей и
потому единственная обитаемая планета Солнечной системы.
Чтобы понять всю сложность земных явлений и процессов,
представить себе ее будущее, человечеству необходимо знать
о Земле как можно больше. Не рассматривая Землю как часть
Вселенной, достичь этого невозможно.
ЗЕМЛЯ
ФИГУРА И РАЗМЕРЫ ЗЕМЛИ
Правильное представление о фигуре и размерах Земли созда
валось постепенно, на основе наблюдений и расчетов.
Распространенное в древности представление о Земле как
о выпуклом диске объясняется тем, что люди видели, что линия
горизонта образует окружность; они наблюдали, как постепенно
скрываются за горизонт или, наоборот, появляются из-за гори
зонта суда. Почти за семь веков до нашей эры стало известно,
что Земля круглая, и уже тогда предпринимались попытки изме
рить ее. В IV в. до н. э. Аристотель собрал имевшиеся к тому
времени доказательства шарообразности Земли, дополнил и обо
сновал их', Но II в. до н. э. Эратосфен Киренский, измерив
отрезок (дугу) меридиана между Асуаном (Сиеной) и Алексан
дрией в градусах (угловое расстояние) и на местности, вычислил,
что длина одного градуса меридиана равна 110,6 км. Это очень
близко к действительной средней его величине (111,2 км).
Со временем появлялись новые доказательства шарообразно
сти Земли, например кругосветные плавания
2
, совершенствова
лись методы определения углов и применялись новые методы из
мерения расстояний на местности. Применение метода триангу
ляции
3
с использованием более совершенных приборов позволило
французскому ученому Жану Пикару произвести в 1669—1670 гг.
наиболее точные из всех до того произведенных измерения вели
чины градуса меридиана. Радиус Земли оказался равным
1
Важнейшие проведенные Аристотелем доказательства: круглая тень
Земли при затмениях, изменение вида звездного неба для наблюдателя, пе
ремещающегося по земной поверхности.
2
Одно кругосветное плавание доказательством шарообразности Земли
еще не является. Чтобы доказать, что Земля шар, надо «обойти» ее кру
гом много раз и в разных направлениях. Но как дополнительное доказа
тельство оно имеет значение.
3
Триангуляция
— метод определения расстояний посредством изме
рения углов в треугольниках, специально разбиваемых на местности, и вы
числения ЕХ сторон. Измерение расстояний на местности сводится к изме
рению длины одной из сторон треугольника — базиса. Метод триангуляции
применил впервые голландец В. Снеллий в 1615 г. Подробно он рассматри
вается в курсе картографии с основами топографии.
И
6371,7 км. Однако вскоре появилось доказательство того, что Земля
не шар и что предположение И. Ньютона об обязательном откло
нении фигуры вращающегося тела от шара верны. Об этом свиде
тельствовал известный опыт Рише ' с часами (1672 г.), маятник
которых в Париже (48° 51' с. ш.) качался быстрее, чем в Кайепе
(4° 56' с. ш.). Чтобы в Кайепе часы шли так же, как в Париже,
потребовалось укоротить маятник. Замедление качания маятника
при перемещении его из умеренных широт в экваториальные
можно было объяснить увеличением в этом направлении расстоя
ния его от цег/гра Земли.
Ньютон не только объяснил причину сжатия Земли, но и вы
числил его. По расчетам Ньютона, полярная полуось Земли на 24 км
короче экваториальной
2
.
Земля могла быть шаром только в том случае, если бы не вра
щалась. Тогда в результате взаимного притяжения все земные
частицы расположились бы равномерно вокруг общего центра при
тяжения — центра фигуры. Сила притяжения на поверхности
шара везде одинакова и направлена к центру. Это поверхность
равновесия. При вращении тела возникает центробежная сила,
пропорциональная квадрату скорости вращения и обратно пропор
циональная расстоянию от оси вращения
[wj-
Направление
центробежной^ силы перпендикулярно оси вращения. На полюсе,
где скорость вращения равна 0, центробежная сила тоже 0; на
экваторе, где скорость вращения максимальная (для Земли
464 м/сек), она наибольшая.
Центробежная сила уменьшает силу притяжения. Равнодей
ствующая двух этих сил называется
силой тяжести.
От полюсов
к экватору сила тяжести убывает
3
. На полюсах и на экваторе
направление ее совпадает с направлением радиуса (т.е. к центру
фигуры). Между полюсом и экватором такого совпадения нет.
Равновесие поверхности нарушается, стремление к его восстанов
лению вызывает перемещение масс в сторону экватора. Это пере
мещение должно продолжаться до тех пор, пока поверхность
снова не станет уравненной (перпендикулярной направлению
силы тяжести). «Отток» масс от полюсов и «приток» их к экватору
вызовут опускание поверхности (сокращение радиуса) в первом
случае и поднятие ее (удлинение радиуса) во втором. Возникает
сжатие, и фигура превращается в эллипсоид вращения.
Сокращение на полюсе расстояния от поверхности до центра
в результате перетекания масс увеличивает силу тяжести; на
экваторе, наоборот, происходит ее уменьшение. Изменение силы
1
Рише
— французский астроном.
Примерно в одно время с Ньютоном сжатие Земли вычислил голланд
ский ученый X. Гюйгенс.
3
Силу тяжести измеряют ускорением см/сек
2
, которое получает сво
бодно падающее тело в первую секунду своего падения. Па экваторе уско
рение силы тяжести 978,05 см/сек
2
, на полюсе 978,04 см/сек
2
.
2*
Зэ
Рис. 4. Фигура Земли. Сплошные линии — перпендикуляры к поверхности
земного эллипсоида. Пунктиром показано направление отвесов, перпенди-
,
кулярных к поверхности геоида. 1 — массы над геоидом, 2 — море, 3 — тяже
лые массы
1 1
тяжести между полюсами и экватором равно т™, причем g^s при
ходится на перетекание масс и изменение расстояния относи
тельно центра'.
Каждое изменение скорости вращения Земли должно отра
жаться на степени ее полярного сжатия (в зависимости от
состояния перетекающих масс). Фигуры планет соответствуют
скорости их вращения. При увеличении скорости осевого движе
ния в 17 раз (один оборот за 1,4 ч) наша планета должна бы
разлететься на куски.
Эллипсоид вращения — фигура правильная, возникающая
при вращении тела, обладающего однородностью или равномер
ным распределением плотности. Так как Земля таким телом не
является, ее уровенная поверхность не может совпадать с по
верхностью эллипсоида. Уровенных поверхностей можно про
вести на разных уровнях множество. Пересекаться они не могут,
но расстояние между ними может быть и больше и меньше,
в зависимости от напряженности поля силы тяжести. Та из них,
которая ближе всего к поверхности земного эллипсоида, является
поверхностью геоида. Геоид — условное наименование истинной
фигуры Земли, предложенное в 1873 г. немецким ученым
И. Листингом («геоид» — землеподобный). Отклонение поверх
ности геоида от поверхности эллипсоида только в крайних слу
чаях превышает ± 1 0 0 м. Геоид не представляет собой правиль-
1
Топ =0,6% полной величины силы тяжести; значит, гиря, вес кота-
рой на полюсе равен 1 кг, на экваторе весит 994 г,
36
яого геометрического тела. Чтобы установить его форму, необхо
димы непосредственные измерения, тогда как в отношении
эллипсоида для этого достаточно измерить кривизну по одному
меридиану.
Поверхность геоида совпадает со спокойной поверхностью
Океана, на материках же она может быть определена прибли
женно по результатам измерений силы тяжести. Действующие
на земную поверхность силы — как внутренние, так и внешние —
вызывают ее отклонение от уровенной поверхности. С прекраще
нием их действия водная поверхность быстро принимает положе
ние уровенной, поверхность же суши выравнивается сравнительно
медленно. Та поверхность, которую мы видим, осложнена воз
действием внешних и внутренних процессов и представляет собой
так называемую
истинную физическую поверхность Земли.
Она
отступает от поверхности эллипсоида в отдельных местах на не
сколько километров.
Сила тяжести все время направлена на то, чтобы выровнять
истинную физическую поверхность, привести ее в соответствие
с уровенной поверхностью. Но и ПОВЕРХНОСТЬ геоида не остается
неизменной: на нее влияют изменения скорости вращения Земли
и перераспределение земных масс.
Геоид оч\
ч
нь близок к эллипсоиду со сжатием 1 : 298,2. Откло
нения его от эллипсоида носят закономерный характер. Оказы
вается, в области северного полюса геоид на 20—30 м выше над
эллипсоидом, чем в области южного полюса. Дальше всего от
эллипсоида отстоят участки в экваториальном поясе под
6—10° з. д., 174—170° в. д. В этом направлении расположена
большая экваториальная ось геоида. Выяснили, что геоид ближе
не к двух-, а трехосному эллипсоиду, имеющему не только по
лярное, но и экваториальное сжатие '.
Размеры земного эллипсоида:
экваториальный радиус (большая полуось)
а
= 6378,245 км;
полярный радиус (малая полуось)
Ъ
= 6356,863 км;
средний радиус = 6371,110 км;
1
полярное сжатие =
-кщ
,^ (21,36 км);
1
экваториальное сжатие = п ^ т ^ ( 2 1 3 м);
длина меридиана = 40 008,550 км;
длина экватора = 40 075,696 км;
площадь поверхности Земли = 510,10
6
км
2
;
объем Земли= 1,083-10
12
км
3
.
Приведенные размеры Земли приняты в СССР. Обладающий
им трехосный эллипсоид назван эллипсоидом Ф. Н. Красовского.
' В уточнении фигуры и размеров Земли большая роль принадлежит
искусственным спутникам.
31
Географическое значение фигуры и размеров Земли очень
велико. Фигура Земли обусловливает закономерное уменьшение
угла падения солнечных лучей на земную поверхность в направ
лении от экватора к полюсам. Следствием является убывание
в том же направлении количества солнечной энергии, получае
мой земной поверхностью, и связанная с этим важнейшая зако
номерность географической оболочки — широтная зональность
1
.
Размеры Земли определяют размеры географической обо
лочки, пространственные масштабы происходящих в ней про
цессов.
СТРОЕНИЕ ЗЕМЛИ
Земля имеет оболочечное строение: вокруг ядра распола
гаются более или менее правильные концентрические слои —
оболочки, обладающие каждая характерными для нее составом
и свойствами. Внешняя газовая оболочка Земли —
атмосфера,
заключающая всего 5,1 10
15
т вещества (около миллиардной
части массы Земли); резкой верхней границы атмосфера не
имеет. При определении размеров и средней плотности Земли
эта оболочка во внимание не принимается. Жидкая земная обо
лочка —
гидросфера
имеет массу 1,4 • 10
18
т. Средняя толщина
ее около 4000 км. Твердое тело Земли доступно непосредствен
ным наблюдениям до ничтожно малой по сравнению с земным
радиусом глубины — 8 км. По данным сейсмических, гравита
ционных, магнитных, электромагнитных, термических, ядерных
и других исследований Земля имеет ядро (16% объема и 31,5%
массы Земли), заключенное в мощную оболочку — мантию (83%
объема и 67% массы Земли), на поверхности которой — тонкая
земная кора (объем 1,2%, масса 0,5%).
Земная кора
отделена от мантии разделом Мохоровичича
2
.
Раздел Мохоровичича под высокими горами опускается на глу
бину до 80 км, под равнинами залегает сравнительно ровно на
глубине 30—40 км, под океанами поднимается до 10 км. В сред
нем толщина земной коры под океанами раз в пять меньше, чем
па континентах. Различие океанической и континентальной
коры не только в толщине ее. Океаническая кора двухслойная:
слой пород, близких по составу к базальтам (средняя плотность
около 2,85 г/см
3
), почти всюду покрыт осадочными породами.
В континентальной коре между базальтовым слоем и осадоч
ными породами — слой гранитный, т. е. она трехслойная.
1
Зональность определяется не только шарообразностью Земли, но и
обращением ее вокруг Солнца при определенном наклоне оси вращения
к орбите.
' А. Мохоровичич
— югославский ученый, обнаруживший этот раздел.
3S
Земная нора Астеносфера и глубо
кие вулканические
очаги
п
»отнп„
т
4*вр„
ir*r.
•Внутреннее ядро
6
о о о | р е о
0
Рис. 5. Внутреннее строение Земли
Мантия
располагается
ниже раздела Мохоровичича
до глубины 2900 км. Уче
ные предполагают, что тем
пература мантии от 100—
150° С на поверхности до
3800°С на границе ядра.
Плотность вещества с глу
биной непрерывно возраста
ет: от 3,5 г/см
3
до 5,2 г/см
3
.
В верхней мантии на глуби
не 100—200 км под конти
нентами и 50—60 км под оке
анами находится
астеносфе
ра
(слабая сфера). Темпера
тура в астеносфере близка к
температуре плавления, но
большое давление не позво
ляет веществу расплавиться.
Имея повышенную вязкость,
это вещество под давлением
может медленно течь. Лежа
щие выше астеносферы слои:
самая верхняя сложенная
кристаллическими породами часть мантии и земная кора вме
сте получили название
литосферы
(каменной сферы). Разделен
ная разломами на плиты, литосфера может перемещаться вместе
с «текущей» астеносферой. По разломам, раздвигая плиты, ве
щество астеносферы местами поднимается к поверхности
. о о , Т
Ядр
°
(Р
а
Д
и
У
с о к о л о 3 5
° 0 км) имеет плотность
14,6
г/см , температуру 4000—5000° С, давление достигает 3,6 млн.
атм. В ядро выделяют: внешнее ядро, промежуточную зону и
внутреннее ядро радиусом 1280 км. Предполагают, что внешнее
ядро жидкое, внутреннее — твердое.
Возникнув так же, как все планеты Солнечной системы, Земля
непрерывно перестраивалась: вещество изменялось, перемеща
лось, происходило расслоение его. Процессы эти не закончились.
ини происходят с выделением и поглощением огромного коли
чества энергии. Внутри Земли энергия может выделяться в ре
зультате распада радиоактивных элементов, уплотнения вещества
-земли при сжатии ее, гравитации. Это может быть ядерная энер
гия, энергия деформированных атомов. За счет этой энергии внут
ренние части Земли имеют высокую температуру. Земное тепло
в количестве 2-Ю
2 0
кал в год уходит через поверхность. От коли
чества солнечного тепла, поступающего за год на земную поверх-
ость, оно составляет всего '/юоо, но тот факт, что тепло поступает
географическую оболочку не только сверху, но и снизу, очень
важен для совершающихся в ней процессов.
А
От плотности вещества, от массы планеты зависит сила зем
ного притяжения. Если бы Земля была менее массивна, она
не могла бы удержать такие, как имеет сейчас, газовую и водную
оболочки. Будь она значительно массивнее, на ней удержива
лись бы в большом количестве такие газы, как водород, метан, —
иными были бы состав и мощность атмосферы.
Оболочечное строение Земли, соприкосновение и взаимопро
никновение различных по составу вещества оболочек в наруж
ной части, планеты, доступ через прозрачную атмосферу солнеч
ных лучей в слой их контакта обусловили возникновение
комплексной оболочки, в которой как новый компонент ее заро
дилась и развилась жизнь.
ДВИЖЕНИЯ ЗЕМЛИ И ИХ СЛЕДСТВИЯ
Земля одновременно участвует в ряде движений. Она вра
щается вокруг своей оси, обращается вокруг Солнца, около об
щего с Луной и около общего для всей Солнечной системы
центров тяжести, в составе Солнечной системы перемещается
вокруг ядра Галактики, движется вместе со всей Галактикой во
Вселенной. Но главные с точки зрения влияния на происходя
щие на Земле процессы — осевое и орбитальное движения нашей
планеты. Поскольку все движения происходят одновременно,
влияния их переплетаются.
Осевое вращение Земли. Если смотреть на Землю со стороны
северного полюса, Земля, вращаясь с запада на восток, про
тив часовой стрелки, совершает полный оборот вокруг оси за
23 ч 56 мин '. Угловая скорость вращения всех точек Земли оди
накова (15°/ч). Линейная скорость вращения зависит от того
расстояния, которое должна пройти точка за период суточного
вращения Земли. Неподвижными на поверхности Земли остаются
только точки выхода воображаемой оси — географические полюсы
(северный и южный). С наибольшей скоростью (464 м/сек) вра
щаются точки на линии экватора.
Экватор
— большой круг, об
разованный пересечением Земли на расстоянии, равном от обоих
полюсов, плоскостью, перпендикулярной оси вращения. Если
мысленно пересечь Землю рядом параллельных экватору пло
скостей, на земной поверхности появятся
параллели
— линии,
имеющие направление запад — восток. Длина параллелей от
экватора к полюсам уменьшается, соответственно уменьшается
и линейная скорость их вращения. Линейная скорость вращения
всех точек на одной параллели одинакова.
1
Скорость осевого вращения Земли не остается неизменной. На нее
оказывают влияние, например, перемещения атмосферы и гидросферы в за
висимости от сезонов, перераспределение масс внутри Земли и т. д.
Ш
При пересечении Земли пло
скостями, проходящими через
ось вращения Земли, на ее по
верхности возникают
мериди
аны
(от лат. meridianus — полу
денный) — линии, имеющие на
правление север — юг. Линей
ная скорость вращения всех
точек на одном меридиане раз
лична и от экватора к полюсам
уменьшается.
Наглядным доказательством
осевого вращения Земли слу
жит известный опыт с качаю
щимся маятником (опыт Фу
ко) '. Рис. 6. Маятник Фуко
По законам механики всякое
качающееся тело стремится сохранить плоскость качания. Сво
бодно подвешенный качающийся маятник не меняет плоскости
качания, а вместе с тем, если на поверхности Земли под таким
маятником поместить круг с делениями, окажется, что по отно
шению к этому кругу, по отношению к поверхности Земли положе
ние плоскости качания маятника изменяется. Это может про
изойти только вследствие того, что поверхность Земли под
маятником поворачивается. На полюсах кажущийся поворот
плоскости качания маятника составит 15° за час. На экваторе
положение плоскости качания маятника не изменяется, так как
она все время совпадает с меридианом; на промежуточных широ
тах кажущийся поворот плоскости качания равен 15° sin <p в час
(ф — географическая широта места наблюдения).
Осевое вращение Земли имеет очень важные следствия. Выше
уже рассматривались роль центробежной силы, возникающей
при вращении Земли, в формировании фигуры планеты, ее
значение как составляющей силы тяжести (стр. 35).
Отклоняющее действие вращения Земли. Одно из важней
ших следствий осевого вращения Земли — кажущееся отклоне
ние тел от направления их движения. По закону инерции всякое
движущееся тело стремится сохранить направление (и скорость)
движения относительно мирового пространства. Если движение
происходит относительно перемещающейся поверхности, в дан
ном случае вращающейся Земли, то наблюдателю, связанному
с этой поверхностью, кажется, что тело меняет направление сво
его движения. В действительности оно продолжает двигаться
в заданном направлении, не отклоняясь, поверхность же под ним
1
Французский ученьш Фуко в 1851 г. впервые провел наблюдения
с качающимся маятником, подвешенным в Пантеоне, в Париже.
41