4.2. Геофизическое строение и эволюция Земли

Земля по форме представляет собой эллипсоид вращения, сплюснутый в направлении полюсов (геоид), большая полуось которого составляет 6378 км, малая полуось 6357 км. Масса Земли средняя плотность вещества Земли 5,5 г/см³. Благодаря гравитационному полю Земля удерживает вокруг себя атмосферу, масса которой оценивается в

Вращение Земли вокруг своей оси приводит к смене дня и ночи. В настоящее время период вращения Земли, т.е. сутки, составляет 23 ч 56 мин. 4,1 с. Обращение Земли вокруг Солнца приводит к смене времен года, продолжительность которого 365,24 суток. Гравитационное притяжение Луны создает приливное движение атмосферы и водной оболочки планеты, а также приводит к деформации «твердой» Земли. В земной коре максимальное приливное смещение достигает до 43 см, в открытом океане до 1 м, а в атмосфере вызывает изменение давления почти на 10 мм. рт. ст. Трение, обу-словленное приливным движением, приводит к потере энергии системы Земля-Луна, в результате чего вращение Земли замедляется, а Луна удаляется от Земли. По данным геологических исследований «колец» древних кораллов, 500 млн. лет назад длительность суток на Земле составляла 20,8 часа. Гравитационное влияние Луны, Солнца и других планет вызывает периодические изменения орбиты и наклона оси Земли, что является одной из основных причин многовекового изменения климата.

Согласно современным космологическим представлениям Земля образовалась около млрд. лет назад путем гравитационной конденсации из рассеянного в околосолнечном пространстве газопылевого облака, содержащего все известные в природе химические элементы. Под действием гравитационного сжатия, а возможно и за счет теплоты, выделяющейся при распаде радиоактивных элементов (урана, тория, калия), происходил постепенный разогрев земных недр. За счет гравитационного поля первичное вещество нашей планеты сжималось, принимало форму шара, недра которого разогревались до 5000 К и выше. Происходили процессы перемещения вещества: более легкие породы выдавливались из глубины на поверхность и образовывали земную кору, тяжелые опускались к ядру. Разогрев сопровождался бурной вулканической деятельностью: пары, газы и расплавленная магма вырывались наружу, рождая гидросферу и атмосферу; постепенно Земля остывала, появились облака, водяные пары конденсировались в океан. В результате образовались различные по химическому составу, агрегатному состоянию и физическим свойствам геосферы: ядро (в центре), мантия, земная кора, гидросфера, атмосфера и магнитосфера.

Ядро Земли, по данным сейсмических исследований, твердое в центре (шар радиусом 1217 км с плотностью около 13 г/см³) и жидкое снаружи. Радиус всего ядра 3476 км, а плотность жидкости на его внешней границе 9,9 г/см³. Твердая часть ядра состоит преимущественно из железа и никеля, а жидкая – из оксида и сульфида железа. Температура ядра По мере продвижения к центру ядра температура возрастает, однако из-за высокого давления вещество там остается в твердом состоянии.

Мантия – это твердая оболочка, окружающая ядро, толщиной около 2900 км, ее плотность на границе с ядром примерно равна 5,5 г/см³, а на внешней границе с земной корой г/см³.

Земная кора – это внешняя оболочка твердой Земли. Она имеет толщину от 8 до 10 км под океаном и до 70 км в горных районах.

Литосфера Земли – это земная кора и часть верхней мантии глубиной примерно до 80 км в океане и около 150 км под континентами. Согласно современной геофизической теории строения Земли, литосфера расколота на большие плиты до нескольких тысяч километров в поперечнике, ограниченные со всех сторон сейсмически и тектонически активными зонами разломов. Под твердой литосферой расположен слой мантии повышенной текучести (астеносфера), в которой из-за высокой температуры ( ) вещество находится в частично расплавленном состоянии (магма). Под влиянием конвективных потоков тепла и вещества от центра Земли к поверхности, литосферные плиты перемещаются по астеносфере, что приводит к дрейфу материков. Скорости перемещения плит небольшие и составляют около 3–5 см в год, однако в масштабах геологической истории, где время измеряется тысячами и миллионами лет, перемещение литосферных плит приводит к изменению географических очертаний материков и их взаимного расположения, а также изменяет циркуляцию вод Мирового океана и, как следствие, изменяет климат планеты.

При движении плиты могут как расходится друг от друга, так и сталкиваться между собой. По данным геофизических исследований, на дне Атлантического океана в Срединно-океаническом хребте идет процесс наращивания литосферных плит за счет вещества, поднимающегося из мантии, в результате чего Европейский и Американский континенты всего за 2000 лет удалились друг от друга на 80 м. В глубоководных желобах Индийского и Тихого океанов океаническая плита погружается под континентальную, поглощается мантией и расплавляется до состояния магмы, часть которой выталкивается на поверхность, создавая цепи островов вулканического происхождения. Считают, что именно так возникла Япония, Филиппины, Индонезия и целый ряд других островов. Образование горных систем Земли, таких как Гималаи, Альпы, Анды, Кавказские горы и др., также связывают с перемещением плит и континентов. При столкновении литосферных плит создаются огромные давления, под действием которых вещество выдавливается вверх на многие сотни и тысячи метров, образуя горы. Подтверждением того, что горные массивы были некогда морским дном, являются найденные высоко в горах окаменевшие ракушки, морские отложения и т.д.

В результате сближения литосферных плит, примерно 5 млн. лет назад, соединились между собой континенты Северной и Южной Америки. Образовавшийся между ними Панамский перешеек шириной около 40 км перекрыл циркуляцию вод Атлантического и Тихого океанов. Это повлияло на формирование течения Гольфстрим, которое стало переносить теплые воды Атлантического океана от экваториальных широт к приполярным, что значительно смягчило климат Европейского континента.

Наблюдаются и вертикальные перемещения земной поверхности. Установлено, что в последнее столетие поднимаются Исландия, Швеция, Канада и Антарктида, а экваториальная Африка и Америка опускаются.

Места столкновений и поддвигания литосферных плит друг под друга (субдукция) являются очагами тектонических землетрясений и цунами. Причиной землетрясений являются также процессы, происходящие в недрах Земли, вызываемые высокими температурами и давлениями. В ряде случаев эти процессы приводят к извержению вулканов, сопровождающихся землетрясениями и выбросом пепла, газов, горных пород и магмы.

Слабые землетрясения и цунами – явления довольно частые на нашей планете. Например в Японии землетрясения иногда регистрируются по 3 раза в день. Как говорят сами японцы «землетрясение на завтрак, обед и ужин». Однако иногда землетрясения и цунами бывают разрушительной силы, что приводит к большим человеческим жертвам и разрушениям. Так, сравнительно недавно, в 1988 г. в Армении в результате землетрясения погибло более 25 тысяч человек, 31 тысяча человек получили ранения, полностью разрушен город Спитак. 26 декабря 2004 г. в Индийском океане цунами унесло жизни более 200 тысяч человек, смыло все с побережья и островов между Индокитаем и Индонезией. К потенциально опасным зонам (зонам возможных землетрясений) относятся активные участки Тихого и Индийского океанов, где океанические плиты погружаются под континентальные. Высокосейсмичным регионом является также Альпийско-Гималайский горно-складчатый пояс, который простирается от Гибралтара до Памира через Альпы, Балканы, Кавказ, Иран.

Точно предсказать, когда и где произойдет очередное землетрясение или цунами, наука пока не может. Ученые проводят тщательное отслеживание и картографирование подземной активности, выдвигают гипотезы о частотности крупных землетрясений, пытаются разработать методы их прогнозирования. Полагают, что проводимые в настоящее время исследования зависимости характера колебаний магнитного поля Земли от изменений состояния земной коры позволят получать сигналы о надвигающихся землетрясениях.

Гидросфера Земли – это все воды планеты. По оценкам масса всей воды на Земле составляет около кг. Она занимает примерно 2/3 поверхности планеты. Основная доля общего объема воды, около 94%, сосредоточена в водах Мирового океана, т.е. морях и океанах; 4% заключено в подземных резервуарах; около 2% составляют пресные воды рек, озер, болот и ледников; небольшое ее количество содержится в виде водяного пара в атмосфере.

Мировой океан – это непрерывная водная оболочка Земли, окружающая материки и острова. Океан делится материками на 4 части: Тихий, Атлантический, Индийский и Северный Ледовитый океаны. Средняя глубина океана около 3800 м, наибольшая 11 022 м в Марианской впадине Тихого океана. Среднегодовая температура поверхностных вод океана у экватора 28 ⁰С, а по мере продвижения к полюсам она постепенно понижается до 0 ⁰С и ниже. Самым теплым является Тихий океан, в нем средняя температура 19,4 ⁰С, а в самом холодном, Северном Ледовитом океане, только 0,75 ⁰С.

В водах Мирового океана содержатся почти все химические элементы, известные в природе, причем примерно 99,5% из них приходится на долю кислорода, водорода, натрия и хлора. Современный солевой состав формировался на протяжении всей геологической истории океана. К основным факторам, определившим состав морской воды, относятся: химическая эрозия береговой линии и донного основания; извержения поверхностных и подводных вулканов; растворение газов из прилежащих слоев атмосферы; сток речных вод; продукты жизнедеятельности морских организмов. Морские течения связывают все части Мирового океана в единое целое, вследствие чего воды океанов и морей перемешиваются и обладают общими физико-химическими свойствами.

Мировой океан играет огромную роль в жизни Земли. Он служит основным приемником солнечной энергии нашей планеты, поглощая до 92% падающего светового потока. Вследствие большой теплоемкости воды, океан является основным фактором, смягчающим суточные и сезонные колебания температуры как окружающего пространства, так и планеты в целом. Летом морские воды нагреваются даже в умеренных и полярных широтах, а зимой отдают накопленное тепло. Экваториальные теплые воды круглый год переносятся морскими течениями к полярным широтам и обогревают их, а холодные воды возвращаются к тропикам в противотечениях. Таким образом океан смягчает климат Земли и участвует в формировании погоды.

Особенно важно значение океана для существования самой жизни на Земле. Океан является не только средой обитания бесчисленного множества морских животных, рыб, моллюсков, микроорганизмов, водорослей и т.д., но и обеспечивает влагой материки. Вода, испаряясь с поверхности океана, конденсируется в облака и разносится ветрами по континентам. Выпадая в виде осадков, она вместе с внутренними водоемами и грунтовыми водами обеспечивает условия, необходимые для роста и развития растений, животных и всех живых организмов. Во внутриконтинентальных районах, недоступных для морских ветров и осадков, внутренние водоемы рано или поздно пересыхают и местность становится безжизненной пустыней, что наблюдается в центральной части Австралии, Азии, Африки и Америки. Жизнь возможна только там, где есть вода, поскольку все биохимические жизненные процессы в растениях и животных протекают с ее участием.

По оценкам специалистов перенос водяного пара с океанов на континенты численно равен стоку рек, впадающих в океан, что говорит о стабильности гидросферы (пока).

Атмосфера – это газообразная оболочка Земли, которая вращается вместе с ней и простирается в высоту примерно до 2000 км. Давление и плотность атмосферы довольно быстро убывают с высотой. У поверхности Земли атмосферное давление равно 10⁵ Па или 1 атмосфера (1 атм =760 мм. рт. ст.), а на высоте 500 км оно составляет всего Па, что соответствует глубокому вакууму. Это позволяет космическим кораблям, искусственным спутникам и орбитальным космическим станциям двигаться на этих высотах, практически не испытывая трения.

Химический состав атмосферы формировался в процессе эволюции Земли. Зарождалась атмосфера из газов, выбрасываемых из земных недр в процессе активной вулканической деятельности ранней Земли. В связи с этим считается, что первичная атмосфера была безкислородной и состояла из типичных вулканических газов: азот, аммиак, метан, водяной пар, оксид и диоксид углерода, водород. Под действием радиации молекулы воды разлагались на водород и кислород. Частично кислород связывался оксидом углерода, а частично превращался в озон.

Появившиеся на Земле около 3,5 млрд. лет назад сине-зеленые водоросли, а затем растения, стали в процессе фотосинтеза наполнять атмосферу кислородом. Современный состав атмосферы сформировался примерно 200 млн. лет назад и сохраняется до настоящего времени.

Состав земной атмосферы неоднороден и существенно изменяется с высотой. Сухой атмосферный воздух у поверхности Земли содержит 78,08% азота, 20,95% кислорода, 0,93% аргона, около 0,03% углекислого газа и менее 0,1% составляют вместе водород, неон, гелий, метан, а также техногенные газы. В слое атмосферы до высоты примерно 100 км, где за счет движения воздушных масс происходит интенсивное перемешивание, относительный состав воздуха не изменяется. В более высоких слоях атмосферы происходит гравитационное разделение газов в соответствии с их молекулярной массой. Примерно до высоты 200 км основным компонентом воздуха является азот, выше начинает превалировать атомарный кислород. На высоте 600 км основным компонентом становится гелий, а в слое от 2000 км и выше – водород, который образует так называемую «водородную корону». В атмосфере Земли содержится примерно кг воды. Основная масса атмосферной воды в виде пара, взвешенных капелек воды и кристалликов льда сосредоточена в нижних слоях атмосферы (тропосфере) и очень быстро убывает с высотой. Во влажном воздухе содержание водяного пара колеблется от (3–4)% в тропиках до % в Антарктиде.

В атмосфере Земли с высотой изменяется не только состав, но и температура, причем изменение температуры носит существенно нелинейный характер, в результате чего атмосфера имеет слоистое строение. И хотя границы между слоями условны и подвижны и могут изменяться даже со сменой времен года, все же в атмосфере выделяют три основных слоя – это тропосфера, стратосфера и ионосфера, которые различаются составом, температурой и физико-химическими свойствами.

Тропосфера – это слой атмосферы, прилегающий к поверхности Земли и простирающийся в высоту до (16–18) км в тропиках и до (8–10) км в полярных широтах. В тропосфере содержится около 80% всей массы атмосферы и основная масса атмосферной воды. Температура тропосферы понижается с высотой в среднем на 6 ⁰С на каждый 1 км высоты. Поэтому пары воды, поднимаясь в верхние слои тропосферы, охлаждаются, конденсируются и собираются в облака и тучи. Между тропосферой и поверхностью Земли происходит непрерывный обмен энергией (теплообмен) и веществом (вода и газы). В результате этих процессов в разных точках планеты, таких как моря и суша, полюса и тропики, горы и низменности, атмосфера нагревается не одинаково и имеет разную влажность и плотность. Это приводит к неравномерному распределению атмосферного давления, как по поверхности Земли, так и по высоте самой атмосферы. Возникающие за счет этого в атмосфере устойчивые перепады давлений, хотя бы на какой-то период времени, вызывают движение воздушных масс, т.е. ветер. На эти движения накладывается вращение самой атмосферы вместе с Землей, поэтому преобладают ветра циркуляционного типа: циклоны, антициклоны, тайфуны, вихри и т.д. Циркуляция атмосферы приводит к ее перемешиванию и переносу тепла и влаги; сглаживает региональные и зональные перепады температур, влажности и состава воздуха, т.е. является одним из основных погодообразующих процессов. Иногда в атмосфере создаются условия, рождающие ураганы, тайфуны и штормы разрушительной силы. Современные спутниковые системы наблюдения позволяют проследить их формирование и развитие, однако предотвратить и остановить их наука пока не в состоянии. Таким образом, именно в тропосфере создаются облака, проливаются дожди и формируется погода.

Стратосфера – это слой атмосферы, расположенный над тропосферой и простирающийся до высоты (55–60) км. От тропосферы она отделена тропопаузой с температурой около –60 ⁰С. В стратосфере содержится около 20% атмосферной массы и почти весь озон атмосферы. Он образует практически сплошной озоновый слой с максимальной концентрацией на высоте около 25 км. Озон активно поглощает ультрафиолетовое излучение в диапазоне от 0,3 до 0,18 , а волны длиной от 0,18 до 0,1 , доля которых в солнечном спектре невелика, поглощаются азотом и молекулярным и атомарным кислородом, поэтому ультрафиолетовое излучение практически не доходит до Земли и биосфера оказывается защищенной от его губительного воздействия. При существующей естественной концентрации озона, установившейся в результате длительной эволюции биосферы, небольшая доля ультрафиолета пропускается озоносферой к Земле и оказывает благоприятное воздействие на живые организмы, способствуя выработке у них витамина Д (кальциферола). Интенсивное поглощение озоном ультрафиолетового излучения приводит к повышению температуры в стратосфере и на высоте 50–55 км она возрастает почти до 0 ⁰С.

Выше стратосферы расположена мезосфера (до 80 км), термосфера (от 80 до 1000 км) и экзосфера (выше 1000 км). Их общая масса не превышает 0,5% массы атмосферы. В экзосфере воздух так разрежен, что молекулы газа движутся, практически не сталкиваясь между собой. Значимую роль для планеты играет термосфера, которую из-за состава газа чаще называют ионосферой.

Ионосфера простирается в высоту от 80 км до 800–1000 км. Она первой принимает на себя потоки космических лучей и солнечного ветра и частично поглощает и задерживает их. В результате молекулы ионосферы ионизируются, а температура повышается от 0 ⁰С на нижней границе до 1000 К в верхних слоях. Основной состав ионосферы – это азот, кислород, гелий, ионы различных сортов и свободные электроны, т.е. ионосферная плазма. Благодаря высокой электропроводности ионосфера обладает способностью отражать электромагнитные волны радиодиапазона, что используется для создания ионосферной радиосвязи, имеющей важное значение для космонавтики. Вторжение в ионосферу космических заряженных частиц и солнечного ветра вызывает возмущение ионосферной плазмы, что сопровождается сложными электрическими и магнитными явлениями, а также свечением ионосферы и генерацией низкочастотных электромагнитных колебаний, которые негативно сказываются на живых организмах. В связи с развитием космонавтики, изучению ионосферы уделяют большое внимание, поскольку траектории полетов орбитальных космических станций проходят в границах ионосферы. Создана даже специальная служба радиационной безопасности полетов.

Вся атмосфера в целом защищает Землю от разрушительных метеоритных потоков. За счет трения большая часть из них сгорает в верхних слоях атмосферы и не долетает до поверхности Земли. Кроме того атмосфера, благодаря парниковым газам ( и др.), сохраняет тепло планеты. По оценкам на Земле, лишенной атмосферы, средняя температура поверхности была бы около –20 ⁰С, в действительности среднегодовая температура на нашей планете составляет 14,8 ⁰С.

Магнитосфера – это область околоземного пространства, физические свойства которого определяются магнитным полем Земли (геомагнитным) и его взаимодействием с потоками заряженных частиц космического и солнечного происхождения. Из-за давления солнечного ветра магнитосфера нашей планеты несимметрична. С солнечной стороны она простирается в высоту до 8–14 земных радиусов, а с ночной стороны образует шлейф до 1 млн. км.

Магнитосфера является для Земли своего рода «защитным экраном» от космических лучей. Благодаря свойствам магнитного поля, потоки заряженных космических частиц и солнечного ветра обтекают магнитосферу, а частично захватываются силовыми линиями (магнитными ловушками) и остаются в верхних слоях атмосферы, образуя полярные сияния и радиационные пояса Земли. Магнитосфера резко реагирует на проявление солнечной активности, которая сопровождается выбросом большого количества солнечной плазмы и магнитного поля. При больших солнечных вспышках часть солнечного ветра вторгается в магнитосферу и вызывает сложный комплекс процессов, называемый «магнитной бурей», – это искажение силовых линий магнитного поля Земли, нагрев и ионизация верхних слоев атмосферы (ионосферы), увеличение яркости полярных сияний, генерация низкочастотных электромагнитных колебаний и т.д. Благодаря магнитосфере вся эта «буря» протекает в верхних слоях атмосферы и только незначительная часть ее, сравнительно безопасная для живых организмов, доходит до поверхности Земли.

Происхождение геомагнитного поля Земли чаще всего связывают с конвективными токами в жидкой части ядра, однако в целом теория магнетизма нашей планеты еще не завершена, хотя некоторые ее положения считаются достаточно доказанными и установленными. Согласно данным палеомагнитных исследований, магнитное поле Земли существовало уже по крайней мере 2,5 млрд. лет назад (возраст Земли 4,6 млрд. лет).

Геомагнитное поле нашей планеты по форме силовых линий напоминает поле плоского магнита, точнее магнитного диполя. В настоящее время южный магнитный полюс Земли находится в северном полушарии, а северный полюс – в южном, при этом магнитная ось наклонена относительно географической на 11,5⁰. Установлено, что магнитная ось прецессирует (вращается) в западном направлении вокруг географической оси с периодом 1200 лет. Кроме того отмечено, что каждые примерно 10 000 лет величина магнитного поля изменя-ется в 1,5–2 раза. Более масштабные изменения магнитного поля, в 7–10 раз, наблюдаются с периодом около 10 млн. лет, причем в это время возможна инверсия магнитного поля, т.е. северный и южный полюса могут поменяться местами. Причина такого процесса пока не установлена, но факт смены полюсов магнитного поля Земли в ее геологической истории считают доказанным. Смена магнитных полюсов оборачивается для планеты глобальной катастрофой, поскольку в этот период разрушаются установившиеся взаимосвязи всех ее геосфер и снимается защитное действие магнитосферы. Это сопровождается резкими изменениями климата (возможно ледниковыми периодами) и всплеском мутаций в биосфере.

Все геосферы Земли находятся в тесном взаимодействии друг с другом и взаимозависимости друг от друга. Обмениваясь между собой веществом и энергией, они формируют и стабилизируют климат планеты и определяют существующие на ней геофизические условия.