II. Земля как планета.
З. - третья по расстоянию от Солнца большая планета Солнечной системы. Масса З. равна 5976·10 21 кг,что составляет 1/ 448долю массы больших планет и 1/ 330000массы 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 звёзд Солнце вместе с З. Движется со скоростью ~ 19,5 км/секв 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 -7в 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 её осевое вращение, и обращение Луны вокруг З.
Естественный спутник З. - Луна обращается вокруг З. по эллиптической орбите на среднем расстоянии 384 400 км(~60,3 среднего радиуса З.). Масса Луны составляет 1:81,5 долю массы З. (73,5·10 21 кг) .Центр масс системы Земля - Луна отстоит от центра З. на 3/ 4её 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. Приближённо 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.Объём, ограниченный этой поверхностью, считается объёмом З. (т. о., в него не входит объём той части материков, которая расположена выше уровня моря). Средним радиусом З. называют радиус шара того же объёма, что и объём 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 путём 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 её 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 её ось вращения сохраняет почти постоянное направление в пространстве. Это приводит к смене времён 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 радиус | 6378,160 км |
| Полярный радиус | 6356,777 км |
| Сжатие земного эллипсоида | 1:298,25 |
| Средний радиус | 6371,032 км |
| Длина окружности экватора | 40075,696 км |
| Поверхность | 510,2 Ч10 6 км 2 |
| Объём | 1,083 Ч10 12 км 3 |
| Масса | 5976 Ч 10 21 кг |
| Средняя плотность | 5518 кг/м 3 |
| Ускорение силы тяжести (на уровне моря) | |
| а) на экваторе | 9,78049 м/сек 2 |
| б) на полюсе | 9,83235 м/сек 2 |
| в) стандартное | 9,80665 м/сек 2 |
| Момент инерции относительно оси вращения | 8,104 Ч 10 37 кг Ч м 2 |
Период вращения З. систематически увеличивается под воздействием лунных и в меньшей степени солнечных приливов (см. Вращение Земли ). Притяжение Луны создаёт приливные деформации как атмосферы и водной оболочки, так и «твёрдой» З. Они направлены к притягивающему телу и, следовательно, перемещаются по З. при её вращении. Приливы в земной коре имеют амплитуду до 43 см,в открытом океане - не более 1 м, в атмосфере они вызывают изменение давления в несколько сот н/м 2(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/секза 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 её вращения и распределению внутренних масс. По-видимому, это объясняется высокой вязкостью земных недр, приводящей к тому, что при замедлении вращения З. её 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 ~11 смв год, см. Полюсы географические ) .
Б. Ю. Левин.
См. илл.
III. Строение Земли
Магнитосфера
Самой внешней и протяжённой оболочкой З. является магнитосфера - область околоземного пространства, физические свойства которой определяются магнитным полем З. и его взаимодействием с потоками заряженных частиц.
Исследования, проведённые 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 тяжёлых положительных ионов и электронов). У орбиты З. скорость направленного движения частиц в потоке колеблется от 300 до 800 км/сек.Солнечная плазма несёт с собой магнитное поле, напряжённость которого в среднем равна 4,8-10 -З а/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. ( R Е) от её центра. За фронтом ударной волны следует переходная область толщиной ~ 20 тыс. км,где магнитное поле солнечной плазмы становится неупорядоченным, а движение её частиц - хаотичным. температура плазмы в этой области повышается примерно с 200 тыс. градусов до ~ 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 ~ 10-12 R( Е) (70-80 тыс. км) от центра З., её толщина ~ 100 км.Напряжённость магнитного поля З. у магнитопаузы ~ 8·10 -2 а/м(10 -3э), т. е. значительно выше напряжённости поля солнечной плазмы на уровне орбиты З. Потоки частиц солнечной плазмы обтекают магнитосферу и резко искажают на значительных расстояниях от З. структуру её магнитного поля. Примерно до расстояния 3 R Еот центра З. магнитное поле ещё достаточно близко к полю магнитного диполя (напряжённость поля убывает с высотой ~ 1/ R3 Е). Регулярность поля здесь нарушают лишь магнитные аномалии (влияние наиболее крупных аномалий сказывается до высот ~0,5 R Е) над поверхностью З.). На расстояниях, превышающих 3 R Е), 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 протяжённостью 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 её 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 полётах в космос.
Б. А. Тверской, Ю. Н. Дрожжин.
Атмосфера
Атмосферой, или воздушной оболочкой З., называют газовую среду, окружающую «твёрдую» З. и вращающуюся вместе с ней. Масса атмосферы составляет ~5,15·10 18 кг.Среднее давление атмосферы на поверхность З. на уровне моря. Равно 101 325 н/м 2(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/м 3(число молекул в 1 м 3n =2,55·10 25), на высоте 10 км( =0,41 кг/м 3( n =8,6·10 24), а на высоте 100 кмr=8,8(10 -7 кг/м 3(n=1,8·10 18). 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 её массы, называется тропосферой. Она распространяется до высоты 16-18 кмв экваториальном поясе и до 8-10 кмв полярных широтах. Температура тропосферы понижается с высотой в среднем на 0,6 К на каждые 100 м.Над тропосферой до высоты 55 кмрасположена стратосфера, в которой заключено почти 20% массы атмосферы. От тропосферы она отделена переходным слоем - тропопаузой, с температурой 190-220 К. До высоты ~25 кмтемпература стратосферы несколько падает, но дальше начинает расти, достигая максимума (~270К) 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 кмдо 800-1000 км) и экзосфера (выше 800-1000 км). Общая масса всех этих слоев не превышает 0,5% массы атмосферы. В мезосфере, отделённой от стратосферы стратопаузой, озон исчезает, температура вновь падает до 180-200 К вблизи её 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 остаётся постоянной (~1000К), т.к. здесь разреженная атмосфера слабо поглощает солнечное излучение.
Верхний слой атмосферы - экзосфера - крайне разрежен (у его нижней границы число протонов в 1 м 3 составляет ~ 10 11) и столкновения частиц в нём 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.
Приведённые характеристики слоев атмосферы следует рассматривать как усреднённые. 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 объёму 78,08% азота,20,95% кислорода (~ 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 её основных компонентов не меняется (этот слой называется гомосферой). В атмосфере содержится (1,3-1,5)·10 16 кгводы (см. Вода ). Главная масса атмосферной воды (в виде пара, взвешенных капель и кристалликов льда) сосредоточена в тропосфере, причём с высотой её 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 ~21-25 км.Начиная с высоты ~ 40 кмувеличивается 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 кмпроисходит ионизация атмосферных газов. От степени ионизации зависит электропроводность атмосферы. На высоте 250-300 км,где расположен максимум ионизации, электропроводность атмосферы в 10 12раз 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 лёгкими газами. Совокупность процессов диссоциации, ионизации и гравитационного разделения определяет химическую неоднородность верхних слоев атмосферы. Примерно до 200 кмосновным компонентом воздуха является азот N 2. Выше начинает превалировать атомарный кислород. На высоте более 600 кмпреобладающим компонентом становится гелий, а в слое от 2 тыс. кми 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 Е) до 5,2 мкм(в котором заключено около 88% всей энергии солнечного излучения) и радиодиапазоне - от 1 ммдо 30 м.Излучение инфракрасного диапазона (l>5,2 мкм) поглощается в основном парами воды и углекислым газом тропосферы и стратосферы. Непрозрачность атмосферы в радиодиапазоне обусловлена отражением радиоволн от её ионизованных слоев ( ионосферы ) .Излучение ультрафиолетового диапазона (l от 3000 до 1800 Е) поглощается озоном на высотах 15-60 км,а волны длиной 1800-1000 Е и короче - азотом, молекулярным и атомарным кислородом (на высоте от нескольких десятков до нескольких сот кмнад поверхностью З.). Жёсткое 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 счёт присутствия в атмосфере углекислого газа и паров воды, см. Парниковый эффект ) .Если бы З. Была лишена атмосферы, то средняя температура её поверхности была бы -23°С, в действительности средняя годовая температура поверхности З. составляет 14,8°С. Атмосфера задерживает также часть космических лучей и служит бронёй против разрушительного действия метеоритов. Насколько велико защитное значение земной атмосферы, показывает испещрённая метеоритными кратерами поверхность Луны, лишённая 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 счёт теплопроводности, конвекциии 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 водоёмов. Важнейшую роль играет атмосфера в развитии жизни на З.
Гидросфера
Вода образует прерывистую оболочку З. Около 94% общего объёма 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, озёра, 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 её 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 (солёность) подвержено большим колебаниям в зависимости от местных условий и прежде всего от климата. Обычно воды суши слабо минерализованы - пресные (солёность рек и пресных озёр от 50 до 1000 мг/кг). Средняя солёность океанической воды около 35 г/кг(35 о/ оо), солёность морской воды колеблется от 1-2°/ оо(Финский залив Балтийского моря) до 41,5°/ оо(Красное море). Наибольшая концентрация солей - в солёных озёрах (Мёртвое море до 260°/ оо) и подземных водах (до 600°/ оо).
Современный солевой состав вод гидросферы сформировался за счёт 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 счёт 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 мтемпература воды здесь быстро понижается, затем до 1200- 1500 мпонижение температуры происходит медленнее, глубже 1500 мона 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