Внутреннее строение Земли

Форма, размеры и движение Земли

По форме Земля близка к эллипсоиду, сплюснутому у полюсов и растянутому в экваториальной зоне. Средний радиус Земли 6371,032 км, полярный 6356,777 км, экваториальный 6378,160 км. Масса Земли 5,976·1024 кг, средняя плотность 5518 кг/м3.

Земля движется вокруг Солнца со средней скоростью 29,765 км/с по эллиптической, близкой к круговой орбите (эксцентриситет 0,0167); среднее расстояние от Солнца 149,6 млн. км, период одного обращения по орбите 365, 24 солнечных суток. Вращение Земли вокруг собственной оси происходит со средней угловой скоростью 7,292115·10-5 рад/с, что примерно соответствует периоду в 23 ч 56 мин 4,1 с. Линейная скорость поверхности Земли на экваторе около 465 м/с. Ось вращения наклонена к плоскости эклиптики под углом 66° 33" 22"". Этот наклон и годовое обращение Земли вокруг Солнца обуславливают исключительно важную для климата Земли смену времен года, а собственное ее вращение смену дня и ночи. Вращение Земли из-за приливных воздействий неуклонно (хотя и очень медленно на 0,0015 с за столетие) замедляется. Имеются и небольшие нерегулярные вариации продолжительности суток.

Положение географических полюсов меняется с периодом 434 суток с амплитудой 0,36"". Кроме того, имеются и небольшие сезонные их перемещения.

Площадь поверхности Земли 510,2 млн. км2, из которых примерно 70,8% приходится на Мировой океан. Его средняя глубина около 3,8 км, максимальная (Марианская впадина в Тихом океане) равна 11,022 км; объем воды 1370 млн. км3, средняя соленость 35 г/л. Суша составляет соответственно 29,2% и образует шесть материков и острова. Она поднимается над уровнем моря в среднем на 875 м; наибольшая высота (вершина Джомолунгма в Гималаях) 8848 м. Горы занимают свыше 1/3 поверхности суши. Пустыни покрывают около 20% поверхности суши, саванны и редколесья около 20%, леса около 30%, ледники свыше 10%. Свыше 10% суши занято под сельскохозяйственными угодьями.

По современным космогоническим представлениям Земля образовалась примерно 4,6-4,7 млрд. лет назад из захваченного притяжением Солнца протопланетного облака. На образование первых, наиболее древних из изученных горных пород потребовалось 100-200 млн. лет. Примерно 3,5 млрд. лет назад возникли условия, благоприятные для возникновения жизни. Homo sapiens («Человек разумный») как вид появился примерно полмиллиона лет назад, а формирование современного типа человека относят ко времени отступления первого ледника, то есть около 40 тыс. лет назад.

У Земли имеется единственный спутник Луна. Ее орбита близка к окружности с радиусом около 384400 км.

Внутреннее строение

Основную роль в исследовании внутреннего строения Земли играют сейсмические методы, основанные на исследовании распространения в ее толще упругих волн (как продольных, так и поперечных), возникающих при сейсмических событиях при естественных землетрясениях и в результате взрывов. На основании этих исследований Землю условно разделяют на три области: кору, мантию и ядро (в центре). Внешний слой кора имеет среднюю толщину порядка 35 км. Основные типы земной коры континентальный (материковый) и океанический; в переходной зоне от материка к океану развита кора промежуточного типа. Толщина коры меняется в довольно широких пределах: океаническая кора (с учетом слоя воды) имеет толщину порядка 10 км, тогда как толщина материковой коры в десятки раз больше.

Поверхностные отложения занимают слой толщиной около 2 км. Под ними находится гранитный слой (на континентах его толщина 20 км), а ниже примерно 14-километровый (и на континентах, и в океанах) базальтовый слой (нижняя кора). Средние плотности составляют: 2,6 г/см3 у поверхности Земли, 2,67 г/см3 у гранита, 2,85 г/см3 у базальта.

На глубину примерно от 35 до 2885 км простирается мантия Земли, которую называют также силикатной оболочкой. Она отделяется от коры резкой границей (так называемая граница Мохоровича, или «Мохо»), глубже которой скорости как продольных, так и поперечных упругих сейсмических волн, а также механическая плотность скачкообразно возрастают. Плотности в мантии увеличиваются по мере возрастания глубины примерно от 3,3 до 9,7 г/см3. В коре и (частично) в мантии располагаются обширные литосферные плиты. Их вековые перемещения не только определяют дрейф континентов, заметно влияющий на облик Земли, но имеют отношение и к расположению сейсмических зон на планете.

Еще одна обнаруженная сейсмическими методами граница (граница Гутенберга) между мантией и внешним ядром располагается на глубине 2775 км. На ней скорость продольных волн падает от 13,6 км/с (в мантии) до 8,1 км/с (в ядре), а скорость поперечных волн уменьшается от 7,3 км/с до нуля. Последнее означает, что внешнее ядро является жидким. По современным представлениям внешнее ядро состоит из серы (12%) и железа (88%). Наконец, на глубинах свыше 5120 км сейсмические методы обнаруживают наличие твердого внутреннего ядра, на долю которого приходится 1,7% массы Земли. Предположительно, это железо-никелевый сплав (80% Fe, 20% Ni).

В числе многих химических элементов, входящих в состав Земли, имеются и радиоактивные. Их распад, а также гравитационная дифференциация (перемещение более плотных веществ в центральные, а менее плотных в периферические области планеты) приводят к выделению тепла. Температура в центральной части Земли порядка 5000 °С. Максимальная температура на поверхности приближается к 60 °С (в тропических пустынях Африки и Северной Америки), а минимальная составляет около -90 °С (в центральных районах Антарктиды).

Давление монотонно возрастает с глубиной от 0 до 3,61 ГП. Тепло из недр Земли передается к ее поверхности благодаря теплопроводности и конвекции.

Плотность в центре Земли около 12,5 г/см3.

Над поверхностью Земли

Земля окружена атмосферой (см. Атмосфера Земли). Нижний ее слой (тропосфера) простирается в среднем до высоты в 14 км; происходящие здесь процессы играют определяющую роль для формирования погоды на планете. Температура в тропосфере падает с увеличением высоты. Слой от 14 до 50-55 км называют стратосферой; здесь температура возрастает с увеличением высоты. Еще выше (примерно до 80-85 км) находится мезосфера, над которой наблюдаются (обычно на высоте около 85 км) серебристые облака. Для биологических процессов на Земле огромное значение имеет озоносфера слой озона, находящийся на высоте от 12 до 50 км. Область выше 50-80 км называют ионосферой. Атомы и молекулы в этом слое интенсивно ионизируются под действием солнечной радиации, в частности, ультрафиолетового излучения. Если бы не озоновый слой, потоки излучения доходили бы до поверхности Земли, производя разрушения в имеющихся там живых организмах. Наконец, на расстояниях более 1000 км газ настолько разрежен, что столкновения между молекулами перестают играть существенную роль, а атомы ионизированы более чем наполовину. На высоте порядка 1,6 и 3,7 радиусов Земли находятся первый и второй радиационные пояса.

Гравитационное поле Земли с высокой точностью описывается законом всемирного тяготения Ньютона. Ускорение свободного падения над поверхностью Земли определяется как гравитационной, так и центробежной силой, обусловленной вращением Земли. Зависимость ускорения свободного падения от широты приближенно описывается формулой g = 9,78031 (1+0,005302 sin2 ) m/c2, где m масса тела.

Земля обладает также магнитным и электрическим полями. Магнитное поле над поверхностью Земли складывается из постоянной (или меняющейся достаточно медленно) «главной» и переменной частей; последнюю обычно относят к вариациям магнитного поля. Главное магнитное поле имеет структуру, близкую к дипольной. Магнитный дипольный момент Земли, равный 7,98·1025 единиц СГСМ, направлен примерно противоположно механическому , хотя в настоящее время магнитные полюсы несколько смещены по отношению к географическим. Их положение, впрочем, меняется со временем, и хотя эти изменения достаточно медленны, за геологические промежутки времени, по палеомагнитным данным, обнаруживаются даже магнитные инверсии, то есть обращения полярности. Напряженности магнитного поля на северном и южном магнитных полюсах равны соответственно 0,58 и 0,68 Э, а на геомагнитном экваторе около 0,4 Э.

Электрическое поле над поверхностью Земли в среднем имеет напряженность около 100 В/м и направлено вертикально вниз это так называемое «поле ясной погоды», но это поле испытывает значительные (как периодические, так и нерегулярные) вариации.

Геофизика физика Земли относительно молода. Все происходящее в недрах нашей планеты изучено пока еще далеко не полно.

Литература:

Джеффрис Г. Земля, ее происхождение, история и строение: Пер. с англ. М., 1960.
Жарков В. П. Внутреннее строение Земли и планет. 2-е изд. М., 1983.
В. И. Григорьев

* * *

ЗЕМЛЯ

История исследований

Начальный этап

Наиболее древние картографические изображения Земли созданы в Египте и Вавилонии в 3-1 тыс. до н. э. В 7 в. до н. э. в Месопотамии карты изготавливались на глиняных табличках. Чисто умозрительные представления об окружающем мире содержатся в источниках, оставленных народами Древнего Востока. Однако, в этот период представления о Земле в основном определялись мифами и легендами.

Ранняя античность (6-1 вв. до н. э.)

Наибольших достижений в этот период достигли ученые Древней Греции, стремившиеся дать представление о Земле в целом. Первую попытку создать карту всей Земли осуществил Анаксимандр, по мнению которого Земля представляет собой цилиндр (окруженный небесной сферой), вокруг морского бассейна располагается суша, в свою очередь, опоясанная водным кольцом. Одна из первых географических работ «Землеописание» Гекатея Милетского сопровождалась, по-видимому, географической картой, на которой кроме Европы и Азии, были показаны известные древним грекам моря: Средиземное, Черное, Азовское, Каспийское, Красное. Гекатей впервые ввел понятие ойкумены. Между 350 и 320 до н. э. Питеас (Пифей) достиг берегов Западной Европы, открыв Британские и Ирландские острова. Ему принадлежит верное наблюдение о связи приливов и отливов в океане с движениями Луны.

Предположение о шарообразности Земли впервые, по-видимому, было сделано Пифагором. Опытные мореплаватели, древние греки, обратили внимание на то, что при приближении корабля к наблюдателю сначала видны паруса и только потом весь корабль, что свидетельствовало о сферичности планеты. В развитие этих представлений Гераклитом была высказана идея о вращении Земли вокруг своей оси. В 340 до н. э. в книге «О небе» Аристотель привел доказательства шарообразности Земли: при лунных затмениях Земля всегда отбрасывает на Луну круглую тень, а Полярная звезда в северных районах располагается выше над горизонтом, чем в южных. Оценив разницу в кажущемся положении Полярной звезды в Греции и в Египте Аристотель вычислил длину экватора, которая, однако, оказалась примерно вдвое больше реальной.

Впервые достаточно точно диаметр земного шара определил Эратосфен на основе простого опыта по разнице высоты Солнца в городах Сиена и Александрия, лежащих на одной полуденной линии, и расстоянию между ними. Измерение выполнялось во время летнего солнцестояния, вычисленная длина диаметра отличалась от действительной только на 75 км. Геометрические принципы, которыми он пользовался, легли в основу градусных измерений Земли. Почти все труды этого ученого не сохранились, о них известно по трудам более поздних греческих авторов.

Во 2 в. до н. э. древнегреческими учеными были введены понятия географической широты и долготы, разработаны первые картографические проекции, на которых показывалась сетка параллелей и меридианов, предложены методы определения взаимного расположения точек на земной поверхности.

Античные ученые обратили внимание на изменение поверхности Земли с течением времени в результате действия воды и внутренних сил Земли, особенно вулканических процессов. Эти идеи позднее легли в основу геологических концепций нептунизма и плутонизма.

Поздняя античность (1-2 вв.)

В первые десятилетия 1 в. утвердилась идея о шарообразности Земли. Уровень знаний об окружающем мире этого периода характеризует выдающийся труд Плиния Старшего «Естественная история» в 37 книгах, содержащая сведения по географии, метеорологии, ботанике, минералогии, а также истории и искусству.

Своеобразным итогом географических знаний античности служит «География» Страбона в 17 книгах, где довольно подробно описаны Кавказ и Боспорское царство. Книга должна была служить практическим пособием для полководцев, мореплавателей, торговцев и поэтому содержала многочисленные бытовые и исторические сведения. Страбон высказал мнение о том, что в неизвестном океане между западной оконечностью Европы и Восточной Азией вероятно лежат несколько континентов и островов. Не исключено, что это предположение было известно Х. Колумбу.

Во 2 в. Птолемей в труде «География» дал сводку географических сведений, включающую карту мира и 16 областей Земли. Он уже высказал предположение о центральном положении Земли во Вселенной (геоцентрической системе мира). В этот период наряду с правильными представлениями, основанными на открытиях ученых, путешественников и купцов, были распространены легенды о неизвестных или исчезнувших областях и странах, например Атлантиде.

Средние века (конец 8-14 вв.)

В 8-10 вв. викинги, совершавшие завоевательные походы, открыли Гренландию и первыми из европейцев достигли Северной Америки (так называемую страну Винланд, Маркланд, Хелуланд). В 9-11 вв. исследования неизвестных для европейцев земель, выполненные арабскими учеными и путешественниками (Масуди, Мукаддаси, Якуби), стали важным источником для изучения Востока. Бируни первым на Среднем Востоке предположил, что Земля движется вокруг Солнца. Он привел много интересных для своего времени топографических и географических наблюдений, а также геологических и минералогических сведений. В 12-13 вв. путешествия Плано Карпини и Марко Поло позволили составить представление о Центральной, Восточной и Южной Азии.

Великие географические открытия (15 середина 17 вв.)

Усовершенствование приборов, позволявших ориентироваться в океане (компас, лаг, астролябия), создание морских карт, а также потребность в новых торговых связях, способствовали Великим географическим открытиям. Результаты этих открытий окончательно прояснили вопрос о шарообразности земли, прямым доказательством которой послужило кругосветное путешествие Ф. Магеллана в начале 16 в. Плавания Х. Колумба, Васко да Гамы, А. Веспуччи и других мореплавателей в Мировом океане, путешествия русских землепроходцев в Северной Азии позволили установить контуры материков, а также описать большую часть земной поверхности, животный и растительный мир Земли. В этот же период предложенная польским ученым Н. Коперником гелиоцентрическая система мира ознаменовала начало новой эпохи в естествознании.

Научный этап исследования Земли

Первый период (17 середина 19 вв.)

Этот этап характеризуется широким использованием физических, математических и инструментальных методов. Открытие И. Ньютоном закона всемирного тяготения во второй половине 17 в. привело к возникновению идеи о том, что Земля представляет собой не идеальный шар, а сплющенный у полюсов сфероид. Исходя из предположений о внутреннем строении Земли и основываясь на законе всемирного тяготения, Ньютон и Х. Гюйгенс дали теоретическую оценку величины сжатия земного сфероида и получили столь различные результаты, что возникли сомнения в справедливости гипотезы о земном сфероиде. Чтобы рассеять их, Парижская Академия наук в первой половине 18 в. направила экспедиции в приполярные области Земли в Перу и Лапландию, где были выполнены градусные измерения, подтвердившие верность идеи о сфероидичности Земли и закона всемирного тяготения.

Р. Декарт и Г. Лейбниц впервые рассмотрели Землю как развивающееся космическое тело, которое первоначально было в расплавленном состоянии, а затем охлаждалось, покрываясь твердой корой. Расплавленная Земля была окутана парами, которые затем сгустились и создали Мировой океан, его воды частично ушли в подземные пустоты, создав сушу. Возникновение гор на Земле Р. Гук, Г. В. Рихман и другие связывали с землетрясениями, либо с вулканической деятельностью. М. В. Ломоносов также объяснял образование гор «подземным жаром».

Открытия, исследования и идеи 17 первой половины 19 вв. подготовили почву для возникновения комплекса наук о Земле. К важнейшим из них относится, в частности, открытие У. Гильберта, заключающееся в том, что Земля в первом приближении является элементарным магнитом. Ломоносов предположил, что значение силы тяжести на земной поверхности определяется внутренним строением планеты. Он же одним из первых предпринял попытку измерить вариации ускорения силы тяжести, а также совместно с Г. В. Рихманом исследовал атмосферное электричество. В этот же период была развита теория маятника, на основе которой стали производиться достаточно точные определения силы тяжести, разработаны метеорологические приборы для измерения скорости ветра, количества осадков, влажности воздуха. А. Гумбольдт установил, что напряженность земного магнетизма меняется с широтой, уменьшаясь от полюса к экватору, разработал представления о закономерном распределении растительности на поверхности Земли (широтная и высотная зональность). Он одним из первых наблюдал магнитную бурю и обобщил накопившиеся к первой четверти 19 в. данные о строении Земли. Для изучения прохождения в земле сейсмических волн Малле в 1851 осуществил первое искусственное землетрясение (взрывая порох и наблюдая распространение колебаний на поверхности ртути в сосуде). В 1897 Э. Вихерт, основываясь на результатах изучения состава метеоритов и распределении плотности в недрах планеты, выделил в Земле металлическое ядро Земли и каменную оболочку. В этот период установлена возможность определения относительного возраста пород по сохранившимся в них остаткам флоры и фауны, что позволило позднее построить геохронологическую шкалу, осуществить палеореконструкции положения материков и океанов в разные геологические эпохи, изучать историю геологического развития Земли.

Второй период (середина конец 19 в.)

В это время происходило углубление знаний о строении нашей планеты на основе развивающихся магнитного, гравиметрического, сейсмического, электрического и радиометрического методов геофизики. Среди геологов получила широкое распространение контракционная гипотеза. В 1855 английский астроном Эйри высказал предположение о равновесном состоянии земной коры (изостазии), подтвердившееся в 20 в. при изучении глубинного строения гор, когда было установлено, что более высокие горы имеют более глубокие корни.

Третий период (первая половина 20 в.)

Начало века было отмечено крупными успехами в исследовании полярных областей Земли. В 1909 Р. Пири достиг Северного полюса, в 1911 Р. Амундсен Южного. Норвежские, бельгийские, французские и русские путешественники обследовали приполярные области, составили их описания и карты. Позднее начато планомерное изучение этих областей с помощью антарктических научных станций и дрейфующих обсерваторий «Северный полюс». В первой половине 20 в., благодаря дальнейшему усовершенствованию геофизических методов и, особенно, сейсмологии, были получены фундаментальные данные о глубинном строении Земли. В 1909 А. Мохорович выделил планетарную границу раздела, являющуюся подошвой земной коры. В 1916 сейсмолог Б. Б. Голицын зафиксировал границу верхней мантии, а в 1926 Б. Гутенберг установил в ней наличие сейсмического волновода (астеносферы). Этот же ученый определил положение и глубину границы между мантией Земли и ядром. В 1935 Ч. Рихтер ввел понятие магнитуды землетрясения, разработал совместно с Гутенбергом в 1941-45 Рихтера шкалу. Позднее на основе сейсмологических и гравиметрических данных была разработана модель внутреннего строения Земли, которая остается практически неизменной до наших дней.

Начало 20 в. ознаменовалось появлением гипотезы, которой в дальнейшем было суждено сыграть ключевую роль в науках о Земле. Ф. Тейлор (1910), а вслед за ним А. Вегенер (1912) высказали идею о горизонтальных перемещениях материков на большие расстояния (дрейфе материков), подтвердившуюся в 1960-х гг. после открытия в океанах глобальной системы срединно-океанических хребтов, опоясывающих весь земной шар и местами выходящих на сушу (см. Рифтов мировая система). Выяснилось также, что земная кора под океанами принципиально отличается от континентальной коры, а мощность осадков на дне увеличивается от гребней хребтов к их периферии. Были закартированы аномалии магнитного поля океанского ложа, которые имеют удивительную, симметричную относительно осей хребтов структуру. Все эти и другие результаты послужили основанием для возврата к идеям дрейфа континентов, но уже в новой форме тектоники плит, которая остается ведущей теорией в науках о Земле.

Значительный объем новой информации, особенно о строении атмосферы, был получен в результате исследований глобальных геофизических процессов во время максимальной солнечной активности, проводившихся в рамках Международного геофизического года (1957-58) учеными 67 стран.

Четвертый период (вторая половина 20 в.)

Развитие методов радиометрического датирования горных пород во 2-ой половине 20 в. позволило уточнить возраст планеты. Началось интенсивное развитие спутниковой геофизики. На основе измерений с помощью спутников была изучена структура магнитосферы, а также выявлено наличие радиационных поясов вокруг Земли. В конце 1970-х гг. с помощью геодезических спутников (GEOS-3), оснащенных высокоточными радарными альтиметрами, удалось достичь существенного прогресса в изучении геоида. Наряду со спутниковой геодезией широкое развитие получили методы изучения атмосферных процессов со спутников спутниковая метеорология, что значительно повысило точность метеорологических прогнозов.

С 1968 ведется международная программа глубоководного бурения в Мировом океане, пробурено около 2000 скважин, получено более 182 км керна. Это позволило существенно продвинуться в понимании тектонического строения, в палеоокеанографии и осадконаполнении океанских бассейнов. На континентах изучение глубинного строения Земли ведется с помощью сверхглубокого бурения, достигшего в 1984 глубины свыше 12 км (Кольская сверхглубокая скважина).

Для изучения максимальных глубин океана стали использоваться обитаемые глубоководные аппараты. В 1960 швейцарец Ж. Пиккар и американец Д. Уолш в батискафе «Триест» достигли дна Марианского желоба самого глубокого места Мирового океана (11022 м). С 1980-90-х гг. подводные аппараты с человеком на борту широко используются для выполнения геологических, гидрологических и биологических наблюдений в глубинах океана.

С 1980-90-х гг. развивается геофизическая томография, с помощью которой построены сейсмические разрезы нижней и верхней мантии, что в совокупности с геотермическими и другими геофизическими данными позволило осуществить качественное и количественное моделирование мантийной конвекции циркуляционного перемещения вещества мантии.

Запуски межпланетных космических аппаратов к Меркурию, Марсу, Венере, а также к более отдаленным планетам позволили также углубить знания о строении и эволюции Земли на основе сравнительного изучения планет (сравнительная планетология). Полученные данные вместе со сведениями о структуре земной коры и глубинных недр планеты послужили основой для разработки моделей развития Земли, начиная с момента ее образования из протопланетного облака.

Литература:

Гехтман Г. Н. Выдающиеся географы и путешественники. Т., 1962.
Федынский В. В. Разведочная геофизика. М., 1964.
Магидович И. П. Очерки по истории географических открытий. М., 1967.
Вернадский В. И. Избр. тр. по истории науки. М., 1981.
Пешель О. История эпохи открытий: Пер. с нем. 2-е изд. М., 1884.
Хаин В. Е., Михайлов А. Е. Общая геотектоника. М., 1985.

Е. Г. Мирлин