ЛЕКЦИЯ ПЯТНАДЦАТАЯ

СТРОЕНИЕ ЗЕМЛИ.
ФОРМА ЗЕМЛИ

Представления о форме Земли люди имели давно. Еще в VI веке до нашей эры Пифагор утверждал, что Земля имеет форму шара и свободно и неподвижно висит в центре Вселенной. Вокруг нее движутся имеющие форму шара планеты и Солнце, окруженные небесной сферой с рассыпанными на ней звездами. Однако уже тогда Филолай (пифагореец V века да нашей эры) впервые сформулировал предположение о том, что Земля не есть центр Вселенной.

Первые четкие доказательства шарообразности Земли сформулированы Аристотелем. Обратив внимание на форму Луны в различных фазах, Аристотель утверждал, что с Земли такую картину можно видеть только в том случае, если Луна - шар. Но если Луна шар, то из естественных соображений надо предположить, что и Земля - шар.

Второе доказательство шарообразности Земли Аристотель связывал с лунными затмениями. Справедливо полагая, что лунное затмение - это прохождение тени Земли по лунному диску, он обратил внимание на форму тени, соответствующую телу шарообразной формы.

Известно и еще одно рассуждение Аристотеля о шарообразности Земли. Путешественники, возвратившиеся с востока (имеется в виду из Индии) и с запада (из Африки), рассказывали, что и там и там есть слоны. Но слоны могут быть только в одной стране. Значит, Земля - шар, идя на восток или на запад, мы достигаем страну, в которой живут слоны.

139

Современные представления о форме и размерах Земли состоят в следующем. В качестве математически удобной и достаточно близкой к реальной фигуре Земли принимается эллипсоид вращения - пространственная фигура, получаемая вращением эллипса вокруг одной из его осей (для Земли - малой оси). Именно на этот эллипсоид проецируют все измерения, выполненные на реальной Земле. Еще более близким к реальной поверхности Земли считают геоид. Это фигура, которую образовала бы поверхность Мирового океана, будь она свободна от всяческих возмущений (приливов, неоднородностей атмосферного давления и т.п.). Сила тяжести в любой точке перпендикулярна гипотетической поверхности геоида. Представить такую поверхность можно, продлив поверхность океана под континенты. Геоид и эллипсоид вращения, описывающие поверхность Земли, достаточно близки друг другу.

Приведем основные характеристики земного эллипсоида. Большая полуось (радиус экватора) эллипсоида - 6 378 160 м, малая полуось (половина расстояния между полюсами) - 6 356 912 м (рис. 15.1).

Французский астроном К. Фламмарион (1842-1925) в книге "Живописная астрономия" (1880) писал: "Большое число лиц и все дети думают, что земной шар занимает

Рис. 15.1
Условные сечения Земли по нулевому (Гринвичскому) меридиану и экватору
Пунктир - эллипсоид. Сплошная линия на первом сечении - геоид. На шкалах показаны отклонения физической поверхности Земли от геоида в километрах.

140

беспредельное место в пространстве. Исходя из этого, они составляют ложное представление о размерах Земли как по отношению к другим светилам, которые мы знаем, так и по отношению к нам самим и предметам, которые нас окружают. Мы все думаем, и основательно, что Земля очень большой шар, между тем в действительности она меньше, чем некоторые себе представляют... Рабочие и служащие, обыкновенные чиновники, если принять, что их квартира в двух километрах от конторы, ежедневно проходят 8 километров и примерно 2000 километров в год. К концу 20 лет административной службы эти просидевшие не один стул чиновники, а некоторые, более того, никогда не выходившие из родного города, прошли путь в 40 миллионов метров. Это именно длина земного меридиана, то есть большой окружности, проведенной вокруг Земли через оба полюса".

Каждый обошел земной шар и не заметил этого!

Движение Земли во Вселенной достаточно сложно. Мы уже говорили о траектории Солнца в Галактике (лекция 13).

Земля двигается вокруг Солнца с орбитальной скоростью около 30 км/с. При этом Земля вращается вокруг своей оси. Скорость движения точки на поверхности зависит от широты, в средних широтах она близка к 250 м/с.

Но и ось вращения Земли не является неподвижной. Из-за влияния Луны и жидких оболочек она описывает в пространстве коническую поверхность. Ось конуса перпендикулярна плоскости эклиптики. Это движение называется прецессией. Оно знакомо каждому, кто когда-либо запускал детский волчок. Период прецессии около 24 тысяч лет. Вследствие прецессии ось вращения Земли в разные эпохи направлена на разные звезды.

Полярная - самая яркая звезда близ теперешнего северного полюса мира - не всегда будет указывать на полюс. Примерно через 12 тысяч лет вблизи полюса будет находиться звезда Вега. Ежегодно направление земной оси отклоняется на 50 угловых секунд.

Но и это еще не все. Во время прецессии земная ось "кивает" с амплитудой около 9 угловых секунд. Период этого процесса (нутации) около 19 лет.

141

Масса Земли 6 × 10²⁴ кг, средняя плотность составляет 5500 кг/м³. Это значение существенно превышает среднюю плотность пород, образующих доступную для исследований кору Земли. То есть плотность земных недр существенно выше средней плотности.

Что на сегодняшний день известно о строении Земли? При исследовании Вселенной мы имеем один универсальный инструмент - электромагнитное излучение. Для исследования недр Земли этот инструмент непригоден. С помощью бурения достигнуты глубины около 15 км. Именно с этой глубины у геологов есть образцы пород (причем таких глубоких скважин единицы).

Однако появляется новый инструмент - звук, акустические колебания.

При землетрясениях и взрывах возникают упругие волны двух типов: продольные (разрежения и сжатия, звуковые волны в газе) и поперечные (сдвиговые, распространяющиеся только в твердых телах). Эти волны распространяются в упругой среде и могут быть зафиксированы с помощью приборов. Скорость продольных волн около 8 км/с, поперечных - 4 км/с. Чем плотнее среда, тем больше скорость распространения упругих волн, тем слабее они затухают с расстоянием.

Если бы недра Земли были однородны, то порожденные взрывом или землетрясением продольные и поперечные волны должны были бы, слегка ослабнув, дойти до любой точки поверхности Земли. Этого не происходит.

Результаты наблюдений показывают, что Земля неоднородна и состоит из слоев разной плотности, причем через внутренние слои упругие поперечные волны не проходят.

Рис. 15.2
Схема распространения упругих волн в недрах Земли
В точке Г произошло землетрясение. Продольные волны (сплошные линии) проходят через все оболочки (испытывая искажения) и наблюдаются в точках А и Б. Поперечные волны (пунктир) не могут пройти через жидкое ядро и не наблюдаются в точках Б.

142

Следовательно, внутри Земли есть жидкие оболочки (рис. 15.2).

Современные представления о внутреннем строении Земли состоят в следующем (рис. 15.3).

На глубину в среднем 35 км простирается кора (под материками толщина коры до 70 км, под океанами 5-10 км). То есть 15-километровая скважина - слабый укол поверхностных слоев.

На глубинах до 400 км находится верхняя мантия. На расстоянии около 2900 км от поверхности начинается нижняя мантия, а на глубине 4000 км - внешнее ядро.

Согласно современным геофизическим данным, внешнее ядро жидкое. Именно оно не пропускает поперечные упругие волны, пропуская продольные. Давления на этой глубине превышают 500 000 атмосфер, температуры - несколько тысяч градусов. Внешнее ядро состоит, по-видимому, из жидкого железа с примесью кремния и никеля и их соединений с серой и кислородом (рис. 15.4, табл. 15.1).

На глубинах, превышающих 5000 км, находится твердое ядро. Состав его близок к составу внешнего ядра. Твердое ядро "плавает" в жидкой оболочке!

Рис. 15.3
Внутренние оболочки Земли

Рис. 15.4
Зависимость плотности железа и двуокиси кремния и средней плотности нижней мантии и внешнего ядра от давления
Внешнее ядро примерно на 10% менее плотное, чем железо при соответствующих давлениях. Это позволяет утверждать, что ядро содержит расплавленные элементы, такие как сера и кислород.

143

Таблица 15.1

Химический состав геосфер и оболочек Земли

На рис 15.5 показана связь распространенности химического элемента в коре Земли с его атомным номером. Видно, что с ростом номера распространенность убывает неравномерно, элементы с четным атомным номером более распространены, чем с нечетным. Особенно это относится к элементам с массовым числом, кратным 4 (Не, С, О, Ne, Mg, Si, S, Ar, Ca).

Удивительно, но точно такая же кривая отвечает распространенности химических элементов во Вселенной! Ряд максимумов соответствует элементам с ядрами, у которых число протонов и нейтронов равно 2, 8, 20, 50, 82, 126. Этим "магическим числам" соответствуют устойчивые ядра. По этому поводу американские химики Г. Юри и Г. Зюсс писали так: "Представляется, что распространенность элементов и их изотопов определяется ядерными свойствами и что окружающее нас вещество похоже на золу космического ядерного пожара, в котором оно было создано".

Земля оказывает влияние и на окружающее пространство. Радиус гравитационной сферы влияния Земли может быть представлен либо как расстояние, на котором могут двигаться объекты, оставаясь спутниками Земли (1 500 000 км), либо как радиус сферы, в которой земное притяжение больше притяжения Солнца (2 600 000 км),

Как любое нагретое тело, Земля имеет собственное тепловое излучение (приходящееся на инфракрасный

144

Рис. 15.5
Распространенность химических элементов в земной коре (в относительных единицах)
Сплошная линия - элемента с четным атомным номером, пунктир - с нечетным.

диапазон длин волн). Нагрев Земли связан с внешними (солнечное излучение, космическое излучение, приливное трение) и внутренними (теплопередача от нагретых недр, радиоактивный распад в глубинах Земли, хозяйственная деятельность человека) источниками. Вследствие радиоактивного распада в недрах Земля выделяет до 0,02 Вт/м². За счет тепловых потоков из недр Земля теряет около до 0,002 Вт/м².

Радиоактивность является существенным фактором теплового баланса Земли. По словам В.И. Вернадского, "...количество создаваемой радиоактивным процессом тепловой энергии не только достаточно для того, чтобы объяснить потерю Землею тепла и все динамические и морфологические воздействия внутренней энергии планеты на ее поверхность - земную кору, но и для того, чтобы поднять ее температуру...".

В 1958 году было обнаружено, что верхние слои атмосферы Земли (высоты от 100 до 300 км) излучают избыточную энергию в инфракрасном (тепловом) диапазоне длин волн. Исследования показали, что это излучение связано со сложными процессами взаимодействия коротковолнового (ультрафиолетового и рентгеновского) излучения Солнца с молекулами газов (в основном азота и кислорода). В настоящее время инфракрасному излучению верхних слоев атмосферы отводится важное место в проблеме влияния солнечной активности на погоду.

145

С одной стороны, изменение потока солнечной энергии в периоды солнечной активности незначительно по сравнению с солнечной постоянной (лекция 13). Однако в течение короткого времени в отдельные районы Земли (полярные области, магнитные аномалии) в верхнюю атмосферу через радиационные пояса могут поступать дополнительные потоки энергии.

При среднем по величине всплеске солнечной активности на площади 1 000 000 км² в течение суток выделится энергия около 10¹⁷ Дж. Это не так много, примерно в сто раз меньше энергии обычного циклона. Но почти вся эта энергия переходит в инфракрасное (тепловое) излучение, достигающее нижних слоев атмосферы. Происходит слабый нагрев атмосферы на высотах 10-30 км, вызывающий незначительное изменение давления. Перепад давлений приводит к появлению ветра со скоростью до 0,1 м/с и направлением с севера на юг. Это очень слабый ветерок, но на огромной территории он взаимодействует с обычным широтным переносом воздушных масс (с запада на восток). Именно такое взаимодействие является одним из факторов - спусковых механизмов - возникновения неустойчивостей в атмосфере (циклонов и антициклонов).

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. По каким причинам физическая поверхность Земли отклоняется от эллипсоида вращения и геоида? Приведите характерные величины этих отклонений.
2. Оцените скорость движения точки на поверхности Земли в средних широтах и на экваторе. Почему запускать космические аппараты выгоднее всего на экваторе?
3. В чем состоят современные представления о строении внутренних оболочек (сфер) Земли? Какие методы позволяют сделать выводы о строении Земли?
4. Что такое сферы влияния Земли? Приведите их характеристики.

146