История и строение Земли

У этого термина существуют и другие значения, см. Земля (значения).

Землям -- третья от Солнца планета Солнечной системы, крупнейшая по диаметру, массе и плотности среди землеподобных планет. Чаще всего упоминается как Земля, Планета Земля, Мир. Единственное известное на данный момент тело Солнечной системы в частности и Вселенной вообще, населённое живыми существами. Научные данные указывают на то, что Земля образовалась около 4,54 млрд лет назад,[1][2][3][4] а вскоре после этого приобрела свой единственный естественный спутник -- Луну. Жизнь же, как считается, появилась на Земле 3,5 миллиарда лет назад. С тех пор биосфера Земли значительно поменяла атмосферу и прочие абиотические факторы, обусловив количественный рост аэробных организмов, так же как и формирование озонового слоя, который вместе с магнитным полем Земли ослабляет вредную солнечную радиацию, тем самым создавая условия для жизни на Земле. Кора Земли разделена на несколько сегментов, или тектонических плит, которые постепенно мигрируют по поверхности за периоды во много миллионов лет. Приблизительно 71 % поверхности планеты покрыто морской водой, остальную часть поверхности занимают континенты и острова. Жидкая вода, необходимая для всех известных нам жизненных форм, не существует на поверхности какой-либо известной нам планеты в Солнечной системе. Внутренние области Земли достаточно активны и состоят из толстого, относительно твёрдого слоя называемого мантией, которая покрывает жидкое внешнее ядро (которое и является источником магнитного поля Земли) и внутреннее твёрдое железное ядро. Земля взаимодействует с другими объектами в космосе, включая Солнце и Луну. Земля обращается вокруг Солнца и делает вокруг него полный оборот примерно за 365.26 дней. Этот отрезок времени -- Сидерический год, который равен 365,26 солнечным суткам. Ось вращения Земли наклонена на 23,4 ° относительно её орбитальной плоскости, это вызывает сезонные изменения на поверхности планеты с периодом в один Тропический год (365.24 солнечных суток). Единственный известный естественный спутник Земли -- Луна -- начал своё обращение на орбите вокруг Земли примерно 4,53 миллиарда лет назад. Он является причиной приливов, стабилизирует осевой наклон и немного замедляет вращение планеты. Кометная бомбардировка во время ранней истории планеты сыграла свою роль в формировании океанов. Более поздние воздействия астероидов приводили к существенным изменениям в окружающей среде и поверхности Земли. В частности по некоторым гипотезам именно падения астероидов несут на себе ответственность за несколько массовых вымираний различных видов живых существ на Земле в достаточно отдалённом прошлом.

История Земли

Основная статья: История Земли

Земля и другие планеты солнечной системы сформировались 4,54 млрд лет назад[5] из единой солнечной туманности, дискообразной массы пыли и газа, оставшейся после формирования Солнца. Первоначально внешний слой Земли представлял собой расплавленную массу. Когда в атмосфере стала накапливаться вода, поверхность планеты начала остывать и отвердевать. Луна сформировалась позднее, возможно в результате касательного столкновения[6] Земли с объектом, по размерам близким Марсу[7] и массой 10 % от земной[8] (иногда этот объект называют «Тейя»). Часть массы этого тела слилась с Землёй, а часть была выброшена в околоземное пространство и образовала кольцо обломков, со временем агрегировавшееся и давшее начало Луне[7].

Обезгаживание и вулканическая активность привели к образованию первичной атмосферы. Конденсация водяного пара, усиленная льдом, занесённым кометами, привела к образованию океанов.[9] Предположительно 4 млрд лет назад, интенсивные химические реакции привели к возникновению самовоспроизводящихся молекул, и в течение полумиллиарда лет появился «последний универсальный общий предок» (англ. Last Universal Common Ancestor).[10]

Развитие фотосинтеза позволило живым организмам напрямую накапливать солнечную энергию. В результате в атмосфере стал накапливаться кислород, а в верхних слоях -- формироваться озоновый слой. Слияние мелких клеток с более крупными привело к развитию сложных клеток -- эукариотов.[11] Настоящие многоклеточные организмы, состоящие из группы клеток, стали всё больше приспосабливаться к окружающим условиям. Благодаря поглощению губительного ультрафиолетового излучения озоновым слоем, жизнь смогла начать освоение поверхности Земли.[12]

Поскольку поверхность планеты постоянно изменялась в течение сотен миллионов лет, континенты появлялись и разрушались. Континенты перемещались по поверхности, порой собираясь в суперконтинент. Приблизительно 750 млн лет назад, самый ранний из известных суперконтинентов -- Родиния, стал раскалываться на части. Позже континенты объединились в Паннотию (600--540 млн лет назад), затем в последний из суперконтинентов -- Пангею, который распался 180 млн лет назад.[13]

В 1960 году была выдвинута гипотеза Snowball Earth, утверждающая, что в период между 750 и 580 млн лет назад Земля была полностью покрыта льдом. Эта гипотеза объясняет кембрийский взрыв, когда резко ускорилось распространение многоклеточных форм жизни.[14]

После кембрийского взрыва, около 535 млн лет назад, было пять массовых вымираний.[15] Последнее массовое вымирание случилось 65 млн лет назад, когда, вероятно, падение метеорита привело к исчезновению динозавров (не птиц) и других крупных рептилий, но обошло мелких зверей, таких как млекопитающие, которые тогда напоминали землероек. В течение последних 65 млн лет, развилось огромное количество разнообразных видов млекопитающих, и несколько миллионов лет назад обезьяноподобные животные получили способность прямохождения.[16] Это позволило использовать орудия и способствовало общению, которое помогало добывать пищу и стимулировало необходимость в большом мозге. Развитие земледелия, а затем цивилизации, в короткие сроки позволило людям воздействовать на Землю как никакая другая форма жизни,[17]влиять на природу и численность других видов.

Последний ледниковый период начался примерно 40 млн лет назад, его пик приходится на Плейстоцен около 3 млн лет назад. На фоне продолжительных и значительных изменений средней температуры земной поверхности, что может быть связано с периодом обращения Солнечной системы вокруг центра Галактики (около 200 млн лет), имеют место и меньшие по амплитуде и длительности циклы похолодания и потепления, происходящие каждые 40--100 тысяч лет, имеющие явно автоколебательный характер, возможно, вызванный действием обратных связей от реакции всей биосферы, как целого, стремящейся обеспечить стабилизацию климата Земли (см. гипотезу Геи[18], (или Гайя-гипотеза) выдвинутую Джеймсом Лавлоком (англ. James Ephraim Lovelock), а также теорию биотической регуляции[19], предложенную В. Г. Горшковым)

Последний цикл оледенения в Северном полушарии закончился около 10 тысяч лет назад.[20]

Строение Земли

Земля относится к планетам земной группы, а значит она, в отличие от газовых гигантов, таких как Юпитер, имеет твёрдую поверхность. Эта крупнейшая из четырёх планет земной группы в солнечной системе, как по размеру, так и по массе. Кроме того, Земля имеет наибольшую плотность, самую сильную поверхностную гравитацию и сильнейшее магнитное поле среди этих четырёх планет.[21]

Форма

Основная статья: Фигура Земли

Сопоставление размеров планет земной группы (слева направо): Меркурий, Венера, Земля, Марс

Форма Земли (геоид) близка к вытянутому эллипсоиду -- шарообразная форма с утолщениями на экваторе -- и отличается от него на величину до 100 метров.[22] Средний диаметр планеты примерно равен 12 742 км. Это 40 000 км/?, так как метр в прошлом определялся, как 1/10 000 000 расстояния от экватора до северного полюса через Париж.[23]

Вращение земли создаёт экваториальную выпуклость, поэтому экваториальный диаметр на 43 км больше, чем диаметр между полюсами планеты.[24] Высшей точкой поверхности Земли является гора Эверест (8 848 м над уровнем моря), а глубочайшей -- Марианская впадина (10 911 м под уровнем моря). Поэтому, по сравнению с идеальным эллипсоидом, Земля имеет допуск в пределах 0,17 % (1/584), что меньше 0,22 % -- допустимого допуска для бильярдного шара.[25] Из-за выпуклости экватора, самой удалённой точкой поверхности от центра Земли фактически является вершина вулкана Чимборасо в Эквадоре.[26]

Химический состав

См. также: Распространённость химических элементов

Масса Земли приблизительно равна 5,98?1024 кг. Общее число атомов, составляющих Землю ?1050. Она состоит в основном из железа (32,1 %), кислорода (30,1 %), кремния (15,1 %), магния (13,9 %), серы (2,9 %), никеля (1,8 %), кальция (1,5 %) и алюминия (1,4 %); на остальные элементы приходится 1,2 %. Из-за сегрегации по массе внутреннее пространство, предположительно, состоит из железа(88,8 %), небольшого количества никеля (5,8 %), серы (4,5 %).[27]

Геохимик Франк Кларк вычислил, что земная кора чуть более чем на 47 % состоит из кислорода. Наиболее распространённые породосоставляющие минералы земной коры практически полностью состоят из оксидов; суммарное содержание хлора, серы и фтора в породах обычно составляет менее 1 %. Основными оксидами являются кремнезём (SiO2), глинозём (Al2O3), оксид железа (FeO), окись кальция (CaO), окись магния (MgO), оксид калия (K2O) и оксид натрия (Na2O). Кремнезём служит главным образом кислотной средой, формирует силикаты; природа всех основных вулканических пород связана с ним. Из расчётов, основанных на анализе 1 672 видов пород, Кларк сделал вывод, что 99,22 % из них содержат 11 оксидов (таблица справа). Все прочие компоненты встречаются в очень незначительном количестве.[28]

Внутреннее строение

Общая структура планеты Земля

Земля, как и другие планеты земной группы, имеет слоистое внутреннее строение. Она состоит из твёрдых силикатных оболочек (коры, крайне вязкой мантии), и металлического ядра. Внешняя часть ядра жидкая (значительно менее вязкая, чем мантия), а внутренняя -- твёрдая. Геологические слои Земли[29] по глубине от поверхности:[30]

Внутренняя теплота планеты скорее всего обеспечивается радиоактивным распадом изотопов калия-40, урана-238 и тория-232. У всех трёх элементов период полураспада составляет более миллиарда лет.[31] В центре планеты, температура, возможно, поднимается до 7 000 К, а давление может достигать 360 ГПа.[32] Часть тепловой энергии ядра передаётся к земной коре посредством плюмов. Плюмы приводят к появлению горячих точек и Траппов.[33]

Земная кора

Основная статья: Земная кора

Земная кора -- это верхняя часть твёрдой земли. От мантии отделена границей с резким повышением скоростей сейсмических волн -- границей Мохоровичича. Толщина коры колеблется от 6 км под океаном, до 30--50 км на континентах.[34] Бывает два типа коры -- континентальная и океаническая. В строении континентальной коры выделяют три геологических слоя: осадочный чехол, гранитный и базальтовый. Океаническая кора сложена преимущественно породами основного состава, плюс осадочный чехол. Земная кора разделена на различные по величине литосферные плиты, двигающиеся относительно друг друга. Кинематику этих движен