Планета Земля

Вращение Земли

В очень древние времена люди не имели правильного представления о форме и размерах нашей планеты и о том, какое место она занимает в пространстве. Теперь мы знаем, что физическая поверхность Земли, представляющая сочетание суши и водных пространств, в геометрическом отношении имеет весьма сложную форму; ее нельзя представить ни одной из известных и математически изученных геометрических фигур.

На поверхности Земли моря и океаны занимают около 71% , а суша - около 29%; самые же высокие горы и самые большие глубины океанов по сравнению с размерами всей земли ничтожно малы. Так, например, на глобусе диаметром 60 см гора Эверест высотой приблизительно 8840 м изобразиться всего лишь крупинкой в 0,25 мм.

Поэтому за общую - теоретическую - форму Земли принимают тело, ограниченное поверхностью океанов, находящейся в спокойном состоянии мысленно продолженной под всеми материками. Эта поверхность называется геоидом (гео - по-гречески «земля»). В первом же приближении фигуру Земли считают эллипсоидом вращения (сфероидом) - поверхностью, образованной в результате вращения эллипса вокруг своей оси.

Земля - третья планета от Солнца (это было установлено Николаем Коперником только в XVI в.) и пятая по массе и размерам среди планет Солнечной системы. Среди планет земной группы Земля самая большая по размерам и по массе.

Форма и размеры Земли

Суточное движение светил

В средних широтах (а именно в них мы с вами и живём) Солнце всегда восходит в восточной стороне неба. Оно поднимается из-за удалённых предметов или неровностей земного рельефа, затем постепенно поднимается над горизонтом и, наконец, достигает наивысшего положения на небе.

Это положение называется верхней кульминацией, а момент его достижения называют истинным солнечным полуднем. Наблюдатель в северном полушарии Земли при этом видит Солнце на юге, а находящийся в южном полушарии - на севере. После полудня Солнце начинает опускаться, приближаясь к горизонту, и заходит в западной части неба.

Дневной путь Солнца на небе симметричен относительно направления север - юг.

Подобное движение по небу в течение суток можно заметить и у других светил: Луны, звёзд и планет.

В целом создаётся впечатление, что небосвод вращается как целое вокруг некоторой оси, называемой осью мира.

Наблюдая ясной ночью звёзды в северной части неба, можно заметить, что они описывают концентрические круги с центром в точке, близкой к звезде Малой Медведицы (Полярная звезда). Эту точку называют Северным полюсом мира.

В южном полушарии диаметрально противоположно ей расположен Южный полюс мира. Через два этих полюса проходит ось мира. Плоскость небесного экватора перпендикулярна оси мира. Ось мира параллельна оси вращения Земли.

Внутреннее строение Земли

Внутреннее строение всех планет земной группы и Луны описывается трёхслойной моделью: ядро - мантия - кора.

Для тех небесных тел, которые изучены лучше других (Земля, Луна) эта схема немного усложняется, различают внутреннее и внешнее ядро, нижнюю и верхнюю мантию.

Температура, давление и плотность возрастают с глубиной. Температура ядра достигает 10 000 К (больше, чем температура внешних слоёв Солнца!), а его плотность 13 г/см3 (вода - 1 г/см3). Состоит ядро из сплава железа и никеля. Возраст самых древних пород коры не менее 4,5 млрд. лет, её плотность примерно в два раза меньше, чем средняя плотность Земли - 3 г/см3.

Рисунок 1 - Химический состав Земли и её оболочки

Химический состав Земли схож с составом других планет земной группы. Преобладают на нашей планете в целом такие элементы как (в порядке убывания): железо, кислород, кремний, магний, никель.

Содержание лёгких элементов невелико. Средняя плотность Земли 5,5 г/см3. Различают три оболочки Земли:

- литосфера (кора и самая верхняя часть мантии);

- гидросфера (жидкая оболочка);

- атмосфера (газовая оболочка).

Водой покрыто около 71% поверхности Земли, средняя её глубина примерно 4 км.

Рисунок 2 - Атмосфера Земли

Атмосфера Земли:

- более чем на 3/4 - азот (N2);

- примерно на 1/5 - кислород (О2).

Содержание аргона, углекислого газа, паров воды и остальных газов очень мало. Облака, состоящие из мельчайших капелек воды, закрывают примерно 50% поверхности планеты.

Атмосферу нашей планеты, как и её недра, можно разделить на несколько слоёв. Здесь всё зависит от подхода. Если исходить из температуры воздуха, то атмосферу делят так, как это представлено на рисунке справа.

- Самый нижний и плотный слой называется тропосферой. Здесь находятся облака.

- Метеоры зажигаются в мезосфере.

- Полярные сияния и множество орбит искусственных спутников - обитатели термосферы. Там же парят призрачные серебристые облака.

По левому краю рисунка Вы видите километровую шкалу, по правому - температурную. С удалением от поверхности температура падает, но начиная с термосферы с высотою начинает расти.

Земная атмосфера, благодаря присутствию небольшого озонового слоя (О3), нейтрализует опасное для жизни коротковолновое солнечное и космическое излучение.

Из-за содержащегося в атмосфере углекислого газа (СО2) на нашей планете имеет место парниковый эффект. Он проявляется не так сильно, как на Венере, но всё же поднимает среднюю температуру на Земле с теоретических - 23°С до +15°С.

Действуя подобно хорошей одежде, атмосфера оберегает земную поверхность и от температурных перепадов. В отсутствие атмосферы в некоторых точках Земли температура в течение суток колебалась бы между +160°С и - 100°С (именно это происходит на Луне). Значение атмосферы для всего живого неизмеримо велико.

Во многом благодаря тому, что наша планета достаточно массивна для того, чтобы удержать возле себя атмосферу, состоящую сейчас, в основном, из тяжелых молекул азота и кислорода, на Земле смогла возникнуть жизнь. По самым свежим данным, это произошло 3,85 миллиарда лет тому назад, где-то через 700 млн. лет после образования самой планеты.

Давление атмосферы на Земле таково, что при разных температурах вода может находится на нашей планете в жидком, твердом и газообразном состояниях. Благодаря жидкой фазе (самой активной) на Земле более быстро проходят многие химические реакции - вода прекрасный катализатор. Это обстоятельство также сыграло немалую роль в образовании и развитии жизни на Земле.

Поверхность Земли

Из-за постоянного выветривания поверхность Земли всё время обновляется, стираются следы прошлого, разрушаются метеоритные кратеры, которых на Земле, по той же причине, осталось совсем немного. Один из них Вы видите на фотографии слева. Это метеоритный кратер в пустыне штата Аризона (США).

Кратер представляет собой огромную чашеобразную воронку 1220 м. в диаметре и 180 м. в глубину, чья кромка поднимается над плоской равниной на 46 м. Споры о величине метеорита, оставившего её, до сих пор не стихают, но новейшие расчёты предполагают, что это был огромный шар из железа и никеля, достигавший примерно 41 м. в поперечнике и весивший 300 000 тонн. Метеорит врезался в Землю около 40 тыс. лет назад с такой силой, что разлетелся при ударе, и его фрагменты находили на расстоянии до 10 км. от места падения.

К счастью, такие огромные снаряды из открытого космоса не часто падают на Землю. Однако, каждый день в земную атмосферу проникает, по подсчётам, примерно 50 тонн метеоритной пыли. По большей части, это мелкие частицы, сгорающие, не успев достигнуть Земли, из-за тепла, выделяющегося при трении, когда метеорное тело входит в верхние слои атмосферы.

Некоторые учёные предполагают, что именно метеорит вызвал массовую гибель динозавров, происшедшую 65 миллионов лет назад. По этой теории, огромный космический обломок прорезал атмосферу Земли и, достигнув поверхности, оставил кратер диаметром 200 км. на дне океана, в районе полуострова Юкатан. Вулканические продукты и горячие газы присоединились к миллионам тонн пыли и породы, выброшенным в воздух. Пыль поднялась в верхние слои атмосферы и преградила путь животворной солнечной энергии, вызвав нарушение развития растений и сокращение количества пищи, что и повлекло за собой гибель многих животных, в том числе динозавров.

Около 11% суши нашей планеты составляют ледники, около 3% - вечная мерзлота.

Земля имеет единственный, но очень крупный естественный спутник - Луну, что позволяет считать её "двойной планетой". Как правило, чтобы это подчеркнуть, говорят и пишут "Система Земля-Луна".

Солнце -- звезда Солнечной системы и, бесспорно, её главный компонент. Его масса (332 900 масс Земли) [17] достаточно велика для поддержания термоядерной реакции синтеза в его недрах [18], при которой высвобождается большое количество энергии, излучаемой в пространство в основном в виде электромагнитного излучения, максимум которого приходится на диапазон длин волн 400 -- 700 нм, соответствующий видимому свету [19].

По звёздной классификации Солнце -- типичный жёлтый карлик класса G2. Это название может ввести в заблуждение, так как по сравнению с большинством звёзд в нашей Галактике Солнце -- довольно большая и яркая звезда. Класс звезды определяется её положением на диаграмме Герцшпрунга -- Рассела, которая показывает зависимость между яркостью звёзд и температурой их поверхности. Обычно более горячие звёзды являются более яркими. Бомльшая часть звёзд находится на так называемой главной последовательности этой диаграммы, Солнце расположено примерно в середине этой последовательности. Более яркие и горячие, чем Солнце, звёзды сравнительно редки, а более тусклые и холодные звёзды (красные карлики) встречаются часто, составляя 85 % звёзд в Галактике.

Положение Солнца на главной последовательности показывает, что оно ещё не исчерпало свой запас водорода для ядерного синтеза и находится примерно в середине своей эволюции. Сейчас Солнце постепенно становится более ярким, на более ранних стадиях развития его яркость составляла лишь 70 процентов от сегодняшней.

Солнце -- звезда I типа звёздного населения, оно образовалось на сравнительно поздней ступени развития Вселенной и поэтому характеризуется бомльшим содержанием элементов тяжелее водорода и гелия (в астрономии принято называть такие элементы «металлами»), чем более старые звёзды II типа. Элементы, более тяжёлые, чем водород и гелий, формируются в ядрах первых звёзд, поэтому прежде, чем Вселенная могла быть обогащена этими элементами должно было пройти первое поколение звёзд. Самые старые звёзды содержат мало металлов, а более молодые звёзды содержат их больше. Предполагается, что высокая металличность была крайне важна для образования у Солнца планетной системы, потому что планеты формируются аккрецией «металлов».

Терминология. Иногда Солнечную систему разделяют на регионы. Внутренняя часть Солнечной системы включает четыре планеты земной группы и главный пояс астероидов. Внешняя часть начинается за пределами пояса астероидов и включает четыре газовых гиганта. После открытия пояса Койпера наиболее удалённой частью Солнечной системы считают регион, состоящий из объектов, расположенных дальше Нептуна [6].

Все объекты Солнечной системы официально делят на три категории: планеты, карликовые планеты и малые тела Солнечной системы.

Планета -- любое тело на орбите вокруг Солнца, оказавшееся достаточно массивным, чтобы приобрести сферическую форму, но недостаточно массивным для начала термоядерного синтеза, и сумевшее очистить окрестности своей орбиты от планетезималей.

Согласно этому определению в Солнечной системе имеется восемь известных планет: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Плутон не соответствует этому определению, поскольку не очистил свою орбиту от окружающих объектов пояса Койпера [7].

Карликовая планета -- небесное тело, обращающиеся по орбите вокруг Солнца; которое достаточно массивно, чтобы под действием собственных сил гравитации поддерживать близкую к округлой форму; но которое не очистило пространство своей орбиты от планетезималей и не является спутником планет 7.

По этому определению у Солнечной системы имеется пять признанных карликовых планет: Церера, Плутон, Хаумеа, Макемаке и Эрида В будущем другие объекты могут быть классифицированы как карликовые планеты, например, Седна, Орк и Квавар [9]. Карликовые планеты, чьи орбиты находятся в регионе Транснептуновых объектов, называют плутоидами [10]. Оставшиеся объекты, обращающиеся вокруг Солнца -- малые тела Солнечной системы [7].

Термины газ, лёд и камень используют, чтобы описать различные классы веществ, встречающихся повсюду в Солнечной системе.

Камень используется, чтобы описать соединения с высокими температурами конденсации или плавления, которые оставались в протопланетной туманности в твёрдом состоянии при почти всех условиях. Каменные соединения обычно включают силикаты и металлы, такие как железо и никель. Они преобладают во внутренней части Солнечной системы, формируя большинство планет земной группы и астероидов.

Газы -- вещества с чрезвычайно низкими температурами плавления и высоким давлением насыщенного пара, такие как молекулярный водород, гелий и неон, которые в туманности всегда были в газообразном состоянии. Они доминируют в средней части Солнечной системы, составляя большую часть Юпитера и Сатурна.

Льды таких веществ, как вода, метан, аммиак, сероводород и углекислый газ имеют температуры плавления до нескольких сотен кельвинов, в то время как их фаза зависит от окружающего давления и температуры. Они могут встречаться как льды, жидкости или газы в различных регионах Солнечной системы, в туманности же они были в твёрдой или газовой фаз.

Большинство спутников планет-гигантов содержат ледяные субстанции, также они составляют большую часть Урана и Нептуна (так называемых «ледяных гигантов») и многочисленных малых объектов, расположенных за орбитой Нептуна Газы и льды вместе классифицируют как летучие вещества.