ФОРМИРОВАНИЯ ГЕОГРАФИЧЕСКОЙ ОБОЛОЧКИ

По современным представлениям, наша Галактика является сплюснутой системой. От центра Галактики наше Солнце отстоит на 10 тыс. парсек (парсек – единица измерения расстояний до небесных тел за пределами Солнечной системы, один парсек равен 30.86 10 км). Огромное число звезд вместе с газово-пылевыми туманностями образуют множество галактик Вселенной. Одна из них - наша. В ее границах насчитывается более 100 млрд. звезд. Большая их часть концентрируется в галактической плоскости, и они тяготеют к центру Галактики.

Всю толщу Галактики пронизывают космические лучи, которые содержат элементарные частицы. Поток частиц высоких энергий направляется к Земле почти со световой скоростью. Но и в этом случае они достигают нашу Землю только через несколько миллиардов лет. Солнце и ближайшие к нему звезды совершают полный оборот вокруг центра Галактики за 200 млн. лет. Этот срок считают за галактический год.

Происхождение Галактик, а вместе с ней и Солнечной системы, остается до сих пор неразгаданной тайной. В настоящее время считается, что Галактика образовалась из газового облака, состоявшего из водорода. Гравитационные изменения в одном из газово-пылевых облаков привели к образованию Солнечной системы 4.6 млрд. лет назад. На начальной стадии эволюции Галактик из межзвездной газово-пылевой среды образовались первые звезды. Механизм этого явления видится многим ученым в такой последовательности. В результате уплотнения, вещество досолнечного облака разогревалось и постепенно достигло настолько высоких температур, что в нем начались гигантские ядерные взрывы. В итоге – образовалось Солнце. А накопление межзвездных пылинок с последующим увеличением и накоплением газа привело к возникновению планет и многих их спутников.

Солнечную систему образуют 9 крупных планет – Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон – со спутниками (42 спутника), астероидами, кометами и межпланетным веществом. 99.9% массы вещества приходится на Солнце и только 0.1% на все остальные элементы Солнечной системы.

Планеты Солнечной системы делятся на две группы по размерам, географическим показателям и химическому составу: планеты типа Земля и планеты типа Юпитер. В первую группу входят: Меркурий, Венера, Земля, Марс. Эти планеты расположены наиболее близко к Солнцу. Земля находится на расстоянии 149.6 млн. км от Солнца. Небольшие по размерам планеты – «земляне» (Земля - эталон) обладают высокой плотностью вещества: от 4.0 до 5.5 г/ см . По современным данным космохимии, недра этих планет охвачены глубокой химической дифференциацией, которая выражается в существовании оболочек. Оболочки концентрические, обволакивающие друг друга. В строении планет «земной» группы выделяют 4 главные оболочки: 1) плотное металлическое или сульфид-металлическое ядро; 2) покрывающую ядро окисло-силикатную мантию; 3) пониженной плотности коруалюмосиликатного состава; 4) легкую газово-воднуюоболочку(кроме Меркурия). На поверхности всех четырех «землян» обнаружены следы тектонической деятельности. Во вторую группу входят: Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун. Они отличаются большими размерами и массой. Это планеты – гиганты. Плотность их небольшая (1.3 – 1.6 г/ см ). По размерам Уран превосходит Землю в 14.6 раза, Юпитер – в 318 раз. Тепла планеты получают намного меньше. Юпитер в 19 раз меньше, а Нептун в 425 раз меньше, чем, например, Меркурий.

Плутон – самая удаленная планета – и ее можно отнести к третьей группе, если предположить, что будут найдены другие планеты, в частности, десятая за орбитой Плутона. Предполагается, что десятая планета движется по очень вытянутой орбите, делая полный оборот за 1000 лет. (Десятая планета Солнечной системы. Природа, 1986, №5, с. 107).

Астероиды, или малые планеты образуют пояс между Марсом и Юпитером. Диаметр малых планет колеблется от 1 до 1 тыс. км, а вся их масса составляет 1/700 массы Земли. Например, Икар и др.

Кометы – особые небесные тела, которые движутся по сильно вытянутым эллипсам. Когда они приближаются к Солнцу, у них резко отсоединяются «голова» и «хвост». Головная часть состоит изо льда и частиц пыли, а «хвост» - это разреженная газово-пылевая среда, предполагается, что вещество комет (и астероидов) содержит тот материал, из которого 4.5 - 5.0 млрд. лет назад образовались Земля и другие планеты.

Существует специальный кометный каталог (составил его американский астроном Б. Мерсден), в который записаны все кометы, появившиеся в Солнечной системе. Их насчитывается 659. Одна из самых известных комет – комета Галлея. В зоне видимости нашей Земли она появляется каждые 76 лет. Последний раз – в начале 1986 года. Комету наблюдали и изучали межпланетные станции «Вега - 1» и «Вега - 2» (СССР), «Джотто» (Европейское космическое агентство ) и «Планета А» (Япония). Установлено, что тело кометы Галлея насыщено ионами H, O , C, Fe, цианид-ионами. При встрече с «Вегами» комета выбрасывала в космос около 50 тонн газа ежесекундно.

Межпланетное пространство состоит преимущественно из атомов водорода (H), разреженного газово-пылевого вещества. Общая масса межпланетного вещества Солнечной системы очень мала: 3 10 кг, то есть это двухтриллионная часть массы Земли. Однако, несмотря на это, советскими космическими аппаратами в 60 – х годах XX века в некоторых участках Солнечной системы были обнаружены большие скопления пылевых облаков. Линейные размеры этих сгущений составляют 3 – 5 млн. км.

Ежедневно в сторону нашей планеты направляется до 10 млрд. метеоров. Следует отметить, что Земля при движении по орбите захватывает всю встречаемую ей материю. Каждый год на поверхности Земли выпадает в среднем 34 – 40 млн. тонн метеоритного вещества. Они бывают разных цветов – оранжевые, зеленые, с фиолетовыми оттенками. В спектрах метеоров обнаружено 1000 разных линий 19 химических элементов. Среди них установлены линии Mg, Ca, Na, Fe. Число «падающих звезд» резко увеличивается, когда Земля попадает в скопления движущихся вокруг Солнца метеорных частиц. Ежедневно в сторону нашей планеты направляется до 10 млрд. метеоров. Когда они встречаются с атмосферой, выделяется огромное количество кинетической энергии. При этом мелкие метеориты разрушаются до тончайшей пыли. Пыль медленно оседает на земную поверхность. Пылинки размером от нескольких микронов до миллиметра называются микрометеоритами. От обычной земной пыли их отличают особая форма и состав, которые подчеркивают их внеземное происхождение. По химическому составу и структуре метеориты делятся на три большие группы: железные, каменные и железокаменные. Железные метеориты содержат в среднем 91% Fe, 8.5 % Ni, 0.6 % Co; каменные – 36 % O , 26 % Fe, 18 % кремния и 14 % Mg.

Поэтому действуют на географическую оболочку крупные метеориты. Они пробивают многокилометровую толщу атмосферы. Эти космические пришельцы способствуют выделению большого количества кинетической энергии, которая расходуется на торможение, плавление, дробление метеорита и на разрушение горных пород. Ударный эффект бывает настолько силен, что в месте падения метеорита в географической оболочке образуется несколько зон: 1) испарения; 2) плавления; 3) пластических деформаций; 4) тонкого дробления; 5) грубого разрушения. Плюс к тому, в местах, где падают космические тела, на земной поверхности возникают кратеры. Размеры кратеров достаточно различны: от нескольких метров до десятков км.

С другой стороны, земная поверхность достаточно хорошо защищена от воздействия космических тел атмосферой. К тому же, метеоритные формы долго существовать не могут. Они деформируются, разрушаются под влиянием компонентов географической оболочки. Но, не смотря на все это, на Земле обнаружено более 100 крупных форм метеоритного происхождения. Возраст метеоритных кратеров в большинстве своем не превышает 500 млн. лет. Определяют их с помощью космических наблюдений и наземными методами (гравиметрическими, сейсмическими, элетромагнитометрическими). По разным регионам известные ныне метеоритные формы распределены следующим образом: Северная Америка – 62, Евразия (без СНГ) – 31, Африка – 16, Южная Америка – 5, СНГ – 26.

Под влиянием гравитационного взаимодействия Земли с Луной и Солнцем в географической оболочке возникают приливно-отливные явления. Наиболее отчетливо они проявляются в гидросфере, в атмосфере они проявляются в полусуточном изменении давления, отмечены они и в земной коре (максимальная величина – до 51 см в экваториальной области).

Солнечно-земные связи - это ответные реакции географической оболочки на изменения солнечной активности. Солнечную активность связывают с регулярным образованием в атмосфере Солнца пятен, факелов, вспышек, протуберанцев.

В середине XIX века швейцарский астроном Р. Вольф вычислил количественный показатель солнечной активности, известный во всем мире как число Вольфа. Этот индекс используют для того, чтобы установить число групп солнечных пятен и строение каждой из них. Вольф обработал весь пласт наблюдений в прошлом веке за солнечными пятнами, после чего установил 11-летний цикл солнечной активности. Одновременно с 11-летним протекает вековой цикл: 80 – 90 лет. Эти циклы накладываются друг на друга и вносят заметные изменения в процессы, протекающие в географической оболочке. На тесную связь многих земных явлений с солнечной активностью указывал А.Л. Чижевский в середине прошлого века (1936 год): «подавляющее большинство физико-химических процессов на земле представляет результат воздействия космических сил».

От солнечной активности зависят: магнитные бури, полярные сияния, количество ультрафиолетовой радиации, интенсивность грозовой деятельности, температура воздуха, атмосферное давление, уровень озер, рек, грунтовых вод, соленость и ледовитость морей, и другие. (Чижевский А.Л., 1976 г., Ю.И. Витинский, 1983 г.). Велико воздействие солнечной активности на общую циркуляцию в тропосфере. Установлено, что интенсивность ее изменяется в максимумы 11 – летних циклов. Более того, в период максимумов солнечной активности может меняться даже тип атмосферной циркуляции. Углубление циклонов, усиление антициклонов падают именно на период максимумов солнечной активности.

Устойчивость атмосферы в большой степени нарушает и корпускулярный поток. Вековыми наблюдениями за атмосферным давлением установлено влияние протонов высоких энергий на тропосферные процессы. При вхождении планеты в корпускулярный поток увеличивается суточная разность давления. А это усиливает нестабильность атмосферы. При этом солнечный корпускулярный поток, приходящий к Земле, в первую очередь усиливает циклоническую деятельность на границе материков и океанов.

Солнечно-земные связи, а именно – солнечная активность активно воздействуют и еще на одну сферу географической оболочки – живые организмы. По данным ученых, которые работают в области гелиобиологии (Солнце – живое вещество) открыто два типа связей между солнечным излучением и органическим миром: 1) прямое воздействие солнечных излучений на живые организмы; 2) воздействие не прямое, а через гидроклиматические условия. Например, изменение увлажнения в период активного и спокойного Солнца влияет на прирост древесины. Древесно-кольцевые хронологии могут даже совпадать между собой в районах, расположенных на тысячи километров друг от друга, но со сходным режимом атмосферной циркуляции. С 11- летним циклом солнечной активности связано массовое появление вредителей леса и сельскохозяйственных культур, в частности саранчи; определена корреляция между солнечной цикличностью и сроком вегетационного периода у растений, размножением и миграцией грызунов, рыб, пушных зверей. С периодической деятельностью Солнца связаны многие заболевания человека – сердечно-сосудистые, нервно-психические и вирусные.

В географической оболочке существует магнитное поле. Магнитные полюсы и полюсы географические не совпадают. Положение магнитных полюсов со временем меняются. Северный полюс дрейфует со скоростью 5 –6 км/год. Например, в 1950 году северный магнитный полюс имел координаты 72 с.ш. и 96 з.д., а южный - 70 ю.ш. и 150 з.д. В 1970 году – соответственно 75 42’с.ш. и 101 30’з.д., южный - 65 30’ю.ш. и 140 18’з.д.

Считают, что образование магнитного поля связано с динамическими процессами в мантии и ядре Земли. На расстоянии, равном 10 – 14 земным радиусам от центра планеты, магнитное поле встречается с потоками заряженных скоростных частиц. Это солнечный ветер. Геомагнитное поле взаимодействует с солнечным ветром и образует магнитосферу. Под ударами солнечного ветра магнитосфера сжата со стороны Солнца и сильно вытянута в антисолнечном направлении. Таким образом, образуется хвост магнитосферы. Его длина 900 – 1050 земных радиусов.

В географической оболочке Земли магнитное поле меняется в зависимости от широты – зонально. Различают три широтные зоны в каждом полушарии:

a. экваториальная зона (25 с.ш. и 25 ю.ш.). Характеризуется малым проникновением протонов высоких энергий в атмосферу Земли. Им создают заслон магнитные силовые линии, которые в районе экватора идут почти параллельно земной поверхности и становятся непробиваемыми для частиц космоса;

b. зона умеренных широт (30 с.ш. и 55 ю.ш.). Характерно нарастание интенсивности потоков;

c. зона над полярными областями Земли. Здесь силовые линии магнитного поля практически перпендикулярны земной поверхности. Часть солнечного ветра беспрепятственно проникает в магнитосферу, а затем и в верхнюю атмосферу. В период магнитных бурь сюда же проникают частицы из хвостовой части магнитосферы. В высоких широтах северного и южного полушария эти частицы достигают границ верхней атмосферы. Именно эти заряженные частицы вызывают полярные сияния.

Роль магнитного поля для географической оболочки:

1. магнитное поле является главным препятствием для проникновения корпускулярного излучения Солнца, то есть магнитное поле охраняет органический мир Земли, жизнь Земли от губительного корпускулярного излучения Солнца;

2. одновременно с этим, магнитосфера пропускает к поверхности планеты рентгеновские и ультрафиолетовые лучи. Она – хороший проводник радиоволнового излучения. Хорошо пропускает магнитосфера и лучистую энергию – основной источник тепла. Магнитосфера является энергетической базой существования и развития географической оболочки;

3. с помощью опытов показана зависимость растений и животных от магнитного поля. Например, особое расположение зародыша семян к направлению геомагнитного поля влияет на рост и ориентацию корней. Это явление называют магнитотропизмом. Накоплено много фактов о высокой чувствительности к магнитным полям насекомых, птиц, рыб, моллюсков, червей и даже водорослей.

ФОРМА И РАЗМЕРЫ ЗЕМЛИ,

ИХ ГЕОГРАФИЧЕСКИЕ СЛЕДСТВИЯ

Вопрос правильного определения формы и размеров Земли является достаточно сложной проблемой. Первой моделью формы Земли был сфероид. Такое представление существовало вплоть до второй половины XVII века. В XVII веке открыли, что ускорение силы тяжести изменяется по широтам. Объяснить этот факт можно было лишь в том случае, если принять за модель планеты эллипсоид и отказаться от понятия сфероида. Но и здесь возникло затруднение, ибо форма Земли совпала бы с фигурой эллипсоида, если бы плотности слагающего ее вещества распределялись правильно и концентрически. Но это условие не соблюдается, а, следовательно, фигура Земли не эллипсоид вращения. Поэтому, в 1873 году немецкий геодезист Е. Листинг предложил сравнить форму Земли с уровенной спокойной поверхностью океана, продолженную под континентом. Эта фигура Земли была названа геоидом, что значит «подобный Земле».

Геоид – фигура не геометрическая. Ее поверхность обусловлена свойствами самой планеты. Детальные исследования из космоса повысили точность в определении фигуры Земли. Однако, при рассмотрении глобальных географических закономерностей все – таки целесообразнее избрать модель самую простую – шар.

С шарообразной формой Земли связано важное географическое явление – неравномерное распределение солнечной энергии по широтам, отсюда вытекают особенности циркуляции в атмосфере и океанах. Например, стало известно, что на глобальный водоворот Мирового океана, движимый ветром, дополнительно накладывается циркуляция, «движимая Солнцем». Ее называют термохалинной циркуляцией. (Термо – связь течения с температурой, халина – с соленостью вод).

Итак, шарообразная форма Земли в сочетании с параллельным потоком солнечных лучей становится первопричиной зональности процессов, компонентов и ландшафтов географической оболочки.

В 1940 году под руководством советского астронома-геодезиста М.Ф. Красовского были определены размеры основных элементов Земли. Экваториальный радиус а оказался равным 6 378 245 м, полярный в – 6 356 863м, а полярное сжатие ( ) =1:298,3. Разница между экваториальным и полярным радиусами достигает 21 382м.

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗЕМЛИ

Перечислим некоторые важнейшие параметры географической оболочки.

Площадь (S) земной поверхности 510,2 млн. км . Океан занимает 361,1 млн. км (70,8 %), суша – 149,1 млн. км (29,2 %). Выделяют 6 крупных массивов суши – материков или континентов: Евразию, Африку, Северную Америку, Южную Америку, Антарктиду, Австралию. Средняя высота (h) суши 870 м, средняя глубина около 3 704 м. Океанические пространства подразделяют на 4 океана: Тихий, Атлантический, Индийский, Северный Ледовитый океаны. Существует мнение о целесообразности выделения приантарктических вод Тихого, Индийского и Атлантического океанов в особый Южный океан, так как этот регион отличается особым динамическим и термическим режимом.

ДВИЖЕНИЯ ЗЕМЛИ

Земля совершает множество движений одновременно. В географии принято учитывать и анализировать три из них: орбитальное движение, суточное вращение и циклы солнечной активности в ритмике природных процессов и явлений.

1. Движение Земли вокруг Солнца. Вокруг Солнца Земля движется по орбите эллиптической формы. Эксцентриситет земной орбиты е равен 0,017. Средний радиус орбиты 149,6 млн. км. Солнце расположено в одном из фокусов орбиты Земли, вследствие чего расстояние между Землей и Солнцем в течение года меняется от 147,117 млн. км (в перигелии) до 152,083 млн. км (в афелии).

Скорость движения Земли на орбите тем выше, чем меньше радиус - вектор (расстояние от земли до Солнца). Средняя орбитальная скорость Земли 29,765 км/сек. В перигелии Земля бывает в начале января. Следовательно, в это время движение по орбите происходит быстрее, поэтому зимнее полугодие в северном полушарии короче, чем в южном. В процессе движения ось перемещается поступательно, поэтому на орбите возникают 4 характерные точки. В дни равноденствий радиус-вектор находится в плоскости экватора, светораздельная линия делит все параллели пополам. Благодаря этому, солнечные лучи на экваторе в полдень падают отвесно и на всем земном шаре день равен ночи, а на полюсах происходит смена полярного дня и полярной ночи. Различают осеннее и весеннее равноденствия. В дни солнцестояний плоскость экватора находится по отношению к солнечному лучу (к радиусу - векторы орбиты) под углом 23 27’. Солнце в это время находится в зените под одним из тропиков. Различают летнее и зимнее солнцестояния.

С наклоном земной оси к плоскости орбиты связано наличие таких характерных параллелей, как тропики и полярные круги. Полярный круг– параллель, широта которой равна углу наклона Земной оси к плоскости орбиты. Тропик – параллель, широта которой есть угол, дополняющий угол наклона земной оси до прямого, равного 23,5 . Полярные круги являются границами распространения полярного дня и полярной ночи. В полярный день (или ночь) Солнце в течение суток и более не заходит (не восходит). Продолжительность полярного дня (ночи) закономерно возрастает с широтой места от одних суток (на полярном круге) до полугода (на полюсе). Тропики являются границами зенитального положения Солнца. На тропиках Солнце бывает в зените по одному разу в году, в пространстве между ними – по два раза в году.

2. Вращение Земли вокруг оси. Суточное вращение Земли происходит вокруг оси. Ось вращения отклонена на 23 27’ от перпендикуляра к плоскости эклиптики. Вращение Земли происходит против часовой стрелки и с запада на восток, если смотреть с северного полюса. Полный оборот вокруг своей оси планета совершает за одни сутки. Угол поворота на всех широтах одинаков. За один час каждая точка на поверхности Земли передвигается на 15 от ее первоначального положения. Но при этом линейная скорость находится в обратно пропорциональной зависимости от географической широты. На экваторе она – 464 м/ сек, на широте 65 - только 195 м/ сек.

Географические следствия суточного вращения Земли:

- Смена дня и ночи. Оно характеризуется чередованием нагревания и охлаждения подстилающей поверхности и приземного слоя воздуха в дневную и ночную части суток. Максимальная температура наблюдается в середине дня, а минимальная – в предрассветные часы. С этим изменением также связан суточный режим солнечной радиации, интенсивность которой зависит от угла наклона земной оси, температурный режим водоемов, испарение воды (Е ), местная циркуляция воздуха, жизнедеятельность живых организмов, изменение атмосферного давления.

- Следующее следствие относится к сжатию земного сфероида. На любую точку планеты одновременно действуют две силы: сила тяготения, направленная к центру и центробежная, перпендикулярная оси вращения. От сложения этих сил образуется третья, направленная в сторону экватора. Под ее действием Земля становится выпуклой вблизи экватора и сплюснутой у полюсов. Это и есть второе следствие – деформация фигуры Земли.

- Третье, наиболее существенное, значение вращения Земли, состоит в образовании поворотной силы, или силы Кориолиса. В XIX веке она была впервые рассчитана французским ученым в области механики Г. Кориолисом: F =2m sin , где m - масса движущегося тела; - угловая скорость; - линейная скорость; - широта места.

Действия силы Кориолиса распространяется на многие явления географической оболочки. Ее отклоняющий эффект особенно заметен на движении ВМ – ветры умеренных широт обоих полушарий принимают преимущественно западное направление, а в тропических широтах – восточное (пассатное).

- Ось вращения, полюсы и экватор являются основой географической системы координат. Экватор служит плоскостью симметрии, относительно которой размещаются пояса освещения, меняется величина солнечной радиации и другие важные параметры.

3. Циклы солнечной активности. Солнечно-земными связями называют реакции внешних оболочек Земли на изменения солнечной активности. Энергетической базой служит солнечная радиация и солнечный ветер. В количественном отношении поток солнечной радиации мало изменчив, поэтому ее количество является одной из мировых констант. Качественные изменения солнечной радиации, связанные с флуктуациями интенсивности в различных частях спектра, значительны. Они обусловлены появлением и исчезновением солнечных пятен, факелов, протуберанцев, хромосферных вспышек, и других периодических явлений, называемых солнечной активностью. Наблюдения показали (они ведутся более 200 лет), что уровень солнечной активности изменяется с периодичностью около 11 лет.

Показатель солнечной активности – числа Вольфа.

Наряду с 11–летним имеет место слабовыраженный 90–летний цикл солнечной активности. Накладываясь друг на друга, циклы обусловливают непериодическую изменчивость солнечной активности. Эта изменчивость воздействует на процессы в географической оболочке. Установлена в частности, корреляция, между 11-летним циклом солнечной активности, с одной стороны, и такими явлениями, как землетрясения, колебания уровня озер, урожайности сельскохозяйственных культур, численности насекомых, повторяемости эпидемических заболеваний, смертность населения – с другой стороны. Механизм связей еще не изучен, хотя и привлекает все большее внимание.