Происхождение, форма и размеры Земли

В начале 21 века наука все еще не обладает стройной бесспорной теорией, которая объясняла бы происхождение и развитие Земли.Более того, до середины прошлого столетия, не было реальных предпосылок для создания такой теории (вместо нее в двадцатом веке появился ряд гипотез, не имевших достаточного фактического основания и противоречащих друг другу). Во второй половине двадцатого века геологическая наука сделала большой шаг вперед. Тем не менее, единой всеобъемлющей теории до сих пор не создано.

Рис.1.3. Планета Земля

Возраст Земли и других тел Солнечной системы наиболее надёжно оценивается по количеству изотопов свинца, образовавшихся в исследуемых породах в результате радиоактивного распада урана ²³⁸U и тория ²³²Th. Скорость радиоактивного распада не может быть изменена никакими физическими воздействиями, поэтому количество накопившихся изотопов свинца характеризует время, прошедшее с момента изоляции образца до момента исследования.

Планеты Солнечной системы, по современным представлениям, возникли из вещества в конденсированной фазе (пылинок или метеоров). Планеты, следовательно, моложе некоторых метеоритов. В связи с этим возраст Солнечной системы оценивается обычно в 4,7 млрд. лет, а возраст древнейших пород земной коры – 4,5 млрд. лет.

Первую оценку возраста Земли сделал один из создателей учения о радиоактивности, получивший за научные заслуги титул лорда Нельсона, английский физик Э. Резерфорд (1871-1937) в 1905г. Он получил число 500 миллионов лет, что намного меньше современного представления о возрасте Земли.

Много сведений о прошлом Земли дают метеориты. Содержащиеся в каменных метеоритах уран и торий при распаде образуют изотопы радиогенного свинца (свинца, образованного в результате распада). Из отношения радиогенного свинца к первичному установлен возраст метеоритов, а, следовательно, и Земли, равный 4,6 млрд. лет. Наиболее крупным космическим телом, упавшим на Землю за последнее тысячелетие, является Тунгусский метеорит, точнее, ядро небольшой кометы. Его масса могла достигать миллиарда тонн.

Это произошло 30 июня 1908г. В Центральной Сибири, в бассейне реки Подкаменной Тунгуски. Многочисленные жители селений в среднем течении Ангары, пассажиры Транссибирской железной дороги наблюдали, как в 7 часов утра по небу прокатился ослепительно яркий шар размером с Солнце и затем раздался взрыв. Взрыв сопровождался оглушительным ударом, световой вспышкой и землетрясением, которое зарегистрировали многие сейсмические станции мира.

Важным фактором в понимании места нашей планеты в Солнечной системе является её химический состав. Различные тела Солнечной системы образованы, в основном, тремя группами химических элементов. Первую группу составляют водород и гелий. Эти элементы составляют около 90% массы Солнца. Кроме того, из этих же элементов преимущественно состоят планеты-гиганты Юпитер и Сатурн. Приблизительно 1,5% общей массы планет составляют углерод, азот и кислород. Они образуют вторую группу элементов. Третью группу химических элементов (около 0,25%) составляют магний, железо и кремний.

Как указывалось выше, по строению и химическому составу планеты Солнечной системы делятся на планеты земной группы (Меркурий, Венера, Земля, Марс), планеты-гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун) и Плутон, который по многим признакам стоит в этом ряду планет несколько обособленно. Планеты земной группы иногда называют внутренними, остальные – внешними. Все планеты имеют фигуры, близкие к шару. Планету Земля часто считают двойной, так как её естественный спутник Луна по своим размерам и строению немногим отличается от других планет земной группы.

Земля и Луна обращаются вокруг общего центра тяжести (барицентра) системы «Земля-Луна». Земля описывает орбиту, которая является зеркальным отображением орбиты Луны, но её размеры в 81 раз меньше лунной орбиты. Барицентр располагается внутри Земли, причём не в какой-то одной фиксированной точке, а движется с месячным периодом, оказываясь то в Южном, то в Северном полушарии.

Деление планет на две группы можно объяснить различием температурных условий на разных расстояниях от Солнца. Ближе к Солнцу, там, где его лучи прогревали тела и частицы, последние состояли только из нелетучих каменистых частиц. На более далёких расстояниях в условиях низких температур тела и частицы содержали не только каменистые вещества, но также и льды летучих веществ (воды и разнообразных сложных молекул, состоящих в основном из водорода, углерода, кислорода и азота). Так возникло зональное различие в составе и обилии твёрдого вещества, обусловленное способностью химических элементов объединяться в различные химические соединения и способностью этих соединений конденсироваться в твёрдые частички при тех или иных температурах. После объединения промежуточных тел в планеты эти зональные различия превратились в различия в массе и составе других групп планет. Важную роль в возникновении этих различий сыграло также то обстоятельство, что планеты-гиганты смогли вобрать в себя не только твёрдые тела, но и те наиболее летучие газы – водород и гелий, которые даже в холодной, далёкой от Солнца зоне протопланетного облака не могли конденсироваться.

Гравитационной энергии, выделившейся при образовании Земли, хватило бы для расплавления нашей планеты, если бы вся эта энергия пошла на разогрев Земли. Однако при постепенном росте Земли из холодных тел теплота выделялась при их ударах о поверхность и в основном излучалась в пространство. Поэтому недра Земли к концу её образования были нагреты, вероятно, лишь до 1000-1500°К, т.е. имели температуру, меньшую температуры плавления горных пород. В дальнейшем недра Земли разогрелись в результате накопления теплоты, выделяющейся при распаде радиоактивных элементов, которые присутствуют в небольших количествах во всех горных породах.

Разогрев недр Земли привёл к тому, что на глубинах в сотни километров произошло частичное расплавление вещества. Более легкоплавкие вещества являются, как правило, и более лёгкими, поэтому они всплывали (выдавливались) на поверхность, постепенно слагая наружный слой земного шара – земную кору. Земная кора отличается и по составу и по плотности от подстилающего её вещества мантии Земли. Плотность коры составляет 2,7-2,8г/см³, а плотность верхней мантии – 3,3-3,5г/см³.

Процесс химического расслоения земных недр происходит и сейчас. Лёгкие расплавы в виде магмы поднимаются из мантии в кору. Они частично застревают и застывают внутри земной коры, а частично прорывают кору и в виде лавы изливаются наружу при извержении вулканов.

С разогреванием Земли тесно связано происхождение атмосферы и гидросферы. Нагревание является лучшим способом изгнать из твёрдого тела содержащиеся в нём газы. Поэтому разогревание Земли сопровождалось выделением газов и водяных паров, содержащихся в небольшом количестве в земных каменных веществах. Прорвавшись на поверхность, водяные пары конденсировались в воды морей и океанов, а газы образовали атмосферу, состав которой первоначально существенно отличался от современного. Нынешний слой земной атмосферы обусловлен существованием на поверхности Земли растительной и животной жизни.

Биосфера Земли простирается до высоты примерно 10 000м. Бактерии и споры, лишённые хлорофилла, а также птицы, были замечены на высоте 8000м. Отдельные виды пауков были обнаружены на Эвересте на высоте 7000м. Океан также входит в биосферу. Под материками жизнь проникает до глубины 1-2км. Некоторые виды зелёных растений встречаются на высоте свыше 6000м на Эвересте, морские водоросли растут до глубины 300м ниже уровня моря. Более того, эти границы определяются главным образом наличием питательных веществ в органическом материале растительного происхождения. Согласно Вернадскому, биосфера – это область, где вода может существовать в жидком состоянии и возможны различные фазовые переходы (состояния: жидкое – твёрдое, твёрдое – газообразное, газообразное – жидкое), где лучистая энергия (за исключением коротковолнового излучения, губительного для жизни) поглощается не вполне прозрачным материалом. Последнее очень важно, поскольку зелёные растения играют роль посредника в процессе преобразования лучистой энергии Солнца в химическую энергию различных молекул.

Земля среди больших планет Солнечной системы занимает пятое место по размерам и массе и третье (это было установлено Коперником только в 16 веке) – по расстоянию от Солнца. Среди планет земной группы она является самой крупной. Масса Земли составляет 1/447 массы больших планет и 1/332958 массы Солнца. Естественный спутник Земли Луна имеет массу, равную 1/81,3022 массы Земли. Отношение массы Луны к массе Земли наибольшее среди всех планет и их спутников в Солнечной системе, именно поэтому динамическую систему Земля-Луна и рассматривают как двойную планету.

С глубокой древности человечество интересовали форма и размеры Земли. Наиболее древние картографические изображения Земли созданы в Египте и Вавилонии в 3-1 тысячелетии до н. э. В 7 веке 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.

В 6-1вв. до н. э. наибольших успехов в изучении Земли достигли учёные Древней Греции, стремившиеся дать представление о Земле в целом. Первую попытку создать карту всей Земли осуществил греческий философ Анаксимандр (около 610-547гг. до н.э.) из Милета, по мнению которого Земля представляет собой цилиндр, окружённый небесной сферой. Вокруг морского бассейна располагается суша, в свою очередь опоясанная водным кольцом. Одной из первых географических работ было «Землеописание» Гекатея (около 546-480гг. до н.э.) из Милета, которое сопровождалось географической картой. На карте кроме Европы и Азии были показаны известные древним грекам Средиземное, Чёрное, Азовское, Каспийское и Красное моря. Греческий мореплаватель Пифей (4 в. до н.э.) из Массалии достиг берегов Северной и Западной Европы, открыв Британские и Ирландские острова. В своём сочинении «Periplus» он дал понятие грекам об этих странах. Ему же принадлежит верное наблюдение о связи приливов и отливов в океане с движениями Луны.

На смену представлениям о плоской Земле пришло признание шарообразности Земли, доказательствами которого являются:

· всегда кругообразный вид горизонта в океане и на открытых равнинах;

· округлая форма края земной тени на диске Луны во время лунных затмений;

· понижение горизонта - постепенное появление и исчезновение судов при их приближении и удалении от берега;

· изменение высоты Полярной звезды при перемене широты места наблюдения;

· разное время восхода и захода Солнца и звёзд на разных меридианах;

· удаление горизонта при подъёме вверх.

Идея шарообразности Земли возникла ещё у древних греков и индийцев, но потом оставалась в забвении более тысячи лет до времён Колумба (1451-1506) и кругосветных путешествий 16 века. Мысль о шарообразности Земли высказал ещё выдающийся древнегреческий математик, астроном и философ Пифагор (около 571-497гг. до н.э.). В учении пифагорейцев утверждалось, что шар является наиболее совершенной геометрической фигурой и Земля имеет шарообразную форму. Они также утверждали, что шарообразная Земля вращается около некоторого центра, вызывая видимое суточное движение звёзд, и обращается вокруг Солнца в течение года. По существу пифагорейская школа учёных выдвинула идею гелиоцентрической системы мира, научно обоснованную Коперником только через две тысячи лет.

В индийском сказании «Сборник правил поведения», относящемуся к 20-15вв. до н.э., имеется указание на суточное вращение Земли. В нём написано, что нет восхода и заката Солнца и Луны, а существует только перемещение наблюдателя вместе с Землёй от ночи ко дню и снова до ночи.

Великий математик и философ древности Аристотель (384-322гг. до н.э.) в своём сочинении «О небе» указывал, что Земля не только шарообразна по форме, но и имеет конечные размеры и не особенно велика по сравнению с другими небесными телами. Доказательства Аристотеля сводились к следующему: 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. Несколько позднее Архимед (287-212гг. до н.э.) доказывал, что поверхность воды в океанах в спокойном состоянии является шаровой поверхностью. Он же ввёл понятие сфероида как фигуры, близкой по форме к шару.

Размеры земного шара были впервые оценены около 240г. до н.э. египетским астрономом Эратосфеном (287-196гг. до н.э.) на основе простого опыта – по разности высоты Солнца в городах Сиена и Александрия, лежащих на одной полуденной линии, и расстоянию между ними. Измерения выполнялись во время летнего солнцестояния. Радиус Земли по Эратосфену равен 6311км. Геометрические принципы, которыми пользовался Эратосфен, легли в основу градусных измерений Земли. Можно сказать, что учёные в древности не только правильно представляли форму Земли, но и довольно точно знали её размеры.

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

В первые десятилетия 1 века утвердилась идея о шарообразности Земли. Уровень знаний об окружающем мире этого периода характеризует выдающийся труд римского писателя и учёного Плиния Старшего (23-79) «Естественная история» (Historial naturalis) в 37 книгах, содержащая сведения по географии, ботанике, минералогии, а также истории и искусству. Заметим, что счёт лет «от рождества Христова» или «от нашей эры» условно введен римским монахом Дионисием Малым в 525г. н.э. Дионисий объявил, что Христос родился 532 года назад и назвал 1284г. «от основания Рима» 532 годом «от рождества Христова». Поэтому следующие годы стали нумеровать как 533, 534 и т.д. Постепенно этот счёт годов вошёл во всеобщее употребление и продолжается до сих пор. В астрономии за начало счёта принимается не начало первого года нашей эры, а начало первого года до нашей эры, которое обозначается нулём. От нуля вперёд идёт счёт положительных, а назад отрицательных годов.

Великие географические открытия окончательно прояснили вопрос о шарообразности Земли, прямым доказательством которой послужило кругосветное путешествие Ф. Магеллана (1480-1521) в начале 16 века. Плавания Х. Колумба, Васко да Гамы (1469-1524), А. Веспуччи (1451-1512) 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.

Открытие великим И. Ньютоном (1643-1727) во второй половине 17 века закона всемирного тяготения привело к возникновению идеи о том, что Земля представляет собой не идеальный шар, а сплюснутый у полюсов сфероид. Ньютон, исходя из открытого им закона, так излагал новое учение о фигуре Земли (или вообще вращающейся вокруг оси планетарной массы) в поле сил всемирного тяготения: «если бы у планеты было устранено суточное вращение, то вследствие одинакового отовсюду тяготения частей её она должна бы принять форму шара; вследствие же вращения части близ экватора стремятся удалиться от оси; следовательно, если бы вещество было жидким, то оно своим подъёмом увеличило бы диаметр по экватору и своим опусканием уменьшило бы ось у полюсов».

Исходя из предположений о внутреннем строении Земли и основываясь на законе всемирного тяготения, И. Ньютон и нидерландский учёный Х. Гюйгенс (1629-1695) дали теоретическую оценку сжатия земного сфероида и получили столь разные результаты, что возникли сомнения в справедливости гипотезы о земном сфероиде. Чтобы рассеять их, Парижская Академия наук в первой половине 18 века направила экспедиции в приполярные области Земли – в Перу и Лапландию, где были выполнены градусные измерения, подтвердившие правильность гипотезы о сфероидичности Земли и закона всемирного тяготения.

Рис.1.4. Грушевидность Земли

Прошли века со времени публикации в 1687г. величайшего в истории науки труда «Математические начала натуральной философии» Ньютона. Королевское Общество так оценило этот труд: «… можно с уверенностью утверждать, что так много ценных физических истин, которые здесь им открыты и положили конец спорам, никогда ещё не были плодом Способностей и Трудолюбия одного Человека».

По форме Земля представляет сплюснутый сфероид (неправильная сфера, несколько сжатая с полюсов). Расстояние от Южного до Северного полюса равно 12 713,505км, в то время как диаметр Земли на экваторе равен 12 756,274км, что на 42,769км больше. Если быть ещё точнее, то Земля имеет грушевидную форму, что доказало открытие третьего члена J₃ = -2,538×10^-6 в разложении потенциала. Южное полушарие более сплюснуто, чем северное. Разность сжатий двух полушарий обусловливает разность северного полярного и южного полярного радиусов. Приближённая оценка этой величины может быть выполнена по формуле . При а = 6378137м северный полярный радиус на 32м длиннее южного (рис.1.4).

Экватор Земли также имеет небольшую эллиптичность: разность его осей по данным табл.2 составляет 138,7м. Максимальная длина окружности Земли по экватору равна 40 075,02км, по меридиану - 40 007,86км.

Вопрос о трёхосности нашей планеты впервые был поставлен почётным академиком Российской Академии наук военным геодезистом Ф.Ф. Шубертом (1789-1865). В 1859г. им были опубликованы первые размеры трёхосного земного эллипсоида: большая и малая оси экватора – 6 378 556м и 6 377 837м, полярная ось Земли – 6 356 719м, сжатия земного экватора наибольшего (+41°04¢ от Гринвича) и наименьшего меридианов соответственно 1:8870, 1:292 и 1:302. Идея Шуберта о трёхосности Земли имела большое научное значение для дальнейшей разработки вопроса, как о математической фигуре Земли, так и о методах её изучения.

Большая ось трёхосного эллипсоида является одной из главных осей инерции, относительно которой экваториальный момент инерции Земли А₀ имеет наименьшее значение. Относительно малой экваториальной оси этого эллипсоида Земля обладает наибольшим экваториальным моментом инерции В₀. Очевидно, что полярная ось земного эллипсоида совпадает с осью вращения Земли, относительно которой Земля обладает наибольшим моментом инерции С₀.

Вычисленные по данным внешнего гравитационного поля Земли модели GEM-10C параметры трёхосного эллипсоида имеют следующие значения: полярный радиус – 6 356 749,4м; минимальный экваториальный радиус – 6 378 112,4м, максимальный экваториальный радиус – 6 378 161,6м, средний экваториальный радиус – 6 378 137,09м. Долгота меридиана большой оси экватора трёхосного эллипсоида для современной эпохи равна 14,9°з.д.

Площадь поверхности Земли равна 510 065 600км², масса – 597 332 758 800×10¹⁶г, средняя плотность – 5,515г/см³, объём Земли равен 108 320 884 5000км³. Гидросфера Земли занимает 70,98% поверхности (362 033 000км²), средняя глубина гидросферы равна 3 554м. Вес всей воды составляет примерно 1,32×10¹⁸ тонн или 0,022% от общего веса Земли. Объём океанов планеты оценивается в 1 349,9 млн. км³, а объём пресной воды – 35 млн. км³.

По исследованиям военного геодезиста профессора М.М. Машимова имеет место перманентное уменьшение объёма, массы и моментов инерции Земли, обусловленное гравитационной дифференциацией вещества (уплотнение мантии и ядра за счёт всплытия лёгкого материала в верхние оболочки Земли) и диссипацией вещества. Числовые значения годовых изменений параметров Земли, вычисленные путём обработки наблюдательного материала за последние 25-30 лет, представлены в табл. 2.

Таблица 2

Основные параметры Земли и их годовые изменения отражают свойства планетарного геоида, представляющего главную отсчётную поверхность, и горизонтальные неоднородности в астеносфере. Физические процессы, протекающие неодновременно и с разной интенсивностью, формируют аномалии высот и пространственно-временные их изменения. Там, где эти процессы проходят интенсивно, геоид заметно изменяется. Геоид и его изменения во времени, проявляющие аномальное строение верхней мантии и физические процессы, протекающие в ней с различной интенсивностью, представляют один из главных предметов современной геодезии. Стандартной фигурой, с которой сравнивается планетарный геоид, является общеземной эллипсоид. Большая полуось его соответствует среднему значению экваториального радиуса геоида, а полярное сжатие принимается равным среднему значению полярного сжатия геоида.