Земля относится к планетам земной группы, и, в отличие от газовых гигантов, таких как Юпитер, имеет твёрдую поверхность. Это крупнейшая из четырёх планет земной группы в Солнечной системе , как по размеру, так и по массе. Кроме того, Земля среди этих четырёх планет имеет наибольшие плотность, поверхностную гравитацию и магнитное поле . Это единственная известная планета с активной тектоникой плит.
Недра Земли делятся на слои по химическим и физическим (реологическим) свойствам, но в отличие от других планет земной группы, Земля имеет ярко выраженное внешнее и внутреннее ядро. Наружный слой Земли представляет собой твёрдую оболочку, состоящую главным образом из силикатов. От мантии она отделена границей с резким увеличением скоростей продольных сейсмических волн — поверхностью Мохоровичича. Твёрдая кора и вязкая верхняя часть мантии составляют литосферу. Под литосферой находится астеносфера , слой относительно низкой вязкости, твёрдости и прочности в верхней мантии .
Значительные изменения кристаллической структуры мантии происходят на глубине 410-660 км ниже поверхности, охватывающей переходную зону, которая отделяет верхнюю и нижнюю мантию. Под мантией находится жидкий слой, состоящий из расплавленного железа с примесями никеля, серы и кремния — ядро Земли. Сейсмические измерения показывают, что оно состоит из 2 частей: твёрдого внутреннего ядра с радиусом ~1220 км и жидкого внешнего ядра, с радиусом ~ 2250 км.
Форма
Форма Земли (геоид) близка к сплюснутому эллипсоиду. Расхождение геоида с аппроксимирующим его эллипсоидом достигает 100 метров.
Вращение Земли создаёт экваториальную выпуклость, поэтому экваториальный диаметр на 43 км больше, чем полярный. Высочайшей точкой поверхности Земли является гора Эверест (8848 м над уровнем моря), а глубочайшей — Марианская впадина (10 994 м под уровнем моря). Из-за выпуклости экватора самыми удалёнными точками поверхности от центра Земли являются вершина вулкана Чимборасо в Эквадоре и гора Уаскаран в Перу.
Химический состав
Масса Земли приблизительно равна 5,9736·1024 кг. Общее число атомов, составляющих Землю, ≈ 1,3-1,4·1050. 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 область ядра, предположительно, состоит из железа (88,8 %), небольшого количества никеля (5,8 %), серы (4,5 %) и около 1 % других элементов. Примечательно, что углерода , являющегося основой жизни, в земной коре всего 0,1 %.
Геохимик Франк Кларк вычислил, что земная кора чуть более, чем на 47 % состоит из кислорода. Наиболее распространённые породообразующие минералы земной коры практически полностью состоят из оксидов ; суммарное содержание хлора, серы и фтора в породах обычно составляет менее 1 %. Основными оксидами являются кремнезём (SiO 2), глинозём (Al 2 O 3), оксид железа (FeO), окись кальция (CaO), окись магния (MgO), оксид калия (K 2 O) и оксид натрия (Na 2 O). Кремнезём служит главным образом кислотной средой, формирует силикаты; природа всех основных вулканических пород связана с ним.
Внутреннее строение
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.
Внутреннее тепло
Внутренняя теплота планеты обеспечивается сочетанием остаточного тепла, оставшегося от аккреции вещества, которая происходила на начальном этапе формирования Земли (около 20 %) и радиоактивным распадом нестабильных изотопов: калия-40 , урана-238 , урана-235 и тория-232. У трёх из перечисленных изотопов период полураспада составляет более миллиарда лет. В центре планеты, температура, возможно, поднимается до 6000 °С (10,830 °F) (больше, чем на поверхности Солнца), а давление может достигать 360 ГПа (3,6 млн атм). Часть тепловой энергии ядра передаётся к земной коре посредством плюмов. Плюмы приводят к появлению горячих точек и траппов. Поскольку большая часть тепла, производимого Землёй, обеспечивается радиоактивным распадом, то в начале истории Земли, когда запасы короткоживущих изотопов ещё не были истощены, энерговыделение нашей планеты было гораздо больше, чем сейчас.
Больше всего энергии теряется Землёй посредством тектоники плит, подъёма вещества мантии на срединно-океанические хребты. Последним основным типом потерь тепла является теплопотеря сквозь литосферу, причём большее количество теплопотерь таким способом происходит в океане, так как земная кора там гораздо тоньше, чем под континентами.
Литосфера
Атмосфера
Атмосфера (от. др.-греч. ?τμ?ς — пар и σφα?ρα — шар) — газовая оболочка, окружающая планету Земля; состоит из азота и кислорода, со следовыми количествами водяного пара, диоксида углерода и других газов. С момента своего образования она значительно изменилась под влиянием биосферы . Появление оксигенного фотосинтеза 2,4-2,5 млрд лет назад способствовало развитию аэробных организмов, а также насыщению атмосферы кислородом и формированию озонового слоя, который оберегает всё живое от вредных ультрафиолетовых лучей.
Атмосфера определяет погоду на поверхности Земли, защищает планету от космических лучей, и частично — от метеоритных бомбардировок. Она также регулирует основные климатообразующие процессы: круговорот воды в природе, циркуляцию воздушных масс, переносы тепла. Молекулы атмосферных газов могут захватывать тепловую энергию, мешая ей уйти в открытый космос, тем самым повышая температуру планеты. Это явление известно как парниковый эффект. Основными парниковыми газами считаются водяной пар, двуокись углерода, метан и озон. Без этого эффекта теплоизоляции средняя поверхностная температура Земли составила бы от −18 до −23 °C (при том, что в действительности она равна 14,8 °С), и жизнь скорее всего не существовала бы.
В нижней части атмосферы содержится около 80 % общей её массы и 99 % всего водяного пара (1,3-1,5·1013 т), этот слой называется тропосферой . Его толщина неодинакова и зависит от типа климата и сезонных факторов: так, в полярных регионах она составляет около 8-10 км, в умеренном поясе до 10-12 км, а в тропических или экваториальных доходит до 16-18 км. В этом слое атмосферы температура опускается в среднем на 6 °С на каждый километр при движении в высоту. Выше располагается переходный слой — тропопауза, отделяющий тропосферу от стратосферы. Температура здесь находится в пределах 190-220 K.
Стратосфера — слой атмосферы, который расположен на высоте от 10-12 до 55 км (в зависимости от погодных условий и времени года). На него приходится не более 20 % всей массы атмосферы. Для этого слоя характерно понижение температуры до высоты ~25 км, с последующим повышением на границе с мезосферой почти до 0 °С. Эта граница называется стратопаузой и находится на высоте 47-52 км. В стратосфере отмечается наибольшая концентрация озона в атмосфере, который оберегает все живые организмы на Земле от вредного ультрафиолетового излучения Солнца. Интенсивное поглощение солнечного излучения озоновым слоем и вызывает быстрый рост температуры в этой части атмосферы.
Мезосфера расположена на высоте от 50 до 80 км над поверхностью Земли, между стратосферой и термосферой. Она отделена от этих слоёв мезопаузой (80-90 км). Это самое холодное место на Земле, температура здесь опускается до −100 °C. При такой температуре вода, содержащаяся в воздухе, быстро замерзает, иногда формируя серебристые облака. Их можно наблюдать сразу после захода Солнца, но наилучшая видимость создаётся, когда оно находится от 4 до 16° ниже горизонта. В мезосфере сгорает большая часть метеоритов, проникающих в земную атмосферу. С поверхности Земли они наблюдаются как падающие звёзды. На высоте 100 км над уровнем моря находится условная граница между земной атмосферой и космосом — линия Кармана .
В термосфере температура быстро поднимается до 1000 К, это связано с поглощением в ней коротковолнового солнечного излучения. Это самый протяжённый слой атмосферы (80-1000 км). На высоте около 800 км рост температуры прекращается, поскольку воздух здесь очень разрежён и слабо поглощает солнечную радиацию.
Ионосфера включает в себя два последних слоя. Здесь происходит ионизация молекул под действием солнечного ветра и возникают полярные сияния.
Экзосфера — внешняя и очень разреженная часть земной атмосферы. В этом слое частицы способны преодолевать вторую космическую скорость Земли и улетучиваться в космическое пространство. Это вызывает медленный, но устойчивый процесс, называемый диссипацией (рассеянием) атмосферы. В космос ускользают в основном частицы лёгких газов: водорода и гелия. Молекулы водорода, имеющие самую низкую молекулярную массу, могут легче достигать второй космической скорости и утекать в космическое пространство более быстрыми темпами, чем другие газы. Считается, что потеря восстановителей, например водорода, была необходимым условием для возможности устойчивого накопления кислорода в атмосфере. Следовательно, свойство водорода покидать атмосферу Земли, возможно, повлияло на развитие жизни на планете. В настоящее время большая часть водорода, попадающая в атмосферу, преобразуется в воду, не покидая Землю, а потеря водорода происходит в основном от разрушения метана в верхних слоях атмосферы.
Химический состав атмосферы
У поверхности Земли осушенный воздух содержит около 78,08 % азота (по объёму), 20,95 % кислорода, 0,93 % аргона и около 0,03 % углекислого газа. Объемная концентрация компонентов зависит от влажности воздуха — содержания в нём водяного пара, которое колеблется от 0,1 до 1,5 % в зависимости от климата, времени года, местности. Например, при 20 °С и относительной влажности 60 % (средняя влажность комнатного воздуха летом) концентрация кислорода в воздухе составляет 20,64 %. На долю остальных компонентов приходится не более 0,1 %: это водород, метан, оксид углерода, оксиды серы и оксиды азота и другие инертные газы, кроме аргона.
Также в воздухе всегда присутствуют твёрдые частицы (пыль — это частицы органических материалов, пепел, сажа, пыльца растений и др., при низких температурах — кристаллы льда) и капли воды (облака, туман) — аэрозоли. Концентрация твёрдых частиц пыли уменьшается с высотой. В зависимости от времени года, климата и местности концентрация частиц аэрозолей в составе атмосферы изменяется. Выше 200 км основной компонент атмосферы — азот. На высоте свыше 600 км преобладает гелий, а от 2000 км — водород («водородная корона»).
Биосфера
Биосфера (от др.-греч. βιος — жизнь и σφα?ρα — сфера, шар) — это совокупность частей земных оболочек (лито-, гидро- и атмосферы), которая заселена живыми организмами, находится под их воздействием и занята продуктами их жизнедеятельности. Биосфера — оболочка Земли, заселённая живыми организмами и преобразованная ими. Она начала формироваться не ранее, чем 3,8 млрд лет назад, когда на нашей планете стали зарождаться первые организмы. Она включает в себя всю гидросферу, верхнюю часть литосферы и нижнюю часть атмосферы, то есть населяет экосферу. Биосфера представляет собой совокупность всех живых организмов. В ней обитает несколько миллионов видов растений, животных, грибов и микроорганизмов.
Биосфера состоит из экосистем, которые включают в себя сообщества живых организмов (биоценоз), среды их обитания (биотоп), системы связей, осуществляющие обмен веществом и энергией между ними. На суше они разделены главным образом географическими широтами, высотой над уровнем моря и различиями по выпадению осадков. Наземные экосистемы, находящиеся в Арктике или Антарктике, на больших высотах или в крайне засушливых районах, относительно бедны растениями и животными; разнообразие видов достигает пика во влажных тропических лесах экваториального пояса.
Магнитное поле Земли
Магнитное поле Земли в первом приближении представляет собой диполь, полюсы которого расположены рядом с географическими полюсами планеты. Поле формирует магнитосферу, которая отклоняет частицы солнечного ветра. Они накапливаются в радиационных поясах — двух концентрических областях в форме тора вокруг Земли. Около магнитных полюсов эти частицы могут «высыпаться» в атмосферу и приводить к появлению полярных сияний.
Согласно теории «магнитного динамо», поле генерируется в центральной области Земли, где тепло создаёт протекание электрического тока в жидком металлическом ядре. Это в свою очередь приводит к возникновению у Земли магнитного поля. Конвекционные движения в ядре являются хаотичными; магнитные полюсы дрейфуют и периодически меняют свою полярность. Это вызывает инверсии магнитного поля Земли, которые возникают в среднем несколько раз за каждые несколько миллионов лет. Последняя инверсия произошла приблизительно 700 000 лет назад.
Магнитосфера — область пространства вокруг Земли, которая образуется, когда поток заряженных частиц солнечного ветра отклоняется от своей первоначальной траектории под воздействием магнитного поля. На стороне, обращённой к Солнцу, толщина её головной ударной волны составляет около 17 км и расположена она на расстоянии около 90 000 км от Земли. На ночной стороне планеты магнитосфера вытягивается, приобретая длинную цилиндрическую форму.
Когда заряженные частицы высокой энергии сталкиваются с магнитосферой Земли, то появляются радиационные пояса (пояса Ван Аллена). Полярные сияния возникают когда солнечная плазма достигает атмосферы Земли в районе магнитных полюсов.
Есть внутренние и внешние оболочки, взаимодействующие между собой.
Внутреннее строение Земли
Для изучения внутреннего строения Земли используют бурение сверхглубоких скважин (самая глубокая Кольская – 11 000 м. прошла менее 1/400 земного радиуса). Но большая часть сведений о строении Земли получена с помощью сейсмического метода. На основании данных, полученных этими методами, создана общая модель строения Земли.
В центре планеты расположено земное ядро — (R=3500 км) состоит предположительно из железа с примесью более легких элементов. Существует гипотеза, что ядро состоит из водорода, который под высоким давлением может перейти в металлическое состояние. Внешний слой ядра – жидкое, расплавленное состояние; внутреннее ядро радиусом 1250 км твердое. Температура в центре ядра, видимо, до 5 – 6 тыс. градусов.
Ядро окружено оболочкой – мантией. Мантия имеет толщину до 2900 км, объём – 83 % объема планеты. Она состоит из тяжёлых минералов, богатых магнием и железом. Несмотря на высокую температуру (выше 2000?), большая часть вещества мантии вследствие огромного давления находится в твердом кристаллическом состоянии. Верхняя мантия на глубине от 50 до 200 км имеет подвижный слой, называемый астеносфера (слабая сфера). Она отличается высокой пластичностью, обусловленной мягкостью образующего её вещества. Именно с этим слоем связано и другие важные процессы на Земле. Его толщина – 200 – 250 км. Вещество астеносферы, проникающее в земную кору и изливающееся на поверхность, называется магмой.
Земная кора – твердая слоистая внешняя оболочка Земли мощностью от 5 км под океанами до 70 км под горными сооружениями материков.
- Континентальную (материковую)
- Океаническую
Континентальная кора более мощная и более сложная. Она имеет 3 слоя:
- Осадочный (10-15 км, породы в основном осадочные)
- Гранитный (5-15 км., породы этого слоя в основном метаморфические, по своим свойствам близки к граниту)
- Бальзатовый (10-35 км., породы этого слоя – магматические)
Океаническая кора более тяжелая, гранитный слой в ней отсутствует, осадочный сравнительно тонкий, в основном она бальзатовая.
В областях перехода от материка к океану кора имеет переходный характер.
Земная кора и верхняя часть мантии образуют оболочку, которая называется (от греч. litos – камень). Литосфера – твердая оболочка Земли, включающая земную кору и верхний слой мантии, лежащий на горячей астеносфере. Мощность литосферы в среднем 70 – 250 км, из которых 5 – 70 км приходится на земную кору. Литосфера не сплошная оболочка, она разделена гигантскими разломами на . Большинство плит включают в себя как материковую, так и океаническую кору. Выделяют 13 литосферных плит. Но наиболее крупными являются: Американская, Африканская, Антарктическая, Индо-Австралийская, Евразийская, Тихоокеанская.
Под воздействием процессов, происходящих в земных недрах, литосфера совершает движения. Литосферные плиты медленно движутся друг относительно друга со скоростью 1 – 6 см в год. Кроме того, постоянно происходят их вертикальные движения. Совокупность горизонтальных и вертикальных движений литосферы, сопровождающихся возникновением разломов и складок земной коры, называются . Они бывают медленными и быстрыми.
Силы, вызывающие расхождение литосферных плит возникают при перемещении вещества мантии. Мощные восходящие потоки этого вещества расталкивают плиты, разрывают земную кору, образуя в ней глубинные разломы. Там, где это вещество поднимается наружу, возникают в литосфере разломы, и плиты начинают раздвигаться. Внедряющаяся по разломам магма, застывая, наращивает края плит. В результате по обе стороны разлома возникают валы, и . Они обнаружены во всех океанах и образуют единую систему, общей протяженностью 60 000 тыс км. Высота хребтов до 3000 м. Наибольшей ширины такой хребет достигает в юго-восточной части , где скорость раздвижения плит 12 – 13 см/год. Он не занимает срединного положения и называется тихоокеанским поднятием. На месте разлома, в осевой части срединно-океанических хребтов, обычно находятся ущелья – рифты. Их ширина от нескольких десятков километров в верхней части до нескольких километров у дна. На дне рифтов располагаются небольшие вулканы и горячие источники. В рифтах из поднимающейся магмы рождается новая океаническая кора. Чем дальше от рифта, тем кора старше.
Вдоль других границ плит наблюдается столкновение литосферных плит. Оно происходит по-разному. При столкновении плиты с океанической корой и плиты с материковой корой первая погружается под вторую. При этом возникают глубоководные желоба, островные дуги, а на суше горы. Если сталкиваются две плиты с материковой корой, то происходит смятие в складки горных пород, вулканизм и образование горных областей (например, – это сложные процессы, возникающие при движении магмы, которая образуется в отдельных очагах и на разных глубинах астеносферы. Очень редко она образуется в земной коре. Различают два основных типа магм – базальтовая (основная) и гранитная (кислая).
Извергаясь на поверхность Земли, магма образует вулканы. Такой магматизм называется эффузивным. Но чаще магма внедряется в земную кору по трещинам. Такой магматизм называется интрузивным.
Верхний слой Земли, дающий жизнь обитателям планеты, - всего лишь тоненькая оболочка, покрывающая многокилометровые внутренние пласты. О скрытом строении планеты известно немногим больше, чем о космическом пространстве. Самая глубокая Кольская скважина, пробуренная в земной коре для изучения ее слоев, имеет глубину 11 тысяч метров, но это всего лишь четырехсотая часть расстояния до центра земного шара. Получить представление о происходящих внутри процессах и создать модель устройства Земли может лишь сейсмический анализ.
Внутренние и внешние слои Земли
Строение планеты Земля - это неоднородные слои внутренних и внешних оболочек, которые отличаются по составу и выполняемой роли, но тесно связаны между собой. Внутри земного шара расположены такие концентрические зоны:
- Ядро - радиусом 3500 км.
- Мантия - примерно 2900 км.
- Земная кора - в среднем 50 км.
Внешние слои земли составляют газовую оболочку, которую называют атмосферой.
Центр планеты
Центральная геосфера Земли - это ее ядро. Если поставить вопрос о том, какой слой Земли изучен практически меньше всех, то ответом будет - ядро. Точные данные о его составе, структуре и температуре получить не представляется возможным. Все сведения, которые публикуются в научных трудах, достигнуты путем геофизических, геохимических методов и математических расчетов и представлены широкой публике с оговоркой «предположительно». Как показывают результаты анализа сейсмических волн, земное ядро состоит из двух частей: внутренней и внешней. Внутреннее ядро - наиболее неизученная часть Земли, так как сейсмические волны не достигают его пределов. Внешнее ядро представляет собой массу из раскаленного железа и никеля, с температурой около 5 тысяч градусов, которая постоянно находится в движении и является проводником электричества. Именно с такими его свойствами связывают происхождение магнитного поля Земли. Состав внутреннего ядра, по мнению ученых, более разнообразен и дополнен еще и более легкими элементами - серой, кремнием, возможно, и кислородом.
Мантия
Геосферу планеты, которая соединяет центральный и верхний слои Земли, называют мантией. Именно этот слой составляет около 70 % массы земного шара. Нижняя часть магмы - это оболочка ядра, его внешняя граница. Сейсмический анализ показывает здесь резкий скачок в плотности и скорости продольных волн, что говорит о вещественном изменении состава породы. Состав магмы - смесь тяжелых металлов, в которых преобладают магний и железо. Верхняя часть слоя, или астеносфера, представляет собой подвижную, пластичную, мягкую массу с высокой температурой. Именно это вещество пробивается через земную кору и выплескивается на поверхность в процессе извержения вулканов.
Толщина слоя магмы в мантии от 200 до 250 километров, температура - около 2000 о С. От нижнего шара земной коры мантию отделяет слой Мохо, или граница Мохоровичича, сербского ученого, который определил резкое изменение скорости сейсмических волн в этой части мантии.
Жесткая оболочка
Как называется слой Земли, который является самым твердым? Это - литосфера, оболочка, которая связывает мантию и земную кору, находится она над астеносферой, и зачищает поверхностный слой от ее горячего влияния. Основная часть литосферы входит в состав мантии: из всей толщины от 79 до 250 км, на земную кору приходится 5-70 км, в зависимости от места расположения. Литосфера неоднородна, она разделена на литосферные плиты, которые находятся в постоянном медленном движении, то расходясь, то приближаясь друг к другу. Такие колебания литосферных плит называют тектоническим движением, именно быстрые их толчки вызывают землетрясения, расколы земной коры, выплескивание магмы на поверхность. Перемещение литосферных плит ведет к образованию желобов или возвышенностей, застывшая магма образует горные хребты. Плиты не имеют постоянных границ, они соединяются и разделяются. Территории поверхности Земли, над разломами тектонических плит - это места повышенной сейсмической активности, где чаще, чем в других происходят землетрясения, извержения вулканов, образуются полезные ископаемые. На данное время зафиксировано 13 литосферных плит, самые большие из них: Американская, Африканская, Антарктическая, Тихоокеанская, Индо-Австралийская и Евроазиатская.
Земная кора
По сравнению с другими слоями, земная кора - самый тонкий и хрупкий пласт из всей земной поверхности. Слой, в котором живут организмы, который наиболее других насыщен химическими веществами и микроэлементами, составляет всего 5 % общей массы планеты. Земная кора на планете Земля имеет две разновидности: континентальная или материковая и океаническая. Материковая кора более твердая, состоит из трех пластов: базальтового, гранитного и осадочного. Океаническое дно составляют базальтовый (основной) и осадочный слои.
- Базальтовые породы - это магматические окаменения, самые плотные из пластов земной поверхности.
- Гранитный слой - отсутствует под океанами, на суше может приближаться к толщине в несколько десятков километров гранитных, кристаллических и других подобных пород.
- Осадочный пласт образовался в процессе разрушения горных пород. В нем местами содержатся залежи полезных ископаемых органического происхождения: каменный уголь, поваренная соль, газ нефть, известняк, мел, соли калия и другие.
Гидросфера
Характеризуя слои поверхности Земли нельзя не упомянуть о жизненно важной водяной оболочке планеты, или гидросфере. Водный баланс на планете поддерживают океанические воды (основная водяная масса), подземные воды, ледники, материковые воды рек, озер и других водоемов. 97 % всей гидросферы приходится на соленую воду морей и океанов, и лишь 3 % - пресная питьевая вода, из которой основная масса находится в ледниках. Ученые предполагают, что количество воды на поверхности со временем будет увеличиваться за счет глубинных шаров. Гидросферные массы находятся в постоянном кругообороте, переходят из одного состояния в другое и тесно взаимодействуют с литосферой и атмосферой. Гидросфера оказывает большое влияние на все земные процессы, развитие и жизнедеятельность биосферы. Именно водяная оболочка стала средой для зарождения жизни на планете.
Почва
Самый тонкий плодородный слой Земли под названием почва, или грунт, вместе с водяной оболочкой имеет самую большую значимость для существования растений, животных и человека. Возник этот шар на поверхности в результате размывания горных пород, под действием органических процессов разложения. Перерабатывая остатки жизнедеятельности, миллионы микроорганизмов создали слой перегноя - самый благоприятный для посевов всевозможных наземных растений. Один из важных показателей высокого качества почвы - плодородие. Самыми плодородными считаются почвы с равным содержанием песка, глины и гумуса, или суглинки. Глинистые, каменистые и песчаные почвы относятся к наименее пригодным для земледелия.
Тропосфера
Воздушная оболочка Земли вращается вместе с планетой и неразрывно связана со всеми процессами, происходящими в земных пластах. Нижняя часть атмосферы через поры проникает глубоко в тело земной коры, верхняя постепенно соединяется с космосом.
Слои атмосферы Земли неоднородны по своему составу, плотности и температуре.
На расстоянии 10 - 18 км от земной коры простирается тропосфера. Эта часть атмосферы нагревается от земной коры и воды, поэтому с высотой становится все холоднее. Понижение температуры в тропосфере происходит приблизительно на полградуса каждые 100 метров, и в наивысших точках достигает от -55 до -70 градусов. Эта часть воздушного пространства занимает самую значительную долю - до 80 %. Именно здесь формируется погода, собираются бури, облака, формируются осадки и ветры.
Высокие слои
- Стратосфера - озоновый слой планеты, который поглощает ультрафиолетовое излучение Солнца, не давая ему погубить все живое. Воздух в стратосфере разрежен. Озон сохраняет стабильную температуру в этой части атмосферы от - 50 до 55 о С. В стратосфере незначительная часть влаги, поэтому облака и осадки для нее не характерны, в отличие от значительных по скорости воздушных течений.
- Мезосфера, термосфера, ионосфера - воздушные слои Земли над стратосферой, в которых наблюдается снижение плотности и температуры атмосферы. Слой ионосферы - место возникновения свечения заряженных газовых частиц, которые именуют полярным сиянием.
- Экзосфера - сфера рассеивания газовых частиц, размытая граница с космосом.
Характерное свойство земного шара - его неоднородность. Он подразделяется на ряд слоёв или сфер, которые делятся на внутренние и внешние.
Внутренние сферы Земли : земная кора, мантия и ядро.
Земная кора наиболее неоднородна. По глубине в ней выделяется 3 слоя (сверху вниз): осадочный, гранитный и базальтовый.
Осадочный слой образован мягкими, а иногда и рыхлыми горными породами, возникшими путём осаждения вещества в водной или воздушной среде на поверхности Земли. Осадочные породы обычно расположены в виде пластов, ограниченных параллельными плоскостями. Мощность слоя колеблется от нескольких метров до 10-15 км. Есть участки, где осадочный слой практически полностью отсутствует.
Гранитный слой сложен в основном магматическими и метаморфическими породами, богатыми Al и Si. Среднее содержание SiO 2 в них более 60%, поэтому их относят к кислым породам. Плотность пород слоя 2,65-2,80 г/см 3 . Мощность 20-40 км. В составе океанической коры (например, на дне Тихого океана) гранитный слой отсутствует, являясь, таким образом, неотъемлемой частью именно континентальной земной коры.
Базальтовый слой лежит в основании земной коры и является сплошным, то есть, в отличие от гранитного слоя, присутствует в составе и континентальной, и океанической коры. Отделяется от гранитного поверхностью Конрада (К), на которой скорость сейсмических волн изменяется с 6 до 6,5 км/сек. Вещество, слагающее базальтовый слой, по химическому составу и физическим свойствам близко к базальтам (менее богатым SiO 2 , чем граниты). Плотность вещества достигает 3,32 г/см 3 . Скорость прохождения продольных сейсмических волн увеличивается от 6,5 до 7 км/сек у нижней границы, где снова происходит скачок скорости и она достигает 8-8,2 км/сек. Эта нижняя граница земной коры прослеживается повсюду и называется границей Мохоровичича (югославский ученый) или границей М.
Мантия располагается под земной корой в интервале глубин от 8-80 до 2900 км. Температура в верхних слоях (до 100 км) - 1000-1300 о С, с глубиной повышается и у нижней границы достигает 2300 о С. Однако вещество находится там в твердом состоянии вследствие давления, которое на больших глубинах составляет сотни тысяч и миллионы атмосфер. На границе с ядром (2900 км) наблюдается преломление и частичное отражение продольных сейсмических волн, а поперечные волны эту границу не проходят ("сейсмическая тень" составляет от 103 о до 143 о дуги). Скорость распространения волн в нижней части мантии - 13,6 км/сек.
Сравнительно недавно стало известно, что в верхней части мантии располагается слой разуплотнённых пород - астеносфера, лежащий на глубине 70-150 км (под океанами глубже), в котором фиксируется падение скоростей упругих волн приблизительно на 3 %.
Ядро по физическим свойствам резко отличается от облекающей его мантии. Скорость прохождения продольных сейсмических волн составляет 8,2-11,3 км/сек. Дело в том, что на границе мантии и ядра происходит резкое падение скорости продольных волн от 13,6 до 8,1 км/сек. Ученые давно пришли к выводу, что плотность ядра значительно выше плотности поверхностных оболочек. Она должна отвечать плотности железа, находящегося в соответствующих барометрических условиях. Поэтому широко распространено представление о том, что ядро состоит из Fe и Ni и обладает магнитными свойствами. Присутствие в ядре этих металлов связывается с первичной дифференциацией вещества по удельному весу. В пользу железо-никелевого ядра говорят и метеориты. Ядро разделяется на внешнее и внутреннее. Во внешней части ядра давление составляет 1,5 млн. атм.; плотность 12 г/см 3 . Продольные сейсмические волны распространяются здесь со скоростью 8,2-10,4 км/сек. Внутреннее ядро находится в жидком состоянии, и конвективные потоки в нём индуцируют магнитное поле Земли. Во внутреннем ядре давление достигает 3,5 млн. атм., плотность 17,3-17,9 г/см 3 , скорость продольных волн 11,2-11,3 км/сек. Расчёты показывают, что температура должна достигать там нескольких тысяч градусов (до 4000 о). Вещество там находится в твердом состоянии благодаря высокому давлению.
Внешние сферы Земли: гидросфера, атмосфера и биосфера.
Гидросфера объединяет всю совокупность проявления форм воды в природе, начиная от сплошного водного покрова, занимающего 2/3 поверхности Земли (моря и океаны) и кончая водой, входящей в состав горных пород и минералов. в таком понимании гидросфера является непрерывной оболочкой Земли. В нашем курсе рассматривается прежде всего та часть гидросферы, которая образует самостоятельный водный слой - океаносфера.
Из общей площади Земли в 510 млн. км 2 , 361 млн. км 2 (71 %) покрыт водой. Схематически рельеф дна Мирового океана изображается в виде гипсографической кривой. На ней показано распределение высоты суши и глубины океанов; четко выражены 2 уровня морского дна с глубинами 0-200 м и 3-6 км. Первый из них - область относительного мелководья, опоясывающая в виде подводной площадки побережья всех континентов. Это материковая отмель или шельф. Со стороны моря шельф ограничен крутым подводным уступом - континентальным склоном (до 3000 м). На глубинах 3-3,5 км располагается континентальное подножие. Ниже 3500 м начинается океаническое ложе (ложе океана), глубина которого до 6000 м. Континентальное подножие и ложе океана составляют второй ясно выраженный уровень морского дна, сложенный типично океанической корой (без гранитного слоя). Среди океанического ложа, главным образом в периферических частях Тихого океана, располагаются глубоководные впадины (желоба) - от 6000 до 11000 м. Примерно так гипсографическая кривая выглядела еще 20 лет назад. Одним из важнейших геологических открытий последнего времени явилось открытие срединных океанических хребтов - глобальной системы подводных гор, приподнятых над ложем океана на 2 и более километра и занимающих до 1/3 площади океанического дна. О геологическом значении этого открытия будет сказано позднее.
В воде океанов присутствуют почти все известные химические элементы, однако преобладают только 4: O 2 , H 2 , Na, Cl. Содержание растворённых в морской воде химических соединений (солёность) определяется в весовых процентах или промилле (1 промилле = 0,1 %). Средняя солёность океанской воды 35 промилле (в 1 л воды 35 г солей). Солёность меняется в широких пределах. Так, в Красном море она достигает 52 промилле, в Чёрном море до 18 промилле.
Атмосфера представляет собой самую верхнюю воздушную оболочку Земли, которая окутывает ее сплошным покровом. Верхняя граница не отчетлива, так как плотность атмосферы убывает с высотой и переходит в безвоздушное пространство постепенно. Нижняя граница - поверхность Земли. Эта граница также условна, так как воздух проникает на некоторую глубину в каменную оболочку и содержится в растворенном виде в толще воды. В атмосфере выделяются 5 основных сфер (снизу вверх): тропосфера, стратосфера, мезосфера, ионосфера и экзосфера. Для геологии важна тропосфера, так как она соприкасается непосредственно с земной корой и оказывает на нее существенное влияние.
Тропосфера отличается большой плотностью, постоянным наличием водяного пара, углекислоты и пыли; постепенным понижением температуры с высотой и существованием в ней вертикальной и горизонтальной циркуляции воздуха. В химическом составе помимо основных элементов - О 2 и N 2 - всегда присутствуют СО 2 , водяной пар, немного инертных газов (Ar), Н 2 , сернистый ангидрид и пыль. Циркуляция воздуха в тропосфере очень сложна.
Биосфера - своеобразная оболочка (выделена и названа акад. В.И.Вернадским), объединяет те оболочки, в которых присутствует жизнь. Она не занимает обособленного пространства, но проникает в земную кору, атмосферу и гидросферу. Биосфера играет большую роль в геологических процессах, участвуя как в создании горных пород, так и в их разрушении.
Живые организмы наиболее глубоко проникают в гидросферу, которую часто называют "колыбелью жизни". Особенно богата жизнь в океаносфере, в ее поверхностных слоях. В зависимости от физико-географической обстановки, в первую очередь от глубин, в морях и океанах выделяется несколько биономических зон (греч. "биос" - жизнь, "номос" - закон). Эти зоны различаются по условиям существования организмов и их составу. В области шельфа выделяются 2 зоны: литоральная и неритовая. Литораль - это сравнительно узкая полоса мелководья, два раза в сутки осушаемая во время отлива. Благодаря специфике литораль заселена организмами, способными переносить временное осушение (морские черви, некоторые моллюски, морские ежи, звёзды). Глубже зоны приливов и отливов в пределах шельфа расположена неритовая зона, наиболее богато населённая разнообразными морскими организмами. Здесь широко представлены все типы животного мира. По образу жизни различают бентосных животных (обитателей дна): сидячий бентос (кораллы, губки, мшанки и т.д.), блуждающий бентос (ползающие - ежи, звёзды, раки). Нектонные животные способны самостоятельно передвигаться (рыбы, головоногие моллюски); планктонные (планктон) - парящие в воде во взвешенном состоянии (фораминиферы, радиолярии, медузы). Материковому склону соответствует батиальная зона, континентальному подножию и океаническому ложу - абиссальная зона. Условия жизни в них мало благоприятны - полный мрак, высокое давление, отсутствие водорослей. Однако и там в последнее время обнаружены абиссальные оазисы жизни, приуроченные к подводным вулканам и зонам истечения гидротерм. Основу биоты здесь составляют гигантские анаэробные бактерии, вестиментиферы и другие своеобразные организмы.
Глубина проникновения живых организмов внутрь Земли в основном лимитируется температурными условиями. Теоретически для самых стойких прокариот она составляет 2,5-3 км. Живое вещество активно влияет на состав атмосферы, которая в современном виде - результат жизнедеятельности организмов, обогативших ее кислородом, углекислым газом, азотом. Чрезвычайно велика роль организмов в формировании морских осадков, многие из которых являются полезными ископаемыми (каустобиолиты, джеспилиты и др.).
Вопросы для самопроверки.
Как формировались взгляды на происхождение Солнечной системы?
Каковы форма и размеры Земли?
Из каких твердых оболочек состоит Земля?
Чем отличается континентальная кора от океанической?
Чем обусловлено магнитное поле Земли?
Что такое гипсографическая кривая, ее вид?
Что такое бентос?
Что такое биосфера, ее границы?
Состав глубинных оболочек Земли продолжает оставаться одним из самых интригующих вопросов современной науки, и тем не менее еще в начале ХХ века сейсмологами Бено Гутенбергом и Г. Джеферсоном была разработана модель внутреннего устройства нашей планеты, согласно которой Земля состоит из следующих слоев:
Ядро;
- мантия;
- земная кора.
Современный взгляд на внутреннее устройство планеты
В середине прошлого века на основании последних на то время сейсмологических данных ученые пришли к выводу, что глубинные оболочки имеют более сложное устройство. Тогда же сейсмологи выяснили, что земное ядро разделяется на внутреннее и внешнее, а мантия состоит из двух слоев: верхнего и нижнего.
Внешняя оболочка земли
Земная кора - это не только самый верхний, самый тонкий, но и самый хорошо изученный из всех слоев Его толщина (мощность) достигает максимальной отметки под горами (порядка 70 км) и минимальной - под водами мирового океана (5-10 км), средняя мощность земной коры под равнинами колеблется от 35 до 40 км. Переход от земной коры к мантии называют границей Мохоровича или Мохо.
Стоит также отметить, что земная кора совместно с верхней частью мантии образуют каменную оболочку Земли - литосферу, толщина которой колеблется от 50 до 200 км.
Следом за литосферой располагается астеносфера - размягченный жидкий слой с повышенной вязкостью. В дополнение ко всему, именно эту составляющую земной поверхности называют источником вулканизма, так как в ней располагаются очаги магмы, изливающейся в земную кору и на поверхность.
В науке принято выделять несколько видов земной коры
Материковая или континентальная распространяется в пределах границ материков и шельфов, состоит из базальтового, гранитно-гейсового и осадочного слоев. Переход гранитно-гейсового слоя в базальтовый называют границей Конрада.
Субматериковая кора - переходный тип, располагается на периферии внутренних и а также под островными дугами.
Субокеаническая кора сходна по своему строению с океанической, особенно хорошо развита на территории глубоководных частей морей и на больших глубинах океанических желобов.
Серединная геосфера
Глубинный слой планеты Земля
Является самым малоизученным Достоверных сведений о нем очень мало, с полной уверенностью можно сказать лишь то, что его диаметр составляет около 7 тысяч километров. Считается, что в состав земного ядра входит сплав никеля и железа. Стоит также отметить, что внешнее ядро планеты имеет большую толщину и находится в жидком в то время как внутреннее - меньше по толщине и тверже по консистенции. От мантии земное ядро отделяет так называемая граница Гуттенберга.