регистрация /  вход

Земля как планета - прошлое, настоящее, будущее (стр. 1 из 2)

Т.И. Левитская

Введение

Все ли мы знаем о Земле? Попробуем ответить на этот простой, но, с другой стороны, сложный вопрос. Объект исследования данной работы - твердая Земля и происходящие на ней процессы, Земля в Солнечной системе и в космическом пространстве. Геодезисты, астрономо-геодезисты, геофизики имеют дело прежде всего с твердой Землей, правда, вечно меняющей свой лик. Однако некоторые природные явления (геологические, геофизические и другие) связаны с многими космическими телами, существующими вместе с Землей в мировом пространстве. Следовательно, важно рассмотреть астрономическое положение нашей планеты, чтобы разобраться в том, как влияют на нее различные процессы, происходящие во Вселенной.

Земля

Земля - самая крупная из 4 каменных планет, близких к Солнцу, - обращается вокруг Солнца по эллиптической орбите с эксцентриситетом, равным 0,017; таким образом, орбита Земли по форме очень близка к кругу. Среднее расстояние от Земли до Солнца - примерно равно 150 млн км. Скорость движения Земли по орбите 29,7 км/с, полный оборот она совершает за 365,26 суток. Период вращения Земли вокруг своей оси составляет 23 часа 56 минут. В результате этого вращения возникают небольшое экваториальное вздутие и соответственно полярное сжатие, так что диаметр Земли в экваториальном сечении на 43 км больше диаметра, соединяющего полюсы вращения. Масса Земли - около 6·1024 кг, средняя плотность вещества - 5500 кг/м3 , радиус равновеликого Земле шара (т.е. шара, имеющего тот же объем, что и Земля) равен 6371 км.

Земля - это, несомненно, единственная в Солнечной системе планета, где существует высокоразвитая жизнь в том виде, в каком мы ее знаем. Для того чтобы возникла жизнь, нужны определенные условия. Вероятно, единственным химическим элементом, свойства которого делают возможным образование ``длинных'' молекул, способных к самовоспроизведению, является углерод. Двуокись углерода (углекислый газ) и водяной пар - необходимые компоненты атмосферы, в которой растения могут производить фотосинтез. Химические свойства углерода, жидкое состояние воды и стабильное излучение солнечной энергии сделали возможным длительное существование и развитие жизни на Земле. Жизнь на Земле может существовать и сохраняться в диапазоне температур всего лишь около 100С. Свидетельством постоянства температуры Солнца на протяжении длительного времени является существование непрерывного эволюционировавшего ряда ископаемых форм жизни, прослеживаемого по окаменелостям почти на 3 млрд. лет.

Солнце

Солнце - звезда среднего размера (диаметр Солнца - 1,39·106 км), являющаяся всего лишь одной из триллиона звезд, образующих нашу Галактику - Млечный Путь. Долгое время интригующим был естественный вопрос: существуют ли у других звезд свои планеты? Сейчас такие планетные системы уже найдены у десятков звезд. Более того, из каждых трех миллионов звезд одна может сопровождаться планетной системой с разумной цивилизацией (Шепли, 1962). Выделяемая Солнцем энергия составляет около 1027 Дж в секунду - величина, столь же непостижимая для большинства из нас, как, скажем, миллиард световых лет. Солнечная энергия доходит до Земли в виде электромагнитного излучения, включающего рентгеновские и ультрафиолетовые лучи, видимый свет, тепловое излучение и радиоволны. Земная атмосфера для некоторых длин волн непрозрачна, но тепловое излучение и видимый свет свободно проникает через нее. Источник солнечной энергии - ядерный синтез. Ядра водорода (протоны) соединяются между собой, образуя ядра гелия. В ходе ядерных превращений диаметр Солнца практически не меняется. Тенденция к взрывному расширению уравновешивается гравитационным притяжением составных частей Солнца, стягивающим газы в компактное сферическое тело. Выделяемая нашим светилом энергия остается практически неизменной на протяжении длительного времени.

Возраст Солнца составляет почти 5 млрд лет. При определении возраста Солнца, как, впрочем, и других небесных тел, используется следующий факт: радиоактивный распад урана приводит к тому, что он медленно превращается в один из изотопов свинца. Отношение количеств оставшегося урана и образовавшегося таким способом изотопа свинца и позволяет измерять возраст небесных тел. Древнейшие породы на Земле имеют возраст 3,5-4 млрд лет, на Луне найдены породы возрастом 4,7 млрд лет, а некоторые метеориты имеют возраст 4,6 млрд лет.

Атомного горючего нашему светилу хватит по крайней мере еще на 5 млрд лет. Каково же будущее Солнца? Когда запасы водородного горючего закончатся, гелиевое ядро Солнца начнет сжиматься, а внешние слои, расширяясь, образуют совсем другую звезду - ``красный гигант''. Потеряв небольшую долю своего поверхностного материала, после стадии ``красного гиганта'' Солнце вступит в стадию ``белого карлика''; тогда его излучение значительно возрастет. Этого будет достаточно, чтобы вчетверо повысить абсолютную температуру земной поверхности от 300 выше абсолютного нуля (нынешняя температура) до примерно 1200 выше абсолютного нуля.

Космические лучи, источником которых в первую очередь является Солнце, представляют собой заряженные частицы, ядра атомов химических элементов, имеющих массу от 1 до 50 а.е.м. (атомная единица массы - а.е.м. - равна примерно массе протона): водорода, гелия, бериллия, бора, кремния ... железа, никеля. Космические частицы в верхних частях атмосферы испытывают неупругие соударения с атомами воздуха. Ниже 20 км в атмосфере нет первичных частиц с энергией порядка 2·103 эВ. Земная атмосфера служит своеобразным экраном от первичных космических частиц.

Солнечная корона испускает непрерывный поток ионизированного газа - протонов и электронов со скоростью 300-500 км/с. Это - плазма или солнечный ветер. При солнечной активности, при вспышках на Солнце скорость плазмы увеличивается до 1000-2000 км/с, а ее энергия находится в диапазоне от 10-100 МэВ до 10-20 ГэВ.

Магнитное поле Земли

К числу интереснейших тем в исследовании истории Земли относится проблема ее магнитного поля. О существовании земного магнетизма человечеству стало известно примерно с 800 г. до нашей эры. Геомагнитное поле дипольное, но магнитные полюсы Земли не совпадают с полюсами вращения, т.е. истинными северным и южным полюсами Земли. Угол между магнитной осью и осью вращения составляет около 11,5. Фундаментальной особенностью магнитного поля Земли являются так называемые инверсии; их можно обнаружить при исследовании периодов истории Земли с временным масштабом в несколько десятков миллионов лет.

Наблюдаемое сегодня магнитное поле Земли создается гигантским стержневым магнитом, ориентированным вдоль линии север-юг и помещенным в центре Земли. Точнее, этот стержневой магнит должен быть установлен так, чтобы его северный магнитный полюс был направлен на южный географический полюс Земли, а южный магнитный полюс - на северный географический. Оказалось, что это не является неизменным свойством магнитного поля Земли. Как удалось установить, полярность геомагнитного поля с течением времени неоднократно менялась.

Известна роль магнитного поля Земли в жизни человека и в процессах биосферы, поэтому вызывают интерес особенности изменения состояния геомагнитного поля. В последнее время геофизики отмечают факт движения северного магнитного полюса, находящегося в южном полушарии. Установлено, что за последние 100 лет северный магнитный полюс переместился почти на 900 км и находится в Индийском океане. Пробег арктического (южного) магнитного полюса составил 270 км за последние 20 лет. Наблюдается тенденция ускорения движения полюсов. Все это свидетельствует о том, что возможна переполюсовка (инверсия) магнитного поля Земли, причем это может произойти гораздо быстрее, чем это прогнозируется многими исследователями.

Современные представления о слоистой модели Земли сводятся к следующему. Земля - сфероид, состоящий из твердой массивной оболочки толщиной примерно 2900 км. Оболочка покрыта гидросферой, реагирующей как на приливные воздействия Солнца и Луны, так и на перераспределение масс в теле Земли. Под оболочкой - вязкая жидкость (внешнее ядро), в центре которой находится твердый сфероид (внутреннее ядро) радиусом около 1200 км, плотностью 12,4 г/см3. Вся эта совокупность вращается с частотой суточного вращения Земли.

В настоящее время существует гипотеза магнитного динамо, согласно которой магнитное поле Земли можно объяснить циркуляцией электрического тока в ядре. Предполагается, что постоянное магнитное поле Земли возникает под действием сложной системы электрических токов, сопровождающих турбулентную конвекцию в жидком внешнем ядре. Земля работает как динамо-машина, в которой механическая энергия этой конвекционной системы генерирует электрические токи и связанный с ними магнетизм.

Магнитное поле принято характеризовать вектором магнитной индукции. Единицей измерения магнитной индукции является тесла (Тл). 1 Тл - это очень большая величина. Магнитное поле такой величины существует на поверхности Солнца. Земное магнитное поле измеряется в нанотеслах, 1 нТл = 10-9 Тл. Напряженность магнитного поля на экваторе планет Солнечной системы в нанотеслах характеризуется следующими величинами: Меркурий - 350, Венера - 10-15, Земля - 31000, Луна < 1, Марс - 64, Юпитер - 420000, Сатурн - 20000, для Урана, Нептуна, Плутона нет точных сведений.

Палеомагнитное изучение пород, возраст которых установлен калий-аргоновым методом, позволило составить хронологическую шкалу эпох полярности магнитного поля Земли. Поскольку при своем формировании породы намагничиваются в направлении существовавшего тогда земного магнитного поля, то, изучая намагниченность пород, можно получить информацию о магнитном поле Земли соответствующей эпохи, о нахождении магнитных полюсов и линии дрейфа магнитных полюсов. Выяснилось, что с течением геологического времени происходило попеременное усиление и ослабление магнитного поля Земли, которое влияло на поглощение Землей приходящих космических лучей. Возможно, сильная бомбардировка космическими лучами в периоды низкой напряженности магнитного поля могла воздействовать на развитие жизни на Земле.