Т.И. Левитская
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 - 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 100С. 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.