Форма, физические свойства и химический состав Земли

Форма и величина Земли. Первое научное представление о форме Земли как шаре возникло еще у философов древнего мира благодаря чисто умозрительным рассуждениям. В дальнейшем представление о шарообразной форме Земли сменилось эллипсоидальной ее формой. Первым бесспорным доказательством эллипсоидальной формы Земли явились градусные измерения. Наиболее точные и многочисленные измерения такого рода были произведены в нашей стране. Так, по данным Ф.Н. Красовского, А.А. Изотова и других советских ученых, Земля имеет форму трехосного эллипсоида вращения, малая ось которого является осью вращения. Длина ее экваториального радиуса равна 6378,2 км, а полярного — 6356,9 км. Таким образом, экваториальный радиус длиннее полярного на 21,3 км. Сжатие Земли равно 1/298,3.

Площадь поверхности Земли составляет 510,1 млн. км2, а ее объем — 1 083 204 млн. км3.

Трехосный эллипсоид вращения довольно точно отражает фигуру Земли. Однако наличие на поверхности Земли больших неровностей в виде высочайших гор, высотой до 9 км, и океанических впадин глубиной до 11,5 км послужило причиной ее настоящего названия — геоида.

Масса и плотность Земли. Учение о форме Земли развивалось параллельно с определением ее массы и плотности. Вначале методы определения массы Земли были весьма несовершенными. В дальнейшем, по мере развития науки и техники, они стали более совершенными и точными. Определенная современными точными методами масса Земли оказалась равной 5,98*10в27 г. Зная объем и массу Земли, нетрудно определить ее среднюю плотность. Так, по данным различных исследователей, средняя плотность Земли составляет 5,52 г/см3.

Другие космические тела имеют следующую плотность (в г/см3): Солнце — 1,38—1,40; Меркурий — 6,5—6,7; Венера — 5,0—5,9; Марс — 5,3; Юпитер — 1,25—1,40; Сатурн — 0,72—0,8; Уран — 0,92—1,1; Нептун — 1,3; Луна — 3—3,4; плотность метеоритов колеблется от 3,5 до 8 г/см3. Таким образом, плотность Земли близка к средней плотности Марса, Венеры и Меркурия.

Интересно отметить, что средние плотности наиболее распространенных горных пород, встречающихся на Земле и на небольших ее глубинах, составляют (в г/см3): для гранитов — 2,5—3,0; гнейсов около — 2,4; базальтов — 2,7—3,2; известняков — 2,4—2,8; доломитов около — 2,9 и т. д. Таким образом, приведенные цифры показывают, что средние плотности горных пород, слагающих земную кору, значительно меньше средней плотности Земли. Это значит, что недра Земли сложены веществами, плотность которых значительно выше 5,52 г/см3.

Гравитационные и магнитные поля Земли. Сила тяжести, которая обусловливает вес тел, всегда направлена перпендикулярно к поверхности Земли и обратно пропорциональна квадрату расстояния от центра притяжения.

Известно, что сила притяжения Земли достигает наибольшего значения в высоких широтах и является менее значительной у ее экватора. Поэтому теоретически напряжение силы тяжести должно убывать по направлению от полюсов к экватору. Однако фактическое распределение силы тяжести на континентах и в пределах океанов неодинаково на любой широте; ее напряжение выше над океанами, чем на континентах.

Кроме того, на континентах на фоне равномерного убывания силы тяжести от полюсов к экватору наблюдаются участки с положительными и отрицательными гравитационными аномалиями. Например, положительные аномалии силы тяжести свидетельствуют о залегании на глубине более плотных масс различных рудных полезных ископаемых. Отрицательные аномалии связаны с залеганием менее плотных масс, например, каменной соли, с которой частично ассоциируются, кроме того, нефть и горючие газы.

Кроме гравитационного поля. Земля обладает еще и магнитным полем, которое обусловлено тем, что она представляет собой гигантский магнит. Хотя магнитное поле Земли по своей величине очень мало, но тем не менее оно имеет в жизни Земли очень большое значение.

Магнетизм Земли характеризуется магнитным склонением и магнитным наклонением. Магнитное склонение — это угол отклонения магнитной стрелки от географического меридиана данного участка Земли. Оно может быть восточным или западным. Таким образом, магнитный меридиан не совпадает с географическим, также как магнитные полюсы не совпадают с географическими. Причину такого несовпадения объясняют неравномерным распределением суши и воды на поверхности Земли.

Магнитным наклонением называется угол наклона магнитной стрелки к горизонту; в северном полушарии к горизонту наклоняется северный конец стрелки, а в южном полушарии — южный. Величина наклонения в общем увеличивается от экватора к полюсам, достигая максимума у магнитных полюсов, где стрелка стоит вертикально.

Линии, соединяющие на карте одинаковые склонения, называются изогонами, а точки равного наклонения — изоклинами.

В некоторых местах земной поверхности направление изогон и изоклин испытывает определенные изменения, которые связаны с существованием магнитных аномалий. Последние нередко бывают обусловлены залеганием в недрах Земли больших масс железистых горных пород, как, например, Курская магнитная аномалия. Известно, что железные руды здесь создают напряженность в 5 раз большую средней напряженности магнитного поля Земли. Магнитные аномалии могут быть вызваны также и сильными смещениями — разрывами в земной коре, в связи с соприкосновением пород с различной магнитной характеристикой.

Необходимо отметить, что все элементы земного магнетизма для данной точки Земли не представляют собой постоянной величины. Они испытывают периодические изменения различной длительности: суточные, годовые и более длительные. Вместе с тем сеть линий магнитного поля Земли подвержена изменениям и более короткого периода. Это так называемые магнитные бури. Изучение магнитных бурь показало, что они либо сопровождают вулканические извержения, либо наступают при прохождении грозы. Замечена также связь магнитных бурь с землетрясениями. Сильнейшие магнитные бури разыгрываются часто на поверхности Земли в период мощных вспышек на Солнце.

Тепловые свойства Земли. Температурный режим Земли у ее поверхности определяется двумя основными источниками: теплом, получаемым от Солнца, и собственным теплом планеты, достигающим поверхности от разогретых недр. Солнечный нагрев Земли составляет 99,5% от всей суммы тепла, получаемого ее поверхностью, а на долю внутреннего нагревания падает всего 0,5%.

Несмотря на такую большую роль Солнца в жизни поверхности Земли, влияние его обогрева на развитие внутренних частей планеты крайне незначительно. Прогрев солнечными лучами распространяется за год вглубь Земли самое большее на 8—30 м. Ниже этой границы располагается пояс постоянной температуры, которая соответствует средней годовой температуре данной местности. Вместе с тем необходимо отметить, что обширные участки земной коры характеризуются многолетнемерзлыми породами, с отрицательной среднегодовой температурой. В пределах таких участков положительные температуры устанавливаются только на глубинах 250—500 м. Далее наблюдается постепенное увеличение температуры с глубиной в среднем на 3° на каждые 100 м.

Изменение температуры в градусах на единицу длины называется геотермическим градиентом. Глубина в метрах, на протяжении которой температура повышается на 1°С, называется геотермической ступенью.

Выборочно конкретные величины значения геотермической ступени следующие (в м): Архангельск — 10; Ленинград — 19,6; Баку (Сураханы) — 26; Якутск — 26; Донбасс (среднее) — 33; Харьков — 37,7; Москва — 38,4.

Приведенные цифры приближаются к среднему значению геотермической ступени Земли, равной 33 м. Следует отметить, что существуют значительные отклонения в обе стороны от этого среднего значения, изменяясь от 1,5 м в районе г. Пятигорска до 111 м в районе Иоганнесбурга (Ю. Африка).

Используя данные о величине геотермической ступени, можно сделать некоторые предположения о температурных условиях глубоких зон Земли. Если принять среднюю величину геотермической ступени, равной 33 м, и допустить равномерное увеличение температуры с глубиной, то на глубине 100 км она должна составлять 3000°С. Такая температура уже превышает точку плавления всех известных на Земле веществ. Следовательно, на глубине порядка 100 км под толщей литосферы должны располагаться расплавленные массы. Однако следует учесть, что с глубиной в земной коре увеличивается давление вышележащих горных пород, достигающих на глубине 100 км 31 000 атм. Вследствие этого перегретые и расплавленные массы обладают признаками твердого тела.

Весьма трудным и пока дискуссионным вопросом является причина возникновения высокой температуры в недрах Земли.

В соответствии с одной из точек зрения, которая основана на гипотезе Лапласа, Земля обладала собственным теплом, так как она, как и все другие члены Солнечной системы, произошла из раскаленной газовой массы, оторвавшейся от Солнца.

Согласно второй гипотезе, источником тепла являются радиоактивные элементы (уран, торий и др.), заключенные в горных породах. Выделяемое в результате радиоактивного распада тепло может не только нагреть, но даже и расплавить горные породы.

Радиоактивность Земли. Радиоактивность — это самопроизвольный распад неустойчивых изотопов таких радиоактивных элементов, как уран-238, уран-235, торий-232 и калий-40, сопровождающийся выделением тепловой энергии. Так, например, 1 г урана-238 выделяет в год 0,71 калорий тепла, а 1 г урана-235 — 43 калории.

Наиболее радиоактивной является верхняя алюмосиликатная кора Земли, в то время как ее мантия в значительно меньшей степени радиоактивна. В современную эпоху радиоактивность выступает как мощный энергетический фактор, способный повышать температуру глубоких недр Земли.

Однако в прошлом радиоактивность Земли была более высокой, чем в настоящее время. Так, например, считают, что 4,5 млрд. лет назад на Земле урана-238 было больше в 2 раза и соответственно он излучал энергии в 2 раза больше, чем сейчас. Уран-235 в то время выделял тепла в 100 раз больше, а калий-40 —в 12 раз. Радиоактивность молодой Земли могла быть связана еще с присутствием относительно недолговечных, так называемых трансурановых изотопов плутония-244 и кюрия-247 с периодом полураспада от десятков до сотен миллионов лет. Таким образом, радиоактивность в прошлом была более мощным источником внутреннего нагрева Земли, чем в современную эпоху.

Химический состав Земли. Непосредственно мы можем изучить химический состав только поверхностных частей земной коры, которые доступны исследованию (15—20 км). Суждения о химическом составе более глубоких зон Земли опираются на косвенные данные, представляемые сейсмологией и изучением состава метеоритов.

По А.П. Виноградову, химический состав различных горных пород, слагающих земную кору до глубины 16 км, характеризуется преобладанием следующих элементов (табл. 1).

На остальные многочисленные химические элементы в сумме приходится около 0,5% состава земной коры.

Таким образом, в составе земной коры преобладают такие элементы, как кислород, кремний, алюминий, железо, кальций, которые входят в состав различных горных пород.

С глубиной химический состав Земли меняется, о чем можно судить по изменению плотности и упругих свойств среды, фиксируемых сейсмическими волнами. He вызывает сомнения, что в связи с увеличением плотности с глубиной в составе вещества Земли возрастает роль тяжелых элементов, таких, как железо, магний, хром, никель, кобальт.

Изучение состава метеоритов, которые, как предполагают, являются обломками некогда существовавших планет, подтверждает такое мнение и указывает на резкое увеличение в недрах Земли содержания железа (до 28,6%) при уменьшении содержания кислорода, кремния и алюминия.