Земля та її фізичні характеристики

Всі тіла, що рухаються навколо Сонця, утворюють в сукупності планетну систему, яка називається Сонячною. Сонячна система - це розмаїта і густонаселена сім'я. До її складу входять: дев'ять великих планет; понад вісімдесят їхніх супутників; напевне, кілька десятків тисяч малих тіл або астероїдів розмірами від 10 до 1 000 км; комети; безліч метеорних тіл з розмірами меншими за 1 км - так званих метеороїдів; міжпланетні пил та газ.

За своїми характеристиками великі планети поділяються на дві групи: планети земної групи — Меркурій, Венера, Земля та Марс, планети-гіганти -Юпітер, Сатурн, Уран і Нептун. Щодо планети Плутон, то вона не належить до жодної з цих груп, а швидше нагадує деякі з супутників планет-гігантів. Відмінності між планетами обох груп обумовлені їхніми масами, хімічним складом та віддаленістю від Сонця.

Якщо планети земної групи мають порівняно невеликі розміри, велику густину і складаються в основному зі щільних речовин, то планети-гіганти, навпаки, мають великі розміри, малу густину і складаються в основному з газів.

Маса планет-гігантів складає 98 % сумарної маси всіх планет Сонячної системи. Великою силою тяжіння вони утримують потужні метаново-аміачні атмосфери, системи кілець та супутників і швидко обертаються.

І нарешті, в окрему групу виділяють сьогодні супутники планет.

У вивченні Сонячної системи за останні 40 років досягнуто значних успіхів. Але й сформульовано нові питання, відповідей на які все ще немає.

Рисунок - Земля

Земля — планета. Земля бере участь у двох рухах у просторі: обертається навколо осі та рухається навколо Сонця з середньою швидкістю 30 км/с на середній віддалі 149,6 млн км.

Завдяки рухові Землі по орбіті з періодом 365 діб 5 год 48 хв 46 с Сонце, відображаючи цей рух, переміщується небом серед зір з тим же періодом у напрямку, протилежному добовому обертанню неба, із заходу на схід.

У першому наближенні Землю можна вважати кулею. Але через обертання, яке спричиняє появу відцентрової сили, вона дещо сплюснута біля полюсів і опукла біля екватора. Тому ближчим до справжньої форми Землі буде еліпсоїд обертання, одержаний обертанням еліпса навколо малої осі. При цьому велику піввісь еліпсоїда приймають рівною а = 6 378 160 м, а малу Ь = 6 376 778 м.

Земля обертається навколо осі, причому швидкість руху точок земної поверхні різна у різних широтах: максимальна на екваторі – 465 м/с - і нульова на полюсах. Відповідно і прискорення сили земного тяжіння в різних широтах різне: мінімальне на екваторі - 9,78 м/с², максимальне на полюсах - 9,83 м/с².

Вивчаючи нашу планету, вчені вже давно виділили ряд притаманних їй оболонок. Найвіддаленішою і найпротяжнішою оболонкою Землі є магнітосфери - ділянка навколоземного простору, фізичні властивості якої визначаються магнітним полем Землі та його взаємодією з потоками заряджених частинок. Магнітне поле Землі близьке до поля магнітного диполя, і його напруженість становить біля 40 А/м.

Через дію потоку частинок з боку Сонця (сонячного вітру) на денному боці магнітні силові лінії дещо притиснуті до Землі. З протилежного, нічного боку вони відхиляються сонячним вітром, утворюючи «шлейф» протяжністю до 5 млн км. В області замкнутих ліній геомагнітного поля існує пастка для заряджених частинок. Геомагнітне поле захоплює і утримує всередині магнітосфери величезну кількість протонів і електронів, які утворюють радіаційні пояси. Виділяють внутрішній і зовнішній радіаційні пояси на середній відстані від поверхні Землі відповідно 1 000-1 100 км і 35 000-50 000 км.

Земля оточена повітряною оболонкою - атмосферою яка не має чітких меж і за своїми фізичними властивостями на різних висотах поділяється на тропосферу (висота 9-17 км від полюса до екватора, температура зменшується з висотою до -55 ), стратосферу (до 55 км, температура зростає до 0^і), мезосферу (до 85 км, температура зменшується до -85 ) і термосферу (від 90 км і вище, температура знову зростає). З урахуванням електричних властивостей атмосфери на висоті 70-400 км виділяють іоносферу, де повітря сильно іонізоване.

Головні складові (за масою) повітря: азот - 78 %, кисень - 21 %, аргон - 0,93 %, вуглекислий газ -0,03 %, озон і водяна пара. Інші гази наявні в кількості, меншій 0,01 %.

Під атмосферою лежать гідросфера і літосфера - оболонки, на яких існує практично все живе на Землі.

Під гідросферою розуміють сукупність усієї води на Землі в твердому, рідкому і газоподібному стані. Найбільше води у рідкому стані. Вона утворює Світовий океан, що вміщує 97 % усієї поверхневої води і покриває 71 % земної поверхні. 2,5 % води припадає на лід, а на озера, річки і атмосферну вологу - лише 0,5 %.

Літосфера - це верхня тверда оболонка Землі. Вона повністю покриває надра планети. Проте за допомогою сейсмічних хвиль, що поширюються в тілі планети під час землетрусів, було з'ясовано внутрішню будову Землі. Виходячи зі швидкості поширення сейсмічних хвиль, земні надра поділяють на такі шари: кора (зона А) товщиною від 5 км під океанами до 70-80 км під найвищими горами; мантії верхня і нижня (зони С і D) загальною товщиною до 2 900 км; зовнішнє ядро (зона Е) до 2 100 км завтовшки; внутрішнє ядро (зона F) радіусом до 1 300 км.

Є думка, що на відміну від кори і мантії, які загалом перебувають у твердому стані, зовнішнє ядро рідке. З ним пов'язують наявність геомагнітного поля. Вважається, що у рідкому зовнішньому ядрі Землі можуть відбуватися досить складні інтенсивні рухи речовини, яка має високу електропровідність. При цьому виникають сильні електричні струми, які і генерують магнітне поле нашої планети.

Рисунок – Будова Землі

Тверде внутрішнє ядро за температури до 7 000 К і тиску до 3,5 млн атмосфер перебуває у незвичайному стані. За таких фізичних умов електронні оболонки атомів руйнуються і утворюється щільна плазма, насичена вільними електронами. При цьому речовина, як і метал, починає добре проводити струм, отже, за аналогією, такий її стан називається металічною фазою.

Земля має багатий хімічний склад. 90 % її маси припадає на залізо, кисень, магній і кремній. Земна кора майже наполовину складається з кисню, що входить до складу різних окислів, і на чверть - з кремнію. Значний відсоток припадає також на алюміній. Кисень, кремній і алюміній утворюють найпоширеніші у природі сполуки - кремнезем та глинозем.

Найпоширенішим компонентом мантії є кремнезем у складі силікатів. Щодо ядра, то воно, імовірно, складається із заліза з домішками нікелю і сірки чи нікелю і кремнію.

Всі оболонки Землі -і зовнішні, і внутрішні — постійно рухаються і змінюються. Магнітосфера Землі залежно від активності Сонця змінює форму, змінюється кількість частинок у радіаційних поясах і їхня висота над Землею.

Рисунок – Вигляд ліній магнітного поля Землі

Магнітне поле планети змінює свою напрям і напруженість, а магнітні полюси «сповзають» зі своїх місць. З'ясовано, що в давнину напрям геомагнітного поля була іншою, ніж тепер, що магнітні полюси дрейфують по поверхні, і північний магнітний полюс колись знаходився поблизу екватора. А час від часу взагалі відбувається переорієнтація (інверсія) геомагнітного поля: північний магнітний полюс стає південним і навпаки.

Атмосфера Землі постійно розсіюється у космічному просторі, але вона поповнюється за рахунок вулканічної діяльності та випаровування води з поверхні морів і океанів. Час від часу змінюється співвідношення кількості газів в атмосфері (передусім водяної пари, озону 03 та двоокису вуглецю С02).

Істотно змінює свій вигляд і тверда поверхня Землі через дію Сонця, вітру та води на гірські породи, а також через тектонічні процеси, що відбуваються в надрах.

Та зміни, пов'язані з планетою Земля, відбуваються не тільки в її оболонках. Змінюються в астрономічних масштабах геометричні зв'язки між Землею і Сонцем. Через вплив притягання з боку планет, Місяця та Сонця відбувається збурення поступального руху Землі навколо Сонця та обертального руху навколо осі.

З періодом у 100 тис. років, пересуваючись уздовж екліптики, але в тому ж напрямку, що і Земля по орбіті, повертається до попереднього положення серед зір точка перигелію земної орбіти. З періодом у 90-100 тис. років у межах 0,0163-0,066 змінюється ексцентриситет земної орбіти. З періодом у 41 тис. років у межах 22°-24,5 змінюється кут нахилу площини екватора до площини екліптики.

Відомо, що впродовж геологічної історії Землі її клімат неодноразово змінювався (хоча в цілому ці зміни не виходили за межі умов, при яких можливе існування життя). Геологічні дані вказують на чергування холодних періодів, коли великі ділянки суші вкривалися льодовиками, а рівень Світового океану знижувався, з періодами значного потепління, коли за північним полярним колом буяла рослинність. Такі зміни пов'язують з певними змінами та рухами в земних оболонках, а також з астрономічними факторами, які визначають кількість сонячної енергії, що надходить на Землю.

Зараз достовірно встановлено, що різкі зміни орієнтації геомагнітного поля пов'язані з різкими коливаннями клімату - появою великих льодових масивів (заледенінь) і їхнього наступного танення, та похолоданнями і потепліннями, які охоплювали Землю в цілому. Проте механізм цього взаємозв'язку поки що не розкрито.

Активне горотворення і переміщення земної кори внаслідок глобальних тектонічних процесів, які відбувалися впродовж геологічної історії Землі, впливають на перерозподіл морських течій та на загальну атмосферну циркуляцію, що, у свою чергу, також призводить до кліматичних змін на планеті.

Великий вплив на клімат має стан атмосфери, зокрема кількість водяної пари та вуглекислого газу, які в ній містяться. Значне підвищення вмісту водяної пари викликає збільшення хмарності, а отже зменшення кількості сонячного тепла, що надходить на поверхню. А зміна вмісту вуглекислого газу СО₂ спричиняє послаблення чи посилення парникового ефекту, при якому вуглекислий газ частково поглинає тепло, випромінюване Землею в космос, затримує його в атмосфері й підвищує тим самим температуру поверхні та нижніх шарів атмосфери.

Відомо, що явище парникового ефекту відіграє вирішальну роль у пом'якшенні клімату Землі. За його відсутності середня температура планети була б на 30-40 нижчою, ніж є насправді, і становила б не +15"С, а -15С, а то і -25°С. За таких середніх значень температури океани дуже швидко вкрилися б льодом, перетворившись у величезні морозильники, і життя на планеті стало б неможливим. Отже, зменшення у повітрі вмісту СО₂ послаблює парниковий ефект і сприяє похолоданню. Впливають на кількість вуглекислого газу багато причин, серед них найголовнішими є вулканічна діяльність і життєдіяльність земних організмів.

Та найбільший вплив на стан атмосфери, а отже і на клімат Землі у всепланетному масштабі, мають зовнішні, астрономічні фактори, такі як зміна потоків сонячної радіації внаслідок непостійності сонячної діяльності та зміни параметрів земної орбіти. Астрономічну теорію коливань клімату було створено ще у 20-ті роки XX ст. В цій теорії показано, що зміна ексцентриситету орбіти Землі від можливого мінімального 0,0163 до можливого максимального 0,066 може призвести до різниці кількості сонячної енергії, що падає на поверхню Землі в афелії і перигелії, на 25% за рік. Залежно від того, влітку чи взимку (для північної півкулі) Земля проходить свій перигелій, така величина зміни потоку сонячної радіації може призвести до загального похолодання чи потепління на планеті.

Теорія дала змогу обчислити час льодовикових періодів у минулому. З точністю до похибок визначення геологічних дат, вік десятка попередніх заледенінь збігся з передбаченнями теорії. Вона ж дозволяє відповісти на питання, коли повинне настати наступне найближче заледеніння: сьогодні ми живемо у міжльодовикову епоху, і в найближчі 5 000-10 000 років воно нам не загрожує.