Реферат: Планета Земля

Содержание

1.  Планета Земля

2.  Внутреннее строение Земли

3.  Тепловая энергия планеты

Планета Земля

Землякак одна из планет Солнечной системы на первый взгляд ничем не примечательна.Это не самая большая, но и не самая малая из планет. Она не ближе других ксолнцу, но и не обитает на периферии планетной системы. И всё же Земля обладаетодной уникальной особенностью – на ней есть жизнь. Однако при взгляде на Землюиз космоса это не заметно. Хорошо видны облака, плавающие в атмосфере. Сквозьпросветы в них различимы материки. Большая же часть Земли покрыта океанами.

Появление жизни, живого вещества – биосферы – на нашейпланете явилось следствием её эволюции. В свою очередь биосфера оказалазначительное влияние на весь дальнейший ход природных процессов. Так, не будьжизни на Земле, химический состав её атмосферы был бы совершенно иным.

Несомненно, всестороннее изучение Земли имеетгромадное значение для человечества, но знания о ней служат также своеобразнойотправной точкой при изучении остальных планет земной группы.

Внутреннее строение Земли

Непросто «заглянуть» в недра Земли. Даже самые глубокие скважины на суше едвапреодолевают 10 – километровый рубеж, а под водой удаётся, пройдя осадочныйчехол, проникнуть в базальтовый фундамент не более чем на 1.5 км. Однаконашёлся другой способ. Как в медицине рентгеновские лучи позволяют увидетьвнутренние органы человека, так при исследовании недр планеты на помощьприходят сейсмические волны. Скорость сейсмических волн зависит от плотности иупругих свойств горных пород, через которые они проходят. Более того, ониотражаются от границ между пластами пород разного типа и преломляются на этихграницах.

По записям колебаний земной поверхности приземлятресениях – сейсмограммам – было установлено, что недра Земли состоят изтрёх основных частей: коры, оболочки (мантии) и ядра.

Кора отделяется от оболочки отчётливой границей, накоторой скачкообразно возрастают скорости сейсмических волн, что вызвано резкимповышением плотности вещества. Эта граница носит название раздел Мохоровичича(иначе – поверхность Мохо или раздел М) по фамилии сербского сейсмолога,открывшего её в 1909 г.

Толщина коры непостоянна, она изменяется от несколькихкилометров в океанических областях до нескольких десятков километров в горныхрайонах материков. В самых грубых моделях Земли кору представляют в видеоднородного слоя толщиной порядка 35 километров. Ниже, до глубины примерно 2900км, расположена мантия. Она, как и земная кора, имеет сложное строение.

Ещё в XIX столетии стало ясно, что у Земли должно быть плотноеядро. Действительно, плотность наружных пород земной коры составляет около 2800кг/м3 для гранитов и примерно 3000 кг/м3 для базальтов, асредняя плотность нашей планеты – 5500 кг/м3. В то же времясуществуют железные метеориты со средней плотностью 7850 кг/м3 ивозможна ещё более значительная концентрация железа. Это послужило основаниемдля гипотезы о железном ядре Земли. А в начале XX в. былиполучены первые сейсмологические свидетельства его существования.

Граница между ядром и мантией наиболее отчётливая. Онасильно отражает продольные (Р) и поперечные (S) сейсмическиеволны и преломляет Р-волны. Ниже этой границы скорость Р-волны резко падает, аплотность вещества возрастает: от 5600 кг/м3 до 10000 кг/м3.S-волны ядро вообще не пропускает. Это означает, чтовещество там находится в жидком состоянии.

Есть и другие свидетельства в пользу гипотезы о жидкомжелезном ядре планеты. Так, открытое в 1905г. изменение магнитного поля Земли впространстве и по интенсивности привело к заключению, что оно зарождается вглубинах планеты. Там сравнительно быстрые движения могут происходить, невызывая катастрофических последствий. Наиболее вероятный источник такого поля –жидкое железо (т.е. проводящее токи) ядро, где возникают движения, действующиепо механизму самовозбуждающегося динамо. В нём должны существовать токовые петли,грубо напоминающие витки провода в электромагните, которые и генерируютразличные составляющие геомагнитного поля.

В 30–е гг. сейсмологи установили, что у Земли есть ивнутреннее, твёрдое ядро. Современное значение глубины границы между внутренними внешним ядрами примерно 5150 км.

Граница наружной зоны Земли – расположена на глубинепорядка 70 км. Литосфера включает в себя как земную кору, так и часть верхнеймантии. Этот жёсткий слой объединяется в единое целое его механическимисвойствами. Литосфера расколота примерно на десять больших плит, на границахкоторых случается подавляющее число землетрясений.

Под литосферой на глубинах от 70 до 250 км существуетслой повышенной текучести – так называемая астеносфера Земли. Жёсткиелитосферные плиты плавают в «астеносферном океане».

В астеносфере температура мантийного веществаприближается к температуре его плавления. Чем глубже, тем выше давление итемпература. В ядре Земли давление превышает 3600 кбар, а температура – 6000 С0.

Тепловая энергия планеты

Овысокой температуре земных недр учёные догадывались давно. Об этомсвидетельствовали и вулканические извержения, и рост температуры при погружениив глубокие шахты. В среднем у поверхности Земли её увеличение составляет 20градусов на километр.

Тепловая энергия земных недр выделяется с поверхностипланеты в виде теплового потока, который измеряется количеством тепла,выделяемого с единицы площади за  единицу времени. Измерить тепловой потокЗемли с достаточной точностью удалось только во второй половине XXвека.

Континентальную земную кору можно представить в виде15 – километрового слоя гранита, лежащего на слое базальта такой же толщины.Концентрация радиоактивных изотопов, служащих источниками тепла, в гранитах ибазальтах хорошо изучена. Это прежде всего радиоактивный калий, уран и торий.Подсчитано, что при их распаде выделяется примерно 130 Дж/(см год). В тожевремя средний тепловой поток, который равен 130 – 170 Дж/(см год).Следовательно, он почти полностью определяется тепловыделением в гранитном ибазальтовом слоях.

С океанической корой всё обстоит иначе. Оназначительно тоньше континентальной, и основу её составляет 5 – 6 –километровыйбазальтовый слой. Распад содержащихся в нём радиоактивных элементов даёт всегооколо 10 Дж/(см год). Однако, когда специалисты измерили тепловой поток наокеанах, он оказался примерно таким же, как и на материках.

Сегодня установлено, что основная часть теплапоступает в океаническую кору через литосферную плиту из мантии. Веществомантии постоянно находится в движении. Неравенство температур различных слоёв вней приводит к активному перемешиванию вещества: более холодное и,соответственно, более плотное тонет, более горячее всплывает. Это такназываемая тепловая конвекция.

Большинство современных исследователей указывают натри возможных источника энергии для поддержания тепловой конвекции в мантии. Во– первых, мантия всё ещё сохраняет большое количество тепла, накопленного впериод формирования планеты. Его достаточно, чтобы поверхностный тепловой потоксохранялся на его теперешнем уровне в течение срока, в несколько разпревышающего нынешний возраст Земли. При этом планета должна остывать, но еёостывание происходит очень медленно. Во – вторых, определённое количествотепла, по-видимому, поставляется в мантию из ядра. И, наконец, третий источник– это распад радиоактивных элементов (их содержание в мантии в настоящее времятрудно оценить).

Тектоника плит

Ещёв 1912 г. немецкий исследователь Альфред Вегенер выдвинул гипотезу дрейфаконтинентов. На эту идею его натолкнули поразительное соответствие очертанийбереговых линий материков Африки и Южной Америки, а также явные следыглобального изменения климата в прошлом во многих регионах мира. Но гипотезапоначалу была отвергнута научным сообществом, так как не указывала причиндрейфа. В 30 – е гг. английский геолог Артур Холмс предложил объяснить движениеконтинентов тепловой конвекцией. В 50 – гг., когда широко проводилисьисследования дна океана, гипотеза о крупны горизонтальных перемещениях влитосфере получила новые подтверждение. Значительную роль в этом сыгралоизучение магнитных свойств пород, слагающих океаническое дно.

Ещёв начале XX в. было установлено, что намагниченность современныхлав соответствует нынешнему магнитному полю Земли, а у древних лав она частоориентирована под большими углами или вообще противоположна направлениюсовременного поля. По сути дела эта картина отражает состояние магнитного поляв предшествующие геологические эпохи. В базальтовых лавах много железа, и они,затвердевая по мере охлаждения, намагничивались в соответствии с существовавшимв тот период геомагнитным полем.

Имелисьтакже данные о перемене полярности: северный магнитный полюс Земли становилсяюжным, и наоборот. Зарегистрировано 16 инверсий магнитных полюсов за последниенесколько миллионов лет. (Причины такой переполюсировки до сих пор окончательноне выяснены, предположительно её вызвали процессы, происходившие в жидкомядре.). И, как оказалось, график этих инверсий свидетельствовал в пользукрупномасштабных перемещений материков.

Магнитнаясъёмка тихоокеанского дна в 1955 и 1957 гг. обнаружила простирающиеся почтипараллельно с севера на юг «полосы» с магнитными полями аномальнойнапряжённости. А в 1963 г. были открыты полосовые магнитные аномалии, вытянутыепараллельно хребту Карлсберг в Индийском океане. К этому времени уже сталадовольно известной гипотеза, выдвинутая в 1960г. профессором Принстонскогоуниверситета (США) Гарри Хессом и названная позже гипотезой спрединга, или«расширения морского дна». По ней, горячая полурасплавленная мантийная массаподнимается под срединно – океаническими хребтами, распространяется в стороныот них в виде мощных потоков, которые разрывают и расталкивают плиты литосферыв разные стороны. Мантийное вещество заполняет образовавшиеся с обеих сторон отхребтов трещины – рифты.

Наплощадь поверхности Земли (как и её объём) практически не изменилась за времяеё существования. Поэтому если новые участки поверхности наращиваются вдольхребтов, то где – нибудь они должны и уничтожаться. Вероятнее всего, этопроисходит в глубоководных океанских желобах. Эти так называемые зоны субдукции(поглощения) расположены вдоль вулканических дуг, протянувшихся в Тихом океанеот Аляски вдоль Алеутских островов к Японии, Марианским островам и Филиппинамвплоть до Новой Зеландии и вдоль берегов Америки. Когда в этих зонах земнаякора опускается до глубины 100 – 150 км, часть вещества плавится, образуямагму, которая затем в виде лавы прорывается наверх и извергается в вулканах.

Такимобразом, земная кора создаётся в рифтовых зонах океанов, как ленточныйконвейер, движется со средней скоростью 5 см в год, постепенно остывая.

Гипотезаспрединга может хорошо объяснить магнитные аномалии морского дна. Еслирасплавленная порода, изливающаяся в срединно – океанических хребтах,затвердевает с обоих сторон от них, а затем расползается в противоположныхнаправлениях, то она будет создавать полосы, намагниченные согласно сориентацией магнитного поля в период их застывания. Когда поверхность меняется,вновь образовавшееся морское дно намагничивается в противоположном направлении.Чередование полос даёт подробную картину формирования морского дна по обеимсторонам от активного хребта, причём одна сторона является зеркальнымотражением другой.

Первыеже магнитные карты тихоокеанского дна у берегов Северной Америки, в районехребта Хуан-де-Фука, показали наличие зеркальной симметрии. Ещё болеесимметричная картина обнаружена с обеих сторон центрального хребта вАтлантическом океане.

Используяконцепцию дрейфа материков, известную сегодня как «новая глобальная тектоника»,можно восстановить взаимное расположение континентов в далёком прошлом.Оказывается, 200 млн. лет назад она составляли единый материк.

Эволюция Земли

Вопросранней эволюции Земли тесно связан с теорией её происхождения. Сегодняизвестно, что наша планета образовалась около 4.6 млрд лет назад. В процессеформирования Земли из частиц протопланетного облака постепенно увеличивалась еёмасса. Росли силы тяготения, а следовательно, и скорости частиц, падавших на планету.Кинетическая энергия частиц превращалась в тепло, и Земля всё сильнееразогревалась. При ударах на ней возникали кратеры, причём выбрасываемое из нихвещество уже не могло преодолеть земного тяготения и падало обратно. 

Чем крупнее были падавшие тела, тем сильнее онинагревали Землю. Энергия удара освобождалась не на поверхности, а на глубине,равной примерно двум поперечникам внедрившегося тела. А так как основная массана этом этапе поставлялась планете телами размером в несколько сот километров,то энергия выделялась в слое толщиной порядка 1000 км. Она не успевалаизлучится в пространство, оставаясь в недрах Земли. В результате температура наглубинах 100 – 1000 км могла приблизиться к точке плавления. Дополнительноеповышение температуры, вероятно, вызывал распад короткоживущих радиоактивныхизотопов.

По – видимому, первые возникшие расплавы представлялисобой смесь жидких железа, никеля и серы. Расплав накапливался, а затемвследствие более высокой плотности просачивался вниз, постепенно формируяземное ядро. Таким образом, дифференциация (расслоение) вещества Земли могланачаться ещё на стадии её формирования. Ударная переработка поверхности иначавшаяся конвекция, несомненно, препятствовали этому процессу. Ноопределённая часть более тяжёлого вещества всё же успевала опуститься подперемешиваемый слой. В свою очередь дифференциация по плотностиприостанавливала конвекцию и сопровождалась дополнительным выделением тепла,ускоряя процесс формирования различных зон в Земле.

Предположительно ядро сформировалось за несколько сомиллионов лет. При постепенном остывании планеты богатый никелемжелезоникелевый сплав, имеющий высокую температуру плавления, началкристаллизоваться – так зародилось твёрдое внутреннее ядро. К настоящемувремени оно составляет 1.7% массы Земли. В расплавленном внешнем ядресосредоточено около 30% земной массы.

Развитие других оболочек продолжалось гораздо дольше ив некотором отношении не закончилось до сих пор.

Литосфера сразу после своего образования имеланебольшую толщину и была очень не устойчивой. Она снова поглощалась мантией,разрушалась в эпоху великой бомбардировки (от 4.2 до 3.9 млрд лет назад), когдаЗемля, как и Луна, подвергалась ударам очень крупных и довольно многочисленныхметеоритов. На Луне и сегодня можно увидеть свидетельства метеоритнойбомбардировки – многочисленные кратеры и моря (области, заполненные излившейсямагмой). На нашей планете активные тектонические процессы и воздействиеатмосферы и гидросферы практически стёрли следы этого периода.

Около 3.8 млрд лет назад сложилась первая лёгкая и,следовательно, «непотопляемая» гранитная кора. В то время планета уже имелавоздушную оболочку и океаны; необходимые для их образования газы усиленнопоставлялись из недр Земли в предшествующий период. Атмосфера тогда состояла восновном из углекислого газа, азота и водяных паров, кислорода в ней было мало,но он вырабатывался в результате, во – первых, фотохимической диссоциации водыи, во – вторых фотосинтезирующей деятельности простых организмов, таких, каксине – зелёные водоросли.

600 млн лет назад на Земле было несколько подвижныхконтинентальных плит, весьма похожих на современные. Новый сверхматерик Пангеяпоявился значительно позже. Он существовал 300 – 200 млн лет назад, а затемраспался на части, которые и сформировали нынешние материки.

Что ждёт Землю в будущем? На этот вопрос можноответить лишь с большой степенью неопределённости, абстрагируя как отвозможного внешнего, космического влияния, так и от деятельности человечества,преобразующего окружающую среду, причём не всегда в лучшую сторону.

В конце концов недра Земли остынут до такой степени,что конвекция в мантии и, следовательно, движение материков (а значит, игорообразование, извержение вулканов, землетрясения) постепенно ослабнут ипрекратятся. Выветривание со временем сотрёт неровности земной коры, иповерхность планеты скроется под водой. Дальнейшая её судьба будет определятсясреднегодовой температурой. Если она значительно понизится, то океан замёрзнети Земля покроется ледяной коркой. Если же температура повысится (а скорее кэтому и приведёт возрастающая светимость Солнца), то вода испарится, обнаживравную поверхность планеты. Очевидно, ни в том, ни в другом случае жизньчеловечества на Земле будет уже не возможна, по крайней мере в нашем современномпредставлении о ней.

Атмосфера Земли

В настоящее время Земля обладает атмосферой массойпримерно 5.15*10 кг., т.е. менее миллионной доли массы планеты. Вблизиповерхности она содержит 78.08% азота, 20.05% кислорода, 0.94% инертных газов,0.03% углекислого газа и в незначительных количествах другие газы.

Давление и плотность в атмосфере убывают с высотой.Половина воздуха содержитсь в нижних 5.6 км, а почти вся вторая половинасосредоточена до высоты 11.3 км. На высоте 95 километров плотность воздуха вмиллион раз ниже, чем у поверхности. На этом кровне и химический составатмосферы уже иной. Растёт доля лёгких газов, и преобладающими становятсяводород и гелий. Часть молекул разлагается на ионы, образуя ионосферу.

Выше 1000 км. Находятся радиационные пояса. Их тожеможно рассматривать как часть атмосферы, заполненную очень энергичными ядрамиатомов водорода и электронами, захваченными магнитным полем планеты.

Гидросфера Земли

Водапокрывает более 70% поверхности земного шара, а средняя глубина Мирового океанаоколо 4 км. Масса гидросферы примерно 1.46*10 кг. Это в 275 раз больше массыатмосферы, но лишь 1/4000 от массы всей Земли.

Гидросферу на 94% составляют воды Мирового океана, вкоторых растворены соли (в среднем 3.5%), а также ряд газов. Верхний слойокеана содержит 140 трлн тонн углекислого газа, а растворённого кислорода – 8трлл тонн.

Литература:

Энциклопедия«Астрономия для детей»