Солнце и солнечная система

Краткие сведения о Солнце и о происхождении планет солнечной системы. Солнце – относительно небольшая звезда спектрального класса G, такие звезды называют желтыми карликами. Но по земным меркам – это огромный раскаленный плазменный шар, его радиус составляет примерно 7∙ 10⁸ м, что примерно в 109 раз больше земного радиуса. Несмотря на то, что на (98…99) % Солнце состоит из легких атомов водорода и гелия, его масса в 330 тыс. раз превышает массу Земли и составляет около 2∙ 10³⁰ кг при средней плотности 1, 41 г/см³.

Спектр излучения Солнца (как и любого нагретого тела) является сплошным. Зная длину волны, соответствующую максимуму спектрального распределения теплового излучения, можно определить температуру излучающей поверхности (закон смещения Вина ). В случае Солнца говорить об излучающей поверхности сложно, т.к. в создании потока излучаемой энергии принимает участие не только т.н. фотосфера (толщина этого нижнего слоя солнечной «атмосферы»^** составляет 200 – 300 км), но и другие слои наружной области Солнца. Тем не менее, понятие «эффективная температура поверхности Солнца» широко используется, ее величина Т_эфф ≈ 6000 К. В центральной же области Солнца, там, где идут реакции ядерного синтеза, величину температуры оценивают цифрами 10…15 МК.

Температура Т поверхности любого излучающего тела определяет не только форму спектрального распределения, но и плотность мощности излучения, которая в соответствии с законом Стефана-Больцмана пропорциональна Т⁴. Согласно расчетам, полная мощность солнечного излучения составляет около 4∙ 10²⁶ Вт, а плотность мощности этого излучения у поверхности Земли (над атмосферой) составляет около 1, 4 кВт/м².

Считается, что возраст Солнца близок к 5 млрд. лет, это означает, что наше светило является звездой 2-го (или еще более позднего) поколения. Считается также, что Солнце (как и другие звезды) образовалось из медленно вращающегося облака межзвездного газа и пыли, которое сжа­лось под воздействием собственной тяжести. Центральная область сжимающегося облака постепенно становилась все плотнее и горячее, образуя т.н. протозвезду, которая продолжа­ла сжиматься и разогреваться до тех пор, пока в ее ядре не началась реакция синтеза ядер гелия из протонов.

В настоящее время нет общепризнанных гипотез, объясняющих образование планет и планетных систем. Согласно наиболее распространенным представлениям, планетные системы формируются из материала тех же газово-пылевых туманностей, что и сами звезды. По мере сжатия протозвездного облака скорость его вращения вокруг собственной оси увеличивается (в соответствии с законом сохранения момента импульса), при этом возрастают радиальные центробежные силы, под действием которых происходит истечение вещества из экваториальной области и образование т.н. газовых дисков. Вместе с массой звезда теряет момент количества движения, что несколько ускоряет процесс сжатия ее центрального сгущения, а рассеянное в экваториальной плоскости вещество является источником протопланетного материала. Сначала по мере остывания путем конденсации газа образуются твердые частицы, из которых впоследствии образуются сгустки вещества – как протопланеты, так и некие «зародыши» других космических тел.

В пользу подобной гипотезы свидетельствует тот факт, что орбиты всех планет Солнечной системы лежат в плоскостях, близких к экваториальной плоскости Солнца, кроме того, все планеты движутся вокруг Солнца в одном направлении. Более тяжелые элементы, такие, как железо и кремний, сконденсировались ближе к Солнцу и сфор­мировали внутренние планеты, в то время как более легкие элементы, включая частички льда, ос­тались на внешней окраине диска и сформи­ровали внешние планеты. В конце ХХ в. было твердо установлено, что Солнце – далеко не единственная звезда, вокруг которой обращаются планеты. По разным оценкам процент звезд, имеющих планетные системы, составляет от 10 до 50.

Солнце играет исключительную роль в жизни Земли. Весь органический мир нашей планеты обязан Солнцу своим существованием. Солнце - не только источник света и тепла, но и первоначальный источник большинства других известных видов энергии (энергии нефти, угля, воды, ветра и др.).

Строение солнечной системы. В солнечную систему, помимо Солнца и планет со своими спутниками, входят астероиды, кометы и метеорные тела. Кроме этого, в межпланетном пространстве содержатся очень мелкие частицы (пыль), отдельные атомы и молекулы, а также всевозможные элементарные частицы. Суммарная масса планет и всех других тел солнечной системы составляет около 0, 14% массы Солнца, поэтому движение тел солнечной системы почти всегда определяется только силой притяжения к Солнцу.

Термин «планета» происходит от греческого слова «planetes», что означает – «блуждающий»: еще в незапамятные времена люди заметили, что пять светлых точек на ночном небосклоне регулярно перемещаются (блуждают) на фоне практически неподвижного узора, образованного множеством других звезд. Современные названия пяти планет (Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн), видимых с Земли невооруженным глазом, соответствуют именам главных божеств римской мифологии. Еще три планеты (Уран, Нептун и Плутон), открытые последовательно в 1781, 1846 и 1930 годах, получили свои названия также в соответствии с этой же мифологической традицией.

Первой планетой, открытой с помощью телескопа (через 170 лет после его изобретения) был Уран. В начале XIX в. было замечено, что форма орбиты этой планеты несколько отклоняется от расчетной. Причина этого несоответствия вскоре стала понятной, в рассчитанную точку был направлен телескоп, и в 1846 г. новая планета, которую назвали Нептун, была обнаружена, что стало подлинным триумфом небесной механики и теоретической астрономии. Плутон, открытый позднее других планет, лишь в течение 75 лет считался девятой планетой солнечной системы: в 2006 г. решением Международного астрономического союза он был исключен из числа планет.

Как уже отмечалось, орбиты всех планет солнечной системы расположены почти в одной плоскости – плоскости солнечного экватора, поэтому солнечную систему называют копланарной. Все планеты движутся вокруг Солнца в одну сторону (в направлении вращения самого Солнца). Орбита каждой планеты представляет собой эллипс, в одном из фокусов которого расположено Солнце (две фокусные точки эллипса лежат на его большой оси, эти точки обладают тем свойством, что сумма расстояний от них до любой точки эллипса есть величина постоянная). Степень вытянутости эллипсоидальной орбиты (расстояние между фокусами) у разных планет разная. У большинства планет, в том числе у Земли, орбиты близки к окружностям. Ближайшую точку орбиты тел, вращающихся вокруг Солнца, называют перигелий, а наиболее удаленную точку – афелий. В частности, Земля в перигелии (где она находится в начале января) удалена от Солнца на 147, 1 млн. км, а в афелии – на 152, 1 млн. км. Для сравнения - у Меркурия орбита более вытянутая – в афелии эта планета примерно в 1, 5 дальше от Солнца, чем в перигелии.

Прежде чем рассматривать свойства планет, охарактеризуем кратко другие тела солнечной системы, которые, как полагают, сложены из того же материала, из которого в свое время сформировались планеты. Самые крупные из этих тел – астероиды – имеют железо-каменный состав, их общее число по оценкам на начало 3-го тысячелетия превышает 10⁶. Астероидов с присвоенными номерами более 4000, наиболее крупные из них имеют имена, такие астероиды часто называют малыми планетами. В отличие от планет, астероиды представляют собой бесформенные тела. Размеры самого крупного из астероидов (планета Церера) составляют около 1000 км в поперечнике. Подавляющее большинство астероидов движется в широком промежутке между орбитами Марса Юпитера.

Метеорные тела, пересекая орбиту Земли, могут быть захвачены ее полем тяготения, при этом они либо полностью сгорают в атмосфере (метеоры), либо достигают ее поверхности (метеориты). При столкновении метеорита с поверхностью Земли образуется воронка в форме кратера. Метеориты бывают трех типов: железные, каменные и железо-каменные. Количество метеорных тел, которые могут двигаться как поодиночке, так и " роями" (метеоритный дождь), не поддается исчислению. Число падений метеоритов на Землю, которые удалось наблюдать, больше 700, некоторые из найденных метеоритов имеют достаточно внушительные размеры.

Кометы являются наиболее своеобразными небесными телами, они движутся по сильно вытянутым орбитам и могут удаляться от Солнца на расстояния до одного светового года. Даже самая близкая к Солнцу и самая известная комету Галлея, имеет период обращения около 75 лет, ее мало кому удается увидеть дважды (в марте 1986 г. эта комета находилась всего в 160 млн. км от Земли и была подробно исследована). В строении комет выделяют голову и протяженный хвост (шлейф). Голова содержит небольшое плотное ядро, имеющее размеры до нескольких километров и состоящее из каменных и металлических образований, это ядро заключено в оболочку из смеси льда и пыли. При прохождении вблизи Солнца вещество оболочки испаряется, образуя хвост, который всегда направлен от Солнца. Протяженность хвоста кометы может достигать десятков млн. км, чем ближе комета к Солнцу, тем длиннее и ярче ее хвост.

Краткаяхарактеристика планет солнечной системы. Восемь планет солнечной системы образуют две существенно отличающиеся друг от друга группы – по 4 планеты в каждой группе. Ближайшие к Солнцу планеты по своим свойствам (размеры, плотность и химический состав вещества, наличие твердой коры и др.) похожи на Землю и поэтому их называют планетами земной группы. Основные общие свойства этих планет – сравнительно малые размеры и высокая плотность вещества. Кроме того, эти планеты близки по химическому составу и особенностям рельефа поверхности. Рассмотрим некоторые особенности планет земной группы.

Меркурий. Период вращения Меркурия вокруг оси (звездные сутки) на треть короче его года. В связи с этим продолжительность меркурианских суток, составляющая 176 земных, вдвое больше года (88 земных суток), так что восход Солнца на Меркурии наблюдатель смог бы увидеть только один раз в два года. Наклон экватора к орбите планеты составляет всего 2 градуса, поэтому «климат» в обоих полушариях планеты одинаков. Поверхность Меркурия изрыта многочисленными кратерами, его ландшафт весьма похож ландшафт Луны. Из-за малой силы тяжести на Меркурии практически нет атмосферы. По этой причине (а также из-за близости Солнца) перепад температур на поверхности планеты очень велик – от +420 до -200 градусов по Цельсию. Высокая средняя плотность вещества Меркурия (5, 43 г/см³) говорит о том, что эта планета имеет железное ядро.

Венера. Период орбитального движения Венеры составляет около 225 земных суток, а ее орбита почти не отличается от окружности (эксцентриситет составляет всего 0, 007). По своим размерам и массе Венера, являющаяся ближайшей к нам планетой, также очень похожа не Землю. Но во многих других отношениях Венера существенно отличается и от Земли, и от других планет солнечной системы. Вокруг своей оси, которая, как и у Меркурия, почти перпендикулярна плоскости солнечного экватора, Венера вращается очень медленно и, в отличие большинства других планет, в обратном направлении. Другим существенным отличием Венеры является наличие очень плотной (давление на поверхности почти в 100 раз больше, чем на Земле) газовой оболочки, содержащей 96% углекислого газа и 4% азота.

Солнце освещает поверхность Венеры лишь вдвое сильнее, чем Землю, кроме того, существенная часть солнечной энергии отражается сплошным облачным покровом, состоящим из мелких капелек серной кислоты. Тем не менее, температура на поверхности Венеры в любой ее точке составляет около 480^оС (при такой температуре ночью грунт начинает светиться темно-оранжевым светом). Столь высокая величина температуры объясняется парниковым эффектом (поверхность планеты укрыта слоем СО₂, как грядки в парнике – полиэтиленовой пленкой), а отсутствие перепада температуры по поверхности связано как с высокой теплопроводностью плотной атмосферы, так и с конвекционными явлениями в атмосфере. В верхних слоях атмосферы скорость непрерывно дующего ветра столь велика, что облететь Венеру на воздушном шаре можно было бы меньше, чем за неделю.

Марс. На поверхности Марса, хорошо различимой сквозь разреженную атмосферу, в телескоп можно увидеть белые полярные шапки, светлые оранжевые пятна, очертаниями похожие на материки, темный экваториальный пояс и похожие на моря отдельные темные пятна. Марсианские сутки лишь на 40 минут продолжительнее земных, а угол между осью вращения и нормалью к плоскости орбиты, составляющий около 25°, почти такой же, как у Земли. Поэтому очень долгое время свои надежды обнаружить внеземную жизнь земляне связывали именно с Марсом.

Сила тяжести на Марсе точно такая же, как на Меркурии, но атмосфера во много раз более плотная, что связано с тем, что Марс, в отличие от Меркурия, очень холодная планета. В марсианской атмосфере, плотность которой соизмерима с плотностью земной стратосферы, содержится 95% углекислого газа, 2, 5% азота, 1, 6% аргона, в незначительном количестве присутствуют пары воды. Лишь вблизи экватора летом в околополуденное время температура на поверхности Марса достигает небольших плюсовых значений (5 – 10 градусов), после захода Солнца поверхность быстро остывает до – 50^о С, а зимой морозы достигают – 120^о С.

Жидкой воды (морей, рек, озер и т.п.) на поверхности Марса нет и быть не может – слишком низки значения давления и температуры. Лед, а также твердая углекислота содержатся в полярных шапках и, возможно, в глубине марсианских песков. Однако изучение рельефа поверхности показало, что когда-то на Марсе существовали весьма полноводные и бурные реки, в сравнении с которыми даже Волга могла бы показаться заурядной речушкой.

В 1877 г. у Марса были обнаружены два спутника – Фобос и Деймос, их максимальные размер составляют соответственно 22 км и 13 км. Спутники получили имена сыновей греческого бога войны Ареса (у римлян – Марс), в переводе эти имена означают Страх и Ужас.

Планеты-гиганты. Газовые гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун), составляющие вторую группу планет в солнечной системе, имеет существенно большие размеры, чем планеты земной группы, поэтому их чаще всего называют планетами-гигантами. По своему химическому составу, который, как полагают, соответствует составу межзвездной среды 5 млрд. лет назад, эти планеты гораздо ближе к Солнцу, чем к планетам земной группы. Средняя плотность вещества планет-гигантов лежит в пределах (0, 7... 1, 5) г/см³, что существенно меньше, чем у планет земной группы. Атмосфера любой из газовых планет является непрерывным продолжением ее «тела», эти планеты не имеют твердых оболочек, соответственно нет и резкой границы между атмосферой и телом планеты.

Еще одним существенным отличительным признаком планет-гигантов является большое количество спутников у каждой из них: у Юпитера – 16 спутников, у Сатурна – 30, у Урана – 20, у Нептуна – 8. Приведенное число спутников соответствует данным на начало 3-го тысячелетия, время от времени обнаруживаются (и еще будут обнаруживаться) новые, все более мелкие спутники. Некоторые из спутников планет-гигантов, такие как Каллисто и Ганимед у Юпитера, Титан у Сатурна, имеют весьма внушительные размеры, соизмеримые с размерами Марса. В отличие самих газовых планет их спутники имеют твердую поверхность, Чаще всего эта поверхность закована в ледяной панцирь многокилометровой толщины.

Планеты-гиганты – это очень холодные планеты, температура их облачных слоев оценивается величинами от -120^оС у Юпитера до -220^оС у Нептуна. По орбитам вокруг этих планет обращаются не только спутники, в экваториальной плоскости каждой из них движется неисчислимое множество малоразмерных тел, образующих своеобразные кольца. Наиболее известны кольца Сатурна – их можно увидеть в любительский телескоп. Кольцо Юпитера состоит из пылинок с размерами не более 100 мкм, это кольцо прозрачнее стекла и увидеть его удается лишь с очень близкого расстояния. Кольца Урана и Нептуна можно разглядеть с Земли, но подробно изучить их удалось лишь с помощью межпланетных зондов.

Юпитер – самая крупная из планет-гигантов, его масса примерно в 2, 5 раза превышает суммарную массу всех других планет солнечной системы. Сильное гравитационное поле Юпитера (сила тяжести на «поверхности» Юпитера в 2, 5 раза больше, чем на Земле) играет роль своеобразного щита для других планет, снижая интенсивность их бомбардировки астероидами и метеорными телами. Недра Юпитера находятся в жидком состоянии, за исключением, как полагают, небольшого ядра из металлического водорода.

Сатурн, являющийся второй по величине планетой солнечной системы, во многих отношениях похож на Юпитер. Однако, плотность вещества Сатурна почти вдвое меньше, чем у Юпитера, что говорит о более высоком содержании водорода. Сатурн знаменит главным образом своими кольцами. В настоящее время обнаружено, что колец у Сатурна огромное множество, и что их толщина весьма мала – порядка 1 км, в то время как диаметр внешних колец составляет около 140 000 км.

Уран был открыт английским астрономом-любителем У. Гершелем, (хотя он и принял обнаруженное пятнышко сначала за комету). Удивительно, но он же через 6 лет обнаружил и первые два спутника этой новой планеты. Уникальная особенность Урана заключается в том, что он «лежит на боку» - ось его вращения расположена почти в плоскости орбиты. Поэтому экватор делит почти всю поверхность Урана на две полярные области, даже на широте 30^о полярные день и ночь там длятся по 14 лет (одну шестую часть года на Уране.). Уран всего в 4 раза больше Земли, но его, как и схожий с ним по своим размерам Нептун, относят к планетам-гигантам, т.к. по своей структуре, по химическому составу и по плотности вещества эти планеты существенно ближе к Юпитеру и Сатурну, чем к планетам земной группы.

10. Земля – уникальная планета солнечной системы.

Краткая характеристика планеты Земля. Географические координаты. Уникальность Земли в семействе планет солнечной системы в первую очередь связана с тем, что только на нашей планете существует жизнь. Шансы обнаружить хотя бы простейшие формы жизни на соседних планетах (даже на Марсе) большинством ученых оцениваются как близкие к нулю. Другие уникальные особенности Земли (наличие атмосферы с высоким содержанием кислорода, наличие океана, занимающего 70% поверхности планеты, высокая тектоническая активность, сильное магнитное поле и др.) так или иначе связаны с наличием жизни: они либо способствовали ее возникновению, либо являются следствиями жизнедеятельности.

Шарообразность Земли (а о том, что Земля представляет собой шар, знали еще древние греки) предопределяет выделение в ее строении концентрических оболочек. Впервые такой подход к изучению нашей планеты предложил австрийский геолог Э. Зюсс, он же предложил называть эти оболочки геосферами. Реальная форма Земли несколько отличается от сферической и при строгом математическом моделировании ее формы чаще всего используют такие понятия как эллипсоид и геоид. Геоид (что означает землеподобный) – это наиболее точная модель Земли, он представляет собой уникальное геометрическое тело, поверхность которого совпадает с поверхностью среднего уровня спокойной воды в океане, мысленно продолженной под материками так, что отвесная линия в любой точке пересекает эту поверхность под прямым углом. Поверхности эллипсоида и геоида не совпадают, расхождение между ними может достигать ±160 м. Относительно поверхности геоида измеряют высоты и глубины точек реальной поверхности Земли. Максимальную высоту (8848 м) имеет Эверест, а наибольшую глубину (11022 м) – Марианский желоб в Тихом океане. Экваториальный радиус Земли составляет 6375, 75 км, полярные же радиусы неодинаковы: северный на 30 метров больше южного и равен 6355, 39 км, (соответственно, южный - 6355, 36 км).

Ось вращения Земли, проходящая через полюса и центр планеты, наклонена к плоскости ее орбиты на угол 66°33'22". Именно эта величина определяет продолжительность дня и ночи на разных широтах и существенно влияет на тепловые (климатические) характеристики различных поясов Земного шара. Один оборот вокруг своей оси Земля совершает за 23 ч 56 мин 4 с, этот промежуток времени называют звездными сутками, а сутки, в которых ровно 24 часа, называют средними или солнечными сутками.

Единственный спутник Земли Луна имеет размеры, близкие к размерам Меркурия, ее диаметр составляет 3476 км., а средний радиус орбиты – 384, 4 тыс. км. Орбита Луны наклонена к орбите Земли на 5 градусов. Период вращения Луны вокруг своей оси абсолютно совпадает с периодом ее обращения вокруг Земли, поэтому с Земли можно видеть только одно лунное полушарие.

Линии сечения земного шара плоскостями, параллельными экваториальной, называют параллелями, а линии сечения плоскостями, проходящими через ось вращения Земли – меридианами. Каждой параллели соответствует своя широта (северная или южная), а каждому меридиану – своя долгота (западная или восточная). Совокупность параллелей и меридианов называют географической сеткой, с ее помощью определяют географические координаты любой точки на поверхности Земли.

Географическая широта произвольной точки – это угол между плоскостью экватора и проходящей через эту точку нормалью (отвесной линией), широта изменяется от нуля (на экваторе) до 90 градусов. Долгота – это угол между меридиональной плоскостью данной точки и плоскостью некоторого меридиана, условно принятого за начальный (такой начальный меридиан проходит через Гринвичскую астрономическую обсерваторию^* и называется Гринвичским). Долгота изменяется в пределах от нуля до 180°, меридиан, которому соответствует широта 180°, является линией смены дат.

Для удобства отсчета времени и временной координации деятельности людей поверхность Земли разделена (в первом приближении по меридианам) на 24 часовых пояса. Применять для отсчета времени систему часовых поясов предложил канадский инженер Флемингв 1879 г., сегодня этой системой пользуется весь мир. Изменению времени на 1 час должно соответствовать изменение долготы на 15°, однако границы часовых поясов строго совпадают с меридианами лишь в мировом океане, на суше смежные часовые пояса разделяют, как правило, не меридианы, а какие-либо близкие к ним (а иногда и не очень близкие) административные границы.

Наклон земной оси к плоскости эклиптики, как уже отмечалось, определяет широтные границы климатических зон (поясов). Центральный пояс земной поверхности, границами которого являются северный и южный тропики, называют тропическим, широта каждого тропика – 23° 26' 38''. В тропическом поясе Солнце два раза в год в полдень проходит через зенит, а на широте тропиков оно бывает в зените только один раз: в полдень 21 июня на северном тропике и 22 декабря - на южном.

Географические параллели, которым соответствует широта 66° 33' 22'' называют полярными кругами, область между полюсом и полярным кругом называют полярным поясом. Только за полярным кругом (т.е в более высокоширотной области) имеют место такие явления как полярный день и полярная ночь. Между полярным кругом и тропиком в каждом полушарии расположен умеренный пояс (область умеренного климата).

Строение Земли. Внешние и внутренние геосферы. К внешним геосферам принято относить атмосферу, гидросферу и биосферу, хотя последнюю из них следовало бы рассматривать как промежуточную оболочку, так как она включает в себя гидросферу и те области атмосферы и земной коры (а это уже внутренняя оболочка), в пределах которых существует органическая жизнь. Иногда в качестве внешней геосферы рассматривают магнитосферу, что также не вполне оправданно, так как магнитной поле присутствует в любой из геосфер.

Атмосфера. Атмосфера Земли представляет собой смесь газов, в ее нижних слоях содержатся также влага и пылевые частицы. В сухом очищенном воздухе вблизи поверхности Земли содержится азота примерно 78 % азота, чуть меньше 21 % кислорода и около 1 % аргона. На долю углекислого газа приходится примерно 0, 03 %, а на долю всех остальных газов (водород, озон, инертные газы и др.) – около 0, 01 %. Состав атмосферы практически не меняется вплоть до высот порядка 100 км. На уровне моря при нормальном давлении (1 атм = 1, 033 кг/см² = 1, 013 10⁵ Па) плотность сухого воздуха составляет 1, 293 кг/м³, но при удалении от поверхности Земли плотность воздушной массы и связанное с ней давление быстро уменьшаются. Атмосфера непрерывно увлажняется за счет испарений воды с поверхности водоемов. Концентрация паров воды уменьшается с увеличением высоты быстрее, чем концентрация газов – 90 % влаги сосредоточено в нижнем пятикилометровом слое.

С изменением высоты меняются не только плотность, давление и температура воздуха, но и другие физические параметры атмосферы, а на больших высотах меняется и ее состав. Поэтому в атмосфере принято выделять несколько сферических оболочек с разными физическими свойствами. Основные из них – это тропосфера, стратосфера и ионосфера. Высотную протяженность (толщину) той или иной сферической оболочки Земли (это относится и к внутренним оболочкам) часто называют ее мощностью.

Тропосфера содержит около 80 % всей воздушной массы, ее мощность составляет 8…12 км в средних широтах, а над экватором – до 17 км. С увеличением высоты температура воздуха в пределах тропосферы непрерывно понижается вплоть до значений порядка -85°С (скорость понижения температуры составляет примерно 6 градусов на километр). Вследствие неравномерного прогрева поверхности земного шара тропосферные массы воздуха находятся в непрерывном движении, перенося не только тепло, но и влагу, пыль и всевозможные выбросы. Именно эти явления в тропосфере в первую очередь формируют погоду и климат на Земле.

Над тропосферой до высот порядка 50…55 км простирается стратосфера. В пределах этого слоя имеет место повышение температуры с увеличением высоты, на верхней границе стратосферы температура близка к нулю. В стратосфере практически отсутствует водяной пар. На высотах от 20 до 40 км расположена т.н. озоносфера, т.е. слой с повышенным содержанием озона. Этот слой часто называют щитом планеты, так как в нем почти полностью поглощается губительное для всего живого на Земле жесткое (коротковолновое) ультрафиолетовое излучение Солнца.

В промежутке между высотами 55 и 80 км расположен слой, в котором температура с высотой вновь уменьшается. У верхней границы этого слоя, который называют мезосферой, температура составляет примерно -80°С. За мезосферой вплоть до высот порядка 800…1300 км располагается ионосфера (иногда этот слой называют также термосферой, т.к. температура в этом слое с увеличением высоты непрерывно повышается).

Гидросфера. В составе гидросферы выделяют четыре вида вод: океаносферу, т. е. соленые воды морей и океанов (86, 5 % массы), пресные воды суши (реки и озера), подземные воды и ледники. 97 % вод океаносферы сосредоточено в Мировом океане, являющемся не только основным хранилищем воды, но и основным аккумулятором тепла на нашей планете. Благодаря океану на Земле зародилась жизнь, образовалась и сохраняется кислородная атмосфера, океан поддерживает на низком уровне содержание в атмосфере углекислого газа, предохраняя планету от парникового эффекта (океан в существенно более высокой степени, нежели наземная растительность, выполняет функции " легких" нашей планеты).

В целом мировой океан, средняя глубина которого около 3, 6 км, является холодным, только 8% воды теплее 10^оС. Давление в толще воды растет с увеличением глубины со скоростью 0, 1 ат/м. Соленость океанских вод, среднее значение которой составляет около 35 промилле (35 ‰) неодинакова (от 6…8 ‰ в поверхностных водах Балтики до 40 ‰ на поверхности Красного моря). В то же время состав и относительное содержание различных солей повсюду неизменны, что свидетельствует об устойчивости динамического равновесия между растворением веществ, попадающих в океан с суши, и их осаждением.

Удельная теплоемкость воды примерно в 4 раза больше, чем воздуха, однако из-за огромной разницы в плотности (почти в 800 раз) 1 кубический метр воды, охлаждаясь на 1 градус, способен нагреть на 1 градус более 3000 кубометров воздуха. В умеренных и высоких широтах воды Мирового океана летом накапливают тепло, а зимой отдают его в атмосферу, именно поэтому в приморских районах климат всегда мягче, чем в глубине континентов. В экваториальных широтах вода нагревается круглый год, и это тепло переносится океанскими течениями в высокоширотные области, холодные же воды, захватываясь глубинными противотечениями, возвращаются в тропики. Помимо течений и противотечений, океанские воды перемещаются и перемешиваются за счет приливов и отливов, а также волн другой природы, среди которых выделяют ветровые волны, барические волны и цунами.

Биосфера. Наличие гидросферы и атмосферы с высоким содержанием кислорода существенно отличает нашу планету от всех других, входящих в солнечную систему. Но главное отличие Земли состоит в наличии на ней живого вещества – растительности и животного мира. Термин биосфера ввел в научный оборот уже упоминавшийся Э. Зюсс.

Биосфера охватывает все пространство, где существует живое вещество – нижнюю часть атмосферы, всю гидросферу и верхние горизонты земной коры. Масса живого вещества, составляющая примерно 2, 4·10¹⁵ кг, ничтожно мала в сравнении даже с массой атмосферы (5, 15·10¹⁸ кг), однако по степени воздействия на систему под названием Земля, эта оболочка существенно превосходит все другие.

Основу живого вещества составляет углерод, дающий бесконечное множество разнообразных химических соединений. Кроме него в состав живого вещества входят кислород, водород и азот, остальные химические элементы встречаются в незначительных количествах, хотя их роль в жизнеобеспечении тех или иных организмов может быть исключительно важной. Основная масса живого вещества сосредоточена в зеленых растения. Процесс естественного построения органических веществ с использованием солнечной энергии – фотосинтез – вовлекает в годовой кругооборот огромные массы углекислоты (3, 6·10¹⁴ кг) и воды (1, 5·10¹⁴ кг), при этом выделяется 2, 66·10¹⁴ кг свободного кислорода. С химической точки зрения фотосинтез является окислительно-восстановительной реакцией:

СО₂ + Н₂О → СН₂О + О₂.

По способу питания и отношению к внешней среде живые организмы делятся на автотрофные и гетеротрофные. Последние питаются другими организмами и их остатками, а пищей для автотрофных организмов являются минеральные (неорганические) вещества. Большинство организмов относятся к аэробным, т. е. способны существовать только в среде, содержащей воздух (кислород). Меньшая часть (в основном это микроорганизмы) относится к анаэробным, обитающим в бескислородной среде.

При гибели живых организмов происходит процесс, обратный фотосинтезу, органические вещества разлагаются путем окисления. Процессы образования и разложения органики находятся в динамическом равновесии, благодаря чему общее количество биомассы практически не меняется со времен зарождения жизни на Земле.

Влияние биосферы на процессы геологической эволюции Земли было подробно проанализировано выдающимся российским ученым академиком В.И. Вернадским. В течение более чем трех миллиардов лет живое вещество поглощало и трансформировало энергию Солнца. Значительная часть этой энергии законсервирована в залежах полезных ископаемых органического происхождения, другая часть использована в процессах формирования различных горных пород, накопления солей в мировом океане, накопления кислорода, содержащегося в атмосфере, а также растворенного в океанской воде и входящего в состав горных пород. Вернадский первым указал на ведущую роль биосферы в формировании химического состава атмосферы, гидросферы и литосферы, обусловленную необычайно высокой геохимической активностью живого вещества.

Жизнь на Земле существует в огромном множестве форм, однако все эти формы существуют не автономно, а связаны сложными взаимоотношениями в единый непрерывно развивающийся гигантский комплекс.

Внутренние геосферы – это оболочки в твердом теле Земли. В нем можно выделить три крупные области (главные внутренние оболочки): центральную – ядро, промежуточную – мантию и наружную – земную кору. Углубиться в недра Земли с целью непосредственного их изучения удалось пока лишь на глубину чуть более 12 км, такая сверхглубокая скважина была пробурена в нашей стране (на Кольском полуострове). Но 12 км – это менее 0, 2 % земного радиуса. Поэтому с помощью глубокого и сверхглубокого бурения можно получить данные о строении, составе и параметрах земных недр лишь в пределах верхних горизонтов коры.

Информацию о глубинных участках, в том числе и о поверхностях, разделяющих различные внутренние оболочки, геофизики получают, анализируя и обобщая результаты многочисленных сейсмических (от греч. «сейсмос» - колебание, землетрясение) исследований. Суть этих исследований (в упрощенном виде) заключается в том, что по результатам измерения времени прохождения сейсмической волны между двумя точками на поверхности (или внутри) земного шара, можно определить ее скорость, а по величине скорости волны – параметры среды, в которой она распространялась.

Земной корой называют верхнюю каменную оболочку, мощность которой в различных участках составляет от 6 - 7 км (под глубокими океаническими впадинами) до 70 – 80 км под Гималаями и Андами. Можно сказать, что нижняя поверхность земной коры является своеобразным «зеркальным отражением» наружной поверхности твердого тела Земли. Эту поверхность – границу раздела между корой и мантией – называют раздел Мохоровича.

В химическом составе земной коры преобладают кремний и алюминий, отсюда происходит условное название этой оболочки – " сиал". Строение земной коры отличается большой сложностью, проявлением которой являются отчетливо выраженные вертикальные и горизонтальные неоднородности. В вертикальном направлении в пределах земной коры традиционно выделяют три слоя – осадочный, гранитный и базальтовый. Породы, образующие эти слои, различны по составу и происхождению.

Мантия расположена между ядром и земной корой, поверхность, разделяющую мантию и ядро, называют раздел Вихерта-Гутенберга. Это промежуточная и самая крупная оболочка Земли, она простирается до глубин порядка 2900 км. Масса мантии составляет около 2/3 всей массы планеты. На границе земной коры и мантии температура может превышать 1000^оС, а давление 2000 МПа. В этих условиях вещество мантии может переходить из кристаллического состояния в аморфное (стекловидное) состояние. О химическом составе вещества мантии судить значительно сложнее, тем не менее эту оболочку называют " сима ". Это означает, что преобладающими элементами в составе мантии (по крайней мере, в составе верхней мантии), являются кремний и магний.

Ядро – это центральная и наиболее плотная оболочка Земли, ее радиус составляет 3470 км. На границе Вихерта-Гутенберга поперечные волны пропадают, это позволяет сделать вывод о том, что наружная часть ядра находится в жидком состоянии. В пределах внутренней части ядра (его радиус примерно 1250 км) скорость продольных волн снова возрастает, и вещество, как полагают, снова переходит в твердое состояние. Химический состав внешнего и внутреннего ядра приблизительно одинаков, преобладают железо и никель, отсюда условное название этой оболочки – " нифе ".

Физические поля Земли. Описание строения нашей планеты будет неполным, если не рассмотреть ее физические поля, в первую очередь, гравитационное и магнитное поля. Понятие «поле» используют в тех случаях, когда каждой точке в определенной области пространства можно сопоставить значение некоторой физической величины. В этом смысле можно говорить о поле температур (тепловом поле), поле скоростей, поле сил и т. п. В соответствии с характером физической величины поля подразделяют на векторные и скалярные.

Гравитационное поле Земли. Установленный И. Ньютоном закон всемирного тяготения выражается формулой

F_т = GMm/r²,

где F_т - сила тяготения, М и m - массы взаимодействующих тел, r - расстояние между центрами тяжести этих тел, G = 6, 673·10^-11 м³с^-2кг^-1 - гравитационная постоянная.

Описывая гравитационное взаимодействие какого-либо малого тела, обладающего массой m, с большим небесным телом (например, с Землей), закон тяготения удобно записать в виде:

F_т = lm/r²,

где l = GM – постоянная тяготения рассматриваемого небесного тела. В случае Земли эта постоянная имеет величину около 4·10¹⁴ м³с^-2.

Если малое тело (тяготеющая точка) находится в непосредственной близости над поверхностью небесного тела, силу притяжения определяют как

F_т =gm,

где g = l/r² - ускорение свободно падающего тела. В случае Земли, как известно, g = 9, 8 м/с².

Отметим, что при необходимости определять силу тяготения с большой точностью нужно учитывать зависимости величины g от координат точки, в которой определяется эта сила. В предположении однородного распределения массы по объему Земли силу тяжести в любой заданной точке можно рассчитать. Имеющиеся на практике отклонения фактических (измеренных) значений ускорения g от расчетных (т. н. гравитационные аномалии) обусловлены в первую очередь неравномерностью распределения масс. Тщательное изучение гравитационного поля Земли позволяет не только выявлять крупные тектонические нарушения, но и вести поиски месторождений полезных ископаемых.

Магнитное поле Земли. О том, что Земля обладает магнитными свойствами, известно с давних времен. Достаточно сказать, что история непосредственных магнитных измерений на земном шаре насчитывает более 400 лет (результаты экспериментальных исследований “большого магнита - Земли” были опубликованы английским естествоиспытателем У. Гильбертом в 1600 г.). Наша планета действительно представляет собой большой магнит, форма современного магнитного поля Земли близка к той, которая была бы создана магнитным диполем, помещенным в ядре.

Любая земная порода в момент своего образования под действием геомагнитного поля приобретает намагниченность, которая сохраняется до тех пор, пока эта порода не будет разогрета до температур, превышающих температуру Кюри. Изучая естественную остаточную намагниченность пород, возраст которых известен, можно узнать о пространственном распределении и временных изменениях геомагнитного поля в прошлом. Можно сказать, что информация об эволюции геомагнитного поля в буквальном смысле «записана» в земных недрах. Роль магнитного носителя лучше всего выполняют магматические породы, извергавшиеся из вулканов при высокой температуре (выше температуры Кюри для содержащихся в этих породах ферромагнитных материалов). Одним из важнейших результатов подобных палеомагнитных исследований является открытие т. н. инверсий геомагнитного поля (иногда используется термин «реверсия»), т. е. изменения направления магнитного момента Земли на противоположное.

Магнитные полюса нашей планеты не совпадают с географическими и с течением времени могут изменять свое положение. Последние 100 лет, как показывают наблюдения, северный магнитный полюс перемещается в восточном направлении (с севера Канады через Северный Ледовитый океан к Сибири), его перемещение составило уже около 1000 км. Пока не вполне ясно, что это – начало очередной инверсии, или часть нормальной осцилляции, после которой полюс вернется на свое привычное место.

Тепловое поле Земли. Планета Земля находится в термодинамическом равновесии с окружающей средой, она одновременно и поглощает, и излучает примерно равные количества тепла. Главным источником внешней энергии для Земли является Солнце. Среднее значение плотности потока солнечной энергии над атмосферой Земли составляет примерно 0, 14 Вт/см². Почти половина падающей энергии (порядка 45%) отражается в мировое пространство, остальная энергия аккумулируется атмосферой, водой, почвой и зелеными растениями. Преобразуясь в тепло, энергия солнечной радиации приводит в движение массы атмосферного воздуха и огромные массы воды в мировом океане.

Определенный вклад в создание теплового поля Земли вносят и внутренние источники. Этих источников достаточно много, но к основным следует отнести только три: распад радиоактивных элементов, плотностная (гравитационная) дифференциация вещества и приливное трение.

Скалярное тепловое поле Земли имеет достаточно сложное строение. В верхнем слое земной коры (до 30 – 40 м) сказывается влияние прогрева поверхности солнечными лучами, поэтому этот слой называют гелиотермической зоной. Температура в этой зоне периодически изменяется в течение суток и в течение года. Чем больше период колебаний поверхностной температуры, тем глубже эти колебания проникают в земные недра, но в любом случае амплитуда колебаний температуры экспоненциально уменьшается с увеличением глубины.

Температурный режим нижней зоны земной коры, называемой геотермической зоной, определяется внутренним теплом. В этой зоне с увеличением глубины температура повышается, скорость ее изменения различна в разных участках поверхности земного шара, что связано как с различной теплопроводностью пород, так и с неравномерностью теплового потока, идущего их земных недр.

Между гелиотермической и геотермической зонами проходит пояс постоянных температур, в пределах которого среднегодовая температура, соответствующая тому или иному региону, примерно постоянна. Глубина залегания этого пояса зависит от теплофизических свойств пород и от широты местности (увеличивается с повышением широты). Если среднегодовая температура какой-то области отрицательна, то атмосферные осадки, просачивающиеся в недра, превращаются в лед, в этих условиях образуется т.н. вечная мерзлота. В зонах вечной мерзлоты, общая площадь которых составляет около четверти всей твердой поверхности нашей планеты, верхний слой почвы оттаивает в летнее время на глубину от нескольких сантиметров до 3 - 4 метров.

Развитие отечественной и мировой экономики пока базируется на росте энергопотребления. В ХХ веке население Земли увеличилось в 2, 2 раза, а потребление энергии – в 8, 5 раз. В условиях надвигающегося энергетического кризиса солнечная энергия, а также тепловая энергия земных недр могут и должны составить конкуренцию традиционным источникам энергии (нефть, газ, уголь, ядерное топливо).