Астрономические наблюдения, а так же измерения из космоса и непосредственные геодезические измерения на поверхности Земли позволили определить форму, размеры нашей планеты, её массу, гравитационное, магнитное поле. Величину теплового потока, идущего из недр и ряд физических свойств земной поверхности. Средний радиус Земли R=6371,11 км, при этом экваториальный RЭ=6378,86 км, а полярный Rп=6356,78 км. Экваториальное вздутие и полярное сжатие воздуха из-за вращения Земли вокруг своей оси и её наклона. Масса Земли составляет 5,976*10 9 трлн. т. Объём Земли 1,083*10 27 см 3.
Форма Земли близка к шару, такую форму называют сфероидной, но поверхность Земли неровная и уложена глубокими океаническими впадинами и высокими горными системами на материках. Поэтому истинную форму Земли называют Геоидом.
Длина земного меридиана – 40008,548 км, длина экватора – 40075,704 км.
В настоящее время пробурена скважина до глубины 15-16 км (США), т.е. мы имеем представление о разрезе Земли до глубины 16 км.
О строении Земля глубже 16 км мы можем получить сведения по данным сейсморазведки.
Как видно из рисунка наибольшую мощность имеет Ядро Земли, имеющее силикатный состав с большим содержанием железа. Мощность достигает до 12 г/см 3, температура ядра в пределах 2000-2500 С о, а давление до 3 млн. атмосфер.
Промежуточная оболочка имеет плотность 5,3-6,5 г/см 3 и состоит из кремния (Si), Fe. Mg, Ni.
Мантия Земли - состоит из ультраосновных горных пород (пироксенит и дунит), где содержание кремния меньше 40%.
Плотность массы 3,3 – 4,5 г/см 3 .Здесь преобладают кремний и магний. В Верхней части мантии содержатся расплавленные массы. Здесь зарождаются вулканические явления, горообразовательные процессы и сейсмические явления.
Литосфера – до глубины 50-70 км от поверхности Земли. Литосферу часто называют «Земной коры» и разделяют на гранитную и базальтовую оболочки. С поверхности Земли литосфера представлена из небольшой по мощности толще осадочных пород. Химический состав литосферы ( до глубины 16 км по А.П. Виноградову) следующий:
- Кислород – 46,8%
- Кремний – 27,3%
- Алюминий – 8,7%
- Железо – 5,1%
- Кальций – 3,6%
- Натрий – 2,6%
- Калий – 2,6%
- Магний – 2,1%
- Прочие – 1,2%
Гидросфера – не образует сплошного слоя и покрывает Земную поверхность на 70,8%. Наибольшая глубина – 11521м - Марианская впадина (Тихий океан). Максимальная температура воды 35,6 С о , минимальная –2,8 С о, солёность (средняя) 35 г/л.
Атмосфера – или газовая оболочка окружает Землю слоем в 3000 км и делится на:
А) Тропосфера – приземной слой атмосферы. До 6-18 км (азот – 75,5%, кислород – 23,3%)
Б) Стратосфера – до высоты 80-90 км на высоте 30-55 км имеется азотный слой.
В) Ионосфера – межпланетное пространство.
Строение поверхности Земли
Высочайшей горой на Земле называют Эверест (Джомолунгма) в Гималаях (8848 м от уровня и 6382260 м от центра Земли). В Эквадоре есть пик Чимборасо – 6384412 м от центра Земли. Глубоководные впадины достигают глубины 7-10 км. Самая глубокая из них Марианская впадина (11034 м) у Филиппин.
Внутренние геосферы и внешние оболочки Земли
Главными внутренними геосферами Земли являются земная кора, мантия и ядро (рис. 4), внешними оболочками – атмосфера, гидросфера и биосфера.
Земная кора. (1% объема и 0,5% массы Земли) По данным сейсмического зондирования, исходя из скоростей прохождения сейсмических волн, выделяют три главные сферы Земли, отделенные одна от другой поверхностями раздела, в которых резко меняются их величины.
Земная кора - твердая верхняя (внешняя) оболочка Земли мощностью 5—20 (12) км под океанами до 30—40 км на равнинах и до 50—75 км в горах. Если принять среднюю мощность земной коры равной 33 км, а плотность— 2,8 г/см3, то масса коры окажется равной 4,7-107 трлн т (0,8 % массы Земли).До недавнего времени этот слой называли сиалью, нижележащие сима. Существует континентальный и океанический типы земной коры. В континентальной коре установлены слои: осадочный от 10-15 км до 40 км (Прикаспийская впадина); гранитный сложен метаморфическими и магматическими породами мощностью 15-20 км (до 40 км); базальтовый – породы основного состава до 20 км, границы между гранитным и базальтовым слоями – поверхность Конрада. Океаническая земная кора характеризуется отсутствием гранитного слоя. Под современными осадками (около 400 м) залегает базальтовый слой.Земная кора состоит из легкоплавких силикатов с преобладанием алюмосиликатов. Больше всего в земной коре кислорода (49,13 %), кремния (26 %) и алюминия (7,45 %). Кислород в земной коре содержится в форме оксидов. Здесь в среднем находится 58 % SiO2; 15 % Аl2Оз, 8 % FеО и FезОз, 6 % СаО, 4 % Мg0 и Nа20, 2,5 % К2О. В горных породах содержатся радиоактивные изотопы урана, тория и калия (максимум в гранитах и минимум в перидотитах и дунитах).
Под земной корой скорость продольных волн возрастает до 8 км/с, поперечных до 4,7 км/с. Сейсмический раздел установлен А. Мохоровичичем и в честь его назван поверхностью Мохо, являясь нижней границей Земной коры.
Модель Гуттенберга - Ядро (16 % объема Земли и 31 % ее массы). Выделяют зоны: Е – внешняя (2900-5000 км), F – переходная (5000-5100 км) и G – внутренняя (5100-6370 км). Внешнее ядро обладает свойствами жидкости, так как поперечные волны в нем не проходят. Внутреннее ядро плотное, температура около 4000°С, давление около 3,5 млн. атм. Основным элементом ядра Земли является никелистое железо – самый распространенный минерал космоса – с примесью кремния и серы.
Внутренние геосферы (оболочки) Земли, выделенные по характеру распространения сейсмических волн (а-модель Гуттенберга-Буллена, б- современные представления)
Мантия Земли (84 % объема и 69 % массы). Нижняя граница (поверхность Гуттенберга) находится на глубине 2900 км. По скорости прохождения сейсмических волн мантия подразделяется на 3 зоны (оболочки): В – верхняя (33-400 км), С – переходная (400-1000 км) и нижняя Д – (1000-2900 км). Верхняя оболочка характеризуется пониженными скоростями волн и называется астеносферой. Твердое вещество мантии содержит значительное количество расплавленного базальта. В ней зарождаются магматические очаги и расположены центры землетрясений. По составу она соответствует каменным метеоритам (как и ультраосновная порода – перидотит). С глубиной в слоях С и Д скорость волн возрастает с 6,5 км/сек до 13,6 км/сек. распространяется до глубины 2900 км от поверхности. Верхняя — слои «В» и «С» до глубины 900 —1000 км, и нижняя — слои «D» и «D1» до 2900 км. Слой «В» - слой Гутенберга, а слой «С» - слой Голицына. Граница между слоями «В» и «С» располагается на глубине около 410 км, скорости сейсмических волн резко возрастают. В слое «В» установлен слой пластичных горных пород (астеносфера). Тут наблюдается понижение скорости сейсмических волн. Вещество вязкое и пластичное. Под континентами находится на глубинах 80 — 250 км, а под океанами — 50—400 км.
Твердый надастеносферный слой мантии вместе с земной корой называется литосферой. Ниже астеносферы скорость продольных волн возрастает.
Слой «С» отделяется от нижней мантии границей на глубине 1000 км, где рост скоростей распространения сейсмических волн с глубиной резко замедляется. В нижней мантии скорости поперечных волн хотя и продолжают расти, но значительно медленнее, чем в слое «С» верхней мантии, достигая на глубинах 2700—2900 км 13,6 км/с. На глубине 2900 км новый раздел, который отделяет мантию от ядра. Скорости продольных волн скачкообразно падают с 13,6 км/с в основании мантии до 8,1 км/с в ядре.
Ядро Земли. В нем выделяют внешнее, переходное и внутреннее ядра. Внешнее ядро - на глубине от 2900 до 4980 км, переходное — до 5120 км, а внутреннее ниже 5120 км. Т.о., наша планета характеризуется значительной химической дифференциацией вещества, различается мощная силикатно-оксидная оболочка (земная кора и мантия) и металлическое ядро, большая часть которого находится в жидком состоянии.
Внешние оболочки Земли
Атмосфера расположена от поверхности Земли на высоту 1300 км, но уже выше 100 км ее количество ничтожно. Основные газы – N, O, Ar, CO2 и пары воды. На высоте 10-15 км существует озоновый слой, предохраняет все живое от губительного ультрафиолетового излучения. Промышленные газы и пыль создают парниковый эффект за счет поглощения значительной части инфракрасного излучения поверхности Земли, нагретой Солнцем. Согласно многочисленным данным, верхнюю границу атмосферы проводят по высоте 700—800 км или даже 900—1000 км, а с учетом экзосферы граница перехода атмосферы в космическое пространство лежит на высоте 2000 — 3000 км. В настоящее время земная атмосфера содержит 5,3-103 трлн т воздуха, но это составляет всего около одной миллионной части массы всей Земли. Атмосфера по своему составу и распределению массы весьма неоднородна.
Плотность воздуха на уровне моря в среднем на 1,3 • 10~3 г/см3. С высотой плотность воздуха быстро убывает, так что 2/4 ее массы приходится на нижние 10 км. По вещественному составу, температуре и характеру воздушных течений в ней выделяют несколько слоев. Разделяющие их границы носят название пауз. По резкой смене температур выделяются тропопауза, стратопауза, мезопауза, экзопауза (рис. 3.2). Они выполняют запрещающие и разрешающие функции. Паузы являются не строго определенными границами раздела. В них неоднократно возникают разрывы, через которые происходит обмен веществом и энергией между соседними слоями.
Тропосфера. В тропосфере сосредоточено около 90 % массы атмосферы. В ней формируются погода и климат, возникают мощные воздушные течения, циклоны и антициклоны. Сухой воздух состоит из 78,08 % азота, 20,95 % кислорода, 0,93 % аргона, 0,03 % углекислого газа и малых количеств благородных газов и водорода. Пары воды и облачность вместе с углекислым газом влияют на потоки коротко- и длинноволнового излучения и вносят большой вклад в создание парникового эффекта. Это означает способность атмосферы пропускать солнечную радиацию до подстилающей поверхности, но поглощать собственное тепловое излучение подстилающей поверхности и нижележащих тропосферных слоев.
Схематический разрез атмосферы:
/ — верхняя граница литосферы (о — суша, б — океан); 2 — серебристые облака; 3 — перламутровые облака; 4 — ярусы облачности в тропосфере; 5 — полярные сияния 6— температурная кривая; 7—слой распространения озона; 8 — слой наибольшей концентрации озон (озоновый слой)
От земной поверхности температура медленно понижается и на высоте 10 —12 км составляет от —60 до —70 "С. На уровне стратопаузы на высоте от 15 до 18 км температуры стабилизируются.
Стратосфера. В стратосфере до высоты около 40 км температура воздуха от —40 до —50 "С, затем возрастает, достигая +15 °С. В настоящее время в стратосфере обнаружена активная вертикальная циркуляция воздуха, приводящая к перемешиванию воздуха до порядка 30—40 км. Преобладающее направление в стратосфере — восточное в отличие от западного в тропосфере. Характерно наличие озонового слоя. Он распространен на высоте от 17 до 30 км. Благодаря озоновому слою часть ультрафиолетового излучения задерживается.
Мезосфера. Ее газовый состав, в котором преобладают азот и кислород, весьма устойчив. Температура от нижней границы к вновь понижается, достигая значений от -70 до —90 °С. У границы образуются так серебристые облака (скопления мельчайших кристалликов льда).
Термосфера. Это наиболее разреженный слой, для которого характерны повышенная ионизация входящих в ее состав газов, а также существенное повышение температуры (от —90 °С на высоте 80 км до 400 °С и более на высоте 200 км). Среднее содержание водяного пара в атмосфере составляет около 2,6 % (об.). Для средних широт оно равно 1,3 % летом и 0,4 % зимой. Кроме того, незагрязненная атмосфера, помимо пыли (0,02 мг/м3), содержит сернистый ангидрид (80;), оксид углерода (СО), оксид азота (N0), а также ряд соединений и бактерий.
Гидросфера (водная оболочка Земли) - включает воду морей и океанов, рек, озер и болот, лед, подземные воды. Общее количество воды 1,8 млрд. км3. В ее пределах возникла жизнь, возникли ландшафты, образовались осадочные горные породы, сформировался рельеф Земли. Гидросфера объединяет все известные нам формы природных вод: воды, находящиеся в магматических расплавах, в химических соединениях в минералах и горных породах, сорбированные поверхностью минеральных зерен, в капиллярной осмотической, в вакуольной и биологически связанной формах. Масса гидросферы 1,46 • 106 трлн т воды и льда. Она в 275 раз превышает массу атмосферы, составляет 1/4000 массы Земли. Около 94 % массы гидросферы составляют воды Мирового океана, 6%: 3/4 - подземные и поверхностные воды, 1/4 - ледники.
Биосфера – сфера органической жизни. Ее возможности огромны. Например, одна диатомовая водоросль, не встречая врагов, за 8 дней может образовать массу, равную массе Земли. Кислород – продукты биосферы. Благодаря биосфере образованы почвы, угли, известняки, часть нефти и др.