Параметры и строение Земли, их географическое значение

Первоначальное представление о том, что Земля имеет плоскую форму, основывалось на визуальном восприятии ее поверхности, Однако уже в Древней Греции ученые имели неоспоримые доказательства шарообразности Земли (Пифагор, Аристотель и др.) В дальнейшем шарообразность Земли подтверждалось многочисленными как бытовыми, так и научными наблюдениями. Из бытовых наблюдений, которые доступны любому желающему, можно назвать такие:

1) Расширение обзора поверхности Земли при поднятии вверх на ровной местности. Находясь на уровне поверхности Земли человек может видеть вокруг себя на 4-5 км.; с высоты 20 м – 16 км, 100 м – 36 км, а с высоты полета первого в мире космонавта Ю. А. Гагарина (327 км) видимость составляет 4000 км;

2) На море, наблюдая за приближающимся кораблем, мы вначале видим мачты, а затем весь корабль;

3) Лучи заходящего солнца продолжают освещать предметы, находящиеся на высоте (вершины гор, самолеты, облака) и т.д.

Экспериментальное подтверждение шарообразности Земли было получено при кругосветных путешествиях, а также при наблюдении из космоса. Однако шарообразность – это только наиболее общее представление о форме Земли. Более детальные исследования показали, что Земля сплюснута с полюсов. Это подтверждается тем, что длина экваториального радиуса Земли больше полярного на 21,4 км, а длина одного градуса дуги меридиана на экваторе меньше (110,57 км), чем вблизи полюсов (111, 7 км).

На основании этих данных было принято считать, что Земля имеет форму, которая называется эллипсоидом вращения или сфероидом.

Дальнейшие исследования показали, что фактическая форма Земли не совпадает с геометрической фигурой сфероида. Доказано, что северный радиус длиннее южного на 30 км, а экваториальное сечение, также имеет форму эллипса, при разнице между большим и малым радиусами равной около 200 м. Эту геометрически неправильную фигуру В. И. Вернадский назвал геоидом («землеподобный»). Поверхность геоида соответствует среднему идеальному (без внешнего возмущения) уровню Мирового океана.

Таким образом, Земля имеет форму геоида, средний радиус которого 6371,0 км, экваториальный 6378,2 км, полярный 6356,8 км. Длина окружности экватора 40075,7 км. Площадь поверхности Земли 510,2 млн. км2, в том числе суша - 149,1 млн. км2 (29,2%), моря и океаны 361,1млн. км2(70,8%).

Для определения формы Земли и ее размеров применяется метод триангуляции (от лат. Triangulum – треугольник). Он заключается в построении на местности системы смежно расположенных (примыкающих друг к другу) треугольников, в которых измеряется длина одной стороны одного из них и трех углов каждого треугольника. Размеры других сторон треугольников определяют тригонометрически (рис……).

Форма и размеры Земли имеют большое значение для развития всех географических явлений и процессов на Земле. Например, шарообразность Земли вызывает неравномерное солнечное нагревание различных территорий планеты. На экваторе, где солнечные лучи падают на Землю почти под прямым углом, нагревание поверхности большое. В сторону полюсов идет постепенное уменьшение тепла. Это определяет общую географическую зональность Земли и образование различных природных зон.

Кроме формы и общих размеров Земли большое географическое значение имеют такие ее параметры как масса, объем, плотность и вещественный состав.

Масса Земли равна 5,976 1027 г, объем 1,083 1012 м3, средняя плотность – 5,518 кг/м3. В составе Земли преобладают железо: (34,6%), кислород(29,5%), кремний(15,2%) и магний (12,7%).

Таблица. Сравнительные параметры Солнца и Земли

Планета Масса, г Радиус, см Объем, см3 Плотность, г/см3
Солнце 1,989 1033 9.690 1010 1.412 1033 1.409
Земля 5,976 10 27 6,371 108 1.083 1027 5.518
Отношение параметров Солнце-Земля 333000 109 1304000 0,26

Плотность Земли меняется в зависимости от состава и свойств горных пород и глубины от поверхности. В центре Земли плотность достигает 12-17г/см3(12-17тыс т/м3). Плотность верхних слоев Земли зависит от состава слагающих их пород.

С этими параметрами связаны такие свойства Земли как сила гравитации, магнитные и тепловые поля. Гравитационные, магнитные и электрические поля Земли, определяются ее формой, размерами и вещественным составом и, в свою очередь, определяют свойства и процессы географической оболочки.

Гравитация – это взаимное притяжение двух тел, имеющих массу. Силы гравитации, удерживают планеты вокруг Солнца, определяют сферическую форму Земли и удерживают ее атмосферу.

Магнитное поле Земли подобно магнитному полю условного стержня, концы которого имеют противоположные магнитные полюса, т.е. магнитный диполь. Точки пересечения магнитного диполя с земной поверхностью называются геомагнитными полюсами (северный и южный). Линия, вдоль которой магнитная стрелка, что вращается вокруг горизонтальной оси, занимает горизонтальное положение, называют магнитным экватором. Магнитные полюса не совпадают с географическими, их положение постоянно меняется со временем. С магнитным полем тесно связано электрическое поле. Зона околоземного пространства, физические свойства которой определяются магнитным полем Земли, называется магнитосферой. Она имеет внутренний (на высоте 3-4 тыс. км) и внешней (22 тыс. км) радиационные пояса Земли.

Изучение магнитного поля Земли имеет большое практическое значение. Благодаря магнитному полю имеется возможность использовать компас для ориентирования на местности, находить и изучать месторождения железной руды и т.д.

Гравитационные силы Земли способствует образованию на поверхности Земли прогибов и поднятий, т.е. вызывают ее горизонтальное и вертикальное расчленение.

С параметрами Земли связаны следующие общие закономерности соотношения структур земной коры. Во-первых, площадь водной поверхности Земли относится к площади суши так, что уравнивается плотность материковых и водных масс. Это значит, что вес материков примерно равен весу океанических вод. Во-вторых, имеется определенная закономерность в расположении и конфигурации материков. Все материки, кроме Антарктиды, сужаются к югу; у всех материков на западе имеются большие заливы, на востоке – выступы в сторону океана; с севера на юг материки простираются в трех направлениях, образуя континентальную звезду. Южные материки являются как бы продолжением северных, но несколько смещены к востоку. Материки и океаны являются антиподами: Северный Ледовитый океан лежит напротив Антарктиды, Африка с Европой – напротив Тихого океана, Северная Америка – напротив Индийского океана, Австралия – напротив Атлантического океана.

Названия материков объясняются следующим образом: Европа – “эреб” – запад, расположена западнее древних цивилизаций; Азия – “асу” – восток; Америка – в честь флорентийского путешественника Америго Веспуччи; Африка – населяющее племя афаригов; Австралия – южная земля; Антарктида – против Арктики.

Внутреннее строение Земли. Под влиянием внешних и внутренних сил, в условиях разогрева земных недр возникли и развились внутренние оболочки (сферы) Земли: земная кора, мантия, ядро. Границей между ними являются разделы по разной плотности слоев, определяемые приборами, показывающими скорость прохождения сейсмических волн, вызванных искусственными подземными взрывами. Первый от поверхности Земли раздел называется разделом Мохоровичича. Глубина прохождения его изменчива: под океаническими впадинами ее средняя величина составляет 5 км, под материками – 40 км, средняя для всей Земли – 33 км. Раздел Мохоровичича находится между земной корой и мантией. Соответственно и толщина земной коры находится в средних пределах от 5 до 40 км.

Земная кора – верхняя каменная оболочка Земли. Основными химическими элементами, входящими в состав слагающих пород, являются: кислород, кремний, алюминий, а также железо, кальций, натрий, калий и магний. А в целом - в небольших количествах здесь содержатся все элементы таблицы Менделеева.

По физическим свойствам кора делится на три слоя: осадочный, гранитный и базальтовый. По особенностям строения и мощности выделяют два типа коры: материковый и океанический. Толщина материковой коры составляет под равнинами около 30 км, под горными странами – до 70 км (Гималаи, Тибетское плато). Осадочный слой материковой коры имеет мощность от 0 до15 км, гранитный – в среднем около 10 км, базальтовый – 20 км. Океаническая кора состоит из осадочного слоя (менее 1 км) и базальтового средней мощности около 4 км.

Таблица. Внутреннее строение Земли

Слой Толщина,

км

Глубина раздела, км Объем, % Вычисленная плотность, г/см3
Кора

Мантия

Ядро (жидкое внешнее)

Ядро (твердое внутреннее)

5-40

2860

2200

1250

Изменчива

2900

5120

6371

1,5

82,3

15,4

0,8

2,8 (средн)

3,3-5,8

10,0-11,0

13,0-13,5

Земная кора делится на обширные участки со слабой подвижностью и относительно равнинным рельефом, которые в геологии называются платформами. В их строении выделяются два яруса: складчатый фундамент платформы и осадочный чехол. В пределах платформы выделяются щиты и плиты. Щиты - обнаженные выступы складчатого и метаморфизованного фундамента; плиты – участки платформы, на которых фундамент перекрыт осадочным чехлом. В зависимости от возраста платформы делятся на древние, фундамент которых докембрийского возраста (Восточно-Европейская, Сибирская и другие платформы), и молодые, имеющие фундамент палеозойского и мезозойского возраста (например, Западно-Сибирская платформа, Туранская).

Подвижные участки земной коры называются геосинклиналями. Это узкие, длинные прогибы земной коры, заполненные осадочными и вулканическими горными породами, которые в результате длительных тектонических деформаций превратились в складчатые горные сооружения. В настоящее время на Земле выделяют следующие крупнейшие геосинклинальные пояса: Тихоокеанский, Средиземноморский, Урало-Охотский, Атлантический и Арктический.

Мантия располагается под земной корой до глубины 2900 и имеет толщину около 2860 км. На нее приходится свыше 82 % всего объема Земли. Мантия состоит в основном из окислов магния, железа и кремния. При продолжении вглубь в слое мантии возрастает плотность вещества (от 3,5 до 5,5 г/см3), температура (от 500 до 38000С), а давление на границе с ядром достигает 1,3 млн. атмосфер. Мантия, благодаря высокому давлению, находится в твердом состоянии, несмотря на большую температуру.

По состоянию вещества мантия делится на несколько слоев, из которых более отчетливо выделяется два – верхняя и нижняя мантия. Верхняя мантия распространяется до глубины примерно 900 км от земной поверхности. Вещество здесь находится в твердом кристаллическом состоянии. Она имеет прямое отношение к геотектоническим процессам, вызывающим движение материков, и к формированию вулканических извержений. Земная кора и верхняя мантия образуют литосферу. Ниже литосферы лежит астеносфера (податливая сфера), в которой вещество имеет пластичное, расплавленное состояние. Это нижняя мантия.

Ядро – центральная часть Земли. Оно делится на две части: внешнее и внутреннее ядро. Верхний раздел, отделяющий ядро от мантии, проходит на глубине 2900 км; нижний, определяющий границу внешнего и внутреннего ядра, — на глубине 5120 км.

Внешнее ядро составляет 15,4 % всего объема Земли. Толщина его составляет около 2200 км. Считается, что внешнее ядро состоит из железо-никелевого сплава с примесью более легких элементов, таких, как кремний и сера. Но это предполагаемые данные, рассчитанные по скорости прохождения сейсмических волн, изменяющейся на разных участках от 8,1 до 10,4 км/с, и плотности вещества, которая по расчетам находится в пределах 9,4-12,0 г/см 3.

Внутреннее ядро составляет 0,8% всего объема Земли и имеет толщину (радиус) 1250 км. О составе и строении внутреннего ядра известно еще меньше, чем о внешнем. По характеру прохождения сейсмических волн предполагается, что вещество внутреннего ядра находится в твердом состоянии. По расчетам плотность его достигает 13,0-13,5 г/см3, а давление превышает 218000кг/см2. Температура ядра достигает 4000ОС. В таких условиях вещество переходит в металлическую фазу, когда электронные оболочки атомов разрушаются и образуется электронная плазма отдельных химических элементов. Высвобождающиеся при этом электроны образуют кольцевые вихри, что является причиной формирования постоянного магнитного поля Земли и всех связанных с ним явлений на Земле.