Происхождение, форма и размеры Земли
В начале 21 века наука все еще не обладает стройной бесспорной теорией, которая объясняла бы происхождение и развитие Земли.Более того, до середины прошлого столетия, не было реальных предпосылок для создания такой теории (вместо нее в двадцатом веке появился ряд гипотез, не имевших достаточного фактического основания и противоречащих друг другу). Во второй половине двадцатого века геологическая наука сделала большой шаг вперед. Тем не менее, единой всеобъемлющей теории до сих пор не создано.
Рис.1.3. Планета Земля
Возраст Земли и других тел Солнечной системы наиболее надёжно оценивается по количеству изотопов свинца, образовавшихся в исследуемых породах в результате радиоактивного распада урана 238U и тория 232Th. Скорость радиоактивного распада не может быть изменена никакими физическими воздействиями, поэтому количество накопившихся изотопов свинца характеризует время, прошедшее с момента изоляции образца до момента исследования.
Планеты Солнечной системы, по современным представлениям, возникли из вещества в конденсированной фазе (пылинок или метеоров). Планеты, следовательно, моложе некоторых метеоритов. В связи с этим возраст Солнечной системы оценивается обычно в 4,7 млрд. лет, а возраст древнейших пород земной коры – 4,5 млрд. лет.
Первую оценку возраста Земли сделал один из создателей учения о радиоактивности, получивший за научные заслуги титул лорда Нельсона, английский физик Э. Резерфорд (1871-1937) в 1905г. Он получил число 500 миллионов лет, что намного меньше современного представления о возрасте Земли.
Много сведений о прошлом Земли дают метеориты. Содержащиеся в каменных метеоритах уран и торий при распаде образуют изотопы радиогенного свинца (свинца, образованного в результате распада). Из отношения радиогенного свинца к первичному установлен возраст метеоритов, а, следовательно, и Земли, равный 4,6 млрд. лет. Наиболее крупным космическим телом, упавшим на Землю за последнее тысячелетие, является Тунгусский метеорит, точнее, ядро небольшой кометы. Его масса могла достигать миллиарда тонн.
Это произошло 30 июня 1908г. В Центральной Сибири, в бассейне реки Подкаменной Тунгуски. Многочисленные жители селений в среднем течении Ангары, пассажиры Транссибирской железной дороги наблюдали, как в 7 часов утра по небу прокатился ослепительно яркий шар размером с Солнце и затем раздался взрыв. Взрыв сопровождался оглушительным ударом, световой вспышкой и землетрясением, которое зарегистрировали многие сейсмические станции мира.
Важным фактором в понимании места нашей планеты в Солнечной системе является её химический состав. Различные тела Солнечной системы образованы, в основном, тремя группами химических элементов. Первую группу составляют водород и гелий. Эти элементы составляют около 90% массы Солнца. Кроме того, из этих же элементов преимущественно состоят планеты-гиганты Юпитер и Сатурн. Приблизительно 1,5% общей массы планет составляют углерод, азот и кислород. Они образуют вторую группу элементов. Третью группу химических элементов (около 0,25%) составляют магний, железо и кремний.
Как указывалось выше, по строению и химическому составу планеты Солнечной системы делятся на планеты земной группы (Меркурий, Венера, Земля, Марс), планеты-гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун) и Плутон, который по многим признакам стоит в этом ряду планет несколько обособленно. Планеты земной группы иногда называют внутренними, остальные – внешними. Все планеты имеют фигуры, близкие к шару. Планету Земля часто считают двойной, так как её естественный спутник Луна по своим размерам и строению немногим отличается от других планет земной группы.
Земля и Луна обращаются вокруг общего центра тяжести (барицентра) системы «Земля-Луна». Земля описывает орбиту, которая является зеркальным отображением орбиты Луны, но её размеры в 81 раз меньше лунной орбиты. Барицентр располагается внутри Земли, причём не в какой-то одной фиксированной точке, а движется с месячным периодом, оказываясь то в Южном, то в Северном полушарии.
Деление планет на две группы можно объяснить различием температурных условий на разных расстояниях от Солнца. Ближе к Солнцу, там, где его лучи прогревали тела и частицы, последние состояли только из нелетучих каменистых частиц. На более далёких расстояниях в условиях низких температур тела и частицы содержали не только каменистые вещества, но также и льды летучих веществ (воды и разнообразных сложных молекул, состоящих в основном из водорода, углерода, кислорода и азота). Так возникло зональное различие в составе и обилии твёрдого вещества, обусловленное способностью химических элементов объединяться в различные химические соединения и способностью этих соединений конденсироваться в твёрдые частички при тех или иных температурах. После объединения промежуточных тел в планеты эти зональные различия превратились в различия в массе и составе других групп планет. Важную роль в возникновении этих различий сыграло также то обстоятельство, что планеты-гиганты смогли вобрать в себя не только твёрдые тела, но и те наиболее летучие газы – водород и гелий, которые даже в холодной, далёкой от Солнца зоне протопланетного облака не могли конденсироваться.
Гравитационной энергии, выделившейся при образовании Земли, хватило бы для расплавления нашей планеты, если бы вся эта энергия пошла на разогрев Земли. Однако при постепенном росте Земли из холодных тел теплота выделялась при их ударах о поверхность и в основном излучалась в пространство. Поэтому недра Земли к концу её образования были нагреты, вероятно, лишь до 1000-1500°К, т.е. имели температуру, меньшую температуры плавления горных пород. В дальнейшем недра Земли разогрелись в результате накопления теплоты, выделяющейся при распаде радиоактивных элементов, которые присутствуют в небольших количествах во всех горных породах.
Разогрев недр Земли привёл к тому, что на глубинах в сотни километров произошло частичное расплавление вещества. Более легкоплавкие вещества являются, как правило, и более лёгкими, поэтому они всплывали (выдавливались) на поверхность, постепенно слагая наружный слой земного шара – земную кору. Земная кора отличается и по составу и по плотности от подстилающего её вещества мантии Земли. Плотность коры составляет 2,7-2,8г/см3, а плотность верхней мантии – 3,3-3,5г/см3.
Процесс химического расслоения земных недр происходит и сейчас. Лёгкие расплавы в виде магмы поднимаются из мантии в кору. Они частично застревают и застывают внутри земной коры, а частично прорывают кору и в виде лавы изливаются наружу при извержении вулканов.
С разогреванием Земли тесно связано происхождение атмосферы и гидросферы. Нагревание является лучшим способом изгнать из твёрдого тела содержащиеся в нём газы. Поэтому разогревание Земли сопровождалось выделением газов и водяных паров, содержащихся в небольшом количестве в земных каменных веществах. Прорвавшись на поверхность, водяные пары конденсировались в воды морей и океанов, а газы образовали атмосферу, состав которой первоначально существенно отличался от современного. Нынешний слой земной атмосферы обусловлен существованием на поверхности Земли растительной и животной жизни.
Биосфера Земли простирается до высоты примерно 10 000м. Бактерии и споры, лишённые хлорофилла, а также птицы, были замечены на высоте 8000м. Отдельные виды пауков были обнаружены на Эвересте на высоте 7000м. Океан также входит в биосферу. Под материками жизнь проникает до глубины 1-2км. Некоторые виды зелёных растений встречаются на высоте свыше 6000м на Эвересте, морские водоросли растут до глубины 300м ниже уровня моря. Более того, эти границы определяются главным образом наличием питательных веществ в органическом материале растительного происхождения. Согласно Вернадскому, биосфера – это область, где вода может существовать в жидком состоянии и возможны различные фазовые переходы (состояния: жидкое – твёрдое, твёрдое – газообразное, газообразное – жидкое), где лучистая энергия (за исключением коротковолнового излучения, губительного для жизни) поглощается не вполне прозрачным материалом. Последнее очень важно, поскольку зелёные растения играют роль посредника в процессе преобразования лучистой энергии Солнца в химическую энергию различных молекул.
Земля среди больших планет Солнечной системы занимает пятое место по размерам и массе и третье (это было установлено Коперником только в 16 веке) – по расстоянию от Солнца. Среди планет земной группы она является самой крупной. Масса Земли составляет 1/447 массы больших планет и 1/332958 массы Солнца. Естественный спутник Земли Луна имеет массу, равную 1/81,3022 массы Земли. Отношение массы Луны к массе Земли наибольшее среди всех планет и их спутников в Солнечной системе, именно поэтому динамическую систему Земля-Луна и рассматривают как двойную планету.
С глубокой древности человечество интересовали форма и размеры Земли. Наиболее древние картографические изображения Земли созданы в Египте и Вавилонии в 3-1 тысячелетии до н. э. В 7 веке до н. э. в Месопотамии карты изготавливались на глиняных табличках. Чисто умозрительные представления об окружающем мире содержатся в источниках, оставленных народами Древнего Востока. Однако в этот период представления о Земле в основном определялись мифами и легендами.
В 6-1вв. до н. э. наибольших успехов в изучении Земли достигли учёные Древней Греции, стремившиеся дать представление о Земле в целом. Первую попытку создать карту всей Земли осуществил греческий философ Анаксимандр (около 610-547гг. до н.э.) из Милета, по мнению которого Земля представляет собой цилиндр, окружённый небесной сферой. Вокруг морского бассейна располагается суша, в свою очередь опоясанная водным кольцом. Одной из первых географических работ было «Землеописание» Гекатея (около 546-480гг. до н.э.) из Милета, которое сопровождалось географической картой. На карте кроме Европы и Азии были показаны известные древним грекам Средиземное, Чёрное, Азовское, Каспийское и Красное моря. Греческий мореплаватель Пифей (4 в. до н.э.) из Массалии достиг берегов Северной и Западной Европы, открыв Британские и Ирландские острова. В своём сочинении «Periplus» он дал понятие грекам об этих странах. Ему же принадлежит верное наблюдение о связи приливов и отливов в океане с движениями Луны.
На смену представлениям о плоской Земле пришло признание шарообразности Земли, доказательствами которого являются:
· всегда кругообразный вид горизонта в океане и на открытых равнинах;
· округлая форма края земной тени на диске Луны во время лунных затмений;
· понижение горизонта - постепенное появление и исчезновение судов при их приближении и удалении от берега;
· изменение высоты Полярной звезды при перемене широты места наблюдения;
· разное время восхода и захода Солнца и звёзд на разных меридианах;
· удаление горизонта при подъёме вверх.
Идея шарообразности Земли возникла ещё у древних греков и индийцев, но потом оставалась в забвении более тысячи лет до времён Колумба (1451-1506) и кругосветных путешествий 16 века. Мысль о шарообразности Земли высказал ещё выдающийся древнегреческий математик, астроном и философ Пифагор (около 571-497гг. до н.э.). В учении пифагорейцев утверждалось, что шар является наиболее совершенной геометрической фигурой и Земля имеет шарообразную форму. Они также утверждали, что шарообразная Земля вращается около некоторого центра, вызывая видимое суточное движение звёзд, и обращается вокруг Солнца в течение года. По существу пифагорейская школа учёных выдвинула идею гелиоцентрической системы мира, научно обоснованную Коперником только через две тысячи лет.
В индийском сказании «Сборник правил поведения», относящемуся к 20-15вв. до н.э., имеется указание на суточное вращение Земли. В нём написано, что нет восхода и заката Солнца и Луны, а существует только перемещение наблюдателя вместе с Землёй от ночи ко дню и снова до ночи.
Великий математик и философ древности Аристотель (384-322гг. до н.э.) в своём сочинении «О небе» указывал, что Земля не только шарообразна по форме, но и имеет конечные размеры и не особенно велика по сравнению с другими небесными телами. Доказательства Аристотеля сводились к следующему: при лунных затмениях Земля всегда отбрасывает на Луну круглую тень, а Полярная звезда в северных районах располагается выше над горизонтом, чем в южных. Оценив разницу в кажущемся положении Полярной звезды в Греции и в Египте, Аристотель вычислил длину экватора, которая, однако, оказалась примерно вдвое больше реальной. Несколько позднее Архимед (287-212гг. до н.э.) доказывал, что поверхность воды в океанах в спокойном состоянии является шаровой поверхностью. Он же ввёл понятие сфероида как фигуры, близкой по форме к шару.
Размеры земного шара были впервые оценены около 240г. до н.э. египетским астрономом Эратосфеном (287-196гг. до н.э.) на основе простого опыта – по разности высоты Солнца в городах Сиена и Александрия, лежащих на одной полуденной линии, и расстоянию между ними. Измерения выполнялись во время летнего солнцестояния. Радиус Земли по Эратосфену равен 6311км. Геометрические принципы, которыми пользовался Эратосфен, легли в основу градусных измерений Земли. Можно сказать, что учёные в древности не только правильно представляли форму Земли, но и довольно точно знали её размеры.
Во 2в. до н.э. древнегреческими учёными были введены понятия географической широты и долготы, разработаны первые картографические проекции, на которых показывалась сетка параллелей и меридианов, предложены методы определения взаимного положения точек на земной поверхности.
В первые десятилетия 1 века утвердилась идея о шарообразности Земли. Уровень знаний об окружающем мире этого периода характеризует выдающийся труд римского писателя и учёного Плиния Старшего (23-79) «Естественная история» (Historial naturalis) в 37 книгах, содержащая сведения по географии, ботанике, минералогии, а также истории и искусству. Заметим, что счёт лет «от рождества Христова» или «от нашей эры» условно введен римским монахом Дионисием Малым в 525г. н.э. Дионисий объявил, что Христос родился 532 года назад и назвал 1284г. «от основания Рима» 532 годом «от рождества Христова». Поэтому следующие годы стали нумеровать как 533, 534 и т.д. Постепенно этот счёт годов вошёл во всеобщее употребление и продолжается до сих пор. В астрономии за начало счёта принимается не начало первого года нашей эры, а начало первого года до нашей эры, которое обозначается нулём. От нуля вперёд идёт счёт положительных, а назад отрицательных годов.
Великие географические открытия окончательно прояснили вопрос о шарообразности Земли, прямым доказательством которой послужило кругосветное путешествие Ф. Магеллана (1480-1521) в начале 16 века. Плавания Х. Колумба, Васко да Гамы (1469-1524), А. Веспуччи (1451-1512) и других мореплавателей в Мировом океане, путешествия русских землепроходцев в Северной Азии позволили установить контуры материков, а также описать большую часть земной поверхности, животный и растительный мир Земли.
Открытие великим И. Ньютоном (1643-1727) во второй половине 17 века закона всемирного тяготения привело к возникновению идеи о том, что Земля представляет собой не идеальный шар, а сплюснутый у полюсов сфероид. Ньютон, исходя из открытого им закона, так излагал новое учение о фигуре Земли (или вообще вращающейся вокруг оси планетарной массы) в поле сил всемирного тяготения: «если бы у планеты было устранено суточное вращение, то вследствие одинакового отовсюду тяготения частей её она должна бы принять форму шара; вследствие же вращения части близ экватора стремятся удалиться от оси; следовательно, если бы вещество было жидким, то оно своим подъёмом увеличило бы диаметр по экватору и своим опусканием уменьшило бы ось у полюсов».
Исходя из предположений о внутреннем строении Земли и основываясь на законе всемирного тяготения, И. Ньютон и нидерландский учёный Х. Гюйгенс (1629-1695) дали теоретическую оценку сжатия земного сфероида и получили столь разные результаты, что возникли сомнения в справедливости гипотезы о земном сфероиде. Чтобы рассеять их, Парижская Академия наук в первой половине 18 века направила экспедиции в приполярные области Земли – в Перу и Лапландию, где были выполнены градусные измерения, подтвердившие правильность гипотезы о сфероидичности Земли и закона всемирного тяготения.
Рис.1.4. Грушевидность Земли
Прошли века со времени публикации в 1687г. величайшего в истории науки труда «Математические начала натуральной философии» Ньютона. Королевское Общество так оценило этот труд: «… можно с уверенностью утверждать, что так много ценных физических истин, которые здесь им открыты и положили конец спорам, никогда ещё не были плодом Способностей и Трудолюбия одного Человека».
По форме Земля представляет сплюснутый сфероид (неправильная сфера, несколько сжатая с полюсов). Расстояние от Южного до Северного полюса равно 12 713,505км, в то время как диаметр Земли на экваторе равен 12 756,274км, что на 42,769км больше. Если быть ещё точнее, то Земля имеет грушевидную форму, что доказало открытие третьего члена J3 = -2,538×10-6 в разложении потенциала. Южное полушарие более сплюснуто, чем северное. Разность сжатий двух полушарий обусловливает разность северного полярного и южного полярного радиусов. Приближённая оценка этой величины может быть выполнена по формуле 
. При а = 6378137м северный полярный радиус на 32м длиннее южного (рис.1.4).
Экватор Земли также имеет небольшую эллиптичность: разность его осей по данным табл.2 составляет 138,7м. Максимальная длина окружности Земли по экватору равна 40 075,02км, по меридиану - 40 007,86км.
Вопрос о трёхосности нашей планеты впервые был поставлен почётным академиком Российской Академии наук военным геодезистом Ф.Ф. Шубертом (1789-1865). В 1859г. им были опубликованы первые размеры трёхосного земного эллипсоида: большая и малая оси экватора – 6 378 556м и 6 377 837м, полярная ось Земли – 6 356 719м, сжатия земного экватора наибольшего (+41°04¢ от Гринвича) и наименьшего меридианов соответственно 1:8870, 1:292 и 1:302. Идея Шуберта о трёхосности Земли имела большое научное значение для дальнейшей разработки вопроса, как о математической фигуре Земли, так и о методах её изучения.
Большая ось трёхосного эллипсоида является одной из главных осей инерции, относительно которой экваториальный момент инерции Земли А0 имеет наименьшее значение. Относительно малой экваториальной оси этого эллипсоида Земля обладает наибольшим экваториальным моментом инерции В0. Очевидно, что полярная ось земного эллипсоида совпадает с осью вращения Земли, относительно которой Земля обладает наибольшим моментом инерции С0.
Вычисленные по данным внешнего гравитационного поля Земли модели GEM-10C параметры трёхосного эллипсоида имеют следующие значения: полярный радиус – 6 356 749,4м; минимальный экваториальный радиус – 6 378 112,4м, максимальный экваториальный радиус – 6 378 161,6м, средний экваториальный радиус – 6 378 137,09м. Долгота меридиана большой оси экватора трёхосного эллипсоида для современной эпохи равна 14,9°з.д.
Площадь поверхности Земли равна 510 065 600км2, масса – 597 332 758 800×1016г, средняя плотность – 5,515г/см3, объём Земли равен 108 320 884 5000км3. Гидросфера Земли занимает 70,98% поверхности (362 033 000км2), средняя глубина гидросферы равна 3 554м. Вес всей воды составляет примерно 1,32×1018 тонн или 0,022% от общего веса Земли. Объём океанов планеты оценивается в 1 349,9 млн. км3, а объём пресной воды – 35 млн. км3.
По исследованиям военного геодезиста профессора М.М. Машимова имеет место перманентное уменьшение объёма, массы и моментов инерции Земли, обусловленное гравитационной дифференциацией вещества (уплотнение мантии и ядра за счёт всплытия лёгкого материала в верхние оболочки Земли) и диссипацией вещества. Числовые значения годовых изменений параметров Земли, вычисленные путём обработки наблюдательного материала за последние 25-30 лет, представлены в табл. 2.
Таблица 2
| Параметры Земли | Годовые изменения |
| Экваториальный радиус, а=6 378 137м | - 0,01м |
| Полярное сжатие, a=1: 298,257 | - 1,0×10-9 |
| Экваториальное сжатие, aе=1: 91 972,6 | 3,6×10-9 |
| Положение центра масс dx0 dy0 dz0 | 0,015м - 0,018м - 0,009м |
| Долгота большой полуоси экватора, l0=-14°54¢ | -0,3¢ |
| Масса, М=597 332 758 800×1016г | -15×1016г |
| Объём, V=108 320 884 5000км3 | -26,3км3 |
| Центральные моменты инерции А0=8011 408,707×1034г×м2 В0=8012 817,529×1034г×м2 С0=8037 792,756×1034г×м2 | -1,1178×1034г×м2 -1,0449×1034г×м2 -1,0935×1034г×м2 |
| Потенциал силы тяжести, W0=626 36805,936м2×с-2 | 0,077м2×с-2 |
| Коэффициенты гармоник потенциала J2=1082 627×10-9 J22=-1,571×10-9 K22=903×10-9 | -0,9×10-9 -0,6×10-9 0,7×10-9 |
| Сила тяжести на экваторе, gе=978 031,811мГал | 0,004мГал |
Основные параметры Земли и их годовые изменения отражают свойства планетарного геоида, представляющего главную отсчётную поверхность, и горизонтальные неоднородности в астеносфере. Физические процессы, протекающие неодновременно и с разной интенсивностью, формируют аномалии высот и пространственно-временные их изменения. Там, где эти процессы проходят интенсивно, геоид заметно изменяется. Геоид и его изменения во времени, проявляющие аномальное строение верхней мантии и физические процессы, протекающие в ней с различной интенсивностью, представляют один из главных предметов современной геодезии. Стандартной фигурой, с которой сравнивается планетарный геоид, является общеземной эллипсоид. Большая полуось его соответствует среднему значению экваториального радиуса геоида, а полярное сжатие принимается равным среднему значению полярного сжатия геоида.
Внешний облик Земли
Материки и океаны (рис.1.5) являются основными элементами рельефа
Рис.1.5. Материки и океаны
земного шара. Разделение земного шара на океаническое и материковое с двумя типами земной коры академик В. Вернадский (1863-1945) назвал самым фундаментальным свойством земного шара и дал ему термин «дисимметрия» (асимметрия).
Материк, или континент, это крупный массив суши (в отличие от меньшего по размерам массива – острова), окружённый водой. Выделяют семь частей света (Европу, Азию, Африку, Северную Америку, Южную Америку, Австралию и Антарктиду) и шесть материков: Евразию, Африку, Северную Америку, Южную Америку, Австралию и Антарктиду.
Рис.1.6. Европа (средняя высота над уровнем океана 350 м)
Некоторые крупные острова по размерам близки к материкам и иногда называются «материковыми островами». Среди них наиболее известны Гренландия, Новая Гвинея, Калимантан и Мадагаскар. Материки окружены мелководными зонами океанов – шельфами, с глубинами, обычно не превышающими 150м.
Рис.1.7.Азия (средняя высота над уровнем океана 950 м)
Название частей света и материков имеют разное происхождение. Древние греки называли все земли к западу от Босфора Европой, а к востоку от него – Азией. Римляне разделяли свои восточные (азиатские) провинции на Азию и Малую Азию (Анатолию). Название Африка, также имеющее античное происхождение, относилось лишь к северо-западной части материка и не включало Египет, Ливию и Эфиопию.
Рис.1.8. Африка (средняя высота над уровнем океана 750 м)
Древние географы предполагали, что на юге должен быть крупный материк (Terra Australis – южная земля), который уравновешивал бы обширные массивы суши на севере. Этот материк был открыт только в 17 столетии и первоначально носил название Новая Голландия, которое позже было изменено на Австралию. К 18 веку относятся первые догадки о существовании Антарктиды (что означает «антипод Арктики»), но открытие и исследование этого материка относится лишь к 19-20вв.
В противоположность Австралии, существование Америки никем не предсказывалось, и когда она была открыта, её принимали за часть Китая или Индии. Термин «Америка» на карте впервые появился в 1507г. в честь географа и исследователя Америго Веспуччи, который открыл этот материк. Сам термин «материк» в его современном значении появился в Англии в 17 веке.
Рис.1.9. Австралия (слева, средняя высота над уровнем океана 350 м), Антарктида (справа, средняя высота над уровнем океана 2040 м)
Рис.1.10. Северная Америка (средняя высота над уровнем океана 720 м)
Рис.1.11. Южная Америка (средняя высота над уровнем океана 580 м)
Образование материков и океанов обусловлено тектоническими, космическими и планетарными процессами. Очевидно, материки и океаны наметились ещё в догеологическую стадию развития Земли, но механизм их образования, особенно океанов, до конца не выяснен. Особенности материков и океанов определяются, прежде всего, различиями строения внешней оболочки Земли, которая состоит из сравнительно лёгких горных пород.
У самой поверхности залегает «чехол» осадочных пород: глин, песков, песчаников, известняков. Под ними находятся породы гранитов, а ещё глубже – породы, близкие по свойствам к базальту. Все три слоя вместе составляют земную кору. Различают два типа земной коры: материковую мощностью в 30-80км и океаническую мощностью не более 5-10км. Геологические границы материков шире, чем их современные физико-географические очертания, так как шельфы и часть материкового склона имеют континентальное строение земной коры. В табл. 3 и 4 приведены размеры материков и океанов.
Таблица 3
| Материки | Площадь, млн. км2 | Высота, м | |
| Наибольшая | Наименьшая | ||
| Евразия | 54,00 | -392 | |
| Африка | 30,13 | -150 | |
| Северная Америка | 24,23 | -85 | |
| Южная Америка | 17,76 | -40 | |
| Австралия и Океания | 8,97 | -12 | |
| Антарктида | 13,98 |
Наибольший размах рельефа земной поверхности составляет 19,9км. Средняя высота материков равна 840м. На суше преобладают высоты менее 1000м (75% площади). Горы занимают свыше 1/3 поверхности суши, пустыни покрывают около 20% поверхности суши, саванны и редколесья – около 20%, леса – около 30%.
Наибольшие глубины приурочены к глубоководным желобам Тихого океана. Самая глубокая точка, так называемая «пучина Челленджера», находится в пределах Марианского желоба на юго-западе Тихого океана.
Таблица 4
| Океаны | Площадь, млн. км2 | Глубина, м | ||
| Преобладающая | Наибольшая | Средняя | ||
| Тихий | 179,68 | 3500-6000 | ||
| Атлантический | 92,54 | 3400-5300 | ||
| Индийский | 74,90 | 2000-4500 | ||
| Северный Ледовитый | 13,92 | 1000-4000 | ||
| Мировой | 361,04 | 3000-6000 |
Наибольшие глубины океанов следующие:
· Северный Ледовитый океан – 5527м в Гренландском море;
· Атлантический океан – 8742м у берегов Пуэрто-Рико;
· Индийский океан – 7729м к западу от Яванского (Зондского) архипелага;
· Тихий океан – 11033м у Марианских островов, 10882м у Новой Зеландии, 10497м у Филиппинских островов.
Самая характерная черта образа Земли – планетарная асимметрия материков и океанов. На Южном полюсе расположен самый высокий континент – Антарктида, тогда как на Северном полюсе простирается Северный Ледовитый океан. При этом площадь Антарктиды почти равна площади Северного Ледовитого океана. Впадине Тихого океана отвечает материковый рельеф Африки. Южным океанам, омывающим берега Антарктиды, асимметрию создают материки Северного полушария, опоясывающие Арктику.
Меридиональную асимметрию Земли порождает Тихий океан, водами которого покрыто 35% поверхности Земли в Северном и Южном полушариях. По имеющейся статистике распределения суши и океана в 95 случаях из 100 поверхности суши соответствует диаметрально
Рис.1.12. Разлом Сан-Андреас
противоположенный океан. В целом материковому Северному полушарию противопоставлено океаническое Южное, океаническому Западному – материковое Восточное. Рельеф Земли асимметричен как по отношению к плоскости экватора, так и к плоскости меридиана 75° западной долготы.
В строении поверхности Земли огромную роль играют глубинные разломы, рассекающие всю земную кору и нередко уходящие в верхнюю мантию. От более мелких разломов, которые наблюдаются близ поверхности Земли, в пределах осадочных пород оболочки, их отличает не только огромная глубина, но и длительность развития. Некоторые глубинные разломы существуют сотни миллионов лет.
Такие разломы разделяют земную кору на отдельные глыбы, образуя как бы мозаику из блоков различной величины. Обычно эти блоки хорошо выражены в рельефе. Нередко вдоль глубинных разломов вытянуты цепочки вулканов или по ним в земную кору внедряются глубинные магматические породы. Глубинный разлом, проходящий с северо-запада на юго-восток через складчатые сооружения Северного Тянь-Шаня, имеет глубину не менее 100км. Разлом Сан-Андреас в Калифорнии, США, (рис.1.12) – один из самых протяжённых и наиболее активных геологических образований такого рода. Его возраст оценивается в 20 миллионов лет. Он уходит вглубь Земли на 15 километров и протянулся вдоль западного
Рис.1.13. Профили дна Атлантического и Индийского океанов
побережья Северной Америки почти на 1000км.
Облик Земли в главных чертах определяет Мировой океан. В целом рельеф нашей планеты определяется рельефом дна Мирового океана, который характеризуется глобальной системой океанических хребтов, разломами, глубоководными желобами, котловинами.
Срединные океанические хребты представляют собой единую цепь линейных поднятий общей протяжённостью 60 тыс. км и покрывают 15,3% площади дна Мирового океана. Это наиболее значительные горные образования не только океанического дна, но и планеты в целом. Их относительная высота на некоторых участках достигает 3-4км, ширина – 1000-2000км. Планетарная система срединно-океанических хребтов развита в Тихом и Атлантическом океана и буферном Северном Ледовитом океане. Дно океана стареет по мере удаления от срединно-океанического хребта, «расползаясь» от его центральной зоны со скоростью несколько сантиметров в год. Действием этого процесса можно объяснить сходство очертаний континентальных окраин, если предполагать, что между частями расколовшегося континента образуется новый океанический хребет, а океаническое дно, наращиваемое симметрично с обеих сторон, формирует новый океан. Атлантический океан, посреди которого лежит Срединно-Атлантический хребет, вероятно, возник именно таким образом. Срединно-Атлантический хребет – крупнейшая горная система на дне океана длиной свыше 18 тысяч километров (рис.1.14).
Рис.1.14. Срединно-Атлантический хребет
Около 2% всей воды на Земле находится в замёрзшем состоянии (в основном в виде льда). Общая масса льда в современную эпоху равна примерно 28,4×1018 кг, причём 90% приходится на ледниковый щит Антарктиды, 9% - на ледник Гренландии и менее 1% составляет масса льда всех остальных горных ледников. Площади ледниковых щитов составляют: в Антарктиде 13,9×1012м2, в Гренландии 1,8×1012м2, горных ледников – 0,5×1012 м2.
В последнюю ледниковую эпоху в Канаде существовал огромный Лаврентьевский ледниковый щит шириной около 4000км и мощностью 3000-4000м. Отступление ледника, начавшееся 13 тыс. лет назад, продолжалось 8 тыс. лет. Амплитуда послеледникового поднятия составила около 300м.
Оледенение Фенноскандии началось 60-70 тыс. лет назад. Ледник имел самую большую мощность - около 3000м в центральной части. На юге ледник доходил до Валдайской возвышенности. Затем началось постепенное отступление ледника от периферии к центру. Последние крупные массы ледника исчезли 9 тыс. лет назад. По мере отступления ледника и после его исчезновения произошло изостатическое поднятие Фенноскандии, достигшее в центральной части 300м за 10 тыс. лет
Масса ледников значительно меняется со временем. Например, 12 тысяч лет назад растаял громадный ледниковый щит, покрывавший в четвертичном периоде почти всю Русскую равнину и значительные пространства Западной Европы и Северной Америки. Во время малого климатического оптимума, который имел место около тысячи лет назад, у ледникового щита Гренландии была существенно меньшая масса, чем в настоящее время.
Масса ледникового щита Гренландии оценивается в 2,5 млн. км3. Если весь лёд Гренландии растает, то это приведёт к повышению уровня Мирового океана примерно на 7 метров и огромная масса пресной воды, поступившая в северную часть Атлантического океана, может остановить «конвейер Брокера» - глобальный круговорот океанических течений, ответственный за перенос тепла к северо-западным берегам Европы (рис.1.15).
Рис.1.15. Глобальный круговорот океанических течений
(COLD – холодная вода, WARM – тёплая вода)
Важнейшая часть «конвейера Брокера» (по имени американского учёного У. Брокера, описавшего данное явление в конце 80-х годов 20 века) – мощнейший поток воды, движущийся по Атлантическому океану с юга на север на глубине около 800м. На широте Исландии этот поток поднимается к поверхности и очень сильно охлаждается, а отдаваемое им тепло определяет необычную мягкость зим на севере Европы. Охлаждённая вода вследствие повышенной плотности опускается вниз почти до самого дна, где начинает свой обратный путь на юг. Это течение, теперь уже холодное, пересекает экватор, обогнув Африку, поворачивает на восток, даёт ответвление на север в Индийском океане, где поднимается к поверхности, а затем, обогнув с юга Австралию и Новую Зеландию, направляется на север Тихого океана, где также поднимается к поверхности.
В случае интенсивного таяния ледников Гренландии поступившая в море пресная вода разбавит ту массу солёной воды, что двигалась с юга, и эта вода, став менее плотной, перестанет «тонуть». Конвейер Брокера остановится, а в Европе начнётся сильнейшее похолодание на много лет. Когда Гренландия перестанет таять, конвейер возобновит свою работу. В истории Земли такое уже случалось не раз. По современным оценкам таяние гренландских ледников повышает уровень океана на 0,5мм в год.
Если в результате природных сдвигов Мировой океан начнёт внезапно жить по совершенно иным законам, то Европа, Азия и Северная Америка лишатся привычного тепла, а в Южном полушарии станет жарче. По оценкам некоторых учёных Земля уже пережила нечто подобное 8200 лет назад. Человечеству известно, в частности, Малое оледенение. Оно продолжалось примерно с 1300 по 1850 год. Из-за ухудшившихся погодных условий европейцам пришлось покинуть Гренландию, увяла цивилизация викингов.
Ледники, покрывающие площадь более 16 млн. км2 (площадь подземного оледенения в два раза больше), оказывают влияние на динамику фигуры Земли.. Распределение влаги между Мировым океаном и ледниковыми щитами в результате их таяния неизбежно сопровождалось изменением момента инерции Земли и должно было приводить к какой-то неравномерности вращения Земли и движению полюсов.
Если повторным нивелированием измерить скорость поднятия, а затем оценить толщину слоя льда, покрывавшего территорию, и амплитуду уже происшедшего поднятия (по гравиметрическим измерениям и определениям аномалий силы тяжести), датировать момент исчезновения ледникового покрова по отношению к времени измерений, то можно вычислить коэффициент вязкости пород, слагающих верхнюю мантию Земли. Это – одна из важных физических характеристик Земли, которую до сих пор никакими другими геофизическими измерениями невозможно определить.
В истории Земли большую роль играли и играют землетрясения. Постоянно накапливающиеся в толще Земли упругие напряжения, превысив предел прочности пород, разрушают их с образованием протяжённого разрыва. Потенциальная энергия переходит в кинетическую, которая в форме упругих волн распространяется во все стороны от очага землетрясения, достигает земной поверхности и вызывает подземные толчки и колебания почвы.
В течение года происходит около 100 тыс. землетрясений, из которых 100 – разрушительные и около 1000 землетрясений сопровождаются повреждениями сооружений. В целом, за год, по всему земному шару землетрясения освобождают энергию, равную приблизительно 0,5×1026 эрг.
Интенсивность землетрясения определяется по 12-балльной шкале, построенной на основе инструментальных наблюдений со специальными вертикальными маятниками. Ежегодно на Земле происходит 10-15 десятибалльных, 100-150 восьмибалльных и 300-500 семибалльных землетрясений.
Разрушительные землетрясения сопровождаются горизонтальными и вертикальными движениями земной коры. Чилийское землетрясение 1907г. сопровождалось поднятием почвы на 1м чилийского побережья протяжённостью 300км. В эпицентральной зоне Ашхабадского землетрясения 1948г. горизонтальные смещения достигли 2м. После землетрясения в Армении в декабре 1988г. выявлены смещения по Арагац-Спитакскому разлому в 1-1,2м и относительные поднятия Нижне-Памбакского грабена до 0,3м.
Рис.1.16. Фрагмент карты вулканов и землетрясений
(· эпицентры вулканов, * эпицентры землетрясений)
Сильные землетрясения возбуждают собственные колебания Земли. Любое упругое тело после удара подобно колоколу совершает колебания. В 1911г. Ляв вычислил период собственных колебаний стального шара размером с Землю. Оказалось, что он равен одному часу. Первые собственные колебания Земли с периодом 57 минут были обнаружены в 1952г. после землетрясения на Камчатке. Зарегистрированы колебания Земли с периодом 54 минуты после Чилийского землетрясения в 1960г.
Земля, имея конечные размеры, обладает дискретными частотами собственных колебаний, хотя число их бесконечно. Их амплитуды и фазы зависят от начальных условий, которые нам не известны, но спектр частот определяется размерами, внутренним строением и упругими свойствами Земли. Собственные колебания представляют существенный интерес для геофизики и используются для проверки реальности различных моделей Земли.
Как правило, в районах высокой сейсмической активности располагаются вулканы, поэтому опасность землетрясений дополняется опасностью извержения вулканов.
Для изучения сейсмической активности успешно используются геодезические методы: измерения силы тяжести с одновременным повторным определением высот пунктов нивелированием. В СССР изменения силы тяжести тектонического происхождения в течение длительного времени изучали на геодинамических полигонах.
Геодинамические полигоны были созданы в Евразии и Северной Америке после Аляскинского землетрясения (1964г.). С 70-х годов 20 века практически во всём мире осуществляются программы комплексных исследований на геодинамических полигонах с целью прогноза землетрясений. В последствии круг решаемых задач был расширен за счёт включения в программу работ изучения деформаций земной поверхности, обусловленных процессами вулканизма, а также техногенными процессами. На Ашхабадском гравиметрическом профиле (12км, 7 пунктов), созданном в 1971г., в местах пересечения им тектонического разлома наблюдались изменения силы тяжести со скоростью 100 нм×с-2/год. Они имели циклический характер, были коррелированны с землетрясениями и указывали на увеличение подземных масс.
В СССР было создано около 50 прогностических геодинамических полигонов в основных сейсмоактивных районах. По результатам работ, выполненных на полигонах, получены ценные данные о закономерностях и свойствах деформационных процессов в конкретных областях; определены реакции разломных зон на землетрясения, происходящие вблизи них; выделены участки, где интенсивность реакции выше; изучены деформации в эпицентрах некоторых сильных землетрясений и извержений вулканов. Например, на Камчатке, где находится 141 вулканов, из которых 28 считаются действующими, активная вулканическая деятельность сочетается с высокой сейсмичностью. Повторными измерениями на геодинамических полигонах зафиксированы деформации, предваряющие и сопровождающие извержения вулканов.
Геодезические наблюдения движений и деформаций наряду с наблюдениями изменений силы тяжести и сейсмичности вулканических разломов дают объективную информацию для прогноза вулканической деятельности. Обобщая наблюдения на разных вулканах мира, можно обнаружить общие закономерности хода вулканических деформаций: растяжения и поднятия перед извержением и сжатия и опускания во время извержения и в последующий период. Накопленная информация, возможно, позволит в будущем прогнозировать вулканические катастрофы.
Наряду с традиционными геодезическими измерениями при геодинамических исследованиях успешно используются спутниковые системы «НАВСТАР» и «ГЛОНАСС», лазерная локация Луны и радиоинтерферометрия со сверхдлинной базой. Повторные измерения GPS-системами с диапазоном расстояний от десятков до тысяч километров с точностью 1×10-7, лазерные измерения до ИСЗ и Луны, длиннобазисная радиоинтерферометрия являются ценными методами для определения глобальных движений плит и крупномасштабных деформаций внутри них.
Планетарные асимметрии суши и океана, рельефа Земли, гидросфера и атмосфера, находящиеся в постоянном движении, обусловливают сложную динамику фигуры нашей планеты под влиянием деформационных сил из-за собственного вращения Земли и переменных потенциальных полей в космической системе Солнце-Земля-Луна.
Основные движения Земли
.
Движение Земли - перемещение Земли относительно некоторой выбранной системы координат. Земля совершает четыре вида движения:
- движение вместе с Солнечной системой вокруг центра Галактики;
- движение вокруг Солнца по эллиптической орбите, близкой к круговой;
- вращение вокруг собственной оси;
- обращение вокруг общего с Луной центра масс.
Рассмотрим два основных вида движения Земли:
· обращение вокруг Солнца;
· вращение вокруг собственной оси.
Оба эти вида движения Земли в высшей степени сложны. Орбитальное движение постоянно возмущается притяжением других тел солнечной системы. Вращение Земли вокруг собственной оси возмущается притяжением Солнца, Луны и планет, несовпадением мгновенной оси вращения Земли с главной полярной осью её инерции, большими неоднородностями плотностей и перемещениями масс в теле Земли, движением масс на поверхности и в её атмосфере.
Орбитальное движение Земли не зависит от её вращения около неподвижной точки, за которую принимают её центр масс, хотя его положение непостоянно из-за перемещения масс Земли. В абсолютно твёрдой Земле центр масс представляет собой точку, не имеющую движения, а все остальные точки вращаются вокруг мгновенной оси, проходящей через центр масс. Вращательное движение зависит от положения Земли относительно Солнца, Луны и планет.