Методические рекомендации для подготовки к семинару

ТЕМА № 6. ЗЕМЛЯ КАК ПРЕДМЕТ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

СЕМИНАР

Понятия

Земная кора, гидросфера, атмосфера, магнитосфера, суперконтинент.

Ученые

Альфред Вéгенер, Жорж Кювье, Чарльз Лайель.

Темы сообщений и презентаций

1. Происхождение Земли.

2. Исследование внутреннего строения Земли.

План семинара

1. Земля как космический объект.

2. Строение Земли.

ЗЕМЛЯ КАК КОСМИЧЕСКИЙ ОБЪЕКТ

Земля является одной из планет земной группы. Она превышает остальные планеты этой группы по размеру и по массе, имеет самое сильное гравитационное и магнитное поле.

Земля близка к шарообразной форме, но несколько сплюснута на полюсах. Ее средний диаметр равен приблизительно 12 742 км. Из-за вращения Земли ее экваториальный диаметр на 43 км превышает расстояние между полюсами.

Земля совершает один оборот вокруг своей оси за 23 часа 56 минут 4,091 секунду. Этот период называется звездными сутками. За каждое столетие это время сокращается на 0,0014 секунды.

Земля находится на расстоянии около 150 000 000 км от Солнца. Она движется по эллиптической орбите со средней скоростью 29,765 км/с. В перигелии, т.е. на минимальном расстоянии, эта скорость достигает 30,27 км/с, а в афелии – на максимальном расстоянии, снижается до 29,27 км/с.

Земля совершает один полный оборот вокруг Солнца за 365,2564 средних солнечных суток. Это время называется звездным годом. Скорость движения Земли вокруг Солнца в течение года меняется. В перигелии Земля находится 3 января, и в этот день ее орбитальная скорость максимальна. После его прохождения она начинает уменьшаться. В афелии Земля пребывает 4 июля. В этот день ее скорость минимальна. Когда Земля проходит эту точку, ее скорость начинает возрастать.

Солнечная система обращается вокруг центра Нашей Галактики практически по круговой орбите со скоростью около 220 км/с. Сама же Галактика движется со скоростью около 20 км/с по направлению к точке, которая находится на границе созвездий Лиры и Геркулеса. Таким образом, Земля движется в пространстве по винтовой линии. Это движение обусловлено тем, что Земля обращается вокруг Солнца, а Солнце – вокруг центра Нашей Галактики.

Линия, соединяющая полюса Земли, называется земной осью. Это ось, вокруг которой наша планета вращается. Она наклонена по отношению к плоскости земной орбиты, поэтому на Земле происходит смена времен года. Когда в северное полушарие приходит лето, в южном еще царит зима, и наоборот. Например, февраль в северном полушарии – последний месяц зимы и самый холодный, в южном полушарии он – последний месяц лета и самый теплый.

Полюса Земли смещаются относительно поверхности на несколько метров. Незначительно меняется и скорость ее вращения вокруг своей оси, иными словами, продолжительность суток.

На расстоянии около 1 500 000 км от Земли влияние земной гравитации сравнивается с влиянием гравитации планет и Солнца. Сфера с таким радиусом называется сферой Хилла. Внутри нее гравитационное воздействие Земли превышает прочие воздействия.

Астрономы и геологи считают, что Земля и другие планеты Солнечной системы сформировались около 4,5 млрд. лет назад. Наиболее авторитетна следующая картина образования Земли. При извержении вулканов из недр Земли выделялись газы. Некоторая часть наиболее легких из них рассеивалась в космическом пространстве. В результате этих процессов образовалась первичная атмосфера Земли.

Водяной пар конденсировался и превращался в воду. Кометы – ледяные глыбы – падали на Землю, увеличивая ее водную массу. Эти процессы сформировали первичный океан.

Организмы, которые научились использовать кислород при обмене веществ, выделяли его, и атмосфера постепенно обогащалась кислородом. Этот процесс привел к образованию озонового слоя.

СТРОЕНИЕ ЗЕМЛИ

Земля имеет внутреннее слоистое строение. Этими слоями являются кора, мантия и ядро. Ядро состоит из двух частей. Внешняя часть жидкая, внутренняя – твердая. Кору покрывают гидросфера ‒ водная оболочка, и атмосфера – воздушная оболочка. Вероятно, в центре Земли температура достигает 7 000 К, а давление – 3 600 атмосфер.

Рассмотрим более подробно оболочки Земли.

Земная кора – верхняя часть твердой оболочки Земли.

Ее толщина ‒ несколько десятков километров. Под материками она составляет в среднем 30 – 40 км, под мощными горными хребтами ‒ приблизительно в два раза больше, а под океанами – около 10 км.

Земная кора – сокровищница полезных ископаемых. В ней залегают каменный уголь, нефть, газ, руды черных и цветных металлов, минеральные удобрения.

Вещества, составляющие земную кору, состоят преимущественно из восьми химических элементов. Это кислород, кремний, алюминий, железо, кальций, магний, натрий и калий. Половина всей массы земной коры приходится на кислород. В основном он содержится в виде окислов металлов.

Мантия – силикатная оболочка Земли, сложенная преимущественно породами, состоящими из силикатов магния, железа, кальция и других элементов.

Силикаты – соединения, содержащие кремний. Мантия простирается от границы с земной корой до границы с ядром, на глубине приблизительно 2 900 км. Процессы, происходящие в ней, определяют движение тектонических плит, образование магмы, вулканическую деятельность.

Мантия состоит из двух шаровых слоев. Верхний слой твердый толщиной около 900 км, нижний – жидкий, но очень вязкий, имеет толщину порядка 2 000 км.

Рис. 26. Внутреннее строение Земли[1]. Земля состоит из нескольких слоев: ядра, мантии и коры. Внутреннее ядро твердое, поскольку его вещество подвержено колоссальному давлению, превышающему атмосферное приблизительно в 3 млн. раз. Его радиус составляет около 1200 км. Внешнее ядро жидкое. Его толщина ‒ приблизительно 2250 км. Мантия состоит, в основном, из пород, содержащих кремний. Ее нижняя часть расположена на таком расстоянии от горячего ядра, что находится в жидком состоянии, хотя весьма вязком. Верхняя часть мантии твердая. Толщина мантии – около 2900 км. Кора богата полезным ископаемыми. Ее толщина в среднем составляет несколько десятков километров. Под океаном она тоньше, а под материками толщина коры доходит до 70 км. Кора и твердая часть мантии составляют литосферу, которая разделена на несколько тектонических плит.

Ядро радиусом около 3 500 км состоит из жидкого внешнего ядра и внутреннего твердого. Оно представляет собой сплав железа и никеля с примесью других элементов.

Жидкое внешнее ядро является источником магнитного поля Земли, которое защищает все живые организмы от потока космических лучей. Они истекают из глубин Галактики и от Солнца. Без магнитного поля наша планета давно превратилась бы в мертвое космическое тело. Видимо, такое случилось с Марсом. Поскольку он значительно меньше Земли, то и остыл раньше, и его прежде жидкое ядро затвердело. Это повлекло за собой исчезновение магнитного поля, а вместе с ним – и жизни. Палеомагнитные исследования – исследования древнего магнитного поля – показывают, что в течение последних нескольких десятков миллионов лет магнитные полюса Земли периодически менялись местами.

Рис. 27. Изменение температуры и плотности пород с глубиной[2]. Слева представлены две шкалы. Одна показывает глубину залегания породы, другая – ее температуру. Шкала справа показывает возрастание плотности породы с глубиной залегания.

Температура внутреннего ядра составляет тысячи градусов. Но, тем не менее, вещество этого слоя находится в твердом состоянии. Причина заключается в огромном давлении, при котором температура плавления вещества гораздо выше, чем при нормальных условиях.

Когда вещества в земной коре перемещаются, могут возникать глубокие трещины, в которых образуются пустоты. Это области пониженного давления. Уменьшение давления приводит к расплавлению твердых пород. Образуется магма – жидкая раскаленная масса. Под давлением она растекается по трещинам. В одних она застывает, в других вырывается наружу. Так происходит извержение вулканов. Вулкан – естественная домна, в которой плавится множество ценнейших металлов и минералов.

Гидросфера Земли ‒ совокупность водных объектов земного шара: океанов, морей, рек, озер, водохранилищ, болот, подземных вод, ледников и снежных покровов.

Вода обладает многими уникальными физическими и химическими свойствами. Она – хороший растворитель. Поэтому в ней содержится много химических элементов и огромное количество их соединений, необходимых для жизни.

У воды высокая теплоемкость, теплота плавления и парообразования. Она испаряется с огромных площадей поверхности Земли и океанов и выпадает дождем и снегом. Этот круговорот оказывает огромное воздействие на формирование климата. Водяные пары, проникая в атмосферу, сохраняют тепло Земли. Чем больше воды испаряется над данным регионом, тем мягче его климат.

Различают две разновидности климата – континентальный и морской. На континентах в течение года происходят резкие колебания температуры. Морской климат их смягчает.

У воды – большая теплоемкость. Это означает, что для нагревания на 1 К 1 кг воды требуется в несколько раз больше энергии, чем для нагревания на 1 К других веществ той же массы, например, металлов. Но у этого свойства есть и обратная сторона: остывая, вода выделяет тепла в несколько раз больше, чем другие вещества. Не случайно мировой океан называют печкой планеты. В теплое время года океанская вода прогревается медленнее суши и поэтому охлаждает воздух. А зимой теплая вода океана согревает холодный воздух.

Атмосфера ‒ воздушная оболочка Земли.

Днем она защищает живые существа от палящих лучей Солнца, ночью сохраняет накопленное за день тепло.

Основные химические элементы, составляющие атмосферу, – азот и кислород. Также она содержит в гораздо меньшем количестве углекислый газ, аргон, водород, озон, водяной пар.

Условно атмосфера разделяется на несколько слоев.

Тропосфера.Нижняя часть атмосферы. Она простирается от поверхности Земли до высоты от 8 до 18 км. В тропосфере образуются облака, дождь, снег, град, ветер. Поэтому ее называют «фабрикой» погоды.

Стратосфера. Находится на высоте от 8 ‒ 16 км до 45 ‒ 55 км. Здесь постоянная ясная погода. Именно в стратосфере находится озоновый слой, который защищает живые организмы на Земле от губительного действия ультрафиолетового излучения Солнца. Он простирается на высоте от 10 до 50 км. Если мысленно извлечь весь озон атмосферы и сжать под нормальным давлением, то получится слой толщиной всего 3 мм.

Самая внешняя часть атмосферы вытянута и напоминает хвост кометы. Длина такого образования – порядка 100 000 км. Вероятнее всего, он сформировался благодаря давлению солнечного света.

Взаимодействие атмосферы с океаном и сушей определяет погоду и климат. Климат – состояние погоды определенного региона за длительный период времени.

Изменение климата Земли происходит в виде различных циклов. Наиболее ярким проявлением этой цикличности являются оледенения. Исследования осадочных пород на дне океанов, исследования образцов льда, извлеченных из глубоких скважин Антарктиды и Гренландии, говорят о том, что за последние два миллиона лет Земля пережила порядка двух десятков ледниковых периодов.

На Земле постоянно протекают два противоположных процесса. С одной стороны, происходит выветривание и снос вещества в океан. С другой стороны, из океанов поднимается земная кора. Без этих поднятий Земля покрылась бы сплошным слоем воды.

Тектоническая активность, т.е. деятельность вулканов, перемещения тектонических плит, движение материков, говорят о степени жизнеспособности планеты, и не только Земли. Если подобные процессы не происходят или значительно сокращаются, это означает, что планета умерла или близка к этому. Такой вывод можно сделать, поскольку при тектонической деятельности происходит обмен веществом и энергией между поверхностью и недрами планеты.

В настоящее время Земля проявляет высокую тектоническую активность. А это означает, что ее геологическая история продолжается. Периодически происходят извержения вулканов и землетрясения, которые иногда носят катастрофический характер.

Магнитосфера ‒ область, на которую простирается магнитное поле Земли. Это ее самая внешняя оболочка. В этой области околоземного пространства происходит взаимодействие магнитного поля и космических лучей ‒ потоков частиц, прилетающих к Земле из глубин Галактики и от Солнца. С дневной стороны магнитосфера простирается до двух десятков земных радиусов, а с ночной – до нескольких сотен, образуя магнитный хвост Земли.

Важнейшие положения темы № 6 «Земля

как предмет естествознания»

Земля имеет внутреннее слоистое строение. Этими слоями являются кора, мантия и ядро. Земная кора – верхняя часть твердой оболочки Земли, сокровищница полезных ископаемых. Мантия состоит из силикатов – соединений, содержащих кремний. Верхний слой мантии твердый, нижний – жидкий, но очень вязкий. Ядро представляет собой сплав железа и никеля с примесью других элементов. Ядро состоит из двух частей, внешняя часть жидкая, внутренняя – твердая. Жидкое внешнее ядро является источником магнитного поля Земли, которое защищает все живые организмы от потока космических лучей. Они истекают из глубин Галактики и от Солнца. Без магнитного поля наша планета давно превратилась бы в мертвое космическое тело.

Гидросфера Земли ‒ совокупность водных объектов земного шара: океанов, морей, рек, озер, водохранилищ, болот, подземных вод, ледников и снежных покровов. Вода обладает многими уникальными физическими и химическими свойствами. Она – хороший растворитель. Поэтому в ней содержится много химических элементов и огромное количество их соединений, необходимых для жизни.

Атмосфера ‒ воздушная оболочка Земли.Днем она защищает живые существа от палящих лучей Солнца, ночью сохраняет накопленное за день тепло. Взаимодействие атмосферы с океаном и сушей определяет погоду и климат.

Вопросы для самоконтроля

1. Опишите движение Земли в мировом пространстве.

2. Из каких внутренних слоев состоит Земля?

3. Что такое земная кора?

4. Что такое мантия Земли?

5. Из каких слоев состоит ядро Земли?

6. Опишите процесс извержения вулкана.

7. Какую роль в жизни живых существ играет жидкое ядро?

8. Что такое гидросфера Земли?

9. Как мировой океан влияет на климат планеты?

10. Из каких слоев состоит атмосфера Земли?

Контрольные вопросы

1. Ближайшее расстояние Земли от Солнца приходится на 3 января, а наибольшее – на 4 июля. Почему же в Северном полушарии в январе холоднее, чем в июле?

2. Почему вещества внутреннего ядра Земли, находящиеся при огромной температуре, являются твердыми?

3. В чем заключается различие между географическими и магнитными полюсами Земли?

Литература к семинару по теме № 6 «Земля

как предмет естествознания»

Основная литература

Бабушкин А. Н. Современные концепции естествознания. СПб., Лань, 2000. С. 125 – 165.

Данилова В. С., Кожевников Н. Н. Основные концепции современного естествознания. М., Аспект Пресс, 2001. С. 163 – 189.

Дубнищева Т. Я. Концепции современного естествознания. М., ИВЦ «Маркетинг»; Новосибирск, ЮКЭА, 2000. С. 518 – 563.

Европедия. Популярный энциклопедический иллюстрированный словарь. М., ОЛМА-Пресс, 2003. Магистр-пресс, 2000 – 2001.

Лихин А. Ф. Концепции современного естествознания. М., Проспект, 2004. С. 174 – 191.

Современное естествознание в 10 т. Т. 9. Науки о Земле. М., 2000.

Дополнительная литература

Горелов А. А. Концепции современного естествознания. М., Центр, 1998. С. 56 – 57.

Карпенков С. Х. Концепции современного естествознания. М., Культура и спорт, ЮНИТИ, 1997. С. 235 – 247.

Методические рекомендации для подготовки к семинару

по теме № 6 «Земля как предмет естествознания»

Происхождение Земли. При раскрытии этой темы интересно сопоставить две группы гипотез образования Земли: «холодную» и «горячую». По одной точке зрения, изначально холодная Земля постепенно разогревалась, по другой, – изначально горячая Земля остывала. Пьер Симон Лаплас был сторонником первой точки зрения. Его гипотеза образования Солнечной системы, а, значит, и Земли, сохраняла своих приверженцев около ста лет.

В начале XX века американские ученые геолог Томас Чемберлен и астроном Форест Мультон предложили гипотезу планетезималей, а Джеймс Джинс математически ее обосновал. Суть ее заключается в том, что в прошлом одна звезда оказалась на достаточно близком расстоянии от Солнца, а их взаимное притяжение вырвало из обеих звезд гигантские протуберанцы, и так образовался «межзвездный мост». Он распался на капли, которые остывали и превращались в планеты. Таким образом, по этой гипотезе, Земля изначально была горячей.

Однако во второй половине XX века были обнаружены неточности в гипотезе планетезималей. По расчетам, средняя часть «межзвездного моста» должна быть неподвижной. Напротив, возрос интерес к гипотезе сгущения газопылевого облака. Расчеты показали, что газ и пыль в первоначальном газопылевом облаке ведут себя по-разному. Пыль сжимается в плоский диск, из которого формируются планеты, а газ концентрируется в шар – будущее светило. Таким образом, опять маятник мнений направился в сторону «холодной» гипотезы. Специалисты полагают, что в изначально холодной Земле легкие вещества поднимались вверх, а тяжелые опускались вниз под действием гравитации, и это разогревало планету. Был обнаружен и второй источник энергии, разогревающей Землю, – распад радиоактивных элементов. При раскрытии этой темы интересно рассуждение о том, что в науке возможно возвращение к прежде забытым гипотезам.

Исследование внутреннего строения Земли. В данном сообщении следует, прежде всего, рассказать о методе исследования недр нашей планеты с помощью сейсмографа. Этот прибор состоит из двух частей: тяжелой и легкой. Во время землетрясений легкая совершает более интенсивные колебания, чем тяжелая, а это означает, что они смещаются друг относительно друга. Эти смещения могут фиксироваться с помощью пера и вращающегося барабана. Записи прибора называются сейсмограммами. Сейсмические волны способны пронизывать всю планету.

Важно отметить, что именно анализ сейсмограмм позволил определить внутреннее строение Земли. В 1906 году британский сейсмограф Ричард Олдем доказал существование ядра Земли. В 1936 году датский сейсмограф Инге Леманн пришла к выводу о том, что у Земли имеется два ядра. Олдем открыл внешнее ядро, а Леманн – внутреннее.

[1] http://www.nnre.ru/nauchnaja_literatura_prochee/pjat_nereshennyh_problem_nauki/p9.php

[2] http://www.bestreferat.ru/referat-192547.html