Общая характеристика физического взаимодействия

Исторически первым был сформулирован принцип дальнодействия - взаимодействие между телами происходит мгновенно на любом расстоянии, без каких-либо материальных носителей и посредников (агентов взаимодействия).

Принцип близкодействия, который в настоящее время существует в двух вариантах. Первый вариант был предложен М. Фарадеем, который считал, что взаимодействие между телами переносится полем от точки к точке с конечной скоростью. В XX в. принцип близкодействия был уточнен, в его современном варианте утверждается, что каждое фундаментальное физическое взаимодействие переносится соответствующим полем от точки к точке со скоростью, не превышающей скорость света в вакууме.При физическом взаимодействии между двумя телами происходит частичный обмен импульсом и энергией. С точки зрения современной науки физическое взаимодействие всегда подчиняется принципу близкодействия, т.е. идет с некоторым запаздыванием. В основе каждого фундаментального физического взаимодействия лежит изначально присущее веществу особое свойство, природу которого удастся выяснить лишь в ходе дальнейших исследований природы вещества и вакуума. В качестве носителя способности частиц к взаимодействию, а также количественной мерой самого взаимодействия служит понятие заряда. Каждая частица изначально обладает одним или несколькими зарядами, причем между собой взаимодействуют только однотипные заряды, а заряды разных типов друг друга «не замечают». Наименьшее дискретное значение заряда — квант — называют единичным зарядом. Согласно современным представлениям любое взаимодействие происходит в соответствии с принципом близкодействия. Скорость передачи воздействия ограничена фундаментальным пределом — скоростью света. Воздействие передается через среду, разделяющую взаимодействующие частицы. Такой средой является вакуум, который в обыденном представлении ассоциируется с пустотой. На самом деле вакуум — это реальная физическая система, поле с минимальной энергией. Из него можно получить все другие состояния поля. В процессе физического взаимодействия всегда участвуют только частицы-фермионы (частицы вещества), а переносят взаимодействие частицы-бозоны (кванты полей).Таким образом, теория физического взаимодействия использует следующую модель процесса:

заряд-фермион создает вокруг частицы поле, порождающее присущие ему частицы-бозоны. Заряд частицы возмущает вакуум, и это возмущение с затуханием передается на определенное расстояние; частицы поля являются виртуальными — существуют очень короткое время и в эксперименте не могут быть обнаружены; оказавшись в радиусе действия однотипных зарядов, две реальные частицы начинают стабильно обмениваться виртуальными бозонами: одна частица испускает бозон и тут же поглощает идентичный бозон, испущенный частицей-партнером, и наоборот; обмен бозонами создает эффект притяжения или отталкивания частиц-хозяев.

Лекция 3. Современная физика о развитии природы

План:

1. Происхождение и эволюция Вселенной

2. Модель нестационарной Вселенной Фридмана

1. Космология – наука о Вселенной в целом, ее строении, происхождении и эволюции. Космогония – это наука о происхождении и эволюции различных структурных форм самоорганизации материи во Вселенной: планет, звезд, галактик, скоплений галактик и т.п.

Вселенная – это весь существующий материальный мир, безграничный во времени и пространстве и бесконечно разнообразный по формам, которые принимает материя в процессе своего развития. Метагалактика – часть Вселенной, доступная исследованию астрономическими средствами, соответствующими достигнутому уровню развития науки.

Единицы измерения расстояний в мегамире: Астрономическая единица (а.е.) – среднее расстояние от Земли до Солнца (1,5×1011 м). Световой год – расстояние, которое проходит свет в течение одного года (9,46×1015м). Парсек (параллакс-секунда) – расстояние, на котором годичный параллакс земной орбиты (т.е. угол, под которым видна большая полуось земной орбиты, расположенная перпендикулярно лучу зрения) равен одной секунде. Это расстояние равно 206265 а.е. = 3,08×1016м = 3,26 св. г. Пространственные масштабы Вселенной: расстояние до наиболее удалённых из наблюдаемых объектов более 10 млрд. световых лет.

Наше Солнце – звезда третьего поколения. Оно образовалось около 5 млрд. лет назад из космического газа и пыли. Солнце расположено от центра нашей Галактики, Млечный Путь на расстоянии 28000 св. лет и вращается вокруг ее ядра со скоростью примерно 250 км/с. Солнце состоит в основном из водорода и гелия. Строение Солнца: ядро, зона излучения, зона конвекции, фотосфера, хромосфера, солнечная корона. Проявление Солнечной активности: пятна, вспышки, факелы, протуберанцы. Строение Солнечной системы. Вокруг Солнца вращаются 8 планет: Меркурий, Венера, Земля, Марс (земная группа); Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун (планеты-гиганты). В Солнечной системе есть также большое числомалых тел – астероидов, комет, метеоритов и метеоров. С 2006 г. Плутон (когда-то девятую планету) стали считать малым телом Солнечной системы.

Планеты земной группы сравнительно невелики, медленно вращаются вокруг своих осей, у них мало спутников (у Меркурия и Венеры нет). У Меркурия атмосферы практически нет, очень плотная атмосфера Венеры состоит, в основном, из СО2. Земля имеет плотную азотно-кислородную атмосферу. Сильноразреженная атмосфера Марса состоит в основном из CО2.

Поверхность планет Земной группы твердая, гористая.

Планеты-гиганты. Это большие газо-жидкие планеты. Эти планеты быстро совершают один оборот вокруг своей оси (9-18 часов). Гиганты и их атмосферы состоят из легких элементов: водорода и гелия. Уран и Нептун содержат в себе метан, аммиак, воду и другие не слишком тяжелые соединения. В центре гигантов есть небольшое твердое ядро, возможно, состоящее из водорода, обладающего металлическими свойствами. Планеты- гиганты окружены естественными спутниками (в количестве от 8 до 18).

Гипотезы происхождения Солнечной системы: Объединенная гипотеза И.Канта (1755 г.) и П.С.Лапласа (1796 г.): Солнечная система возникла из газопылевой туманности, которая находилась в состоянии вращения. От туманности вследствие центробежных сил отделялись кольца, из которых впоследствии образовались планеты. Д.Х.Джинс (1917 г.): образование планет связано с близким прохождением около Солнца другой звезды. За счет приливных сил из Солнца была выброшена струя газа, из которого впоследствии и сформировались планеты. О.Ю.Шмидт (1943 г.): Солнце могло захватить из Галактики материю другого газопылевого облака, и из этого материала создавались планеты. Звезда – это пространственно обособленная, гравитационно связанная, непрозрачная для излучения масса вещества, в которой естественнымобразом происходили, происходят или с необходимостью будут происходить реакции термоядерного синтеза. Основными характеристиками звезд являются: масса, радиус, абсолютная величина, характеризующая ее светимость, температура, спектральный класс. Спектральный класс звезды, или ее цвет, характеризует и ее температуру. Так, звезды красного цвета имеют температуру поверхности около 4000 К, желтого цвета (как наше Солнце) – 6000 К, а горячие звезды с температурами больше 10000 К видятся нам белыми и голубыми. Эволюция звезд. Возникновение газо-пылевого облака (глобулы) в местах высокой плотности вещества, протозвезда, настоящая звезда Главной последовательности, красный гигант. Этапы эволюции звезд при разных массах: белый карлик, черный карлик; сверхновая звезда, нейтронная звезда; черная дыра.

Галактики – системы из миллиардов звёзд, связанных взаимным тяготением и общим происхождением. Наша Галактика – Млечный Путь состоит из более 150 млрд. звёзд, диаметр ее около 100 тыс. световых лет. Она имеет форму диска с утолщением в центре, рукава Галактики имеют спиральную форму. Самые многочисленные звезды в нашей Галактике — это карлики (массой примерно в 10 раз меньше массы Солнца). Межзвездное пространство заполнено полями (электромагнитным и гравитационным) и разреженным межзвездным газом.

По внешнему виду все галактики делятся на эллиптические, спиральные и неправильные. В 1963 г. во Вселенной были открыты квазары – звездоподобные источники излучения с широким диапазоном длин волн от рентгеновских лучей до радиоволн и световых лучей. Это – весьма удаленные от нас объекты Вселенной.

К настоящему времени их насчитывается более тысячи. По современным представлениям квазары – это активные ядра далеких галактик. Эволюция галактик. Вначале Галактика представляла собой медленно вращающееся гигантское газовое облако, которое под действием собственнойгравитации сжималось. В ходе этого сжатия рождались первые звезды, и происходило постепенное разделение звездной и газовой составляющих Галактики. Выделяющаяся при сжатии энергия гравитации переходила в кинетическую энергию движения звезд и газа. В итоге кинетическая энергия везд достигла значения, при котором дальнейшее сжатие поперек оси вращения стало невозможным. Подсистема самых старых звезд, возникших в начале коллапса протогалактики, сохранила первоначальную сферическую форму. Сжатие газа вдоль оси вращения продолжалось, что привело к формированию тонкого газового диска. Впоследствии формирующиеся в нем звезды образовали вращающуюся дисковую спиральную подсистему. В результате продолжающейся гравитационной конденсации в Галактике происходит непрерывное образование звезд из межзвездного газа.

Разбегание галактик. В 1929 г. американский астроном Хаббл обнаружил, что линии в спектрах многих галактик смещены к красному концу спектра, следовательно, расстояние между нашей Галактикой и другими увеличивается. Расширение Метагалактики говорит о том, чтоВселенная нестационарна, она изменяется, эволюционирует, что еще раз подтверждает всеобщий, универсальный характер принципа эволюции.

Модели строения Вселенной. Космологические представления Аристотеля: шарообразная неоднородная Вселенная. Геоцентрическая система мира Птолемея. Гелиоцентрическая система мира Коперника. И.Ньютон: Вселенная безграничная, бесконечная, однородная и неизменная. А.Эйнштейн: Вселенная однородна, изотропна и равномерно заполнена материей, преимущественно в форме вещества. А.А.Фридман: Вселенная нестационарна. Наблюдательное подтверждение нестационарности селенной: красное смещение в спектрах галактик, возникающее благодаря ффекту Доплера при их удалении от наблюдателя (разбегание галактик).

Модель большого взрыва Г.Гамова. Возраст Вселенной – 15-12 млрд. лет. По непонятным науке причинам Вселенная внезапно возникла в очень малом, практически точечном объеме чудовищной плотности и температуры(сингулярности) и стала стремительно расширяться. Различные эпохи нашей Вселенной: рождение пространства-времени, стадия инфляции, рождение вещества, рождение избытка барионов, электрослабый фазовый переход, кварки и глюоны – рождение протонов и нейтронов, первичный нуклеосинтез, доминирование темной материи, рекомбинация водорода, образование крупномасштабной структуры Вселенной. Основные наблюдательные тесты теории: распространенность легких элементов в космосе; красное смещения спектров удаленных галактик, открытие и исследование крупномасштабной структуры Вселенной; гравитационные линзы; реликтовое электромагнитное излучение, которое по интенсивности соответствует тепловому излучению абсолютно черного тела притемпературе около 3 К.

2. Модель нестационарной Вселенной Фридмана

А. А. Фридман на основании строгих расчетов установил, что Вселенная никак не может быть стационарной. Фридман сделал это открытие, опираясь на сформулированный им космологический принцип, строящийся на двух предположениях: об изотропности и однородности Вселенной. Изотропность Вселенной понимается как отсутствие выделенных направлений, одинаковость Вселенной по всем направлениям. Однородность Вселенной понимается как одинаковость всех точек Вселенной. Фридман доказал, что уравнения Эйнштейна имеют решения, согласно которым Вселенная может расширяться либо сжимать­ся. При этом речь шла о расширении самого пространства, т. е. об увеличении всех расстояний мира. Вселенная Фридмана напо­минала раздувающийся мыльный пузырь, у которого и радиус, и площадь поверхности непрерывно увеличиваются.
Первоначально модель расширяющейся Вселенной носила гипотетический характер и не имела эмпирического подтверж­дения. Однако в 1929 г. американский астроном Э. П. Хаббл обнаружил эффект «красного смещения» спектральных линий (смещение линий к красному концу спектра). Это было истолковано как следствие эффекта Допплера – изменение частоты колебаний или длины волн из-за движения источника волн и наблюдателя по отношению друг к другу. Красное смещение было объяснено как следствие удаления галактик друг от друга со скоростью, возрастающей с расстоянием (примерно 55 км/с на каждый миллион парсек). В результате своих наблюдений Хаббл обосновал представление, согласно которому Вселенная – это множество галактик, разделенных между собой огромными расстояниями. Фридман предложил три модели Вселенной. А. А. Фридман показал, что решения уравнений общей теории относительности для Вселенной позволяют построить три возможные модели Вселенной. В двух из них радиус кривизны пространства монотонно растет и Вселенная бесконечно расширяется (в одной модели – из точки; в другой – начиная с некоторого конечного объема). Третья модель рисовала картину пульсирующей Вселенной с периодически изменяющимся радиусом кривизны. Выбор моделей зависит от средней плотности вещества во Вселенной. По какому из этих вариантов идет эволюция Вселенной, зависит от отношения гравитационной энергии к кинетической энергии разлета вещества. Если кинетическая энергия разлета вещества преобладает над гравитационной энергией, препятствующей разлету, то силы тя­готения не остановят разбегания галактик, и расширение Вселенной будет носить необратимый характер. Этот вариант динамичной модели Вселенной называют «открытой Вселенной». Если же преобладает гравитационное взаимодействие, то темп расширения со временем замедлится до полной остановки, пос­ле чего начнется сжатие вещества плоть до возврата Вселенной в исходное состояние сингулярности (точечный объем с бесконеч­но большой плотностью). Такой вариант модели назван осциллирующей, или «закрытой Вселенной». В случае, когда силы гравитации равны энергии разлета вещества, расширение не прекратится, но его скорость со временем будет стремиться к нулю.

Лекция 4.

Основные понятия и концепции современной химии

План:

1. Проблема химического элемента.

2. Концепции структуры химических соединений

1.Проблема химического элемента.

В XVII веке Р. Бойлъ положил начало представлению о хи­мическом элементе как о простом теле, пределе химического разложения вещества, переходящем без изменения из состава сложного тела в другое. Основоположником системного подхода в химии стал Д.И. Менделеев. Он считал, что любое точное зна­ние составляет систему. Системный подход позволил ему в 1869 г. открыть периодический закон и разработать Периодиче­скую таблицу химических элементов. Этот закон у него звучал так:

Свойства простых тел, а также формы и свойства соединений эле­ментов находятся в периодической зависимости от величины атом­ных весов элементов. Свойства простых веществ, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины зарядов ядра атомов (порядкового номера).

Наиболее химически активными являются элементы с ми­нимальной атомной массой и имеющие 1 или 2 (металлы) или 6—7 (щелочи) электронов на внешнем электронном уровне. В настоящее время известно свыше 110 химических элемен­тов, из которых 98,6% массы поверхностного слоя Земли прихо­дятся на восемь: кислород (47%), кремний (27,5%), алюминий (8,8%), железо (4,6%), кальций (3,6%), натрий (2,6%), калий (2,5%) и магний (2,1%). Понятно, что не все химические эле­менты используются в равных долях, поэтому перед современ­ной химией встала проблема рационального использования хи­мических элементов.

Прежде всего, решение данной проблемы должно проявлять­ся в замене одних элементов на другие (более доступные и де­шевые). Например, вовлечение новых химических элементов в производство материалов, замена металлов керамикой в различ­ных областях человеческой деятельности. В мире ежегодно про­изводится 600 млн. т металла, керамики вместе с кирпичом при­мерно столько же. Однако применение керамики по сравнению с металлом имеет ряд преимуществ. Во-первых, металл в произ­водстве обходится в тысячи раз дороже, чем керамика. Во-вторых, керамические изделия имеют плотность на 40% ниже плотности металлов, что позволяет снизить массу изготовляемых из керамики изделий. В-третьих, благодаря внедрению в произ­водство новых химических элементов (цирконий, титан и др.) стали получать изделия с заранее заданными свойствами — ог­неупорные, термостойкие, хемостойкие, высокотвердые, а также керамику с набором заданных электрофизических свойств. Так, в середине XX в. в России был получен сверхплотный материал -гексанит-Р — одна из разновидностей нитрида бора с темпера­турой плавления свыше 3000°С и твердостью, близкой к твердо­сти алмаза, и отсутствием хрупкости. Такую керамику можно производить путем прессования порошков с получением необ­ходимых форм любых размеров. Были получены керамики, обладающие сверхпроводимо­стью при температуре кипения азота, что открывает перспек­тивы для создания сверхмощных двигателей и электрогенера­торов, транспорта на магнитной подушке, для разработки сверхмощных магнитных ускорителей для вывода полезных грузов в космос и т.д.

С середины XX в. новые химические элементы стали ис­пользоваться и в синтезе элементорганических соединений от алюминия до фтора. Одни из этих элементов начали применять в качестве химических реагентов для лабораторных исследова­ний, а другие — для синтеза уникальных материалов. Подлин­ный переворот произошел в создании фторорганических соеди­нений, обладающих устойчивостью даже в очень агрессивных средах и особой поверхностной активностью. Некоторые ученые считают, что в живом организме не толь­ко присутствуют все химические элементы, но каждый из них выполняет определенную биологическую функцию. Вполне воз­можно, что эта гипотеза не подтвердится. Однако по мере того как развиваются исследования в данном направлении, выявля­ется биологическая роль все большего числа химических эле­ментов. Организм человека состоит на 60% из воды, 34% приходится на органические соединения и 6% — на неорганические. Ос­новными компонентами органических веществ являются угле­род, водород и кислород, в их состав входят также азот, фосфор и сера. В неорганических веществах организма человека обяза­тельно присутствуют 22 химических элемента. Большинство из них металлы, причем половину из них образуют соединения со сложными органическими молекулами. Например, известно, что марганец входит в состав 12 различных ферментов, железо — в 70, медь — в 30, а цинк — более чем в 100. Ученые договорились, что, если массовая доля элемента в организме превышает 0,01%, его следует считать макроэлемен­том . Доля микроэлементов в организме составляет 0,001— 0,00001%. Если содержание элемента ниже 0,00001%, его счита­ют ультрамикроэлементом. Конечно, такая градация условна. По ней магний попадает в промежуточную область между мак­ро- и микроэлементами. Микроэлементы называют жизненно необходимыми, если при их отсутствии или недостатке нарушается нормальная жиз­недеятельность организма. При малом поступлении данного элемента организму наносится существенный ущерб. Он функ­ционирует на грани выживания. В основном это объясняется снижением активности ферментов, в состав которых входит данный элемент. При избытке элементов проявляется их токси­ческое действие, в результате чего не исключается и летальный исход. Например, недостаток в организме железа, который входит в состав гемоглобина крови, приводит к анемии. А при его из­бытке возникает болезнь глаз и легких, так как соединения же­леза откладываются в тканях этих органов. Главным регулято­ром содержания железа в крови является печень. Недостаток в организме меди приводит к патологии кровеносных сосудов, патологическому росту костей, дефектам в соединительных тка­нях, возможно, служит одной из причин раковых заболеваний легких. Однако избыток меди в организме приводит к наруше­нию психики и параличу некоторых органов.

Жизненно необходимые элементы — натрий и калий функ­ционируют в паре. Эти ионы неравномерно распределены внут­ри клеток и вне клеток. Так, внутри клеток мышц, сердца, пе­чени и почек больше ионов калия, чем во внеклеточной среде. Концентрация ионов натрия, наоборот, выше вне клетки, чем внутри ее. При наступлении смерти концентрация калия и на­трия внутри и вне клетки сразу же выравнивается. Минеральные вещества, как и витамины, часто действуют как коферменты при катализе химических реакций, происходя­щих все время в организме. Выявление биологической роли отдельных химических эле­ментов в функционировании живых организмов (человека, жи­вотных, растений) — важнейшая задача, которую решают совме­стно химики, биологи и медики.

2. Концепции структуры химических соединений

В настоящее время имеются сведения о 8 млрд. индивиду­альных химических соединениях постоянного состава и о мил­лиарде — переменного. Наряду с классическими отраслями хи­мии (органической, неорганической, аналитической, физиче­ской), исследующими структуру вещества, появились сотни но­вых. Например, химия элементоорганических соединений, неф­техимия, химия силикатов и др. «Структурная химия» — понятие условное, речь идет о раз­витии химических знаний и структуре молекул. Структура - устойчивая упорядоченность качественно неизменной системы, каковой является молекула. Термин «структурная химия» подра­зумевает возможность создавать структурные формулы любого химического соединения, целенаправленного качественного преобразования веществ, синтеза любого химического соедине­ния, даже ранее неизвестного.Проблема химического соединения до недавнего времени у химиков не вызывала споров. Было общепринято, что нужно относить к химическим соединениям, а что — «к простым те­лам» или смесям. К простым веществам относились молекулы, состоящие из атомов одного типа. Однако в настоящее время к ним стали относить и твердые растворы: кристаллы, состоящие из разных атомов приблизительно в одинаковых количествах. Последнее оказалось связано с тем, что применение в последнее время физических методов открыло физическую природу хи­мизма, которая заключалась во внутренних силах, объединяю­щих атомы и молекулы в единую квантово-механическую систе­му. Этими силами являются химические связи, а они представ­ляют собой проявление волновых свойств валентных электронов.Классическое понятие молекулы в результате раскрытия фи­зической сущности химической связи претерпело изменения. Молекулой по-прежнему можно назвать наименьшею частицу вещества, способную определять его свойства и существовать самостоятельно, но теперь в число молекул вошли и такие не­обычные квантово-механические системы, как ионные, атомные и металлические монокристаллы и полимеры, образованные за счет водородных связей.

В настоящее время структурная химия из аналитической науки, занимающейся изучением состава готовых веществ, пре­вратилась в науку синтетическую, способную создавать новые вещества и материалы. Современная структурная химия достиг­ла больших результатов:

• благодаря появлению «органического синтеза» (синтез раз­нообразных веществ путем комбинирования всевозмож­ных органических радикалов) было создано огромное ко­личество лекарственных препаратов, химических средств защиты растений и т.д.;

• недавно был открыт новый класс металлорганических со­единений, которые за их двухслойную структуру получили название «сэндвичевых» соединений (молекула такого ве­щества состоит из двух пластин из соединений водорода и углерода, между которыми находится атом какого-либо металла);

• созданы и получены (искусственным путем) кристаллы с максимальным приближением к идеальной решетке для получения материалов с высокой механической прочно­стью, термостойкостью, долговечностью (такие кристаллы выращивают на орбитальных станциях в космосе, по­скольку необходимо исключить при их производстве внешние факторы, в том числе и притяжение Земли);

• получены кристаллы с запрограммированными дефектами решеток, чтобы иметь материалы с заданными электрофи­зическими свойствами. Известно, что реальные монокри­сталлы любых твердых тел всегда имеют дефекты: именно они становятся реакционными центрами при вхождении твердого тела в химические реакции. Однако производство таких кристаллов затруднено тем, что кроме запрограмми­рованных дефектов образуются и другие, нежелательные.

Лекция 5

Концептуальное содержание наук о Земле

План:

1. Внутреннее строение и история геологического развития Земли.

2. Современные концепции развития геосферных оболочек.

3. Литосфера как абиотическая основа жизни.

1. Внутреннее строение и история геологического развития Земли. Наша планета – крупнейшая из планет земной группы в Солнечной системе. Она состоит в основном из железа (32,1%), кислорода (30,1%), кремния (15,1%), магния (13,9%), серы (2,9%) и никеля (1,8%), все остальные вещества довольно редки и все вместе составляют не более 1,2%. Чтобы понять, каков состав Земли, нужно взглянуть на обстоятельства ее образования.
Современная наука считает, что Земля образовалась вместе с другими планетами Солнечной системы около 4,5 млрд. лет назад из вещества, вращавшегося беспорядочно вокруг юного Солнца. Благодаря магнитному полю, планета захватывала куски и обломки, вращавшиеся рядом, и росла. Сначала это происходило так бурно, что Земля сильно нагрелась – кинетическая энергия притягиваемого вещества превращалась в тепловую. Постепенно с ростом планеты эта энергия образовывалась уже не на поверхности, а в глубине, под влиянием температуры и гравитации вещество расслаивалось – более легкие вещества поднимались на поверхность и образовывали земную кору. По мере того, как Земля охлаждалась, кора затвердевала, а высвобождаемые при этом газы либо улетучивались в космос, либо, если были достаточно тяжелыми, задерживались притяжением планеты и образовывали атмосферу. Часть водяных паров впоследствии сконденсировалась и образовала мировые океаны. Соответственно, широкое распространение получила теория, что Земля состоит из твердого ядра, вязкой мантии и твердой коры. Эту теорию разработали в начале XX в. сейсмологи Г. Джеффрис и Б. Гуттенберг, и долгое время она считалась отправной точкой для всех исследований строения земли. Однако в середине прошлого века тщательные сейсмологические исследования позволили предположить, что строение земли более сложное. Так, ядро состоит из двух частей. Внутреннее ядро твердое, по радиусу оно не превышает 1225 км. Это самая плотная часть Земли, она состоит из металлов, преимущественно железа, а также радиоактивных изотопов калия-40, урана-238 и тория-232. Распад этих элементов обеспечивает образование внутренней энергии тепла планеты. Температура в ядре поднимается, как считается, до 7000 К, а давление достигает 360 ГПа. Внешняя часть ядра жидкая. За ядром следует мантия, составляющая 67% массы Земли и 83% ее объема. Мантия – толща частично расплавленного вязкого вещества, гораздо более плотного, чем внешняя часть ядра планеты, но все еще не твердого. Она состоит из перидотитов – пород, содержащих силикаты магния, железа, кальция. Так как мантия – самый широкий из слоев Земли, то физические условия во всей ее толще неодинаковы. Чем глубже к ядру планеты, тем выше давление, и вещества мантии претерпевают значительные изменения. На глубине примерно 660 км эти изменения становятся необратимыми, и там образуется граница, через которую мантийное вещество уже не может взаимопроникать.
Таким образом, мантия разделяется на два слоя – верхний и нижний. Нижний слой простирается до земного ядра, и за все время жизни нашей планеты он претерпел малозначительные изменения, верхний же расположен непосредственно под земной корой и образует ее. Между мантией и корой проходит четкая граница, определяемая исследованием движения сейсмических волн – граница Мохоровичича, названная так по фамилии югославского сейсмолога, обнаружившего ее еще в 1909 г.

Говоря о земной коре, образующей континенты, океаны и сушу, на которой мы все живем, нельзя не рассказать о теории литосферных плит. Наружная часть мантии, на которой расположена кора, является, по сути, перегретой вязкой жидкостью. В ней постоянно происходят тепловые процессы, приводящие к деформации литосферы – каменной оболочки Земли. Литосфера напоминает собой потрескавшееся яйцо, где каждая скорлупка – это литосферная плита. Под влиянием процессов, происходящих в мантии, эти плиты постоянно двигаются относительно друг друга. Еще в XVII вв. людей поражало совпадение береговой линии западного побережья Африки и восточного побережья Южной Америки. Но только теперь наука пришла к пониманию, что некогда эти береговые линии совпадали, образуя один континент, который за миллионы лет раскололся и разошелся по разным полушариям.
Крупнейшими литосферными плитами являются африканская, антарктическая, австралийская, тихоокеанская, евразийская, северо-американская и южно-американская, а более маленькими – индостанская, арабская, карибская. Индостанская плита почти приросла к австралийской еще 50 млн. лет назад. Тихоокеанская плита – самая быстрая, она двигается со скоростью около 70 мм в год, а евразийская – самая медленная. Ее скорость не превышает 21 мм в год.

2.Современные концепции развития геосферных оболочек.

Геосферные оболочки их строение.

Земных оболочек, или геосфер, выделяют очень много.
Внутреннее ядро Земли представляет собой шар диаметром 2500 км и имеет кристалличе­скую структуру. Сейсмологи заметили, что волны землетрясений, пробегающие планету от края до края, затрачивают на свой путь в зависимости от его направления различные промежутки времени. Это обстоятельство согласуется с расчетами, которые показывают, что внутреннее ядро Земли, являясь кристаллом, обладает анизотропными свойствами, оно пропускает сейсмические волны в одном направлении с большей скоростью, чем в другом. Разумеется, речь идет о весьма специфическом кристалле. Его температура пре­вышает 4000 ˚С, но благодаря гигантскому давлению он сохраняет свою кристаллическую природу. Внутреннее ядро Земли более чем на 90% состоит из железа.
Американские геофизики Рональд Кохен и Ларс Штихруде опубликовали эту гипотезу в научном журнале «Science» (США). Они пишут, что гипоте­а может объяснить многие свойства на­шей планеты, кажущиеся пока загадочными. Например, некоторые особенно­сти магнитного поля или поведение во время переполюсовки, т.е. когда Северный магнит­ный полюс становится Южным и наоборот, что бывало неоднократно.
Гипотезе о сверхкристалле внутри планеты (авторы сравнивают его с бриллиантом в центре Земли) привлекла внимание сейсмологов, которые заметили, что волны землетрясений затрачивают на свой путь на 4 секунды больше, нежели сейсмические волны, идущие от полюса до полюса. Расчеты геофизиков показали, что кристалл, ионы которого расположены в гексагональной структуре и плотно прижаты друг к дру­гу, про­пускают через себя сейсмические колебания, идущие сверху или снизу, с большей скоро­стью, нежели волны, проходящие с боковых направлений. Всем кристаллам присуща ани­зотропия: их физические свойства различны по разным направлениям. Вдоль оси или по­перек нее кристалл проводит тепловые и звуковые колебания по-разному. Если бы земное ядро состояло из множеста кристаллов, анизотропия была бы погашена разноориентированными кристаллами. Но опыты Р. Кохена и Л. Штихруде отчетливо показали проявление анизотропии. Значит, можно говорить о том, что внутреннее ядро Земли - единый, целый кристалл.

Внешнее ядро Земли находится в жидком состоянии (в нем затухают поперечные волны) и в основном содержит железо, его окислы, а также примеси более легких веществ - кремния, серы. Железная составляющая ядра Земли ответственна за земной магнетизм. А энергичное конвективное движение внутри внешнего ядра объясняет неоднократные изменения магнитной полярности нашей планеты, о чем свидетельствуют палеомагнитные данные. Древние породы «запоминают», фиксируют направленность магнитного поля Земли. Исследования этих пород показывают, что северный и южный магнитный полюса неоднократно менялись местами.

Мантия Земли, расположенная от подошвы земной коры вплоть до поверхности ядра, находящегося на глубине 2900 км, главным образом состоит из окислов кремния, магния и железа. Вещество мантии находится в жидком состоянии, но вязкость его очень высока. Для всей мантии характерны интенсивные конвективные движения, обуславливающие смещение литосферных плит и приводящие к извержению на поверхность Земли высокотемпературных (ок. 1300 ˚С) лав - мантийного вещества. Ближайшие к поверхности Земли слои мантии - это лито- и астеносфера. Литосфера со­стоит из плит, которые при отсутствии внешних воздействий длительное время сохраня­ют свою форму. Как правило, располагающееся под литосферными плитами вещество астеносферы частично размягчено и под давлением деформируется, течет.
Деформируемость астеносферы допускает скольжение по ней литосферных плит. Перемещение литосферных плит, крупнейшие из которых Тихоокеанская, Североамериканская, Южно­американская, Африканская, Евроазиатская, Индоавстралийская и Антарктическая, составляют единицы сантиметров (около 3 см) в год, однако за миллионы лет им удавалось преодолевать пути в тысячи километров. Соприкасаясь, литосферные плиты взаимодействуют друг с другом и проходят во вращение. Существует весьма тщательно разработанные глобальные кинематические модели современного относительного движения литосферных плит. Мощность (толщина) литосферных плит составляет от 2 до 100 км.

Земная кора- внешняя оболочка Земли, толщиной менее 10 км под океанами, но более 25 км под материками. Образуется за счет движения литосферных плит, разрушения и выветривания горных пород и осадка накоплений. Океаническая кора состоит в основном из базальта - пород вулканического происхождения, в которых преобладает полевой шпат и пироксен. Континентальная кора сложена главным образом из гранитов и магматических пород, содержащих преимущественно кварц, кальциевый полевой шпат, кислый плагиоклаз и слюду. Плотность океанической коры больше, чем плотность континентальной коры. Максимальная контрастность рельефа определяется тектонической активностью Зем­ли и достигает 16 - 17 км. Со временем неровности рельефа уменьшаются, «растекаются» в следствие действия на земную кору гравитационных сил. По этой причине перепады высот в таких древних горных поясах как, например, Уральские горы, не превышает 2 км.

Гидросфера состоит из вод океанов, морей, озер, рек, подземных источников и материковых льдов, а также воды, содержащиеся в связанном состоянии в гидросиликатах. Большая часть гидросферы (око­ло 63%) сосредоточена в Мировом океане. На пресные воды суши приходится не более 0,05% всех вод, сосредоточенных в верхних геосферах Земли (21,73 10²⁰ кг). Средняя глубина океана 3711 м, а наибольшая 11022 м (Марианский желоб в Тихом океане). Средняя годовая температура поверхности вод океана 17,5 ˚С. Мировой океан занимает 70,8% земной поверхности. В океанической воде растворены едва ли не все элементы таблицы Менделеева, преобладает хлор (19,35%) и натрий (10,76%). Подземными водами называют все воды, находящиеся под земной поверхностью. Если вода свободно течет по подземному каналу, в толще твердых пород (трещины, пещеры), то имеет место подземный водоток, скорость которого может измеряться метрами в секунду. Воды, просачивающиеся через рыхлые породы (песок, гравий, галька), называются фильтрующимися. В последнем случае воде приходится преодолевать силы трения у каждого зерна рыхлой породы, а скорость водотока будет измеряться метрами в сутки. Самый ближний к поверхности Земли горизонт носит название грунтовых вод. Подземные воды бывают водозные (влага атмосферы) и ювениальные (из паров воды раскаленной магмы). Ювениальные воды в местах недавнего вулканизма часто образуют источники. Вода, попавшая в грунт, доходит до водоупорного слоя. Накапливаясь на его поверхности, она обильно пропитывает вышележащие породы и образует так называемый водоносный горизонт (обычно он имеет наклон). Когда появляется искусственный или естественный доступ к такому горизонту, возникают артезианские колодцы. В определенных условиях подстилающим слоем может быть мерзлота. Озера, болота обладают огромным многообразием. По генезису озера могут быть ледниковыми, проточными, термокарстовыми, солеными. Бывают озера, промерзающие до дна и частично. Есть озера, в которых солнечные лучи достигают дна (глубиной 4,5 м и менее). Их часто называют прудами, и в них имеется растительность по всей поверхности дна. В целом растительная и животная жизнь озер очень разнообразна. Однако первопричиной происхождения большинства озер является таяние ледников.