Общее землеведение

4. Образование поясов освещения, которые выделяются по высоте Солнца над горизонтом и продолжительности освещения. В жарком поясе, расположенном между тропиками, Солнце дважды в год в полдень бывает в зените. На линиях тропиков Солнце стоит в зените только один раз в году: на Северном тропике (тропик Рака) в полдень 22 июня, на Южном тропике (тропик Козерога) – в полдень 22 декабря.

Между тропиками и полярными кругами выделяются два умеренных пояса. В них Солнце никогда не бывает в зените, продолжительность дня и высота Солнца над горизонтом сильно меняются в течение года.

Между полярными кругами и полюсами расположены два холодных пояса, здесь бывают полярные дни и ночи. Следовательно, в году бывают дни, когда Солнце вообще не показывается из-за горизонта или не опускается за горизонт.

5. Смена времен года обусловливает годовой ритм в ГО. В жарком поясе годовой ритм зависит, главным образом, от изменения увлажнения, в умеренном – от температуры, в холодном – от условий освещения.

Осевое вращение Земли. Земля вращается с запада на восток против часовой стрелки, совершая полный оборот за сутки (23 ч 56 мин 4 с). Ось вращения отклонена на 23°27? от перпендикуляра к плоскости эклиптики. Средняя угловая скорость вращения, т. е. угол, на который смещается точка на земной поверхности, для всех широт одинакова и составляет 15° за 1 ч. Линейная скорость, т. е. путь, проходимый точкой в единицу времени, зависит от широты места. Географические полюсы не вращаются, там скорость равна нулю. На экваторе каждая точка проходит наибольший путь и имеет наибольшую скорость – 455 м/с. Скорость на одном меридиане разная, на одной параллели одинаковая.

Географические следствия осевого вращения Земли:

1. Смена дня и ночи, т. е. изменение в течение суток положения Солнца относительно плоскости горизонта данной точки (осевое вращение дает основную единицу времени – сутки). С этим связан суточный ритм солнечной радиации, интенсивность которой зависит от угла наклона земной оси, а также ритмы нагревания и охлаждения поверхности, местной циркуляции воздуха, жизнедеятельности живых организмов.

2. Деформация фигуры Земли – сплюснутость у полюсов (полярное сжатие), связанная с возрастанием центробежной силы от полюсов к экватору.

3. Существование силы Кориолиса – отклоняющего действия вращения Земли. Сила Кориолиса всегда перпендикулярна движению, направлена вправо в северном полушарии и влево – в южном. Величина ее зависит от скорости движения и массы движущегося тела, а также от широты места (рис. 4):

F = 2mvwsin?,

где m – масса тела; v – линейная скорость тела; w – угловая скорость вращения Земли (важна только в вековом аспекте, для небольших отрезков времени угловая скорость принимается постоянной); ср – широта места.

4. Ось вращения, полюсы и экватор являются основой географической системы координат. Экватор служит плоскостью симметрии, относительно которой размещаются пояса освещения, меняются величина солнечной радиации и другие важные параметры. От полушария (северного и южного) зависит направление силы Кориолиса, а от широты – ее величина, полюсы не участвуют в суточном вращении.

Рис. 4. Сила Кориолиса

Движение в системе «Земля – Луна». Двойная планета «Земля – Луна» вращается вокруг общего центра масс (барицентра), находящегося внутри планеты Земля на расстоянии 0,737? (радиуса Земли) от ее центра. Поэтому все точки описывают одинаковые орбиты, центробежные силы повсеместно одинаковы и направлены в одну сторону – от Луны. Равнодействующая силе притяжения Луны и центробежной есть приливообразующая сила. На всей половине Земли, обращенной к Луне, больше сила притяжения, а на половине, обращенной от Луны, – центробежная сила. Воздействие Луны – спутника Земли велико. Оно создает приливное торможение суточного вращения нашей планеты, которое имеет большое географическое значение, если рассматривать длительные (в сотни миллионов лет) отрезки геологического времени. Приливное торможение, вызывая замедление вращения, уменьшает полярную сплюснутость Земли и силу Кориолиса, отклоняющую движущиеся массы воздуха и воды. Это влияет на циркуляцию атмосферы и вод океана, от которых, в свою очередь, зависят условия климата. Считают, что из-за замедления суточного вращения Земли продолжительность суток за последний 1 млрд лет возросла на 6 ч.

Тема 3

Происхождение земли, ее внутреннее строение и состав

3.1. Происхождение Земли

Вопрос о том, как возникла Земля, занимает умы людей уже не одно тысячелетие. Ответ на него всегда зависел от уровня знаний людей. Первоначально существовали наивные легенды о сотворении мира некоей божественной силой. Затем Земля в работах ученых приобрела очертания шара, который являлся центром Вселенной. В XVI в. появилось учение Н. Коперника, которое поместило Землю в ряд планет, вращающихся вокруг Солнца. Это был первый шаг в подлинно научном решении вопроса о происхождении Земли.

В настоящее время есть несколько гипотез, каждая из которых по-своему описывает периоды становления Вселенной, происхождение Солнечной системы и связь между Солнцем и Землей (гипотезы Канта – Лапласа, Шмидта – Фесенкова, Ж. Бюффона, Ф. Хойла). Разные гипотезы тем не менее едины в том, что все планеты произошли из единого сгустка материи, а дальше судьба каждой из них решалась по-своему. Земле предстояло пройти путь почти в 5 млрд лет, испытать ряд фантастических превращений, прежде чем мы увидели ее в современном облике. Необходимо заметить, что гипотезы, не имеющей серьезных недостатков и отвечающей на все вопросы о происхождении Земли и других планет Солнечной системы, пока нет. Однако можно считать установленным, что Солнце и планеты образовались одновременно (или почти одновременно) из единой материальной среды, из единого пылегазового облака.

В настоящее время считается, что образование Земли началось 4,6 млрд лет назад. Согласно некоторым гипотезам, промежуточной стадией формирования планет из межзвездной пыли и газов явилось образование так называемых планетезималей — твердых и крупных (до нескольких сотен километров в поперечнике) тел, последующее скопление и объединение которых становится процессом аккреции уже непосредственно планеты. По геологическим меркам Земля сформировалась очень быстро, примерно за первые 100 млн лет своей истории достигнув 93–95 % сегодняшней массы. Наиболее вероятно, что первоначально Земля не имела атмосферы и гидросферы, а ее поверхность непрерывно изменялась в результате интенсивной метеоритной бомбардировки.

Образование планеты сопровождалось сильным гравитационным сжатием и выделением столь большого количества тепла, что первые сотни миллионов лет у поверхности Земли существовал магматический океан, или расплавленная первичная астеносфера. Так как в расплаве (магме) находились вещества, разные по составу и плотности, в том числе и радиоактивные, началась гравитационная дифференциация. При этом более плотные вещества (тяжелые металлы) погружались, образуя металлическое (железное) ядро планеты, а менее плотные (силикаты) всплывали, постепенно создавая мантию и литосферу Дифференциация сопровождалась дегазацией мантийного вещества, при которой легкокипящие фракции переходили в газообразное состояние и, выходя на поверхность, формировали первичную плотную и горячую атмосферу Земли. Наиболее вероятно, что вначале атмосфера состояла из углекислого газа (СО

), аммиака (NH

), возможно также сернистого водорода (H

S) и хлористого водорода (НО), но, главное, в ней появился водяной пар, количество которого постепенно увеличивалось и, по некоторым оценкам, могло достигать порядка 10

кг, что составляет около 70 % массы современной гидросферы Земли.

Постепенное истощение источников внутреннего тепла Земли привело к остыванию и кристаллизации магмы с последующим образованием первичной твердой земной коры. Дальнейшее остывание верхних слоев планеты и понижение температуры ниже точки кипения неизбежно вызвало конденсацию водяного пара и тем самым появление жидкой фазы воды. Можно полагать, что озера первичной гидросферы на поверхности молодой планеты неоднократно испарялись и появлялись вновь, пока не установился температурный режим, в среднем повсеместно допускавший существование жидкой воды.

Самые древние (из известных сегодня) горные породы найдены в Западной Австралии, их возраст оценивается в 4,2–4,0 млрд лет. Большое внимание привлекли извлеченные из них зерна минерала циркона (химическая формула ZrSiО

, часто радиоактивен). Изотопный анализ древнейших цирконов показал повышенное содержание тяжелого изотопа кислорода

О, характерное для жидкой воды. Это служит косвенным доказательством тому, что данные минералы образовались в присутствии жидкой воды. В тех же западноавстралийских цирконах установлено аномальное содержание еще некоторых изотопов, свидетельствующее о земном (не метеоритном) происхождении минералов.

Помимо косвенных получены и прямые доказательства существования жидкой воды. В горных породах возрастом 3,9–3,8 млрд лет, найденных в юго-западном районе Гренландии, обнаружены железистые кварциты водного происхождения, что позволяет предположить существование жидкой воды в этом районе на 200–300 млн лет ранее указанного времени. Таким образом, гидросфера Земли начала формироваться не позднее 4 млрд лет тому назад при постепенном остывании поверхности планеты и конденсации водяного пара первичной атмосферы. Первые, еще весьма мелководные моря будущего Мирового океана заполняли впадины застывшего рельефа, разрастались, сливались с соседними водными бассейнами.

Полагают, что первичная земная кора, которая выплавлялась из мантии, состояла из пород, близких по своему составу к базальтам. Во всяком случае, первичная кора имела основной или ультраосновной состав, т. е. была идентичной современной земной коре океанического типа. Протоконтинентальная кора начала формироваться почти в то же время, но занимала значительно меньшие площади. Ее первые острова расчленяли неглубокий первичный океан на отдельные бассейны.

Можно выделить несколько этапов в развитии Земли:

1. Около 4,6 млрд лет. Стадия первоначального сгустка материи в материнском пылегазовом облаке (образование планетезималей).

2. Около 4–3,8 млрд лет. Стадия небольшой планеты (сравнимой по объему с нынешним Меркурием), уже способной удерживать вокруг себя постоянную газовую оболочку. Выделение зародыша ядра. Зачатки тектонической деятельности (источники энергии: распад радиоактивных веществ и, возможно, начало гравитационной дифференциации). Появление первых рифтовых трещин, магматические излияния, дегазация мантии. Выделение с изверженными породами газов Н

О, СО

NH

и включение их в состав первичной атмосферы, конденсация гидросферы.

3. Около 3,8–3,5 млрд лет. Земля достигает современных размеров. Ее внешняя каменная оболочка – базальтового состава. Накопление неживого органического вещества и развитие его в сторону образования высокомолекулярных соединений.

4. Около 3,5–3 млрд лет. Появление доклеточных форм жизни. Организмы только гетеротрофные.

5. Около 3 млрд лет. Появление одноклеточных организмов и возникновение автотрофных живых существ. Обогащение атмосферы свободным кислородом и азотом за счет жизнедеятельности микроорганизмов.

Возраст Земли устанавливается с помощью радиоактивного метода, применять его можно только к породам, содержащим радиоактивные элементы. Если считать, что весь аргон на Земле – продукт распада калия-49, то возраст Земли составляет не менее 4 млрд лет. Подсчеты О.Ю. Шмидта дают еще более высокую цифру – 7,6 млрд лет. В.И. Баранов, исчисляя возраст Земли по отношению между современными количествами урана-238 и актиноурана (урана-235) в горных породах и минералах, получил возраст урана (вещества, из которого потом возникла планета) 5–7 млрд лет.

Таким образом, возраст Земли определяется в интервале 4–6 млрд лет. Непосредственно восстановить историю развития земной поверхности удается пока в общих чертах, начиная с тех времен, от которых сохранились древнейшие горные породы, т. е. примерно за 3–3,5 млрд лет (С.В. Калесник).

3.2. Внутреннее строение Земли

Существуют прямые и косвенные методы изучения внутреннего строения Земли.

Сделать выводы о том, каково строение недр Земли, можно на основании наблюдений на земной поверхности.Например, в обрывах на склонах долин рек, прорезающих равнину, обнажаются в одинаковой последовательности слои, идентичные или близкие по составу. Однако на равнине глубина долин редко достигает 200 м, как правило, она гораздо меньше в сравнении с горными реками, долины которых отличаются не только большой глубиной, но и отвесными склонами, близко подходящими друг к другу (Гранд-Каньон на плато Колорадо, глубина достигает 1800 м).

Данные бурения скважинпредставляют собой прямые, непосредственные сведения о геологическом строении. Можно увидеть и потрогать горные породы, лежащие на глубине, определить, в какую сторону и как круто наклонены слои. Земная кора достаточно часто разбурена до глубин 3–5 км. Самая глубокая скважина в мире (с 6 июня 1979 г.) – Кольская сверхглубокая – прошла 12 262 м, что является мировым достижением по глубине непосредственного проникновения в кристаллические породы недр Земли. За 36 лет, прошедших с тех пор, ни одна скважина даже не приблизилась к такой глубине (самая глубокая скважина в США Берта Роджерс – 9583 м в осадочном бассейне), тем не менее это всего 1/500 земного радиуса.

Большая часть сведений о глубинном строении Земли получена по косвенным, геофизическим данным– скоростям распространения сейсмических волн, изменениям величины и направления силы тяжести (ничтожным, уловимым только очень точными приборами), магнитным свойствам и величине электропроводности пород. Масса плотных пород в одном и том же объеме больше, чем масса пород, менее плотных, значит, плотные породы создают увеличенное поле тяготения. В плотных породах ударные волны распространяются быстрее. Проходя через породы с разными физическими свойствами, волны отражаются, преломляются, поглощаются. Волны бывают продольные и поперечные, скорости их распространения различны. Исследуют прохождение природных ударных волн при землетрясениях. Создают эти волны и искусственно, производя взрывы.

По геофизическим данным складывается картина распределения пород с разными физическими свойствами и можно строить предположения о глубине и форме их залегания.

На основе сведений о физических свойствах пород создают модель строения недр Земли: подбирают породы, физические свойства которых более или менее совпадают со свойствами, определенными с помощью косвенных методов, и мысленно помещают эти породы на соответствующую глубину. Когда удается пробурить скважину до глубины, прежде недоступной, или получить какие-нибудь другие достоверные данные, модель строения подтверждается полностью или частично либо вовсе не подтверждается (и тогда приходится строить новую модель): на глубине могут залегать породы, которые не встречаются на поверхности; при высоких температуре и давлении свойства хорошо известных пород часто меняются и пр.

Рис. 5. Изменение физических параметров в недрах Земли (по Аплонову, 2001)