Текст книги "Общее землеведение"

2.2. Планетарные факторы

Форма Земли. Земля – третья от Солнца планета Солнечной системы и самая крупная планета земной группы. Вместе с Луной Земля образует систему – двойную планету.

Фигура Земли – понятие модельное, некоторая идеализация, с помощью которой стремятся описать форму планеты. В зависимости от цели описания пользуются различными моделями формы планеты – различными фигурами. Расположим известные модели в ряд от общих к более детализированным, считая их последовательными приближениями к истинной форме Земли (рис. 2).

Рис. 2. Представления о форме поверхности Земли (по Г.Н. Каттерфельду): 1 — сфера; 2 — эллипсоид вращения; 3 — геоид (кардиоид)

1. Первое приближение – сфера. Это наиболее общая модель формы нашей планеты. Сфера не имеет выраженной единственной оси симметрии, все ее оси равноправны, их бесчисленное множество, как и экваторов. Однако Земля, как уже отмечалось, имеет одну ось вращения и экваториальную плоскость – плоскость симметрии (а также плоскости симметрии меридианов). Это несоответствие сферической модели Земли ее реальной форме ощутимо проявляется при изучении горизонтальной структуры ГО, характеризующейся выраженной поясностью и известной симметрией относительно экватора (с элементами диссимметрии).

2. Второе приближение – эллипсоид вращения. Тип симметрии эллипсоида вращения отвечает указанным выше особенностям формы Земли (выраженная ось, экваториальная плоскость симметрии, меридиональные плоскости). Эта модель используется в высшей геодезии для расчета координат, построения картографических сеток и других вычислений.

3. Третье приближение – трехосный кардиоидальный эллипсоид вращения. В этой модели северный полярный радиус больше южного на 30-100 м.

4. Четвертое приближение – геоид. Понятие ввел в 1873 г. немецкий физик И.Б. Листинг. Геоид – уровенная поверхность, совпадающая со средним уровнем Мирового океана (МО) и являющаяся геометрическим местом точек пространства, имеющих одинаковый потенциал тяжести. Теоретически поверхность геоида в каждой точке перпендикулярна направлению силы тяжести (т. е. линии отвеса) и отождествляется со средним положением спокойной водной поверхности в океанах и открытых морях, мысленно продолженной также и под материками. Поверхность геоида всюду выпуклая (что отвечает выпуклости океанической поверхности).

Несмотря на всю сложность своей поверхности, геоид мало отличается от сфероида. Отклонения, за отдельными исключениями, составляют не более ±100 м, т. е. поверхность геоида редко выступает над поверхностью сфероида более чем на 100 м и редко погружается под поверхность сфероида более чем на такую же величину. Средняя же величина отступления геоида от наиболее удачно подобранного земного эллипсоида не превышает ±50 м.

Элементы земного эллипсоида, рассчитанные Ж.-Б.-Ж. Деламбром (1800), Ф.-В. Бесселем (1841), Д. Хейфордом (1909) и другими учеными, неодинаковы, так как вычислены по геодезическим измерениям разных по протяженности дуг меридианов и параллелей. Земной эллипсоид, принятый для обработки геодезических измерений и установления единой государственной системы координат, называется референц-эллипсоидом.

На территории СССР пользовались эллипсоидом Бесселя до 1946 г. Однако этот эллипсоид был рассчитан в основном по данным Западной Европы. На Дальнем Востоке его поверхность сильно уклонялась от поверхности Земли.

Более точные результаты размеров земного эллипсоида получены в 1940 г Ф.Н. Красовским и А.А. Изотовым по результатам астрономо-геодезических работ, выполненных на территории СССР, Западной Европы и США. Размеры земного эллипсоида, получившего название «референц-эллипсоид Красовского», были приняты для геодезических и картографических работ на всей территории СССР.

Отклонения поверхности референц-эллипсоида Красовского от поверхности геоида не превышают 150 м.

В настоящее время основные геометрические параметры общеземного эллипсоида определяются более точными методами с использованием искусственных спутников Земли. Для сравнения в табл. 2 приведены размеры земного эллипсоида, определенные Бесселем, Красовским и в глобальной геоцентрической системе координат WGS – 84 (World Geodetic System, 1984).

Таблица 2

Размеры земного эллипсоида

При картографических работах (составление карт мелких масштабов) Землю достаточно принимать за шар, объем которого равен объему земного сфероида. Исходя из размеров эллипсоида Красовского R = 6 371 110 м.

Значение астрономического положения Земли для природы ее поверхности:

1. Благодаря тому что в центре Солнечной системы находится одинарная звезда Солнце, орбитальное и осевое движение Земли, как и других планет, равномерно, и поэтому все природные процессы на Земле ритмичны, их колебания не выходят за критические для жизни пределы.

2. Так как Земля образована в ближайшей к Солнцу части прото-планетного облака, она состоит из тяжелых элементов, обеспечивших ее высокую плотность.

3. По этой же причине масса Земли достаточно велика (5,98 · 10²⁴ кг), чтобы удержать около себя водород в количестве, необходимом для образования больших масс воды, но она не настолько огромна, чтобы подобно Юпитеру планета состояла в основном из водорода. Также следует отметить, что соответствующие плотность и масса Земли позволяют удерживать вокруг планеты атмосферу.

4. Земля находится на таком расстоянии от Солнца, при котором приливное трение невелико и планета быстро вращается вокруг оси.

5. Вместе с тем удаление Земли от Солнца благоприятно для температурного режима атмосферы.

Значение шарообразной формы Земли для природы ее поверхности:

1. Солнечные лучи на шаровую поверхность Земли падают на различных широтах под разными углами; интенсивность нагревания земной поверхности уменьшается от экватора к полюсам, что проявляется в распределении тепла, а следовательно, и разнообразии климатов.

2. В сочетании с вращением Земли в поле солнечной радиации шарообразность обусловливает зональность природы.

3. Влияние сферической формы проявляется в циркуляции воздуха, океанических течениях, приливно-отливных движениях воды и других географических явлениях.

4. Шарообразная форма планеты обусловливает разделение ее на освещенную и не освещенную Солнцем части (день и ночь), а следовательно, влияет на тепловой режим Земли.

Земля совершает множество движений одновременно. В географии принято учитывать и анализировать три из них: орбитальное движение, осевое (суточное) вращение и движение системы «Земля – Луна».

Орбитальное движение Земли. Вокруг Солнца Земля вращается по эллиптической орбите (длина 934 млн км) со скоростью 29,765 км/с. Солнце расположено в одном из фокусов этой орбиты. Средний радиус орбиты 149,6 млн км. В афелии (самой удаленной от светила точке) расстояние до Солнца составляет 152 · 10⁶ км и приходится на 5 июля, а спустя полгода, в перигелии (2 января), оно уменьшается и составляет 147 · 10⁶ км. Полный оборот вокруг Солнца Земля совершает в течение года за 365 сут 6 ч 9 мин 9 с.

Географические следствия орбитального движения Земли:

1. Земная ось наклонена по отношению к плоскости орбиты и образует с нею угол, равный 66°33′. В процессе движения ось перемещается поступательно, поэтому на орбите возникают 4 характерные точки (рис. 3):

✓ 21 марта и 23 сентября – дни равноденствий: наклон земной оси оказывается нейтральным по отношению к Солнцу, а обращенные к нему участки планеты равномерно освещены от полюса до полюса; на всех широтах в эти сроки продолжительность дня и ночи равна 12 ч;

✓ 22 июня и 22 декабря – дни летнего и зимнего солнцестояний: плоскость экватора наклонена по отношению к солнечному лучу под углом 23°27: Солнце в этот момент находится в зените над одним из тропиков.

2. С наклоном земной оси к плоскости орбиты связано наличие таких характерных параллелей, как тропики и полярные круги. Полярный круг – параллель, широта которой равна углу наклона земной оси к плоскости орбиты (66°33′). Тропик – параллель, широта которой дополняет угол наклона земной оси до прямого (23°27′). Полярные круги являются границами распространения полярного дня и полярной ночи. Тропики являются границами зенитального положения Солнца в полдень. На тропиках Солнце бывает в зените один раз, в пространстве между ними – два раза в году.

Рис. 3. Движение Земли по орбите вокруг Солнца

3. Смена времен года: зима, весна, лето, осень – северное полушарие (СП); лето, осень, зима, весна – южное полушарие (ЮП). Характерно неравномерное распределение года по сезонам (весна содержит 92,8 сут, лето – 93,6, осень – 89,8, зима – 89,0 сут), что объясняется делением эллиптической орбиты Земли линиями солнцестояний и равноденствий на неравные части, для прохождения которых требуется разное время.

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 = 2mvwsinϕ,

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 (СО₂), аммиака (NH₃), возможно также сернистого водорода (H₂S) и хлористого водорода (НО), но, главное, в ней появился водяной пар, количество которого постепенно увеличивалось и, по некоторым оценкам, могло достигать порядка 10²¹ 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 ZrSiО₄, часто радиоактивен). Изотопный анализ древнейших цирконов показал повышенное содержание тяжелого изотопа кислорода ¹⁸О, 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 Н₂О, СО₂ NH₄ 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).