Планета Земля – Наш дом в бескрайнем космосе

Добро пожаловать в удивительный мир Земли: наш единственный дом в бескрайнем космосе. Среди бесчисленных планет во Вселенной, Земля занимает особое место своей уникальностью и богатством. Она является источником жизни, историй и загадок, вызывая наше восхищение и захватывая наше воображение.

Общие сведения

Земля – третья планета Солнечной системы, расположенная на среднем расстоянии от Солнца. Она выделяется своей высокой плотностью, является пятой по диаметру и массе среди всех планет Солнечной системы, а также самой крупной в земной группе планет, включая Меркурий, Венеру и Марс. Важно отметить, что Земля является единственным известным местом во Вселенной, где существует жизнь.

В различных публикациях и научно-популярной литературе могут применяться синонимичные термины, такие как “мир”, “голубая планета” или “Терра” (от латинского названия Terra).

Формирование Земли

Существует научная гипотеза, известная как гипотеза солнечной туманности, которая объясняет процесс формирования Земли и других планет Солнечной системы. Согласно этой гипотезе, Солнечная система возникла из огромного облака межзвездной пыли и газа. Это облако состояло преимущественно из водорода и гелия, которые образовались после Большого взрыва, а также из более тяжелых элементов, оставшихся от взрывов сверхновых звезд.

Примерно 4,5 миллиарда лет назад это облако начало сжиматься, возможно, под воздействием ударной волны от взорвавшейся сверхновой звезды на некотором расстоянии. При сокращении облака его угловой момент, гравитация и инерция привели к образованию протопланетного диска, перпендикулярного оси его вращения. Затем обломки в этом диске столкнулись друг с другом под воздействием силы притяжения, объединяясь и образуя первые планетезимали.

Через аккрецию планетезималей, пыли, газа и остатков от формирования Солнечной системы эти объекты начали объединяться, постепенно растущие в более крупные тела и формируя планеты. Приблизительно 4,54 ± 0,04 миллиарда лет назад Земля сформировалась. Весь процесс формирования планеты занял примерно 10-20 миллионов лет.

В процессе формирования Земли происходили также другие важные события. Протоземля была достаточно раскаленной, чтобы расплавлять металлы и минералы, и тяжелые элементы, включая железо, скапливались в центре Земли, создавая металлическое ядро и слоистую структуру. Постепенно, сформировалось магнитное поле Земли, а также первичная атмосфера, образовавшаяся из выбросов газов и вулканической активности. Конденсация водяного пара и принос льда кометами и астероидами привели к появлению океанов.

Физические характеристики Земли

Те, кто когда-либо задумывался о огромном масштабе Вселенной, неизбежно почувствовал малость нашей планеты. Это напоминает нам знаменитая фотография “Бледно-голубая точка”, сделанная в 1990 году зондом “Вояджер-1” с внутренней границы Солнечной системы. На этой фотографии Земля выглядит как микроскопическая точка — на расстоянии 6 миллиардов километров она занимает всего 0,12 пикселя! С развитием телескопов и расширением границ наблюдаемой Вселенной Земля кажется все более маленькой и ничтожной среди бескрайнего и холодного космоса.

Форма Земли

Форма Земли, известная как геоид, приближается к сплюснутому эллипсоиду. Средний диаметр планеты составляет около 12 742 километров, а окружность вокруг Земли равна 40 000 километров. Это связано с тем, что в прошлом метр был определен как 1/10 000 000 расстояния от экватора до северного полюса, проходящего через Париж.

Вращение Земли создает выпуклость в экваториальной области, поэтому экваториальный диаметр больше полярного на 43 километра. Самая высокая точка на поверхности Земли – это гора Эверест, находящаяся на высоте 8848 метров над уровнем моря, а самой глубокой точкой является Марианская впадина, находящаяся на глубине 10 994 метра под уровнем моря. Из-за выпуклости экватора самыми удаленными точками от центра Земли являются вершина вулкана Чимборасо в Эквадоре и гора Уаскаран в Перу.

Масса Земли

Зная геометрические параметры Земли, несложно вычислить ее объем, который составляет 1 083 207 000 000 кубических километров, то есть более трех триллионов кубических километров!

Благодаря наблюдениям гравитационных взаимодействий в Солнечной системе, выдающийся британский ученый Исаак Ньютон расчитал среднюю плотность нашей планеты. В соответствии с его исследованиями, Земля в пять с половиной раз плотнее воды, имея плотность 5,48 г/см³. Таким образом, общая масса Земли составляет примерно 5,98×10^24 килограмма.

Масса Земли постоянно изменяется, и в ней происходят различные процессы, влияющие на ее массивность. Например, масса планеты уменьшается из-за выхода водорода в космос, который образуется при расщеплении воды под воздействием ультрафиолетового излучения. Также происходят потери гелия, которые также приводят к уменьшению массы Земли. В глубинах планеты непрерывно происходит превращение вещества в энергию через ядерные процессы. Всего за год космическое пространство “уносит” около 98 тысяч тонн вещества! Одновременно Земля приобретает массу за счет глобального потепления и поглощения космической пыли с метеорами, что позволяет ей поглощать примерно 40 тысяч тонн каждый год.

Орбитальные характеристики Земли

Движение Земли в Солнечной системе оказывает влияние на множество аспектов нашей планеты, от смены времен года до температуры ее ядра. Расстояние Земли до Солнца не постоянно и колеблется в пределах примерно 5 миллионов километров. Это вызвано тем, что орбита Земли является эллиптической, а не круговой.

Наиближайшая точка к Солнцу называется перигелием и находится примерно на расстоянии 147 миллионов километров от Солнца. Это происходит между 2 и 5 января. Наиболее удаленная точка от Солнца называется афелием и расположена примерно в 152 миллионах километров от Солнца. Это происходит между 2 и 5 июля.

Земля также вращается вокруг своей оси. Полный оборот занимает около 24 часов, но точное время составляет 23 часа 56 минут и 4,1 секунды. Скорость вращения Земли не является постоянной и зависит от расстояния до Солнца. Сутки могут укорачиваться или удлиняться на несколько секунд в зависимости от этого.

Вращение Земли также оказывает влияние на другие явления. Например, сила притяжения на экваторе немного меньше, чем на других широтах. Это может влиять на механические часы и навигацию. Кроме того, вращение Земли влияет на направление движения объектов на планете. Это явление называется силой Кориолиса и проявляется, например, в течениях рек и движении циклонов.

В общем, движение и вращение Земли играют важную роль в ее функционировании и оказывают влияние на множество процессов на планете.

Химический состав Земли

Состав Земли можно описать следующим образом:

1. Железо (Fe): Железо является самым распространенным химическим элементом на Земле. Оно составляет около 32,07% массы планеты. Большая часть железа находится в ядре Земли, а также присутствует в мантии и коре. Железо играет важную роль во многих процессах, включая обмен веществ живых организмов и формирование красных кровяных клеток.
2. Кислород (O): Кислород составляет около 30,12% массы Земли. Он преимущественно присутствует в виде оксидов, таких как кремний-диоксид (песок), кремнезем (кварц) и глина. Кислород играет важную роль в атмосфере, водных и геологических процессах.
3. Кремний (Si): Кремний составляет около 15,12% массы Земли. Он является основным компонентом мантии и коры планеты. Кремний также является основным элементом в минералах, таких как кварц, гранит и песчаник. Кремний играет важную роль в формировании минералов и горных пород.
4. Магний (Mg): Магний составляет около 13,90% массы Земли. Он присутствует в различных минералах, включая доломит, хризотил и серпентиниты. Магний имеет важное значение для живых организмов и является необходимым элементом в процессах обмена веществ.
5. Сера (S): Сера составляет около 2,92% массы Земли. Она находится в различных минералах, таких как гипс, пирит и серный колчедан. Сера играет важную роль в геохимических процессах и имеет широкое применение в промышленности и химической промышленности.
6. Никель (Ni): Никель составляет около 1,82% массы Земли. Он преимущественно находится в недрах Земли и обычно ассоциируется с железом. Никель используется в различных промышленных процессах и в производстве различных материалов.
7. Кальций (Ca): Кальций составляет около 1,54% массы Земли. Он преимущественно находится в виде минералов, таких как известняк и гипс. Кальций является важным элементом для живых организмов, особенно для формирования костей и зубов.
8. Алюминий (Al): Алюминий составляет около 1,41% массы Земли. Он преимущественно находится в виде минерала боксита. Алюминий имеет широкое применение в промышленности и строительстве благодаря своей легкости и прочности.

Это лишь некоторые из основных элементов, составляющих Землю. Планета также содержит множество других элементов, химических соединений и минералов, которые вместе создают разнообразие геологических и химических процессов, формирующих ее структуру и свойства.

Строение Земли

У Земли, аналогично другим планетам земной группы, есть слоистое внутреннее строение, состоящее из нескольких слоев. Она включает в себя твёрдые силикатные оболочки, такие как кора и крайне вязкая мантия, а также металлическое ядро. Внешняя часть ядра представляет собой жидкую среду, существенно менее вязкую по сравнению с мантией, в то время как внутренняя часть ядра является твёрдой

Глубина, км	Слой
0—60	Литосфера (местами варьирует от 5 до 200 км)
0—35	Кора (местами варьирует от 5 до 70 км)
35—60	Самая верхняя часть мантии
35—2890	Мантия
100—700	Астеносфера
2890—5100	Внешнее ядро
5100—6378	Внутреннее ядро

Ядро

Ядро Земли представляет собой центральную и наиболее глубокую часть планеты, расположенную под мантией. Предполагается, что ядро состоит из железо-никелевого сплава с примесями других сидерофильных элементов. Глубина залегания ядра составляет около 2900 км, а средний радиус сферы ядра составляет примерно 3485 км.

Ядро Земли разделяется на две части: твердое внутреннее ядро и жидкое внешнее ядро. Твердое внутреннее ядро имеет радиус около 1300 км, в то время как жидкое внешнее ядро имеет толщину около 2200 км. Между ними иногда выделяется переходная зона. В центре ядра Земли температура достигает 6000 °C, а плотность составляет около 12,5 тонн/куб. м. Давление в ядре может достигать до 360 ГПа (3,55 миллиона атмосфер). Масса ядра оценивается примерно в 1,9354 × 10^24 кг.

Химический состав ядра включает различные элементы. В зависимости от источника, содержание элементов может незначительно отличаться. Одна из оценок химического состава ядра указывает следующие процентные соотношения (по массе): около 6,0% кремния, около 85,5% железа, около 5,20% никеля, около 1,90% серы и около 0% кислорода. Кроме того, в ядре присутствуют примеси таких элементов, как марганец, хром, кобальт и фосфор, в различных количествах.

Мантия

Мантия Земли представляет собой силикатную оболочку, расположенную между земной корой и ядром Земли. Она составляет примерно 67% массы Земли и около 83% ее объема (без учета атмосферы). Мантия простирается от границы с земной корой на глубине от 5 до 70 километров до границы с ядром на глубине около 2900 км. Граница между корой и мантией, известная как поверхность Мохоровичича, отмечается резким увеличением скорости сейсмических волн.

Мантия Земли подразделяется на верхнюю мантию и нижнюю мантию. Верхний слой, в свою очередь, состоит из субстрата, слоя Гутенберга и слоя Голицына (средняя мантия). Состав мантии схож с составом каменных метеоритов, особенно хондритов. Он включает химические элементы, которые находились в твердом состоянии или в твердых химических соединениях во время формирования Земли, такие как кремний, железо, кислород, магний и другие. Эти элементы образуют силикаты с диоксидом кремния.

Воздействие высокого давления и температур определяет агрегатное состояние мантии. Большая часть мантии находится в твердом кристаллическом состоянии из-за давления, несмотря на высокую температуру. Исключение составляет астеносфера, где действие давления слабее, чем температура, приближающаяся к точке плавления вещества. В этой области вещество находится либо в аморфном состоянии, либо в полурасплавленном состоянии.

Кора

Земная кора является верхней частью твердой земной оболочки. Она отделена от мантии границей, известной как граница Мохоровичича, где происходит резкое изменение скорости сейсмических волн. Существуют два типа коры: континентальная и океаническая. Толщина коры варьирует от 6 км под океанами до 30-70 км на континентах. В континентальной коре выделяются три слоя: осадочный чехол, гранитный слой и базальтовый слой. Океаническая кора состоит в основном из пород основного состава, а также осадочного чехла. Земная кора разделена на несколько литосферных плит, которые движутся относительно друг друга, и их движение описывается тектоникой плит.

Кора под континентами обычно имеет толщину от 35 до 45 км, но в гористых районах может достигать 70 км. С глубиной содержание оксидов магния и железа в коре увеличивается, а содержание кремнезема уменьшается, особенно при переходе к верхней мантии (субстрату).

Верхний слой континентальной коры представляет собой неоднородный слой, состоящий из осадочных и вулканических горных пород. Эти слои могут быть смещены, сформировать складки или разрывы. Ниже находится гранитный слой, состоящий из гнейсов и гранитов. Еще ниже расположен базальтовый слой, состоящий из метаморфических горных пород, базальта и габбро. Между гранитным и базальтовым слоями есть условная граница, называемая поверхностью Конрада, где скорость продольных сейсмических волн скачкообразно увеличивается.

Океаническая кора имеет толщину от 5 до 10 км и состоит из нескольких слоев. Верхний слой состоит из донных осадков толщиной менее 1 км. Под ним находится слой, состоящий преимущественно из серпентинита, базальта и возможно слоев осадков. Нижний слой, известный как “океанический” слой, состоит из габбро. Средняя толщина этого слоя около 5 км.

Оболочки Земли

Земля имеет несколько оболочек, которые играют важную роль в ее структуре и функционировании. Вот обзор основных оболочек Земли:

Литосфера

Литосфера — это наружная, твердая оболочка Земли, которая состоит из литосферных плит. Согласно теории тектонических плит, литосферные плиты являются относительно целостными блоками, которые находятся в постоянном движении относительно друг друга. Эти плиты представляют собой жесткие сегменты земной коры, которые могут перемещаться в трех основных типах движения: конвергенции (схождение), дивергенции (расхождение) и сдвиговых перемещений по трансформным разломам.

На границах между литосферными плитами происходят различные геологические явления, такие как землетрясения, вулканическая активность, горообразование и образование океанских впадин. Эти процессы связаны с движением плит и взаимодействием между ними. Например, на стыке конвергентных плит возникают горные цепи и подводные желоба, где одна плита погружается под другую в процессе субдукции. На границах дивергентных плит формируются расщелины, вдоль которых происходит извержение магмы и образование новой земной коры.

Некоторые из крупных плит включают Африканскую плиту, Антарктическую плиту, Австралийскую плиту, Евразийскую плиту, Северо-Американскую плиту, Южно-Американскую плиту и Тихоокеанскую плиту.

Скорость движения литосферных плит различна. Океанские плиты обычно движутся быстрее, например, плита Кокос движется со скоростью около 75 мм в год, а Тихоокеанская плита — со скоростью 52-69 мм в год. Евразийская плита имеет самую низкую скорость движения, примерно 21 мм в год.

Гидросфера

Гидросфера представляет собой совокупность всех водных ресурсов на Земле.Она включает в себя океаны, моря, реки, озёра, болота, подземные воды, ледники, снежный покров и воду, содержащуюся в атмосфере в виде облаков и водяного пара.

Наибольшая часть воды находится в океанах и морях, которые занимают огромную площадь поверхности Земли. Масса воды в Мировом океане составляет около 1,35⋅10^18 тонн, что примерно равно 1/4400 от общей массы планеты. Океаны имеют среднюю глубину около 3682 метров и покрывают площадь около 3,618⋅10^8 квадратных километров. Если бы всю эту воду равномерно распределить по поверхности, то слой достиг бы более 2,7 километровой толщины.

Пресная вода составляет всего лишь около 2,5% от общего объёма воды на Земле, а остальная часть является солёной. Большая часть пресной воды сосредоточена в ледниках, а пресные реки, озёра и подземные воды также играют важную роль в гидросфере.

Атмосфера

Атмосфера является газовой оболочкой, окружающей планету Земля. Она состоит преимущественно из азота и кислорода, а также содержит следовые количества водяного пара, диоксида углерода и других газов. Атмосфера играет важную роль в поддержании жизни на Земле.

Благодаря процессу оксигенного фотосинтеза, который появился около 2,4-2,5 миллиардов лет назад, атмосфера стала более насыщенной кислородом, и образовался озоновый слой, защищающий от вредного ультрафиолетового излучения. Этот слой является важной составляющей защиты живых организмов на Земле.

Атмосфера также играет роль в регулировании погоды и климата. Она определяет основные климатические процессы, такие как круговорот воды и циркуляцию воздушных масс. Молекулы газов в атмосфере способны захватывать тепловую энергию, что приводит к парниковому эффекту и поддерживает среднюю поверхностную температуру на Земле на уровне, необходимом для существования жизни.

Атмосфера состоит из нескольких слоев, которые различаются по своим характеристикам, таким как температура, плотность и химический состав.

Тропосфера – это нижний слой атмосферы, который находится непосредственно над поверхностью Земли. Он содержит около 80% массы всей атмосферы и 99% водяного пара. Тропосфера имеет разную толщину в зависимости от климатических условий и сезонных факторов. В полярных регионах её толщина составляет около 8-10 километров, в умеренном поясе – до 10-12 километров, а в тропических областях может достигать 16-18 километров. В тропосфере температура снижается примерно на 6 °C на каждый километр высоты.

Стратосфера – это слой атмосферы, который расположен над тропосферой и простирается на высоту от 10-12 до 55 километров. В стратосфере температура сначала понижается до высоты около 25 километров, а затем повышается на границе с мезосферой. На высоте 47-52 километров находится стратопауза – граница между стратосферой и мезосферой. Самая высокая концентрация озона в атмосфере отмечается именно в стратосфере, где озоновый слой играет важную роль в защите от ультрафиолетового излучения Солнца.

Мезосфера – это слой атмосферы, расположенный между стратосферой и термосферой. Он простирается на высоту от 50 до 80 километров над поверхностью Земли. В мезосфере находится самое холодное место на Земле, где температура опускается до -100 °C. Здесь часто образуются серебристые облака, известные как ночные светящиеся облака или полярные стратосферные облака. Мезосфера также является областью, где сгорает большая часть метеоритов, проникающих в земную атмосферу.

Термосфера – это слой атмосферы, который простирается на высоту от 80 до 1000 километров. В термосфере температура быстро повышается из-за поглощения коротковолнового солнечного излучения. Она является самым протяженным слоем атмосферы. Однако на высоте около 800 километров рост температуры прекращается из-за разреженности воздуха и слабой способности поглощать солнечное излучение.

Ионосфера – это слой атмосферы, который включает два последних слоя. Здесь происходит ионизация молекул под воздействием солнечного ветра, что приводит к образованию полярных сияний.

Экзосфера – это внешняя и крайне разреженная часть земной атмосферы. В этом слое частицы могут преодолеть вторую космическую скорость и уйти в космическое пространство. Это процесс, известный как диссипация атмосферы. В экзосфере преобладают легкие газы, такие как водород и гелий, которые могут покинуть атмосферу Земли. Этот процесс потери газов также влияет на развитие и поддержание состава атмосферы Земли.

Биосфера

Этот термин был введен геологом и палеонтологом Эдуардом Зюссом в 1875 году.

Биосфера представляет собой оболочку планеты, которая стала формироваться около 3,8 миллиарда лет назад с появлением первых живых организмов. Она включает в себя все водные ресурсы, верхний слой земной коры и нижний слой атмосферы. Биосфера населяется множеством видов растений, животных, грибов и микроорганизмов.

Биосфера состоит из экосистем, которые включают в себя сообщества живых организмов (биоценоз), их среду обитания (биотоп) и системы обмена веществом и энергией между ними. На суше экосистемы различаются в зависимости от географических широт, высоты над уровнем моря и осадков. Экосистемы в Арктике, Антарктике, на высокогорье или в засушливых районах характеризуются низким разнообразием растений и животных, тогда как наивысшее разнообразие видов наблюдается во влажных тропических лесах экваториального пояса.

Магнитное поле

Магнитное поле Земли, в основном, можно описать как дипольное поле, с полюсами, близкими к географическим полюсам планеты. Это поле формирует магнитосферу, которая служит защитой от солнечного ветра, отклоняя его частицы. Эти частицы собираются в радиационных поясах, которые представляют собой две концентрические области, имеющие форму тора вокруг Земли. Вблизи магнитных полюсов эти частицы могут проникать в атмосферу и вызывать полярные сияния.

Магнитное поле Земли создается в центральном регионе планеты в результате тепла, вызывающего протекание электрического тока в жидком металлическом ядре. Этот процесс, известный как “магнитное динамо”, порождает магнитное поле Земли. Конвекционные потоки в ядре являются хаотичными, и полюса магнитного поля медленно смещаются и периодически меняют свою полярность. Это приводит к инверсиям магнитного поля Земли, которые происходят приблизительно каждые несколько миллионов лет. Последняя инверсия произошла около 700 000 лет назад.

Магнитосфера – это область пространства вокруг Земли, которая образуется, когда заряженные частицы солнечного ветра отклоняются от своего первоначального направления под воздействием магнитного поля. На стороне, обращенной к Солнцу, толщина головной ударной волны магнитосферы составляет около 17 км и находится примерно на расстоянии 90 000 км от Земли. На ночной стороне планеты магнитосфера вытягивается, приобретая длинную цилиндрическую форму.

Когда заряженные частицы высокой энергии сталкиваются с магнитосферой Земли, образуются радиационные пояса, известные как пояса Ван Аллена. Полярные сияния возникают, когда солнечная плазма достигает атмосферы Земли вблизи магнитных полюсов.

Земля в космосе

Ежедневно мы наблюдаем звезду – Солнце, вокруг которой вращается Земля. В темное время суток мы можем видеть Луну, наш единственный спутник и пятый по размеру в Солнечной системе. В ясные летние ночи нам открывается яркий Млечный Путь – видимая часть нашей галактики, в которой движется Солнце вместе с миллионами других звезд в рукаве Ориона.

Точные координаты нашей планеты во Вселенной можно представить следующим образом:

– Планетарная система: Солнечная система

– Местное межзвездное облако

– Галактический рукав Ориона

– Галактика: Млечный Путь

– Скопление галактик: Местная группа

– Сверхскопление галактик: Местное сверхскопление (Девы)

– Сверхскопление галактик: Ланиакея

– Стена: Комплекс сверхскоплений Рыб-Кита

Соседи Земли в космосе включают несколько категорий объектов.

Во-первых, самым близким к Земле космическим телом является Луна. Расстояние до нее составляет около 384 400 километров. Луна возникла в результате столкновения с Землей, когда огромный кусок материала оторвался от нашей планеты. Она имеет уникальный облик, который мы можем наблюдать уже много тысячелетий.

Кроме Луны, существуют также квазиспутники – объекты, орбиты которых на некоторых участках их движения очень близки к Земле. Например, астероид Круитни является одним из крупнейших квазиспутников Земли, с диаметром около 5 километров. Орбита Круитни вытянута настолько, что он приближается к Меркурию в перигелии и доходит до Марса в афелии. Хотя он не является полноценным спутником Земли, он находится достаточно близко и его движение подвержено влиянию Земли.

Кроме природных спутников, на орбите Земли находится множество искусственных спутников. С начала космической эры было запущено более 18 тысяч спутников различного назначения. Они используются для научных исследований, коммуникации, навигации и других целей. Искусственные спутники подразделяются на две категории: активные спутники, которые выполняют определенные функции на орбите, и космический мусор, представляющий собой вышедшие из строя или неактивные спутники, а также обломки и остатки космических объектов.

Роль Земли в астрономии

Случай сделал Землю своего рода моделью для изучения других планет, так как на нашей планете происходят и продолжают происходить большинство физических и химических процессов, характерных для планет. Земля предоставляет уникальную комбинацию атмосферы, обмена веществом с жидкостной оболочкой и поверхностью, геологической активности в недрах и создания магнитного поля ядром. Хотя отдельные составляющие этих явлений можно наблюдать на других объектах Солнечной системы, но их сочетание встречается только на Земле. Кроме того, на Земле есть и общие для всех планет и астероидов скальные материалы, и уникальные минералы, формирование которых может указывать на возможное обнаружение новых веществ на экзопланетах.

Марс, например, имеет ландшафт и атмосферу, сформировавшиеся и функционирующие по тем же законам, что и на Земле. Исследование Земли никогда не прекращается, что позволяет нам смотреть на нашу планету и другие планеты с новой перспективы.

Вывод

Земля является уникальной планетой в нашей Солнечной системе. На ней происходят и совмещаются множество физических, химических и геологических процессов, которые делают ее особенной и интересной для научного изучения. Наша планета служит не только домом для множества видов жизни, но и предоставляет нам ценную информацию о формировании и эволюции других планет.