Общее строение планеты

Внутреннее строение нашей планеты в виде нескольких геосфер (от греч. gео — земля) или оболочек изучено относительно мало и преимущественно по данным сейсморазведки, исследующей процессы распространения в Земле искусственно вызванных упругих колебаний. Максимальные глубины, которых достиг человек к концу XX в., составляют 15 км (сверхглубокая скважина на Кольском полуострове) и 3,5 км (глубокая шахта «Ист Рэнд» в Южной Африке). Поэтому сейсморазведка — единственный доступный человеку метод изучения внутреннего строения Земли. Суть этого метода в том, что на поверхности создают (например, путем взрыва) упругие колебания — сейсмические волны, которые со скоростью в несколько км/c распространяются в глубь Земли. С той же целью изучают упругие колебания, вызванные природными землетрясениями. Различают продольные Р и поперечные S объемные волны.

В более плотной среде скорость волн возрастает, в рыхлой — снижается, а в жидкостях поперечные волны вообще не распространяются. Резкие скачкообразные изменения плотности вещества в геосферах сопровождаются такими же резкими изменениями скорости распространения продольных волн: в коре она составляет около 7 км/с, в мантии за границей Мохо (поверхность или граница Мохоровичича - по имени югославского геофизика А. Мохоровичича, - сокращенно граница Мохо) — около 8 км/с, а при переходе из мантии в ядро скорость меняется скачком с 13,6 до 8,1 км/с. Поперечные волны в ядре вообще не могут распространяться. Проходя границу раздела двух сред с различной плотностью, упругие колебания частично отражаются, возвращаясь на поверхность.

Эксперименты и соответствующие теоретические расчеты позволили создать следующую модель.

В центре Земли имеется внутреннее твердое субядро радиусом 1 250 км (рис. 2.1), состоящее из вещества плотностью 13 г/см³ (по одной из наиболее распространенных гипотез считают, что такую плотность может иметь только металл). Вокруг него находится жидкое внешнее ядро радиусом 3 050 км, состоящее из расплавленного вещества. Регулярные течения этой высокоэлектропроводной жидкости по одной из гипотез являются причиной существования магнитного поля Земли. Внешнее жидкое и внутреннее твердое ядра в сумме составляют: 16 % земного шара (без атмосферы) по объему и 31,5 % по массе.

Рис. 2.1. Внутреннее строение Земли

Далее снаружи жидкого ядра следует мантия, распространяющаяся с глубины 2 900 км до глубины около 40 км относительно уровня моря на поверхности планеты. Под действием высоких температур и долговременных нагрузок породы мантии размягчены и вещество на глубинах 40—400 км может течь. Так, около 10 тыс. лет назад после окончания ледникового периода растаяли ледники Северной Европы и Канады и, освободившись от двухкилометрового слоя льда, поверхность Земли начала подниматься. Этот подъем со скоростью, равной несколько миллиметров в год, продолжается в Скандинавии и на севере Америки и сейчас, что обеспечивается вязким течением верхней мантии.

Температура на границе ядра и мантии составляет около 4 500°С, а плотность вещества меняется скачкообразно с 10,1 у ядра до 5,6 т/м³ у мантии. По другим данным температура ядра не меньше 2 000° С и не больше 5000° С. Мантия составляет 83 % объема планеты (без атмосферы) и 67 % массы.

Скорость v распространения упругих волн по толщине мантии по мере движения от периферии к центру нарастает неравномерно: значительно быстрее в верхней части до глубин Z = 900—1 000 км и очень медленно на больших глубинах (рис. 2.2). В связи с этим мантию чаще всего делят на верхнюю и нижнюю, а иногда дополнительно выделяют среднюю мантию.

Рис. 2.2. Зависимость скорости распространения сейсмических волн от глубины (сейсмическая модель Земли): 1 — продольные волны;

2 — поперечные волны

Снаружи мантии расположена действительно твердая, но очень тонкая (20—40 км) оболочка — кора Земли, составляющая около 1 % планеты по объему и 0,5 % по массе. При переходе из мантии в кору плотность вещества скачкообразно меняется с 3,2 до 2,9 т/м³.

Давление с глубиной быстро растет, и в центре Земли оно достигает 370 ГПа (3,7 млн атм), а сила тяжести постепенно убывает до нуля. Наиболее сложное (неоднородное) строение имеет земная кора. Она состоит из нескольких слоев. Самый нижний слой называют базальтовым, потому что скорости распространения сейсмических волн в нем такие же, как в базальте, хотя действительный его состав неизвестен.

В базальтовом слое как бы плавают гранитные «подушки» толщиной 15—20 км, на которых расположена трех — пятикилометровая (в среднем) толща осадочных пород континентов (рис. 2.3). Они состоят из различных кристаллических пород, скорость движения сейсмических волн в которых такая же, как в гранитах. Плотность гранитов при одинаковом давлении и температуре ниже плотности базальтов.

180 140 100 60 20 20 60 100 120 160°

Тихий Южная Атлантический Индийский Индонезийский

океан Америка океан океан архипелаг

Рис. 2.3. Схема строения земной коры в экваториальном разрезе:

1 — океаническая вода; 2 — осадочные породы; 3 — граниты;

4 — базальты; 5 — мантия

Океаническая кора имеет следующие существенные отличия от материковой:

- толщина ее составляет обычно 3—7 км, что на порядок меньше;

- гранитный слой отсутствует;

- осадочный слой обычно очень тонок — менее 1 км;

- между осадочным и базальтовым слоями находится небольшой слой, состав которого практически неизвестен, поэтому он называется просто вторым слоем.

Методами гравиметрии и глубинного сейсмического зондирования установлено, что, чем выше расположена какая-либо местность, тем толще под ней кора и тем глубже она уходит в мантию.

Континенты и вся кора как бы плавают в более плотной мантии, причем не только подчиняясь закону Архимеда, но и перемещаясь друг относительно друга со скоростью в несколько сантиметров в год. В соответствии с теорией глобальной тектоники движутся тектонические плиты — большие участки земной коры, включающие в себя, помимо континентов, также и соседние участки океанического дна. Заметное повторение береговой линии Африки и Южной Америки считают не случайным — сотни миллионов лет назад эти два континента были единым целым.

По принятой на сегодня гипотезе на Земле с середины палеозоя до середины мезозоя существовало только два материка: в Северном полушарии — Лавразия, а в Южном — Гондвана. Их разделял океан Тетис.

Когда Лавразия распалась, образовались две части: северно-американская и евроазиатская с Атлантическим океаном между ними. Из Гондваны образовались Южная Америка, Африка, Азия (Аравия и Индия), Австралия и Антарктида. Кости предков сумчатых животных, ныне обитающих только в Австралии, были найдены в Антарктиде.

Главных тектонических плит шесть:

- евроазиатская,

- африканская,

- антарктическая,

- индо-австралийская,

- американская и

- тихоокеанская.

Между ними существует несколько мелких плит, движущихся отчасти независимо. На некоторых границах плит, расположенных только в океане, образуется новая кора. Так, вдоль середины Атлантического океана проходит подводный Срединно-Атлантический хребет, от которого земная кора наращивается в направлении к американской плите (в одну сторону) и к африканской и евроазиатской (в другую).

Однако существуют на Земле и районы, где плиты сталкиваются и одна погружается под другую, образуя зоны субдукции. Субдукция — процесс подныривания одной литосферной плиты под другую в районе глубоководных желобов. На карте рельефа поверхности Земли зоны субдукции выглядят как глубоководные океанические желоба вблизи островных дуг или континентальных окраин с высокими хребтами. Их протяженность примерно равна протяженности рифтовых долин. Противоположный процесс — спрединг — расхождение литосферных плит в стороны от срединно-океанических хребтов.

Трение на границах сдвигающихся плит — причина землетрясений, а нагревание осадочного слоя опускающейся плиты, сопровождающееся химическими реакциями, — причина извержений вулканов. Образующиеся при дегазации недр газы и пары воды из жерла вулкана попадают в атмосферу. Характерным примером является цепь вулканов на Дальнем Востоке вдоль границы, где тихоокеанская плита опускается под евроазиатскую.

В середине XX в. было установлено, что излияние лав и дегазация идут не только в вулканах на суше, но и на дне океана, в рифтовых (от англ. rift — трещина, ущелье) долинах — разломах земной коры, проходящих по оси срединно - океанических хребтов. В общей сложности, протяженность таких разломов на дне океанов составляет не менее 70 тыс. км. Рифтовые долины образуют границы литосферных плит, на которые разбита вся поверхность планеты. В рифтовых зонах земная кора раздвигается за счет подъема из глубин недр вещества, которое наращивает края плит.

С помощью глубоководных аппаратов в районе рифтовых долин обнаружены многочисленные выбросы сильно минерализованной воды, содержащей соединения металлов и имеющей температуру до 300—400 °С. При попадании такой сверхгорячей воды в холодную придонную океаническую воду она быстро остывает и содержащиеся в ней вещества осаждаются, формируя вокруг струи сооружение в виде трубы. Такие струи часто выглядят как столб черного или белого дыма. Поэтому они получили название «черные» или «белые» курильщики.

Одна из характерных особенностей нашей планеты заключается в следующем. Если выразить графически рельеф материков и дна океанов в качестве различных ступеней общего рельефа Земли, получается гипсографическая (от греч. gipsos — высота, grapfo — пишу) кривая земного шара (рис. 2.4). Ее анализ показывает, что континенты уступают океанам по площади и их поднятие над уровнем моря невелико по сравнению с глубинами океанов.

Площадь поверхности Земли S, %

Рис. 2.4. Гипсографическая кривая земного шара (жирная линия) и обобщенный профиль дна океана (пунктирная линия)

На суше и океаническом дне с определенной закономерностью расположены горы и горные системы. На суше это широтный Средиземноморский и меридиональные Западно - и Восточно-Тихоокеанские линейные горные пояса. Средиземноморский пояс начинается на западе горами Атласа (Северная Африка) и продолжается на восток, включая горные цепи Пиренеев, Альпы, Апеннины, Балканские, Карпатские, Крымские, Кавказские горные системы, Памир, Гималаи. Западно-Тихоокеанский пояс охватывает горные сооружения Чукотки, Камчатки, Курильских островов, Сахалина, Японии и другие, вплоть до австралийских Кордильер. Восточно-тихоокеанский пояс включает в себя горные образования Кордильер Северной и Южной Америки.

Считают, что деятельность вулканов и рифтовых зон в докембрийский период, сопровождавшаяся извержением и кристаллизацией (с дегидратацией) вещества мантии, способствовала образованию воды на Земле, заполнившей Мировой океан планеты.

Механизмы, приводящие к движению плит и дрейфу континентов, изучены не до конца, тем не менее проявления тектонической деятельности в виде извержений вулканов обнаружены и на других планетах и спутниках, что говорит о сходных процессах в их недрах.

Земля — не идеальный шар. Благодаря вращению, наша планета, в целом, должна иметь форму эллипсоида, приплюснутого у полюсов, т. е. с экваториальным радиусом больше расстояния от центра до полюсов. Однако в действительности она существенно иная. С помощью искусственных спутников установлено, что Земля имеет несколько «грушевидную» форму: ее Северный полюс приподнят на 15 м относительно правильного эллипсоида, а Южный — опущен на 20 м. Кроме того, доказано, что экваториальное сечение Земли также имеет форму эллипса с разницей между большой и малой полуосями в 100 м.

По сравнению с размерами всей Земли неровности ее поверхности весьма незначительны, и в расчетах ими пренебрегают. Геометрическую фигуру Земли принято ограничивать поверхностью океана, мысленно продолженной под материками таким образом, чтобы она всюду была перпендикулярна к направлению силы тяжести. Эта присущая только Земле фигура получила название геоид (от греч. geo — земля, еidos — подобие).

Радиус земного шара в плоскости экватора составляет 6 378 км, а от центра Земли до полюса — 6 357 км. Длина экватора — 40 076 км, а длина земного меридиана — 40 009 км. Общая площадь поверхности Земли около 510 млн км², ее объем — 1,083 • 10¹² км³, масса — 6 • 10¹² млрд т.

Процессы, сопоставимые по масштабам с рассмотренными и непосредственно влияющие на биосферу Земли, происходят в результате соседства естественного спутника — Луны. Наиболее заметными являются приливы и отливы, причем как на водных просторах, так и земной коре (где они без специальных приборов не ощутимы). Каждые 12 ч 25 мин уровень моря поднимается (в открытом океане в среднем на 0,5 м), а через четверть суток возвращается в исходное состояние.

Вблизи берегов наблюдаемая высота прилива сильно возрастает, достигая максимума в сужающихся заливах и в мелководных Беринговом и Охотском морях. Особенно сильны морские приливы около 50° северной и южной широты. Там приливные волны движутся по поверхности Земли со скоростью 290 м/с. Максимальная разница между высокой и низкой водой зарегистрирована в заливе Фанди, в Канаде, на широте 45° она достигает 18 м.

Морские приливы и отливы наиболее заметны, однако приливное воздействие по тем же законам физики искажает и атмосферу Земли: она также немного вытянута в сторону Луны. Это вызывает колебания атмосферного давления, незначительные по сравнению с колебаниями при изменении погоды. Приливы на Земле вызывает не только Луна, но и Солнце, причем максимум соответствует полнолунию или новолунию, когда Земля, Луна и Солнце находятся на одной прямой.

Соседство большого спутника нигде в Солнечной системе сейчас не проявляется так сильно, как для Земли. Луна тормозит ее вращение.