<<
>>

Наш дом — планета Земля

Третью планету Солнечной системы мы называем Земля. Ее движение по орбите вокруг Солнца строго подчиняется законам Иоганна Кеплера, выведенным им из данных наблюдательной астрономии почти за полвека до открытия Исааком Ньютоном закона всемирного тяготения и строго сформулированным им в знаменитых «Математических началах натуральной философии» в 1687 г.

Наши представления о внутренней структуре земного шара стали приобретать более или менее реальные очертания только после изобретения сейсмографа в середине XIX в., хотя приборы для регистрации землетрясений, основанные на наблюдении колебаний маятника, были известны еще древним китайцам в начале нашей эры.

Современный сейсмограф представляет собой комплекс приборов, регистрирующих колебания грунта при землетрясении и преобразующих их в электрический сигнал, записываемый на сейсмограммах в аналоговой и цифровой форме. Однако, по-прежнему, основным чувствительным элементом служит маятник с грузом.

Сейчас во всем мире работает более 2000 сейсмических станций, регистрирующих примерно 100 000 землетрясений в год, большинство из которых люди просто не замечают. Но примерно одно из них приводит к катастрофическим последствиям и жертвам.

За последние 500 лет жертвами разрушительных землетрясений стало 5-6 млн человек, и почти половина из них приходится на Китай.

Так, в 1556 г. при катастрофическом землетрясении в провинции Шэньси погибло 830 тыс. человек, а в 1976 г. в районе Тендзян, к востоку от Пекина — по разным оценкам, от 350 тыс. человек до 1 млн.

Не является исключением и Европа: 1908 г., Мессина (Италия) — 120 тыс. человек; 1755 г., Лиссабон — погибло 50 из 230 тыс. жителей; 1737 г., Калькутта (Индия) — погибло 300 тыс. человек; 1923 г., Токио — 143 тыс. человек.

По своим разрушительным последствиям землетрясения сравнимы только с разрушительными воздействиями тропических циклонов, а иногда и связанны с ними.

Энергия, выделяющаяся при землетрясениях, достигает Ю20 Дж. Для сравнения, энергия взрыва водородной бомбы в 1 мегатонну составляет всего 1,5 • 1016 Дж.

Колебания внутренних масс вещества Земли, вызванные землетрясениями, имеют как продольную, так и поперечную составляющую и распространяются от места их возникновения на тысячи километров.

Для определения силы землетрясений используются две шкалы: одна — 12-балльная описательная (принятая у нас) шкала MSK-64 (Медведева-Шпонхойера- Карника) и другая — логарифмическая, или магнетуд- ная, 9-балльная Шкала Рихтера, которая характеризует энергию землетрясения в его гипоцентре (месте возникновения). Изменение силы землетрясения на один балл этой шкалы соответствует 100-кратному изменению всей выделившейся энергии. Поэтому последствия землетрясения в его эпицентре (проекции положения гипоцентра на поверхность) зависят от глубины гипоцентра.

Шкала MSK-64, наоборот, определяет последствия землетрясения в его эпицентре.

Землетрясение в 1 балл на поверхности не ощущается никем, регистрируется только сейсмическими приборами; балла — иногда замечается людьми, находящимися в спокойном состоянии; балла — ощущается в помещениях на верхних этажах; балла — ощущается многими (особенно в помещении), в ночное время некоторые просыпаются. Возможен звон посуды, дребезжание стекол, хлопанье дверей; баллов — замечается всеми, многие ночью просыпаются. Качание висячих предметов, трещины в оконных стеклах и штукатурке; баллов — осыпается штукатурка, легкие разрушения зданий; баллов — трещины в штукатурке и откалывание отдельных кусков, тонкие трещины в стенах. Толчки ощущаются в автомобилях; баллов — большие трещины в стенах, падение труб, памятников. Трещины на крутых склонах и на сырой почве; баллов — обрушение стен, перекрытий, кровли в некоторых зданиях, разрывы подземных трубопроводов; баллов — обвалы многих зданий, искривление железнодорожных рельсов. Оползни, обвалы, трещины (до 1 м) в грунте; баллов — многочисленные широкие трещины в земле, обвалы в горах, обрушение мостов, только немногие каменные здания сохраняют устойчивость; баллов — значительные изменения рельефа, отклонение течения рек, предметы подбрасываются в воздух, тотальное разрушение сооружений.

Усилия ученых, направленные на изучение природы и причин землетрясений и создание приборов для их регистрации, в конечном счете привели к достаточно точным представлениям о внутреннем строении Земли.

В 1897 г. немецкий геофизик Эмиль Вихерт выдвинул гипотезу о существовании у Земли плотного металлического ядра.

В середине XX в. эта гипотеза нашла подтверждение при обработке результатов сейсмограмм, а в последнее время — при измерении гравитационного поля Земли с помощью спутников. Эти измерения позволили определить момент инерции Земли, величина которого сильно зависит от распределения плотности вещества по радиусу планеты.

В модели однородной Земли момент инерции был бы равен 0,4 • Ю40 г • см2/с, тогда как результаты измерений с помощью спутников дают величину, почти на треть меньшую: 0,33089 • Ю40 г • см2/с.

Средняя плотность вещества Земли р = 5,517 г/см3, а средняя плотность земной коры равна всего 2,8 г/см3.

В 1909 г. югославский геофизик Андрей Мохорович при обработке сейсмограмм сильного землетрясения в Загребе обнаружил резкое изменение скорости сейсмических волн на глубине 30-40 км от поверхности Земли.

Очень много для развития теории внутреннего строения Земли дали работы российского академика Бориса Борисовича Голицына — фактически основателя науки сейсмологии — раздела геофизики, изучающего причины землетрясений и распространение сейсмических волн (механических колебаний вещества Земли), возникающих в результате разгрузки внутренних напряжений.

Внутренний слой Земли, находящийся в нижней части верхней мантии (на глубине 400-900 км), характеризующийся резким ростом скоростей сейсмических волн, был впервые установлен в 1916 г. Б. Б. Голицыным и носит его имя.

На рис. 6.1 приведены результаты измерения скорости сейсмических волн, полученные из обработки сейсмограмм, полученных на разных сейсмостанциях в разное время. На данном рисунке четко видно резкое изменение скорости распространения сейсмических волн при переходе через поверхности раздела областей внутри Земли с разными физическими свойствами.

В основном это области с различной плотностью и упругими свойствами.

Из механики сплошных сред известно, что скорости распространения поперечных волн Сп зависят от модуля сдвига ц и плотности среды р:

Для жидкости модуль сдвига равен 0, следовательно, там не могут распространяться поперечные волны. Резкое затухание поперечных сейсмических волн на глубине 2900 километров от поверхности указывает на то, что на глубинах, больших 2900 км, вещество находится в жидком состоянии.

Продольные волны преодолевают этот слой, но на глубине около 5100 километров скорость их распространения резко увеличивается с 10 до 11,3 км/с и вновь оказывается возможным распространение поперечных волн со

скоростью 3,6 км/с. Это указывает на то, что центральное ядро Земли представляет собой твердое кристаллическое вещество с плотностью около 13 г/см3.

Рис. 6.1. Скорости распространения сейсмических волн, измеренные при обработке данных о землетрясениях и ядерных

взрывах х)

Еще в начале XIX в., в процессе точного определения координат далеких звезд, было замечено, что широты астрономических обсерваторий при измерениях в течение ряда лет не остаются постоянными. Это могло происходить либо в результате медленного дрейфа континентов, либо в результате колебаний положения земной оси.

Прецессия земной оси была известна астрономам еще в XVII в. Угол между осью конуса прецессии и образующей конуса равен 23° 27', а сама ось перпендикулярна плоскости земной орбиты. Был вычислен и пери- г) Мельхиор П. Физика и динамика планет. — М.: Мир, 1976.

од прецессии, который оказался равным приблизительно 26 тыс. лет.

В 1912 г. немецкий геофизик Альфред Вегенер выдвинул гипотезу, согласно которой около 100-120 млн лет назад существовавшая в то время единая материковая суша раскололась на несколько частей, которые стали медленно расходится в разные стороны со скоростью несколько сантиметров в год.

Одним из аргументов этой гипотезы послужило сходство очертаний материков Африки и Южной Америки, на которое некоторые географы обращали внимание еще задолго до Вегенера.

К середине XX в. на основе анализа измерений остаточной намагниченности горных пород было высказано предположение, что таких праматериков было по крайней мере два: южный, получивший впоследствии название Гондвана, из которого потом образовались Южная Америка, Африка, Австралия и Антарктида, и северный — Лавразия, из которого образовались Северная Америка, Европа, Азия и Гренландия. Эта теория получила название теории мобилизма материков.

В 1980 г. были проведены измерения долготы обсерваторий Берлина и Гонолулу, отстоящих по долготе на 180 градусов. Эти данные не подтвердили гипотезу Вегенера о смещении Европы относительно дна Тихого океана. Однако точность таких измерений находится на пределе экспериментальных возможностей и требует дополнительной проверки.

Наличие жидкого ядра Земли было подтверждено в конце 60-х гг. путем обнаружения небольших колебаний полюсов земного шара, возникающих после сильных землетрясений (например, Чилийского в 1960 г. и Аляскинского в 1964 г.), а также в результате возмущений, вызванных суточными лунными приливными волнами.

В 1982 г. А. Чандлер установил, что колебания земной оси имеют период 430 сут. Расчетное значение периода колебаний твердой Земли не может превосходить 305 сут.

Расчеты показывают, что в случае полностью твердой Земли частота ее колебаний должна быть выше, чем частота колебаний шара с жидкой сердцевиной, что и подтверждают результаты точных измерений.

Полученные в результате измерений данные за последние 30 лет были обобщены и уверенно показывают, что наша планета расслоена на концентрические оболочки: твердое металлическое внутреннее ядро с плотностью р ~ 3 г/см3, жидкое внешнее ядро с плотностью р ~ ~ 9,5-11 г/см3, нижняя мантия с плотностью р ~ 5 г/см3, верхняя мантия с плотностью р ~ 3,56 г/см3, кора с плотностью р ~ 2,8 г/см3.

Схема внутреннего строения Земли приведена на рис. 6.2.

Рис. 6.2. Схема внутреннего строения Земли

В последней четверти XX в. появились гипотезы о том, что скорости вращения внутреннего ядра и нижней мантии различны. Твердая оболочка земли проворачивается относительно ядра. Это приводит к потере момента количества движения оболочки за счет вязкого трения в жидком внешнем ядре и должно влиять на изменение продолжительности суток.

Точные измерения, выполненные с помощью квантовых стандартов частоты, показали, что действительно,

длительность земных суток уменьшается на 1 микросекунду за 10 лет. Было показано, что эти изменения не связаны с приливным торможением вращения земли в результате гравитационного взаимодействия системы Луна-Земля, т. е. оболочка Земли вращается с меньшей угловой скоростью, чем твердое внутреннее ядро.

Надо сказать, что приливное взаимодействие системы Земля-Луна оказывает существенное влияние на перемешивание масс вещества в нижних оболочках Земли и вулканические процессы. />Существование вращающегося жидкого ядра Земли, в соответствии с гипотезой Лармора, приводит к возникновению у Земли составляющей магнитного поля, не связанного с влиянием на него токов в магнитосфере, обусловленных ионизацией верхних слоев атмосферы Земли корпускулярным и ультрафиолетовым излучением Солнца.

Измерение остаточной намагниченности горных пород указывает на изменение полярности магнитного поля и положения магнитных полюсов на протяжении геологической истории Земли (в прямом смысле, по Высоцкому: «Там где полюс был — там тропики... »).

По данным магнитологов, полученным в начале 70-х гг., около 500 млн лет назад магнитные полюса находились в районе современного экватора и, скорее всего, это происходило не один раз. В чем здесь причина, геофизики пока разбираются.

Существование у Земли, хотя и не очень сильного, магнитного поля очень существенно для сохранения жизни на планете. Корпускулярное излучение Солнца (преимущественно протоны и электроны), особенно в периоды повышенной солнечной активности, в значительной мере задерживается магнитным полем Земли, образуя радиационные пояса.

В радиационных поясах частицы под действием магнитного поля движутся по сложным траекториям из Северного полушария в Южное и обратно, не достигая Земли.

Землю нельзя рассматривать как полностью сформировавшееся неэволюционирующее космическое тело. За время своей геологической истории почти в 5 млрд лет как внутреннее ее строение, так и поверхность и атмосфера претерпели существенные изменения.

По оценкам вулканологов, на поверхность Земли ежегодно выносится из ее недр примерно 9 • 1015 г магмы, вулканического пепла, газов и различных паров. Если предположить, что вулканизм на Земле за всю ее геологическую историю был примерно на одном уровне (возможно, что на ранних стадиях эволюции он был несколько больше) , то за 5 млрд лет на поверхность Земли было вынесено по крайней мере 4,5-1025 г вулканических материалов при плотности около 2,6 г/см3. Нетрудно подсчитать, что если всю эту массу равномерно распределить по поверхности Земли, то получится слой толщиной в 34 км.

Это означает, что современная кора Земли является продуктом длительной переработки вещества верхней мантии путем выветривания, переосаждения и окисления пород атмосферой и гидросферой Земли, а также преобразования пород жизнедеятельностью организмов.

Термохимические процессы, происходящие в мантии Земли, усиленные приливным перемешиванием вещества, находящегося в пластическом состоянии во внешнем ядре и верхней мантии, приводили к сжатию Земной коры и образованию горных массивов. Эти периоды активности недр перемежались с периодами спокойного состояния коры, в течение которых образовавшиеся горные области почти полностью разрушались благодаря действию атмосферы и воды и превращались в осадочные породы на дне морей.

Периоды горообразования геологи называют ороген- ными, а промежутки между ними — геосинклинальны- ми. Продолжительность первых обычно не превышает 50-70 млн лет, а вторых — 250-500 млн лет. Сейчас считается, что орогенные периоды имели место 3,3, 2,5, 1,7, 1, 0,4, 0,2 и 0,1 млрд лет назад.

В течение последнего периода образовались такие горные массивы, как Альпы, Кавказ и Гималаи, их возраст

не превышает 70-100 млн лет. Всего около 2 % от полного возраста Земли.

Жизнь на нашей планете не могла бы возникнуть, если бы на ее поверхности не было свободной воды. По существу Земля — это водная планета, так как Мировой океан занимает 70,8 % ее территории.

Морская вода — это раствор 44 химических элементов. Важную роль играют соли. Общее количество солей в Мировом океане составляет 5 • 1016 т. Если всю морскую соль в сухом виде распределить по поверхности суши, то ее слой составит почти 150 м.

Океан — регулятор температуры на земной поверхности. Самая высокая температура у поверхности воды в Тихом океане — 19,4 °С, в Индийском — 17,3 °С, в Атлантическом — 16,5 °С. С глубиной температура воды падает. Хотя бывают исключения, обусловленные поднятием глубинных теплых

вод. Примером может служить западная часть Ледовитого океана, куда вторгается Гольфстрим. На глубине 2 км на всей акватории Мирового океана температура не превышает 2-3 °С.

Мировой океан — мощный накопитель тепла и регулятор теплового режима Земли. Если бы океана не было, средняя температура поверхности Земли составила бы —21 °С, то есть была бы на 36 °С ниже измеряемой в настоящее время, и жизнь на этой планете вряд ли бы возникла.

Общее количество свободной воды на Земле в настоящее время составляет примерно 1,5 • 1018 т, ее распределение по поверхности (в тоннах) представлено в табл. 6.1.

Но было ли так всегда? На этот вопрос геофизиков, по-видимому, до сих пор нет четкого ответа. За последние 150-200 лет, когда начались регулярные измерения, уровень океана постепенно поднимается примерно на 2 мм

в год, т. е. за последнюю тысячу лет он при таких темпах увеличился на 2 метра, а за миллион лет — на два километра. За 10 миллионов лет он поднялся бы на 20 км, а это уже противоречит реальной ситуации. Значит, темпы изменения уровня океана в настоящее время возросли.

Одной из причин этого, но отнюдь не единственной, является общее потепление климата Земли за последние 150-200 лет, вызванное парниковым эффектом. Об этом мы поговорим отдельно в одной из следующих лекций. 

<< | >>
Источник: Богданкевич О. В. Лекции по экологии. 2002

Еще по теме Наш дом — планета Земля:

  1. ОБ ОБЩЕМ ЦЕНТРЕ ТЯЖЕСТИ МЕЖДУ НЕСКОЛЬКИМИ ТЕЛАМИ, ТАКИМИ, КАК ПЛАНЕТЫ И СОЛНЦЕ
  2. ГЛАВА X О СИЛЕ ТЯГОТЕНИЯ ТЕЛ НА РАЗЛИЧНЫХ ПЛАНЕТАХ
  3. ГЛАВА VII ПРИ ПОМОЩИ КАКИХ НАБЛЮДЕНИЙ И РАССУЖДЕНИЙ УДАЛОСЬ УБЕДИТЬСЯ В ДВИЖЕНИИ ЗЕМЛИ
  4. ГЛАВА IX ОСНОВНЫЕ ЯВЛЕНИЯ, ОБЪЯСНЯЕМЫЕ ДВИЖЕНИЕМ ЗЕМЛИ
  5. НЕБО И ЗЕМЛЯ (ОТРЫВОЧНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ ОБ АСТРОЛОГИИ)
  6. ОБ ОРБИТАХ ПЛАНЕТ (ФИЛОСОФСКАЯ ДИССЕРТАЦИЯ)
  7. Земля как планета. Геоэкологические следствия
  8. РЕЧЬ О ЗНАТНЕЙШИХ ПЕРЕМЕНАХ ЗЕМЛИ, ГОВОРЕННАЯ В ПУБЛИЧНОМ СОБРАНИИ АКАДЕМИИ НАУК ПРОФЕССОРОМ ФИЛОЗОФИИ ИОСИФОМ АДАМОМ БРАУНОМ ИЮЛЯ 1 ДНЯ 1756 ГОДА[320]
  9. 1.4. Основные характеристики планет
  10. Как возникли планеты и много ли их?
  11. Наш дом — планета Земля
  12. Может ли Земля столкнуться с астероидом?
  13. 3.5. РАСТУЩАЯ ЗЕМЛЯ: ИЗ ПЛАНЕТ В ЗВЕЗДЫ (ВВЕДЕНИЕ В ТЕОРИЮ ЗВЕЗДНО-ПЛАНЕТНЫХ СИСТЕМ)
  14. 4.1. МОДЕЛИРОВАНИЕ БУДУЩЕГО: МОДЕЛЬ ЭКОСИСТЕМЫ "ПЛАНЕТА-ЧЕЛОВЕЧЕСТВО"