Земной шар и геосферы
О шаровидности Земли первыми сделали вывод пифагорейцы - сподвижники и последователи великого Пифагора (V в. до н.э.), а доказательство этому первым нашел Аристотель (IV в. до н.э.), обратив внимание на то, что тень от Земли, падающая на полную Луну имеет круглую форму, хотя во время затмений Земля бывает повернута к Луне разными сторонами.
Размеры земного шара довольно точно первым установил древнегреческий математик, астроном и географ Эратосфен Киренский (III в. до н.э.). Он жил в Египте, в Александрии. По его наблюдениям в день летнего солнцестояния (когда высота Солнца над горизонтом максимальна) в Александрии Солнце в полдень отстояло от зенита на угол, соответствующий 1/50 окружности, а в Сиене (теперь это город Асуан) - находилось в зените, ибо освещало дно глубоких колодцев (рис. 2.1). Так как расстояние между указанными городами составляло 5 тыс. египетских стадий, то Эратосфен, умножив 5 тысяч на 50, установил, что окружность Земли составляет 250 тыс. стадий. Предполагают, что длина египетской стадии равнялась 157,7 м. Следовательно, окружность Земли (по Эратосфену) равна 39,5 тыс. км. Поделив эту величину на 2 , находим, что средний радиус земного шара равен примерно 6278 км (по современным измерениям - 6371 км!)
Но уже давно исследователи фигуры нашей планеты поняли, что Земля - далеко не шар. Было предложено несколько математических моделей Земли. Из них наибольшее распространение получили две: геоид и эллипсоид.
Геоид* - это модель Земли, представляющая собой геометрическое тело, у которого поверхность совпадает с поверхностью среднего уровня воды в океане, находящейся в спокойном состоянии (без волн, приливов, течений, влияния изменений атмосферного давления) и мысленно продолженной под материками так, что она в каждой точке пересекает направление отвесной линии под углом 90о.
Относительно геоида производятся измерения высот на суше и глубин в океане. Так, наибольшую высоту над поверхностью мирового океана имеет - 8848 м - вершина Джомолунгма (Эверест), находящаяся в Гималаях (Евразия). Впервые люди побывали на ней в 1953 году. Это были новозеландец Э.Хилгари и шерп Н.Тенцинг. Наибольшую глубину по отношению к уровню мирового океана - 11022 м - имеет Марианский желоб в Тихом океане. Она была установлена в 1957 году российскими учеными, проводившими исследования на корабле Института океанологии АН СССР "Витязь".
Для решения геодезических и картографических задач в нашей стране и ряде других стран с 1946 года за математическую модель Земли принят так называемый эллипсоид относимости, или эллипсоид Красовского (по фамилии российского ученого, руководившего соответствующими измерительными работами). Эллипсоид как геометрическое тело представляет собой шар, сплюснутый (сжатый) у полюсов (рис. 2.2). Одним из первых величину этого сжатия определил И.Ньютон* .
По его подсчетам оно должно составлять 1:230, а по расчетам Ф.А.Красовского* (1940 г.) - 1:298,3. Как показали наблюдения за движением искусственных спутников Земли, величина сжатия равна 1:298,2. Эти же наблюдения позволили уточнить абсолютные размеры эллипсоида относимости. Оказалось, что экваториальный радиус Земли равен - 6375,75 км, северный полярный радиус - 6355,39 км, южный полярный радиус - 6355,36 км.
Для сравнения профилей геоида и эллипсоида на рис. 3 показаны сечения Земли по нулевому (Гринвичскому) меридиану (слева) и по экватору (справа). Тонкой линией показано сечение эллипсоида, толстой - геоида. Для наглядности высоты геоида по сравнению с размерами эллипсоида увеличены в 10 тыс. раз.
Земля участвует в двух движениях: она вращается вокруг оси и обращается вокруг Солнца. Вследствие первого движения происходит смена дня и ночи, вследствие второго - смена времен года.
Оба эти движения приводят к тому, что все окружающие нас звезды как бы перемещаются по небосводу. Но на поверхности Земли есть одна точка,
с которой наблюдатель видит точно под собой одну практически неподвижную звезду. Эта звезда является самой яркой в созвездии Малая Медведица и называется Полярной. Прямая, проходящая через центр Земли, с одной стороны, и Полярную звезду, с другой, называется осью вращения Земли. Эта ось наклонена к плоскости, в которой Земля обращается вокруг Солнца, на угол 66о33'22".
Точки пересечения оси вращения Земли с ее поверхностью называются полюсами: тот полюс, с которого видна Полярная звезда, называется Северным, а противоположный - Южным (рис. 4). Линия сечения земной поверхности плоскостью, проходящей через центр Земли, перпендикулярную оси ее вращения, называется экватором. Эта линия делит земной шар на Северное и Южное полушария.
Линии сечения поверхности земного шара плоскостями, параллельными плоскости экватора, называются параллелями. Линии сечения поверхности земного шара плоскостями, проходящими через ось вращения Земли, называются меридианами. Совокупность параллелей и меридианов на теоретически рассчитанной поверхности земного эллипсоида, шара или на глобусе называется географической сеткой.
Географическая сетка позволяет определять положение точки на земной поверхности (рис. 2.4). Для этого используются две географические координаты: широта и долгота. Географическая широта - это угол между плоскостью экватора и отвесной линией в точке, положение которой определяется. На рис 2.4 он обозначен через  . Широта отсчитывается в пределах от нуля (на экваторе) до 90о (на полюсах) в сторону Северного и Южного полюсов и называется соответственно или северной, или южной широтой.
Географическая долгота - это угол между плоскостью меридиана, принимаемого за начальный, и плоскостью меридиана, проходящего через точку, положение которой определяется. За начальный (нулевой) принимается меридиан, проходящий через Гринвичскую астрономическую обсерваторию (Англия). Соответственно его называют часто Гринвичским. На рис. 5 долгота обозначена через  . Долгота отсчитывается в пределах от нуля (на гринвичском меридиане) до 180 на восток или на запад (на продолжении нулевого меридиана, соответственно этому различают восточную или западную долготу).
Например, географическими координатами Санкт-Петербурга являются: 59о57' северной широты и 30о19' восточной долготы.
Земля совершает один оборот вокруг оси своего вращения за 23 ч 56 мин 4 с. Этот промежуток времени называется звездными сутками. Сутки, которыми мы ведем счет времени в повседневной жизни, называются средними. В них содержится 24 часа и учитывается не только вращение Земли, но и ее движение (обращение) вокруг Солнца. Один оборот вокруг Солнца Земля совершает за 365 дней 6 ч 9 мин 9 с. Этот период обращения называется звездным годом. Траектория Земли в ее движении вокруг Солнца (земная орбита) близка к окружности, но слегка вытянута и представляет собой эллипс (рис. 6).Солнце находится не в центре орбиты, а в одном из ее фокусов. Поэтому на протяжении года расстояние от Солнца до Земли периодически меняется: от 147,1 млн. км (в начале января) до 152,1 млн. км (в начале июля). Большая полуось земной орбиты определяет среднее расстояние Земли от Солнца. Оно равно 149,6 млн. км.
Фокус орбиты отстоит от ее центра на 2,5 млн. км. Самая ближайшая к Солнцу точка земной орбиты называется перигелием, а самая далекая - афелием.
За счет достаточно быстрого вращения Земли вокруг оси земная ось на протяжении многих и многих столетий практически сохраняет свое направление в пространстве, медленно поворачиваясь всего лишь на 50 в год, что соответствует полному обороту за 26 тыс. лет. В нашу эпоху земная ось направлена почти на Полярную звезду. Ею пользуются при ориентировке на местности: если встать лицом к Полярной звезде, то впереди будет север, справа - восток, сзади - юг и слева - запад.
Для удобства отсчета времени и координации жизни на Земле ее поверхность разделена (приблизительно по меридианам) на 24 часовых пояса. 
рис 2.5. Траектория движения Земли вокруг Солнца
Каждый из них соответствует примерно 15о по долготе. Среднее солнечное время срединного меридиана часового пояса называется поясным. В смежных поясах оно различается на 1 час. Его отсчет ведется с Запада на Восток от Гринвичского меридиана. Границы часовых поясов проходят либо вдоль соответствующих меридианов на поверхности океанов, либо вдоль каких-либо естественных границ на суше. Соотношение времени суток приходится учитывать достаточно часто: при дальних и быстрых перемещениях по земному шару, при координации деятельности международных фирм или компаний, имеющих удаленные филиалы, при установлении телефонной или межкомпьютерной связи с удаленными абонентами и т.п.
Вследствие обращения Земли вокруг Солнца, наклона земной оси к плоскости эклиптики и сохранению ею своего направления в пространстве на нашей планете происходит смена времен года и существуют тепловые (климатические) пояса (рис. 2.6).
21 марта и 23 сентября в равной мере освещены оба географических полюса Земли, и Солнце там видно только на горизонте. Линия светораздела (терминатор), отделяющая освещенное Солнцем (дневное) полушарие Земли от неосвещенного (ночного), проходит через оба полюса. Все точки земной поверхности полсуток освещаются Солнцем, а полсуток лишены освещения, т.е. в эти дни года продолжительность дня равна продолжительности ночи. День 21 марта называется днем весеннего равноденствия, а день 23 сентября - днем осеннего равноденствия.
После 21 марта область вокруг Северного полюса обращена к Солнцу, и в ней Солнце не заходит. Это время определяет полярный день. Область вокруг Южного полюса в это время не освещается Солнцем, то есть в ней Солнце не восходит. Здесь наблюдается полярная ночь. В Северном полушарии Земли день постепенно становится продолжительнее ночи (рис. 2.7). Солнце в полдень с каждым днем все выше поднимается над горизонтом, начинается весна. В Южном полушарии, наоборот, начинается осень. Границы полярного дня и полярной ночи постепенно отступают от полюсов и к 21 марта достигают в обоих полушариях географических параллелей 66о33'. Эти параллели являются границами холодных климатических поясов и называются полярными кругами (рис. 2.7). В этот день полуденная высота Солнца в Северном полушарии наибольшая, а в Южном полушарии - наименьшая. Начинается соответственно астрономическое лето и астрономическая зима.
После 21 июня границы полярного дня и полярной ночи приближаются к географическим полюсами и 23 сентября доходят до них, а затем снова от них удаляются. Теперь уже область полярной ночи начинает распространяться вокруг Северного полюса. В Северном полушарии с каждым днем Солнце поднимается в полдень на меньшую высоту, день становится короче ночи (рис. 2.7). Наступает осень, а затем зима. В Южном полушарии картина обратная: там наступает весна, а затем лето.
Пояс земной поверхности, ограниченный по обе стороны от экватора географическими параллелями 23о27' (северным и южным тропиками), называется жарким или тропическим (рис. 2.7). В этом поясе два раза в год Солнце в полдень проходит через самый зенит и его лучи Солнца падают на земную поверхность отвесно. На самих тропиках Солнце проходит через зенит только один раз в году: 21 июня - на северном тропике и 22 декабря - на южном тропике.
Между полярными кругами и тропиками лежат умеренные пояса; в них никогда не бывает полярных дней и ночей, и Солнце никогда не проходит через зенит.
Рис. 2.7. Смена времен года в Южном и Северном полушариях
Впервые увидеть шарообразность и рельефность Земли посчастливилось нашему соотечественнику Юрию Алексеевичу Гагарину* , когда он 12 апреля 1961 года за 108 минут облетел Землю на корабле-спутнике "Восток". В своей книге "Дорога в космос" он отметил, что из космоса "наша планета выглядит примерно так же, как при полете на реактивном самолете на больших высотах. Отчетливо вырисовываются горные хребты, крупные реки, большие лесные массивы, пятна островов, береговая кромка морей... Водная поверхность выглядит темноватыми, чуть поблескивающими пятнами. Ощущается ли шарообразность нашей планеты ? Да, конечно!
Когда я смотрел на горизонт, - продолжает в своей книге Ю.Гагарин*, - то видел резкий, контрастный переход от светлой поверхности Земли к совершенно черному небу. Земля радовала сочной палитрой красок. Она окружена ореолом нежно-голубоватого цвета. Затем эта полоса постепенно темнеет, становится бирюзовой, синей, фиолетовой и переходит в угольно-черный цвет.Этот переход очень красив и радует глаз".
Для полной характеристики Земли в целом следовало бы назвать такие ее параметры, как масса (61021 кг), объем (1012 км3), площадь поверхности (5108 км2), но для понимания общих концепций без сравнения этих величин с какими-нибудь обыденными параметрами они дают немного. Поэтому обратим внимание лишь на то, что рельеф земной поверхности по-крупному складывается из материковых возвышенностей и океанических впадин, причем 70% поверхности Земли покрыто водой и только 30% занимает суша. Максимальный перепад высот рельефа Земли равен сумме высоты Эвереста и глубины Марианской впадины, и, следовательно, составляет около 20 км.
Шарообразность Земли, расположение на ней основных масс твердого, жидкого и газообразного вещества, а также многие ее физико-химические свойства позволили для удобства исследования выделить внутри Земли и вокруг нее ряд концентрических оболочек различной плотности и химического состава. Впервые такой подход к излучению нашей планеты предложил австрийский геолог Э.Зюсс (1831 - 1914).  В своем трехтомном труде "Лик Земли" он обобщил представления предшественников о строении и развитии земной коры и назвал выделяемые по различным признакам концентрические оболочки Земли геосферами.*
В настоящее время в направлении от периферии к центру Земли различают магнитосферу*, атмосферу* , гидросферу* , земную кору, мантию* Земли и ее ядро (рис. 10). Нижнюю часть атмосферы (тропосферу), гидросферу и верхнюю часть земной коры, населенные организмами, объединяют под названием биосферы.*
Земная кора, гидросфера, атмосфера, магнитосфера, а также биосфера описаны подробно. Что касается мантии и ядра, то они исследованы в настоящее время по понятным причинам недостаточно. Для их изучения применяются методы, основанные главным образом на световых звуковых и ударных волн по-разному распространяться в различных средах.
Рис.2.10. Зоны внутри Земного шара
Считается, что ядро Земли представляет собой центральную геосферу, обладающую как и все геосферы специфическими характеристиками и имеющую средний радиус порядка 3500 км. Различают внешнюю и внутреннюю части ядра. Последняя имеет радиус около 1250 км и, вероятно, находится в твердом состоянии. Предполагают, что температура ядра находится в диапазоне от двух до пяти тысяч градусов (по Цельсию).
Между ядром и земной корой находится так называемая мантия.* Нижняя граница мантии располагается на глубине 2900 км, верхняя - около 40 км. Мантия делится на два слоя: верхняя мантия по своему составу разнородна и близка к горным породам, нижняя - отличается однородностью.
Большинство геологических процессов, происходящих в верхних частях земной коры, существенно определяется глубинными процессами. Образование гор, трещин, разрывов, землетрясения и вулканизм, обусловлены, очевидно, энергией и выделениями вещества в верхней мантии.
Таким образом, внутри земного шара различают следующие зоны, обладающие специфическими свойствами: земная кора, верхняя и нижняя мантия, внешняя и внутренняя части ядра. Земная кора и верхняя (твердая) часть верхней мантии составляют так называемую литосферу.*
de.ifmo.ru
Рейтинг публикации:
|
