Астрометрия.

Сегодня, каждому школьнику известна форма и размеры Земли. Однако, как долог был путь к познанию планеты, на которой мы с вами живем. Наблюдая Луну мы, как и древние астрономы, можем воочию убедиться в том, что она круглая. А вот Земля... 

Находясь внутри дома, трудно оценить размеры и форму всего дома. Необходимо выйти из него и посмотреть со стороны. Но, как известно, впервые человек посмотрел на Землю из космоса 12 апреля 1961 года. Откуда же астрономы древности узнали о том, что Земля - шар? Предположение о том, что Земля шарообразна было высказано еще Пифагором в VI в. до н.э. по наблюдениям лунных затмений. А раз Земля шарообразна, а не стоит на китах и черепахе, то можно определить ее размеры. Это было впервые сделано Эратосфеном в Александрии приблизительно в 240 г до н.э. Благоволило Эратосфену и то, что на одном меридиане с Александрией находился город Сиена (Асуан). Но, что самое замечательное, в Сиене Солнце в полдень в определенные дни проходит через зенит. Следуя простой логике, можно измерить высоту Солнца в Александрии, которая находиться в 5000 стадиях (1 стадия=175м) от Сиены. Разница в высоте Солнца в полдень в этих пунктах составила 7,2 градуса. Откуда находим длину окружности земного шара: 360/7,2*5000=250000 стадий, а радиус земного шара R=L/2Pi =39808 стадий или примерно 40000 стадий. В метрах получим 40000*175 = 7000000 м или 7000 км, что вполне согласуется с современными данными (6378 км).

Итак, Земля шар и по смене дня и ночи можно прийти к выводу, что она вращается вокруг своей оси о чем свидетельствует, например, размыв правых берегов рек, текущих в северном полушарии Земли, и левых - в южном полушарии. Астрономическими наблюдениями обнаружены такие связанные вращением Земли явления, как суточная аберрация звезд, суточный параллакс. Высказывались предположения, что Земля обращается вокруг Солнца, но эта идея не получила поддержки в умах древних ученых. Когда было получено доказательство обращения Земли вокруг Солнца, ученые пришли к выводу, что вокруг Солнца движется центр масс системы Земля-Луна, так называемый барицентр. Среднее расстояние Земли от Солнца равно 149600000 км. Это расстояние называется в астрономии 1 астрономическая единица и используется в качестве основной единицы определения расстояний между небесными телами Солнечной системы. Эта величина выводилась раньше из определений солнечного параллакса. Горизонтальным параллаксом Солнца называется угол, под которым на расстоянии Земли от центра Солнца был бы виден экваториальный радиус Земли. Раньше солнечный параллакс определялся наблюдениями из разных пунктов Земли явления прохождения Венеры или Меркурия по диску Солнца. По современным радиолокационным данным параллакс Солнца равен 8,794". Горизонтальный параллакс для Луны составляет в среднем 57".

Полный оборот вокруг Солнца Земля совершает в течение 365,25636 суток. Это сидерический год. Существует, так же, тропический год. Это средний промежуток времени от одного весеннего равноденствия до следующего. Он равен 365,2422 средних суток.

Ближайшая к Солнцу точка орбиты Земли называется перигелием и составляет 147117000 км, самая далекая - афелием - 152083000 км. Их соединяет линия апсид, совпадающая с большой осью эллипса планетной орбиты. Положение линии апсид определяется гелиоцентрической долготой перигелия. В 2001 г. долгота перигелия земной орбиты была близка к 103°. Вследствие медленного вращения линии апсид в ту же сторону, куда движется сама Земля, долгота перигелия возрастает на 61,9" в год. Полный тропический оборот линия апсид делает в 20934 года. В настоящую эпоху Земля проходит через перигелий в начале, а через афелий в начале июля. Точная дата (ее можно узнать из Астрономического календаря) меняется из года в год, в следствие того, что барицентр движется вокруг Солнца не по эллипсу вследствие притяжения планетами Земли. Средняя скорость движения Земли по ее орбите около 30 км/с.

Поверхность Земли для определения местоположения условно разделена сеткой линий: параллелями и меридианами. Параллели располагаются параллельно экватору, а меридианы опоясывают Землю от полюса до полюса. Координаты места определяются географической широтой - расстоянием от земного экватора и географической долготой - углом между плоскостью начального (гринвичского) меридиана и меридиана данного места. Плоскость земного экватора наклонена на 23° 27" к плоскости земной орбиты, а ось вращения в настоящее время направлена на Полярную звезду. Наклон оси вращения Земли является причиной смены времен года на Земле.

Весна и лето в северном полушарии продолжаются около 186 суток, а осень и зима - около 179 суток. Разница в продолжительности времен года связана с вытянутостью земной орбиты и прохождением перигелия и афелия. В перигелии Земля движется быстрее, а в афелии медленнее, согласно законам Кеплера. За начало астрономических времен года принимают моменты прохождения центра Солнца через соответственные точки равноденствий и солнцестояний.

Измерения величины 1 градуса по долготе и широте показали, что длина одного градуса широты у экватора раина 110,6 км, а у полюсов - 111,7 км. Это говорит о том, что форма Земли является сфероидом, но правильнее форму Земли называют геоидом (по-гречески земноподобный), т.к. сплюснутость Земли в результате вращения вокруг оси не является единственным фактором, обуславливающим форму нашей планеты. Экваториальный радиус сфероида равен 6378 км, а полярный - 6356 км. Сплюснутость Земли около 0,3%, что создает некоторое осложнение при определении широт на ее поверхности.

Атмосфера.

Инопланетным путешественникам, окажись они вблизи Солнечной системы, сразу стало бы ясно, что Земля - активная, динамическая планета. Если бы космический аппарат инопланетян приблизился к внутренним областям Солнечной системы, их взору открылась бы картина облачных вихрей в земной атмосфере. Издалека Земля, вероятно, выглядела бы заманчивее любого из ее соседей. В самом деле, Венера постоянно окружена толстым сплошным облачным покровом, не позволяющим даже мельком увидеть ее поверхность. И в атмосфере Марса - за исключением периодов редких глобальных пылевых бурь - почти никогда не обнаруживается сколько-нибудь значительной активности. Но Земля при взгляде из космоса непрерывно демонстрирует сложный танец бело-голубых ажурных узоров. Тонкие очертания и вихри непрерывно меняются, смещаются, появляются и исчезают, находясь под воздействием вечных изменений давления, температуры и влажности в атмосфере планеты.

Снимок Земли с космического аппарата "Аполлон-17"

При более внимательном наблюдении и анализе инопланетяне, вероятно, были бы весьма озадачены, обнаружив, что атмосфера Земли сильно отличается от атмосферы любого из ее соседей. Как видно из таблицы 1, атмосферы Венеры и Марса почти целиком состоят из углекислого газа. А в атмосфере Земли углекислый газ составляет только 0,03%. Атмосфера Земли в основном представляет собой смесь азота и кислорода, содержащихся в пропорции 4:1. А в атмосферах Венеры и Марса эти два газа присутствуют лишь в очень небольших количествах.

Таблица 1: Химический состав атмосфер трех планет 

Как это могло случиться? Почему Земля с ее азотно-кислородной атмосферой находится между двумя планетами, обладающими почти чисто углекислой атмосферой? Только приземлившись на нашу планету и изучив геологические данные, инопланетные гости могли бы понять, что на Земле, по крайней мере в течение последних 3 млрд. лет, существовали живые организмы и происходили различные биологические процессы. Неумолимое действие таких биологических процессов, как фотосинтез, в значительной степени определило нынешний химический состав атмосферы Земли. Фактически инопланетные гости могли бы сознательно выделить Землю по высокому содержанию кислорода в ее атмосфере, поскольку общеизвестно, что большое количество кислорода в атмосфере планеты может возникнуть только в результате непосредственной биологической активности. Поэтому богатое содержание кислорода в атмосфере планеты, по-видимому, может служить несомненным признаком жизни.

Если бы инопланетные гости решили посадить космический аппарат на Землю, они вскоре обнаружили бы вторую важную особенность нашей планеты, коренным образом отличающую ее от любой соседней планеты, на Земле много влаги. Очень много. Примерно 71% земной поверхности покрыто водой. В самом деле, инопланетные гости могли бы послать своим согражданам тысячи фотографий типа той, что приведена на рисунке 1 . Такие виды было бы правильно рекламировать как типичные, «наобум» выбранные изображения Земли крупным планом. Венера и Марс, напротив, имеют крайне сухие поверхности. На Земле нет таких сухих мест, как поверхности Венеры и Марса. По венерианским и марсианским стандартам пустыня Сахара - просто болото.

Внутреннее строение.

Хотя более 2/3 поверхности нашей планеты покрыто океанами, Земля в основном состоит из твердых пород. Породы, которые находятся у нас под ногами, представляют собой типичные образцы внешнего слоя Земли, или коры. Все эти породы в зависимости от процессов их образования можно разделить на три класса.

Изверженные, или магматические  породы, остывшие из расплавленного состояния. Образование магматических пород можно наблюдать, когда лава стекает по склонам вулкана. Коренная подстилающая порода под континентами и океанами - магматическая. Примерно две трети всех пород, слагающих земную кору, - магматические. К числу обычных магматических пород относится гранит.

Осадочные породы, которые сформировались или отложились под действием ветра, воды или льда. Некоторые осадочные породы образовались при сцементировании отдельных мелких частичек пород. Хорошим примером служит песчаник. Другие осадочные породы могут формироваться, когда вещество, ранее растворенное в воде, осаждается на дно озера или океана. К числу хорошо знакомых нам осадочных по­род, образовавшихся таким образом, относятся известняк и мел.

Когда магматическая или осадочная порода подвергается действию высоких давлений и температур в недрах Земли, она изменяется, т.е. претерпевает метаморфозу. Образующаяся при этом порода называется метаморфической. Например, известняк при нагревании и сжатии становится мрамором. Это хорошо известная метаморфическая порода.

Очевидно, что породы, встречающиеся в земной коре, не могут характеризовать состав планеты в целом. Зная массу и размеры Земли, нетрудно вычислить среднюю плотность планеты; она составляет 5,5 г/см3. Но средняя плотность типичной породы коры составляет только 2,5 г/см3. Это означает, что недра Земли должны состоять из очень плотного вещества. Из всех тяжелых элементов во Вселенной обильнее всего представлено железо. Отсюда можно заключить, что у Земли, как и у Меркурия и Венеры, должно быть железное ядро.

Во многих отношениях земные недра так же скрыты и отдалены от нас, как наиболее далекие галактики и квазары во Вселенной. Даже самые глубокие скважины и шахты только «царапают» земную поверхность. Вещество со дна океанских желобов или лава, изливающаяся из вулкана, весьма похожи на породы, слагающие кору. Но нам еще никогда не удавалось извлечь вещество из глубоких недр Земли. О структуре недр нашей планеты мы можем лишь строить предположения или судить по косвенным данным.

Наиболее важные сведения о природе земных недр дают землетрясения. Время от времени и почти всегда неожиданно колоссальные напряжения, накапливающиеся в коре планеты, приводят к сильным колебаниям земной поверхности. Образующиеся при этом сейсмические волны, распространяясь в недрах планеты, преломляются в веществе, через которое они проходят. Изучая на сейсмических станциях всего мира волны, распространяющиеся при землетрясениях, и обобщая полученные данные, можно вывести некоторые важные характеристики земных недр.

Анализ сейсмических волн, порождаемых землетрясениями, показал, что недра Земли можно разделить на три основные области: кору, мантию и ядро:

Внутреннее строение Земли

Кора, состав которой нам хорошо известен, очень тонка. Тоньше всего она на дне океанов - в некоторых местах ее толщина там не превышает 5 км. На континентах толщина коры обычно составляет около 35 км. Кое-где под горными массивами кора может простираться до глубины 70 км.

Непосредственно под земной корой расположен толстый слой, называемый мантией. Мантия состоит из обогащенных железом магматических пород и простирается до глубины 2900 км. Мантия заключена между корой и ядром.

Железное ядро Земли составляет в поперечнике 7940 км. Хотя это более половины диаметра планеты, ядро занимает толь ко 1/5 полного объема Земли.

Тщательный анализ сейсмических волн, проходящих через планету, показывает, что на самом деле ядро Земли состоит из двух частей: жидкого внешнего слоя и заключенной внутри него твердой центральной области. Толщина внешнего жидкого слоя составляет 2220 км, а диаметр внутреннего твердого ядра равен 2510 км.

Это, казалось бы, странное положение, когда жидкий слой находится между твердым внутренним ядром и твердой мантией, обусловлено температурами и давлениями в глубине планеты. Предполагается, что температура в центре Земли достигает приблизительно 4200°С. В обычных условиях такая температура более чем достаточна, чтобы расплавилось почти любое вещество. Однако давление в центре Земли столь велико (свыше 3,5 млн. атмосфер), что препятствует расплавлению пород. И это гигантское давление в центре Земли, несмотря на высокую температуру, обеспечивает твердое состояние внутреннего ядра. Достаточно высокое давление и весьма низкая температура в мантии приводят к тому, что породы там не плавятся. В жидком слое ядра условия обратные. В этой области высокие температуры по своему воздействию на вещество превосходят высокие давления, и порода оказывается в жидком состоянии.

Предполагается, что жидкая часть ядра Земли ответственна за магнитное поле планеты. Подобно гигантскому генератору, электрические токи, текущие в жидком ядре, создают глобальное магнитное поле. Оно простирается на десятки тысяч километров в космическое пространство, эффективно взаимодействуя с солнечным ветром. Солнце постоянно испускает заряженные частицы (в основном протоны и электроны), которые движутся с большими скоростями. Это явление и называется солнечным ветром. Когда солнечный ветер со сверхзвуковой скоростью налетает на внешние области магнитного поля Земли, образуется ударная волна, так как скорость протонов и электронов резко снижается до дозвуковой. За фронтом ударной волны расположена магнитопауза, где давление солнечного ветра точно уравновешивается магнитным давлением геомагнитного поля. Область, расположенная в пределах магнитопаузы, и есть истинная область магнитного поля Земли.

Магнитосфера Земли

Из-за постоянного «обдувания» солнечным ветром вся магнитосфера Земли изгибается в сторону от Солнца. Общий вид магнитосферы напоминает гигантскую комету. Большинство частиц, составляющих солнечный ветер, просто обтекает магнитосферу в турбулентной области между фронтом ударной волны и магнитопаузой. Но немало частиц проходит через магнитопаузу и захватывается одним из двух гигантских тороидальных радиационных поясов, окружающих нашу планету. Внутренний пояс, начинающийся на высоте 2000 км над поверхностью Земли, состоит в основном из электронов. Внешний пояс, расположенный приблизительно на высоте 16 000 км над Землей, содержит главным образом протоны.

 Время от времени в результате мощных процессов, происходящих на поверхности Солнца (например, солнечных вспышек), образуется необычно много частиц, движущихся с высокими скоростями. Когда порывы солнечного ветра достигают Земли, радиационные пояса оказываются уже не в состоянии удержать эти высоко­энергетические частицы, и последние прорываются в верхнюю атмосферу Земли. Тогда-то и вспыхивают мерцающие сполохи полярных сияний. Помимо полярных сияний (часто называемых северными или южными полярными сияниями) приток космических частиц часто вызывает нарушения радиосвязи. Таким образом, верхние области земной атмосферы тесно связаны с внешними областями солнечной атмосферы посредством сложного взаимодействия магнитных полей и заряженных частиц.

Лава, низвергающаяся из вулкана, часто оказывается обогащенной минералами, содержащими железо. Когда расплавленная порода остывает и затвердевает, атомы железа подобно крошечным компасам остаются на всегда ориентированными в направлении общего магнитного поля Земли. Затвердевшая лава в незначительной степени намагничена, и этот «реликтовый магнетизм» пород являет собой навечно сохранившуюся запись магнитного поля Земли того времени, когда образовалась порода.

Изучая реликтовую намагниченность пород, геологи прежде всего обнаружили, что магнитное поле Земли время от времени обращается. По каким-то плохо понятным причинам северный и южный магнитные полюса нашей планеты меняются местами. Это происходит с частотой порядка одного раза в миллион лет. Электрические токи и линии магнитного поля в жидком земном ядре так сильно перепутываются, что магнитное поле целиком переворачивается.

В наше время ученые геологи обнаружили, что магнитное поле нашей планеты ослабевает. Однако в этом нет ничего страшного, поскольку это ослабление, по словам ученых, – признак скорой смены поясов.

Это удивительное открытие обращений геомагнитного поля позволило объяснить данные о структуре дна Атлантического океана. По всей длине Атлантического океана (от Исландии на севере до Антарктиды на юге) тянется громадная горная цепь. Дно океана состоит в основном из обогащенной железом магматической породы. Изучая реликтовую намагниченность этой породы, можно установить направление земного магнитного поля в пери од образования данной породы.

Когда были собраны данные о восточном и западном склонах Срединно-Атлантического хребта, начала вырисовываться удивительная картина. Дно океана в настоящее время расширяется. Когда из подводных вулканов извергается лава и образует новую кору, старая кора на обоих склонах хребта отодвигается. Восточная часть дна Атлантического океана двигается к востоку, а западная часть - к западу. Скорость разделения составляет примерно 1-10 см в год.

В 1910 г. Альфред  Вегенер высказал предположение, что в далеком прошлом все континенты были собраны вместе, образуя суперконтинент, называемый Пангеей. (Подобное предположение было вызвано следующим обстоятельством: разрезав современную карту мира, на самом деле можно подогнать континенты друг к другу). Затем около 200 млн. лет назад Пангея начала разделяться на два меньших суперконтинента: Лавразию и Гондвану. Лавразия в конце концов распалась на Северную Америку, Гренландию и большую часть Евразии. Гондвана разделилась на Южную Америку, Африку, Антарктиду и Австралию.

Континенты Земли в Триасовом периоде

Вегенер пытался подкрепить свою идею «дрейфа континентов» геологическими и палеонтологическими данными (например, указывая, что в Южной Америке и Африке имеются одни и те же ископаемые, как будто эти два материка когда-то в прошлом составляли единое целое), однако его соображения были встречены насмешками. Казалось совершенно непостижимым, что бы гигантские континенты могли блуждать по планете.

Сегодня теория дрейфа континентов является основополагающей и уже мало кто сомневается в ее несостоятельности. В самом деле, теперь мы знаем, что континенты представляют собой самые верхние части громадных плит, окаймляющих земной шар. Установить границы плит легче, чем можно было бы ожидать, - это участки, в которых проявляется сильнейшая геологическая активность. Извержения вулканов и землетрясения происходят там, где плиты разделяются. В этих местах лава поднимается из недр Земли и образует новую кору. При столкновении плит «выталкиваются» высокие горные хребты, и этот процесс сопровождается сильными землетрясениями и извержениями вулканов. В таких местах старая кора погружается обратно в недра Земли. Поэтому границы плит легко обнаружить, просто нанеся эпицентры землетрясений на карту.

Тектоника плит - это основной процесс, который доминирует в земной коре. В значительной степени облик Земли является непосредственным результатом движения плит. Например, плита, на которой сегодня лежит Индия, с силой сталкивается с плитой, на которой ныне расположен Китай. При ударе «вздыбилась» цепь молодых гор - Гималаи. В качестве другого примера можно привести плиты, несущие на себе Египет и Саудовскую Аравию, которые раздвигаются. Об разовавшаяся при этом расселина заполнилась водой и теперь называется Красным морем.

Наша планета активна и динамична. Земля изменялась и развивалась с тех пор, как она образовалась из первичной солнечной туманности 4,5 млрд. лет назад. И до сих пор она не обнаруживает никаких признаков успокоения: словно планета, населенная живыми существами, сама живая.