Строение атмосферы Земли. Внутреннее строение Земли. Магнитное поле Земли и радиационные пояса.

Солнце снабжает Землю теплом, необходимым для поддержания жизни. Учёные рассчитали, что светимость Солнца за несколько миллиардов лет увеличилась на несколько процентов. Этот рост будет продолжаться в том же темпе, но за миллион лет будет достаточно мал. Однако, изменение количества тепла, получаемого от Солнца, приведёт к сильным изменениям земного климата.

Эти изменения потока солнечного тепла несут ответственность за оледения, происходившие каждые сто миллионов лет. Сейчас льды временно отступили. Когда они вернутся, некоторые области станут непригодными для жизни человека.

Земная атмосфера играет большую роль в поддержании температурного балланса. Она не допускает сильного охлаждения поверхности ночью и перегрева днём. Обладая парниковым эффектом, атмосфера поддерживает постоянную, более высокую чем в космосе, температуру на Земле.

Атмосфера защищает обитателей Земли от большого потока вредного для жизни излучения - рентгеновского, ультрафиолетового, гамма- и др.

Атмосфера предохраняет от метеорных тел, которые постоянно прилетают из межпланетного пространства.

Метеоры сталкиваются с Землёй со скоростью до 72 км/с. Сила удара частицы массой 0,001г., летящей с такой скоростью, аналогична выстрелу в упор. Ежедневно в атмосферу вторгаются миллиарды частиц.

Малые метеорные частицы, движущиеся в космическом пространстве вблизи плоскости земной орбиты, рассеивая солнечный свет, создают сияние, видимое вблизи Солнца утром незадолго до восхода Солнца и вечером вскоре после его захода. Так как метеорная пыль концентрируется вблизи плоскости эклиптики, проходящей через зодиакальные созвездия, это сияние называется зодиакальным светом.

Исчезновение динозавров в конце мелового периода 65 млн. лет назад, а также окончание других геологических периодов могло быть связано с падением на Землю тел, размерами с астероид. Высокое содержание иридия в позднемеловом слое доказывает, что в Землю врезался астероид диаметром около 10 км. В результате взрыва в атмосферу были подняты тучи пыли, которые на несколько лет преградили путь солнечным лучам. Был нарушен процесс фотосинтеза, что прервало пищевую цепь и от голода вымерли все позвоночные массой более 20 кг.

Другой подход к проблеме смены флоры и фауны на Земле на рубеже геологических эпох связан с предположением увеличения радиационного излучения в определённые периоды истории (О.Шиндевольф, В.И.Красовский, И.С.Шкловский). Например, Солнечная система могла при движении в Галактике, войти в область повышенного излучения, связанного со взрывом сверхновой звезды. Эпохи, когда поток жесткого излучения от сверхновых превышал на Земле средний уровень космической радиации в десятки раз, продолжались до нескольких тысяч лет.

Усиление радиации вызвало увеличение частоты мутаций. Если для видов с коротким циклом размножения для удвоения частоты мутаций требуется увеличение интенсивности космической радиации в сотни и тысячи раз, то для долгоживущих форм удвоение частоты мутирования достигается при увеличении дозы облучения всего в 3-10 раз. Длительное , продолжающееся тысячи лет воздействие в десятки раз увеличенной радиации могло оказаться губительным для некоторых видов животных. На другие же виды животных и растений радиация могла сказаться положительно.

Приблизительно подсчитано, что сверхновые звёзды, которые создают на поверхности Земли смертельную для многих животных дозу облучения в 500 Р вспыхивают каждые 50 млн. лет, а звёзды, создающие облучения 25 000 Р - раз в 600 млн. лет.

Для млекопитающих летальная доза при облучении в течение 30 суток составляет от 250 до 600 Р, для амёб - 100 000 Р. Синезелёные водоросли могут существовать чуть ли не в условиях ядерных реакторов.

Однако, эти гипотезы сталкиваются со многими трудностями. Так многие динозавры вымирали на протяжении миллионов лет, что полностью противоречит астероидной гипотезе. В случае её истинности вымирание должно было произойти очень быстро.

Морские животные не должны были страдать от повышения радиации из-за экранирующего действия большой толщи воды океанов и морей. В действительности же они вымирали синхронно с земными.

Гигантская катастрофа, способная уничтожить жизнь на половине земного шара, привела бы к вымиранию незначительного числа семейств животных и растений. В случае катастрофы более глобального масштаба вымирание оказалось бы неизбирательным.

В последнее время более популярны гипотезы, объясняющие вымирание совместным действием космических катастроф и земных событий, например, вулканической активностью.

Солнцем испускаются потоки заряженных частиц, которые вызывают на Земле явление полярного сияния.

На Землю попадает различное излучение и из удалённых областей Галактики.

Для того, чтобы привычная нам жизнь на Земле существовала, необходимо выполнение многих условий:

- расстояние от планеты до звезды должно быть заключено в узких пределах;

- поток излучения от звезды должен быть очень стабильным;

- планета должна обладать атмосферой, способной регулировать температуру и экранировать поверхность от космических лучей;

- атмосфера должна иметь определённый состав.

Химический состав земной атмосферы практически не меняется до высоты около 90 км.

Азот - 78%

Кислород - 21%

Водяной пар - 0,2-0,4%

Углекислый газ - 0,03%

Неон - 0,0018%

Гелий - 0,0005%

А также метан, криптон, сернистый газ, водород и др. в малых количествах.

Для исследования атмосферы используются специальные зонды, ракеты, воздушные шары.

Температура воздуха быстро падает с высотой в области толщиной несколько км., в пределах которой располагается основная облачность.

С ростом высоты под действием солнечного излучения небольшая доля кислорода превращается в озон. Поглощение озоном ультрафиолетового излучения способствует нагреванию атмосферы и предотвращает дальнейшее падение температуры. Поэтому температурный минимум достигается на высоте 17 км, а на высоте 50 км. температура повышается почти до приповерхностной. Выше 300 км. атмосфера почти пропадает, её следы нагреваются Солнцем до 1500⁰С.

Выше 1000 км. в атмосфере Земли находятся радиационные пояса, открытые во время измерений на первых советских и американских спутниках.

1-й пояс начинается на высоте 2400 км и кончается на высоте 5600 км. и расположен между широтами от +30 до - 30. 2-й пояс расположен на высотах от 12000 до 20000 км. 3-й пояс находится на высоте 50 - 60 тыс. км. Чем выше пояс, тем менее энергичные частицы он содержит.

Радиационные пояса это области земной атмосферы, заполненные очень энергичными ядрами атомов, в основном водорода, и электронами, захваченными магнитным полем Земли. Радиационные пояса очень опасны для живых организмов, не защищённых слоем, эквивалентным приблизительно 1,3 см. свинца. Некоторая доля частиц радиационных поясов возникает при взаимодействии космических лучей с атмосферой, а основная часть создаётся мощными потоками частиц, выбрасываемых Солнцем, особенно во время вспышек. Из внешних частей поясов частицы уходят довольно быстро, в течение суток или нескольких часов, тогда как в центральной части отдельные частицы могут оставаться гораздо дольше.

При рекомбинации ионов и электронов часто получаются возбуждённые атомы и молекулы, которые дают слабое излучение, наблюдаемое ночью. Это свечение ночного неба ограничивает минимальную яркость космических объектов, которые можно наблюдать с Земли. Зв. величина яркости ночного неба составляет 4^m с одного квадратного градуса или 22^m с кв. секунды.

На высоте около 95 км. плотность воздуха составляет 1/млн. приповерхностного значения.

Половина всего воздуха содержится в первых 5,6 км. над поверхностью, половина оставшегося до высоты 11,3 км. и т.д.

Магнитное поле. У поверхности составляет около 0,5 Э. Магнитные силовые линии Земли близки к силовым линиям некоторого диполя. Этот воображаемый диполь, поле которого ближе всего соответствует истинному, называется эквивалентным магнитным диполем. Точки пересечения его оси с поверхностью Земли называются геомагнитными полюсами. Они не совпадают с географическими.

Координаты северного геомагнитного полюса j = 79 с.ш., l = 70 з.д. (Северная Гренландия).

Предполагается, что магнитное поле возникает благодаря гидродинамическим движениям в жидком ядре. Если в ядре имеется какое-либо начальное магнитное поле, то при пересечении этого поля потоком проводящего вещества возникает электрический ток. Электрический ток создаёт магнитное поле, которое при благоприятной геометрии течений может усилить начальное поле, а это усилит ток. Процесс усиления будет продолжаться до тех пор, пока растущие с увеличением тока потери на джоулево тепло не уравновесят приток энергии, поступающей за счёт гидродинамических движений.

Для формирования сильного магнитного поля необходимо приливное взаимодействие с Луной. На больших расстояниях от Земли форма её поля искажается под действием солнечного ветра.

Внутреннее строение Земли изучать намного сложнее.

Самые глубокие скважины проникают на глубину до 10 км.

Важную информацию об объёмном распределении масс в недрах Земли удалось собрать с помощью ИСЗ и измерений влияния экваториального вздутия Земли на движение Луны.

Важными методами являются:

- измерение ускорения силы тяжести от точки к точке;

- измерение напряжённости и направления геомагнитного поля;

- изучение характера распространения в Земле волн, порождаемых землетрясениями (сейсмических волн).

Средняя плотность Земли 5,52 г/см³.

Плотность слоёв, прилегающих к поверхности - 2,6 г/см³.

Температура растёт с глубиной со скоростью 1⁰ на 50 м. Если бы такой рост продолжался непрерывно, то Т внутри Земли была бы 130 000⁰ С. Однако, согласно исследованиям её значение равно 6 000⁰ С. В более глубоких слоях вещество обладает большей теплопроводностью. Внешние слои дополнительно нагревают радиоактивные элементы уран и торий.

Возраст земных пород 4,6 млрд. лет.

Ядро Земли состоит из жидкой и твёрдой части. Плотность жидкой части в 2 раза больше средней. Радиус твёрдого ядра 1300 км.

Давление внутри Земли составляет 3,7 млн. атм.

Так как Земля намагничена и большинство метеоритов железные - исследователи считают, что земное ядро является железным или железо-никелевым с примесью серы, кремния, кислорода.

Толщина коры различна в различных местах. Материковая кора имеет толщину 40 км, а океаническая - 6 км.

Кора плавает на верхнем жидком слое мантии (астеносфера). Вещество мантии скорее всего обладает упругостью и свойствами твёрдого вещества при ударах и текучестью при длительном воздействии силы.

Материки постоянно движутся. Это движение отражает перемещение плит земной коры. Столкновение континентальных плит приводит к образованию горных цепей. При раздвигании образуются моря.

Проявлением активности земных недр являются землетрясения. Они чаще всего происходят в зонах поддвигания.

Существует две гипотезы относительно происхождения Земли. Одна предполагает, что Земля возникла как однородное тело, которое потом расплавилось внутри и произошло распределение вещества в соответствии с его плотностью (гравитационная дифференциация). Вторая предполагает, что в протопланетном облаке первыми сконденсировались тугоплавкие вещества, и из них сформировались ядра планет, состоящие из тяжёлых элементов, а затем образовались оболочки из более лёгкого вещества (“неоднородная” аккреция).