МАКРОНУТРИЕНТЫ. ИХ ЗНАЧЕНИЕ

Понять, что Земля – это шар, мог каждый человек, наблюдавший лунное затмение, но первым, кто связал с формой тот факт, что тень Земли, падающая на полную Луну, всегда имеет круглую форму, был великий Аристотель. Было это в 4 в до н.э., а уже в следующем столетии Эрастофен Киренский с поразительной для своего времени точностью (ошибка не превысила 1,5%) определил радиус нашей планеты. Находясь в Александрии, он измерил угол между вертикалью (направлением на зенит) и направлением на Солнце в полдень 22 июня (в день летнего солнцестояния). По его наблюдениям, этот угол соответствовал 1/50 части окружности (7,2 градуса). С учетом того, что в Сиене (современный Асуан) в этот день Солнце в полдень находится в зените, для определения длины окружности Земли Эрастофену было достаточно было умножить на 50 расстояние между этими городами.

О том, что земной шар несколько сплюснут (сжат со стороны полюсов), также известно достаточно давно, величину этого сжатия одним из первых определил И. Ньютон. По его расчетам оно составляет 1/230, в настоящее же время оно считается равным 1/298,2.

Для полной характеристики Земли приведем еще некоторые ее параметры. Масса планеты составляет примерно 6∙10²⁴ кг, объем – 10¹⁸ м³ , площадь поверхности (без учета неровностей рельефа) - около 5∙10¹⁴ м². Примерно 70 % этой площади занято водой, средняя глубина морей и океанов составляет 3800 м, а средняя высота материковых областей - 875 м.

Орбита Земли близка к окружности, расстояние между ее фокусами составляет всего 5 млн. км, а среднее расстояние до Солнца составляет 149,6 млн км. Один оборот вокруг Солнца Земля совершает за 365 дней 6 ч 9 мин 9 с (звездный год). В пределах этого промежутка времени следует выделить четыре даты: два дня равноденствия и два дня солнцестояния. В северном полушарии в течение полугода с 21 марта (день весеннего равноденствия) по 23 сентября (день осеннего равноденствия) продолжительность дня больше, чем ночи, а полюс постоянно освещен Солнцем. В дни равноденствия линия светораздела (эту линию называют также терминатор) проходит через оба полюса, и на любой широте продолжительность дня и ночи составляет 12 часов. В середине лета (21 июня) высота Солнца в северном полушарии максимальна, а в южном - минимальна, в этот день границами полярного дня в северном полушарии и полярной ночи в южном является полярные круги.

Использовать изменение скорости распространения сейсмических волн для определения граничных поверхностей, разделяющих внутренние геосферы, предложил австралийский сейсмолог К. Буллен, он же дал этим сферам буквенные обозначения (от А до G). На граничных поверхностях, разделяющих главные оболочки (земную кору, мантию и ядро), скорость распространения сейсмических волн изменяется скачком, такие границы называют разделами 1-го порядка. Разделы 2-го порядка соответствуют внутренним неоднородностям в пределах главных оболочек, на этих разделах изменяется производная скорости, то есть крутизна зависимости скорости распространения.

Сейсмические волны возникают в теле Земли при землетрясениях, которые происходят практически ежеминутно. Подавляющее большинство этих землетрясений являются настолько слабыми, что их трудно зарегистрировать даже с помощью самых чувствительных приборов. Сильные землетрясения случаются редко, но именно они порождают пронизывающие весь земной шар продольные и поперечные сейсмические волны, скорость сейсмических волн зависит от упругих свойств и плотности пород, через которые они проходят. Регистрацию моментов прихода сейсмических волн и их интенсивности осуществляют расположенные в различных точках поверхности Земли сейсмостанции, оборудованные записывающими устройствами – сейсмографами. Благодаря тому, что различные сейсмостанции находятся на разных расстояниях от очага землетрясения, удается достаточно точно определить поверхности, разделяющие соседние геосферы, отличающиеся друг от друга химическим составом, агрегатным состоянием вещества и другими характеристиками.

Земная кора (слой А) имеет сложное строение. Наиболее крупномасштабные горизонтальные неоднородности в ней связаны с пространственной неоднородностью поверхности планеты, т. е. с расположением океанов и континентов. Соответственно различают два основных типа земной коры – континентальный и океанический. Для коры континентального типа, как уже отмечалось, характерны значительные мощности (от 30...40 км на равнинах до 70...80 км в горах), мощность коры океанического типа колеблется в пределах 7... 12 км.

В вертикальном направлении в строении континентальной коры выделяют три слоя: верхний слой образован осадочными породами, нижний слой – базальтовый, а между ними – гранитный слой (в океанической коре гранитный слой практически отсутствует). В горизонтальном направлении в строении земной коры различают также структурные неоднородности 2-го порядка - платформенные и геосинклинальные (горноскладчатые) области – в пределах материковой коры, и, соответственно, платформы и срединно-океанические хребты – в коре океанического типа. Платформы - это обширные и тектонически устойчивые области со средними и стабильными значениями мощности земной коры и практически горизонтальным залеганием осадочных пород. Платформы имеются на всех континентах, составляя их жесткие ядра. Россия расположена на двух платформах – Восточно-Европейской и Сибирской. Геосинклинальные области, например, Кавказ, Урал, Памир и т. д. - это линейно вытянутые и тектонически подвижные зоны, мощность земной коры в их пределах больше, однако она может претерпевать значительные колебания.

В 1909 г. югославский сейсмолог А. Мохорович первым определил наличие раздела между земной корой и мантией, который характеризуется существенным (примерно в 2 раза) уменьшением скоростей сейсмических волн, распространяющихся в направлении центра планеты. В строении мантии по результатам сейсмических измерений также выделяют несколько частей – верхнюю мантию (слои В и С) и нижнюю мантию (слой D), некоторые исследователи переходной слой С называют средней мантией.

Верхняя мантия, как и земная кора, неоднородна по своему составу как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях. На глубине, которая под океанами составляет около 50 км, а под континентами – 80…120 км, расположен слой, характеризующийся пониженными значениями сейсмических скоростей. Вещество мантии в пределах этого слоя, как полагают, находится в размягченном состоянии, а около 10 % вещества – в расплавленном состоянии. Расплавленные массы образуют своеобразные тела (астенолиты), а сам этот слой называют астеносферой. Полагают, что именно в астеносфере возникают магматические очаги, зарождаются вертикальные и горизонтальные движения земной коры и т. п.

В литературе часто встречаются также термины литосфера и литосферные плиты. Под литосферой понимают всю верхнюю каменную оболочку Земли, в ее состав входят земная кора и твердая верхняя часть наружной мантии (до астеносферы). На границе между литосферой и астеносферой вязкость вещества снижается на 2 – 4 порядка, поэтому литосферные плиты могут перемещаться («плавают») в астеносфере.

Нижняя мантия более однородна, однако о ее строении, как и о строении ядра Земли, информации существенно меньше. Нижняя граница мантии (раздел Вихерта-Гутенберга) располагается на глубине 2900 км. Температура и давление на границе ядра с мантией оцениваются величинами 2500...3000°С и 300 ГПа соответственно. В составе ядра также выделяют внешнюю и внутреннюю части. Внутренняя часть имеет радиус порядка 1250 км и является, как полагают, твердой, в то время как наружная часть находится в жидком состоянии.

Атмосфера Земли защищает все живое на ней, поглощая ультрафиолетовое солнечное излучение и рассеивая высокоэнергетические космические частицы. Атмосфера аккумулирует, хранит и перераспределяет тепло солнечных лучей и, что не менее важно, перераспределяет влагу, попадающую в ее нижние слои вследствие испарений с поверхности океана и суши.

Полная масса атмосферы оценивается величиной 5,15·10¹⁸ кг, половина этой массы сосредоточена в слое толщиной 5-6 км, 90 % - в слое до высоты 16 км, 99 % - в слое до 30 км. За пределами высоты 100 км находится лишь одна миллионная часть массы воздуха, однако верхнюю границу атмосферы принято считать лежащей на высоте порядка 2000 км.

Истощение озонового слоя ученые связывают либо с естественными колебательными процессами в атмосфере, либо с антропогенным воздействием на атмосферу. Согласно второй гипотезе возникновение озоновых дыр связано в первую очередь, с выбросами фреонов (хлорфторуглеродов). Попадая в пределы ионосферы молекулы этих весьма стойких соединений разрушаются под действием солнечного ультрафиолета, образуется свободный хлор, именно он и разрушает молекулы озона. В 1987 г в Монреале был принят Протокол об озоноразрушающих веществах, предусматривающий замораживание и последующее сокращение производства наиболее опасных для озонового слоя веществ.

Ионизированные слои воздуха имеют различную радиопрозрачность на разных частотах. Средние и короткие радиоволны хорошо отражаются ионосферой, выполняющей роль естественного ретранслятора, благодаря чему удается передавать радиосигналы на большие расстояния. На более высоких частотах (в микроволновом диапазоне) ионосфера почти прозрачна для электромагнитных волн, не будь этого свойства, не было бы радиоастрономии, и вряд ли было бы возможным освоение космоса.

Общая масса гидросферы составляет 1,64·10²¹ кг, что составляет примерно 0,025 % всей массы Земли. Объем океанических вод оценивается в 1370 млн. км³, при этом объем воды в морях не превышает 3% объема воды в океане. Объем вод суши – 0,5 млн. км³, на материковые льды приходится примерно 22 млн. км³, еще больше объем подземных вод – 196 млн. км³.

Океанские течения имеют огромную мощность, только всем известный Гольфстрим на широте 38° переносит за год около 2 млн. кубометров воды (это в 60 раз больше, чем годовой сток всех рек на планете). Перемещаются не только поверхностные слои океана, но и глубинные, и даже придонные воды, причем мощность подповерхностных течений мало отличается от поверхностных.

Ежегодно в мировой океан поступает примерно 25 млрд. тонн осадочного материала. Подавляющая часть этих осадков (порядка 80%) улавливается в пределах континентальных окраин, где сформированы толщи осадочных порд мощностью до 15 км. Примерно половина общей массы осадочного материала имеет биогенное происхождение.

Дно многих глубоководных океанских котловин (на глубинах порядка 3 – 5 тыс. км) в буквальном смысле устлано т.н. железо-марганцевыми конкрециями, представляющими собой готовую руду, содержащую и такие дефицитные металлы как медь, кобальт, никель и др. Общие запасы этих конкреций оцениваются во многие сотни миллиардов тонн.

В составе океанской биомассы выделяют три группы живых организмов: планктон – пассивно перемещающиеся течениями (или ветром) организмы, нектон – активно плавающие организмы (рыбы и пр.) и бентос – организмы, живущие на дне (прикрепленные или ползающие).

Понятие поля появилось и наиболее широко используется в теории электромагнетизма. Электромагнитные поля в виде распространяющихся со скоростью света электромагнитных волн пронизывают во всевозможных направлениях все пространство Вселенной. Неизвестную ранее связь между электрическими и магнитными явлениями установил в 1820 г. датский физик Ганс Эрстед, обнаружив отклонение магнитной стрелки вблизи провода, по которому течет электрический ток. В том же году профессор астрономии в Сорбонне Андре-Мари Ампер открыл взаимодействие электрических токов между собой, а усилиями Био, Савара и Лапласа был установлен закон электромагнитных взаимодействий, формально аналогичный закону тяготения и закону Кулона (сила взаимодействия обратно пропорциональна квадрату расстояния между взаимодействующими объектами).

Однако все вышеупомянутые ученые не ставили под сомнение господствовавшую в то время концепцию дальнодействия, основоположником которой был французский математик, физик и философ Рене Декарт. Согласно этой концепции, взаимодействие между телами (массами, зарядами или магнитами) может осуществляться непосредственно через пустое пространство, при этом передача взаимодействия происходит мгновенно.

Основоположником новой концепции - концепции близкодействия - по праву считается Майкл Фарадей. Узнав об открытии Эрстеда, Фарадей поставил перед собой задачу доказать возможность обратного превращения - магнетизма в электричество. Решение этой задачи потребовало от него десяти лет упорного труда и огромного количества опытов, результатом которых явилось открытие закона электромагнитной индукции, и, по сути, появление новой отрасли знания - электротехники.

Фарадей впервые предложил рассматривать пространство как физическую сущность, свойства которой могут изменяться под воздействием материальных тел, и которая сама способна оказывать силовое воздействие на эти тела. Именно он предложил при описании электрических и магнитных явлений использовать силовые линии, ставшие основой для введения понятия поля (силовой линией векторного поля называют такую линию, в каждой точке которой вектор поля направлен по касательной к ней).Именно Фарадей установил влияние параметров среды на электрические и магнитные взаимодействия и предположил, что скорость передачи этих взаимодействий конечна. В настоящее время эта скорость, как известно, считается равной скорости света в пустоте.

Гравитационное поле Земли, если отвлечься от различного рода неоднородностей, обладает сферической симметрией, т.е. в любой точке пространства вектор силы тяжести направлен вдоль радиуса планеты.

Магнитные полюса планеты не совпадают с географическими полюсами. В частности, географические координаты северного^* магнитного полюса на рубеже 2-го и 3-го тысячелетий составляли: 71° с. ш. и 96° з. д. (по другим данным - 74° с. ш. и 100° з. д.) В любом случае магнитные полюса находятся в точках, не являющихся диаметрально противоположными, магнитная ось не проходит через центр Земли и наклонена к ее оси вращения на угол порядка 11,5 градусов.

И положение магнитной оси, и весьма сложное распределение напряженности магнитного поля на поверхности Земли подвержены периодическим и непериодическим изменениям (вариациям). Периодические вариации обусловлены разными причинами и могут иметь как очень малые периоды (связанные, например, с суточными изменениями), так и очень большие, составляющими десятки, сотни или сотни тысяч лет. Непериодические интенсивные изменения геомагнитного поля (магнитные бури) связывают со вспышками солнечной активности.

Наблюдаемое магнитное поле Земли складывается из дипольной и недипольной составляющих. Недипольное поле состоит из неравномерно расположенных участков высокой и низкой интенсивности, перемещающихся с Востока на Запад со скоростью около 0,5 градуса в год. Кроме того, на внутреннее геомагнитное поле накладывается слабое нестационарное внешнее поле, обусловленное движением электрических зарядов в атмосфере (в основном, в ионосфере).

Согласно современным представлениям, внутреннее геомагнитное поле связано со сложными движениями заряженных частиц в жидком внешнем ядре Земли, обусловленными как вращением земного шара, так и конвекционными течениями в жидкой части горячего ядра. Западный дрейф недипольного поля вызван меньшей угловой скоростью вращения внешней зоны ядра (запаздыванием) в сравнении с угловой скоростью вращения твердой оболочки, а быстрые изменения недипольной составляющей объясняются вихревыми движениями жидкости у границы ядра и мантии.

Основной характеристикой магнитного поля Земли является его напряженность Н, величина которой максимальна у магнитных полюсов и минимальна (примерно вдвое меньше) у экватора. Линии постоянной напряженности называют изодинамами, а линию минимальной напряженности - динамическим магнитным экватором. Среднее значение напряженности невелико и близко к 0,5 эрстеда (в системе СИ это соответствует величине порядка 40 А/м).

¹⁰ В электродинамике принято считать, что силовые линии электрического поля начинаются на положительных зарядах, а заканчиваются на отрицательных зарядах, а силовые линии магнитного поля выходят из северного полюса и входят в южный полюс магнита. Полярность современного магнитного поля Земли такова, что его силовые линии «входят» в планету вблизи северного географического полюса, а «выходят» вблизи южного. Другими словами, истинный (с физической точки зрения) южный полюс земного магнита расположен вблизи северного географического полюса, но, во избежание путаницы, геофизики договорились считать этот магнитный полюс северным.

Положение вектора Н в пространстве принято характеризовать величинами магнитного склонения и магнитного наклонения. Магнитное склонение - это угол между вектором напряженности (осью стрелки магнитного компаса) и географическим меридианом, а магнитное наклонение - это угол наклона вектора Н к горизонту. Линии постоянных значений склонения и наклонения называют соответственно изогона и изоклина.

Изогона с нулевым склонением разделяет поверхность земного шара на две части. Африка и Западная Европа относятся к области Атлантического океана, где магнитное склонение западное, а остальная часть земной поверхности – это область Индийского океана, в этой области магнитное склонение восточное^*. Нулевую изоклину, т. е. линию, в каждой точке которой магнитное наклонение равно нулю (вектор напряженности параллелен горизонту) называют магнитным экватором, у магнитных полюсов вектор Н перпендикулярен горизонту (магнитное наклонение равно 90°).

Основными источниками внутреннего тепла Земли, создающими ее тепловое поле в геоцентрической зоне, помимо энергии сжатия являются радиоактивный распад элементов и плотностная дифференциация вещества. При радиоактивном распаде элементов в тепло превращается кинетическая энергия элементарных частиц и возникающего γ-излучения. По имеющимся оценкам выделение тепла за счет этого источника может составлять (10²¹… 10²²) джоулей в год. Можно утверждать, что вклад этого источника тепла снижается с течением времени, т.к. период полураспада^** многих радиоактивных элементов существенно меньше возраста Земли. В настоящее время основной вклад в тепловой режим земли вносят изотопы^*** урана, тория и калия, сосредоточенные в земной коре и в мантии.

Процессы внутрипланетной дифференциации вещества, благодаря которым в свое время сформировались внутренние геосферы, продолжаются и в настоящее время. Плотностная дифференциация идет на всех уровнях – от границы между внутренним и внешним ядром до локальных магматических очагов в верхних слоях земной коры. Несмотря на то, что активность подобных процессов заметно снизилась, большинство исследователей склоняются к предположению, что доля тепловой энергии, связанной с гравитационной дифференциацией вещества, и в настоящее время превышает долю тепла, выделяющегося в процессе распада радиоактивных элементов.

Еще одним источником внутреннего тепла Земли являются твердые приливы, которые связаны главным образом с влиянием Луны. Притяжение Луны вызывает на поверхности твердого тела земли приливные вздутия, перемещающиеся с востока на запад, что сопровождается превращением кинетической энергии в тепловую. Доля этого источника тепла в настоящее время оценивается всего в несколько процентов.

О температурных условиях в глубоких недрах Земли известно не очень много. Измерения, проведенные в Кольской сверхглубокой скважине, дали следующие результаты: на глубине 7 км – температура 120 ^оС, на глубине 10 км – 180 ^оС, на глубине 12 км – более 200 ^оС. На глубинах порядка 100 км, как полагают, температура достигает величин порядка 1100 ^оС, т.к. такую температуру имеют лавы вулканов с очагами, расположенными на таких глубинах. Температура более глубоких недр оценивается следующими значениями: на глубине 400 км – 1700 ^оС, на глубине 2900 км – 3500 ^оС, на глубине 5000 км – 5000 ^оС.

МАКРОНУТРИЕНТЫ. ИХ ЗНАЧЕНИЕ