Земля в космосе

Наша планета занимает в мире особое положение - у нее есть жидкая вода (гидросфера), биосфера и ноосфера (органическая и разумная жизнь). Геологи многое знают о Земле, а еще о большем лишь догадываются и вынуждены скреплять разрозненные сведения гипотезами и домыслами.

Если представить себе Солнце в виде крупного апельсина (диаметр 10см), то в десяти метрах от него (в конце большой аудитории) можно, приглядевшись, заметить маковое зернышко - Землю, в пятидесяти метрах, в конце коридора в другом крыле университета - мелкую вишню - Юпитер, в трехстах метрах - зерно пшена - Нептун, а в четырехстах метрах, то есть около универмага “Москва” - край Солнечной системы - Плутон. Ближайшие три звезды находятся на расстоянии 3-6 · 10¹³ км, а при избранном масштабе, на расстоянии 2-3 тыс. км от Солнца – апельсины - в Сочи или Екатеринбурге.

Солнце – рядовая звезда, каких много в Галактике, но лишь у немногих из них есть планетные системы. Планетные же системы, подобные нашей – с жидкой водой, жизнью, да еще разумной неизвестны.

Солнце с нашей планетной системой обращается вокруг центра Галактики за 180 – 200 млн. лет (галактический год), что, как полагают, вызывает периодичность многих геологических процессов - например, горообразование, трансгрессии моря.

В тепловом и видимом спектрах Солнце звезда постоянная: следов его обжигающих вспышек в геологической летописи не замечено. Но в коротковолновом излучении – Солнце - звезда переменная. Колебания этих излучений периодичны. Общеизвестна 11-летняя цикличность солнечной активности, контролирующая многие процессы в биосфере.

Средний элементный состав Солнечной системы практически целиком определяется составом Солнца, в котором сосредоточено 99,9% ее массы. Солнце же состоит на 74,6% из водорода, на 20,7% из гелия, а остальные элементы - лишь 5%. На долю планет приходится 0,14% массы Солнечной системы: на планеты земной группы - 0,06%, из них на Землю - 0,03%. Земля находится от Солнца на расстоянии 149,6 млн. км - эта величина называется астрономической единицей (а.е.). Именно на этом расстоянии от Солнца окись водорода (Н₂О) может находиться на планете в виде льда, воды и пара. Присутствие Н₂О в трех фазах и постоянный их переход из одной в другую в значительной степени определяют энергетику Земли и существование жизни на ней.

Средний экваториальный радиус Земли 6378 км, площадь ее поверхности 5,1 · 1018 см²: 63% суша, остальное - океан. Объем Земли 1,1 ·∙10²⁷ см³, масса 5,98·10²⁷ г, средняя плотность 5,5 г/см³ (плотность Солнца меньше 1 г/см³). Солнечная постоянная, – то есть поток солнечного тепла на перпендикулярную лучам Солнца площадку – почти 2 кал/см² ·∙мин. Поток солнечного тепла и видимого света определяет фотосинтезирующую деятельность растений и кислородный режим атмосферы Земли.

1.2. Строение Земли как планеты

У Земли есть взаимодействующие оболочки - геосферы, основная масса которых – мантия и ядро. Состав и состояние их вещества определяются косвенно, по геофизическим данным, астрономическим расчетам и сопоставлением с составом метеоритов. На глубине 2900 км проходит резкая смена скоростей распространения сейсмических волн, и граница эта считается поверхностью ядра, радиус которого 3500 км - более половины радиуса Земли. В ядре содержится 68% массы Земли, мантии принадлежит 30%, а в расположенной сверху земной коре, которой реально только и занимаются геологи, лишь 2% (рис.1.1).

Литосфера- твердая внешняя часть земной коры представлена двумя типами разрезов, что отражается двумя основными видами поверхноси Земли разных уровней (океанов со средней глубиной 3800 м и континентов со средней высотой 875 м), которые существовали в течение всего геологического времени.

Океаническая кора со средней мощностью 6-7 км образована излившимися базальтами высокой плотности – более 3 г/см³. Считается, что океанические базальты соответствуют «базальтовому слою». Со строением океанической коры Земли сходно строение коры Луны, Меркурия и, возможно, Венеры.

Континентальная кора мощностью в среднем 35 км имеет трехчленное строение: верхняя часть сложена осадочными породами, средняя – «гранитным слоем», образованным в основном менее плотными осадочными, метаморфическими и гранитоидными породами, а нижняя представлена тем же «базальтовым слоем». Земная кора отличается от коры других планет наличием гранитного слоя, мощных осадочных пород и линейными складчатыми структурами, отражающимися в рельефе как горные хребты и цепи (рис.1.2).

Рис. 1.1. Строение Земли

Рис.2. Строение земной коры. (по В.Е.Хаину).

1 –осадочный слой, 2 – гранитный слой,3 – базальтовый слой, 4 – верхняя мантия, 5 – характеристика слоев (в числителе – средняя мощность в км, в знаменателе – средние скорости сейсмических волн, км/с).

Вещество в земной коре находится, в основном, в твердом состоянии и простирается до глубины 80 км. Земная кора включает твердую литосферу, жидкую гидросферу и атмосферу. Эти три оболочки проникают друг в друга, а всех их “пропитывает” живое вещество и продукты жизнедеятельности биосферы. По весу эти оболочки очень отличаются друг от друга (табл. 1).

1.3. Химический состав литосферы.

Несмотря на заметное разнообразие, химический состав литосферы достаточно однороден по элементному составу. Впервые его рассчитали американские исследователи У. Кларк и Г. Вашингтон. В честь первого из них среднее процентное содержание элемента (или окисла) в земной коре (регионе, отдельном типе пород) называют «кларком». Можно рассчитать весовые, атомные и объемные кларки.

В табл. 2 приводится распределение химических элементов в земной коре по декадам (десяткам) Вернадского (с дополнениями Ферсмана).

Таблица 2

Как видно из таблицы, кларки распределены чрезвычайно неравномерно - от почти половины массы земной коры для кислорода до 7∙10^-11 для протактиния. В земной коре содержится около n∙10²⁴г кислорода или кремния и лишь n∙10¹³г радия при массе земной коры 2,5.10²⁵ г. Первые три главных элемента О, Si, Al составляют 84,55% земной коры, первые 12 – 99,67%. На долю остальных приходится лишь 0,33%.

Распределение объемных кларков несколько иное. Поскольку в том числе и анионы кислорода, в три раза больше катионов, то объемный кларк кислорода в большинстве горных пород составляет 92 - 95 %, т.е. практически вся земная кора состоит из кислорода с вкрапленниками иных атомов. А если учесть свободные колебания атомов в составе вещества, то благодаря большой амплитуде колебаний кислорода он занимает около 1500 долей, и лишь одну часть сотавляют другие элементы. Следовательно, вся литосфера Земли - кислород с ничтожной примесью других элементов. В гидросфере кислорода меньше - 88 %, а в атмосфере совсем мало - всего 23%.

Расположенные в ряд по величине, кларки элементов образуют закономерный ряд, описываемый геометрической прогрессией с коэффициентом 1,5 – 2, то есть содержание каждого следующего элемента в 1,5-2 раза меньше предыдущего. Подобную геометрическую прогрессию образуют многие природные объекты - мощности землетрясений, масса метеоритов, диаметры кратеров на Луне, населенные пункты по числу жителей, количество голосов избирателей при количестве кандидатов больше пяти.

1.4. Строение земной коры