Внутреннее строение Земли установлено по материалам геофизических исследований (характеру прохождения сейсмических волн). Выделяют три главных оболочки.
1. Земная кора - наибольшая толщина до 70 км.
2. Мантия - от нижней границы земной коры до глубины 2900 км.
3. Ядро - простирается до центра Земли (до глубины 6 371 км).
Граница между земной корой и мантией называется границей
Мохоровичича
(Мохо
), между мантией и ядром - границей
Гутенберга
.
Земное ядро
делится на два слоя. Внешнее
ядро (на глубине от 5 120 км до 2 900 км), вещество жидкое, поскольку поперечные волны в него не проникают, а скорость продольных падает до 8 км/с (см. «Землетрясения»). Внутреннее
ядро (от глубины 6 371 км до 5 120 км), вещество здесь находится в твердом состоянии (скорость продольных волн возрастает до 11 км/с и более). В составе ядра господствует железоникелевый расплав с примесью кремния и серы. Плотность вещества в ядре достигает 13 г/куб.см.
Мантия подразделяется на две части: верхнюю и нижнюю.
Верхняя мантия состоит из трех слоев, погружается до глубины 800 - 900 км. Верхний слой, толщиной до 50 км, состоит из твердого и хрупкого кристаллического вещества (скорость продольных волн до 8,5 км/с и более). Вместе с земной корой он образует литосферу - каменную оболочку Земли.
Средний слой - астеносфера (податливая оболочка) характеризуется аморфным стекловидным состоянием вещества, а отчасти (на 10%) имеет расплавленное вязкопластичное состояние (об этом свидетельствует резкое падение скорости сейсмических волн). Толщина среднего слоя около 100 км. Астеносфера залегает на разных глубинах. Под срединно-океаническими хребтами, где толщина литосферы минимальна, астеносфера лежит на глубине нескольких километров. На окраинах океанов, по мере роста мощности литосферы, астеносфера погружается до 60 – 80 км. Под континентами она лежит на глубинах около 200 км, а под континентальными рифтами вновь приподнимается до глубины 10 – 25 км. Нижнийслой верхней мантии (слой Голицина ) иногда выделяют как переходный слой или как самостоятельную часть - среднюю мантию. Опускается он до глубины 800 - 900 км, вещество здесь кристаллическое твердое (скорость продольных волн до 9 км/с).
Нижняя мантия простирается до 2 900 км, сложена твердым кристаллическим веществом (скорость продольных волн возрастает до 13,5 км/с). В составе мантии преобладают оливин и пироксен, ее плотность в нижней части достигает 5,8 г/куб.см.
Земная кора подразделяется на два главных типа (материковая и океаническая) и два переходных (субматериковая и субокеаническая). Типы коры отличаются строением и мощностью.
Континентальная кора, распространенная в пределах материков и зоны шельфа, имеет мощность 30 - 40 км в платформенных областях и до 70 км в высокогорьях. Нижний ее слой - базальтовый (мафический - обогащен магнием и железом), состоит из тяжелых пород, его толщина от 15 до 40 км. Выше лежит состоящий из более легких пород гранито-гнейсовый слой (сиалический - обогащен кремнием и алюминием), толщиной от 10 до 30 км. Сверху эти слои могут перекрываться осадочным слоем, мощностью от 0 до 15 км. Выделенная по сейсмическим данным граница между базальтовым и гранитогнейсовым слоями (граница Конрада ) не всегда четко прослеживается.
Океаническая кора, мощностью до 6 - 8 км, также имеет трехслойное строение. Нижний слой - тяжелый базальтовый , толщиной до 4 - 6 км. Средний слой, мощностью около 1 км, сложен переслаивающимися пластами плотных осадочных пород и базальтовых лав. Верхний слой состоит из рыхлых осадочных пород, толщиной до 0,7 км.
Субматериковая
кора, имеющая близкое к материковой коре строение, представлена на периферии окраинных и внутренних морей (в зонах континентального склона и подножья) и под островными дугами, характеризуется резко сокращенной мощностью (до 0 м) осадочного слоя. Причиной такого уменьшения толщины осадочного слоя является большой уклон поверхности, способствующий соскальзыванию накапливающихся осадков. Мощность этого типа коры до 25 км, в том числе базальтового слоя до 15 км, гранитогнейсового до 10 км; граница Конрада выражена плохо.
Субокеаническая
кора, близкая по строению к океанической, развита в пределах глубоководных частей внутренних и окраинных морей и в глубоководных океанических желобах. Отличается резким увеличением мощности осадочного слоя и отсутствием слоя гранитогнейсового. Чрезвычайно высокая мощность осадочного слоя обусловлена очень низким гипсометрическим уровнем поверхности – под действием гравитации здесь накапливаются гигантские толщи осадочных пород. Общая толщина субокеанической коры также достигает 25 км, в том числе базальтового слоя до 10 км и осадочного до 15 км. При этом мощность слоя плотных осадочных и базальтовых пород может составлять 5 км.
Плотность и давление Земли также изменяются с глубиной. Средняя плотность Земли составляет 5,52 г/куб. см. Плотность пород земной коры варьирует от 2,4 до 3,0 г/куб. см (в среднем - 2,8 г/куб. см). Плотность верхней мантии ниже границы Мохо приближается к 3,4 г/куб. см, на глубине 2 900 км она достигает 5,8 г/куб. см, а во внутреннем ядре до 13 г/куб. см. Соответственно приведенным данным давление на глубине 40 км равно 10 3 МПа, на границе Гутенберга 137 * 10 3 МПа, в центре Земли 361* 10 3 МПа. Ускорение силы тяжестина поверхности планеты составляет 982 см/с2, достигает максимума в 1037 см/с2 на глубине 2900 км и минимально (ноль) в центре Земли.
Магнитное поле
Земли предположительно обусловлено возникающими при суточном вращении планеты конвективными движениями жидкого вещества внешнего ядра. Изучение магнитных аномалий (вариаций напряженности магнитного поля) широко используется при поиске железорудных месторождений.
Тепловые свойства
Землиформируются солнечной радиацией и тепловым потоком, распространяющимся из недр планеты. Влияние солнечного тепла не распространяется глубже 30 м. В этих пределах на некоторой глубине лежит пояс постоянной температуры, равной среднегодовой температуре воздуха данной местности. Глубже этого пояса температура постепенно возрастает под действием теплового потока самой Земли. Интенсивность теплового потока зависит от строения земной коры и от степени активности эндогенных процессов. Средне планетарная величина теплового потока равна 1,5 мккал/см2 * с, на щитах около 0,6 - 1,0 мккал/см 2 * с, в горах до 4,0 мккал/см 2 * с, а в срединно-океанических рифтах до 8,0 мккал/см 2 * с. В числе источников, формирующих внутреннее тепло Земли, предполагаются следующие: энергия распада радиоактивных элементов, химические превращения вещества, гравитационное перераспределение вещества в мантии и ядре. Геотермический градиент - величина нарастания температуры на единицу глубины. Геотермическая ступень - величина глубины, за которую температура возрастает на 1° С. Эти показатели сильно отличаются в разных местах планеты. Максимальные величины градиента наблюдаются в подвижных зонах литосферы, а минимальные на древних континентальных массивах. В среднем геотермический градиент верхней части земной коры составляет около 30° С на 1 км, а геотермическая ступень около 33 м. Предполагается, что с ростом глубины геотермический градиент уменьшается, а геотермическая ступень увеличивается. На основании гипотезы о преобладании в составе ядра железа, были рассчитаны температуры его плавления на разных глубинах (с учетом закономерного роста давления): 3700° С на границе мантии и ядра, 4300° С на границе внутреннего и внешнего ядра.
Химический состав
Земли
считается сходным со средним химическим составом изученных метеоритов. Метеориты по составу бывают:
– железные
(никелистое железо с примесью кобальта и фосфора) составляют 5,6% от найденных;
– железокаменные
(сидеролиты
- смесь железа и силикатов) встречаются реже всего – составляют лишь 1,3% от известных;
– каменные
(аэролиты
- обогащенные железом и магнием силикаты с примесью никелистого железа) являются самыми распространенными – 92,7%.
Таким образом, в среднем химическом составе Земли преобладают четыре элемента. Кислорода и железа содержится примерно по 30%, магния и кремния – по 15%. На долю серы приходится около 2 - 4%; никеля, кальция и алюминия – по 2%.
Наш дом
Планета, на которой мы живём, используется нами абсолютно во всех сферах нашей жизнедеятельности: мы строим не ней свои города и жилища; употребляем в пищу плоды растений, растущих на ней; используем в своих целях природные ресурсы, добываемые из её недр. Земля - это источник всех благ, доступных нам, наш родной дом. Но мало кто знает, что собой представляет строение Земли, в чём его особенности и чем оно интересно. Для людей, специально интересующихся данным вопросом, написана эта статья. Кто-то, прочитав её, освежит в памяти уже имеющиеся знания. А кто-то, возможно, узнает то, о чём не имел ни малейшего представления. Но прежде чем перейти к разговору о том, что характеризует внутренние строение Земли, стоит немного сказать и о самой планете.
Вкратце о планете Земля
Земля - третья от Солнца планета (перед ней находится Венера, за ней - Марс). Расстояние от Солнца - около 150 млн. км. Относится к группе планет, называемой "земной группой" (также к ней относят Меркурий, Венеру и Марс). Её масса составляет 5,98*10 27 , а объём равен 1,083*10 27 см³. Скорость движения по орбите равна 29,77 км/с. Полный оборот вокруг Солнца Земля совершает за 365,26 суток, а полный оборот вокруг собственной оси - за 23 часа 56 минут. На основании научных данных учёные сделали вывод, что возраст Земли приблизительно 4,5 миллиарда лет. Планета имеет форму шара, но очертания её иногда меняются вследствие неизбежных внутренних динамических процессов. Химический состав подобен составу остальных планет из земной группы - в нём преобладают кислород, железо, кремний, никель и магний.
Строение Земли
Земля состоит из нескольких составляющих - это ядро, мантия и земная кора. Обо всём понемногу.
Земная кора
Это верхний слой Земли. Именно его активно использует человек. И изучен данный слой лучше всех. В нём находятся залежи горных пород и минералов. Состоит он из трёх слоёв. Первый - осадочный. Представлен более мягкими горными породами, образовавшимися в результате разрушения твёрдых, отложениями остатков растений и животных, осаждениями различных веществ на дне мирового океана. Следующий слой - гранитный. Он образован из застывшей магмы (расплавленного вещества земных глубин, заполняющего трещины в коре) в условиях давления и высоких температур. Также этот слой содержит разные минералы: алюминий, кальций, натрий, калий. Как правило, данный слой отсутствует под океанами. После гранитного слоя идёт базальтовый, состоящий в основном из базальта (горной породы глубинного происхождения). В этом слое больше кальция, магния и железа. Данные три слоя содержат в себе все полезные ископаемые, которые использует человек. Толщина земной коры колеблется от 5 км (под океанами) до 75 км (под материками). Кора Земли составляет примерно 1% от общего её объёма.
Мантия
Находится под корой и окружает ядро. Составляет 83% от общего объёма планеты. Разделяется мантия на верхнюю (на глубине 800-900 км) и нижнюю (на глубине 2900 км) части. Из верхней части образуется магма, о которой мы упоминали выше. Состоит мантия из плотных силикатных пород, в которых содержатся кислород, магний и кремний. Также на основе сейсмологических данных, учёные пришли к заключению, что в основе мантии существует попеременно прерывающийся слой, состоящий из гигантских континентов. А они, в свою очередь, могли сформироваться в результате смешивания пород самой мантии с веществом ядра. Но ещё одним вариантом является то, что эти области могут представлять дно древних океанов. Нот это уже детали. Далее геологическое строение Земли продолжается ядром.
Ядро
Образование ядра объясняют тем, что в ранний исторический период Земли вещества с наибольшей плотностью (железо и никель) осели в центр и образовали ядро. Оно является наиболее плотной частью, представляющей строение Земли. Делится на расплавленное внешнее ядро (толщиной примерно 2200 км) и твёрдое внутреннее (диаметром примерно 2500 км). Составляет 16% от всего объёма Земли и 32% от всей её массы. Его радиус равен 3500 км. То, что происходит внутри ядра, мало поддаётся представлению - здесь температура свыше 3000°С и колоссальное давление.
Конвекция
Тепло, которое было накоплено за время образования Земли, и по сей день выделяется из её глубин по мере того, как охлаждается ядро и распадаются радиоактивные элементы. Не выходит оно на поверхность лишь благодаря тому, что есть мантия, породы которой имеют прекрасную теплоизоляцию. Но это тепло приводит в движение само вещество мантии - сначала раскалённые породы поднимаются вверх от ядра, а затем, охлаждаясь ею, снова возвращаются. Этот процесс называется конвекцией. Её результатом являются извержения вулканов и землетрясения.
Магнитное поле
Расплавленное железо, находящееся во внешнем ядре, обладает циркуляцией, которая создаёт электрические токи, порождающие магнитное поле Земли. Оно распространяется в космические дали и создаёт вокруг Земли магнитную оболочку, которая отражает потоки солнечного ветра (заряженных частиц, выбрасываемых Солнцем) и защищает живые существа от смертельных излучений.
Откуда данные
Вся информация получается с помощью различных геофизических методов. На поверхности Земли сейсмологами (учёными, изучающими колебания Земли) устанавливаются сейсмологические станции, где регистрируются любые колебания земной коры. Наблюдая за активностью сейсмических волн в разных точках Земли, мощнейшие компьютеры воспроизводят картину того, что происходит в глубинах планеты аналогично тому, как рентген ”просвечивает” тело человека.
В заключение
Мы лишь немного поговорили о том, каково строение Земли. На самом деле изучать данный вопрос можно очень долго, т.к. он полон нюансов и особенностей. Для этой цели и существуют сейсмологи. Остальным же достаточно иметь о её строении общую информацию. Но ни в коем случае нельзя забывать о том, что планета Земля - это наш дом, без которого не было бы и нас. И относиться к ней нужно с любовью, уважением и заботой.
Состав глубинных оболочек Земли продолжает оставаться одним из самых интригующих вопросов современной науки, и тем не менее еще в начале ХХ века сейсмологами Бено Гутенбергом и Г. Джеферсоном была разработана модель внутреннего устройства нашей планеты, согласно которой Земля состоит из следующих слоев:
Ядро;
- мантия;
- земная кора.
Современный взгляд на внутреннее устройство планеты
В середине прошлого века на основании последних на то время сейсмологических данных ученые пришли к выводу, что глубинные оболочки имеют более сложное устройство. Тогда же сейсмологи выяснили, что земное ядро разделяется на внутреннее и внешнее, а мантия состоит из двух слоев: верхнего и нижнего.
Внешняя оболочка земли
Земная кора - это не только самый верхний, самый тонкий, но и самый хорошо изученный из всех слоев Его толщина (мощность) достигает максимальной отметки под горами (порядка 70 км) и минимальной - под водами мирового океана (5-10 км), средняя мощность земной коры под равнинами колеблется от 35 до 40 км. Переход от земной коры к мантии называют границей Мохоровича или Мохо.
Стоит также отметить, что земная кора совместно с верхней частью мантии образуют каменную оболочку Земли - литосферу, толщина которой колеблется от 50 до 200 км.
Следом за литосферой располагается астеносфера - размягченный жидкий слой с повышенной вязкостью. В дополнение ко всему, именно эту составляющую земной поверхности называют источником вулканизма, так как в ней располагаются очаги магмы, изливающейся в земную кору и на поверхность.
В науке принято выделять несколько видов земной коры
Материковая или континентальная распространяется в пределах границ материков и шельфов, состоит из базальтового, гранитно-гейсового и осадочного слоев. Переход гранитно-гейсового слоя в базальтовый называют границей Конрада.
Субматериковая кора - переходный тип, располагается на периферии внутренних и а также под островными дугами.
Субокеаническая кора сходна по своему строению с океанической, особенно хорошо развита на территории глубоководных частей морей и на больших глубинах океанических желобов.
Серединная геосфера
Глубинный слой планеты Земля
Является самым малоизученным Достоверных сведений о нем очень мало, с полной уверенностью можно сказать лишь то, что его диаметр составляет около 7 тысяч километров. Считается, что в состав земного ядра входит сплав никеля и железа. Стоит также отметить, что внешнее ядро планеты имеет большую толщину и находится в жидком в то время как внутреннее - меньше по толщине и тверже по консистенции. От мантии земное ядро отделяет так называемая граница Гуттенберга.
Что может находиться внутри нашей с вами родной планеты? Попросту говоря, из чего состоит Земля, каково ее внутреннее строение? Эти вопросы издавна волновали ученых. Но оказалось, что прояснить данный вопрос не так уж и просто. Даже при помощи суперсовременных технологий человек может углубиться вовнутрь только на расстояние, равное пятнадцати километрам, а этого, конечно же, мало для того, чтобы все понять и обосновать. Поэтому даже в наши дни исследования на тему «из чего состоит Земля» проходят, в основном, с использованием косвенных данных и предположений-гипотез. Но и в этом ученые достигли уже определенных результатов.
Как изучают планету
Еще во времена древних отдельные представители человечества стремились к познанию: из чего состоит Земля. Люди изучали и срезы горных пород, обнаженные самой природой и доступные для просмотра. Это, в первую очередь, обрывы, горные склоны, крутой берег морей и рек. По этим естественным срезам много чего можно понять, потому что они состоят из тех пород, которые были здесь и миллионы лет назад. А сегодня учеными в некоторых местах суши пробуриваются скважины. Из них самая глубокая - 15 км на Также изучение идет при помощи шахт, прорываемых для добычи ископаемых: угля и руды, к примеру. Из них также извлекаются образцы пород, способных рассказать людям о том, из чего состоит Земля.
Косвенные данные
Но это - то, что касается опытных и визуальных знаний о строении планеты. А вот при помощи науки сейсмологии (изучение землетрясений) и геофизики ученые проникают в глубины бесконтактно, анализируя сейсмические волны и их распространение. Эти данные рассказывают нам о свойствах веществ, находящихся глубоко под землей. Ведется изучение строения планеты и при помощи искусственных спутников, которые пребывают на орбите.
Из чего состоит планета Земля
Внутреннее строение планеты неоднородное. Сегодня учеными-исследователями установлено, что внутри состоит из нескольких частей. В середине находится ядро. Далее - мантия, которая огромна и составляет примерно пять шестых всей Наружная кора представлена тонким слоем, покрывающим сферу. Эти три составные части, в свою очередь, также не совсем однородны и имеют особенности строения.
Ядро
Из чего состоит ядро земли? Ученые выдвигают несколько версий состава и происхождения центральной части планеты. Самая популярная: ядро представляет собой железо-никелевый расплав. Ядро делится на несколько частей: внутреннее - твердое, внешнее - жидкостное. Оно очень тяжелое: составляет более трети общей массы планеты (для сравнения, его объем составляет лишь 15%). По мнению ученых, оно формировалось постепенно, с течением времени, а железо и никель высвобождались из силикатов. В настоящее время (в 2015-м) ученые из Оксфорда предложили версию, согласно которой ядро состоит из радиоактивного урана. Этим, кстати, они объясняют и повышенную теплоотдачу планеты, и существование магнитного поля до сего времени. В любом случае, информация, из чего состоит ядро Земли, может быть получена только гипотетически, так как опытные образцы современной науке недоступны.
Мантия
Из чего состоит Сразу следует оговориться, что, как и в случае с ядром, ученым еще не довелось ни разу добраться до нее. Поэтому изучение ведется также при помощи теорий и гипотез. В последние годы, правда, японскими исследователями ведется бурение на дне океана, где до мантии останется «всего-то» 3000 км. Но пока еще результаты не озвучиваются. А составляют мантию, по мнению ученых, силикаты - породы, насыщенные железом и магнием. Они пребывают в расплавленном жидком состоянии (температура достигает 2500 градусов). А еще в состав мантии, как ни странно, входит и вода. Там ее очень много (если выплеснуть всю внутреннюю воду на поверхность, то уровень мирового океана поднялся бы на 800 метров).
Земная кора
Она занимает всего чуть более процента планеты по объему и чуть менее - по массе. Но, несмотря на ее малый вес, кора земли имеет для человечества очень важное значение, ведь именно на ней и проживает все живое на Земле.
Сферы Земли
Известно, что возраст нашей планеты составляет примерно 4,5 миллиарда лет (ученые выяснили это при помощи радиометрических данных). При изучении Земли выявлено несколько присущих ей оболочек, названных геосферами. Они различаются и по своему химическому составу, и по физическим свойствам. Гидросфера включает в себя всю имеющуюся на планете воду в различных ее состояниях (жидкое, твердое, газообразное). Литосфера - каменная оболочка, плотно опоясывающая Землю (от 50 до 200 км толщиной). Биосфера - все живое на планете, включая и бактерии, и растения, и людей. Атмосфера (от древнегреческого «атмос», что означает пар) - воздушная без которой было бы невозможно существование жизни.
Из чего состоит атмосфера Земли
Внутренняя часть этой важнейшей для жизни оболочки примыкает к и представляет собой газообразную субстанцию. А внешняя - граничит с космическим околоземным пространством. Она определяет погоду на планете, и по своему составу также не однородна. Из чего состоит атмосфера Земли? Современные ученые с точностью могут определить ее составляющие. Азота в процентном отношении - более 75%. Кислорода - 23%. Аргона - чуть более 1 процента. Совсем понемногу: углекислого газа, неона, гелия, метана, водорода, ксенона и некоторых других веществ. Содержание воды в колеблется от 0,2% до 2,5% в зависимости от климатического пояса. Содержание углекислого газа также непостоянно. Некоторые характеристики современной атмосферы Земли напрямую зависят от промышленной деятельности человека.
Внутреннее строение Земли
Земля на ранних этапах формирования представляла собой холодное космическое тело, содержащее все известные в природе химические элементы. Атмосферы и гидросферы не существовало, поверхность планеты была совершенно безжизненна. Но постепенно за счет гравитационных сил, энергии распада радиоактивных элементов и лунных приливов недра Земли стали разогреваться. Когда температура недр достигла уровня плавления окислов железа и других соединений, начались активные процессы формирования ядра и основных оболочек планеты.
Общим процессом формирования оболочек Земли, согласно гипотезе академика А.П. Виноградова, было зонное плавление в мантии, располагающейся вокруг ядра. При этом тугоплавкие и тяжелые элементы погружались вниз, образуя и наращивая ядро, а легкоплавкие и легкие по массе элементы поднимались вверх, образуя земную кору и литосферу.
Земля имеет оболочечное строение. Установить внутреннее строение Земли удалось сейсмическим методом исследования. При прохождении сквозь тело Земли сейсмических волн (продольных и поперечных) скорости их на некоторых глубинных уровнях заметно меняются (причем скачкообразно), что свидетельствует об изменении свойств среды, проходимой волнами. Продольные волны связаны с напряжениями растяжения (или сжатия), ориентированными по направлению их распространения; поперечные волны вызывают колебания среды, ориентированные под прямым углом к направлению их распространения (в жидкой среде не распространяются).
Земная кора – первая оболочка твердого тела Земли, имеет мощность 30–40 км. По объему она составляет 1,2 % объема Земли, по массе – 0,4%, средняя плотность равна 2,7 г/см 3 . Состоит преимущественно из гранитов, осадочные породы в ней имеют подчиненное значение. Гранитная оболочка, в составе которой огромную роль играют кремний и алюминий, называется «сиалической» («сиаль»). От мантии земная кора отделена сейсмическим разделом, названным границей Мохо , по фамилии сербского геофизика А. Мохоровичича (1857–1936). Здесь происходит скачок скоростей продольных сейсмичеких волн примерно до 8 км/с (рис. 4). Эта граница четкая и наблюдается во всех местах Земли на глубинах от 5 до 90 км. Раздел Мохо не является просто границей между породами различного типа, а представляет собой плоскость фазового перехода между эклогитами и габбро мантии и базальтами земной коры. При переходе из мантии в кору давление падает, габбро переходят в базальты (кремний + магний – «сима»). Переход сопровождается увеличением объема на 15 % и, соответственно, уменьшением плотности. Поверхность Мохо считают нижней границей земной коры. Важная особенность этой поверхности состоит в том, что она в общих чертах представляет собой как бы зеркальное отражение рельефа земной поверхности: под океанами она выше, под континентальными равнинами ниже, под наиболее высокими горами опускается ниже всего (это так называемые корни гор).
Мантия по объему составляет 83 % объема Земли и 68 % ее массы. Предполагается, что она сложена расплавленной силикатной массой, насыщенной газами. Скорости распространения продольных и поперечных волн в нижней части мантии возрастают, соответственно, до 13 и 7 км/с (см. рис.4). Плотность вещества возрастает до 5,7 г/см 3 . На границе с ядром температура увеличивается до 3800º С, давление – до 1,4·10 11 Па. Выделяют верхнюю мантию до глубины 900 км и нижнюю – до 2900 км. В верхней мантии на глубине 150–200 км присутствует астеносферный слой. Астеносфера (греч. asthenes – слабый) – слой пониженной твердости и прочности в верхней мантии Земли. Астеносфера – основной источник магмы, в ней располагаются очаги питания вулканов и происходит перемещение литосферных плит.
Ядро занимает 16 % объема и 31 % массы планеты. Температура в нем достигает 5000 0 С, давление – 37 х 10 11 Па, плотность – 16 г/см 3 . Ядро делится на внешнее (до глубины 5100 км), находящееся в жидком состоянии, и внутреннее – твердое. Во внешнем ядре скорость распространения продольных волн падает до 8 км/с, а поперечные волны не распространяются вовсе, что принимается за доказательство его жидкого состояния. Глубже 5100 км скорость распространения продольных волн возрастает и вновь проходят поперечные волны (см. рис. 4). Внешнее ядро состоит из железа или металлизованных силикатов, внутреннее – железоникелевое. В ядре Земли происходит металлизация вещества, обусловливая образование электрических токов и магнитосферы.
Земной магнетизм
Вокруг Земли существуют разнообразные поля, наиболее существенное влияние на ГО оказывают гравитационное и магнитное.
Гравитационное поле на Земле – это поле силы тяжести. Сила тяжести – равнодействующая сила между силой притяжения и центробежной силой, возникающей при вращении Земли. Центробежная сила достигает максимума на экваторе, но и здесь она мала и составляет 1/288 от силы тяжести. Сила тяжести на земле в основном зависит от силы притяжения, на которую оказывает влияние распределение масс внутри Земли и на поверхности. Сила тяжести действует повсеместно на земле и направлена по отвесу к поверхности геоида. Напряженность гравитационного поля равномерно уменьшается от полюсов к экватору (на экваторе больше центробежная сила), от поверхности вверх (на высоте 36 000 км равна нулю) и от поверхности вниз (в центре Земли сила тяжести равна нулю).
Нормальным гравитационным полем Земли называется такое поле, которое было бы у Земли, если бы она имела форму эллипсоида с равномерным распределением масс. Напряженность реального поля в конкретной точке отличается от нормального, возникает аномалия гравитационного поля. Аномалии могут быть положительными и отрицательными: горные хребты создают дополнительную массу и должны вызывать положительные аномалии, океанические впадины, наоборот – отрицательные. Но на самом деле земная кора находится в изостатическом равновесии.
Изостазия (от греч. isostasios – равный по весу) – уравновешивание твердой, относительно легкой земной коры более тяжелой верхней мантией. Теория равновесия была выдвинута в 1855 г. английским ученым Г.Б. Эйри. Благодаря изостазии избытку масс выше теоретического уровня равновесия соответствует недостаток их внизу. Это выражается в том, что на определенной глубине (100–150 км) в слое астеносферы вещество перетекает в те места, где имеется недостаток масс на поверхности. Только под молодыми горами, где еще полностью компенсация не произошла, наблюдаются слабые положительные аномалии. Однако равновесие непрерывно нарушается: в океанах происходит отложение наносов, под их тяжестью дно океанов прогибается. С другой стороны, горы разрушаются, высота их уменьшается, значит, уменьшается и масса.
Гравитационное поле Земли для ее природы имеет чрезвычайно важное значение:
1. Сила тяжести создает фигуру Земли, она является одной из ведущих эндогенных сил. Благодаря ей, выпадают атмосферные осадки, текут реки, формируются горизонты подземных вод, наблюдаются склоновые процессы. Давление масс вещества, реализующееся в процессе гравитационной дифференциации в нижней мантии, наряду с радиоактивным распадом порождает тепловую энергию – источник внутренних (эндогенных) процессов, перестраивающих литосферу.
2. Земное тяготение уплотнило внутреннее вещество Земли и, независимо от его химического состава, сформировало плотное ядро.
3. Главным в истории планеты с геофизической точки зрения является процесс гравитационной дифференциации вещества – расслоение в соответствии с его плотностью в поле силы тяжести. В результате такого расслоения возникли геосферы, каждая из которых сложена веществом одного агрегатного состояния и сходной плотности.
4. Сила тяжести удерживает газовую и водную оболочки планеты. Атмосферу планеты покидают только самые легкие молекулы водорода и гелия.
5. Сила тяжести обуславливает стремление земной коры к изостатическому равновесию. Силой тяжести объясняется максимальная высота гор; считается, что на нашей Земле не может быть гор выше 9 км.
6. Астеносфера – размягченный теплом слой, допускающий движение литосферы, тоже функция силы тяжести, поскольку расплавление вещества происходит при благоприятном соотношении количества тепла и величины сжатия (давления).
7. Шаровая фигура гравитационного поля определяет два основных вида форм рельефа на земной поверхности – конические и равнинные, которые соответствуют двум универсальным формам симметрии – конической и билатеральной.
8. Направление силы тяжести к центру Земли, помогает животным удерживать вертикальное положение.
Тепловой режим поверхностного слоя земной коры (в среднем до 30 м) имеет температуру, определяемую солнечным теплом. Это гелиометрический слой , испытывающий сезонные колебания температуры. Ниже – еще более тонкий горизонт постоянной температуры (около 20 м), соответствующий среднегодовой температуре места наблюдения. Ниже постоянного слоя температура с глубиной нарастает – геотермический слой . Для количественного определения величины этого нарастания двумя взаимно связанными понятиями. Изменение температуры при углублении в землю на 100 м называется геотермическим градиентом . Его величина колеблется от 0,1 до 0,01º С/м и зависит от состава горных пород, условий их залегания. Расстояние по отвесу, на которое необходимо углубиться, чтобы получить повышение температуры на 1º, называется геотермической ступенью (колеблется от 10 до 100 м/ºС).
Земной магнетизм – свойство Земли, обусловливающее существование вокруг нее магнитного поля, вызванного процессами, происходящими на границе ядро – мантия. Впервые о том, что Земля – магнит, человечество узнало благодаря работам У. Гильберта.
Магнитосфера – область околоземного пространства, заполненная заряженными частицами, движущимися в магнитном поле Земли. Она отделена от межпланетного пространства магнитопаузой. Это внешняя граница магнитосферы. В основе образования магнитного поля лежат внутренние и внешние причины. Постоянное магнитное поле образуется благодаря электрическим токам, возникающим во внешнем ядре планеты. Солнечные корпускулярные потоки образуют переменное магнитное поле Земли. Наглядное представление о состоянии магнитного поля Земли дают магнитные карты. Магнитные карты составляются на пятилетний срок – магнитную эпоху.
Нормальное магнитное поле было бы у Земли, будь она однородно намагниченным шаром. Земля в первом приближении представляет собой магнитный диполь – стержень, концы которого имеют противоположные магнитные полюса. Места пересечения магнитной оси диполя с земной поверхностью называются геомагнитными полюсами . Геомагнитные полюса не совпадают с географическими и медленно движутся со скоростью 7–8 км/год. Отклонения реального магнитного поля от нормального (теоретически рассчитанного) называются магнитными аномалиями. Они могут быть мировыми (Восточно-Сибирский овал), региональными (КМА) и локальными, связанными с близким залеганием к поверхности магнитных пород.
Магнитное поле характеризуется тремя величинами: магнитным склонением, магнитным наклонением и напряженностью. Магнитное склонение – угол между географическим меридианом и направлением магнитной стрелки. Склонение бывает восточным (+), если северный конец стрелки компаса отклоняется к востоку от географического меридиана, и западным (–), когда стрелка отклоняется к западу. Магнитное наклонение – угол между горизонтальной плоскостью и направлением магнитной стрелки, подвешенной на горизонтальной оси. Наклонение положительное, когда северный конец стрелки смотрит вниз, и отрицательное, если северный конец направлен вверх. Магнитное наклонение изменяется от 0 до 90º. Сила магнитного поля характеризуется напряженностью. Напряженность магнитного поля небольшая составляет на экваторе 20–28 А/м, на полюсе – 48–56 А/м.
Магнитосфера имеет каплевидную форму (рис. 5). На стороне, обращенной к Солнцу, ее радиус равен 10 радиусам Земли, на ночной стороне под влиянием «солнечного ветра» увеличивается до 100 радиусов.
Рис.5. Каплевидная форма магнитосферы Земли
Форма обусловлена воздействием солнечного ветра, который, наталкиваясь на магнитосферу Земли, обтекает ее. Заряженные частицы, достигая магнитосферы, начинают двигаться по магнитным силовым линиям и образуют радиационные пояса. Внутренний радиационный пояс состоит из протонов, имеет максимальную концентрацию на высоте 3500 км над экватором. Внешний пояс образован электронами, простирается до 10 радиусов. У магнитных полюсов высота радиационных поясов уменьшается, здесь возникают области, в которых заряженные частицы вторгаются в атмосферу, ионизируя газы атмосферы и вызывая полярные сияния.
Географическое значение магнитосферы очень велико: она защищает Землю от корпускулярного солнечного и космического излучения. С магнитными аномалиями связан поиск полезных ископаемых. Магнитные силовые линии помогают ориентироваться в пространстве туристам, кораблям.