Природная среда [1984 Быков В.Д., Саушкин В.Д. и др. - Мир географии: География и географы]

Наблюдатель, находящийся на расстоянии порядка 40 млн. км, будет видеть Землю такой, какой мы видим Венеру, но менее яркой, потому что при равных размерах с Венерой Земля отражает почти в 2 раза меньше падающих на нее солнечных лучей.

Планеты Солнечной системы и их удаленность от Солнца

Вид Луны и Земли из космоса

С Луны на расстоянии 384 тыс. км Земля выглядит весьма эффектно. Ее размеры внушительны - поперечник почти в 4 раза превосходит диаметр лунного диска во время полнолуния на земном небосводе. На Луне можно наблюдать восход и закат Земли и разные ее фазы - от узкого серпа до полной Земли.

Вдоль экватора почти всегда протягивается широкий облачный пояс. В умеренных широтах разбросаны спирали циклонических вихрей. Арктика и Антарктика тоже скрыты шапками облаков. Зато аридные земли выглядят на редкость фотогеничными.

Земля красива!

Снимки из космоса производят особенное впечатление, вызывают эмоции, которых никогда не бывает при взгляде на простую карту полушарий. Земля сфотографирована в конкретный момент времени. Она видна вся, целиком. Кругом пусто. Мы видим ее висящей в пространстве. Мы видим ее летящей! Мы ощущаем, что она не так уж велика, что она неповторима и что она одна, одна на все человечество.

Земля красива!

А представляете, насколько богаче и ярче картина Земли из иллюминатора космического корабля!

- Земля красива! - об этом говорят все космонавты.

Согласно современным представлениям, земной шар возник путем сгущения холодной рассеянной материи - протопланетного облака.

Земля красива!

Этапы эволюции Солнца и Солнечной системы

1. Согласно теории аккреции, Солнечная система образовалась из облака разреженного газа и пыли. Газовое облако состояло в основном из сгущений водорода.

2-3. Гравитационные силы постепенно вызывают сжатие облака. Его плотность и масса у центра возрастают. Газовое облако начинает приобретать форму правильного диска. Солнце в зародышевой стадии начинает светиться благодаря энергии гравитационного сжатия.

4-5. Материал, удаленный от Солнца, постепенно концентрируется в солярное облако, сгущения которого становятся все более явными.

6. Солнце сжимается и продолжает излучать лучистую энергию. Все большая часть солнечного облака конденсируется в отдельные сгустки.

7. Солнце, окруженное системой сформировавшихся протопланет, сжимается приблизительно до современного размера, но его светимость составляет лишь половину современной величины. Солнечная система близка к современному состоянию, хотя Солнце еще имеет оранжевое свечение и продолжает медленно сжиматься.

8. Внутренняя часть Солнца нагрелась до критической температуры. Осталось сравнительно немного протопланет.

9. По мере того как Солнце достигает состояния устойчивого излучения, протопланеты приобретают сферическую форму. Четыре гиганта: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун - удалены от Солнца на расстояние около 650 млн. км.

10. В наши дни Солнечная система состоит из Солнца, представляющего собой остаток центральной части первоначального облака, девяти основных планет и более мелких тел.

11. По мере выгорания водорода в ядре Солнца область термоядерного "горения" будет сдвигаться к поверхности. С понижением температуры поверхности при общем увеличении излучаемой энергии размеры Солнца будут увеличиваться.

12. Солнце продолжает эволюционировать. С ростом излучаемой энергии значительно повысится температура планет.

13. Расширение Солнца продолжается. Область термоядерного "горения" достигает поверхности.

14. Через 600 млн. лет диаметр Солнца увеличится в 50 раз.

Когда в центре Солнца будет достигнута критическая температура, начнет "гореть" гелий, произойдет так называемая гелиевая вспышка.

15. Послe временного сжатия диаметр Солнца увеличится в 400 раз.

К этому времени все внутренние планеты будут разрушены. Солнце станет нестабильным, достигнув критического этапа своего развития.

Оно превратится в красный гигант с огромной, относительно холодной поверхностью и раскаленным плотным ядром.

Под действием силы тяжести внутри Солнца произойдет резкая перестройка его структуры, и Солнце всего лишь за 50 тыс. лет превратится в сверхплотный белый карлик.

16-17. Как карлик Солнце будет продолжать слабо излучать неограниченно долго. В конце концов излучение прекратится, и Солнце будет существовать как мертвый черный шар - черный карлик.

Одновременно, видимо, происходило формирование Солнца (из центральной части туманности) и других планет Солнечной системы. Внешним импульсом, который вывел облако из равновесного состояния и обусловил начало интенсивной конденсации, был гигантский взрыв сверхновой звезды, находившейся в непосредственной (конечно, по астрономическим меркам) близости. При подобных взрывах во Вселенной происходит синтез атомов тяжелых радиоактивных элементов, в том числе урана и тория.

Земля возникла из солнечного облака. У нее не было законченной формы, но по мере конденсации материала она начала принимать сфероидную форму. Когда Земля достигла современного размера, она имела плотную атмосферу - не исходную водородную атмосферу, а атмосферу из газов, выделяемых из внутренних частей Земли. Жизнь еще не зародилась.

В конце каменноугольного периода (300 млн. лет назад) суша по обе стороны Атлантики была объединена в единый гипотетический материк - Пангею. В эоцене (50 млн. лет назад) наметилось разделение Пангеи на отдельные части, которые наследуются современными материками

Определение возраста Земли на основе распространенности изотопов урана

Зная современную встречаемость двух изотопов одного элемента, можно построить для них кривые изменчивости запасов во времени. Такие расчеты сделаны для урана-235 (период полураспада 710 млн. лет) и для урана-238 (период полураспада 4,5 млрд. лет); их современное соотношение 1:139. Пересечение крутой кривой изменения запасов редкого урана-235. расположенной на графике внизу, с полого направленной кривой урана-238 соответствует тому моменту времени, когда их встречаемость в природе была одинаковой, т. е. моменту взрыва. Это было около 6 млрд. лет назад. Абсолютный возраст наиболее древних изверженных пород, известных на земном шаре, равен приблизительно 3,5 млрд. лет.

Согласно разным авторам, современные темпы поступления вещества из космоса составляют от 0,01 млн. до 80 млн. т ежегодно. Но эти цифры совершенно ничтожны по сравнению с массой земного шара, которая оценивается в 5,976 х 1020 т. Даже если будет целиком исчерпан весь рой метеоритов и все известные нам астероиды упадут на Землю, то ее масса возрастет только на 0,001 %. Строительный материал израсходован почти до конца.

Этапы эволюции Земли

Земля сегодня движется по стабильной орбите, имеет умеренную температуру и обогащенную кислородом атмосферу. Это единственная в Солнечной системе планета, где развита жизнь

При разлете вещества сверхновой протопланетное облако получило эти тяжелые элементы, которые вторглись, внедрились в него. Вот это обстоятельство и делает возможным определение возраста Земли. Ход рассуждений таков. Во время взрыва было синтезировано одинаковое количество изотопов одного и того же элемента. Но затем их первоначальные запасы стали уменьшаться с разной скоростью. Быстрее истощались запасы тех изотопов, которые обладают более коротким периодом полураспада, произошло даже "вымирание" некоторых из них.

Первоначально аккумуляция вещества, слагающего земной шар, происходила очень быстро. Так, согласно Б. Ю. Левину и А. Н. Симоненко (1973), в середине первого стомиллионнолетия существования Земли она могла получать до 1014 т/год, т. е. каждый час на Землю поступало 10-15 млрд. т вещества. Но впоследствии темпы наращивания замедлились.

Оболочечное строение земного шара, который отчетливо делится на сферы, различные по химическому составу, агрегатному состоянию вещества и его свойствам, - внутреннее и внешнее ядро, нижнюю и верхнюю мантию, земную кору, гидросферу и атмосферу, - результат дальнейшей длительной дифференциации вещества, его разделения по плотности. Более тяжелая материя проталкивалась внутрь, легкая - газы - вытеснялась кверху. Гравитационная дифференциация облегчалась частичным плавлением в недрах благодаря громадному давлению и в результате выделения энергии радиоактивного распада.

Наша Земля - одна из планет Солнечной системы, третья от Солнца после Меркурия и Венеры. Среднее удаление от Солнца - 149,6 млн. км. Этот отрезок известен как астрономическая единица и используется при характеристике расстояний в Солнечной системе. Конечно, по земным масштабам астрономическая единица огромна, но солнечный диаметр укладывается в ней лишь 107 раз. Следовательно, по отношению к размерам Солнца Земля не так уж далека от него. По выражению А. Л. Чижевского, "Земля находится в объятиях Солнца".

Солнце и Солнечная система. Солнечное излучение - главная причина изменений, ежечасно и ежеминутно совершающихся в природе

Если экстраполировать изменчивость суток в будущее, то через 100 млн. лет они удлинятся на 28 минут, а через миллиард лет - на 4 часа 40 минут. Удлинение суток вызовет нарастание континентальности климата (при прочих равных условиях), поскольку с более длинной ночью связано большее остывание, равно как и более длинный день имеет следствием повышение суточного температурного максимума. Кроме того, замедление вращения приведет к тому, что ослабеет широтная составляющая атмосферной циркуляции, станет более выраженным обмен воздушными массами между высокими и низкими широтами и это сгладит контрасты между ними. Конечно, никакого практического значения подобные прогнозы не имеют.

Двигаясь по эллиптической орбите вокруг Солнца, Земля в то же время вращается вокруг своей оси. Это вращение имеет общую тенденцию к замедлению из-за тормозящего действия приливов Мирового океана. В раннем палеозое, около 500 млн. лет назад, сутки составляли всего 20,8 современных часа. Удлинение суток составляет 0,0017 сек. за век. Но продолжительность обращения Земли вокруг Солнца (год) остается неизменной.

Путь Луны, совмещенный с орбитой Земли

Любопытно, что изменчивость продолжительности суток подтверждается палеонтологическими исследованиями. Нарастание стенок кораллов происходит только при дневном освещении. Суточные линии нарастания отчетливо просматриваются под электронным микроскопом при увеличении в 300 - 400 тыс. раз. В годовой цикл современных кораллов укладывается 360 -370 слойков, девонских - 460 - 480. Девонский год имел больше дней. Земля вращалась быстрее.

Траектории Земли и Луны

На фоне постоянного замедления скорости вращения Земли из-за лунного притяжения возможны ее изменения, связанные с другими причинами, в частности с перераспределением массы гидросферы. При похолодании климата в приполярных районах нарастали мощные ледниковые покровы объемом в десятки миллионов кубических километров, уровень Мирового океана падал более чем на 130 м. Иначе говоря, происходила концентрация массы ближе к оси вращения, что неизбежно должно было ускорить вращение Земли. После деградации ледниковых покровов восстанавливался прежний режим вращения. Длительность оборота Земли вокруг оси долго была основой мер времени, но непостоянство скорости вращения вынудило перейти с 1967 г. на определение точного времени с помошью атомных часов.

Нестабильны и полюса - они "блуждают", очерчивая замкнутые контуры неправильной формы. "Пляска" полюсов "укладывается" в пределах квадрата 18 x 18 м.

Уровенная поверхность ограничивает отнюдь не шар. Земля сжата у полюсов. Средний экваториальный радиус длиннее половины земной оси на 21,4 км. Разная длина и у радиусов, лежащих в экваториальной плоскости, разница составляет 213 м. Неодинаковы и полярные полуоси - та, что направлена к Южному полюсу, короче на 70 - 100 м.

Угол между земной осью и перпендикуляром к плоскости орбиты сейчас равен 23°26,5'

Солнечная система в целом вращается вокруг центра нашей Галактики, совершая один оборот за 200 - 230 млн. лет ("галактический год"). Высказана гипотеза, что, когда Солнечная система, двигаясь по орбите, пересекает галактическую плоскость, она оказывается в зоне повышенной концентрации межзвездной материи. Это вызывает ослабление поступления солнечной радиации к Земле. Климат становится холоднее, развиваются ледники. С другой стороны, возрастает гравитационное воздействие на Землю. Оно возбуждает земную кору, стимулирует горообразование, усиливает вулканизм и сейсмику. Великие оледенения и орогенические эпохи идут "бок о бок", имея общую космическую причину.

При движении Земли ось сохраняет почти постоянное положение в пространстве. Именно благодаря этому происходит смена времен года и в высоких широтах наблюдаются такие феномены, как полярный день и полярная ночь. Но в масштабах тысячелетий угол не остается постоянным - земная ось то несколько выпрямляется, то опять наклоняется; колебания происходят в интервале от 24°36' до 21°58'. В настоящее время угол уменьшается на 0,47" в год. Идентичное состояние повторяется через каждые 40 тыс. лет. При более выпрямленном положении оси расширяется площадь умеренного пояса, уменьшаются сезонные контрасты в высоких широтах.

Начиная разговор о форме Земли, предупредим читателя, что имеется в виду та поверхность, которую имел бы Мировой океан в том случае, если бы он покрывал всю нашу планету. Для этого нужно мысленно срыть все материки и острова до уровня моря, а также представить себе условия абсолютного штиля и отсутствие приливов. Такой воображаемый безмятежный океан, сплошь покрывающий всю Землю, называют уровенной поверхностью. Любой элементарный участок такой поверхности перпендикулярен к линии отвеса, к направлению силы тяжести.

Уровенная поверхность отличается от поверхности сфероида сжатием у полюсов, а также тем, что в одних местах она располагается выше, в других - ниже относительно его.

Поверхность геоида

Отклонение поверхности геоида от эллипсоида (в метрах)

Таким образом, общая амплитуда уроненной поверхности относительно поверхности сфероида составляет 200 м. Отклонения достаточно значительные, поэтому предпочитают говорить не о земном сфероиде, а о геоиде. Фигура Земли создана ее вращением вокруг оси, взаимодействием сил тяготения и центробежных сил.

Самая глубокая "яма" (-112 м) расположена в Индийском океане южнее полуострова Индостан, примерно на экваторе. Другие впадины отмечены к юго-востоку от Австралии (-50 м), в Тихом океане вблизи калифорнийского побережья (-56 м) и в районе Малых Антильских островов и знаменитого Бермудского треугольника (-60 м). Самые крупные вздутия находятся в районе Новой Гвинеи (+78 м), в Северной Атлантике (+68 м), в Индийском океане, к юго-востоку от оконечности Африки (+40 м) и в средней части Анд (+30 м).

Магнитное поле - надежный заслон, щит, оберегающий поверхность Земли от "солнечного ветра" и космических лучей. Свидетельство этому - два радиационных пояса, протонный и электронный, расположенные на высотах 400 и 20 000 км соответственно. Они образовались в результате перехватывания частиц магнитным полем и их "нанизывания" на силовые линии. Защитную роль играет и газовая оболочка Земли - атмосфера. Наличие магнитного поля справедливо относят к тем важным факторам, которые обеспечили появление жизни на Земле, развитие биосферы.

Материки - массивы суши, выступающие за уровенную поверхность, и дно океана, опущенное относительно ее, - результат тектоники, вертикального и горизонтального смещения крупных литосферных плит относительно друг друга. По отношению к размерам Земли амплитуда рельефа ее поверхности выглядит ничтожной. Если бы мы задались целью показать впадины океанов и материковые выступы на рельефном глобусе диаметром 2,5 м, то превышение Эвереста над глубочайшей океанической впадиной - Марианской - составило бы всего 4 мм. Глобус, занимающий половину комнаты, имел бы практически гладкую поверхность.

Измерения со спутников показали, что полярное сжатие Земли несколько больше того, какое должно быть при современной скорости вращения. Причина -высокая вязкость недр Земли. Планета не сразу реагирует на изменение скорости вращения, не сразу приобретает новую форму. Поэтому в земной коре постоянно существуют напряжения, стремящиеся уменьшить величину полярного сжатия.

Земля в отличие от своих ближайших космических соседей - Марса, Венеры, Луны и Меркурия - обладает достаточно сильным магнитным полем, напряженность которого примерно в 20 тыс. раз выше, чем в межпланетном пространстве. С удалением от поверхности Земли величина напряженности падает, но и на расстоянии в 10 земных радиусов она остается все же в 20 раз сильнее межпланетного поля. Ось магнитного поля не совпадает с осью вращения Земли, отклонение составляет 11°.

Магнитное поле Земли асимметрично, вытянуто в направлении от Солнца. На дневной стороне магнитные силовые линии сжаты, сплюснуты, на ночной - разрежены. Такая асимметрия - результат воздействия "солнечного ветра" - потока частиц высоких энергий: электронов, протонов, ионов водорода и гелия.

Изменения напряженности магнитного поля Земли часто происходят внезапно, импульсивно, спазматически - недаром по отношению к ним используют термин "магнитные бури". Изменчивость магнитного состояния Земли обнаруживает отчетливую связь с колебаниями солнечной активности, с периодичностью пятнообразования на Солнце. С бурями на Солнце и в магнитосфере связана изменчивость многих явлений на Земле (приход ультрафиолетовой радиации, атмосферные процессы, урожайность, размножение и миграция организмов и др.). Об этом увлекательно рассказывается в книге А. Л. Чижевского "Земное эхо солнечных бурь".

Положение Северного магнитного полюса на эпохи 1890, 1946 и 1980 гг.

Магнитное поле Земли

Магнитные полюса все время находятся в движении. Они совершают суточные миграции эллиптической формы, которые суммируются в определенном направлении, в результате чего годовое смещение составляет двадцать с лишним километров.

Самый грандиозный скачок в состоянии земного магнетизма происходит примерно раз в полмиллиона лет: меняется знак полярности. Накануне инверсии происходит значительное временное уменьшение напряженности (в 5-10 раз). Эти события не остаются безразличными для органического мира. Считают, что многие кризисные явления в развитии фауны, когда происходило ускоренное вымирание видов, связаны именно с динамикой магнитного поля Земли.

Николай Коперник (1473-1543) -польский ученый, создатель гелиоцентрического учения о Солнечной системе. В своем бессмертном труде 'Об обращениях небесных сфер' Коперник объяснил, что Земля - одна из планет, обращающихся вокруг Солнца

Солнце - раскаленный плазменный шар, типичная звезда-карлик

…Четыре с половиной века назад Николай Коперник "убрал" земной шар из центра Вселенной и поместил его на околосолнечную орбиту. С тех пор идея исключительности Земли теряла сторонников, и все более укреплялся взгляд на нее как на рядовое космическое тело. "Наша Земля ... не есть единичное случайное явление в окружающей нас природе. Она одна из планет" (В. И. Вернадский). Но Вернадский же, который писал об общих свойствах планет, в то же время подчеркивал: все планеты индивидуально различны. Думается, что есть все основания усилить эту мысль: все планеты уникальны. В этом нас убеждают новейшие результаты космических исследований. Уникальность Земли заключается в первую очередь в том, что она обитаемая планета, единственный очаг жизни в пределах Солнечной системы. Только на Земле развита пленка жизни, оболочка живого вещества, которая внедряется и взаимопроникает в другие оболочки - литосферу, атмосферу и гидросферу. Но почему жизнь появилась именно на Земле? Какие ее особенности как планеты способствовали этому?

Начнем с благоприятной удаленности от Солнца. Земля располагается в пределах той зоны, где нет недостатка или чрезмерного избытка в поступлении внешней энергии. Температурные условия сделали возможным появление и развитие жизни в той форме, в какой она существует на нашей планете. С удаленностью от Солнца связано и закономерное изменение вещественного состава планет. Входящие в "земную группу" Земля, Меркурий, Венера и Марс, а также Луна обладают наибольшей плотностью и имеют качественно самый разнообразный состав. На Земле вещество существует во всех трех агрегатных состояниях. Для возможности появления жизни (ее биологических форм) чрезвычайно важно широкое - в пространстве и во времени - существование воды в жидком состоянии. Атмосферы больших планет, вращающихся по внешним орбитам, - Юпитера, Сатурна, Урана, Нептуна - состоят из газов, преимущественно из метана и аммиака. В этом проявляется, по-видимому, результат первичной гравитационной дифференциации на стадии протопланетного облака. Но самая внешняя планета - загадочный Плутон - имеет размеры и массу, соизмеримые с таковыми у Меркурия, что говорит о значительной плотности вещества.

Гравитационное воздействие на Землю усиливает вулканизм

Безжизненная поверхность Луны

Если бы Земля была совершенно лишена атмосферы, то она была бы увеличенной копией Луны - мертвой, покрытой тысячевековой пылью, изрытой бесчисленными метеоритными кратерами. Масса Луны в 81,5 раза меньше, чем Земли, ускорение силы тяжести - в 6 раз меньше. Поэтому она не смогла удержать атмосферу. С другой стороны, на Земле нет той монотонности и того однообразия климата, как на Венере, где тяжелая углекислая атмосфера (давление у поверхности планеты в 100 раз выше, чем на Земле) удерживает температуру на уровне около +475°С.

На марсианском экваторе, где атмосферное давление раз в 200 меньше, чем на Земле на уровне моря, температура в течение суток меняется от +27° до -50°С, а на Меркурии с его ничтожно плотной атмосферой - от +275° до -175°С.

Небезразлична и величина массы земного шара. Только при наличии достаточной массы могло произойти выделение энергии при гравитационном сжатии в тех количествах, которые активизировали дифференциацию вещества и сделали возможной такую "цепную реакцию": плавление вещества в недрах Земли - дегазация расплава - вулканизм, выбрасывающий летучие компоненты наружу, - формирование газовой оболочки земного шара и гидросферы.

Без разогрева во внутренних частях Земли, без тектоники и вулканизма не смогла бы образоваться ландшафтная сфера - то глубокое взаимопроникновение жидкого, твердого и газообразного вещества во внешней части земного шара, где потом зародилась жизнь. Не обладай Земля достаточной массой, она в сущности представляла бы собой гигантский инертный камень, и только.

Масса нашей планеты достаточна для того, чтобы надежно "прикрепить" к ней, удержать притяжением образовавшуюся газовую оболочку - атмосферу кислородно-азотного состава*. Правда, легкие газы - водород и гелий - преодолевают земное притяжение и постоянно улетучиваются в космическое пространство, но как раз этот процесс сыграл определенную роль в эволюции Земли, о чем будет сказано ниже. Нет необходимости много говорить о значении атмосферы. Воздух - необходимое условие существования жизни. Воздушная оболочка удерживает тепло, сглаживает температурные контрасты между ночным и дневным полушариями.

Полярное сияние происходит в результате свечения разреженных слоев воздуха на высотах 90 - 1000 км. Наблюдается преимущественно в высоких широтах

Выше говорилось о массе, достаточной для того, чтобы планета могла быть обитаемой. Интересно, что масса может быть избыточной и сыграть роль неблагоприятного фактора по отношению к появлению жизни. В самом деле, если бы наша Земля была соизмерима по массе с Юпитером или Сатурном (т. е. "весила" бы в 100 - 400 раз больше), то тем самым была бы полностью исключена утечка в пространство атомов легких газов. В таком случае на Земле до сих пор существовала бы очень плотная первоначальная водородно-гелиевая атмосфера с большой примесью метана и аммиака. При таком газовом составе не могли бы образоваться земные формы жизни, считает академик В. Г. Фесенков. Кроме того, большая масса была бы причиной более сильного сжатия и такого разогрева, который был бы явно избыточным. Таким образом, возможность появления известных биологических форм жизни ограничивается массой планеты и "снизу" и "сверху".

Наконец, наша Земля обладает тем, чего практически лишены соседние планеты, - магнитным полем. О его роли в качестве защитного экрана уже говорилось. Согласно исследованиям, проведенным с помощью автоматических межпланетных станций, установлено, что напряженность магнитного поля Марса в 500, а Венеры - в 2000 раз слабее земного. Слабое магнитное поле обнаружено и на Меркурии.

Ныне вопрос о множественности планетных систем не подлежит сомнению. Более того, считают, что при наличии благоприятного стечения обстоятельств жизнь на планете не может не возникнуть. В книге И. С. Шкловского "Вселенная, жизнь, разум" есть раздел, который озаглавлен: "Условия, необходимые для возникновения и развития жизни на планетах". Там подчеркивается, что различные условия - положение планеты в "зоне обитаемости", подходящая масса и в связи с этим химический состав атмосферы - не являются независимыми, могут выполняться одновременно. Если это так, то возникает будоражащая воображение идея о закономерности - при соблюдении определенных условий - появления обитаемых планет.

Лишает ли все это Землю ореола уникальности?

Нет, хотя бы потому, что жизнь на обитаемых планетах должна быть бесконечно разнообразной...

Природная среда

Земля как планета