Земля

Муніципальна загальноосвітня середнього (повного) загальної освіти школа № 244.

Планета ЗЕМЛЯ.

Робота ученика.

11 а класса.

Бокова Егор

Санкт-Петербург.

2000 год.

Земля.

Перші астрономічні явища, що з дитинства знайомі кожному, це — зміна дні й ночі, схід і захід Сонця. Пояснення цих явищ пов’язано з аналогічним запитанням форму і обертанні нашої Землі. На зміну наївним уявленням про пласкою нерухомій Землі «небесній тверді» приппо визнання кулястості і обертання Землі та безмежності небес. Докази кулястості Землі черпалися з спостережень форми краю земної тіні на диску Місяця під час місячних затемнень, з спостережень поступового появи чи зникнення морських судів за її наближенні чи віддаленні берега, з спостережень зміни висоти Полярної зірки під час переїзду із півночі на південь, з факту розширення горизонту принаймні підйому вгору. Ідея кулястості Землі виникла Афродити (Піфагор, VI в. до зв. е.: Парменид, VI—V ст. до зв. е.; Аристотель, IV в. до п. е.), а згодом залишалася в забутті понад тисячі років, до часів Колумба і навколосвітніх подорожей XVI в.

Розміри земної кулі вперше визначено близько 240 р. до зв. е. Эратосфеном (276—196 рр. до зв. е.) у м. Олександрії. Він знайшов, що заключного дня літнього сонцестояння в Сиене (південний Єгипет) Сонце опівдні проходить через зеніт, а Олександрії — з відривом 1/50 окружності (7°, 2) від нього. Відстань між тими містами, розташованими приблизно на одному меридіані, становила 5000 грецьких стадій. Отже, повна окружність дорівнює 250 000 стадій, а радіус земної кулі R=40 000 стадій. Беручи найбільш ймовірну довжину стадії рівної 160 м, отримуємо R=6400 км. Сучасні визначення дають R=6370 км.

Обертання земної кулі найприроднішим чином пояснює зміну дні й ночі, схід і захід світил. Широко відомі такі докази обертання Землі навколо своєї осі: поворот з часом площині хитань маятника Фуко щодо те, які предметів, декомпозиція Землі, обнаруживаемая з градусных вимірів, відхилення падаючих тіл до сходу, розмив правих берегів річок, поточних на північ півкулі Землі, і лівих — на південній півкулі (закон Бера), пасати, зміна сили тяжкості з широтою (не пояснюване сплюснутостью Землі), напрям вітрів всередині циклонів і антициклонов тощо. д.

Деякі грецькі вчені здогадувались і про річному русі Землі навколо Сонця. Аристарх Самосский ще III в. до зв. е. вважав, що земля звертається навколо Сонця. Однак також залишалася в забутті півтори тисячі лет. Следующие явища може бути доказами обертання Землі навколо Сонця: щороку паралакс зірок, річну аберацію зірок зсув ліній в спектрах зірок з періодом до одного год.

Річну рух Землі переміщає спостерігача і вже цим викликає видиме усунення ближчих зірок щодо далекі. Протягом року близькі зірки описують на небі (і натомість далекі зірок) параллактические еліпси. Велика вісь такого еліпса завжди паралельна площині земної орбіти, т. е. площині екліптики, а величина осі залежить від відстані зірки (що менше відстань, тим більша за діаметром); величина малої осі залежить, ще, і зажадав від кутового відстані зірки від площині земної орбіти, т. е. від астрономічної широти зірки. Річні параллаксы зірок менше I ". Найбільш близька до нас зірка має паралакс 0 «», 76.

Річну рух Землі викликає, ще, аберрационное усунення зірок; всі зірки описують протягом року абераційні еліпси, великі осі яких завжди рівні 41 «і рівнобіжні екліптиці, а величини малих осей залежить від астрономічної широти зірки. Це аберрационное усунення є наслідком складання швидкість руху Землі з її орбіті (в середньому 29,8 км/сек) зі швидкістю поширення світла (близько 300 000 км/сек), що йде від зірки. У середньому кожен цей час звезда.

[pic].

Рис. 1. Земля звертається навколо Сонця по эллипсу.

зміщується у бік руху Землі, до так званому апексу орбітального руху Землі. Цей апекс завжди у площині земної орбіти під прямим кутом до Сонцю захід від цього, т. е. на 90° праворуч від Солнца.

Річну рух Землі викликає також періодичне усунення ліній в спектрах зірок. Найбільше усунення ліній до червоного кінцю спектра, яке відповідно до принципу Доплера означає найбільшу швидкість видалення від зірки, буває той час, коли геоцентрична довгота зірки на 90° більше довготи Сонця, найбільше усунення до фіолетовому кінцю — при довготі зірки на 90° меншою довготи Солнца.

Земля рухається навколо Сонця по еліпсу (рис. 1) з ексцентриситетом 0,16 736 (близько 1/60). Сонце перебуває у одному з фокусів еліпса земної орбиты. Строго кажучи, навколо Сонця рухається центр тяжкості системи Земля — Місяць, так званий барицентр; навколо цього центру Земля і Місяць описують впродовж місяця свої орбіти. Рух Землі навколо барицентра з періодом в місяць викликає періодичні коливання в довготах і широтах Сонця і планет. Точне визначення амплітуди цих коливань дає можливість визначити відстань центру Землі від барицентра (барицентр перебуває в відстані 4800 кілометрів від центру Землі у напрямку до Місяці, т. е. на 1600 км під поверхнею Землі) і звідси знайти ставлення маси Місяця до масі Земли.

Середнє відстань Землі від поверхні Сонця одно 149 504 000 км (1 астрономічна одиниця — а. е.). Ця фундаментальна в астрономії величина виводиться з визначень сонячного параллакса. Горизонтальним параллаксом Сонця називається кут, під яким з відривом Землі від центру Сонця було б видно екваторіальний радіус Землі. Однією з методів виміру сонячного параллакса було спостереження із різних пунктів Землі явища проходження Венери чи Меркурія по диску Солнца.

Найбільш близька до Сонцю точка орбіти будь-який планети називається перигелієм (для Землі це 147 002 000 км), найдальша— афелием (для Землі 152 006 000 км). Їх з'єднує лінія апсид, співпадаюча з великою віссю еліпса планетної орбіти. Становище лінії апсид визначається геліоцентричної довготою перигелію. У 1960 р. довгота перигелію земної орбіти близька до 102°. У результаті повільного обертання лінії апсид довгота перигелію зростає на 61 ", 9 на рік. У справжню епоху Земля проходить через перигелій 2—5 січня, а ще через афелій 1—5 липня. Швидкість руху Землі різна у різних частинах орбіти. Середня швидкість руху Землі з її орбіті близько тридцяти км/сек чи 100 000 км/год; на довжину свого поперечника Земля просувається протягом семи минут.

Повний оборот навколо Сонця Земля робить протягом 365,25 636 діб (365d6h9m10s). Це — так званий зоряний, чи сидерический, год.

Середній проміжок часу від однієї весняного рівнодення до наступного, званий тропічним роком, дорівнює 365,24 220 середніх діб (365d5h48m46s) *).

Площину земного екватора нахилена на 23°27 «до площині земної орбіти, причому земна вісь прагне зберегти незмінним свій напрям в просторі, вказуючи завжди на північний полюс світу, які перебувають поблизу Полярної зірки. Нахил осі обертання Землі та сталість її напрями є причиною зміни пір року Землі. Тривалість пір року залежить від эксцентриситета земної орбіти і від розташування лінії апсид.

З градусных вимірів отримали, що довжина одного градуси широти у екватора дорівнює 110,6 км, а й у полюсів —111,7 км. Це спричиняє висновку у тому, що справжня форма Землі близька до сфероиду. Відповідно до досліджень радянських геодезистів (Ф. М. Красовський і його працівники, 1940 р.) екваторіальний радіус цього сфероида a=6378,245 км, а полярний b=6356,863 км; різницю їх a-b=21,382 км.

Декомпозиція земного сфероида характеризується ставленням різниці екваторіального радіуса чи полярного b до екваторіальному. Це ставлення обмаль: що становить близько 0,3%, тоді як декомпозиція Юпітера близько 6%. Точнейшие геодезичні вимірювання, і дані гравиметрии призводять до більш точному уявленню про фігурі Землі, до поняття про так званому геоиде. Геоид перестав бути правильної геометричній постаттю; за поверхню геоида приймається деяка поверхню, у кожному точці перпендикулярна до лінії виска. Ця поверхню приблизно збігаються з невозмущенной припливами поверхнею океанів і подумки триває на частини Землі, зайняті материками. Від поверхні геоида відраховують висоти різних точок Землі, коли вказують «висоту над рівнем моря».

Сам земну кулю не займає незмінного становища щодо своєї осі обертання. Тому полюси Землі описують їхньому поверхні складні лінії, втім, протягом останніх десятиріч не виходили межі квадрата зі стороною Про ", 7, що він відповідає 25 м. Полюс бере участь у двох основних рухах: одне відбувається із широкого кола радіусом 4,5 m протягом 433d (пов'язане з періодом про власних коливань земногошара), інше відбувається по витягнутому еліпсу з великою полуосью 5 л" і періодом протягом одного року (пов'язане з сезонними явищами Землі.) З 60-річних спостережень Міжнародної Служби широти помічені періодичні (період близько 42 років) зміни амплітуди коливань полюси. Починаючи 1950;го р., несподівано спеціалістів, крива, описувана північним полюсом Землі, перевищила межі. Про причини порушення встановленого рівноваги можна будувати різні здогади, до припущень можливий вплив випробувань атомної та водневої оружия.

У результаті обертання Землі кожна точка екватора має лінійну швидкість 465 м/сек. Розвиваючись це відцентрова сила зменшує силу тяжкості на земної поверхні. На екваторі відцентрова сила становить 1/289 частина сили тяжкості. Реально цей показник сягає 1/190, що сплюснутостью Земли.

Наші ставлення до внутрішньому будову і фізичному стані надр земної кулі засновані на різноманітних даних, серед яких істотне значення мають дані сейсмології. Вивчення поширення у земній кулі пружних хвиль, які виникають за землетрусах, дозволило відкрити шарувате будова земних недр.

Земний кулю має розпечене ядро, проте тепло, которое кожен сантиметр Землі одержує вигоду від її надр, в 5000 разів менша тепла, який від Сонця. При поглиблення на кожні 33 м всередину земної кори температура зростає у середньому становив один градус. Можна припустити, що це зростання температури відбувається лише порівняно тонкому шарі земної кори (не глибше 100 км), де знаходяться радіоактивні речовини. Розпад атомів радіоактивних елементів і перетворення в атоми інші елементи супроводжуються виділенням тепла. Ядро ж Землі має температуру 2000—4000°. Проте за такий температурі пружність внутрішніх частин ядра, нахо дящихся під тиском (до 3.5 млн. атмосфер) вышележащих верств, в 2.5 рази більше пружності стали. За цих умов речовина в ядрі Землі перебуває у особливому «металевому» стані. Щільність у центрі Землі близько 11 г/см3. Середня щільність Землі (5,52) приблизно ще більше щільності поверхневих її верств (2,7).

Товщина земної кори (куди входять осадові породи, граніт, базальт) до підстави базальтів різних районів земної кулі становить від 30 до 60 км. Під корою, до глибини 2900 км, розташована мантія, чи оболонка. Глибше перебуває ядро. Питання існуванні багатьох кордонів розділу верств різною щільності в товщі Землі нині піддається перегляду. Мабуть, крім кордону, залегающей на глибині 2900 км, є ще тільки одна кордон, на глибині 5000 км, де відбувається нове різку зміну щільності .

Щодо хімічного складу всієї Землі загалом і середній склад атмосфери, гідросфери і кам’яною оболонки — літосфери — дано в табл. I.

Таблиця I Щодо хімічного складу Земли.

|Земля загалом | |Атмосфера, |I літосфера | | | |гідросфера | | |елемент |% по весу|Алемепт |% на вагу | |Залізо Ре … |39,76 |Кисень 0 … |49,42 | |Кисень 0 … |27,71 |Кремній 8} … |25,75 | |Кремній 31 … |14,53 |Алюміній А1 … |7,51 | |Магній М^ … |8,69 |Залізо Ре … |4,70 | |Нікель .М … |3,46 |Кальцій Са … |3,39 | |Кальцій Са … |2,32 |Натрій Nа … |2,64 | |Алюміній А1 … |1,79 |Калій До … |2,40 | |Сірка 8 … |0,64 |Магній М§ … |1,94 | |Натрій Nа … |0,38 |Водень М … |0,88 | |Хром Сг … |0,20 |Титан Т1 … |0,58 | |Калій До … |0,14 |Хлор С1 … |0,188 | |Фосфор Р … |0,11 |Фосфор Р … |0,120 | |Марганець Мп … |0,07 |Марганець Мп … |0,09 | |Вуглець З … |0,04 |Вуглець З … |0,087 | |Титан Т1 … |0,02 |Сірка 8 … |0,06 | |Інші элементы|0,14 |Інші элементы|0,26 | |.. | |. | |.

За даними геології вік земної кори незгірш від 3 мільярдів років. Вік Землі як планети, безсумнівно, больше.

Земний кулю є магніт, причому магнітна вісь Землі нахилена на кут 11°, 5 до осі обертання. Вона тягнеться з відривом близько 1200 кілометрів від центру Землі; магнітний полюс, що у північній півкулі Землі, має координати 74° N і 101° W; інший полюс-69° P. S і 143° E.

Напруженість магнітного поля залежить від місця лежить на поверхні Землі та від часу, однак за відсутності обурень рідко перевищує 0,6 эрстед.

Земне атмосфера. Повітряний океан, навколишній Землю, — її атмосфера, — є ареною, де розігруються різноманітні метеорологічні явища. Для астрономів атмосфера є радше перешкодою в спостережних роботах, хоча деякі явища, які стосуються астрономії, протікають у атмосфері (наприклад, спалахи метеорів). Повітря розсіює стане сонячне проміння, і розсіювання зростає зменшенням довжини хвилі. Для видимого спектра більше розсіювання синьо-зелених променів обумовлює блакитний колір піднебіння та дає можливості спостерігати зірки днем. Через це ж Сонце і Місяць блиэ горизонту (перед заходом і після сходу) бувають червоного чи жовтогарячого кольору. Випромінення із довжиною хвилі коротше 290 тц повністю поглинається верствами озону, які перебувають на висотах 35—60 км. Загальна товщина шару озону, наведеного до умов (т. е. тиску 760 мм ртутного стовпа і темпера турі 0°), не перевищує 3 мм. Він охороняє живу природу від згубного дії далеких ультрафіолетових та інших короткохвильових излучений.

Атмосфера поглинає як коротковолновое випромінювання небесних світил, але й пропускає до нас значну частину космічного радіовипромінювання. Радіохвилі довжиною більше 30−15 м відбиваються іоносферою, а коротше 3 див — поглинаються водяникам пором. З іншого боку, атмосфера значно послаблює, і навіть перетворює потік частинок високої енергії, що йде до нас з космосу (звані космічні промені). Отже, земна атмосфера — це своєрідний екран, захищає поверхні Землі від безпосереднього впливу космоса.

Поглинаючи і розвіюючи світло небесних світил, атмосфера зменшує їх блиск, причому поглинання зростає зі збільшенням товщі повітря, пройти променями. Товща збільшується за умов зростання зенітного відстані 2 (у першому наближенні пропорційно вагу р). Тому, за порівнянні блиску небесних світил, що є різними зенітних відстанях, треба враховувати розбіжність у поглинанні світла (див. табл. 55). Поглиненна У зовсім чистим атмосфері становить зеніті 0m, 21 в візуальних променях і 0m, 44 — в фотографических.

Атмосфера викликає також переломлення променів — рефракцію, які впливають на становище світила на небо та помітно спотворює форму Сонця і Місяця у горизонта.

Властивості земної атмосфери до висоти у 50 км вивчені зі стратостатов і самопишущих метеорологічних приладів, поставлених шарами-зондами; різноманітні метеопрпборы і спектральні апарати піднімалися до висот майже 500 км спеціальними метеорологічними і геофізичними ракетами; нарешті, в останні роки виключно багата інформацію про стані верхніх верств атмосфери виходить із штучних супутників Землі та космічних ракет. З іншого боку, високі верстви атмосфери досліджуються різними непрямими методами (спостереження метеорів, метеорних слідів, сріблястих хмар, полярного сяйва, вивчення світіння нічного неба, сутінкових явищ, місячних затемнень), ні з допомогою радіо (вивчення ионизованных областей, заломлюючих й відбивають радиоволны).

Здебільшого земна атмосфера складається з азоту NO та кисню. У табл. II дано відсотковий вміст хімічних элементов,.

Таблиця II Склад земної атмосферы.

|Элемент |% за обсягом| |Азот |78,09 | |Кисень |20,95 | |Аргон |0,93 | |Вуглекислий газ |0,03 | |Водень |0,01 | |Неон |0,0015 | |Гелій |0,15 | |Криптон |0,1 | |Ксенон |0,9 |.

складових атмосферу Землі. У результаті перемішування повітря конвективными струмами і вітрами склад атмосфери майже змінюється до висоти в 100—150 км. Вище можна знайти зміна складу атмосфери: кількість важких інертних газів різко падає, а молекулярні азот і кисень замінюються атомарними. До висот 300—350 км переважає атомарний кисень, а вище — атомарний азот.

Атмосферу Землі умовно ділять чотирма шару: тропосферу^ стратосферу, іоносферу і екзосферу. Тропосфера починається від землі чи моря; верхня її кордон у середніх шпротах перебуває в висоті 9—10 км взимку і 10—12 км влітку, а екваторіальній зоні піднімається до 15—17 км. Тропосфера характеризується поступовим убыванием температури з висотою. У ньому міститься близько 80% маси всієї атмосфери, майже вся вода й пил, зважені у атмосфері. Кордон між тропосферой і стратосферой називається тропопаузой. Стратосфера поширюється від висоти 12—15 км до 80—85 км, де знаходиться стра-топауза, вище за яку розташовується ионосфера.

Як свідчить саму назву, у цій останньої, крім нейтральних молекул, перебувають і ионизованные атоми. Іонізацію виробляє коротковолновое випромінювання Сонця і потоки заряджених частинок (корпускул), летять від поверхні Сонця. Електричні властивості іоносфери, висота і рівень її іонізації залежить від часу діб, пори року від фази сонячної активності, Іоносфера має величезне значення для радіозв'язку великих відстанях, здійснювану довгих, середніх і коротких радіохвилях, багаторазово віддзеркалюваних (точніше, преломляющихся) від ионизованных верств іоносфери і південь від поверхні Земли.

Уявлення про будову іоносфери значно змінилася після запуску штучних супутників Землі. Доти передбачалося, що у іоносфері є чотири основних ионизованных шару: шар D (в розквіті 80 км), шар E (100—105 км), шар F1, (200 км) і шар F2, (300— 350 км). Проте підозрювали, що це верстви мають клочковатое будову та складаються з окремих ионизованных хмар. Нині доводиться визнати, що такого чіткого розподілу на верстви (стратифікації) в іоносфері немає: від 60 км до, по крайнього заходу, 473 км є суцільний масив ионизованного газу з окремими флуктуаціями (неоднородностями) концентрації ионизованных частиц.

Було виявлено зміна щільності верхніх верств атмосфери і коливання їх температури залежно через зміну сонячної активності, а також залежно від пори року (так, наприклад, влітку в денні годинник щільність в розквіті 200 км удвадцятеро більше, ніж узимку ночью).

Область вище 400 км називається экзосферой.

Найвищі полярні сяйва спостерігалися на висотах 700—1000 і навіть 1200 км. Світіння нічного неба можна знайти на висотах до 2000 км. Мабуть, верхня межа земної атмосфери лежить близько 3000—4000 км.

Дані, отримані останнім часом з допомогою штучних супутників Землі, і навіть радянських космічних ракет, довели, що земну кулю оточений двома «поясами радіації» — областями різкого збільшення концентрації заряджених частинок високої енергії. Концентрація виявилася найбільшої поблизу магнітного екватора Землі (як відомо яка збігається з географічним) і убуває до магнітними полюсами, і навіть залежить від висоти над земної поверхнею. У першій, близька до Землі області концентрація заряджених частинок (очевидно, протонів з енергіями до мільйонів електрон-вольт) сягає максимуму в розквіті порядку 1000 км. Кордони другий області, створеної, мабуть, електронами з енергією на кілька десятків тисяч електрон-вольт, простираються до висот 50—60 тис. км.

Кожна квадратний сантиметр земної поверхні лише на рівні моря повітря тисне з силою в 1,0332 кг (зване тиск у одну атмосферу). Загальна маса атмосфери Землі становить близько однієї мільйонної частки маси Земли.

Розподіл у атмосфері температури (обумовленою тепловими швидкостями рухів частинок повітря) характеризується цікавими неправильностями — температурними інверсіями: в тропосфері температура зменшується приблизно на 6 °C кожним кілометром висоти; від тропопаузы до висоти 30 км температура приблизно постійна і дорівнює — 56° З; від 30 до 55 км температура поступово підвищується до 4−100° З; до висоті 80 км вона знову падає до +30° З повагою та потім поступово підвищується, досягаючи кількох сотень градусів в розквіті 200—300 км. Проте щільність повітря цих висотах настільки мала, що температура тіла, який потрапив туди, буде визначатися здатністю тіла поглинати енергію сонячних променів (і випромінювати, їх у навколишнє простір), а чи не температурою навколишнього вкрай розрідженого повітря. Вивчення метеорних слідів і сріблястих хмар виявляє швидкості «стратосферних вітрів» до 120 м/сек.