Планета Земля: размеры, строение, атмосфера и движение вокруг Солнца
Земля — третья планета от Солнца и крупнейшая среди четырёх планет земной группы. Её поверхность включает материки и океаны, над ней находится атмосфера, а внутри продолжаются процессы, которые приводят к движению литосферных плит, вулканизму и возникновению магнитного поля.
Земля остаётся единственным небесным телом, на котором достоверно установлено существование жизни. Но выражение «живая планета» — образное: сама Земля не является организмом. Это сложная система, в которой взаимодействуют горные породы, вода, воздух и живые существа.
Земной шар с океанами, облаками и материками: Северной и Южной Америкой и частью Африки.
Основные параметры Земли
| Параметр | Приблизительное значение |
|---|---|
| Возраст | 4,54 миллиарда лет |
| Средний радиус | 6371 км |
| Средний диаметр | 12 742 км |
| Экваториальный радиус | 6378 км |
| Полярный радиус | 6357 км |
| Масса | 5,97 × 10²⁴ кг |
| Средняя плотность | 5,51 г/см³ |
| Площадь поверхности | 510 миллионов км² |
| Среднее расстояние до Солнца | 149,6 миллиона км |
| Средняя скорость движения по орбите | Около 29,8 км/с |
| Оборот относительно далёких звёзд | Около 23 часов 56 минут |
| Средние солнечные сутки | 24 часа |
| Оборот вокруг Солнца относительно звёзд | Около 365,256 суток |
| Наклон оси к перпендикуляру к плоскости орбиты | Около 23,4° |
Значения округлены. Некоторые параметры меняются со временем или зависят от принятого способа измерения.
Например, средний диаметр нельзя использовать как точное расстояние через планету в любом направлении: Земля немного сплюснута у полюсов.
Как определили возраст Земли
Возраст Земли оценивают примерно в 4,54 миллиарда лет.
Для этого используют радиометрическое датирование — измерение соотношений радиоактивных изотопов и продуктов их распада. Особенно важны исследования метеоритов, которые сохранили сведения о ранней Солнечной системе.
Самые древние сохранившиеся земные породы не обязаны иметь возраст самой планеты. Кора перерабатывается: породы плавятся, разрушаются, погружаются в глубину и превращаются в новые.
Поэтому возраст Земли определяют по совокупности данных, а не по одному найденному камню.
Почему Земля не является идеальным шаром
Вращение связано с небольшим расширением планеты в области экватора. Экваториальный радиус примерно на 21 км больше полярного.
Для многих расчётов Землю представляют сплюснутым эллипсоидом.
В геодезии также используют понятие геоида — поверхности равного гравитационного потенциала, приблизительно соответствующей среднему уровню моря и мысленно продолженной под материками.
Геоид отличается от правильного эллипсоида из-за неоднородного распределения массы.
При этом популярные изображения геоида с огромными выступами обычно сильно преувеличивают отклонения. На обычном изображении из космоса Земля выглядит почти круглой.
Кора, мантия и ядро
Внутреннее строение удобно рассматривать по составу вещества.
| Область | Основные особенности |
|---|---|
| Кора | Наружная каменная оболочка |
| Мантия | Толстый слой преимущественно твёрдых силикатных пород |
| Внешнее ядро | Жидкая область, богатая железом |
| Внутреннее ядро | Твёрдая центральная область |
Океаническая кора обычно тоньше континентальной. Для неё характерна толщина порядка нескольких километров, тогда как континентальная кора имеет толщину в десятки километров и утолщается под крупными горными системами.
Мантия простирается до глубины примерно 2900 км.
Внешнее ядро находится ниже мантии. Внутреннее начинается приблизительно на глубине 5150 км и продолжается до центра планеты.
Температура внутри Земли высока, но состояние вещества зависит одновременно от температуры, давления и состава.
Мантия — не океан расплавленной лавы
Распространённое представление о материках, плавающих на жидкой магме, неверно.
Мантия преимущественно твёрдая. Однако на очень больших промежутках времени горячие породы способны медленно деформироваться и перемещаться.
Это можно сравнить с веществом, которое остаётся твёрдым при кратковременном воздействии, но постепенно меняет форму под длительной нагрузкой.
Частичное плавление происходит в определённых условиях и областях. Оно не означает, что вся мантия жидкая.
Магмой называют расплавленное вещество в глубине. Когда оно выходит на поверхность, используют слово «лава».
Как учёные изучают недоступные глубины
Человек не может пробурить скважину до ядра. Поэтому важнейшие сведения дают косвенные измерения.
При землетрясениях возникают сейсмические волны. Они проходят через планету, меняют скорость, отражаются и преломляются на границах областей.
Продольные P-волны распространяются через твёрдые и жидкие среды. Поперечные S-волны через жидкость не проходят.
Особенности распространения этих волн позволили установить жидкое состояние внешнего ядра.
Дополнительные сведения дают измерения гравитации, магнитного поля и теплового потока, лабораторные эксперименты и исследования горных пород.
Литосферные плиты и изменение поверхности
Литосфера включает кору и жёсткую верхнюю часть мантии. Она разделена на плиты.
Плиты могут:
- расходиться;
- сближаться;
- смещаться вдоль общей границы.
В зонах расхождения формируется новая океаническая кора. При сближении одна плита может погружаться под другую — этот процесс называется субдукцией. Столкновение континентальных областей способствует образованию гор.
На геологических промежутках времени движения плит меняют расположение материков и океанов.
Однако не все землетрясения и вулканы находятся непосредственно на границах плит. Геологические процессы сложнее одной схемы.
Из чего состоит атмосфера
В сухом воздухе у поверхности Земли приблизительно:
| Газ | Доля по объёму |
|---|---|
| Азот | 78,08% |
| Кислород | 20,95% |
| Аргон | 0,93% |
| Остальные газы | Менее 0,1% суммарно |
Водяной пар рассматривают отдельно, поскольку его содержание сильно зависит от температуры и влажности. Его доля может составлять от очень небольших значений до нескольких процентов.
Углекислый газ занимает небольшую часть атмосферы, но влияет на тепловой баланс. Его концентрация меняется, поэтому её нельзя считать неизменной характеристикой планеты.
Атмосферное давление уменьшается с высотой. Большая часть массы воздуха сосредоточена сравнительно близко к поверхности.
Слои атмосферы
Слои выделяют прежде всего по тому, как температура меняется с высотой.
| Слой | Приблизительное положение | Особенности |
|---|---|---|
| Тропосфера | От поверхности до примерно 8–18 км | Основная область погоды и облаков |
| Стратосфера | До примерно 50 км | Здесь сосредоточена основная часть атмосферного озона |
| Мезосфера | Примерно 50–85 км | Температура преимущественно уменьшается с высотой |
| Термосфера | Выше примерно 85 км | Очень разреженный газ, рост температуры |
| Экзосфера | Верхняя разреженная область | Постепенный переход к межпланетному пространству |
Границы изменяются и не являются жёсткими поверхностями. Высота тропопаузы, например, зависит от широты и сезона.
У атмосферы нет резкой стены, за которой сразу начинается полный вакуум. Она постепенно разрежается.
Высокая температура термосферы также не означает ощущения жара, как в плотном воздухе: частиц там очень мало.
Океаны и пресная вода
Океан покрывает примерно 71% поверхности планеты. Он накапливает тепло, переносит его течениями и участвует в обмене веществ с атмосферой.
При этом большая часть земной воды солёная. На пресную приходится около 2,5% общего объёма.
Значительная часть пресной воды находится в ледниках и под землёй. Реки и озёра содержат лишь небольшую долю.
Поэтому обилие воды на планете не означает одинаковой доступности питьевой воды во всех регионах.
Круговорот связывает океан, сушу и атмосферу: вода испаряется, переносится, конденсируется, выпадает в виде осадков и возвращается через поверхностный и подземный сток.
Почему сутки составляют 24 часа
Относительно далёких звёзд Земля совершает оборот примерно за 23 часа 56 минут.
Но за это время она успевает продвинуться по орбите. Чтобы Солнце снова оказалось примерно в том же положении на небе, планете нужно повернуться ещё немного.
Так возникают средние солнечные сутки продолжительностью 24 часа.
Смена дня и ночи связана с вращением Земли. Движение вокруг Солнца определяет продолжительность года.
Почему меняются времена года
Главная причина — наклон оси вращения.
Когда Северное полушарие наклонено к Солнцу, оно получает более прямые лучи и более длинный световой день. В Южном полушарии в это время противоположный сезон.
Через полгода положение меняется.
Расстояние до Солнца тоже изменяется, поскольку орбита слегка вытянута. Однако оно не является основной причиной привычной смены сезонов.
В тропических областях сезонные изменения нередко сильнее выражены в количестве осадков, чем в температуре.
Магнитное поле и озоновый слой
Земное магнитное поле связано с движением электропроводящего вещества во внешнем ядре.
Оно влияет на движение заряженных частиц и взаимодействие планеты с солнечным ветром. Но не является непроницаемым щитом от любого излучения.
Полярные сияния возникают при взаимодействии частиц с верхней атмосферой.
Озон выполняет другую функцию: поглощает значительную часть опасного ультрафиолетового излучения.
Магнитное поле, озон и атмосфера действуют по разным физическим механизмам.
Парниковый эффект и климат
Часть солнечной энергии поглощается поверхностью и атмосферой. Земля отдаёт энергию в виде теплового излучения.
Парниковые газы поглощают и излучают инфракрасное излучение, влияя на этот обмен. Естественный парниковый эффект помогает поддерживать температуру, при которой на поверхности существует жидкая вода.
Увеличение концентрации парниковых газов усиливает потепление. Современные изменения климата преимущественно связаны с деятельностью человека, включая выбросы при использовании ископаемого топлива.
Погода и климат различаются: погода описывает текущие условия, климат — статистические особенности за длительный период. Отдельный холодный день не опровергает долгосрочного потепления.
Почему Земля пригодна для жизни
Условия для известной нам жизни обеспечиваются сочетанием факторов: жидкой воды, источников энергии, необходимых химических элементов, атмосферы и длительного взаимодействия геологических и биологических процессов.
Кислородная атмосфера сформировалась не сразу. Живые организмы сами существенно изменили состав воздуха и окружающую среду.
Не вся жизнь нуждается в кислороде. Многие микроорганизмы существуют без него.
Также нельзя говорить, что вода встречается только на Земле. Она обнаружена на других небесных телах в разных формах. Особенность нашей планеты — обширный устойчивый океан на поверхности и подтверждённая биосфера.
Точные обстоятельства происхождения жизни остаются предметом исследований. Поэтому их нельзя свести к одной уверенной дате появления «первых бактерий».
Земля как взаимосвязанная система
Воздух, океан, лёд, суша и живые организмы постоянно обмениваются энергией и веществом.
Изменение растительности влияет на почву и водный сток. Температура океана влияет на атмосферу. Сокращение ледяного покрова изменяет отражение солнечного света.
Изучение этих связей помогает понимать климат, природные опасности и доступность ресурсов.
Земля менялась задолго до появления человека и продолжает меняться. Для людей особенно важно, как эти изменения отражаются на условиях жизни, воде, сельском хозяйстве и экосистемах.
