умкд по астрономии. УМКД ОУД.08 Астрономия 2.26.02.03 (набор 2017). Учебнометодический комплекс дисциплины Физика Индекс (Файл) mcd 3 26. 02. 03 Оуд. 082017 г
 Скачать 4.37 Mb.
|
|
Литосфера (кора) имеет толщину 4-6 км под океанами и 30-70 км под материками. Средний уровень земной коры - 2430 км. В строении литосферы Земли выделяют 3 слоя: осадочных горных пород (10-15 км), гранитов под материками и, под ними, плотных базальтов. Плотность литосферы 2,8 г/см3. Средний химический состав литосферы: кислород - 49,4 %, кремний - 25,8 %, алюминий - 7,5 %, железо - 4,7 %, - углерод - 0,087%. Состав континентальной коры несколько иной: кислорода - 45,2 %; кремния - 27,2%; алюминия - 8,0 %; железа - 5,6 %; кальция - 5,1 %; магния - 2,8 %; натрия - 2,3 %; калия - 1,7 %; титана - 0,9%; остальных элементов около 1 %. Согласно теории Ю.В. Баркина, все оболочки Земли обладают эксцентричностью и относительной подвижностью. Их центры масс не совпадают. Оболочки испытывают периодические колебания в результате действия внутренних и внешних космических факторов (возмущающего действия Солнца, Луны и планет). Следствиями является предполагаемое смещение центра масс Земли со скоростью 6,47 см в век и многообразные мощные геодинамические и геофизические процессы (активность мантийных плюмов, сейсмичность, вулканизм, горообразовательные процессы, поднятия и опускания суши и т.д.) Отдельные части (блоки) литосферы смещаются независимо друг от друга за миллионы лет на сотни и тысячи километров. В зонах разломов меж плит формируется новая океанская кора. На участках опускания литосферные плиты погружаются в мантию на глубину до 660 км. В качестве структурных элементов коры выделяют: геосинклинали - тектонически активные, отличающиеся высокой сейсмичностью и вулканизмом, протянувшиеся на десятки тысяч километров участки литосферы, на которых вначале возникают и развиваются глобальные прогибы - опускания суши с образованием морей, сменяющиеся мощными поднятиями суши с образованием гор; со временем тектоническая активность уменьшается, горы постепенно разрушаются, становятся равнинами, и геосинклинали превращаются в платформы - крупные, до миллиона км2, глыбы земной литосферы, фундамент которых образуют сильно смятые в складки магматические, метаморфизированные и гранитные породы, прикрытые сверху 3-4 километровым "чехлом" осадочных пород. Рельеф платформы составляют обширные равнины и отдельные горные хребты; рельеф геосинклиналей - цепи складчатых горных сооружений. Геосинклинали и платформы разделяются сложными по строению, заполненными осадочными породами краевыми прогибами по краям материков и желобами на дне океанов. Ядром каждого материка является одна или несколько древних платформ, окаймленных горными хребтами. В настоящее время на поверхности Земли выделяют 6 крупных массивов земной коры - континентов, выступающих над уровнем Мирового океана: Евразию (55 млн. км2), Африку (30 млн. км2), Северную Америку (24 млн. км2), Южную Америку (18 млн. км2), Антарктиду (14 млн. км2) и Австралию (8,5 млн. км2). Загадками земного рельефа остаются неравномерность распределения материков и океанов на поверхности планеты и некоторая ступенчатость вертикального строения: преобладание высот от 0 до 1 км на суше и глубин от 4 до 5 км в океанах. Исторически сложившиеся подразделения суши земного шара, включающие тот или иной материк или его часть с расположенными вблизи островами называют частями света. Выделяют: Европу, Азию, Африку, Австралию с Океанией, Америку и Антарктиду. Земля обладает обширной водной оболочкой - гидросферой, массой 1,44× 1023 кг (0,024 МÅ ) и объемом 1,616× 1011 км3, включающей в себя все взаимосвязанные, находящиеся в постоянном кругообороте подземные воды, воды суши, рек и озер (0,65 %), морей и океанов (97,2 %), водяной пар атмосферы и запасы снега и льда (2,15 %). Ледники и вечные снега занимают площадь 14000 км2; внутриконтинентальные водоемы 2000 км2. Общий запас энергии воды на Земле огромен: в Европе и Азии - 1,08× 1012 Вт, в Северной Америке 3,1× 1011 Вт и в Африке 7,8× 1011 Вт. Энергия приливов составляет около 2,7× 1012 Вт. Мировой Океан объединяет 4 крупнейших океана: Тихий, Атлантический, Индийский и Северно-Ледовитый, общей площадью 361 млн. км2, и все моря - части океанов, вдающиеся в сушу и отделенные от нее островами, полуостровами или подводными хребтами. Средняя глубина Мирового Океана 3704 м, наибольшая 11022 м (Марианская впадина). Дно морей и океанов имеет сложный, хотя и менее расчлененный, нежели суша, рельеф, в котором выделяют: 1. Шельф - мелководную материковую отмель, равнину глубиной до 500 м и шириной до 1500 м, занимающую 8 % площади Мирового Океана. Дно шельфа скрывает огромные запасы полезных ископаемых осадочного происхождения (нефти, газа и т. д.). 2. Материковая отмель обладает крутыми ступенчатыми склонами; на глубине до 3-5 км, на дне, - горы, каньоны, котловины, в которых залегают колоссальные запасы железо-марганцевых полиметаллических руд (12 % площади океанов). 3. Абиссаль - ложе океана на глубине 8-10 км (80 % площади), расчлененное на крупные котловины и впадины мощными подводными хребтами длиной до 6000 км, шириной до 400 км и высотой в несколько километров (высочайшие вершины выступают над водой вулканическими островами). Вдоль и поперек хребтов лежат разломы - рифты, на дне которых залегают базальты, схожие по составу с породами мантии. Морская вода представляет собой раствор 44 химических соединений: поваренной соли NaCl, магниевой соли MgCl, газов СO2, О2, N2 и т. д. Средняя соленость воды 3,5 %. Давление возрастает с глубиной на 0,1 атм/м. Температура зависит от широты местности, течений, времени года и т. д., изменяясь от -2њ С до 35њ С; на глубине 350 м она постоянна в течение года; на глубине свыше 3 км почти повсюду равна 2-3њ С. Неизменность солевого состава воды на больших глубинах свидетельствует о постоянном перемешивании всех вод Мирового Океана. Гидросфера аккумулирует и перераспределяет солнечное тепло. В районе экватора вода, согреваясь, поднимается из глубин и разносится морскими течениями шириной от 10 до 100 км и глубиной до 1 км, со средней скоростью движения 2-3 км/ч, в умеренные широты и далее, к полюсам, где остывает, становится плотнее и опускается вниз. Вращение планеты отклоняет течения до 450 вправо в Северном, влево - в Южном полушариях. Процессы в гидросфере находятся в сложном взаимодействии с процессами в атмосфере и литосфере Земли и наряду в ними формируют климат и погоду: так, морские течения вызываются постоянно дующими в одном направлении ветрами - пассатами, наклоном уровня моря и т. д.; участки океанов, в которых нет течений, находятся в зонах наибольшего атмосферного давления; приливы тормозят вращение Земли вокруг оси и т. д. Энергия течений огромна: так, энергия Гольфстрима составляет 2,2× 1014 Вт. Земля получает лишь 1/2000000000 часть солнечной энергии. На 1 м2 площадки, перпендикулярной падению солнечных лучей за пределами земной атмосферы, падает 1,36 кВт солнечной энергии. Из нее 1 % "жесткого" ультрафиолетового излучения поглощается молекулами газов на высоте свыше 100 км, еще 3 % "мягкого" ультрафиолетового излучения поглощается озоном О3 и 4 % теплового излучения поглощается водяными парами в тропосфере. В приземные слои воздуха попадает 92 % оптического солнечного излучения с длиной волн 290-2400× 10-9 м. 45 % излучения рассеивается молекулами воздуха и придает небу голубой цвет. 47 % достигает поверхности Земли, но 7 % отражается ею обратно. Поверхность Земли поглощает 40 % падающей на нее энергии солнечных лучей и еще 8 % из предварительно рассеянных в атмосфере (рис. 11).  Рис. 11. Схема теплового баланса Земли За миллиарды лет существования Земли установилось равновесие, при котором Земля излучает в космос то же количество энергии, что и получает от Солнца, но в основном в инфракрасном (тепловом) диапазоне длин волн с максимумом вблизи 8,6×10-6 м, активно поглощаемом молекулами водяного пара и углекислого газа. Поэтому даже незначительные колебания в концентрации этих газов в атмосфере оказывают огромное влияние на тепловой баланс Земли и формирование климата. Благодаря парниковому эффекту средняя температура Земли на 40 К выше эффективной температуры, обусловленной потоком солнечной энергии и тепловым излучением Земли. Без парникового эффекта в атмосфере температура на поверхности Земли составляла бы около -240С и жизнь стала бы невозможной. Парниковый эффект сглаживает суточные перепады температур до 15 К. Различие в теплоемкости воды и горных пород ведет к тому, что зимой океан теплее суши, а летом - наоборот, что порождает мощные устойчивые воздушные потоки - муссоны, дующие в нижних слоях тропосферы между областями высокого давления на широтах 30њ -35њ северного и южного полушарий в пределах основных сезонов года: зимой воздух переносится с материков, где при понижении температуры растет атмосферное давление, в океан; летом ветер дует с океана на материк, над которым при повышении температуры атмосферное давление снижается.
Размеры этих атмосферных образований достигают 1-2 тысяч километров, высота от 2 до 20 км, разность давлений от центра к периферии 3-30× 103Па, скорость ветра 30-40 км/ч. Время существования циклона зависит от скорости вытеснения теплового воздуха из воронки и достигает нескольких суток; антициклоны более устойчивы. Циклоны возникают и развиваются в основном над океанами, антициклоны - над материками. Они приносят летом жаркую, зимой - морозную безоблачную погоду; циклоны приносят дожди и ненастье, снегопады зимой. Общий запас энергии ветра на Земле составляет 1015 Вт. Многолетний режим погоды - климат -характерная для данной местности совокупность последовательных смен состояний погоды за десятки лет, обусловливаемая взаимодействием атмосферы, гидросферы и поверхности Земли. В числе основных климатообразующих факторов выделяют: 1. Физические (вращение Земли вокруг Солнца; вращение Земли вокруг оси, постоянство и величина наклона земной оси; тепловой баланс, физические характеристики, состав и динамика атмосферы, динамика гидросферы и т. д.). 2. Географические (широта местности, высота над уровнем моря, расстояние до береговой линии океана (материка), рельеф местности и т. д.). Существует много различных классификаций климата.
Умеренный климат характерен для широт от ± 400-450 до полярного круга, с температурами от +100С до +250C летом и от +40С -+80С до -400С - -500С зимой, с годовыми осадками от 1000 до 3500 мм по окраинам материков и до 100-300 мм в их глубине. Морской климат формируется под влиянием близкого океана и при воздействии морских воздушных масс, распространяется на прибрежную часть суши и характеризуется сравнительно малой амплитудой температур воздуха в течение суток и по сезонам, прохладным летом и теплой зимой, обилием осадков, большой облачностью. Континентальный климат формируется под влиянием континентальных воздушных масс, отличается большой амплитудой суточных и годовых температур, сравнительно небольшим количеством осадков и резкой выраженностью времен года, возрастает вглубь материков. Побережный (муссонный) климат характерен сменой устойчивых ветров по сезонам года и формируется под действием муссонов. Земля обладает магнитным полем напряженностью 5× 10-5 Тл и индуктивностью 0,31 Гс, сходным по структуре с полем однородного намагниченного шара - сферического магнита, ось которого наклонена к оси вращения Земли на 11,5њ . Северный магнитный полюс Земли расположен в ее южном полушарии и имеет координаты: j = 78,6њ , l = 70,1њ W. Южный полюс расположен в северном полушарии: j = 78,6њ , l = -10њ Е. Замечательной способностью геомагнитного поля является изменчивость величины индуктивности и напряженности, и дрейф магнитных полюсов по земной поверхности: они могут даже меняться местами. Современные теории геомагнетизма уподобляют Землю динамо-машине с самовозбуждением, исходя из предположения, что магнитное поле Земли создается и поддерживается за счет вращения внешнего ядра планеты. Процесс генерации геомагнитного поля остается неизменным на протяжении 250 млн. лет.
Магнитное поле планеты с размерами 9-11 RÅ (до 6,38× 106 м), обтекаемое в космосе солнечным ветром, называется магнитосферой. Попадающие внутрь магнитосферы заряженные частицы потоков солнечного ветра (электроны и протоны) плотностью 108 частиц/см2 со скоростями 400-1000 км/с и электроны, излучаемые магнитосферой Юпитера, захватываются магнитным полем Земли и начинают двигаться по винтообразным траекториям вокруг силовых линий магнитного поля, образуя радиационные пояса. Внутренняя часть поясов простирается на высоту 500 км над полюсами и от 2400 до 5600 км над экватором и состоит из электронов и протонов; внешняя часть поясов располагается между высотами 6000-20000 км и состоит из электронов, обладающих еще большей энергией. Увеличение скорости частиц солнечного ветра на 100 км/с ведет к деформации (прогибанию) магнитосферы Земли на 15 - 20 %, энергия захваченных электронов возрастает в 10000 раз! Если бы у Земли отсутствовала магнитосфера, космическая радиация убила бы на ней все живое. Однако большая часть космических лучей отклоняется магнитным полем Земли, а часть захватывается, и лишь наиболее энергичные частицы достигают верхних слоев атмосферы, в основном в области земных полюсов, и вызывают свечение разреженных газов - полярные сияния; при этом выделяется энергия до 2× 1012 Вт, превышающую мощность всех электростанций Земли. Материал о магнитном поле и радиационных поясах Земли тесно связан с проблемами космическо-земных, в частности, солнечно-земных связей. Космические объекты и космические процессы оказывают мощное влияние на все природные оболочки Земли и эволюцию планеты. Наука о Земле как единой, целостной, открытой, саморазвивающейся и частично саморегулирующейся системе взаимодействующих природных оболочек - геосфер, называется геономией. Геономия органично объединяет в себе географию, геологию, геофизику, геохимию и экологию. У истоков этой науки стояли А. Гумбольдт, Э. Зюсс, Н. Я. Грот, В. и. Вернадский, А. А. Григорьев, С. В. Колесник и другие знаменитые ученые. Анализ хронологии крупнейших тектонических, гидросферных, атмосферно-климатических и биологических "событий" истории Земли позволяет создать единый глобальный календарь на основе понятия "галактического года" - промежутка времени, в течение которого Солнечная система делает один полный оборот вокруг центра Галактики. С момента возникновения Земли прошел 21 галактический год, 5 миллионов лет назад Земля "отметила" начало нового, 22-го года. ТG »215 миллионов лет. Наибольшее периодическое воздействие космических процессов на земную мантию, кору и магнитное поле Земли происходит на границе соседствующих галактических лет: в канун "Нового года" и на границах между "сезонами" ("временами года") продолжительностью 30, 50, 85 и 50 миллионов лет, при прохождении Солнечной системы сквозь галактические спиральные рукава. В ходе первого цикла происходит глобальное похолодание, общее поднятие материков и усиление сейсмической и вулканической активности; в ходе третьего - глобальное потепление, столкновение литосферных плит, колебательные движения устойчивых блоков коры; второй и четвертый циклы носят промежуточный характер; смена циклов сопровождается изменением полярности и 5-7-кратными колебаниями напряженности магнитного поля планеты. На протяжении последних 76 миллионов лет места и полярность магнитных полюсов Земли и напряженность и другие характеристики геомагнитного поля изменялись 171 раз. Между инверсиями геомагнитного поля и появлением новых видов животных и растений и, вероятно, климатическими изменениями существует четкая корреляция, обусловленная значительными колебаниями уровня облученности поверхности Земли космическими лучами во время инверсий геомагнитного поля и в промежуточный период. |
