Реферат: Земля

Муниципальная общеобразовательная среднего (полного) общегообразования школа № 244

 

 

 

 

 

/> <td/> />
ПланетаЗЕМЛЯ.

 

 

 

Работа ученика

11 а класса

Бокова Егор

 

 

 

 

Санкт-Петербург

2000 год

Земля

Первые астрономические явления,которые с детства знакомы каждому, это — смена дня и ночи, восход и заходСолнца. Объяснение этих явлений связано с вопросом о форме и вращении нашейЗемли. На смену наивным представлениям о плоской неподвижной Земле и «небеснойтверди» приппо признание шарообразности и вращения Земли и безграничностинебес. Доказа­тельства шарообразности Земли черпались из наблюдений формы краяземной тени на диске Луны во время лунных затмений, из наблюдений постепенногопоявления или исчезновения морских судов при их приближении или удалении отберега, из наблюдений изменения высоты Полярной звезды при переезде с севера наюг, из факта расширения горизонта по мере подъема вверх. Идея шарообразностиЗемли возникла еще у древних греков (Пифагор, VI в. до н. э.: Парменид, VI—Vвв. до н. э.; Аристотель, IV в. до п. э.), но потом оставалась в забвении болееполутора тысяч лет, до времен Колумба и кругосветных путешествий XVI в.

Размеры земного шара впервые былиопределены около 240 г. до н. э. Эратосфеном (276—196 гг. до н. э.) вАлександрии. Он нашел, что в день летнего солнцестояния в Сиене (южный Египет)Солнце в полдень проходит  через зенит, а в Александрии— на расстоянии1/50 окружности (7°,2) от него. Расстояние между этими городами, расположеннымиприблизительно на одном меридиане, составляло 5000 греческих стадий.Следовательно, полная окружность равна 250000 стадий, а радиус земного шараR=40 000 стадий. Принимая наиболее вероятную длину стадии равной 160 м,получаем R=6400 км. Современные определения дают R=6370 км.

Вращение земного шара самыместественным образом объясняет смену дня и ночи, восход и заход светил. Широкоизвестны следующие доказательства вращения Земли вокруг своей оси: поворот стечением времени плоскости качаний маятника Фуко относительно окружающих егопредметов, сплюснутость Земли, обнаруживаемая из градусных измерений,отклонение падающих тел к востоку, размыв правых берегов рек, текущих всеверном полушарии Земли, и левых — в южном полушарии (закон Бэра), пассаты,изменение силы тяжести с широтой (не объясняемое сплюснутостью Земли), направление ветров внутри циклонов и антициклонов ит. д.

Некоторые греческие ученыедогадывались и о годичном движении Земли вокруг Солнца. Аристарх Самосский ещев III в. до н. э. считал, что Земля обращается вокруг Солнца. Однако эта идеятакже оставалась в забвении полторы тысячи  лет.Следующие явления можно назватьдоказательствами обращения Земли вокруг Солнца: годичный параллакс звезд,годичную аберрацию звезд и смещение линий в спектрах звезд с периодом в одингод.

Годичное движение Земли перемещаетнаблюдателя и этим вызывает видимое смещение более близких звезд относительноболее далеких. В течение года близкие звезды описывают на небе (на фоне болеедалеких звезд) параллактические эллипсы. Большая ось такого эллипсавсегда параллельна плоскости земной орбиты, т. е. плоскости эклиптики, авеличина оси зависит от расстояния звезды (чем меньше расстояние, тем онабольше); величина малой оси зависит, кроме того, и от углового расстояниязвезды от плоскости земной орбиты, т. е. от астрономической широты звезды.Годичные параллаксы звезд  меньше I". Самая близкая к нам звезда имеетпараллакс 0'',76.

Годичное движение Земли вызывает,кроме того, аберрацион­ное смещение звезд; все звезды описывают за год аберрационныеэллипсы, большие оси которых всегда равны 41" и параллельныеэклиптике, а величины малых осей зависят от астрономической широты звезды. Этоаберрационное смещение является результатом сложения скорости движения Земли поее орбите (в среднем 29,8 км/сек) со скоростью распространения света(около 300000 км/сек), идущего от звезды. В каждый данный момент звезда

/>

Рис. 1. Земляобращается вокруг Солнца по эллипсу.

смещается в направлении движенияЗемли, к так называемому апексу орбитального движения Земли. Этот апексвсегда лежит в плоскости земной орбиты под прямым углом к Солнцу на запад отнего, т. е. на 90° направо от Солнца.

Годичное движение Земли вызываеттакже периодическое сме­щение линий в спектрах звезд. Наибольшее смещение линийк крас­ному концу спектра, которое согласно принципу Доплера означаетнаибольшую скорость удаления от звезды, бы­вает в тот момент, когдагеоцентрическая долгота звезды на 90° больше долготы Солнца, наибольшеесмещение к фиолетовому концу — при долготе звезды на 90° меньшей долготыСолнца.

Земля движется вокруг Солнца поэллипсу (рис. 1) с эксцентри­ситетом 0,016736 (около 1/60). Солнце находится водном из фокусов эллипса земной орбиты.Строго говоря, вокруг Солнца движетсяцентр тяжести системы Земля — Луна, так называемый барицентр; вокругэтого центра Земля и Луна описывают в течение месяца свои орбиты. ДвижениеЗемли вокруг барицентра с периодом в один месяц вы­зывает периодическиеколебания в долготах и широтах Солнца и планет. Точное определение амплитудыэтих колебаний дает возможность определить расстояние центра Земли отбарицентра (барицентр находится на расстоянии 4800 км от центра Земли понаправлению к Луне, т. е. на 1600 км под поверх­ностью Земли) и отсюданайти отношение массы Луны к массе Земли.

Среднее расстояние Земли от Солнцаравно 149 504 000 км (1 астрономическая единица — а. е.). Этафундаментальная в астрономии величина выводится из определений солнечногопараллакса. Горизонтальным параллаксом Солнца называется угол, под которымна расстоянии Земли от центра Солнца был бы виден экваториальный радиус Земли.Одним из методов измерения солнечного параллакса было наблюдение из разныхпунктов на Земле явления прохождения Венеры или Меркурия по диску Солнца.

Самая близкая к Солнцу точка орбитылюбой планеты называется перигелием (для Земли это 147 002 000 км),самая далекая— афелием (для Земли 152 006 000 км). Их соединяет линияапсид, совпадающая с большой осью эллипса планетной орбиты. Поло­жениелинии апсид определяется гелиоцентрической долготой пе­ригелия. В 1960 г.долгота перигелия земной орбиты близка к 102°. Вследствие медленного вращениялинии апсид дол­гота перигелия возрастает на 61",9 в год. В настоящуюэпоху Земля проходит через перигелий 2—5 января, а через афелий 1—5 июля.Скорость движения Земли различна в разных частях орбиты. Средняя скоростьдвижения Земли по ее орбите около 30 км/сек или 100 000 км/час;на длину своего поперечника Земля продвигается за семь минут.

Полный оборот вокруг Солнца Землясовершает в течение 365,25636 суток (365d6h9m10s).Это — так называемый звездный, или сидерический, год.

Средний промежуток времени от одноговесеннего равно­денствия до следующего, называемый тропическим годом,равен 365,24220 средних суток (365d5h48m46s)*).

Плоскость земного экватора наклоненана 23°27' к плоскости земной орбиты, причем земная ось стремится сохранитьнеизмен­ным свое направление в пространстве, указывая всегда на северныйполюс мира, находящийся вблизи Полярной звезды. Наклон оси вращения Земли ипостоянство ее направления являются при­чиной смены времен года на Земле.Продолжительность времен года зависит от эксцентриситета земной орбиты и отрасположения линии апсид.

Из градусных измерений было получено,что длина одного градуса широты у экватора равна 110,6 км, а у полюсов—111,7 км. Это приводит к заключению о том, что истинная форма Землиблизка к сфероиду. Согласно исследованиям советских геодези­стов (Ф. Н.Красовский и его сотрудники, 1940 г.) экваториальный радиус этого сфероидаa=6378,245 км, а полярный b=6356,863 км; разность их a-b=21,382 км.

Сплюснутость земного сфероидахарактеризуется отношением разности экваториального радиуса а иполярного b к экваториальному. Это отношениеочень мало: что составляет около 0,3%, в то время как сплюснутость Юпитераоколо 6%. Точнейшие геодезические измерения и данные гравиметрии приводят кболее точному представлению о фигуре Земли, к понятию о так называемом геоиде. Геоид не является правильнойгеометрической фигурой; за поверхность геоида принимается некотораяповерхность, в каждой точке перпендикулярная к линии отвеса. Эта поверхностьприблизительно совпадает с невозмущенной приливами поверхностью океанов имысленно продолжается на части Земли, занятые материками. От поверхности геоидаотсчитывают высоты различных точек на Земле, когда указывают «высоту надуровнем моря».

Сам земной шар не занимаетнеизменного положения относи­тельно своей оси вращения. Поэтому полюсы Землиописывают на ее поверхности сложные линии, впрочем, в течение десятилетий невыходившие за пределы квадрата со стороной О" ,7, что соответст­вует 25 м.Полюс принимает участие в двух основных движениях: одно совершается по кругурадиусом 4,5 m в течение 433d (оно связано с периодом так называемыхсобственных колебаний земногошара), другое совершается по вытянутому эллипсу сбольшой полуосью 5 л» и периодом в один год (оно связано с сезонными явлениямина Земле.) Из 60-летних наблюдений Международной Службы широты замеченыпериодические (период около 42 лет) изменения амплитуды колебаний полюса.Начиная с 1950 г., неожиданно для специалистов, кривая, описываемая севернымполюсом Земли, превысила пределы. О причинах нарушения установившегосяравновесия можно строить различные догадки, вплоть до предположений о возможномвлиянии испытаний атомного и водородного оружия.

Вследствие вращения Земли каждаяточка экватора имеет линейную скорость 465 м/сек. Развивающаяся в силуэтого центробежная сила уменьшает силу тяжести на земной поверхности. Наэкваторе цен­тробежная сила составляет 1/289 часть силы тяжести. Реально этоотношение достигает 1/190, что объясняется сплюснутостью Земли.

Наши представления о внутреннемстроении и физическом состоянии недр земного шара основаны на разнообразныхданных, среди которых существенное значение имеют данные сейсмологии. Изучениераспространения в земном шаре упругих волн, возникающих  при   землетрясениях,позволило открыть слоистое строение земных недр.

Земной шар имеет раскаленное ядро,однако тепло, которое   каждый сантиметр поверхности Земли получает от ее недр,в 5000 раз меньше тепла, получаемого от Солнца. При углублении на каждые 33 мвнутрь земной коры температура повышается в среднем на один градус. Можнопредполагать, что это повышение температуры происходит лишь в сравнительнотонком слое земной коры (не глубже 100 км), в котором находятсярадиоактивные вещества. Распад атомов радиоактивных элементов и превращение ихв атомы других элементов сопровождаются выделением тепла. Ядро же Земли имееттемпературу 2000—4000°. Однако при такой температуре упругость внутреннихчастей ядра, нахо дящихся под давлением (до 3.5 млн. атмосфер) вышележащихслоев, в 2.5 раза больше упругости стали. При этих условиях вещество в ядреЗемли находится в особом «металлическом» со­стоянии. Плотность в центре Землиоколо 11 г/см3. Средняя плотность Земли (5,52) приблизительновдвое больше плотности поверхностных ее слоев (2,7).

Толщина земной коры (в которуювходят осадочные породы, гранит, базальт) вплоть до основания базальтов вразных райо­нах земного шара составляет от 30 до 60 км. Под корой, доглубины 2900 км, расположена мантия, или оболочка. Глубжена­ходится ядро. Вопрос о существовании многих границ раздела слоевразной плотности в толще Земли в настоящее время под­вергается пересмотру.Вероятно, что помимо границы, залегаю­щей на глубине 2900 км, имеетсяеще лишь одна граница, на глубине 5000 км, где происходит новое резкоеизменение плотности .

Химический состав всей Земли в целоми средний состав атмосферы, гидросферы и каменной оболочки — литосферы — дан втабл. I.

ТаблицаI Химическийсостав Земли

Земля в целом Атмосфера, гидросфера I литосфера элемент % по весу Алемепт % по весу Железо Ре ...... 39,76 Кислород 0 ..... 49,42 Кислород 0 ...... 27,71 Кремний 8} ..... 25,75 Кремний 31 ...... 14,53 Алюминий А1 ..... 7,51 Магний М^ ...... 8,69 Железо Ре ...... 4,70 Никель.М ...... 3,46 Кальций Са ..... 3,39 Кальций Са ...... 2,32 Натрий Nа ...... 2,64 Алюминий А1 ..... 1,79 Калий К ....... 2,40 Сера 8 ......... 0,64 Магний М§ ...... 1,94 Натрий Nа ...... 0,38 Водород Н ...... 0,88 Хром Сг ........ 0,20 Титан Т1 ....... 0,58 Калий К ....... 0,14 Хлор С1 ....... 0,188 Фосфор Р ....... 0,11 Фосфор Р ...... 0,120 Марганец Мп ..... 0,07 Марганец Мп ..... 0,09 Углерод С ....... 0,04 Углерод С ...... 0,087 Титан Т1 ....... 0,02 Сера 8 ........ 0,06 Остальные элементы. . 0,14 Остальные элементы . 0,26

Согласно последним данным геологиивозраст земной коры не меньше 3 миллиардов лет. Возраст Земли как планеты,несомненно, больше.

Земной шар представляет собой магнит,причем магнитная ось Земли наклонена на угол 11°,5 к оси вращения. Она проходитна расстоянии около 1200 км от центра Земли; магнитный полюс,находящийся в северном полушарии Земли, имеет координаты 74° N и 101° W; другойполюс-69° S и 143° E.

Напряженность магнитного поля зависитот места на поверх­ности Земли и от времени, однако при отсутствии возмущенийредко превышает 0,6 эрстед.

Земная атмосфера. Воздушный океан, окружающий Землю, — ее атмосфера, — является ареной, на которой разыгрываются разнообразныеметеорологические явления. Для астрономов атмосфера является скорее помехой внаблюдательных работах, хотя некоторые явления, относящиеся к астрономии,протекают в атмосфере (например, вспышки метеоров). Воздух рассеивает солнечныелучи, причем это рассеяние возрастает с уменьшением длины волны. Для видимого спектрабольшее рассеяние сине-зеленых лучей обусловливает голубой цвет неба и не даетвозможности наблюдать звезды днем. В силу этого же Солнце и Луна блиэ горизонта(перед закатом и после восхода) бывают красного или оранжевого цвета. Излучениес длиной волны короче 290 тц полностью поглощается слоями озона, находящимисяна высотах 35—60 км. Общая толщина слоя озона, приведенного к нормальнымусловиям (т. е. давлению 760 мм ртутного столба и темпера туре 0°),составляет всего 3 мм. Он предохраняет живую природу от губительногодействия далеких ультрафиолетовых и других коротковолновых излучений.

Атмосфера поглощает не толькокоротковолновое излучение небесных светил, но и не пропускает к намзначительную часть космического радиоизлучения. Радиоволны длиной больше 30-15м отражаются ионосферой, а короче 3см - поглощаются водяным паром.Кроме того, атмосфера значительно ослабляет, а также преобразует поток частицвысокой энергии, идущий к нам из космоса (так называемые космические лучи).Таким образом, земная атмосфера — это своеобразный экран, защищающийповерхность Земли от непосредственного воздействия космоса.

Поглощая и рассеивая свет небесныхсветил, атмосфера уменьшает их блеск, причем поглощение возрастает приувеличении толщи воздуха, проходимой лучами. Толща увеличивается привозрастании зенитного расстояния 2 (в первом приближении пропорционально весг). Поэтому при сравнении блеска небесных светил, находящихся на разныхзенитных расстояниях, надо учи­тывать различие в поглощении света (см. табл.55). Поглощение В совершенно чистой атмосфере составляет в зените 0m,21в ви­зуальных лучах и 0m,44 — в фотографических.

Атмосфера вызывает также преломлениелучей — рефракцию, которая влияет на положение светила на небе изаметным образом искажает форму Солнца и Луны у горизонта.

Свойства земной атмосферы до высоты в40 км изучены со стратостатов и самопишущих метеорологических приборов,поднимаемых шарами-зондами; разнообразные метеопрпборы и спектральные аппаратыподнимались до высот почти в 500 км специальными метеорологическими игеофизическими ракетами; наконец, в самые последние годы исключительно богатаяинформация о состоянии верхних слоев атмосферы получается с искусственныхспутников Земли и космических ракет. Кроме того, высокие слои атмосферы исследуютсяразными косвенными мето­дами (наблюдения метеоров, метеорных следов,серебристых облаков, полярных сияний, изучение свечения ночного неба, су­меречныхявлений, лунных затмений), а также с помощью радио (изучение ионизованныхобластей, преломляющих и отражающих радиоволны).

В основном земная атмосфера состоитиз азота и кислорода. В табл. II дано процентное содержание химическихэлементов,

Таблица II Составземной атмосферы

Элемент % по объему Азот 78,09 Кислород 20,95 Аргон 0,93 Углекислый газ 0,03 Водород 0,01 Неон 0,0015 Гелий 0,00015 Криптон 0,000001 Ксенон 0,00000009

составляющих атмосферу Земли.Вследствие перемешивания воз­духа конвективными токами  и ветрами составатмосферы почти не меняется до высоты в 100—150 км. Выше обнаруживаетсяиз­менение состава атмосферы: количество тяжелых инертных газов резко падает, а молекулярные азот и кислород заменяются ато­марными.До высот 300—350 км преобладает атомарный кислород, а выше — атомарныйазот.

Атмосферу Земли условно делят начетыре слоя: тропосферу^ стратосферу, ионосферу и экзосферу.Тропосфера начинается от поверхности земли или моря; верхняя ее граница всредних шпротах находится на высоте 9—10 км зимой и 10—12 кмлетом, а в экваториальной зоне поднимается до 15—17 км. Тропосферахарактеризуется постепенным убыванием температуры с высотой.  В ней содержитсяоколо 80% массы всей атмосферы, почти вся вода и пыль, взвешенные в атмосфере.Граница между тропосферой и стратосферой называется тропопаузой.Стратосфера распро­страняется от высоты 12—15 км до 80—85 км, гденаходится стра-топауза, выше которой располагается ионосфера.

Как показывает само название, в этойпоследней, помимо нейтральных молекул, находятся и ионизованные атомы.Ионизацию производит коротковолновое излучение Солнца и потоки заряженныхчастиц (корпускул), летящих от Солнца. Электрические свойства ионосферы, высотаи степень ее ионизации зависят от времени суток, времени года и от фазысолнечной активности, Ионосфера имеет громадное значение для радиосвязи на боль­шихрасстояниях, которая осуществляется на длинных, средних и коротких радиоволнах, многократно отражающихся (точнее, преломляющихся) от ионизованных слоевионосферы и от поверхности Земли.

Представления о строении ионосферызначительно изменились после запуска искусственных спутников Земли. До этогопредполагалось, что в ионосфере имеются четыре основных иони­зованных слоя:слой D (на высоте 80 км), слой E (100—105 км), слой F1,(200 км) и слой F2, (300— 350 км). Однако подозревали,что эти слои имеют клочковатое строение и состоят из отдельных ионизо­ванныхоблаков. В настоящее время приходится признать, что такого четкого деления наслои (стратификации) в ионосфере нет: от 60км до, по крайнеймере, 473 км имеется сплошной массив иони­зованного газа с отдельнымифлуктуациями (неоднородностями) концентрации ионизованных частиц.

Было обнаружено изменение плотностиверхних слоев ат­мосферы и колебания их температуры в зависимости от изменениясолнечной активности, а также в зависимости от времени года (так, например,летом в дневные часы плотность на высоте 200 км в 20 раз больше, чемзимой ночью).

Область выше 400 км называетсяэкзосферой.

Самые высокие полярные сияниянаблюдались на высотах 700—1000 и даже 1200 км. Свечение ночного небаобнаруживается на высотах до 2000 км. Вероятно, верхняя граница земнойатмосферы лежит около 3000—4000 км.

Данные, полученные в последнее времяс помощью искусствен­ных спутников Земли, а также советских космических ракет,доказали, что земной шар окружен двумя «поясами радиации» — областями резкогоувеличения концентрации заряженных частиц высокой энергии. Концентрацияоказалась наибольшей вблизи магнитного экватора Земли (как известно несовпадающего с географическим) и убывает к магнитным полюсам, а также зависитот высоты над земной поверхностью. В первой, близкой к Земле областиконцентрация заряженных частиц (по-видимому, протонов с энергиями до сотенмиллионов электрон-вольт) достигает максимума на высоте порядка 1000 км.Границы второй области, созданной, вероятно, электронами с энергией в несколькодесятков тысяч электрон-вольт, простираются до высот в 50—60 тыс. км.

На каждый квадратный сантиметр земнойповерхности на уровне моря воздух давит с силой в 1,0332 кг (такназываемое давление в одну атмосферу). Общая масса атмосферы Земли составляетоколо одной миллионной доли массы Земли.

Распределение в атмосфере температуры(определяемой тепловыми скоростями движений частиц воздуха) характеризуетсялюбопытными неправильностями — температурными инверсиями: в тропосферетемпература уменьшается приблизительно на 6°C каждым километром высоты; оттропопаузы до высоты 30 км температура приблизительно постоянна и равна— 56° С; от 30 до 55 км температура постепенно повышается до 4-100° С; квы­соте 80 км она вновь падает до +30° С и затем постепенно повышается,достигая нескольких сотен градусов на высоте 200—300 км. Однакоплотность воздуха на этих высотах столь мала, что температура тела, попавшеготуда, будет определяться способностью тела поглощать энергию солнечных лучей (иизлучать, ее в окружающее пространство), а не температурой окружаю­щего крайнеразреженного воздуха. Изучение метеорных следов и серебристых облаковобнаруживает скорости «стратосферных ветров» до 120 м/сек.