9.2. Современные представления о строении Земли 181
9.2. Современные представления о строении Земли
9.2.1. Общие положения
Земля занимает пятое место по размеру и массе среди больших планет Солнечной системы, но из планет земной группы, в которую входят Меркурий, Венера, Земля и Марс, она является самой крупной. Важнейшим отличием Земли от других планет Солнечной системы является существование на ней жизни. Условия же для развития жизни на ближайших к Земле телах Солнечной системы неблогоприятны.
Земля третья (по расстоянию от Солнца) большая планета. Масса Земли равна 5976 1021 кг, что составляет 1/448 долю массы больших планет и 1/330000 массы Солнца. Под действием притяжения Солнца Земля, как и другие тела Солнечной системы, обращается вокруг него по эллиптической орбите, мало отличающейся от круговой. Солнце расположено в одном из фокусов эллиптической орбиты Земли, вследствие чего расстояние между Солнцем и Землей в течение года меняется от 147,117 млн.км до 152,083 млн.км. Большая полуось орбиты Земли, равная 149,6 млн. км, принята за единицу при измерении расстояний в пределах Солнечной системы (а.е. - астрономическая единица). Скорость движения Земли по орбите равна в среднем 29,765 км/с. Вместе с Солнцем Земля участвует также в движении вокруг центра Галактики, период галактического обращения составляет около 260 млн.лет, а средняя скорость движения - 250 км/с.
Плоскость земной орбиты (плоскость эклиптики) наклонена в современную эпоху под углом 1,6° к неизменяемой плоскости Лапласа, перпендикулярной главному вектору момента количества движения всей Солнечной системы. Под действием притяжения других планет положение плоскости эклиптики, а также форма земной орбиты медленно изменяются на протяжении миллионов лет. Наклон эклиптики к плоскости Лапласа при этом меняется от 0° до 2,9°, а эксцентриситет земной орбиты от 0 до 0,067, убывая на 4 10'7 в год. Если смотреть на Землю, поднявшись над Северным полюсом, то орбитальное движение Земли происходит против часовой стрелки, т.е. в том же направлении, что и осевое вращение Солнца, и осевое вращение Земли, и обращение Луны вокруг Земли.
Ось вращения Земли отклонена от перпендикуляра к плоскости эклиптики на 23°26,5' (в середине XX в.), и этот угол уменьшается на 0,47" в год.
Притяжение Луны создает приливные деформации как атмосферы и водной оболочки, так и «твердой» Земли. Они перемещаются по Земле при ее вращении. В результате вращение Земли замедляется, а Луна удаляется от Земли. Исследования говорят о том, что период вращения Земли вокруг оси возрастает в среднем на несколько миллисекунд за столетие (500 млн. лет назад длительность суток составляла 20,8 ч.). Поскольку Земля имеет сплюснутую форму, а орбита Луны не лежит в плоскости земного экватора, притяжение Луны вызывает медленный поворот земной оси в пространстве - прецессию (полный
оборот происходит за 26 тыс. лет). Аналогичное действие, но более слабое, оказывает и Солнце. Явление прецессии было открыто во II в. до н.э. греческим астрономом Гиппархом при сравнении долгот звезд, определенных им из наблюдений, с долготами тех же звезд, найденных за 150 лет до него греческими астрономами.
В результате прецессии медленно изменяется картина суточного вращения звездного неба: около 4600 лет назад полюс мира был вблизи звезды а Дракона, теперь он расположен вблизи Полярной звезды (а Малой Медведицы), а через 12 ООО лет «полярной» звездой станет Вега (а Лиры). На это движение накладываются периодические колебания направления оси - нутация, основной период которой составляет 18,6 года. Все это и ряд других причин приводят к перемещению географических полюсов по земной поверхности (среднее положение Северного полюса смещается в сторону Северной Америки со скоростью 11 см в год.
Глубокое теоретическое исследование проблемы фигуры Земли было выполнено в восьмидесятые годы прошлого столетия профессором Московского университета Ф.А.Слудским, опубликовавшим в 1888 г. свой работу «Общая фигура Земли». За фигуру Земли он принял уровенную поверхность, совпадающую с поверхностью океанов и продолженную на область континентов при их мысленном выравнивании. Примечательно то, что Слудский считает, что в связи с незнанием распределения масс внутри Земли следует отказаться от каких-либо гипотез об этом распределении и оперировать фактическим значением гравитационного потенциала во внешних точках.
Слудский, построив теорию, произвел вычисление сжатия Земли, высот геоида (термин геоид - вид Земли - введен в 1873 г. немецким физиком И.Листингом для условной уровенной поверхности океана) и уклонений отвеса. Он получил сжатие для трехосного эллипсоида 1:297*1. По его вычислениям геоид имеет положительные высоты над океаном и отрицательные над континентом. Понимая нечеткость выводов, он писал, что для уточнения формы Земли «требуется покрыть и океан, и континенты сплошной сетью определений величины силы тяжести. Это чрезвычайно трудная задача, без всякого сомнения, будет разрешена со временем».
Несколько позже петербургским астрономом А.А.Ивановым (1867-1939) была высказана мысль о несимметрии северного и южного полушарий. В дальнейшем это было подтверждено.
Согласно современным космогоническим представлениям Земля образовалась примерно 4,5 млрд. лет назад путем гравитационной конденсации из рассеянного в околосолнечном пространстве газопылевого вещества, содержащего все известные в природе элементы. Формирование Земли сопровождалось дифференциацией вещества, которому способствовал постепенный разогрев земных недр, в основном, за счет теплоты, выделявшейся при распаде радиоактивных элементов - урана, тория, калия и др. Результатом этой дифференциации явилось разделение Земли на концентрически расположенные слои - геосферы, различающиеся химическим составом, агрегатным состоянием и физическими свойствами. В центре образовалось ядро Земли, окруженное мантией. Из наиболее легких и легкоплавких компонентов вещества, выделившихся из мантии в
