Полная версия

Главная arrow Прочие arrow АСТРОНОМИЯ. СОЛНЕЧНАЯ СИСТЕМА

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

Внутреннее строение и магнитное поле Земли.

Общая масса нашей планеты, включая атмосферу, составляет 5,9742 • 1024 кг. Средняя плотность, 5,52 г/см3, — самая высокая среди всех планет Солнечной системы и близкая к средней плотности Меркурия.

Детальные исследования внутреннего строения Земли достаточно сложны. Существующие скважины не превышают 11 км (сверхглубокая скважина на Кольском полуострове, предварительно рассчитанная на глубину 14 км). Скважины, пробуренные на дне океана, проникают вглубь не более чем на 1,5 км.

Для изучения глубинных свойств земного шара используется анализ параметров распространения колебаний и волн в недрах Земли (сейсмических волн). Скорость распространения волн зависит от плотности и упругих свойств пород. Волны отражаются от границ между пластами пород разного типа и преломляются на этих границах. Анализ приходящих волн, регистрируемых с помощью сети сейсмодатчиков, может дать информацию о распределении плотности в недрах планеты и свойствах пород. Причиной сейсмических колебаний могут быть землетрясения, ядерные и другие взрывы. В результате на сегодняшний день имеются следующие данные о внутреннем строении Земли.

Поверхностные слои Земли составляют кору, сложенную из осадочных пород (верхний слой), гранитов (средний слой) и базальтов (нижний слой). Средняя плотность коры составляет 2,7—2,8 г/см3. Толщина коры разнообразна: от 5—10 км под дном океанов до 70 км под горными районами, в среднем 30—35 км. Толщина нижнего базальтового слоя, по разным оценкам, колеблется от 5 (под океаном) до 15 км. По мере удаления вглубь от земной поверхности нарастают плотность вещества и температура. Погружение в недра Земли на 33 м приводит к росту температуры в среднем на 1 °С. Эта величина (геотермический градиент) различна для разных мест на Земле — от 20 м на острове Калимантан до 45 м в Северной Америке. Считается, что такое быстрое повышение температуры с глубиной происходит только в земной коре и верхней мантии (не глубже 100 км), где находятся радиоактивные вещества, излучающие тепло. О присутствии радиоактивных веществ в более глубоких слоях мало известно.

Гранитный и базальтовый слои разделяет так называемая поверхность Конрада. Нижняя граница земной коры называется разделом Мохоровичича (МОХО) и представляет собой резкую границу сред. Здесь происходит изменение скорости распространения продольных сейсмических волн от 6,7—7,1 км/с до 8,3 км/с. Этот факт указывает на быстрое и значительное увеличение плотности слоев ниже этого уровня.

Ниже раздела Мохоровичича начинается мантия Земли. Верхняя часть мантии — горячая, твердая и плотная. Кора вместе с верхней частью мантии образует литосферу планеты. Литосфера — это жесткая, твердая среда, расколотая на 10 крупномасштабных плит.

Под литосферой находится вязкий, частично расплавленный пограничный слой верхней мантии, который называется астеносфера (глубина 70—250 км). Вещество астеносферы обладает повышенной текучестью. Основания материков погружены в астеносферу и поддерживаются в равновесии силой Архимеда. Такое равновесие называется изостатическим. Прецизионные измерения показывают, что материки как бы плавают в астеносфере, перемещаясь друг относительно друга. Такие относительные смещения крупномасштабных плит со скоростями порядка сантиметров в год вызываются конвекцией в мантии. Столкновение и наползание плит приводят к формированию на поверхности горных цепей, раздвигание приводит к возникновению глубоких впадин, заполняемых водой (морей).

Согласно основной гипотезе, восходящие конвективные движения мантии в астеносфере выносят ее вещество вверх под дном океанов. Там все время формируется новая кора, давление которой приводит к раздвижению материков. Плиты океанической коры вклиниваются под материковую кору на границе материков и океанов. Кора собирается там в складки, в результате чего образуются горные цепи. Эти процессы приводят к формированию основных форм рельефа на Земле.

Мантия простирается до глубины 2900 км и имеет сложную многослойную структуру. Нижняя граница мантии отмечена резким уменьшением скорости распространения сейсмических волн (от 13 до 8 км/с). Если все вещество мантии считается твердым (кроме верхнего слоя астеносферы), то переходный слой в основании мантии (глубина 2700—2900 км) проявляет свойства жидкого вещества.

На глубине 2900 км начинается внешнее ядро. Анализ распространения сейсмических волн указывает на наличие здесь отчетливой границы, от которой отражаются продольные и поперечные волны. Ниже этой границы скорость продольных волн резко падает, а плотность вещества возрастает скачком от 5,6 до 10 г/см3. Поперечные волны ниже границы не проходят. Физическая интерпретация этого явления — внешнее ядро находится в расплавленном (жидком) состоянии.

Ядро Земли неоднородно. На глубине 5000 км обнаружен очередной резкий скачок плотности — от 11 до 13 г/см3. Он соответствует переходному слою, ниже которого находится твердое внутреннее ядро.

Радиус внутреннего ядра (от переходного слоя до центра Земли) составляет 1100 (по другим данным, более 1200) км. Температура в центре Земли оценивается в 6000 К (как на поверхности Солнца!), давление там — около 3600 кбар, плотность вещества — около 13 г/см3.

Химический состав Земли включает в себя все элементы таблицы Менделеева. Наиболее распространены на Земле железо (34,6 %), кислород (29,5 %), кремний (15,2 %) и магний (12,7 %). Самые распространенные соединения в коре — оксиды кремния и алюминия. Ядро, судя по всему, состоит преимущественно из железа с примесью никеля.

Земля обладает заметным магнитным полем — в среднем около 0,5 Гс у поверхности. Наибольшая индукция поля без учета местных аномалий отмечена в Антарктиде (0,68 Гс), наименьшая — в Бразилии (0,24 Гс). Общая конфигурация магнитного поля планеты близка к форме поля, создаваемого воображаемым магнитным диполем (намагниченным стержнем). Кроме этого общего поля, есть локальные неоднородности, связанные с присутствием в земной коре намагниченных пород. Например, в районе Курской магнитной аномалии индукция магнитного поля достигает 2 Гс.

Воображаемый магнитный диполь, поле которого примерно соответствует истинному (измеренному на практике), называется эквивалентным магнитным диполем. Точки пересечения оси этого диполя с поверхностью Земли (геомагнитные полюсы) не совпадают с географическими полюсами. Координаты северной точки (северного геомагнитного полюса, или полюса эквивалентного диполя) ср = 80° с. ш., А, = 72 0 з. д. (в Северной Гренландии). Этот воображаемый диполь называют геоцентричным — его ось проходит через центр Земли.

Истинному полю более точно соответствует так называемый эксцентричный диполь, ось которого смещена относительно центра Земли. Его северный полюс находится в точке с координатами ф = 84° с. ш., А = 95° з. д. на севере Канады.

Истинные магнитные полюсы (места на Земле, где силовые линии вертикально «входят» в тело планеты) не совпадают с геомагнитными полюсами. Это означает, что описание магнитного поля Земли с помощью диполя можно рассматривать лишь как приближенное, реальное поле гораздо сложнее по структуре. Интересно, что истинные магнитные полюсы непрерывно движутся по поверхности Земли. Измерения координат северного истинного магнитного полюса показали, что в течение большей части XX века он перемещался по поверхности Земли со средней скоростью около 9 км/год. В 1970-е гг. его движение стало ускоряться, и в начале XXI в. он двигался уже со скоростью 40 км/год. В последнее время появились признаки его замедления. Причина происходящего окончательно не ясна.

Исследования остаточной намагниченности горных пород с известным возрастом их образования показали, что направление магнитного поля Земли неоднократно изменялось на обратное. Такие изменения называются инверсиями магнитного поля. За последний миллион лет инверсии происходили 16 раз. В настоящее время наблюдается почти линейное уменьшение общего дипольного магнитного момента Земли, который за 450 лет уменьшился на 20 %. Если процесс будет продолжаться аналогичным образом и дальше, дипольный магнитный момент планеты станет равным нулю примерно через 1300 лет. Не исключено, что в настоящее время приближается очередная инверсия магнитного поля Земли. Причины подобных процессов активно обсуждаются, но достоверно не известны.

Происхождение магнитного поля Земли и других планет предположительно связано с так называемым динамо-механизмом. Суть его состоит в следующем. В жидком ядре Земли температура очень высока, вещество расплавлено и имеет высокую электрическую проводимость, поскольку там много металла (железа и никеля). Начальное магнитное поле, которое обязательно возникает в подобной среде, порождает электрический ток при наличии движения проводящего вещества. Такое движение должно порождаться конвекцией. Возникающий электрический ток сам создает собственное магнитное поле, которое добавляется к начальному полю, усиливая его, что в свою очередь усилит ток. Такой процесс должен привести к постепенному нарастанию и магнитного поля, и тока. Этому нарастанию препятствуют растущие вместе с током потери на выделение джоулева тепла, поэтому процесс не может «разгоняться» до бесконечности, стабилизируясь на некотором уровне.

Таким образом, в рамках этой теории магнитное поле порождается движениями в жидком расплавленном металлическом ядре планеты. В то же время отсутствие магнитного поля у планеты еще не означает, что у нее нет жидкого ядра. Теория указывает, что для формирования сильного магнитного поля необходимы дополнительные факторы — например, вращение небесного тела, создающее кориолисовы силы, которые служат источником крупномасштабных движений электропроводящей среды в недрах тела. Иначе сложно объяснить отсутствие магнитного поля у Венеры, которая по внутреннему строению близка Земле, но при этом практически не вращается (вращается очень медленно). Следует подчеркнуть, что изложенная модель является современной парадигмой (основной теорией, которую поддерживает большинство ученых), однако это не означает, что она является истиной в последней инстанции. Многие элементы этой концепции остаются неясными.

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>