С каким свойствами земли это связано
Форма и размеры Земли
Земля имеет форму близкую к шарообразной (геоид). Геодезические измерения показали, что форма Земли сложная и не является типичным шаром. Это можно доказать, сравнив экваториальный и полярный радиусы. Расстояние от центра планеты до её экватора называется большой полуосью (или экваториальным радиусом) и составляет 6 378 245 м. Расстояние от центра планеты до её полюса называется малой полуосью и составляет 6 356 863 м. Следовательно, большая полуось больше малой примерно на 22 км. Земля слегка сплюснута у полюсов (полярное сжатие).
Общая площадь поверхности земного шара составляет 510 млн. кв. км. Длина экватора – 40 000 км.
Вокруг Земли на расстоянии 384,4 тыс. км обращается единственный её спутник Луна. Период обращения Луны вокруг Земли и вокруг своей оси совпадают, поэтому Луна повёрнута к Земле одной стороной, а другую с Земли не видно.
Земной магнетизм
Земля обладает магнитным полем, наглядно, проявляющимся в воздействии на магнитную стрелку, которая свободно подвешенная в пространстве всегда устанавливается вдоль магнитных силовых линий, сходящихся в магнитных полюсах. Магнитное поле (магнитосфера) надежно предохраняет все живое на поверхности Земли от губительного воздействия заряженных космических частиц.
Движение Земли и его показатели и последствия
В настоящее время установлено, что Земля имеет четыре вида движения.
- Движение вместе с Солнечной системой вокруг центра Галактики. Один галактический год (время, за которое Солнечная система совершает один оборот) составляет 280 млн. лет.
- Движение вокруг Солнца по орбите, имеющей форму эллипса, близкого к кругу с радиусом 149 млн. км. Скорость движения Земли около 30 км / сек. Полный оборот земля совершает за 365, 25 суток. Это время называется звёздным годом. Ось Земли неизменно наклонена к плоскости орбиты под углом 66,5 градусов. Это обеспечивает различное положение планеты к Солнцу в течение года, влияет на угол падения солнечных лучей и как следствие смену времен года.
Во время полного оборота Земли вокруг Солнца есть особо примечательные даты:
- 22 июня – день летнего солнцестояния. В этот день земная ось наклонена Северным полюсом к Солнцу. Солнце стоит в зените над параллелью 23,5 градусов с.ш. Поэтому Северное полушарие получает гораздо больше тепла, чем Южное. Во всем полушарии наблюдается самый длинный день. А в северной приполярной области (от 65 градусов с.ш. до полюса) Солнце не заходит и наблюдается полярный день. В Южном полушарии картина противоположная: самая длинная ночь, а в приполярной области (от 65 градусов ю.ш. до Южного полюса) Солнце вообще не восходит. Параллели 65 градусов в обоих полушариях называются полярными кругами. Если двигаться от полярных кругов к полюсам, то продолжительность полярных дней и ночей увеличивается. На полюсах она составляет 6 месяцев. Параллели 23,5 градуса в Северном и Южном полушариях называют тропиками.
- 22 декабря – день зимнего солнцестояния. В этот день Солнце в зените над южным тропиком (23,5 градусов ю.ш.). В Южном полушарии самый длинный день, а в Северном – самый короткий.
- 21 марта (в Южном полушарии 23 сентября) — день весеннего равноденствия, 23 сентября (в Южном полушарии 21 марта) — день осеннего равноденствия. В эти дни Солнце в зените над экватором. В обоих полушариях день равен ночи.
3. Движение Земли вокруг своей оси. Земля вращается вокруг своей условной оси с запада на восток с полным оборотом в течение звёздных суток, под которыми понимают время полного оборота нашей планеты вокруг оси относительно звезд, считая их бесконечно далёкими. Звёздные сутки равны примерно 24 часам. Места, где условная ось пересекает поверхность Земли, называют полюсами. С этим движением связана смена дня и ночи на Земле. Время от восхода солнца до заката называется днём, а от заката до восхода – ночью. Между дневным светом и ночной темнотой существует время сумерек, когда Солнце еще не взошло, или только село и освещает воздух над горизонтом и за счет этого предметы легко различимы. Продолжительность сумерек зависит от того, под каким углом к горизонту происходит видимое движение Солнца. Чем ближе к экватору, тем сумерки короче. Время, когда вечерние сумерки сходятся с утренними, называют «белые ночи».
Суточное вращение Земли является причиной не только смены дня и ночи, но имеет еще одно важное следствие – отклонение любого движущегося тела относительно поверхности Земли. Каждое движущееся тела под действием сил инерции стремится сохранить направление своего движения. Находясь на Земле, мы оцениваем любое движение относительно земной поверхности, которую принимаем неподвижной. На самом деле Земля вращается и тело, стараясь сохранить направление своего движения отклоняется по отношению к земной поверхности. Силу, отклоняющую таким образом тело, называют «силой Кориолиса» (в честь фр. уч. Г.Кориолиса). Хотя этот термин не совсем справедлив, т.к. на самом деле никакой силы нет, а отклонение связано только с подвижной системой отсчёта. Более правильно применение термина «ускорение Кориолиса» для характеристики такого отклонения.
Ученые рассчитали, что это отклонение равно 2 х sin(А) х В х С, где А – широта местности; В – угловая скорость вращения Земли, С – скорость движения объекта. Поэтому на экваторе ускорение Кориолиса равно нулю, а на полюсах имеет максимальное значение. В обычной жизни это отклонение мы не замечаем, но в природных процессах оно оказывается ощутимым и долгим. Отклоняются движущиеся с большой скоростью воздушные и водные массы. Поэтому, например, одни берега рек (подмытые водой) более крутые, другие – более пологие. В северном полушарии движущиеся тела отклоняются вправо, а в южном – влево.
4. Обращение Земли и Луны вокруг общего центра масс и возникающие при этом центробежные силы, а также суточное вращение Земли вокруг собственной оси создают периодические уровня вод и сменяющие их понижения – приливы и отливы (периодичность их примерно два раза в сутки). Приливная волна движется с востока на запад навстречу суточному вращению Земли. Один оборот вокруг общего центра масс Земля и Луна совершают за 27,32 суток (лунный месяц).
Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 23 декабря 2017;
проверки требуют 23 правки.
Земля в разрезе. Левая картинка не в масштабе.
Земля имеет в первом приближении форму шара (экваториальный диаметр — 12 754 км, а полярный — около 12 711 км[1]) и состоит из нескольких оболочек, выделенных по химическим или реологическим свойствам. В центре расположено внутреннее ядро с радиусом около 1250 км, которое в основном состоит из железа и никеля. Далее идёт внешнее ядро (состоящее в основном из железа) с толщиной около 2200 км. Над ним лежат 2900 км вязкой мантии, состоящей из силикатов и оксидов, а ещё выше — довольно тонкая твёрдая кора. Она тоже состоит из силикатов и оксидов, но обогащена элементами, которые не встречаются в мантийных породах. Представления о внутреннем строении Земли основываются на топографических, батиметрических и гравиметрических данных, наблюдениях горных пород в обнажениях, образцах, поднятых на поверхность с больших глубин в результате вулканической активности, анализе сейсмических волн, которые проходят сквозь Землю, и экспериментах с кристаллическими твёрдыми телами при давлениях и температурах, характерных для глубоких недр Земли.
Предположения[править | править код]
Сила гравитации Земли может быть использована для расчета её массы, а также оценки объёма планеты и её средней плотности. Астрономы также могут рассчитать массу Земли по её орбите и влиянию на близлежащие планетарные тела. Исследования твёрдой части Земли, водоёмов и атмосферы позволяют оценить массу, объём и плотность горных пород на определённой глубине, так что остальная масса должна находиться в более глубоких слоях.
Строение[править | править код]
Недра Земли можно делить на слои по их механическим (в частности реологическим) или химическим свойствам. По механическим свойствам выделяют литосферу, астеносферу, мезосферу, внешнее ядро и внутреннее ядро. По химическим свойствам Землю можно разделить на земную кору, верхнюю мантию, нижнюю мантию, внешнее ядро и внутреннее ядро.
Геологические слои Земли находятся на следующих глубинах под поверхностью[2][нет в источнике]:
| Глубина | Слой | |
|---|---|---|
| Километры | Мили | |
| 0—60 | 0—37 | Литосфера (глубина разнится от 5 до 200 км) |
| 0—35 | 0—22 | Кора (глубина разнится от 5 до 70 км) |
| 35—60 | 22—37 | Верхняя часть мантии |
| 35—2890 | 22—1790 | Мантия |
| 100—200 | 62—125 | Астеносфера |
| 35—660 | 22—410 | Верхняя мезосфера (верхняя мантия) |
| 660—2890 | 410—1790 | Нижняя мезосфера (нижняя мантия) |
| 2890—5150 | 1790—3160 | Внешнее ядро |
| 5150—6371 | 3160—3954 | Внутреннее ядро |
Слои Земли были определены косвенно с помощью измерения времени распространения преломлённых и отражённых сейсмических волн, созданных землетрясениями. Ядро не пропускает поперечные волны, а скорость распространения волн отличается в разных слоях. Изменения в скорости сейсмических волн между различными слоями вызывает их преломление благодаря закону Снелла.
Ядро[править | править код]
Средняя плотность Земли 5515 кг/м3. Поскольку средняя плотность вещества поверхности составляет всего лишь около 3000 кг/м3, мы должны заключить, что плотные вещества существуют в ядре Земли. Ещё одно доказательство высокой плотности ядра основано на сейсмологических данных. Следует учитывать и уплотнение вещества давлением. Имеются данные лабораторных исследований с выводом об изменения плотности веществ более плотной упаковкой атомов, например, железо уже при 1 млн атмосфер уплотняется примерно на 30%. «…Плотность верхней мантии начиная от значения 3,2 г/см3 на поверхности постепенно возрастает с глубиной вследствие сжатия её вещества… …В нижней мантии существенных перестроек в кристаллическом строении вещества больше не происходит, поскольку все окислы в этой геосфере уже находятся в состоянии предельно плотной упаковки атомов и сжатие мантийного вещества происходит только благодаря сжатию самих атомов.»[3]
Сейсмические измерения показывают, что ядро делится на две части — твёрдое внутреннее ядро радиусом ~1220 км и жидкое внешнее ядро радиусом ~3400 км[4].
Мантия[править | править код]
Мантия Земли простирается до глубины 2890 км, что делает её самым толстым слоем Земли. Давление в нижней мантии составляет около 140 ГПа (1,4·106атм). Мантия состоит из силикатных пород, богатых железом и магнием по отношению к вышележащей коре. Высокие температуры в мантии делают силикатный материал достаточно пластичным, чтобы могла существовать конвекция вещества в мантии, выходящего на поверхность через разломы в тектонических плитах. Плавление и вязкость вещества зависят от давления и химических изменений в мантии. Вязкость мантии разнится от 1021 до 1024Па·с в зависимости от глубины[5]. Для сравнения, вязкость воды составляет около 10−3 Па·с, а песка — 107 Па·с.
Кора[править | править код]
Толщина земной коры разнится от 5 до 70 км в глубину от поверхности. Самые тонкие части океанической коры, которые лежат в основе океанических бассейнов (5—10 км), состоят из плотной (мафической (англ.)) железо-магниевой силикатной породы, такой как базальт.
Ниже коры находится мантия, которая отличается составом и физическими свойствами — она более плотная, содержит в основном тугоплавкие элементы.
Историческое развитие альтернативных концепций[править | править код]
В 1692 году Эдмунд Галлей (в статье, напечатанной в Философских трудах Королевского общества в Лондоне), выдвинул идею о Земле, состоящей из полого корпуса около 500 миль толщиной, с двумя внутренними концентрическими оболочками вокруг внутреннего ядра, соответствующего диаметра планет Венеры, Марса и Меркурия соответственно[6]. Научные данные, независимо полученные геофизикой, геодезией, астрономией и химией, ещё в XIX веке (а частично — в XVIII веке) полностью опровергли гипотезу полой Земли.
См. также[править | править код]
- Поверхность Мохоровичича
Примечания[править | править код]
Литература[править | править код]
- Джеффрис Г. Земля, её происхождение, история и строение, пер. с англ.. — М., 1960.
- Магницкий В. А. Внутреннее строение и физика Земли. — М., 1965.
- Ботт М. Внутреннее строение Земли, пер. с англ.. — М., 1974.
- Булен К. Плотность Земли, пер. с англ.. — М.,, 1978.
- Жарков В. Н. Внутреннее строение Земли и планет. — 2 изд.. — М., 1983..
- Огаджанов В.А. Дилатационная модель Земли и геотектоника. Вестник Воронежского. гос. ун-та. сер. Геология. 2001. №11
- Kruglinski, Susan. Journey to the Center of the Earth. Discover, June 2007.
- Lehmann, I. (1936) Inner Earth, Bur. Cent. Seismol. Int. 14, 3-31
- Schneider, David (October 1996) A Spinning Crystal Ball, Scientific American
- Wegener, Alfred (1915) «The Origin of Continents and Oceans»
Земля, будто невидимыми нитями, окружена магнитным полем планеты. Это поле, генерируемое внутренним источником, имеет важное значение для существования жизни на Земле.
Собственное магнитное поле Земли (геомагнитное поле) можно разделить на следующие основные части:
- главное поле,
- поля мировых аномалий,
- внешнее магнитное поле.
Главное поле
Земля как магнитный диполь.
Более чем на 90 % оно состоит из поля, источник которого находится внутри Земли, в жидком внешнем ядре, — эта часть называется главным, основным или нормальным полем.
Поля мировых аномалий
Реальные силовые линии магнитного поля Земли, хотя в среднем и близки к силовым линиям диполя, отличаются от них местными нерегулярностями, связанными с наличием намагниченных пород в коре, расположенных близко к поверхности. Из-за этого в некоторых местах на земной поверхности параметры поля сильно отличаются от значений в близлежащих районах, образуя так называемые магнитные аномалии. Они могут накладываться одна на другую, если вызывающие их намагниченные тела залегают на разных глубинах.
Внешнее магнитное поле
Оно определяется источниками в виде токовых систем, находящимися за пределами земной поверхности, в её атмосфере. В верхней части атмосферы (100 км и выше) — ионосфере — её молекулы ионизируются, формируя плотную холодную плазму, поднимающуюся выше, поэтому часть магнитосферы Земли выше ионосферы, простирающаяся на расстояние до трёх её радиусов, называется плазмосферой. Плазма удерживается магнитным полем Земли, но её состояние определяется его взаимодействием с солнечным ветром — потоком плазмы солнечной короны.
Что дает нам присутствие магнитного поля?
При исчезновении же магнитного поля, большое количество заряженных Солнцем частиц будет атаковать планету, постепенно выводя из строя электрические сети и спутники.
Магнитное поле защищает жителей Земли и искусственные спутники от губительного воздействия космических частиц. К таким частицам относятся, например, ионизированные (заряженные) частицы солнечного ветра. Магнитное поле изменяет траекторию их движения, направляя частицы вдоль линий поля. Необходимость наличия магнитного поля для существования жизни сужает круг потенциально обитаемых планет (если мы исходим из предположения, что гипотетически возможные формы жизни похожи на земных обитателей
Несмотря на то, что магнитное поле нельзя увидеть, обитатели Земли хорошо его чувствуют. Перелетные птицы, например, отыскивают дорогу, ориентируясь именно на него. Существует несколько гипотез, объясняющих, как именно они ощущают поле. Одна из последних предполагает, что птицы воспринимают магнитное поле визуально. Особые белки – криптохромы – в глазах перелетных птиц способны менять свое положение под воздействием магнитного поля. Авторы теории считают, что криптохромы могут выполнять роль компаса.
Кроме птиц магнитное поле Земли вместо GPS используют морские черепахи. И, как показал анализ спутниковых фотографий, представленных в рамках проекта Google Earth, коровы. Изучив фотографии 8510 коров в 308 районах мира, ученые заключили, что эти животные предпочтительно ориентируют свои тела с севера на юг (или с юга на север). Причем «реперными точками» для коров служат не географические, а именно магнитные полюса Земли. Механизм восприятия коровами магнитного поля и причины именно такой реакции на него остаются неясными.
Кроме перечисленных свойств магнитное поле способствует появлению полярных сияний. Они возникают в результате резких изменений поля, происходящих в удаленных регионах поля.
Магнитное поле Земли слабеет
За последние 100 лет магнитное поле Земли ослабло примерно на 5%. В области так называемой Южной Атлантической аномалии у берегов Бразилии ослабление еще существеннее. Наблюдения, проведенные тремя европейскими спутниками Alpha, Bravo и Charlie показывают, что динамика ослабления магнитного поля наиболее высока над всем американским континентом.
Последствия разворота магнитного поля
Сила магнитного поля продолжает слабеть, потенциально предвещая еще события, в том числе глобальный разворот магнитных полюсов. Такое существенное изменение повлияет на наши навигационные системы, а также передачу электроэнергии. Северное сияние можно будет увидеть на разных широтах. Кроме того, при очень низких значениях силы поля во время глобального разворота поверхности Земли достигнет больше радиации, что также может повлиять на показатели заболеваемости раком.
Постоянные магниты
Что же такое постоянный магнит? Постоянным магнитом называется тело, способное долгое время сохранять намагничивание. В результате многократных исследований, проведенных многочисленных опытов, мы можем сказать, что только три вещества на Земле могут быть постоянными магнитами (рис. 1).
Рис. 1. Постоянные магниты. (Источник)
Только эти три вещества и их сплавы могут быть постоянными магнитами, только они могут намагничиваться и сохранять такое состояние долгое время.
Постоянные магниты использовались очень давно, и в первую очередь это приборы ориентирования в пространстве – первый компас был изобретен в Китае для того, чтобы ориентироваться в пустыне. На сегодняшний день о магнитных стрелках, о постоянных магнитах уже никто не спорит, их используют повсеместно в телефонах и в радиопередатчиках и просто в различных электротехнических изделиях. Они могут быть разными: есть полосовые магниты (рис. 2)
Рис. 2. Полосовой магнит (Источник)
А есть магниты, которые называются дугообразными или подковообразными (рис. 3)
Рис. 3. Дугообразный магнит (Источник)
Магнитное поле постоянных магнитов
Исследование постоянных магнитов связано исключительно с их взаимодействием. Магнитное поле может создаваться электрическим током и постоянным магнитом, поэтому первое, что было проведено, – это исследования с магнитными стрелками. Если поднести магнит к стрелке, то мы увидим взаимодействие – одноименные полюса будут отталкиваться, а разноименные будут притягиваться. Такое взаимодействие наблюдается со всеми магнитами.
Расположим вдоль полосового магнита маленькие магнитные стрелки (Рис. 4), южный полюс будет взаимодействовать с северным, а северный будет притягивать южный. Магнитные стрелки будут располагаться вдоль линии магнитного поля. Принято считать, что магнитные линии направлены вне постоянного магнита от северного полюса к южному, а внутри магнита от южного полюса к северному. Таким образом, магнитные линии замкнуты точно так же, как и у электрического тока, это концентрические окружности, они замыкаются внутри самого магнита. Получается, что вне магнита магнитное поле направлено от севера к югу, а внутри магнита от юга к северу.
Рис. 4. Лини магнитного поля полосового магнита (Источник)
Для того чтобы пронаблюдать форму магнитного поля полосового магнита, форму магнитного поля дугообразного магнита, воспользуемся следующими приборами или деталями. Возьмем прозрачную пластину, железные опилки и проведем эксперимент. Посыплем железными опилками пластину, находящуюся на полосовом магните (рис. 5):
Рис. 5. Форма магнитного поля полосового магнита (Источник)
Мы видим, что линии магнитного поля выходят из северного полюса и входят в южный полюс, по густоте линий можно судить о полюсах магнита, где линии гуще – там находятся полюса магнита (рис. 6).
Рис. 6. Форма магнитного поля дугообразного магнита (Источник)
Аналогичный опыт проведем с дугообразным магнитом. Мы видим, что магнитные линии начинаются на северном и заканчиваются на южном полюсе по всему магниту.
Магнитное поле Земли
Нам уже известно, что магнитное поле образуется только вокруг магнитов и электрических токов. Как же нам определить магнитное поле Земли? Любая стрелка, любой компас в магнитном поле Земли строго ориентированы. Раз магнитная стрелка строго ориентируется в пространстве, следовательно, на нее действует магнитное поле, и это магнитное поле Земли. Можно сделать вывод о том, что наша Земля – это большой магнит (Рис. 7) и, соответственно, этот магнит создает в пространстве достаточно мощное магнитное поле. Когда мы смотрим на стрелку магнитного компаса, мы знаем, что красная стрелочка показывает на юг, а синяя на север. Как же располагаются магнитные полюсы Земли? В этом случае необходимо помнить о том, что на северном географическом полюсе Земли располагается южный магнитный полюс и на южном географическом полюсе располагается северный магнитный полюс Земли. Если рассмотреть Землю как тело, находящееся в пространстве, то можно говорить о том, что, когда мы идем по компасу на север, мы придем на южный магнитный полюс, а когда идем на юг – мы попадем на северный магнитный полюс. На экваторе стрелочка компаса будет располагаться практически горизонтально относительно поверхности Земли, и чем ближе мы будем находиться к полюсам, тем вертикальнее будет расположение стрелки. Магнитное поле Земли могло изменяться, были времена, когда полюсы менялись относительно друг друга, то есть южный был там, где северный, и наоборот. По предположению ученых, это было предвестником больших катастроф на Земле. Последние несколько десятков тысячелетий этого не наблюдалось.
Рис. 7. Магнитное поле Земли (Источник)
Магнитные и географические полюса не совпадают. Внутри самой Земли тоже существует магнитное поле, и, как в постоянном магните, оно направлено от южного магнитного полюса к северному.
Откуда же берется магнитное поле в постоянных магнитах? Ответ на этот вопрос дал французский ученый Андре-Мари Ампер. Он высказал идею о том, что магнитное поле постоянных магнитов объясняется элементарными, простейшими токами, протекающими внутри постоянных магнитов. Эти простейшие элементарные токи определенным образом усиливают друг друга и создают магнитное поле. Отрицательно заряженная частица – электрон – движется вокруг ядра атома, это движение можно считать направленным, и, соответственно, вокруг такого движущегося заряда создается магнитное поле. Внутри любого тела количество атомов и электронов просто огромно, соответственно, все эти элементарные токи принимают упорядоченное направление, и мы получаем достаточно значительное магнитное поле. То же самое мы можем сказать о Земле, то есть магнитное поле Земли очень напоминает магнитное поле постоянного магнита. А постоянный магнит – это достаточно яркая характеристика любого проявления магнитного поля.
Заключение
Кроме существования магнитных бурь, существуют еще магнитные аномалии. Они связаны с солнечным магнитным полем. Когда на Солнце происходят достаточно мощные взрывы или выбросы, они происходят не без помощи проявления магнитного поля Солнца. Это эхо достигает Земли и сказывается на ее магнитном поле, в результате мы с вами наблюдаем магнитные бури. Магнитные аномалии связаны с залежами железных руд в Земле, огромные залежи в течение долгого времени намагничиваются магнитным полем Земли, и все тела, находящиеся вокруг, будут испытывать действие магнитного поля со стороны этой аномалии, стрелки компасов будут показывать неправильное направление.
На следующем уроке мы с вами рассмотрим другие явления, связанные с магнитными действиями.
Список литературы
- Генденштейн Л.Э, Кайдалов А.Б., Кожевников В.Б. Физика 8 / Под ред. Орлова В.А., Ройзена И.И. – М.: Мнемозина.
- Перышкин А.В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.
- Фадеева А.А., Засов А.В., Киселев Д.Ф. Физика 8. – М.: Просвещение.
Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет
- Class-fizika.narod.ru (Источник).
- Class-fizika.narod.ru (Источник).
- Files.school-collection.edu.ru (Источник).
Домашнее задание
- Какой из концов стрелки компаса притягивается к северному полюсу Земли?
- В каком месте Земли нельзя верить магнитной стрелке?
- О чем говорит густота линий на магните?