Земля как планета - прошлое, настоящее, будущее

Т.И. Левитская

Введение

Все ли мы знаем о Земле? Попробуем ответить на этот простой, но, с другой стороны, сложный вопрос. Объект исследования данной работы - твердая Земля и происходящие на ней процессы, Земля в Солнечной системе и в космическом пространстве. Геодезисты, астрономо-геодезисты, геофизики имеют дело прежде всего с твердой Землей, правда, вечно меняющей свой лик. Однако некоторые природные явления (геологические, геофизические и другие) связаны с многими космическими телами, существующими вместе с Землей в мировом пространстве. Следовательно, важно рассмотреть астрономическое положение нашей планеты, чтобы разобраться в том, как влияют на нее различные процессы, происходящие во Вселенной.

Земля

Земля - самая крупная из 4 каменных планет, близких к Солнцу, - обращается вокруг Солнца по эллиптической орбите с эксцентриситетом, равным 0,017; таким образом, орбита Земли по форме очень близка к кругу. Среднее расстояние от Земли до Солнца - примерно равно 150 млн км. Скорость движения Земли по орбите 29,7 км/с, полный оборот она совершает за 365,26 суток. Период вращения Земли вокруг своей оси составляет 23 часа 56 минут. В результате этого вращения возникают небольшое экваториальное вздутие и соответственно полярное сжатие, так что диаметр Земли в экваториальном сечении на 43 км больше диаметра, соединяющего полюсы вращения. Масса Земли - около 6·1024 кг, средняя плотность вещества - 5500 кг/м3 , радиус равновеликого Земле шара (т.е. шара, имеющего тот же объем, что и Земля) равен 6371 км.

Земля - это, несомненно, единственная в Солнечной системе планета, где существует высокоразвитая жизнь в том виде, в каком мы ее знаем. Для того чтобы возникла жизнь, нужны определенные условия. Вероятно, единственным химическим элементом, свойства которого делают возможным образование ``длинных'' молекул, способных к самовоспроизведению, является углерод. Двуокись углерода (углекислый газ) и водяной пар - необходимые компоненты атмосферы, в которой растения могут производить фотосинтез. Химические свойства углерода, жидкое состояние воды и стабильное излучение солнечной энергии сделали возможным длительное существование и развитие жизни на Земле. Жизнь на Земле может существовать и сохраняться в диапазоне температур всего лишь около 100С. Свидетельством постоянства температуры Солнца на протяжении длительного времени является существование непрерывного эволюционировавшего ряда ископаемых форм жизни, прослеживаемого по окаменелостям почти на 3 млрд. лет.

Солнце

Солнце - звезда среднего размера (диаметр Солнца - 1,39·106 км), являющаяся всего лишь одной из триллиона звезд, образующих нашу Галактику - Млечный Путь. Долгое время интригующим был естественный вопрос: существуют ли у других звезд свои планеты? Сейчас такие планетные системы уже найдены у десятков звезд. Более того, из каждых трех миллионов звезд одна может сопровождаться планетной системой с разумной цивилизацией (Шепли, 1962). Выделяемая Солнцем энергия составляет около 1027 Дж в секунду - величина, столь же непостижимая для большинства из нас, как, скажем, миллиард световых лет. Солнечная энергия доходит до Земли в виде электромагнитного излучения, включающего рентгеновские и ультрафиолетовые лучи, видимый свет, тепловое излучение и радиоволны. Земная атмосфера для некоторых длин волн непрозрачна, но тепловое излучение и видимый свет свободно проникает через нее. Источник солнечной энергии - ядерный синтез. Ядра водорода (протоны) соединяются между собой, образуя ядра гелия. В ходе ядерных превращений диаметр Солнца практически не меняется. Тенденция к взрывному расширению уравновешивается гравитационным притяжением составных частей Солнца, стягивающим газы в компактное сферическое тело. Выделяемая нашим светилом энергия остается практически неизменной на протяжении длительного времени.

Возраст Солнца составляет почти 5 млрд лет. При определении возраста Солнца, как, впрочем, и других небесных тел, используется следующий факт: радиоактивный распад урана приводит к тому, что он медленно превращается в один из изотопов свинца. Отношение количеств оставшегося урана и образовавшегося таким способом изотопа свинца и позволяет измерять возраст небесных тел. Древнейшие породы на Земле имеют возраст 3,5-4 млрд лет, на Луне найдены породы возрастом 4,7 млрд лет, а некоторые метеориты имеют возраст 4,6 млрд лет.

Атомного горючего нашему светилу хватит по крайней мере еще на 5 млрд лет. Каково же будущее Солнца? Когда запасы водородного горючего закончатся, гелиевое ядро Солнца начнет сжиматься, а внешние слои, расширяясь, образуют совсем другую звезду - ``красный гигант''. Потеряв небольшую долю своего поверхностного материала, после стадии ``красного гиганта'' Солнце вступит в стадию ``белого карлика''; тогда его излучение значительно возрастет. Этого будет достаточно, чтобы вчетверо повысить абсолютную температуру земной поверхности от 300 выше абсолютного нуля (нынешняя температура) до примерно 1200 выше абсолютного нуля.

Космические лучи, источником которых в первую очередь является Солнце, представляют собой заряженные частицы, ядра атомов химических элементов, имеющих массу от 1 до 50 а.е.м. (атомная единица массы - а.е.м. - равна примерно массе протона): водорода, гелия, бериллия, бора, кремния ... железа, никеля. Космические частицы в верхних частях атмосферы испытывают неупругие соударения с атомами воздуха. Ниже 20 км в атмосфере нет первичных частиц с энергией порядка 2·103 эВ. Земная атмосфера служит своеобразным экраном от первичных космических частиц.

Солнечная корона испускает непрерывный поток ионизированного газа - протонов и электронов со скоростью 300-500 км/с. Это - плазма или солнечный ветер. При солнечной активности, при вспышках на Солнце скорость плазмы увеличивается до 1000-2000 км/с, а ее энергия находится в диапазоне от 10-100 МэВ до 10-20 ГэВ.

Магнитное поле Земли

К числу интереснейших тем в исследовании истории Земли относится проблема ее магнитного поля. О существовании земного магнетизма человечеству стало известно примерно с 800 г. до нашей эры. Геомагнитное поле дипольное, но магнитные полюсы Земли не совпадают с полюсами вращения, т.е. истинными северным и южным полюсами Земли. Угол между магнитной осью и осью вращения составляет около 11,5. Фундаментальной особенностью магнитного поля Земли являются так называемые инверсии; их можно обнаружить при исследовании периодов истории Земли с временным масштабом в несколько десятков миллионов лет.

Наблюдаемое сегодня магнитное поле Земли создается гигантским стержневым магнитом, ориентированным вдоль линии север-юг и помещенным в центре Земли. Точнее, этот стержневой магнит должен быть установлен так, чтобы его северный магнитный полюс был направлен на южный географический полюс Земли, а южный магнитный полюс - на северный географический. Оказалось, что это не является неизменным свойством магнитного поля Земли. Как удалось установить, полярность геомагнитного поля с течением времени неоднократно менялась.

Известна роль магнитного поля Земли в жизни человека и в процессах биосферы, поэтому вызывают интерес особенности изменения состояния геомагнитного поля. В последнее время геофизики отмечают факт движения северного магнитного полюса, находящегося в южном полушарии. Установлено, что за последние 100 лет северный магнитный полюс переместился почти на 900 км и находится в Индийском океане. Пробег арктического (южного) магнитного полюса составил 270 км за последние 20 лет. Наблюдается тенденция ускорения движения полюсов. Все это свидетельствует о том, что возможна переполюсовка (инверсия) магнитного поля Земли, причем это может произойти гораздо быстрее, чем это прогнозируется многими исследователями.

Современные представления о слоистой модели Земли сводятся к следующему. Земля - сфероид, состоящий из твердой массивной оболочки толщиной примерно 2900 км. Оболочка покрыта гидросферой, реагирующей как на приливные воздействия Солнца и Луны, так и на перераспределение масс в теле Земли. Под оболочкой - вязкая жидкость (внешнее ядро), в центре которой находится твердый сфероид (внутреннее ядро) радиусом около 1200 км, плотностью 12,4 г/см3. Вся эта совокупность вращается с частотой суточного вращения Земли.

В настоящее время существует гипотеза магнитного динамо, согласно которой магнитное поле Земли можно объяснить циркуляцией электрического тока в ядре. Предполагается, что постоянное магнитное поле Земли возникает под действием сложной системы электрических токов, сопровождающих турбулентную конвекцию в жидком внешнем ядре. Земля работает как динамо-машина, в которой механическая энергия этой конвекционной системы генерирует электрические токи и связанный с ними магнетизм.

Магнитное поле принято характеризовать вектором магнитной индукции. Единицей измерения магнитной индукции является тесла (Тл). 1 Тл - это очень большая величина. Магнитное поле такой величины существует на поверхности Солнца. Земное магнитное поле измеряется в нанотеслах, 1 нТл = 10-9 Тл. Напряженность магнитного поля на экваторе планет Солнечной системы в нанотеслах характеризуется следующими величинами: Меркурий - 350, Венера - 10-15, Земля - 31000, Луна < 1, Марс - 64, Юпитер - 420000, Сатурн - 20000, для Урана, Нептуна, Плутона нет точных сведений.

Палеомагнитное изучение пород, возраст которых установлен калий-аргоновым методом, позволило составить хронологическую шкалу эпох полярности магнитного поля Земли. Поскольку при своем формировании породы намагничиваются в направлении существовавшего тогда земного магнитного поля, то, изучая намагниченность пород, можно получить информацию о магнитном поле Земли соответствующей эпохи, о нахождении магнитных полюсов и линии дрейфа магнитных полюсов. Выяснилось, что с течением геологического времени происходило попеременное усиление и ослабление магнитного поля Земли, которое влияло на поглощение Землей приходящих космических лучей. Возможно, сильная бомбардировка космическими лучами в периоды низкой напряженности магнитного поля могла воздействовать на развитие жизни на Земле.

В океанической коре и осадочных породах можно проследить непрерывную хронику земного магнетизма. На огромных площадях океанического дна обнаружены магнитные аномалии, которые образуют систему параллельных полос чередующегося знака, ориентированных субмеридионально. Аномалии представляют собой как бы захороненную историю инверсий магнитного поля Земли. Полосы интенсивных положительных и отрицательных аномалий протягиваются вдоль срединно-океанических хребтов. Они образовались в результате подъема новой лавы и ее остывания в магнитном поле - нормальном или обращенном, смотря по тому, какое преобладало в то время.

С 1838 г. напряженность магнитного поля Земли убывает приблизительно на 4% за столетие. Можно лишь предполагать, что и этот процесс свидетельствует о возможной смене полярности, инверсии. Впервые гипотеза об инверсии геомагнитного поля была высказана Б.Брюнессом в 1906 г. За последние 4 млн лет выделяют 4 эпохи с чередующими направлениями поля: Брюнесса (современная), Матуямы, Гаусса, Гильберта. Кроме того, в течение одной эпохи могут происходить так называемые ивенты и экскурсы. Ивент - это кратковременное полное обращение магнитного поля продолжительностью около 100 тыс. лет. Экскурс - кратковременное отклонение геомагнитного полюса от исходного положения не менее чем на 60 и не более чем на 120 с периодом не менее 10 тыс. лет, после чего магнитный полюс возвращается в исходное положение. Последняя инверсия магнитного поля Земли произошла 700 тыс. лет назад.

Хотелось бы отметить еще одну особенность магнитного поля Земли. Интегральной характеристикой поля является магнитный момент М, который в настоящее время составляет 8,17·1022 Ам2. Однако его величина не остается постоянной. Это подтверждается археомагнитными данными. Остаточная намагниченность искусственных изделий (печных кирпичей, изделий из обожженной глины) является предметом исследования археомагнетизма. Оказалось, что примерно 6 тыс. лет назад он составлял 0,4 современного М, 2,5 тыс. лет назад - 2,5 современного значения. В настоящее время магнитный момент Земли уменьшается, и через 2000 лет он может оказаться равным нулю, а в таком случае исчезнет магнитное поле Земли и все живое вновь окажется один на один с потоком космических лучей и солнечной плазмы.

Преобразования в Солнечной системе

Сегодня наблюдаются невиданно крупные преобразования, происходящие на Солнце и на нашей планете. Климатические и биосферные процессы на Земле свидетельствуют о новом планетофизическом состоянии Земли и являются составной частью общего процесса изменения качества Солнечной системы. Преобразования в Солнечной системе в первую очередь связаны с перемещением ее в неоднородном межзвездном пространстве. В настоящее время, обращаясь вокруг центра Галактики, Солнце проходит облако рассеянной плазмы, которое обжимает Солнечную систему, прорывается в межпланетные области и вносит добавку вещества и энергии. Откликом на своеобразную добавку являются различные события на Солнце, Земле и других планетах: обнаружение полярных сияний на Сатурне; переполюсовка магнитного поля на магнитосопряженной паре - Уране и Нептуне; удвоение напряженности магнитного поля Юпитера, возбуждение магнитосферы, избыточная плазмогенерация, связанные с падением в июле 1994 г. на поверхность Юпитера более 20 крупных фрагментов кометы Шумейкеров-Леви; увеличение облачности на экваторе Марса и увеличение в ней содержания озона; открытие и подтверждение наличия водяного льда на полюсах Луны. Повысилось влияние межпланетной среды и ее влияние на характер планетных процессов за счет поступления вещества из межзвездного пространства и из-за активности 22-го солнечного цикла. Предсказывается необычная активность очередного 23-го солнечного цикла, который уже и сейчас дает о себе знать мощными процессами активного Солнца, быстрыми выделениями масс из солнечной короны, которые генерируют магнитные бури на Земле, приводят к изменениям геомагнитного поля на величину порядка 2000 нТл.

Климатические изменения на Земле связаны с разбалансом температурного режима и давления атмосферы. В последние годы зафиксировано повышение средней температуры воздуха на 0,3С, воды - на 0,2С. Необратимые изменения в климате могут возникнуть при достижении предельного изменения температуры в 1С.

Озоновый слой атмосферы, который защищает все живое на Земле от ультрафиолетового излучения Солнца, ``прохудился'', озоновые дыры появились и над Россией. Главная причина озонового дефицита - всплески солнечной активности, космического излучения и атмосферная циркуляция (крупные колебания атмосферы на высотах 90-95 км). Зафиксировано вертикальное и горизонтальное перераспределение озона - свидетельство общего преобразования климата на Земле. На высотах в 8-12 км обнаружено повышение концентрации озона на 10% за десятилетие. Озон - сильнейший окислитель, и при больших концентрациях он может ``сжечь'' наши легкие. Изменение газового состава атмосферы Земли уже началось, и это тоже может в свою очередь привести к изменению температуры. Велики техногенные воздействия на электромагнитный каркас Земли. Выработка энергии человечеством достигла величин, сопоставимых с затратами энергии Земли на такие процессы, как землетрясения, вулканические извержения, тепловое излучение. К глобальным катастрофам в планетарном масштабе могут привести бомбардировки Земли кометами и астероидами. В марте 1989 г. Земля едва избежала столкновения с 800-метровым астероидом, который прошел мимо нашей планеты на расстоянии приблизительно равным 760 тыс. км. По космическим масштабам это ничтожно малое расстояние.

Таким образом, совокупность планетообразующих процессов в настоящее время развертывается стремительно, повсеместно и разнообразно; поэтому проблема изучения Земли как планеты и ее влияния на развитие, существование и будущее человеческой цивилизации является актуальной.

Список литературы

1. Аллисон А., Палмер Д. Геология: Пер. с англ. М.: Мир, 1984. 565 с.

2. Озима М. История Земли: Пер. с япон. М.: Знание, 1983. 205 с.

3. Кашубин С.Н., Виноградов В.Б., Кузин А.В. Физика Земли. Екатеринбург: УГГГА, 1998. 164 с.

4. Левитская Т.И. Земля в космическом пространстве. 80 лет Федеральной службе геодезии и картографии: Материалы конференции. Екатеринбург, 1999, С. 9-10

5. Жарков В.Н. Внутреннее строение Земли и планет. М.: Наука, 1983. 416 с.