Земна гравітація Положення у Сонячній системі

Планетарні характеристики

Земля обертається навколо Сонця еліптичною орбітою (дуже близькою до колової) із середньою швидкістю 29 785 м/с на середній відстані 149,6 млн км із періодом, що приблизно дорівнює 365,24 доби (зоряний рік). Земля має супутник — Місяць, який обертається навколо Землі на середній відстані 384 400 км. Нахил земної осі до площини екліптики становить 66°33′22″. Період обертання планети навколо своєї осі 23 год 56 хв 4,1 с. Обертання навколо своєї осі викликає зміну дня і ночі, а нахил осі до екліптики разом із обертанням навколо Сонця — зміну пір року.

Форма Землі — геоїд. Середній радіус Землі становить 6371,032 км, екваторіальний — 6378,16 км, полярний — 6356,777 км. Площа поверхні земної кулі 510 млн км², об'єм — 1,083·10¹² км³, середня густина — 5518 кг/м³. Маса Землі становить 5976·10²¹ кг. Земля має магнітне і тісно пов'язане з ним електричнеполя^{[ джерело? ]}. Гравітаційне поле Землі зумовлює її близьку до сферичної форму й існування атмосфери.

За сучасними космогонічними уявленнями Земля утворилася приблизно 4,7 млрд років тому з розсіяної в протосонячній системі газопилової речовини. Внаслідок диференціації речовини Землі, під дією гравітаційного поля, в умовах розігріву земних надр виникли і розвилися різні за хімічним складом, агрегатним станом і фізичними властивостями оболонки — геосфери: ядро, мантія, земна кора, гідросфера, атмосфера, магнітосфера. У складі Землі переважає залізо (34,6 %), кисень (29,5 %), кремній (15,2 %), магній (12,7 %)^{[ джерело? ]}. Земна кора, мантія і внутрішня частина ядра тверді (зовнішня частина ядра вважається рідкою)^{[ джерело? ]}. Від поверхні Землі до центру зростають тиск, густина й температура. Тиск у центрі планети 3,6·10¹¹ Па, густина приблизно 12,5·10³ кг/м³, температура в діапазоні від 5000 до 6000 °C. Основні типи земної кори — материкова та океанічна, у перехідній зоні від материка до океану розвинута кора проміжної будови.

Історія утворення

Земля утворилася приблизно 4,54 млрд років тому із дископодібної протопланетарної хмари разом із іншими планетами Сонячної системи. Формування Землі в результаті акреції тривало 10—20 млн років. Спочатку Земля була повністю розплавленою^[2], але поступово охолола, і на її поверхні утворилася тонка тверда оболонка — земна кора.

Незабаром після утворення Землі, приблизно 4,53 млрд років тому, утворився Місяць. Одна з сучасних теорій утворення єдиного природного супутника Землі стверджує, що це відбулося як наслідок зіткнення з масивним небесним тілом, яке отримало назву Тейя.

Первинна атмосфера Землі утворилася в результаті дегазації гірських порід та вулканічної активності. З атмосфери сконденсувалася вода, утворивши Світовий океан. Попри те, що Сонце на той час світило на 70 % слабше^{[ джерело? ]}, ніж тепер, геологічні дані показують, що океан не замерз, що, можливо, пов'язано з парниковим ефектом. Приблизно 3,5 млрд років тому сформувалося магнітне поле Землі, що захистило її атмосферу від сонячного вітру.

Утворення Землі і початковий етап її розвитку (тривалістю приблизно 1,2 млрд років) належать до догеологічної історії. Абсолютний вік найдавніших гірських порід становить понад 3,5 млрд років і, починаючи з цього часу, веде відлік геологічна історія Землі, яка поділяється на два нерівні етапи: докембрій, що тривав приблизно 5/6 усього геологічного літочислення (близько 3 млрд років), і фанерозой, що охоплює останні 570 млн років. Близько 3-3,5 млрд років тому в результаті еволюції матерії на Землі виникло життя, почався розвиток біосфери — сукупності всіх живих організмів (так звана жива речовина Землі), яка суттєво вплинула на розвиток атмосфери, гідросфери й геосфери (принаймні в частині осадової оболонки). У результаті кисневої катастрофи діяльність живих організмів змінила склад атмосфери Землі, збагативши її киснем, що створило можливість для розвитку аеробних живих істот.

Новий фактор, що справляє могутній вплив на біосферу та навіть геосферу — діяльність людства, що з'явилося на Землі після появи (в результаті еволюції) людини менш ніж 3 млн років тому (єдності щодо датування цієї події не досягнуто й деякі дослідники нараховують 7 млн років). Відповідно, у процесі розвитку біосфери виділяють утворення й подальший розвиток ноосфери. Високий темп росту населення Землі (чисельність земного населення становила 275 млн у 1000 році, 1,6 млрд у 1900 році і більше 7 млрд чол. у 2012 році) і посилення впливу людського суспільства на природне середовище висунули проблеми раціонального використання всіх природних ресурсів і охорони природи.

Еволюція життя

Докладніше: Виникнення життя на Землі, Історія життя на Землі та Життя

Майбутнє планети

Докладніше: Майбутнє Землі та Ризики для цивілізації, людей і планети Земля

Форма Землі

Докладніше: Фігура Землі

Фігура Землі — це ідеалізація, за допомогою якої намагаються описати форму планети. Залежно від мети опису використовують різні моделі форми Землі.

Перше наближення

Найгрубішою формою опису фігури Землі при першому наближенні — є сфера. Для більшості проблем загального землезнавства цього наближення видається достатнім, щоб використовувати в описі чи дослідженні деяких географічних процесів. У такому разі відкидають сплющеність планети при полюсах як несуттєве зауваження. Земля має одну вісь обертання та екваторіальну площину — площину симетрії та площини симетрії меридіанів, що характерно відрізняє її від безкінечності множин симетрії ідеальної сфери. Горизонтальна структура географічної оболонки характеризується визначеною поясністю та певною симетрією щодо екватора.

Друге наближення

При більшому наближенні фігуру Землі прирівнюють до еліпсоїда обертання. Ця модель, що характеризується вираженою віссю, екваторіальною площиною симетрії та меридіональними площинами, використовується в геодезії для обчислення координат, будування картографічних мереж, розрахунків тощо. Різниця півосей такого еліпсоїда становить 21 км, велика вісь — 6378,160 км, мала — 6356,777 км, ексцентриситет — 1/298,25. Положення поверхні легко може бути теоретично розраховано, але його неможливо визначити експериментально в натурі.

Третє наближення

Через те, що екваторіальний переріз Землі також еліпс з різницею довжин півосей 200 м й ексцентриситетом 1/30000, третьою моделлю виступає тривісний еліпсоїд. У географічних дослідженнях ця модель майже не використовується, вона лише свідчить про складну внутрішню будову планети.

Четверте наближення

Геоїд — це еквіпотенціальна поверхня, що збігається з середнім рівнем Світового океану, є геометричним місцем точок простору, що мають однаковий потенціал сили ваги. Така поверхня має неправильну складну форму, тобто не є площиною. Рівнева поверхня в кожній точці перпендикулярна до виска. Практичне значення та важливість цієї моделі полягає в тому, що лише за допомогою виска, рівня, нівелірата інших геодезичних приладів можна простежити положення рівневих поверхонь, тобто, в нашому випадку, геоїда.

Склад і структура

Хімічний склад

 

Хімічний склад земної кори
Речовина	Формула	Вміст
Континентальна	Океанічна
Діоксид кремнію	SiO2	60,2 %	48,6 %
Оксид алюмінію	Al2O3	15,2 %	16,5 %
Оксид кальцію	CaO	5,5 %	12,3 %
Оксид магнію	MgO	3,1 %	6,8 %
Монооксид заліза	FeO	3,8 %	6,2 %
Оксид натрію	Na2O	3,0 %	2,6 %
Оксид калію	K2O	2,8 %	0,4 %
Оксид заліза(III)	Fe2O3	2,5 %	2,3 %
Вода	H2O	1,4 %	1,1 %
Діоксид вуглецю	CO2	1,2 %	1,4 %
Оксид титану(IV)	TiO2	0,7 %	1,4 %
Оксид фосфору(V)	P2O5	0,2 %	0,3 %
Total	99,6 %	99,9 %

Внутрішня структура

Внутрішнє ядро, за припущенням, має діаметр 2600 км і складається з чистого заліза чи нікелю, зовнішнє ядро товщиною 2250 км із розплавленого заліза або нікелю, мантія близько 2900 км завтовшки складається переважно з твердих гірських порід, відділена від земної кори поверхнею Мохоровича. Кора і верхній шар мантії утворюють 12 основних рухомих блоки, деякі з них несуть континенти. Плато постійно повільно рухаються, цей рух називається тектонічним дрейфом.

3емля складається з трьох основних геосфер: земної кори, мантії і ядра, яке, в свою чергу, поділяється на ряд шарів. Речовина цих геосфер різна за фізичними властивостями, станом і мінералогічним складом. У залежності від величини швидкостей сейсмічних хвиль і характеру їх зміни з глибиною «тверду» Землю ділять на вісім сейсмічних шарів: А, В, С, D', D", Е, F і G. Крім того, в Землі виділяють особливо міцний шар літосферу і наступний, розм'якшений шар — астеносферу. Шар А, або земна кора, має змінну товщину (в континентальній області — 33 км, в океанічній — 6 км, в середньому — 18 км).

Під горами кора потовщується, в рифтових долинах серединно-океанічних хребтів майже зникає. На нижній межі земної кори, — поверхні Мохоровичича, — швидкості сейсмічних хвиль зростають стрибкоподібно, що пов'язано переважно зі зміною речовинного складу з глибиною, переходом від гранітів і базальтів до ультраосновних гірських порід верхньої мантії. Шари В, С, D', D" входять у мантію. Шари Е, F і G утворюють ядро Землі радіусом 3486 км. На межі з ядром (поверхні Гутенберґа) швидкість подовжніх хвиль різко зменшується на 30 %, а поперечні хвилізникають, що вказує на те, що зовнішнє ядро (шар Е, що тягнеться до глибини 4980 км) рідке. Нижче перехідного шару F (4980-5120 км) знаходиться тверде внутрішнє ядро (шар G), в якому знову розповсюджуються поперечні хвилі.

У твердій земній корі переважають такі хімічні елементи: кисень (47,0 %), кремній (29,0 %), алюміній (8,05 %), залізо (4,65 %), кальцій (2,96 %), натрій (2,5 %), магній (1,87 %), калій (2,5 %), титан (0,45 %), які в сумі становлять 98,98 %. Найрідкісніші елементи: Ро (приблизно 2·10⁻¹⁴ %), Ra(2·10⁻¹⁰ %), Re (7·10⁻⁸ %), Au (4,3·10⁻⁷ %), Bi (9·10⁻⁷ %) тощо.

У результаті магматичних, метаморфічних, тектонічних процесів і процесів осадоутворення земна кора різко диференційована, в ній протікають складні процеси концентрації і розсіяння хімічних елементів, що приводять до утворення різних типів порід.

Вважають, що верхня мантія за складом близька до ультраосновних порід, в яких переважає О (42,5 %), Mg (25,9 %), Si (19,0 %) і Fe (9,85 %). У мінеральному відношенні тут панує олівін, менше піроксенів. Нижню мантію вважають аналогом кам'яних метеоритів (хондритів). Ядро 3емлі за складом аналогічне залізним метеоритам і містить приблизно 80 % Fe, 9 % Ni, 0,6 % Co. На основі метеоритної моделі розрахований середній склад Землі, в якому переважає Fe (35 %), О (30 %), Si (15 %) і Mg (13 %).

Температура є однією з найважливіших характеристик земних надр, що дозволяють пояснити стан речовини в різних шарах і побудувати загальну картину глобальних процесів. За вимірюваннями в свердловинах температура на перших кілометрах наростає з глибиною з градієнтом 20 °C/км. На глибині 100 км, де знаходяться первинні вогнища вулканів, середня температура трохи нижча за температуру плавлення гірських порід і дорівнює 1100 °C. При цьому під океанами на глибині 100–200 км температура вища, ніж під континентами, на 100–200 °C. Стрибок густини речовини в шарі С на глибині 420 км відповідає тиску 1,4·10¹⁰ Па і ототожнюється з фазовим переходом в олівіні, який відбувається при температурі приблизно 1600 °C. На межі з ядром при тискові 1,4·10¹¹ Па і температурі порядку 4000 °C силікати знаходяться в твердому стані, а залізо в рідкому. У перехідному шарі F, де залізо затвердіває, температура може бути 5000 °C, в центрі 3емлі — 5000-6000 °C, тобто, адекватна температурі поверхні Сонця.

Теплові процеси

Між планетою та навколишнім середовищем постійно відбувається енергомасообмін. Планета постійно отримує колосальний обсяг енергії від Сонця через випромінювання, в той же самий час частину цього енергетичного потоку вона віддає в космос у вигляді як відзеркаленого випромінювання (альбедо земної поверхні, хмар), так і теплової енергії^[3].

Географічна оболонка

Генеральна особливість будови земної поверхні полягає в розподілі на материки і океани. Велика частина Землі зайнята Світовим океаном (361,1 млн км²; 70,8 %), суходіл становить 149,1 млн км² (29,2 %), і утворює шість материків (Євразію, Африку, Північну Америку, Південну Америку, Антарктиду і Австралію) і острови. Він підіймається над рівнем світового океану в середньому на 875 м (найбільша висота 8848 м — гора Джомолунгма), гори займають понад 1/3 поверхні суходолу. Пустелі вкривають приблизно 20 % поверхні суходолу, ліси — близько 30 %, льодовики — понад 10 %. Амплітуда висот на планеті сягає 20 км. Середня глибина світового океану приблизно дорівнює 3800 м (найбільша глибина 11020 м — Маріанський жолоб (западина) у Тихому океані). Обсяг води на планеті становить 1370 млн км³, середня солоність 35 ‰ (г/л).

Гідросфера

 

 

Атмосфера Землі

Атмосфера Землі, загальна маса якої 5,15·10¹⁵ т, складається з повітря — суміші в основному азоту (78,08 %) і кисню (20,95 %), 0,93 % аргону, 0,03 % вуглекислого газу, інше — це водяна пара, а також інертні та інші гази. Максимальна температура поверхні суходолу 57-58 °C (у тропічних пустелях Африки і Північної Америки), мінімальна — близько −90 °C (у центральних районах Антарктиди).

Атмосфера Землі захищає все живе від згубного впливу космічного випромінювання.

Хімічний склад атмосфери Землі: 78,1 % — азот, 20 — кисень, 0,9 — аргон, решта — вуглекислий газ, водяна пара, водень, гелій, неон.

Атмосфера Землі включає:

· тропосферу (до 15 км)

· стратосферу (15—100 км)

· іоносферу (100 — 500 км).

Між тропосферою і стратосферою розміщується перехідний шар — тропопауза. У глибинах стратосфери під впливом сонячного світла створюється озоновий екран, який захищає живі організми від космічного випромінювання. Вище — мезо-, термо- й екзосфери.

Погода і клімат

Нижній шар атмосфери називається тропосферою. В ній відбуваються явища, які визначають погоду. Внаслідок нерівномірного нагрівання поверхні Землі сонячною радіацією, в тропосфері безперестанно проходить циркуляція великих мас повітря. Основними повітряними течіями в атмосфері Землі є пасати в смузі до 30° обабіч екватора та західні вітри помірного поясу в смузі від 30° до 60°. Іншим фактором переносу тепла є система океанічних течій.

Вода здійснює на поверхні землі постійний кругообіг. Випаровуючись із поверхні вод та суходолу, при сприятливих умовах водяна пара піднімається вгору в атмосфері, що призводить до утворення хмар. Вода повертається на поверхню землі у вигляді атмосферних опадів і стікає до морів і океанів системою річок.

Кількість сонячної енергії, яку отримує поверхня Землі зменшується зі зростанням широти. Чим далі від екватора, тим менший кут падіння сонячних променів на поверхню, і тим більша відстань, яку повинен пройти промінь у атмосфері. Внаслідок цього середньорічна температура на рівні моря зменшується приблизно на 0.4 °C на один градус широти. Повехню Землі розділяють на широтні пояси з приблизно однаковим кліматом: тропічний, субтропічний, помірний та полярний. Класифікація кліматів залежить від температури та кількості опадів. Найбільше визнання здобула класифікація кліматів Кеппена, за якою виділяють п'ять широких груп — вологі тропіки, пустеля, вологі середні широти, континентальний клімат, холодний полярний клімат. Кожна з цих груп розділяється на специфічні підгрупи.

Магнітне поле

Земна гравітація Положення у Сонячній системі

Земля — відкрита система в космосі, вона постійно взаємодіє з навколишнім космічним середовищем: отримує енергію від Сонця, випромінює тепло. На планету постійно потрапляють метеори, космічний пил, зрідка метеорити та комети^[3]. Планета постійно перебуває під впливом сонячного вітру (потік іонізованих атомів водню 90 % та гелію 10 % зі швидкістю 350–450 км/с врізається в магнітосферу) та космічного випромінювання (потік високоенергетичних ядер водню)^[3]. Земля постійно гравітаційно взаємодіє з Місяцем та Сонцем (в значно меншій мірі з іншими планетами Сонячної планети), що обумовлює припливні явища.