8.1: Глобальна перспектива

Last updated
Save as PDF

Page ID: 78140

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Цілі навчання

До кінця цього розділу ви зможете:

Опишіть складові надр Землі і поясніть, як вчені визначили її структуру
Вкажіть походження, розмір та ступінь магнітного поля Землі

Земля - планета середніх розмірів діаметром приблизно 12 760 кілометрів (рис.\(\PageIndex{1}\)). Як одна з внутрішніх або земних планет, вона складається переважно з важких елементів, таких як залізо, кремній та кисень - дуже відрізняється від складу Сонця та зірок, в яких переважають легкі елементи водень та гелій. Орбіта Землі майже кругова, а Земля досить тепла, щоб підтримувати рідку воду на її поверхні. Це єдина планета в нашій Сонячній системі, яка не є ні занадто гарячою, ні занадто холодною, але «в самий раз» для розвитку життя таким, яким ми його знаємо. Деякі основні властивості Землі зведені в табл\(\PageIndex{1}\).

альт — Малюнок\(\PageIndex{1}\): Блакитний мармур. Цей образ Землі з космосу, зроблений астронавтами «Аполлона-17», відомий як «Блакитний мармур». Це одне з рідкісних зображень повної Землі, зроблених під час програми «Аполлон»; більшість зображень показують лише частину диска Землі під сонячним світлом. (кредит: модифікація роботи НАСА)

Таблиця\(\PageIndex{1}\): Деякі властивості Землі
Нерухомість	Вимірювання
Напіввелика вісь	1.00 А.О.
Період	1.00 рік
Маса	5,98 × 10 ²⁴ кг
Діаметр	12 756 км
Радіус	6378 км
Швидкість втечі	11,2 км/с
Обертальний період	23 г. 56 м. 4 с
Площа поверхні	5,1 × 10 ⁸ км ²
Щільність	5,514 г/см ³
Атмосферний тиск	1.00 бар

Земні надра

Внутрішню частину планети - навіть нашу власну Землю - важко вивчити, і її склад і структура повинні визначатися опосередковано. Наш єдиний прямий досвід - це найвіддаленіша шкіра земної кори, шар глибиною не більше декількох кілометрів. Важливо пам'ятати, що багато в чому ми знаємо менше про власну планету на 5 кілометрів під ногами, ніж про поверхні Венери та Марса.

Земля складається в основному з металу і силікатної породи (див. Склад і структура планет розділ). Велика частина цього матеріалу знаходиться в твердому стані, але частина його досить гаряча, щоб розплавитися. Будова матеріалу в надрах Землі була досліджена досить детально шляхом вимірювання пропускання сейсмічних хвиль через Землю. Це хвилі, які поширюються по надрах Землі від землетрусів або місць вибуху.

Сейсмічні хвилі подорожують по планеті, а не звукові хвилі через уражений дзвін. Подібно до того, як звукові частоти змінюються залежно від матеріалу, з якого виготовлений дзвін, і від того, як він побудований, так і реакція планети залежить від її складу та структури. Спостерігаючи за сейсмічними хвилями в різних місцях, вчені можуть дізнатися про шари, через які пройшли хвилі. Деякі з цих вібрацій рухаються по поверхні; інші проходять безпосередньо через внутрішню частину. Сейсмічні дослідження показали, що надра Землі складається з декількох різних шарів з різним складом, проілюстрованих на малюнку\(\PageIndex{1}\). Коли хвилі подорожують різними матеріалами в надрах Землі, хвилі - так само, як світлові хвилі в лінзах телескопів - згинаються (або заломлюються) так, що деякі сейсмічні станції на Землі отримують хвилі, а інші знаходяться в «тіні». Виявлення хвиль в мережі сейсмографів допомагає вченим побудувати модель надр Землі, показуючи рідкі і тверді шари. Цей тип сейсмічної візуалізації не відрізняється від того, що використовується в ультразвуку, тип візуалізації, який використовується для перегляду всередині тіла.

Верхній шар - кора, частина Землі ми знаємо найкраще (рис.\(\PageIndex{3}\)). Океанічна кора охоплює 55% поверхні Землі і лежить здебільшого під океанами. Зазвичай він має товщину близько 6 кілометрів і складається з вулканічних порід, званих базальтом. Вироблені шляхом охолодження вулканічної лави, базальти виготовляються переважно з елементів кремнію, кисню, заліза, алюмінію та магнію. Континентальна кора охоплює 45% поверхні, частина з яких також знаходиться під океанами. Континентальна кора має товщину від 20 до 70 кілометрів і складається переважно з іншого вулканічного класу силікатів (гірських порід з кремнію та кисню), званих гранітом. Ці гірські породи, як океанічні, так і континентальні, зазвичай мають щільність близько 3 г/см ³. (Для порівняння щільність води становить 1 г/см ³.) Земна кора є найпростішим шаром для вивчення геологами, але вона становить всього близько 0,3% від загальної маси Землі.

Найбільша частина твердої Землі, звана мантією, тягнеться від основи кори вниз на глибину 2900 кілометрів. Мантія більш-менш тверда, але при температурах і тисках, виявлених там, мантійна порода може деформуватися і повільно текти. Щільність в мантії збільшується вниз приблизно від 3,5 г/см ³ до більш ніж 5 г/см3 в результаті стиснення, виробленого вагою вищевикладеного матеріалу. Зразки матеріалу верхньої мантії іноді викидаються з вулканів, що дозволяє провести детальний аналіз його хімії.

Починаючи з глибини 2900 кілометрів, ми стикаємося з щільним металевим ядром Землі. При діаметрі 7000 кілометрів наше ядро істотно більше всієї планети Меркурій. Зовнішнє ядро рідке, але сама внутрішня частина ядра (близько 2400 кілометрів в діаметрі), ймовірно, тверда. На додаток до заліза, ядро, ймовірно, також містить значну кількість нікелю та сірки, всі стиснуті до дуже високої щільності.

Поділ Землі на шари різної щільності є прикладом диференціації, процесу сортування основних компонентів планети по щільності. Той факт, що Земля диференційована, говорить про те, що колись вона була досить теплою, щоб її внутрішня частина розплавилася, дозволяючи важчим металам опуститися до центру і сформувати щільне ядро. Докази диференціації походять від порівняння об'ємної щільності планети (5,5 г/см ³) з поверхневими матеріалами (3 г/см ³), щоб припустити, що більш щільний матеріал повинен бути похований в ядро.

Магнітне поле і магнітосфера

Ми можемо знайти додаткові підказки про надр Землі з її магнітного поля. Наша планета поводиться певним чином так, ніби всередині неї знаходиться гігантський стрижневий магніт, вирівняний приблизно з обертовими полюсами Землі. Це магнітне поле генерується рухомим матеріалом в рідкому металевому ядрі Землі. Коли рідкий метал всередині Землі циркулює, він встановлює циркулюючий електричний струм. Коли багато заряджених частинок рухаються разом так - в лабораторії або в масштабі всієї планети - вони створюють магнітне поле.

Магнітне поле Землі поширюється в навколишній простір. Коли заряджена частинка стикається з магнітним полем у просторі, вона потрапляє в пастку в магнітну зону. Над земною атмосферою наше поле здатне затримувати невеликі кількості електронів та інших атомних частинок. Ця область, звана магнітосферою, визначається як зона, в межах якої магнітне поле Землі домінує над слабким міжпланетним магнітним полем, що простягається назовні від Сонця (рис.\(\PageIndex{4}\)).

Звідки беруться заряджені частинки, що потрапили в нашу магнітосферу? Вони витікають назовні з гарячої поверхні Сонця; це називається сонячним вітром. Він не тільки забезпечує частинки для магнітного поля Землі, щоб уловлювати, він також розтягує наше поле в напрямку, спрямованому подалі від Сонця. Зазвичай магнітосфера Землі простягається близько 60 000 кілометрів, або 10 радіусів Землі, в напрямку Сонця. Але, в напрямку від Сонця, магнітне поле може досягати аж до орбіти Місяця, а іноді і далі.

Магнітосфера була відкрита в 1958 році приладами на першому американському супутнику Землі Explorer 1, який зафіксував іони (заряджені частинки), що потрапили в її внутрішню частину. Області високоенергетичних іонів в магнітосфері часто називають поясами Ван Аллена на знак визнання професора Університету Айови, який побудував наукові прилади для Explorer 1. З 1958 року сотні космічних апаратів досліджували різні області магнітосфери. Детальніше про його взаємодію з Сонцем ви можете прочитати в наступному розділі.

Ключові поняття та резюме

Земля є прототипом земної планети. Його внутрішній склад і структура досліджуються за допомогою сейсмічних хвиль. Такі дослідження показують, що Земля має металеве ядро і силікатну мантію. Зовнішній шар, або кора, складається переважно з океанічного базальту і континентального граніту. Глобальне магнітне поле, що генерується в ядрі, виробляє магнітосферу Землі, яка може затримувати заряджені атомні частинки.

Глосарій

базальт: магматична порода, що утворюється при охолодженні лави; становить більшу частину океанічної кори Землі і зустрічається на інших планетах, які зазнали великої вулканічної активності

серцевина: центральна частина планети; складається з матеріалу більш високої щільності

кірка: зовнішній шар земної планети

граніт: тип магматичних силікатних порід, що становить більшу частину континентальної кори Землі

магнітосфера: область навколо планети, в якій її власне магнітне поле домінує над міжпланетним полем, що переноситься сонячним вітром; отже, область, в якій заряджені частинки можуть бути захоплені планетарним магнітним полем

мантія: найбільша частина надр Землі; лежить між земною корою і ядром

сейсмічна хвиля: вібрація, яка подорожує через внутрішню частину Землі або будь-який інший об'єкт; на Землі, вони, як правило, викликані землетрусами