Исследование планеты Земля в Солнечной системе: история, описание поверхности, запуск космических аппаратов, вращение, орбита, достижения, знаменательные даты.
Речь идет о родной планете, поэтому давайте посмотрим, как проходило исследование Земли. Большую часть земной поверхности успели изучить к началу 20-го века, включая внутреннее строение и географию. Загадочными оставались Арктика и Антарктика. Сегодня практически все участки удалось запечатлеть и нанести на карту благодаря фотографическому картированию и радиолокаторам. Одной из последних исследованных областей был полуостров Дариен, расположенный между Панамским Каналом и Колумбией. Ранее выполнить обзор было сложно из-за постоянных дождей, густой растительности и плотного облачного покрова.
Изучение глубинных особенностей планеты долгое время не проводили. До этого занимались исследованием поверхностных формирований. Но после Второй мировой войны принялись за геофизические исследования. Для этого использовали специальные датчики. Но так можно было рассмотреть ограниченную часть подповерхностного слоя. Получалось пробраться лишь под верхнюю кору. Максимальная глубина скважины – 10 км.
Основные цели и достижения при исследовании Земли
В исследовании Земли учеными движет научное любопытство, а также экономическая выгода. Население увеличивается, поэтому растет спрос на ископаемые, а также воду и прочие важные материалы. Многие подземные операции проводят для поиска:
- нефти, угля и природного газа;
- коммерческих (железо, медь, уран) и строительных (песок, гравий) материалов;
- подземных вод;
- пород для инженерного планирования;
- геотермальных запасов для электричества и отопления;
- археологии;
Также возникла необходимость в создании безопасности через туннели, хранилища, ядерные реакции и плотины. А это приводит к необходимости уметь предсказать силу и время землетрясения или уровень подповерхностной воды. Активнее всего землетрясениями и вулканами занимается Япония и США, потому что эти страны чаще всего переносят подобные бедствия. Периодически скважины бурят для профилактики.
Методология и инструменты исследовании Земли
Следует знать, какие существуют методы исследования планеты Земля. В геофизике используют магнетизм, гравитацию, отражательные способности, упругие или акустические волны, тепловой поток, электромагнетизм и радиоактивность. Большая часть замеров осуществляется на поверхности, но есть спутниковые и подземные.
Важно понимать, что находится внизу. Иногда не удается добыть нефть только из-за блока другим материалом. Выбор метода основывается на физических свойствах.
Сравнительная планетология
Астроном Дмитрий Титов о типах планет Солнечной системы, динамике атмосфер и парниковом эффекте на Марсе и Венере:
Дистанционное зондирование
Используется ЭМ-излучение от земли и отраженная энергия в разнообразных спектральных диапазонах, добытых самолетами и спутниками. Методы основываются на использовании комбинаций изображений. Для этого участки фиксируют с разных траекторий и создают трехмерные модели. Их также выполняют с интервалами, что позволяет проследить изменение (рост урожая за сезон или перемены от шторма и ливня).
Радарные лучи пробиваются сквозь облака. Боковой видимый радиолокатор отличается чувствительностью к перемене поверхностного наклона и шероховатости. Оптико-механический сканер регистрирует теплую ИК-энергию.
Чаще всего используют технику Landsat. Эти сведения добываются мультиспектральными сканерами, размещенными на некоторых американских спутниках, расположенных на высоте в 900 км. Кадры охватывают площадь 185 км. Используется видимый, ИК, спектральный, зеленый и красный диапазоны.
В геологии эту технику применяют для вычисления рельефа, обнажения горных порог и литологии. Также удается фиксировать перемены в растительности, породах, находить подземные воды и распределение микроэлементов.
Магнитные методы
Не будем забывать о том, что исследования Земли проводят из космоса, предоставляя не только фото планеты, но и важные научные данные. Можно вычислить полное земное магнитное поле или же конкретных компонентов. Наиболее старый метод – магнитный компас. Сейчас используют магнитные балансы и магнитометры. Протонный магнитометр вычисляет радиочастотное напряжение, а оптико-накачивающий отслеживает наименьшие магнитные флуктуации.
Магнитные съемки проводят магнитометрами, летающими на параллельных линиях с удаленностью в 2-4 км и на высоте в 500 м. Наземные исследования рассматривают магнитные аномалии, произошедшие в воздухе. Могут размещаться на специальных станциях или перемещающихся кораблях.
Магнитные эффекты формируются из-за намагниченности, созданной осадочными породами. Скалы не способны удерживать магнетизм, если температура превышает 500°C, а это ограничение для глубины в 40 км. Источник должен располагаться глубже и ученые полагают, что именно конвекционные токи генерируют поле.
Методы гравитации
Космические исследования Земли включают различные направления. Гравитационное поле можно определить через падение любого объекта в условиях вакуума, вычисление периода маятника или другими способами. Ученые используют гравиметры – вес на пружине, способной растягиваться и сжиматься. Они действуют с точностью до 0.01 миллиграмма.
Отличия в гравитации происходят из-за локальной плоскости. На определение данных уходит несколько минут, но вычисление позиции и высоты занимает больше времени. Чаще всего, плотность осадочных пород возрастает с глубиной, потому что давление повышается и теряется пористость. Когда подъемники переносят скалы ближе к поверхности, то формируют аномальные тяжести. Отрицательные аномалии вызывают и полезные ископаемые, поэтому понимание гравитации может указать на источник нефти, а также на расположение пещер и прочих подземных полостей.
Методы сейсмической рефракции
Научный метод исследования Земли основывается на вычислении временного интервала между началом волны и ее прибытием. Волна может создаться взрывом, упавшим весом, воздушным пузырьком и т.д. Для ее поиска используют геофон (суша) и гидрофон (вода).
Сейсмическая энергия прибывает к детектору различными путями. Сначала, пока волна близка к источнику, она выбирает самые короткие дорожки, но с увеличением дистанции начинает вилять. Сквозь тело могут проходить две разновидности волн: Р (первичные) и S (вторичные). Первые выступают волнами сжатия и перемещаются на максимальном ускорении. Вторые – сдвиговые, движущиеся с небольшой скоростью и не способны пройти сквозь жидкости.
Главная разновидность поверхностного типа – волны Рэлея, где частичка перемещается по эллиптическому пути в вертикальной плоскости от источника. Горизонтальная часть выступает главной причиной землетрясений.
Большая часть информации о земной структуре основывается на анализе землетрясений, так как они генерируют сразу несколько волновых режимов. Все они отличаются по компонентам движения и направлению. В инженерных исследованиях задействуют мелкую сейсмическую рефракцию. Иногда достаточно простого удара кувалдой. Также их применяют для обнаружения неисправностей.
Электрические и ЭМ-методы
При поиске полезных ископаемых методы зависят от электрохимической активности, изменения удельного сопротивления и эффектов диэлектрической проницаемости. Сам потенциал основывается на окислении верхней поверхности металлических сульфидных минералов.
Резистивность использует передачу тока от генератора к другому источнику и определяет разность потенциалов. Удельное сопротивление породы зависит от пористости, солености и прочих факторов. Скалы с глиной наделены низким удельным сопротивлением. Этим методом можно изучать подводные воды.
Зондирование точно вычисляет, как удельное сопротивление меняется с глубиной. Токи с диапазоном в 500-5000 Гц проникают глубоко. Частота помогает определить уровень глубины. Естественные токи индуцируются из-за возмущений в атмосфере или атаке верхнего слоя солнечным ветром. Они охватывают широкий диапазон, поэтому позволяют исследовать различные глубины эффективнее.
Но электрические методы не способны проникнуть слишком глубоко, поэтому не дают полноценных сведений о нижних слоях. Но с их помощью можно изучить металлические руды.
Радиоактивные методы
Этим способом можно выявить руды или горные породы. Наиболее естественная радиоактивность поступает от урана, тория и радиоизотопа калия. Сцинтиллометр помогает обнаружить гамма-лучи. Главный эмиттер – калий-40. Иногда скалу специально облучают, чтобы измерить воздействие и ответную реакцию.
Геотермические методы
Вычисление температурного градиента приводит к определению аномалии теплового потока. Земля наполнена различными жидкостями, химический состав и перемещение которых определяются чувствительными детекторами. Элементы трассировки иногда связаны с углеводородами. Геохимические карты помогают отыскать промышленные отходы и загрязненные участки.
Раскопки и выборка
Чтобы идентифицировать различные виды топлива, нужно добыть образец. Многие скважины создаются вращательным способ, где жидкость циркулирует через долото для смазки и охлаждение. Иногда используют перкуссию, где тяжелое сверло опускают и поднимают, чтобы срезать куски скал.
Выводы о земных глубинах
О форме узнали в 1742-1743 гг., а среднюю плотность и массу вычислил Генри Кавендиш в 1797 году. Позже выяснили, что плотность горных пород на поверхности ниже показателя средней плотности, а значит данные внутри планеты должны быть выше.
В конце 1500-х гг. Уильям Гилберт изучил магнитное поле. С того момента узнали о дипольном характере и перемене геомагнитного поля. Волны землетрясений наблюдали в 1900-х гг. Черта между корой и мантией характеризуется крупным ростом скорости на разрыве Мохоровича с глубиной в 24-40 км. Граница мантии и ядра – разрыв Гутенберга (глубина – 2800 км). Внешнее ядро жидкое, потому что не пропускает поперечные волны.
В 1950-х гг. случилась революция в понимании нашей планеты. Теории континентального дрейфа перешли в тектонику плит, то есть литосфера плавает на астеносфере. Пластины смещаются и формируется новая океаническая кора. Также литосферы могут сближаться, удаляться и врезаться. Многие землетрясения возникают на местах субдукции.
Об океанической коре узнали благодаря серии буровых скважин. В рифтовых участках материал из мантийных колодцев охлаждается и затвердевает. Постепенно осадки накапливаются и создается базальтовый фундамент. Кора тонкая (5-8 км в толщину) и практически вся молодая (меньше 200 000 000 лет). Но реликты достигают возраста в 3.8 млрд. лет.
Континентальная кора намного старше и формировалась сложнее, поэтому ее тяжелее изучать. В 1975 году команда ученых использовала сейсмические методы, чтобы найти залежи нефти. В итоге им удалось обнаружить несколько низкоугловых тяговых листов под горами Аппалачи. Это сильно отразилось на теории формирования континентов.
Для чего нужны современные методы изучения Земли?
Ответы:
Методы исследования в географии на сегодняшний день остаются все теми же, что и раньше. Однако это вовсе не означает, что они не претерпевают изменения. Появляются новейшие методы географических исследований, позволяющие значительно расширить возможности человечества и границы непознанного. Но прежде, чем рассмотреть эти новшества, необходимо разобраться в привычной классификации. Методы географических исследований - это различные способы получения информации в рамках науки географии. Они подразделяются на несколько групп. Итак, картографический метод представляется собой использование карт, как основного источника информации. Они могут дать представление не только о взаиморасположении объектов, но и их размерах, о степени распространения различный явлений и еще массу полезной информации. Статистический метод говорит о том, что нельзя рассматривать и изучать народы, страны, природные объекты без использования статистических данных. То есть очень важно знать какова глубина, высота, запасы природных ресурсов той или иной территории, ее площадь, численность населения отдельно взятой страны, ее демографические показатели, а также показатели производства. Исторический метод подразумевает, что наш мир развивался и все на планете имеет свою богатую историю. Таким образом, для того чтобы изучать современную географию, необходимо обладать знаниями об истории развития самой Земли и человечества, проживающего на ней. Методы географических исследований продолжает экономико-математический метод. Это не что иное, чем цифры: расчеты смертности, рождаемости, плотности населения, ресурсообеспе Сравнительно-географический метод помогает более полно оценить и описать различия и сходства географических объектов. Ведь все в этом мире подлежит сравнению: меньше или больше, медленнее или быстрее, ниже или выше и так далее. Этот метод позволяет составлять классификации географических объектов и прогнозировать их изменения. Методы географических исследований невозможно себе представить без наблюдений. Они могут быть непрерывными или периодическими, площадными и маршрутными, дистанционными или стационарными, тем менее все они предоставляют важнейшие данные о развитии географических объектах и тех изменениях, которые они претерпевают. Невозможно изучить географию, сидя за столом в кабинете или за школьной партой в классе, необходимо научиться извлекать полезную информацию из того, что можно увидеть собственными глазами. Одним из важных методов исследования географии был и остается метод географического районирования. Это выделение экономических и природных (физико-географических) районов. Не менее важен и метод географического моделирования. Всем нам еще со школьной скамьи известен самый яркий пример географической модели - глобус. Но моделирование может быть машинным, математическим и графическим. Географический прогноз - это умение предсказывать последствия, которые могут возникнуть вследствие развития человечества. Этот метод позволяет уменьшить негативное воздействие деятельности людей на окружающую среду, избежать нежелательных явлений, рационально использовать всевозможные ресурсы и так далее. Современные методы географических исследований явили миру ГИС - геоинформационные системы, то есть комплекс цифровых карт, привязанных к ним программных средств и статистики, которые дают людям возможность работать с картами прямо на компьютере. А благодаря сети Интернет появились системы подспутникового позиционирования, известные в народе, как GPS. Они состоят из наземных средств слежения, навигационных спутников и различных приборов, принимающих информацию и определяющих координаты. Все эти методы взаимосвязаны.Например невозможно изучить любую страну полностью,если исключить хотя бы один из этих методов Примеров много,зная методы можно и самой их составить...
Конспект урока на тему " Современные космические методы изучения Земли на службе
Цель : ознакомление с возможностями космических методов изучения Земли и применением результатов исследования в различных сферах деятельности человека.
Задач и:
изучение способ съемки Земли из космоса
ознакомление с историей и современным состоянием космического метода, достижениями отечественной и зарубежной космонавтики, перспективами развития
ознакомление с космическими снимками и овладеть основами визуального дешифрирования космических изображений
Космические исследования и освоение космического пространства – одно из важнейших проявлений современной научно-технической революции. С покорением космоса человечество открыло много нового и неизвестного. Появилась возможность изучать свой дом – Землю на расстоянии. Так было положено начало космическим методам изучения Земли.
Космические методы относятся к дистанционным, т.к. исследуемый объект изучается на дистанции. Дистанционное зондирование – это получение информации об объекте без вступления с ним в прямой контакт.
Полученные таким образом сведения имеют в науке огромную ценность. Оказалось, что дистанционные космические методы имеют существенные преимущества перед наземными методами. Прежде всего, возможность получения изображения Земли в разных масштабах (от глобального до локального), оперативность, возможность повторить исследование неоднократно. Съемка из космоса позволяет охватить единым взглядом обширные пространства и одновременно рассмотреть многообразные детали строения местности, в том числе те, которые не заметны в поверхности Земли.
В своем развитии дистанционное зондирование (исследование) имеет несколько этапов:
В 18 веке с помощью простейшей камеры-обскуры – светонепроницаемой коробки с небольшим отверстием в центре – получали рисованные снимки. Съемку делали с высоты птичьего полета на воздушном шаре. По таким снимкам составляли топографические карты местности. Это была сложная кропотливая работа.
С открытием фотографии в 1839 г. дело пошло значительно быстрее. Впервые стало возможным постоянно и объективнофиксировать изображение. Первоначально фотоаппараты размещались на простых летательных аппаратах (воздушные шары, воздушный змей) и даже птицах. Это была аэрофотосъемка местности.
Следующий шаг к тому, что мы теперь называем дистанционным зондированием, был связан с развитием самолетостроения. Уже в начале 20 века были получены аэрофотоснимки с самолетов. В годы Первой мировой войны выполняли аэрофотосъемку в разведывательных целях.
В 30-ые годы 20 века аэрофотосъемка заменила наземную съемку и стала основным методом составления карт. Так, к середине 50-х годов с помощью аэрофотоснимков были составлены топографические карты всей территории СССР.
Важнейшим толчком в развитии метода дистанционно зондирования послужило покорение космоса человеком. В 60-ые годы 20 века стало возможным получение снимков, сделанных из космоса. Это событие послужило толчком в разработке новых типов съемочных аппаратов. В США и СССР разрабатываются новые оптико-электронные системы – сканеры, выполняющие многозональнуюсъемка земной поверхности.
В 80-ые годы стало возможным широкое применение комических снимков во всех областях изучения земли.
В настоящее время вокруг Земли движется множество спутников-съемщиков разных стран, которые регулярно делают съемку Земли и поставляют на Землю тысячи разных снимков земной поверхности.
Для получения снимков различной степени детальности, спутники запускают на разные высоты. Выделяют три основных высотных яруса их полета :
Спутники самого верхнего яруса , запускаемые на высоту 36 000 км, летают над экватором. Их называют геостационарными, поскольку, вращаются вместе с земным шаром и делая полны оборот вокруг земли ровно за одни сутки. Такие спутник как бы висят в небе над одной и той же точкой земли. Геостационар может выполнить съемку почти целого полушария Земли.
К геостационарным спутникам относятся российский «Электро», спутник Евросоюза «М eteosat », американский « GOES - W » и « GOES - Е», японский « GMS », индийский « Insat ». Они ведут непрерывное глобальное «патрулирование» планеты, каждые полчаса передавая по радиоканалам обзорные снимки.
Спутники среднего яруса , орбита которых проходит над полюсами (поэтому их называют полярными), летают на высоте от 600 до 1500 км. Для съемки всей земной поверхности им требуется от одних суток до 2-3 недель.
К спутникам среднего яруса относятся: российский спутник «Метеор 1» и «Метеор2», американский спутник NOAA , спутники России «Ресурс – П», «Ресурс – О», американский Landsat , французский SPOT .
Спутники самого нижнего яруса , летающие на высоте 200-300 км, ведут детальную съемку отдельных участков земной поверхности, расположенных вдоль трассы полета.
Космические системы наблюдения Земли подразделяются по своему назначения на метеорологические, ресурсные, океанологические, картографические, навигационные, научно-исследовательские.
Для получения снимков со спутников применяют различную съемочную аппаратуру. Сравнивая ее с человеческими глазами, можно сказать, что эти глаза бывают разными – дальнозорким и близорукими, одни видят в темноте, другие сквозь туман и облака, есть даже «дальтоники», которые видят объекты в искаженных цветах.
Различают следующие группы таких аппаратов:
Фотографические аппараты . Получаемые таким аппаратом снимки называют плановые, т.к. по геометрическим свойствам они приближены к плану местности. С помощью космических фотоаппаратов получают снимки только в видимом диапазоне.
Спутниковые сканеры . В отличие от фотоаппаратов работают во многих диапазонах электромагнитного спектра (получают снимки не только в видимом, но и инфракрасном диапазоне)
Радиолокаторы . Если фотоаппараты и сканеры регистрируют отраженное объектами солнечное или собственное излучение, то радиолокаторы сами «освещают» местность радиолучом и принимают отраженный радиосигнал. Радиолуч как бы ощупывает, зондирует поверхность, чутко реагируя на ее шероховатость. Поэтому на радиолокационных снимках видны даже небольшие неровности рельефа.
В результате выполнения космических съемок накоплен многомиллионный фонд снимков. Для того, чтобы эффективно использовать эти изображения, они систематизированы, сгруппированы по возможностям их применения. При всем многообразии снимков у них можно выделить ряд общих характеристик:
Масштаб снимка . Снимки, как и карты, различаются по масштабу. Они бывают:
крупномасштабные – в 1 см – 10 м и даже крупнее.
среднемасштабные
мелкомасштабные (в 1 см – 100 км)
Масштаб снимка зависит от высоты выполнения съемки, фокусного расстояния аппарата, кривизны земной поверхности. От масштаба зависит обзорность снимка: на крупномасштабных снимках изображены лишь отдельные дома, на мелкомасштабных можно увидеть целые континенты.
Обзорность снимков – это охват территории одним снимком.
По обзорности снимки разделяют: глобальные (охватываю всю планету), крупнорегиональные (охватывают крупные регионы мира: Европа, Азия и т.д.), региональные (регион и его часть: Бельгия, Московская область); локальные (изображают небольшой участок местности: небольшой город, микрорайон)
Разрешение . С масштабом снимков связана их способность воспроизводить мелкие объекты и отдельные детали. Крупномасштабные снимки имеют разрешение в десятки сантиметров, т.е. на них могут быть видны даже ветки деревьев. Мелкомасштабные снимки имеют разрешение в несколько км, в результате наблюдатель видит очень большие участки леса или всю лесную зону.
Ретроспективность. Снимок объективно фиксирует состояние местности, отдельных объектов и явлений на момент съемки. Сопоставляя снимки разных лет, можно оценить динамику природных процессов: например, насколько отступил ледник, как растут овраги, изменяются площади лесов.
Стереоскопичность. Два снимка одно и того же участка местности, полученные с разных точек, образуют стереоскопическую (т.е. воссоздающую объемное изображение) пару снимков. Вооружившись стереоскопом, можно наблюдать по этим снимкам не плоское изображение, а объемную и очень выразительную модель местности. Это замечательное свойство снимков важно для изучения рельефа земной поверхности и составления карт.
Спектральный диапазон .Современная съемочная аппаратура способна делать съемку в разных диапазонах электромагнитного излучения.
По этому признаку выделяют три группы снимков:
в видимом диапазоне, который называют световым
в тепловом инфракрасном диапазоне
в радиодиапазоне.
От выбора диапазона зависит то, какие объекты будут изображены на снимках. На снимках в видимом диапазоне изображается все, что видно человеческим глазом; снимки в инфракрасном тепловом диапазоне позволяют определить температуру поверхности, а радиодиапазоне – ее шероховатость (т.е. неровности поверхности). Очень часто одновременно получают не один, а целую серию снимков в разных спектральных диапазонах. Такие снимки называются многозональными .
С космическим методом изучения земли, появлением космической съемки и съемочной аппаратуры, расширились возможности визуальных наблюдений. Человеческий глаз воспринимает только световое излучение, а современные приборы позволяют «видеть» земную поверхность в невидимых лучах: ультрафиолетовых, инфракрасных, в радиодиапазоне. И каждый прибор «видит» то, что не различают другие.
Спутниковая информация представляет огромную ценность не только для науки. Она позволяет решить ряд задач во многих отраслях экономики. Например: в сельском хозяйстве. Так, спутниковая информация позволяет обнаружить районы, пораженные засухой, вредителями, техногенными выбросами. Интересный факт: В 70-е и 80-е гг. Советский Союз закупал в больших объемах зерно за рубежом – в США, Канаде и других странах. Нет сомнения, что зарубежные партнеры при определении цены учитывали виды на урожай и использовали спутниковую информацию для оценки состояния сельхозугодий в СССР.
Активно используется космический мониторинг в борьбе с лесными пожарами. По данным, полученным со спутников, можно определить координаты очагов пожаров, площадь и объем сгоревшего леса, величину экономического ущерба. Например: на фото, сделанном в районе Амурской области летом 2014 года, четко выделяются очаги пожаров с дымовыми шлейфами.
По космоснимкам можно осуществлять экологический контроль атмосферного воздуха, отслеживая загрязнение снежного покрова и дымовые выбросы промышленных предприятий. На рисунке представлена карта экологического состояния воздушного бассейна над Москвой. Как видно, наиболее загрязненными районами являются районы железнодорожных вокзалов и территория вокруг завода имени Лихачева.
Данные дистанционного зондирования Земли, благодаря периодичности спутниковой съемки, позволяют оперативно оценить обстановку в районах возникновения стихийных бедствий (наводнений, циклонов, засух, землетрясений, пожаров) и служат основой для своевременного прогноза природных катастроф.
Пример мы видим на слайде: представлены два снимка одно и того же участка побережье Индонезии в декабре 2004 года с интервалом в несколько часов. Хорошо видны последствия цунами, охватившего побережье Индийского океана.
На следующих фотографиях, сделанных с интервалом 10-15 лет, можно наблюдать возникновение проблемы, связанной с пересыханием озера Чад. Подобное явление переживает и Аральское море.
Данные космического мониторинга можно использовать для принятия мер по предупреждению возникновения чрезвычайных ситуаций. Так, регулярный космический мониторинг ледовой обстановки на реках Сибири в весенний период позволяет своевременно выявлять места возникновения ледовых заторов с целью их ликвидации (например, взрывным методом) и тем самым не допустить возникновения сильного наводнения, приводящего к большому социальному и материальному ущербу.
Одной из наиболее важных задач, которую можно решить с помощью данных дистанционного зондирования Земли, является контроль развития инфраструктуры территории для целей регионального планирования. Как правило, при решении задач регионального планирования используются топографические карты. Но, как показывает опыт, данные карты перестают отражать истинное положение дел уже через несколько лет после составления. Появляются новые дороги, населенные пункты и др., не намеченные на карте. Все это в значительной степени затрудняет процесс регионального планирования. В этой связи применение систем дистанционного зондирования Землиоткрывает большие возможности для организации эффективного регионального планирования, особенно в условиях бурного развития страны или отдельных ее территорий.
Рисунок иллюстрирует вышесказанное. Как видно, сопоставление топографической карты района Туапсе, составленной в 1994 г., с космическим снимком того же района 2009 г. наглядно показывает преимущества использования систем дистанционного зондирования Земли. По снимку можно провести уточнение береговой линии, выявить вновь появившиеся объекты, не отмеченные на топографической карте.
Мы убедились, что в настоящее время космические снимки необходимы не только географам, но и метеорологам, геологам, картографам. С помощью космических снимков изучают строение земной коры, ищут полезные ископаемые, обнаруживают лесные пожары, исследуют богатые рыбой районы в океане. Таким образом, космический метод изучения Земли популярен, актуален, представляет неограниченные возможности.
Активно использовать данные дистанционного зондирования Земли имеют возможность не все отрасли и предприятия страны. Некоторые субъекты Федерации ввели в практику применение космоснимков для решения региональных задач. На территории Ярославской области крупными организациями, которые ввели в практику использование космоснимков являются «Геомониторинг» для исследования подземных вод, компании «Кадастр» и «Недра». Мы обнаружили, что существует проект программы использования данных дистанционного зондирования Земли для планирования территории Ярославля, разработке его генерального плана. С помощью снимка, сделанного из космоса, можно оперативно определить наиболее загруженные дороги с тем, чтобы с большей эффективностью спланировать строительство новых транспортных магистралей. Данные дистанционного зондирования пригодятся в планировании городской застройки и пригородных территорий, в решении экологических вопросов, для планирования системы озеленения и санитарных зон предприятий. Будем надеяться, что современные достижения в области космического мониторинга будут основой эффективного управления нашего региона.
Уже сейчас у каждого из нас есть персональный доступ к результатам космического зондирования Земли для использования в образовательных целях. Еще несколько лет назад это было бы фантастикой. Но ведь запуск первого искусственного спутника Земли и первый полет человека в космос даже за несколько лет до их осуществления тоже казался необыкновенной фантастикой.
Знание обладает великолепной особенностью – постоянно напоминает, что оно лишь трамплин в будущее и слишком много нам еще не известно. Выход человека в космос позволил решить много новых задач и сделать новые открытия. Но процесс познания таков, что, решая одни задачи, мы сталкивается с новыми нерешенными проблемами, ведь сам процесс познания бесконечен.
Методы исследования строения Земли
Большинство частных наук о Земле составляют науки о ее поверхности, включая атмосферу. Пока человек не проник в глубь Земли далее 12 – 15 км (Кольская сверхглубокая скважина). С глубин примерно до 200 км разными путями выносится наружу вещество недр и оказывается доступным для исследования. Сведения о более глубоких слоях добываются косвенными методами:
Регистрацией характера прохождения сейсмических волн разных типов через земные недра, изучением метеоритов как реликтовых остатков прошлого, отражающих состав и структуру вещества протопланетного облака в зоне формирования планет земной группы. На этой основе делаются выводы о совпадении вещества метеоритов определенного типа с веществом тех или других слоев земных глубин. Выводы о составе земных недр, опирающиеся на данные о химико-минералогическом составе выпадающих на землю метеоритов не считаются надежными, так как нет общепризнанной модели образования и развития Солнечной системы.
Строение Земли
Зондирование недр земли сейсмическими волнами позволило установить их оболочечное строение и дифференцированность химического состава.
Различают 3 главные концентрически расположенные области: ядро, мантия, кора. Ядро и мантия в свою очередь подразделяются на дополнительные оболочки, различающиеся физико-химическими свойствами (рис.51).
Рис.51 Строение Земли
Ядро занимает центральную область земного геоида и разделяется на 2 части. Внутреннее ядро находится в твердом состоянии, оно окружено внешним ядром , пребывающим в жидкой фазе. Между внутренним и внешним ядрами нет четкой границы, их различает переходная зона . Считается, что состав ядра идентичен составу железных метеоритов. Внутреннее ядро состоит из железа (80 %) и никеля (20%). Соответствующий сплав при давлении земных недр имеет температуру плавления порядка 4500 0 С. Внешнее ядро содержит железо (52 %) и эвтектику (жидкая смесь твердых веществ), образуемую железом и серой (48 %). Не исключается небольшая примесь никеля. Температура плавления такой смеси оценивается 3200 0 С. Чтобы внутренне ядро оставалось твердым, а внешнее жидким, температура в центре Земли не должна превышать 4500 0 С, но и не быть ниже 3200 0 С. С жидким состоянием внешнего ядра связывают представления о природе земного магнетизма.
Палеомагнитные исследования характера магнитного поля планеты в далеком прошлом, основанные на измерениях остаточной намагниченности земных пород, показали, что на протяжении 80 млн. лет имело место не только наличие напряженности магнитного поля, но и многократное систематическое перемагничивание, в результате которого северный и южный магнитные полюса Земли менялись местами. В периоды смены полярности наступали моменты полного исчезновения магнитного поля. Следовательно, земной магнетизм не может создаваться постоянным магнитом за счет стационарной намагниченности ядра или какой – то его части. Предполагают, что магнитное поле создается процессом, названным эффектом динамомашины с самовозбуждением. Роль ротора (подвижного элемента) динамо может играть масса жидкого ядра, перемещающаяся при вращении Земли вокруг своей оси, а система возбуждения образуется токами, создающими замкнутые петли внутри сферы ядра.
Плотность и химический состав мантии, по данным сейсмических волн, резко отличаются от соответствующих характеристик ядра. Мантию образуют различные силикаты (соединения, в основе которых кремний). Предполагается, что состав нижней мантии подобен составу каменных метеоритов (хондритов).
Верхняя мантия непосредственно связана с самым внешним слоем – корой. Она считается «кухней», где приготовляются многие слагающие кору породы или их полуфабрикаты. Полагают, что верхняя мантия состоит из оливина (60%), пироксена (30 %) и полевого шпата (10 %). В определенных зонах этого слоя происходит частичное плавление минералов и образуются щелочные базальты – основа океанической коры. Через рифтовые разломы среднеокеанических хребтов базальты поступают из мантии на поверхность Земли. Но этим не ограничивается взаимодействие коры и мантии. Хрупкая кора, обладающая высокой степенью жесткости, вместе с частью подстилающей мантии образует особый слой толщиной порядка 100 км, называемой литосферой. Этот слой опирается на верхнюю мантию, плотность которой заметно выше. Верхняя мантия обладает особенностью, определяющей характер ее взаимодействия с литосферой: по отношению к кратковременным нагрузкам она ведет себя как жесткий материал, а по отношению к длительным нагрузкам – как пластичный. Литосфера создает постоянную нагрузку на верхнюю мантию и под ее давлением подстилающий слой, называемой астеносферой , проявляет пластичные свойства. Литосфера «плавает» в нем. Такой эффект называют изостазией.
Астеносфера в свою очередь опирается на более глубокие слои мантии, плотность и вязкость которых возрастает с глубиной. Причина этого – сдавливание пород, вызывающее структурную перестройку некоторых химических соединений. Например, кристаллический кремний в обычном состоянии имеет плотность 2,53 г/см 3 , под действием возросших давлений и температур он переходит в одну из своих модификаций, названную стишовитом, плотность, которой достигает 4,25 г/см 3 . Силикаты, слагаемые такой модификацией кремния, имеют очень компактную структуру. В целом же литосфера, астеносфера и остальная мантия могут рассматриваться в качестве трехслойной системы, каждая из частей которой подвижна относительно других компонентов. Особой подвижностью отличается легкая литосфера, опирающаяся на не слишком вязкую и пластичную астеносферу.
Земная кора, образующая верхнюю часть литосферы, в основном слагается из восьми химических элементов: кислород, кремний, алюминий, железо, кальций, магний, натрий и калий. Половина всей массы коры приходится на кислород, который содержится в ней в связанных состояниях, в основном в виде окислов металлов. Геологические особенности коры определяются совместными действиями на нее атмосферы, гидросферы и биосферы – этих трех внешних оболочек планеты. Состав коры и внешних оболочек непрерывно обновляется. Благодаря выветриванию и сносу вещество континентальной поверхности полностью обновляется за 80 – 100 млн. лет. Убыль веществ континентов восполняется вековыми поднятиями их коры. Жизнедеятельность бактерий, растений и животных сопровождается полной сменой содержащейся в атмосфере углекислоты за 6-7 лет, кислорода – за 4 000 лет. Вся масса гидросферы (1,4 · 10 18 т) целиком обновляется за 10 млн. лет. Еще более фундаментальный круговорот вещества поверхности планеты протекает в процессах, связывающих все внутренние оболочки в единую систему.
Существуют стационарные вертикальные потоки, называемые мантийными струями, они поднимаются из нижней мантии в верхнюю и доставляют туда горючее вещество. К явлениям той же природы относят внутриплитовые «горячие поля», с которыми, в частности, связывают наиболее крупные аномалии в форме земного геоида. Таким образом образ жизни земных недр чрезвычайно сложен. Отклонения от мобилистских положений не подрывают идею тектонических плит и их горизонтальных движений. Но не исключено, что в недалеком будущем появится более общая теория планеты, учитывающая горизонтальные движения плит и незамкнутые вертикальные переносы горючего вещества в мантии.
Самые верхние оболочки Земли – гидросфера и атмосфера – заметно отличаются от других оболочек, образующих твердое тело планеты. По массе это совсем незначительная часть земного шара, не более 0,025 % всей его массы. Но значение этих оболочек в жизни планеты огромно. Гидросфера и атмосфера возникли на ранней стадии формирования планеты, а может быть, и одновременно с ее формированием. Нет сомнений, что океан и атмосфера существовали 3,8 млрд. лет назад.
Образование земли шло в русле единого процесса, вызвавшего химическую дифференциацию недр и возникновение предшественников современных атмосферы и гидросферы. Вначале из зерен тяжелых нелетучих веществ оформилось протоядро Земли, затем оно очень быстро присоединило вещество, ставшее впоследствии мантией. А когда Земля достигла примерно размеров Марса, начался период ее бомбардировки планетозималиями. Удары сопровождались сильным локальным разогревом и плавлением земных пород и планетозималий. При этом выделялись газы и пары воды, содержащиеся в породах. А так как средняя температура поверхности планеты оставалась низкой, пары воды конденсировались, образуя растущую гидросферу. В этих столкновениях Земля теряла водород и гелий, но сохраняла более тяжелые газы. Содержание изотопов инертных газов в современной атмосфере позволяет судить об источнике, их породившем. Этот изотопный состав согласуется с гипотезой об ударном происхождении газов и воды, но противоречит гипотезе о процессе постепенной дегазации земных недр как источнике образования атмосферы и гидросферы. Океан и атмосфера безусловно существовали не только на протяжении всей истории Земли как сформировавшейся планеты, но и в течение основной фазы аккреции, когда протоземля имела размеры Марса.
Идея ударной дегазации, рассматриваемой как основной механизм образования гидросферы и атмосферы, получает все большее признание. Лабораторными экспериментами подтверждалась способность ударных процессов выделять из земных пород заметные количества газов, в том числе и молекулярного кислорода. А это означает, что некоторое количество кислорода присутствовало в атмосфере земли еще до того, как возникла на ней биосфера. Идеи абиогенного происхождения некоторой части атмосферного кислорода выдвигались и другими учеными.
Обе внешние оболочки – атмосфера и гидросфера – плотно взаимодействуют друг с другом и с остальными оболочками Земли, особенно с литосферой. На них оказывают прямое воздействие Солнце и Космос. Каждая из этих оболочек представляет собой открытую систему, обдающую определенной автономией и своими внутренними законами развития. Все, кто изучает воздушный и водный океаны, убеждены. Что объекты исследования обнаруживают удивительную тонкость организации, способность к саморегуляции. Но при этом ни одна из земных систем не выпадает из общего ансамбля, и их совместное существование демонстрирует не просто сумму частей, а новое качество.
Среди сообщества оболочек Земли особое место занимает биосфера. Она захватывает верхний слой литосферы, почти всю гидросферу и нижние слои атмосферы. Термин «биосфера» ввел в науку в 1875 г. австрийский геолог Э. Зюсс (1831 – 1914). Под биосферой понималась совокупность заселяющей поверхность планеты живой материи вместе со средой обитания. Новый смысл этому понятию придал В.И. Вернадский, рассматривавший биосферу как системное образование. Значимость этой системы выходит за пределы чисто земного мира, который представляет собой звено космического масштаба.
Возраст Земли
В 1896 году было открыто явление радиоактивности, это привело к развитию методов радиометрической датировки. Суть его заключается в следующем. Атомы некоторых элементов (урана, радия, тория и других) не остаются постоянными. Исходный, называемый материнский элемент спонтанно распадается, превращаясь в стабильный дочерний. Например, уран – 238, распадаясь, превращается в свинец – 206, а калий – 40 – в аргон – 40. Измеряя количество материнских и дочерних элементов в минерале, можно вычислить время, прошедшее с момента его образования: чем больше процент дочерних элементов, тем старше минерал.
Согласно радиометрической датировке, самым старым на Земле минералам 3,96 миллиарда лет, а самым старым монокристаллам – 4,3 миллиарда. Ученые считают, что сама Земля старше, потому что радиометрический отсчет ведется от момента кристаллизации минералов, а планета существовала в расплавленном состоянии. Эти данные вкупе с результатами исследований изотопов свинца в метеоритах позволяют сделать вывод о том, что вся Солнечная система сформировалась приблизительно 4,55 миллиарда лет тому назад.
5.5. Происхождение материков. Эволюция земной коры: тектоника литосферных плит
В 1915 году немецкий геофизик А. Вегенер (1880 - 1930) предположил, исходя из очертания континентов, что в геологический период существовал единый массив суши, названный им Пангеей (от греч. «вся земля»). Пангея раскололась на Лавразию и Гондвану. 135 млн. лет назад Африка отделилась от Южной Америки, а 85 млн. лет назад Северная Америка – от Европы; 40 млн. лет назад Индийский материк столкнулся с Азией и появились Тибет и Гималаи.
Решающим аргументом в пользу принятия данной концепции стало эмпирическое обнаружение в 50 – х гг.XX столетия расширения дна океанов, что послужило отправной точкой создания тектоники литосферных плит. В настоящее время считается, что континенты расходятся под влиянием глубинных конвективных течений, направленных вверх и в стороны и тянущих за собой плиты, на которых плавают континенты. Эту теорию подтверждают и биологические данные о распространении животных на нашей планете. Теория дрейфа континентов, основанная на тектонике литосферных плит, ныне общепризнанна в геологии.
Также в пользу этой теории говорит то, что береговая линия восточной части Южной Америки поразительно совпадает с береговой линией западной части Африки, а береговая линия восточной части Северной Америки – с береговой линией западной части Европы.
Одна из современных теорий, объясняющих динамику процессов в земной коре, называется теорией неомобилизма . Ее зарождение относится к концу 60 – х годов XX века и вызвано сенсационным открытием на дне океана цепи горных хребтов, оплетающих земной шар. Ничего подобного на суше нет. Альпы, Кавказ, Памир, Гималаи, даже вместе взятые, несравнимы с обнаруженной полосой срединных хребтов Мирового океана. Ее длина превышает 72 тыс. км.
Человечество как бы открыло неведомую прежде планету. Наличие узких впадин и больших котловин, глубоких ущелий, тянущихся почти непрерывно вдоль оси срединных хребтов, тысячи гор, подводных землетрясений, действующих вулканов, сильных магнитных, гравитационных и тепловых аномалий, горячих глубоководных источников, коллосальных скоплений железомарганцевых конкреций – все это обнаружено за короткий промежуток времени на дне океана.
Как выяснилось, океанической коре свойственно постоянное обновление. Она зарождается на дне рифта, секущего срединные хребты по оси. Сами хребты – из той же купели и тоже молоды. Океаническая кора «умирает» в местах расколов – там, где она подвигается под соседние плиты. Опускаясь в глубь планеты, в мантию и оплавляясь, она успевает отдать часть себя вместе с накопившимися на ней осадочными отложениями на строительство материковой коры. Расслоение недр Земли по плотности рождает своего рода течения в мантии. Эти течения обеспечивают поставку материала для разрастания океанического дна. Они же заставляют дрейфовать глобальные плиты с выступающими из Мирового океана континентами. Дрейф крупных плит литосферы с возвышающейся на них сушей и называется неомобилизмом.
Перемещение материков подтверждено в настоящее время наблюдениями с космических аппаратов. Нарождение океанской коры исследователи увидели своими глазами, приблизившись ко дну Атлантики, Тихого и Индийского океанов, Красного моря. Используя современную технику глубоководного погружения, акванавты обнаружили образование трещин в растягиваемом дне и молодые вулканчики, поднимающиеся из таких «щелей».
Методы изучения внутреннего строения и состава ЗемлиМетоды изучения внутреннего строения и состава Земли можно разделить на две основные группы: геологические методы и геофизические методы. Геологические методы базируются на результатах непосредственного изучения толщ горных пород в обнажениях, горных выработках (шахтах, штольнях и пр.) и скважинах. При этом в распоряжении исследователей имеется весь арсенал методов исследования строения и состава, что определяет высокую степенью детальности получаемых результатов. Вместе с тем, возможности этих методов при изучении глубин планеты весьма ограничены – самая глубокая в мире скважина имеет глубину лишь -12262 м (Кольская сверхглубокая в России), ещё меньшие глубины достигнуты при бурении океанического дна (около -1500 м, бурение с борта американского исследовательского судна «Гломар Челленджер»). Таким образом, непосредственному изучению доступны глубины, не превышающие 0,19% радиуса планеты.
Сведения о глубинном строении базируются на анализе косвенных данных, полученных геофизическими методами
, главным образом закономерностей изменения с глубиной различных физических параметров (электропроводности, механической добротности и т.д.), измеряемых при геофизических исследованиях. В основу разработки моделей внутреннего строения Земли положены в первую очередь результаты сейсмических исследований, опирающиеся на данные о закономерностях распространения сейсмических волн. В очагах землетрясений и мощных взрывов возникают сейсмические волны – упругие колебания. Эти волны разделяются на объёмные – распространяющиеся в недрах планеты и «просвечивающие» их подобно рентгеновским лучам, и поверхностные – распространяющиеся параллельно поверхности и «зондирующие» верхние слои планеты на глубину десятки – сотни километров.
Объемные волны, в свою очередь, разделяются на два вида – продольные и поперечные. Продольные волны, имеющие большую скорость распространения, первыми фиксируются сейсмоприёмниками, их называют первичными или Р-волнами (от англ. рrimary - первичные
), более «медленные» поперечные волны называют S-волны (от англ. secondary - вторичные
). Поперечные волны, как известно, обладают важной особенностью – они распространяются только в твёрдой среде.
На границах сред с разными свойствами происходит преломление волн, а на границах резких изменений свойств, помимо преломлённых, возникают отраженные и обменные волны. Поперечные волны могут иметь смещение, перпендикулярное плоскости падения (SH-волны) или смещение, лежащее в плоскости падения (SV-волны). При переходе границы сред с разными свойствами волны SH испытывают обычное преломление, а волны SV, кроме преломлённой и отражённой SV-волн, возбуждают P-волны. Так возникает сложная система сейсмических волн, «просвечивающих» недра планеты.
Анализируя закономерности распространения волн можно выявить неоднородности в недрах планеты - если на некоторой глубине фиксируется скачкообразное изменение скоростей распространения сейсмических волн, их преломление и отражение, можно заключить, что на этой глубине проходит граница внутренних оболочек Земли, различающихся по своим физическим свойствам.
Изучение путей и скорости распространения в недрах Земли сейсмических волн позволили разработать сейсмическую модель её внутреннего строения.
Сейсмические волны, распространяясь от очага землетрясения в глубь Земли, испытывают наиболее значительные скачкообразные изменения скорости, преломляются и отражаются на сейсмических разделах, расположенных на глубинах 33 км и 2900 км от поверхности (см. рис.). Эти резкие сейсмические границы позволяют разделить недра планеты на 3 главные внутренние геосферы – земную кору, мантию и ядро.
Земная кора от мантии отделяется резкой сейсмической границей, на которой скачкообразно возрастает скорость и продольных, и поперечных волн. Так скорость поперечных волн резко возрастает с 6,7-7,6 км/с в нижней части коры до 7,9-8,2 км/с в мантии. Эта граница была открыта в 1909 г. югославским сейсмологом Мохоровичичем и впоследствии была названа границей Мохоровичича (часто кратко называемой границей Мохо, или границей М). Средняя глубина границы составляет 33 км (нужно заметить, что это весьма приблизительное значение в силу разной мощности в разных геологических структурах); при этом под континентами глубина раздела Мохоровичича может достигать 75-80 км (что фиксируется под молодыми горными сооружениями – Андами, Памиром), под океанами она понижается, достигая минимальной мощности 3-4 км.
Ещё более резкая сейсмическая граница, разделяющая мантию и ядро, фиксируется на глубине 2900 км . На этом сейсмическом разделе скорость Р-волн скачкообразно падает с 13,6 км/с в основании мантии до 8,1 км/с в ядре; S-волны – с 7,3 км/с до 0. Исчезновение поперечных волн указывает, что внешняя часть ядра обладает свойствами жидкости. Сейсмическая граница, разделяющая ядро и мантию, была открыта в 1914 г. немецким сейсмологом Гутенбергом, и её часто называют границей Гутенберга , хотя это название и не является официальным.
Резкие изменения скорости и характера прохождения волн фиксируются на глубинах 670 км и 5150 км. Граница 670 км разделяет мантию на верхнюю мантию (33-670 км) и нижнюю мантию (670-2900 км). Граница 5150 км разделяет ядро на внешнее жидкое (2900-5150 км) и внутреннее твёрдое (5150-6371 км).
Существенные изменения отмечаются и на сейсмическом разделе 410 км , делящим верхнюю мантию на два слоя.
Полученные данные о глобальных сейсмических границах дают основание для рассмотрения современной сейсмической модели глубинного строения Земли.
Внешней оболочкой твёрдой Земли является земная кора , ограниченная границей Мохоровичича. Эта относительно маломощная оболочка, толщина которой составляет от 4-5 км под океанами до 75-80 км под континентальными горными сооружениями. В составе знмной коры отчетливо выделяется верхний осадочный слой , состоящий из неметаморфизованных осадочных пород, среди которых могут присутствовать вулканиты, и постилающая его консолидированная , или кристаллическая , кора , образованная метаморфизованными и магматическими интрузивными породами.Существуют два главных типа земной коры – континентальная и океанская, принципиально различающиеся по строению, составу, происхождению и возрасту.
Континентальная кора
залегает под континентами и их подводными окраинами, имеет мощность от 35-45 км до 55-80 км, в её разрезе выделяются 3 слоя. Верхний слой, как правило, сложен осадочными породами, включающими небольшое количество слабометаморфизованных и магматических пород. Этот слой называется осадочным. Геофизически он характеризуются низкой скоростью Р-волн в диапазоне 2-5 км/с. Средняя мощность осадочного слоя около 2,5 км.
Ниже располагается верхняя кора (гранито-гнейсовый или «гранитный» слой), сложенный магматическими и метаморфическими породами богатыми кремнезёмом (в среднем соответствующими по химическому составу гранодиориту). Скорость прохождения Р-волн в данном слое составляет 5,9-6,5 км/с. В основании верхней коры выделяется сейсмический раздел Конрада, отражающий возрастание скорости сейсмических волн при переходе к нижней коре. Но этот раздел фиксируется не повсеместно: в континентальной коре часто фиксируется постепенное возрастание скоростей волн с глубиной.
Нижняя кора (гранулито-базитовый слой) отличается более высокой скоростью волн (6,7-7,5 км/с для Р-волн), что обусловлено изменением состава пород при переходе от верхней мантии. Согласно наиболее приятой модели её состав соответствует гранулиту.
В формировании континентальной коры принимают участие породы различного геологического возраста, вплоть до самых древних возрастом около 4 млрд. лет.
Океанская кора имеет относительно небольшую мощность, в среднем 6-7 км. В её разрезе в самом общем виде можно выделить 2 слоя. Верхний слой – осадочный, характеризующийся малой мощностью (в среднем около 0,4 км) и низкой скоростью Р-волн (1,6-2,5 км/с). Нижний слой – «базальтовый» - сложенный основными магматическими породами (вверху – базальтами, ниже – основными и ультраосновными интрузивными породами). Скорость продольных волн в «базальтовом» слое нарастает от 3,4-6,2 км/с в базальтах до 7-7,7 км/с в наиболее низких горизонтах коры.
Возраст древнейших пород современной океанской коры около 160 млн. лет.
Мантия представляет собой наибольшую по объёму и массе внутреннюю оболочку Земли, ограниченную сверху границей Мохо, снизу – границей Гутенберга. В её составе выделяется верхняя мантия и нижняя мантия, разделённые границей 670 км.
Верхняя мания по геофизическим особенностям разделяется на два слоя. Верхний слой - подкоровая мантия - простирается от границы Мохо до глубин 50-80 км под океанами и 200-300 км под континентами и характеризуется плавным нарастанием скорости как продольных, так и поперечных сейсмических волн, что объясняется уплотнением пород за счёт литостатического давления вышележащих толщ. Ниже подкоровой мантии до глобальной поверхности раздела 410 км расположен слой пониженных скоростей. Как следует из названия слоя, скорости сейсмических волн в нем ниже, чем в подкоровой мантии. Более того, на некоторых участках выявляются линзы, вообще не пропускающие S-волны, это даёт основание констатировать, что вещество мантии на этих участках находится в частично расплавленном состоянии. Этот слой называют астеносферой (от греч. «asthenes» - слабый и «sphair» - сфера ); термин введён в 1914 американским геологом Дж. Барреллом, в англоязычной литературе часто обозначаемый LVZ – Low Velocity Zone . Таким образом, астеносфера – это слой в верхней мантии (расположенный на глубине около 100 км под океанами и около 200 км и более под континентами), выявляемый на основании снижения скорости прохождения сейсмических волн и обладающий пониженной прочностью и вязкостью. Поверхность астеносферы хорошо устанавливается и по резкому снижению удельного сопротивления (до значений около 100 Ом . м).
Наличие пластичного астеносферного слоя, отличающегося по механическим свойствам от твёрдых вышележащих слоёв, даёт основание для выделения литосферы - твердой оболочки Земли, включающей земную кору и подкоровую мантию, расположенную выше астеносферы. Мощность литосферы составляет от 50 до 300 км. Нужно отметить, что литосфера не является монолитной каменной оболочкой планеты, а разделена на отдельные плиты, постоянно движущиеся по пластичной астеносфере. К границам литосферных плит приурочены очаги землетрясений и современного вулканизма.
Глубже раздела 410 км в верхней мантии повсеместно распространяются и P-, и S-волны, а их скорость относительно монотонно нарастает с глубиной.
В нижней мантии , отделённой резкой глобальной границей 670 км, скорость Р- и S-волн монотонно, без скачкообразных изменений, нарастает соответственно до 13,6 и 7,3 км/с вплоть до раздела Гутенберга.
Во внешнем ядре скорость Р-волн резко снижается до 8 км/с, а S-волны полностью исчезают. Исчезновение поперечных волн даёт основание предполагать, что внешнее ядро Земли находится в жидком состоянии. Ниже раздела 5150 км находится внутреннее ядро, в котором возрастает скорость Р-волн, и вновь начинают распространяться S-волны, что указывает на его твёрдое состояние.
Фундаментальный вывод из описанной выше скоростной модели Земли состоит в том, что наша планета состоит из серии концентрических оболочек, представляющих железистое ядро, силикатную мантию и алюмосиликатную кору.
Геофизическая характеристика Земли
Распределение массы между внутренними геосферами
Основная часть массы Земли (около 68%) приходится на ее относительно лёгкую, но большую по объёму мантию, при этом примерно 50% приходится на нижнюю мантию и около 18% – на верхнюю. Оставшиеся 32% общей массы Земли приходятся в основном на ядро, причем его жидкая внешняя часть (29% общей массы Земли) гораздо тяжелее, чем внутренняя твердая (около 2%). На кору остается лишь менее 1% общей массы планеты.
Плотность
Плотность оболочек закономерно возрастает к центру Земли (см. рис). Средняя плотность коры составляет 2,67 г/см 3 ; на границе Мохо она скачкообразно возрастает с 2,9-3,0 до 3,1-3,5 г/см 3 . В мантии плотность постепенно возрастает за счет сжатия силикатного вещества и фазовых переходов (перестройкой кристаллической структуры вещества в ходе «приспособления» к возрастающему давлению) от 3,3 г/см 3 в подкоровой части до 5,5 г/см 3 в низах нижней мантии. На границе Гутенберга (2900 км) плотность скачкообразно увеличивается почти вдвое – до 10 г/см 3 во внешнем ядре. Еще один скачок плотности – от 11,4 до 13,8 г/см 3 - происходит на границе внутреннего и внешнего ядра (5150 км). Эти два резких плотностных скачка имеют различную природу: на границе мантия/ядро происходит изменение химического состава вещества (переход от силикатной мантии к железному ядру), а скачок на границе 5150 км связан с изменением агрегатного состояния (переход от жидкого внешнего ядра к твердому внутреннему). В центре Земли плотность вещества достигает 14,3 г/см 3 .
Давление
Давление в недрах Земли рассчитывается на основании ее плотностной модели. Увеличение давления по мере удаления от поверхности обуславливается несколькими причинами:
сжатием за счет веса вышележащих оболочек (литостатическое давление);
фазовыми переходами в однородных по химическому составу оболочках (в частности, в мантии);
различием в химическом составе оболочек (коры и мантии, мантии и ядра).
У подошвы континентальной коры давление составляет около 1 ГПа (точнее 0,9*10 9 Па). В мантии Земли давление постепенно растет, на границе Гутенберга оно достигает 135 ГПа. Во внешнем ядре градиент роста давления увеличивается, а во внутреннем ядре, наоборот, уменьшается. Расчетные величины давления на границе между внутренним и внешним ядрами и вблизи центра Земли составляют соответственно 340 и 360 ГПа.
Температура. Источники тепловой энергии
Протекающие на поверхности и в недрах планеты геологические процессы в первую очередь обусловлены тепловой энергией. Источники энергии подразделяются на две группы: эндогенные (или внутренние источники), связанные с генерацией тепла в недрах планеты, и экзогенные (или внешние по отношению к планете). Интенсивность поступления тепловой энергии из недр к поверхности отражается в величине геотермического градиента. Геотермический градиент – приращение температуры с глубиной, выраженной в 0 С/км. «Обратной» характеристикой является геотермическая ступень – глубина в метрах, при погружении на которую температура повысится на 1 0 С. Средняя величина геотермического градиента в верхней части коры составляет 30 0 С/км и колеблется от 200 0 С/км в областях современного активного магматизма до 5 0 С/км в областях со спокойным тектоническим режимом. С глубиной величина геотермического градиента существенно уменьшается, составляя в литосфере, в среднем около 10 0 С/км, а в мантии – менее 1 0 С/км. Причина этого кроется в распределении источников тепловой энергии и характере теплопереноса.
Источниками эндогенной энергии
являются следующие.
1. Энергия глубинной гравитационной дифференциации
, т.е. выделение тепла при перераспределении вещества по плотности при его химических и фазовых превращениях. Основным фактором таких превращений служит давление. В качестве главного уровня выделения этой энергии рассматривается граница ядро – мантия.
2. Радиогенное тепло
, возникающее при распаде радиоактивных изотопов. Согласно некоторым расчётам, этот источник определяет около 25% теплового потока, излучаемого Землёй. Однако необходимо принимать во внимание, что повышенные содержания главных долгоживущих радиоактивных изотопов – урана, тория и калия отмечаются только в верхней части континентальной коры (зона изотопного обогащения). Например, концентрация урана в гранитах достигает 3,5 10 –4 %, в осадочных породах – 3,2 10 –4 %, в то время как в океанической коре она ничтожно мала: около 1,66 10 –7 %. Таким образом, радиогенное тепло является дополнительным источником тепла в верхней части континентальной коры, что и определяет высокую величину геотермического градиента в этой области планеты.
3. Остаточное тепло
, сохранившееся в недрах со времени формирования планеты.
4. Твёрдые приливы
, обусловленные притяжение Луны. Переход кинетической приливной энергии в тепло происходит вследствие внутреннего трения в толщах горных пород. Доля этого источника в общем тепловом балансе невелика – около 1-2 %.
В литосфере преобладает кондуктивный (молекулярный) механизм теплопереноса, в подлитосферной мантии Земли происходит переход к преимущественно конвективному механизму теплопереноса.
Расчёты температур в недрах планеты дают следующие значения: в литосфере на глубине около 100 км температура составляет около 1300 0 С, на глубине 410 км – 1500 0 С, на глубине 670 км – 1800 0С, на границе ядра и мантии – 2500 0 С, на глубине 5150 км – 3300 0 С, в центе Земли – 3400 0 С. При этом в расчёт принимался только главный (и наиболее вероятный для глубинных зон) источник тепла – энергия глубинной гравитационной дифференциации.
Эндогенное тепло определяет протекание глобальных геоднинамических процессов. в том числе перемещение литосферных плит
На поверхности планеты важнейшую роль имеет экзогенный источник тепла – солнечное излучение. Ниже поверхности влияние солнечного тепла резко снижается. Уже на небольшой глубине (до 20-30 м) располагается пояс постоянных температур – область глубин, где температура остаётся постоянной и равна среднегодовой температуре района. Ниже пояса постоянных температур тепло связано с эндогенными источниками.
Магнетизм Земли
Земля представляет собой гигантский магнит с магнитным силовым полем и магнитными полюсами, которые располагаются поблизости от географических, но не совпадают с ними. Поэтому в показаниях магнитной стрелки компаса различают магнитное склонение и магнитное наклонение.
Магнитное склонение – это угол между направлением магнитной стрелки компаса и географическим меридианом в данной точке. Этот угол будет наибольшим на полюсах (до 90 0) и наименьшим на экваторе (7-8 0).
Магнитное наклонение – угол, образуемый наклоном магнитной стрелки к горизонту. В приближении к магнитному полюсу стрелка компаса займёт вертикальное положение.
Предполагается, что возникновение магнитного поля обусловлено системами электрических токов, возникающих при вращении Земли, в связи с конвективными движениями в жидком внешнем ядре. Суммарное магнитное поле складывается из значений главного поля Земли и поля, обусловленного ферромагнитными минералами в горных породах земной коры. Магнитные свойства характерны для минералов – ферромагнетиков, таких как магнетит (FeFe 2 O 4), гематит (Fe 2 O 3), ильменит (FeTiO 2), пирротин (Fe 1-2 S) и др., которые являются полезными ископаемыми и устанавливаются по магнитным аномалиям. Для этих минералов характерно явление остаточной намагниченности, которая наследует ориентировку магнитного поля Земли, существовавшего во время образования этих минералов. Реконструкция места положения магнитных полюсов Земли в разные геологические эпохи свидетельствует о том, что магнитное поле периодически испытывало инверсию - изменение, при котором магнитные полюсы менялись местами. Процесс изменения магнтиного знака геомагнитного поля длится от нескольких сотен до несмкольких тысяч лет и начинается с интенсивного понижения напряженности главного магнитного поля Земли практически до нуля, затем устанавливается обратная полярность и через некоторое время следует быстрое восстановление напряженности, но уже противоположного знака. Северный полюс занимал место южного и, наоборот, с примерной частотой 5 раз в 1 млн. лет. Современная ориентация магнитного поля установилась около 800 тыс. лет назад.
