Земля - конспект - Астрофизика, Конспект из Астрофизика
petr_j
petr_j17 June 2013

Земля - конспект - Астрофизика, Конспект из Астрофизика

PDF (137.5 KB)
13 страница
203количество посещений
Описание
Kazan State Finance and Economics Institute. Лекция конспект по предмету астрофизика. Земля удалена от Солнца в среднем на 149 600 000 км. Это расстояние называется астрономической единицей (а.е.). Свет, имея скорость ...
20очки
пункты необходимо загрузить
этот документ
скачать документ
предварительный показ3 страница / 13
это только предварительный показ
консультироваться и скачать документ
это только предварительный показ
консультироваться и скачать документ
предварительный показ закончен
консультироваться и скачать документ
это только предварительный показ
консультироваться и скачать документ
это только предварительный показ
консультироваться и скачать документ
предварительный показ закончен
консультироваться и скачать документ
?????

Земля Ударят часы на башне

Игрушечного Кремля,

И вспомнит свой день вчерашний

Планета-музей - Земля...

Ю.Н.

Спокойного

не ведал Солнца я

ни в ледниковые века, ни позже. Нет!

В волдырях,

в ожогах,

в сползшей коже жил эту жизнь,

летя вокруг тебя.

Семён Кирсанов

Земля удалена от Солнца в среднем на 149 600 000 км. Это расстояние называется астрономической единицей (а.е.). Свет, имея скорость 299 792 км/с, преодолевает это расстояние за 500 секунд, то есть примерно за 8 минут. Значит, с Земли мы видим события, происходящие на Солнце, с опозданием на 8 минут.

Орбита Земли почти круговая (эксцентриситет - 0,017). И всё же северной зимой Земля находится на 3,3% ближе к Солнцу, чем южной зимой. Облучение интенсивней северной зимой на 6,9%

Земля движется по этой орбите со скоростью 29,79 км/с и проходит путь вокруг Солнца за один год (365,26 суток).

Плоскость земной орбиты называется плоскостью эклиптики и примерно соответствует усреднённой плоскости Солнечной системы (большинство планет отклоняются от этой плоскости только на 1 - 3 градуса, и только Меркурий и Плутон вносят разнообразие - 7 и 17 градусов).

Период обращения Земли вокруг оси составляет 23 часа 56 минут, но из-за движения Земли по орбите от одного до другого солнечного восхода проходит 24 часа, причём не точно 24 часа, а в среднем 24 часа, так как орбита Земли не строго круговая.

Полярная ось Земли наклонена к эклиптике на 23,5 градуса. Поэтому характерна смена времён года.

Диаметр Земли - 12 756 км. Масса принята за единицу (5,98*1021 тонн). Плотность - 5,52 г/см3 (во столько раз тяжелее воды).

В центре Земли при температуре 5800 градусов Цельсия находится твёрдое железное ядро с относительно тонкой оболочкой из жидкого железа на расстоянии 3 000 км от центра планеты [Блоксхам, Габбинз, 1990]. Наличие жидкого ядра доказывается тем, что эта область Земли не пропускает поперечные сейсмические волны, то есть волны сдвига, а продольные сейсмические волны, или волны сжатия, здесь резко замедляются [Жарков, 1983]. Из-за быстрого вращения планеты железный океан течёт, и из-за этого течения возникает мощное магнитное поле нашей планеты (самоподдерживающийся механизм: получая энергию от тепловых ядерных реакций и вращения Земли, железо течёт в уже существующем магнитном

поле; от этого рождается электрический ток, который рождает магнитное поле, усиливающее магнитное поле всей планеты). Течения в ядре вызываются конвекцией: более горячее и лёгкое вещество всплывает и по инерции начинает отставать от вращения планеты, то есть дрейфовать на запад. Скорость дрейфа должна составлять примерно 1 мм в год [Жарков, 1983].

Над ядром находится мантия из твёрдого, но достаточно пластичного вещества, которое способно медленно течь, образуя мантийные струи (1320 - 1360 градусов Цельсия в верхней части). Мантия жидка для тысячелетних нагрузок и тверда для сейсмических волн и приливов. Сейсмически выявлены несколько слоёв мантии с разными свойствами.

Ещё выше находится отделённая поверхностью Мохоровича земная кора из относительно лёгких пород. Земная кора не текуча, но способна под действием или мантийных струй, или прочих причин разрываться в каких-то местах и сминаться в складки в других местах, образуя горы. Под материками толщина земной коры составляет 30 - 70 км, под океанами - 3 - 10 км [Энциклопедический словарь, т.1, 1963]. Земная кора состоит из верхней осадочной оболочки, под которой лежат гранитный слой (отсутствует в океанических впадинах) и более плотный базальтовый слой. Земную кору ещё называют литосферой [Энциклопедический словарь, т.1, 1963], но в сводке В.Н.Жаркова [1983] эти термины не рассматриваются в качестве синонимов: континентальная литосфера с корой примерно в 35 км составляет в толщину 200 км, а океаническая литосфера с корой в среднем в 6 км составляет в толщину 80 км, то есть литосфера - это более широкое понятие, чем земная кора, и включает также подкорковую зону.

Из-за тонкой твёрдой коры, вязкой мантии, жидкого ядра и эллипсоидальной формы Землю иногда образно сравнивают с яйцом, сваренным всмятку.

Земля - единственная планета Солнечной системы, где в большом количестве имеется жидкая вода (а не только в виде льда или пара). Вода пребывает в непрерывном движении и круговороте (океанические течения, испарение, дожди, течение рек).

Земля окружена атмосферой из азота (77 %) и кислорода (21 %). Два процента приходятся на водяные пары и другие газы, в том числе углекислый, который убивает жизнь в больших количествах, но необходим в малых количествах. Углекислый газ участвует в теплорегуляции земной атмосферы за счёт парникового эффекта. Важна также примесь в верхних слоях атмосферы озона, задерживающего опасные для всего живого ультрафиолетовые лучи. Воздух находится в непрерывном движении (циклоны, антициклоны, пассаты, муссоны и т.п.).

В атмосфере различаются тропосфера (8 - 9 км у полюсов, 11 км в умеренных широтах, 17 - 18 км в тропиках), тропопауза, стратосфера, стратопауза, мезосфера (50 - 30 км, озоносфера), ионосфера (до 300 км, метеоры, полярные сияния), экзосфера с двумя радиационными поясами - внутренним (500-10000 км, опасней, но пересекается космическими кораблями за 30 минут, что не опасно), внешний (до 100 000 км) [Улубеков, 1984 и др.]. Магнитные пояса состоят из заряженных частиц солнечного ветра (протонов и электронов), схваченных магнитным полем Земли и образующих структуру в виде двух "бубликов". Часть частиц отклоняется к полюсам Земли, где они вызывают полярные сияния и т.п. явления. При ослаблении магнитного поля Земли эти частицы начинают бомбить всё живое на планете (как и ультрафиолетовые лучи, с которыми их, однако, никак нельзя путать). Солнечный ветер (поток заряженных частиц, летящих от Солнца) сильно влияет на магнитосферу Земли и во время усиления солнечной активности частично "сдувает" её на противоположную от Солнца сторону планеты в виде длинного "хвоста". Озоносфера особенно тонка близ полюсов, где иногда образуются озоновые "дыры" (вследствие промышленного загрязнения атмосферы и естественных причин, в том числе извержений вулканов; попавшие в атмосферу химически активные частицы взаимодействуют с озоном).

В образовании озоновых "дыр" в какой-то степени могут быть повинны сверхзвуковые самолёты и даже обычные лайнеры арктических рейсов [Самолёт - враг озоносферы, 1998], а также ракеты [Ракеты "дырявят" озоносферу, 1998]. Рассматриваются и возможные естественные причины "дыр" - образование обособленных "воронок" холодного воздуха [Стратосферный озон, 1993; Естественные причины возникновения озонной дыры, 1998]. Возникать эти "дыры" могут только над холодными частями планеты. Они особенно характерны для Антарктиды, но небольшая "дырочка" недавно найдена над Гренландией [Озоносфера..., 1989; "Озонная дыра"..., 1992].

Атмосферные явления нашей планеты мы до конца не знаем. Например, недавно были открыты вспышки на высоте 60 км фронтом по ширине от 10 до 50 км над Африкой и Тихим океаном. Они бывают примерно 100 раз в год. Радиоизлучение этих вспышек в 10 000 раз мощнее молний. Лётчики и раньше сообщали о них, но им не верили. Вспышки открыты американским спутником, предназначенным для регистрации ядерных взрывов (Открыто новое атмосферное явление, 1994). С недавних пор различаются три типа высотных вспышек: "феи" (иначе - "домовые"), "эльфы" и "синие струи" ["Эльфы", "феи"..., 1997], причём речь, кажется, идёт о вспышках вне Африки и Тихого океана. "Феи" бывают на высоте 50 - 90 км. Они мгновенные и красные. Возможно, связаны с космическими лучами, возмущающими ионосферу. "Эльфы" характерны для высот в 85 - 105 км. Они тоже красные, но кольцеобразные. Обычно бывают после вспышек молний в грозовых тучах под ними, но иногда наблюдаются вместе с "феями". Связаны со всплесками радиоволн, вызванными молниями и т.п. явлениями. Это словно круги от камешков на поверхности пруда, но радиоволновой природы. Механизм свечения "фей" и "эльфов", видимо, сходен: радиоимпульс в ионосфере ускоряет электроны, которые сталкиваются с молекулами азота и заставляют их излучать красный свет. "Синие струи" ниже других подобных явлений, они как бы стекают с грозовых туч, но это не молнии. Интересно, что какие-то вспышки наблюдались и на Венере, но природа их не была понята (см. выше). Наверное для того, чтобы понимать происходящее на других планетах, надо сначала досконально изучить Землю.

Мы же пока до конца не поняли даже наши "родные" полярные сияния. Ещё в 1900-х годах участники полярных экспедиций отмечали, что эти сияния часто повторяют линию побережий, но им не верили, так как объяснить это было трудно. В 1996 г. американский спутник "Polar" подтвердил существование явления, но причина его по-прежнему не ясна [Полярное сияние повторяет линию побережий, 1998].

Огромные светящиеся объекты (так называемые НЛО) наблюдались и в нижних слоях атмосферы. Например, в 4 часа утра 20-го сентября 1977 г. над Петрозаводском по направлению к Ладожскому озеру по сложной траектории проплыла "звезда" из ярко-белой центральной оболочки и менее яркой голубоватой области. Она была видна от Эстонии до Мурманска в течение 20 минут. Из центра вырывались снопы света. Излучение пульсировало и сменило цвет от зелёного к голубому и далее к красноватому. Интересно, что как раз в 4 часа утра вблизи этих мест с космодрома Плесецк был запущен спутник Земли "Космос-955", а на Солнце наблюдалась уникальная по силе вспышка, и, значит, на Земле была магнитная буря. Аналогичное сочетание событий было и в случае с некоторыми другими НЛО. Высказывается предположение, что подобные НЛО - это плазменные образования солнечно-магнитосферного происхождения, стимулированные техногенным воздействием, а кажущаяся немотивированность их движения связана с тем, что человек не ощущает скачкообразных изменений направленности и напряжённости электромагнитного поля [Авакян, Ковалёнок, 1992].

Не до конца изучены и "простые" молнии. Только недавно, например, выяснилось, что 85% молний разряжаются над сушей, которая занимает далеко не большую часть поверхности планеты. Эти данные получены японо-американским спутником "TRMM" в

ноябре 1997 г. [Спутник считает молнии, 1999]. Грозы характерны для летнего периода, а летом суша значительно теплее моря. Большие перепады температур способствуют мощным конвективным течениям атмосферы. Ветер поднимает заряженные ледяные кристаллики, чем способствует появлению электрически заряженных участков атмосферы.

Атмосфера тесно связана с планетой в целом. Так, например, через каждые 3 - 5 минут по всему Земному шару, как по гудящему колоколу, пробегает волна, которая регистрируется современными чуткими сейсмографами. Оказалось, что землетрясения к этому явлению не причастны, и волну создаёт трение движущихся воздушных потоков о поверхность планеты [Земля "звенит", 1998]. Свободные сейсмические колебания возникают из-за изменений атмосферного давления и имеют годичные вариации с пиком интенсивности в июле-августе. Имеется резонанс между колебаниями поверхности и свободными акустическими колебаниями атмосферы [Колебания недр Земли и её атмосферы, 2000].

В железный океан на поверхности ядра вонзаются перевёрнутые горы относительно твёрдого мантийного вещества, из-за которых движение жидких железных струй усложняется, становится неравномерным [Блоксхам, Габбинз, 1990]. Это приводит к непрерывным изменениям напряжённости магнитного поля, к отклонениям магнитной оси от оси вращения планеты, а также к блужданию магнитных полюсов. Изменения магнитного поля особенно хорошо изучены за последние 300 лет [Блоксхам, Габбинз, 1990]. Известно также, что магнитное поле за долгую историю нашей планеты неоднократно ослабевало до нуля и меняло знак. По вмороженным в горные породы силовым линиям магнитного поля вроде бы даже установили, что магнитное поле меняло знак с периодичностью в 285 и 34 миллиона лет, с чем пытались связывать периоды массового вымирания живых существ на планете из-за космических лучей (эти губительные для всего живого лучи способны достигать земной поверхности только в моменты отсутствия у Земли магнитного поля). Один из этих периодов даже попытались связать с периодом обращения Солнечной системы вокруг центра Нашей Галактики [Спор об обращениях магнитного поля Земли, 1989]. Тем не менее, есть публикации, в которых утверждается, что смена магнитных полюсов происходит нерегулярно, хаотично, в интервалы от 100 тысяч лет до 1 миллиона лет. Есть указания, что продолжительность эпох одной полярности в новейшее геологическое время составляла 200 000 лет, а в древнее время - 1 000 000 - 10 000 000 лет [Жарков, 1983], но какие-то из древних изменений могли быть не замечены. В общем, этот вопрос нельзя считать решённым. Чередующиеся геомагнитные эпохи различаются по преобладающей направленности геомагнитного поля, а внутри эпох выделяются эпизоды с противоположной полярностью.

Важны не только полные повороты магнитного поля, но и колебания его мощности. Примерно с середины 19-го века мощность уменьшается на 0,05% в год, и, если тенденция сохранится, поле должно исчезнуть через 2000 лет [Жарков, 1983]. Но вероятно, этого не произойдёт, так как мы имеем дело с какими-то постоянными колебаниями магнитного поля. Обычно поле менялось вокруг средней величины, близкой к современной. Вроде бы выявлены периоды таких колебаний: 550, 700, 1200, 1800, 7000, 8000 лет...

Магнитное поле Земли может меняться не только от "перевёрнутых" мантийных гор. Есть, например, предположение, что даже крупный метеорит может его изменить [Земля..., 1990]. В случае падения такого метеорита поднимается облако пыли. Да ещё пожары начинаются на целом континенте. Пыль и дым заслоняют солнце, и происходит похолодание на всей планете. Тогда на полюсах намерзает много льда, и Земля, со