Теории происхождения Солнечной системы

Небулярная гипотеза Канта—Лапласа. Согласно естественнонаучным взглядам философа И. Канта, орбитальное движение планет возникло «после нецентрального удара частиц как механизма возникновения первичной туманности» (ошибочное предположение, так как движение могло начаться только при косом ударе туманностей). Он считал причинами, противодействующими стремлению к «равновесию», химические процессы внутри Земли, которые зависят от космических сил и проявляются в виде землетрясений и вулканической деятельности (1755 г.).

П. Лаплас – французский ученый-физик, разделяя взгляды Канта в этот же период, исходил из предположения о горячей медленно вращающейся туманности, которая по мере охлаждения сжималась. По закону сохранения момента импульса, при этом росла скорость вращения, и центробежные силы отрывали от нее кольца. Материя в этих кольцах сжималась под действием тяготения, формируя компактные тела.

Приливная, или планетозимальная, гипотеза. В XX в. американские астрофизики Т. Чемберлен и Ф. Мультон рассмотрели идею встречи Солнца со звездой, вызвавшей приливной выброс солнечного вещества (1906 г.), из которого и образовались планеты.

С. Аррениус – американский астрофизик, допустил и прямое столкновение Солнца со звездой (1913 г.). Предполагается, что в результате появилось некое волокно, распавшееся при вращении на части – основу планет.

Еще один американский астрофизик – Дж. Джинс – предположил (1916 г.), что какая-то звезда прошла неподалеку от Солнца и вызвала «приливные выступы», принявшие форму газовых струй, из которых и возникли планеты.

Гипотеза захвата Солнцем межзвездного газа. Ее предположил шведский астрофизик X. Альфен (1942 г.). Атомы газа ионизировались при падении на Солнце и стали двигаться по орбитам в его магнитном поле, поступая в определенные участки экваториальной плоскости.

Академик-астрофизик В. Г. Фесенков (1944 г.) предположил, что образование планет связано с переходом от одного типа ядерных реакций в глубинах Солнца к другому.

Астроном и математик Дж. Дарвин и математик А. М. Ляпунов (40-е г. XX в.) рассчитали независимо друг от друга фигуры равновесия вращающейся жидкой несжимаемой массы.

Согласно взглядам О. Струве – английского астрофизика (40-е гг. XX в.), быстро вращающиеся звезды могут выбрасывать вещество в плоскости своих экваторов. В результате этого образуются газовые кольца и оболочки, а звезда теряет массу и момент количества движения.

Кометная гипотеза происхождения планет Солнечной системы. Эту популярную ныне гипотезу предложил А. А. Маркушевич (1992 г.). Сводится она к следующему. В газопылевой туманности, имеющей вид дискообразного вращающегося облака и состоящей из мелких пылевидных железосиликатных частиц и газов – воды и водорода, при понижении температуры газы намерзали на пылинки, увеличивая их размер. Возникал состав, свойственный составу комет. Частицы сталкивались между собой, большие по объему концентрировались в центре туманности, а меньшие оттеснялись на периферию, дав начало планетам. Шло укрепление и разрастание образующихся тел – астероидов, комет, планет. При образовании планет происходила аккреция (стяжение кометной массы), выделялась теплота, которая разогревала центр сгустка до расплавленного состояния и расслаивала водородную оболочку и железосиликатное ядро, которое позже расслоилось на железоникелевое ядро и силикатную оболочку, не позволявшую рассеиваться теплоте в космическом пространстве. Так планеты приобрели почти сферическую форму. По своим физическим характеристикам планеты Солнечной системы делятся на две группы: планеты земной группы и газовые (или планеты-гиганты).

Планеты Солнечной системы (земная группа). Крупнейшими после Солнца объектами Солнечной системы являются планеты и их спутники. Общая масса планет составляет 448 масс Земли, а спутников – 0,12 массы Земли. Суммарная масса планет и спутников составляет лишь 1/750 часть массы Солнца. Планеты Солнечной системы достаточно сильно отличаются друг от друга.

Ближайшие к Солнцу планеты – Меркурий, Венера, Земля и Марс – называются твердыми планетами, поскольку имеют плотность, в 4–5 раз превышающую плотность воды, и твердую поверхность. Плутон представляет собой несформировавшуюся твердую планету, по своим характеристикам напоминающую планеты первой группы. Кроме того, у Плутона есть спутник Xарон, лишь в два раза меньший Плутона. Наконец, существуют предположения о большой десятой темной планете.

Каждую из планет можно охарактеризовать по девяти основным параметрам. Это расстояние от Солнца, период обращения вокруг Солнца, период обращения вокруг своей оси, средняя плотность (г/см³), диаметр экватора в километрах, относительная масса (масса Земли принимается за единицу), температура поверхности, число спутников, преобладание газа в атмосфере.

Ближайшей к Солнцу планетой является Меркурий. Он состоит из большого железного ядра, расплавленной каменистой мантии и твердой коры. По внешнему виду Меркурий напоминает Луну. Его поверхность испещрена кратерами и огромными уступами (высотой до 3 км), сформировавшимися в результате остывания и сжатия поверхности планеты. Сила тяжести на Меркурии в два раза меньше земной, поэтому атмосфера практически отсутствует. На планете царят безмолвие и экстремальные температуры – до 350 °C на освещенной Солнцем стороне планеты и до -170 °C на ночной стороне.

Венера по размерам, массе и плотности сходна с Землей. Однако она имеет очень плотную атмосферу, пропускающую солнечное излучение и не выпускающую его обратно. Поэтому на Венере действует парниковый эффект, который сейчас отмечается и на Земле. В результате этого эффекта температура поверхности Венеры составляет 400500 °C. Поверхность Венеры сияет так ярко, что Венера занимает третье место по яркости (после Солнца и Луны) среди всех видимых с Земли объектов.

Ближайшее к Земле небесное тело – ее спутник Луна. Луна имеет небольшое ядро из железа и серы, окруженное полурасплавленной астеносферой. Над астеносферой расположена литосфера (твердая каменная оболочка), и над ней – кора из минералов, богатых кальцием и алюминием. Поверхность Луны изрыта кратерами, имеет огромные равнины (моря) и горы.

Планеты Солнечной системы (газовые). Вторая четверка планет (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун) – газообразные, большие, с плотностью 0,7–1,7 г/см³ (то есть чуть меньше или чуть больше плотности воды). Юпитер является крупнейшей планетой Солнечной системы. Вместе со своими 16 спутниками он составляет Солнечную систему в миниатюре. Масса Юпитера в три раза превосходит массу всех остальных планет Солнечной системы.

В центре Юпитера находится небольшое каменное ядро. Его окружает вначале слой металлического водорода, по свойствам напоминающего жидкий металл, затем слой жидкого водорода. Плотная атмосфера Юпитера состоит из водорода, гелия, метана и аммиака и по толщине в 8-10 раз превосходит земную атмосферу. Если попытаться высадиться на Юпитер, то космический аппарат будет долго тонуть в атмосфере, однако посадки так и не произойдет. Из 16 спутников Юпитера наиболее известны четыре, открытые еще Галилеем. Это Ио, Европа, Ганимед и Каллисто. Ио по размерам чуть больше Луны. Мощные приливные силы Юпитера разогревают ядро Ио, и на этом спутнике идет активная вулканическая деятельность.

Сатурн известен своими кольцами. В начале 1980-х гг. с помощью космического зонда «Вояджер» было выяснено, что кольца Сатурна состоят из огромного количества кусков льда различного размера – от пылинок до глыб. Помимо колец у Сатурна есть 17 спутников, из которых Титан имеет самую плотную атмосферу. У Сатурна самая низкая плотность среди планет Солнечной системы. Его небольшое ядро из льда и камня окружено слоями металлического и жидкого водорода. В атмосфере Сатурна бушуют ветры, скорость которых достигает 1800 км/ч. Уран, Нептун и Плутон удалены настолько, что достоверной информации об их составе не удавалось получить до 1986 г. В 1986 г. космический зонд «Вояджер-2» передал фотографии Урана и Нептуна, по которым были установлены состав атмосферы и наличие вихрей, а также обнаружены спутники этих планет.

Кометы, астероиды, метеорное вещество. Помимо 9 крупных спутников (планет) Солнце имеет множество мелких спутников, называемых астероидами. Большинство из них находится в поясе астероидов, между орбитами Марса и Юпитера. Есть также группа астероидов (Троянцы и Греки), движущаяся вдоль орбиты Юпитера, и другие группы. Всего в астрономических каталогах зафиксировано более 6000 малых планет.

Помимо астероидов, движущихся по орбитам, подобным орбитам планет, Солнечную систему пересекают кометы. Орбиты комет одним краем приближены к Солнцу, другим удалены от него, иногда на очень значительные расстояния. Например, удаленный край орбиты кометы Энке с периодом обращения 3,3 года не достигает орбиты Юпитера. Орбита кометы Галлея с периодом обращения 76 лет не достигает орбиты Плутона. Орбита кометы Когоутека с периодом обращения 75 000 лет выходит далеко за пределы орбиты Плутона.

По современным гипотезам, кометы представляют собой огромные глыбы из льда и камня, которые испаряются при подходе к Солнцу и образуют газовый и пылевой хвосты, направленные от Солнца. Со временем кометы рассыпаются, оставляя после себя облака пыли. Ежегодно в августе Земля проходит через полосу пыли, оставшуюся от кометы Свифта-Тутля, и в эти периоды можно наблюдать метеоритные дожди, называемые Персеидами. Землю ежесекундно бомбардируют тысячи метеоритов – обломков космических тел. Однако большинство из них сгорает в атмосфере, не достигая поверхности Земли. Крупные метеориты могут взрываться, оставляя кратеры на земной поверхности.

Вопросы для самопроверки

1. Что изучают астрономия, космология, космогония?

2. Какие единицы измерения расстояний используются в астрономии?

3. В чем сущность космологической модели расширяющейся Вселенной?

4. Как, предположительно, произошел Большой Взрыв Вселенной?

5. Каково среднее расстояние между галактиками?

6. Что такое квазары?

7. Как классифицируются галактики? Каково строение нашей Галактики?

8. Каков химический состав звезди каким образом он определяется?

9. Как характеризуется интенсивность блеска звезд?

10. На какие виды классифицируются звезды?

11. Каково строение Солнца?

12. Какие процессы являются источником солнечной энергии?

13. Охарактеризуйте гипотезы возникновения Солнечной системы.

14. Дайте общую характеристику планетам Солнечной системы.

Глава 7 ПЛАНЕТА ЗЕМЛЯ

7.1. Форма и размеры Земли

Земля является объектом изучения многих наук: от геологии и тектоники до философии и культуры. В совокупности этих наук выделяются отраслевые науки, изучающие отдельные части вертикальной и горизонтальной структуры Земли, и системные науки, синтезирующие всю совокупность знаний о Земле для решения теоретических или прикладных проблем.

Среди отраслевых наук особое развитие получили геология (наука о литосфере), гидрология (наука о гидросфере), климатология (наука об атмосфере), геофизика (наука, изучающая Землю как физическое тело), геохимия (наука, изучающая естественные химические процессы, протекающие в пределах Земли), геоморфология (наука, изучающая рельеф Земли), почвоведение (наука, изучающая почвы на поверхности Земли), биогеография (наука, изучающая распределение живого вещества на поверхности Земли).

К системным наукам относится география, синтезирующая знания отраслевых наук применительно к поверхности Земли. При этом физическая география изучает естественные природные комплексы, формирующиеся на поверхности Земли в результате взаимодействия биотических и абиотических факторов, а социально-экономическая география изучает социально-экономические комплексы, формирующиеся на поверхности Земли в результате освоения человеком ее территорий.

В IV в. до н. э. древнегреческий ученый Аристотель заметил, что тень от Земли на Луне, наблюдаемая во время лунных затмений, всегда имеет одинаковую круглую форму. Он предположил, что Земля, как Луна и Солнце, является шарообразным телом. Это наблюдение было очень важным для развития человеческой мысли.

Но Земля – не идеальный шар, она сплюснута у полюсов и расширена к экватору. Такое геометрическое тело называется сфероидом, или эллипсоидом вращения. Однако истинная форма Земли сложнее из-за неоднородного строения недр. Известный ученый В. И. Вернадский назвал такую форму геоид(«землеподобный»). Геоид – это фигура, поверхность которой всюду перпендикулярна направлению силы тяжести. Поверхность геоида совпадает с уровнем Мирового океана и сообщающихся с ним морей при некотором среднем уровне воды, отсутствии течений, волн, приливов и др.

В настоящее время с помощью космических методов исследования ученые с достаточной степенью точности могут составить модель поверхности Земли, которую по форме иногда сравнивают с обкусанным яблоком, подчеркивая при этом неоднородность ее поверхности.

Полярный радиус Земли составляет 6357 км, а экваториальный – 6378 км, то есть больше полярного на 21 км (рис. 7.1).

Рис. 7.1. Форма и размеры Земли

 

► Земная ось – это воображаемая прямая, проходящая через центр Земли. Две точки, через которые проходит ось Земли, называются полюсами. Их два – Северный и Южный.

На одинаковом расстоянии от полюсов проходит воображаемая линия – экватор. К северу от экватора – Северное полушарие, к югу – Южное. Длина экватора составляет немногим более 40 000 км.

7.2. Космические ритмы

Жизнь природы и человека подчинена космическим ритмам. В основе смены дня и ночи, лета и зимы, хороших и плохих лет лежат космические процессы, связанные с движением космических тел относительно друг друга.

Так, смена дня и ночи обусловлена вращением Земли вокруг своей оси, месячный и недельный ритмы обусловлены обращением Луны вокруг Земли, чередование сезонов года связано с обращением Земли вокруг Солнца (приближением и удалением от Солнца), чередование хороших и плохих лет – с солнечной активностью.

С солнечной активностью связывают три вида ритмов: 11-летний ритм, 22-23-летний ритм, 80-90-летний ритм. Обращение Земли вместе со всей Солнечной системой вокруг центра Галактики за 220–250 млн лет определяет геологическую ритмику, то есть смену геологических эпох.

Поскольку существуют еще гравитационные связи между планетами, движение комет и многие другие взаимодействия, количество космических ритмов может быть весьма значительным. Ясно, что все они так или иначе оказывают воздействие на неживую природу, живую природу и человека.

Наиболее очевидным ритмом является смена дня и ночи. Животный и растительный миры обязаны приспосабливаться к этому ритму для успешной жизнедеятельности.

Люди, наблюдая за Солнцем, заметили, что через определенное время повторяется восходи заход Солнца.

► Промежуток времени между двумя восходами (или заходами) называется сутками.

Солнце постоянно освещает Землю, однако во время своего движения Земля поворачивается к Солнцу то одной стороной, то другой. На освещенной Солнцем стороне бывает день, на противоположной – в это время ночь.

Земля совершает полный оборот вокруг своей оси с запада на восток за 24 часа, то есть за сутки. В разных местах земного шара, расположенных на разных меридианах, то есть имеющих разную долготу, в один и тот же момент часы показывают разное время суток. Но на одном и том же меридиане в каждой его точке от Северного полюса до Южного время суток оказывается одним и тем же. Это время называется местным.

Но пользоваться местным временем неудобно, это мешает при осуществлении связей между разными странами и между частями нашей огромной по протяженности с запада на восток страны. Поэтому астрономы разработали и предложили ввести систему поясного времени. Для удобства отсчета времени решением Международного конгресса поверхность Земли разделили меридианами на 24 часовых пояса, каждый из них включает в себя 15° долготы (Земля за 1 час поворачивается на 15°). Время каждого часового пояса отличается от последующего на 1 час. Нумерация поясов от 0 до 23 ведется с запада на восток от Гринвичского меридиана. Во всех пунктах, находящихся в пределах одного пояса, в данный момент считается одно и то же время. Москва находится во 2-м часовом поясе.

Во многих странах мира осуществляется переход на декретное время (от лат. decretum – указ, постановление) – поясное время, переведенное вперед или назад на 1 час с целью наиболее рационального использования светлой части суток (летнее или зимнее время). В России поясное время отличается от декретного на 1 час. Поэтому Москва, находясь во 2-м часовом поясе, практически живет по времени 3-го часового пояса. Таким образом, когда в Москве 13 часов (московское время), то в Париже – 11 часов (среднеевропейское время), в Лондоне – 10 часов (Гринвичское время) (рис. 7.2).

Скорость движения планет вокруг Солнца зависит в первую очередь от положения их орбит. Чем дальше находится планета от Солнца, тем больше ее орбита, тем длиннее ее год. Например, год на Юпитере продолжается почти 12 земных лет, на Сатурне – почти 30. Самая далекая планета Солнечной системы Плутон делает один оборот вокруг Солнца за 248 земных лет. Земля – третья по счету планета в Солнечной системе. Она совершает один оборот вокруг Солнца за 365 дней 6 часов 9 минут и 9 секунд. Для удобства считают, что в году 365 дней, а через каждые четыре года, когда из шести часов «накопятся» 24 часа, в году бывает 366 дней. Этот год называется високосным, а один день прибавляется к февралю.

Путь Земли вокруг Солнца – земная орбита – имеет форму эллипса. Среднее расстояние от Земли до Солнца 149,6 млн км. Ось вращения Земли наклонена к плоскости земной орбиты подуглом 66,5°.

Рис. 7.2. Часовые пояса Земли

Благодаря обращению Земли вокруг Солнца и постоянному наклону земной оси на нашей планете сменяются времена года и существуют пояса освещенности. Наблюдения показывают, что в нашу эпоху положение планеты в Солнечной системе практически не менялось и земной год– величина достаточно постоянная.

Смена времен года. На рис. 7.3 показано годовое движение Земли вокруг Солнца в разное время года. Летом Северное полушарие как бы повернуто к Солнцу, а зимой – наоборот. 23 сентября и 21 марта – дни осеннего и весеннего равноденствия, когда Солнце одинаково освещает оба полушария Земли. В этот день и в Северном и в Южном полушарии день равен ночи. 22 декабря – день зимнего солнцестояния: самый короткий день и самая длинная ночь в Северном полушарии. Земля обращена к Солнцу своим Южным полушарием. Там лето. У нас зима.

Рис. 7.3. Схема годового движения Земли вокруг Солнца

 

► Тропики (от греч. tropikos – круг поворота) – географические параллели 23°27 широты, на которых один раз в год, в один из дней солнцестояния, полуденное солнце бывает в зените.

22 декабря, в день зимнего солнцестояния, Солнце находится в полдень в зените для мест, лежащих в Южном тропике (тропик Козерога).

22 июня – день летнего солнцестояния, когда самый длинный день и самая короткая ночь в Северном полушарии. В этот день Солнце в зените наблюдают жители мест, расположенных в Северном тропике (тропик Рака). В Южном полушарии в это время зима, в Северном – лето.

► Полярные круги – географические параллели 66°33 широты, на которых в один из дней солнцестояния наблюдается полярный день, а в другой – полярная ночь. Они являются границами зон полярных ночей и полярных дней.

Полярная ночь может длиться в полярных поясах от 1 суток на широте Северного или Южного полярных кругов до 178 суток на Северном или Южном полюсах. Во время полярной ночи Солнце не появляется над горизонтом. В Северном полушарии на широте Северного полярного круга этот период начинается 22 декабря, а в более высоких широтах – раньше и длится дольше.

Полярный день – это период, когда Солнце не спускается за горизонт. Чем дальше от Полярного круга к полюсу, тем длиннее полярный день. На широте Полярного круга он длится 1 сутки, а на полюсе – 189 суток. В Северном полушарии на широте Северного полярного круга полярный день начинается 22 июня, а в более высоких широтах – раньше и длится дольше.

Аналогичное явление имеет место в Южном полушарии, но в другое полугодие.

Календарные системы. На основе космической ритмики созданы различные календарные системы. Известны византийский и иудейский календари, ведущие отсчет от мифического сотворения мира (01.09.5508 г. до н. э.), древнегреческий (начало отсчета – первые Олимпийские игры – 01.07.776 г. до н. э.), христианский (от даты рождения Христа – 01.01.01 г. н. э.), мусульманский (бегство Мухаммеда из Мекки – 16.07.622 г. н. э.).

Древнеегипетский календарь (солнечный) базировался на нескольких космических и природных ритмах. Так, главный цикл (продолжительностью 1460 лет) начинался с восхода звезды Сириус. Год состоял из 12 месяцев по 30 дней, 5 дней прибавлялись к последнему месяцу в конце каждого года. 12 месяцев распределялись по трем сезонам: сезону половодья (реки Нил), длившемуся с середины июля до середины ноября; сезону восходов (с середины ноября до середины марта); сезону засухи.

В настоящее время во всех цивилизованных странах используется григорианский календарь. Это солнечный календарь, разработанный врачом и математиком Л. Лилио и введенный папой римским Григорием XIII в 1582 г. Средняя продолжительность года в этом календаре – 365,2425 суток, что дает ошибку в одни сутки за 3300 лет. С 5 октября 1582 года (с 15 октября по григорианскому календарю) расхождение между старым (юлианским) и новым стилем составляло 10 суток, а с марта 1900 г. – уже 13 суток. В России григорианский календарь введен 1 февраля 1918 г. (14 февраля по григорианскому календарю).

Во многих мусульманских странах принят лунный календарь, базирующийся на смене фаз Луны, – новолуние; нарождающаяся Луна (серп повернут рожками влево); неполная Луна; полнолуние; снова неполная Луна; убывающая Луна (серп повернут рожками вправо). Период между двумя новолуниями (29,5 суток) – лунный месяц. В календарном месяце лунного календаря чередуются 29 и 30 дней. 12 календарных месяцев составляют лунный год продолжительностью 354 суток, то есть короче солнечного на 11 суток. Начало лунного года отодвигается на все более ранние даты солнечного календаря.

7.3. Зональные комплексы

На поверхности Земли можно выделить 11 зональных комплексов с границами, приблизительно параллельными экватору.

На формирование зон влияют три основные причины: положение Земли по отношению к Солнцу, особенности перераспределения тепла и влаги по поверхности Земли с воздушными и океаническими течениями и конфигурация океанов и континентов.

Неравномерная освещенность земной поверхности солнечными лучами является главной причиной образования зон. Она зависит от угла падения солнечных лучей и длительности освещения территории. Таким образом, глобальная система работает как тепловая машина, принимая солнечное излучение, преобразуя его в тепло и перераспределяя тепло по всей поверхности Земли. Поскольку Земля вращается не только вокруг Солнца, но и вокруг своей оси, потоки воздуха в тропосфере и океанические течения приобретают момент вращения и формируют вертикальные (перпендикулярные поверхности Земли) и горизонтальные (параллельные поверхности Земли) круговороты.

На формирование зон влияет также конфигурация континентов и океанов. В океанах зоны размещены более равномерно, поскольку вода выступает как достаточно однородная субстанция, выравнивающая температурные различия. На континентах границы зон зависят от рельефа местности и удаленности участков от океанов. Например, в горных районах отмечается так называемая вертикальная зональность, распространяющаяся и на примыкающие территории (как в Северной и Южной Америке), а значительное удаление участков от океанов приводит к увеличению внутрисуточных и межсезонных температурных контрастов (усиление «континентального» климата).

Помимо распределения тепла огромное значение для живой природы и человека имеет распределение влаги. Оно подчиняется тем же зональным закономерностям, однако имеет свои причины и особенности.

Насыщение воздуха водяным паром происходит в жарком поясе (экватор и тропики) над водной поверхностью. Однако выпадение осадков, обеспечивающих главный источник влаги для флоры и фауны, зависит от условий конденсации водяного пара. Эти условия существуют при восходящих потоках насыщенного водяными парами теплого воздуха, остывающего при подъеме (условия экватора, наветренных склонов гор, атмосферных фронтов в умеренных широтах и др.). Общим правилом является обильное выпадение осадков в районах с низким атмосферным давлением (восходящие потоки воздуха) и небольшое количество осадков в районе с высоким давлением.

7.4. Комплексные природные зоны

Наложение природных поясов друг на друга и приводит к формированию комплексных природных зон, отличающихся сочетанием температурных условий (жаркий, умеренный, холодный) и влажности, или климатических зон. В том случае, когда количество осадков превышает их испарение, формируется гумидная (влажная) зона. Когда количество осадков примерно равно испарению, формируется равновесная зона, и, наконец, в случае превышения испарения над осадками формируется аридная (сухая) зона.

От экватору к полюсу они идут в следующем порядке.

1. Тропический пояс лежит между тропиками, по обе стороны от экватора, и занимает около 40 % земной поверхности (в этом поясе Солнце по одному разу в год (в дни солнцестояния) бывает в зените над каждым из тропиков).

1) жаркая влажная зона (избыток тепла и влаги) – от 0° до10° с. ш. ию.ш.;

2) жаркая равновесная зона (избыток тепла, равновесие влаги) – от 10° до20° с. ш. и ю. ш.;

3) жаркая аридная зона (избыток тепла, дефицит влаги) – от 20° до40° с. ш. ию.ш.

2. Два умеренных пояса (Северный и Южный) расположены между тропиками и полярными кругами. Солнце в них никогда не бывает в зените. В течение суток обязательно происходит смена дня и ночи, причем продолжительность их зависит от широты и времени года. Четко выражены четыре времени года. Умеренные пояса занимают 52 % земной поверхности:

1) умеренная равновесная зона (равновесие тепла и влаги) – от 40° до50° с. ш. и ю. ш.;

2) умеренная гумидная зона (равновесие тепла, избыток влаги) – от 50° до70° с.ш. ию.ш.

3. Два полярных пояса (Северный и Южный) – к северу от Северного полярного круга и к югу от Южного полярного круга – характеризуются наличием полярных дней и ночей. Их площадь – 8 % земной поверхности:

полярная зона (нехватка тепла, избыток почвенной влаги и сухой воздух) – от 70° до90° с. ш. ию.ш.

Поскольку жаркая влажная зона распространяется по обе стороны от экватора, а остальные пять зон расположены симметрично в Северном и Южном полушариях, общее количество зональных структур составляет 11. К ним необходимо добавить горные районы, где зональность соответствует не только широтному положению территории, но и высоте гор, экспозиции склонов и наветренному (подветренному) положению склонов и хребтов. Необходимо отметить, что границы зон неустойчивы. В зависимости от изменения космических факторов, а также динамики подсистем неживой и живой природы распределение температур и влаги на поверхности Земли меняется и границы зон трансформируются. В далеком прошлом известны периоды, когда большую часть суши занимали влажные леса (350 млн лет назад) или обширные пустыни (280 млн лет назад). Даже в период существования человека на Земле (4 млн лет) границы зон резко изменялись в связи с крупными материковыми оледенениями. Изменения границ природных зон оказали прогрессивное влияние на древнего человека, который был вынужден приспосабливаться к изменениям климата и экосистем, использовать пещеры, огонь, шкуры, орудия труда, одомашнивать животных и растения и т. д.

В настоящее время на изменение границ влияют не только космические факторы или процессы в неживой природе, но главным образом хозяйственная деятельность общества. Так, потепление климата смещает границы всех зон к Северному и Южному полюсам, а вырубка лесов и сельскохозяйственное использование равновесной зоны приводит к расширению аридной зоны со скоростью до 24 км² в час, или 21 млн га в год. Результатом процесса опустынивания может стать расширение аридной зоны с 50 млн км² до 80 млн км², что составит 62 % всей суши, пригодной для существования общества.

7.5. Понятие о литосфере

Внутреннее строение Земли. Земля состоит из земной коры, мантии и ядра. Литосфера (от греч. lithos – камень и sphaire – шар) – это верхняя твердая оболочка Земли, включающая земную кору и верхнюю часть мантии. Литосфера составляет в среднем от 70 до 250 км (рис. 7.4).

Земная кора – верхняя часть литосферы – не везде имеет одинаковую толщину. Различают два основных типа земной коры: материковый и океанический (рис. 7.5).

Под океанами нижняя граница земной коры уходит на глубину 510 км, под равнинами – на 35–45 км, а подгорными массивами – до 70 км.

Слои земной коры состоят из горных породи минералов.

Рис. 7.5. Строение земной коры материков и океанов (по В. М. Муратову)

► Минерал – природное тело, приблизительно однородное по химическому составу и физическим свойствам, образующееся в результате физико-химических процессов в глубинах и на поверхности литосферы. Это составная часть горных пород (Земли и некоторых других планет), руд и метеоритов.

► Горная порола – природная совокупность минералов более или менее постоянного минералогического состава, образующая самостоятельное тело в земной коре.

По происхождению горные породы делятся на три группы: магматические, метаморфические и осадочные. Магматические и метаморфические горные породы слагают 90 % объема земной коры, остальные 10 % приходятся на долю осадочных, которые занимают 75 % земной поверхности.

Магматические горные породы образуются в результате застывания магмы, поднимающейся из сильно разогретых глубин Земли. В случае, когда магма медленно остывает на большой глубине, образуются интрузивные (или глубинные) горные породы, имеющие кристаллическую структуру (гранит, селенит, дунит). При быстром остывании магмы, излившейся на поверхность, образуются эффузивные (или излившиеся) горные породы (базальт, андезит).

Осадочные горные породы, в отличие от магматических, образуются только на поверхности Земли и формируются под воздействием внешних сил. По происхождению выделяют неорганические (обломочные и хемогенные) и органические осадочные породы.

Обломочные горные породы образовались в результате выветривания, переотложения водой, льдом или ветром продуктов разрушения ранее возникших горных пород. К ним относятся песок, глина, валунный суглинок. Хемогенные горные породы формируются в результате осаждения из воды морей и озер растворенных в ней веществ. Пример такой породы – каменная соль.

Органические породы образуются в результате накопления останков животных и растений, как правило, на дне океанов, морей и озер. Такой породой является известняк (в частности, его разновидность – ракушечник), мел, а также горючие полезные ископаемые.

Как осадочные, так и магматические горные породы при погружении на большие глубины под влиянием повышенного давления и высоких температур подвергаются значительным изменениям – метаморфизму, превращаясь в метаморфические горные породы. Так, например, известняк преобразуется в мрамор, песчаник – в кварцит, гранит – в гнейс.

Мантия Земли. Подземной корой, ближе к центру Земли, располагается слой толщиной почти 3000 км, называемый мантией (см. рис. 7.5). Внутри мантии, на глубине 100–250 км под континентами и 50-100 км под океанами, находится слой повышенной пластичности вещества, так называемая астеносфера. Ученые предполагают, что мантия состоит из магния, железа и кремния и имеет очень высокую температуру – до 2000 °C.

Установлено, что температура горных пород с глубиной возрастает: в среднем на 1 °C на каждые 33 м в глубь Земли. Увеличение температуры происходит главным образом за счет распада радиоактивных элементов, входящих в состав земного ядра.

Ядро Земли – пока загадка для науки. С определенной достоверностью можно говорить лишь о его радиусе – 3500 км и температуре – около 4000 °C.

Многие ученые считают не случайным тот факт, что площадь поверхности ядра – 148,7 млн км²– как бы уравновешивается площадью поверхности суши Земли – 149 млн км², создавая баланс ее внутренних и внешних сил.

7.6. Геологическое летосчисление

Геологические процессы длятся достаточно долго. Чтобы реально представлять масштабы времени, требующиеся для изменения лика Земли, нужно знать историю Земли с момента ее возникновения как планеты, то есть за 5 млрдлет.

Выделение различных этапов и периодов в жизни Земли основано на последовательности накопления осадочных горных пород. Если их залегание не нарушено, то каждый верхний слой моложе нижнего. Ученые разделили отложения на пять групп. Время, в течение которого накапливалась каждая группа пород, названо эрой. Название эры отражает относительное время: архейская (древнейшая), протерозойская (ранняя), палеозойская (древняя), мезозойская (средняя) и кайнозойская (новая). Последние три эры разделены на периоды, поскольку в отложениях этих времен остатки животных и растений сохранились лучше и в большем количестве. В каждой эре происходили события, оказавшие воздействие на современный рельеф. Это особые эпохи активизации горообразовательных процессов – складчатости.

Представленную международную геохронологическую шкалу следует читать снизу вверх (табл. 7.1).

Таблица 7.1

Геохронологическая шкала

7.7. Рельефообразующие процессы

► Рельеф – это совокупность неровностей земной поверхности разного масштаба, называемых формами рельефа.

Рельеф формируется в результате воздействия на литосферу внутренних (эндогенных) и внешних (экзогенных) процессов.

Согласно современным представлениям, литосфера состоит из жестких подвижных плит, перемещающихся по пластичной мантии. Границы между плитами могут быть трех типов: океанические хребты (вдоль которых на поверхность поднимается вещество мантии и формируется новое морское дно), желоба (вдоль которых краевые части плит разрушаются, опускаясь в мантию) и трансформные разломы (образующиеся в результате скольжения одной плиты вдоль другой). Так, граница между Африканской и Американской плитами проходит по океаническому хребту, между Антарктической и Американской плитами – по жалобу, а между Тихоокеанской и Американской плитами – по трансформным разломам. Во второй половине XX в. развернулись обширные исследования дна Мирового океана, в результате которых появились совершенно новые представления о развитии океанов и материков, основанные на взглядах немецкого ученого первой половины XX в. А. Вегенера.

В основу новой теории литосферных плит положено представление, что вся литосфера разделена узкими активными зонами – глубинными разломами – на отдельные жесткие плиты, плавающие в пластичном слое верхней мантии.

Внутренние (эндогенные) процессы. Внутренние геологические процессы обусловливают различные тектонические движения, то есть вертикальные и горизонтальные перемещения отдельных участков земной коры. С ними связано образование наиболее значительных неровностей земной поверхности, ее непрерывное изменение. Источником внутренних процессов является тепло, образующееся при радиоактивном распаде элементов, входящих в состав ядра Земли.

Движение плит приводит к изменениям конфигурации материков и океанов и их положения на поверхности Земли. Предполагается, что 500–200 млн лет назад все материки были объединены в один, так называемую Пангею (в переводе с греческого «вся Земля»). В последующие 70 млн лет Пангея раскололась на два материка: Лавразию, включавшую Северную Америку и Евразию (без Индийского и Аравийского субконтинентов) и Гондвану (вся остальная суша). Последующее передвижение плит привело к сближению Северной и Южной Америки, разделению Австралии и Антарктиды, перемещению Аравийского и Индийского субконтинентов к Евразии, причем в зоне столкновения Евразии с последним возникли самые высокие горы на планете (Гималаи). В настоящее время существует шесть материков: Евразия (53,4 млн км²), Африка (30,3 млн км²), Северная Америка (24,2 млн км²), Южная Америка (18,2 млн км²), Австралия (7,7 млн км²) и Антарктида (14 млн км²).

По преобладающему направлению выделяют два типа тектонических движений: вертикальные и горизонтальные. Оба типа движений могут проходить как самостоятельно, так и во взаимосвязи друг с другом. Часто один тип движения порождает другой. Проявляются они не только в перемещении крупных блоков земной коры в вертикальном или горизонтальном направлениях, но и в образовании складчатых и разрывных нарушений разного масштаба.

Складки – волнообразные изгибы пластов земной коры, созданные совместным действием вертикальных и горизонтальных движений в земной коре. Складка, пласты которой выгнуты кверху, называется антиклинальной складкой, или антиклиналью. Складка, пласты которой прогнуты книзу, называется синклинальной складкой, или синклиналью. Синклинали и антиклинали – две основные формы складок. Небольшие и относительно простые по строению складки выражаются в рельефе невысокими компактными хребтами (например, Сунженский хребет северного склона Большого Кавказа).

Более крупные и сложные по строению складчатые структуры представлены в рельефе крупными горными хребтами и разделяющими их понижениями (Главный и Боковой хребты Большого Кавказа). Еще более крупные складчатые сооружения, состоящие из множества антиклиналей и синклиналей, образуют мегаформы рельефа типа горной страны, например горы Кавказа, Урала и т. д. Эти горы называют складчатыми.

Разрывные нарушения (разломы) – это различные нарушения сплошности горных пород, часто сопровождающиеся перемещением разорванных частей относительно друг друга. Простейшим видом разрывов являются единичные более или менее глубокие трещины. Наиболее крупные разрывные нарушения, распространяющиеся на значительную длину и ширину, называют глубинными разломами.

В зависимости от того, как перемещались разорванные блоки в вертикальном направлении, выделяют сбросы и надвиги (рис. 7.6).

Рис. 7.6. а – сброс; б – надвиг

Совокупности сбросов и надвигов составляют горсты и грабены (рис. 7.7).

Рис. 7.7. а – горст; б – грабен

В зависимости от размеров они образуют отдельные горные хребты (например, столовые горы в Европе) или горные системы и страны (например, Алтай, Тянь-Шань).

В этих горах наряду с грабенами и горстами встречаются и складчатые массивы, поэтому их следует относить к складчато-глыбовым горам.

В случае, когда перемещение блоков горных пород было не только в вертикальном направлении, но и в горизонтальном, образуются сдвиги.

В зонах раздвижения литосферных плит – зонах срединно-океанических хребтов – рождается новая океаническая земная кора. В зонах столкновения литосферных плит – зонах островных дуг и сопряженных с ними глубоководных желобов – происходит «подныривание» одной плиты (чаще с океанической земной корой) под другую (чаще с материковым или переходным типом земной коры). В результате такого «подныривания» край плиты прогибается и образуется глубоководный желоб. Ярким примером таких дуг являются Курильские и Японские острова, рядом с которыми располагаются соответствующие глубоководные желоба.

Границы литосферных плит как в местах их разрыва, так и в местах столкновения – это подвижные участки земной коры, на которых находится большинство действующих вулканов, где часты землетрясения. Эти участки, являющиеся областями новой складчатости, образуют сейсмические пояса Земли.

Чем дальше от границ подвижных участков к центру плиты, тем более устойчивыми становятся участки земной коры. Москва, например, находится в центре Евразийской плиты, и ее территория считается вполне устойчивой.

► Вулканизм – совокупность процессов и явлении, вызванных внедрением магмы в земную кору и излиянием ее на поверхность.

Из глубинных магматических очагов извергаются на землю лава, горячие газы, пары воды и обломки горных пород.

В зависимости от условий и путей проникновения магмы на поверхность различают три типа вулканических извержений.

Площадные извержения привели к образованию обширных лавовых плато. Наиболее крупные из них – это плато Декан на полуострове Индостан и Колумбийское плато.

Трещинные извержения происходят по трещинам иногда большой протяженности. В настоящее время вулканизм этого типа проявляется в Исландии и на дне океанов в районе срединных океанических хребтов.

Извержения центрального типа связаны с определенными участками, как правило, на пересечении двух разломов, и происходят по сравнительно узкому каналу, который называется жерлом. Это наиболее распространенный тип. Вулканы, образующиеся при таких извержениях, называются слоистыми, или стратовулканами. Они имеют вид конусообразной горы, на вершине которой находится чашеобразное углубление – кратер.

Примеры таких вулканов: Килиманджаро в Африке, Ключевская сопка, Фудзияма, Этна, Гекла в Евразии.

Тихоокеанское «огненное кольцо». Около двух третей вулканов Земли сосредоточено на островах и берегах Тихого океана. Самые мощные извержения вулканов и землетрясения имели место именно в этом регионе: Сан-Франциско (1906), Токио (1923), Чили (1960), Мехико (1985).

Остров Сахалин, полуостров Камчатка и Курильские острова, находящиеся на самом востоке нашей страны, – звенья этого кольца.

Всего на Камчатке насчитывается 130 потухших вулканов и 36 действующих. Самый большой вулкан – Ключевская сопка. На Курильских островах 39 вулканов. Для этих мест характерны разрушительные землетрясения, а для окружающих морей – моретрясения, тайфуны, вулканы и цунами.

Цунами в переводе с японского – «волна в бухте». Это волны гигантских размеров, порожденные извержениями подводных вулканов, землетрясением или моретрясением. В открытом океане они почти незаметны для судов. Но когда путь цунами преграждает материк и острова, волна обрушивается на сушу с высоты, достигающей 20 метров.

Горячие источники и гейзеры тоже связаны с вулканизмом. На Камчатке в знаменитой Долине гейзеров действует 22 крупных гейзера.

Землетрясения также являются проявлением эндогенных земных процессов и представляют собой внезапные подземные удары, сотрясения и смещения пластов и блоков земной коры.

На сейсмических станциях ученые исследуют эти грозные явления природы, пользуясь специальными приборами, ищут способы их предсказания. Один из таких приборов – сейсмограф – был изобретен в начале XX в. русским ученым Б. В. Голицыным. Название прибора произошло от греческих слов seismos – «колебание», grapho – «пишу». Оно отражает его назначение – записывать колебания Земли.

Землетрясения могут быть разной силы. Ученые договорились определять эту силу по международной 12-балльной шкале Меркалли и 9-балльной шкале Рихтера с учетом воздействия землетрясения на человека и степени повреждения зданий и изменений рельефа Земли (табл. 7.2).

Таблииа 7.2