Лекция 1

ЛЕКЦИЯ №1

Введение. Особенности строения Солнечной системы. Форма, размеры и рельеф Земли

ВВЕДЕНИЕ. ПРЕДМЕТ, ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ НАУКИ ГЕОЛОГИИ

Любая наука имеет свою точку отсчета, свои исторические вехи. К Геологии особенно применимы слова Альберта Эйнштейна: «Знание является функцией времени». Геология, с одной стороны, опирается на точ­ные факты и знания. Но, с другой стороны, ее теоретическая база до сих пор в немалой степени «соткана» из гипотез и интуитивных догадок. Ста­новление и развитие Геологии было длительным, извилистым и тернистым. Их не обошли годы мрака, застоя и теоретических блужданий. «Mente et malleo» («Умом и молотком») начертано на эмблеме Междуна­родного геологического конгресса. Но истина в Геологии добывалась не только умом и «молотком» (в экспедициях), но и в азартных, нередко не­лицеприятных и жестоких спорах.

Люди начали пристально изучать и осваивать Землю уже на первых этапах своего существования. Геология (греч. «гео» - земля, «логос» - уче­ние) как наука о составе, строении, геологических процессах, истории формирования и развитии земной коры в целях прогнозирования закономерностей распределения в ней полезных ископаемых оформилась с середины XVIII в. Объектом изучения геологии является земная кора; предметом - состав, строение, история формирования и конечной целью -полезные ископаемые. Помимо это­го каждая наука обладает собственным набором принципов, гипотез, теорий и методов исследований.

Первые попытки создать научную геологию связаны с именами трех крупнейших ученых того времени – М.В Ломоносова в России, А.Г. Вернера в Германии и Д. Геттона в Шотландии.

Становление геологии происходило в процессе решения практических запросов человеческого общества. Различные минералы и горные породы использовались первобытным человеком для изготовления примитивных каменных орудий. В бронзовый и железный века огромное значение уже имели самородные металлы — медь, золото, серебро, а также руды меди, олова, железа. Рост тяжелой индустрии, электротехнической и химической промышленности, войны потребовали огромного количества минерального сырья. Это обусловило интенсивное развитие геологических исследований в конце XIX – в начале XX в.

Еще больше возросла роль минерального сырья и самой геологии во второй половине XX в. Разнообразие природных ресурсов и степень их изученности определяли уровень экономической независимости государ­ства. А глубокие и достоверные знания о геологическом строении недр и происходящих в них процессах позволяли прогнозировать и преодолевать последствия многих геологических катастроф.

Главными принципами геологии являются актуализм и историзм. В лаконичном виде принцип (метод) актуализма формулируется следующим образом: "Настоящее - ключ к познанию прошлого", т. е. исследование современных геологических процессов и использование результатов этого исследования для познания аналогичных процессов и их продуктов (явлений) в прошлом. Поскольку развитие темной коры, как и любой другой геосферы, носит эволюционный характер, актуализм уравновешивается (корректируется) прин­ципом историзма, т.е. признается возможность отсутствия прямых аналогий между современными и прошлыми процес­сами, поэтому геологические явления должны изучаться в их развитии, взаимной связи и обусловленности, с учетом конкретных условий, времени и места их совершения.

В своих исследованиях геология опирается на комплекс смежных наук о 'Земле и Жизни - астрономию, геодезию, геофизику, геохимию, географию, биологию, биогеохимию и другие с привлечением методов этих наук, а также методов физики, химии, математики, информатики.

Современная геология значительно дифференцировалась и представляет собой комплекс взаимосвязанных дисциплин. При этом каждый раздел, составляющих предмет геологии, имеют свою группу дисциплин со своими частными объек­тами и предметами исследований.

Первую группу образуют дисциплины о составе земной коры: минералогия изучает минералы, природные химические соединения; петрография - горные породы, природные агрегаты минералов; литология - осадочные горные породы; кристаллография - природные кристаллы земной коры.

Вторую группу образуют дисциплины о строении земной коры, геотектоника и структурная геология изучают структуры земной коры, условия залегания горных пород их деформации и причины (движения) изменения структуры зем­ной коры; геофизика - строение внутренних сфер земли; сейсмология - геологические условия возникновения земле­трясений; вулканология - деятельность вулканов и др.

Третье важное направление в геологии образуют дисциплины, изучающие историю и закономерности развития земной коры со времени ее возникновения до наших дней: стратиграфия - изучает последовательность формирования горных пород и их первичные пространственные взаимоотношения, геохронология - относительный и абсолютный возраст горных пород и слагаемых ими слоев; палеогеография -изменения физико-географических условий земной поверхности в течении геологического времени; палеонтология - ископаемые остатки растительных и животных организмов.

Кроме перечисленных выделяются также геологические дисциплины, пограничные с другими науками (географией, гидрологией, инженерией): геоморфология - наука о рельефе земной поверхности, гидрогеология - о подземных водах, инженерная геология и грунтоведение - о земной коре в качестве среды обитания человека. Объединяет все эти дисциплины в единую науку общий объект и предмет исследований. Вместе с тем каждая   дисциплина  формулирует свой ракурс, предмет, свою задачу в исследуемом объекте. Отсюда и мно­жество, разнообразие методов, привлекаемых для решения своих задач.

Геологические  методы  исследования  вещества земной коры делятся на прямые и косвенные, визуальные и инструментальные, лабораторно-аналитические и экспериментальные. Методы прямого, визуального исследования основываются па изучении горных пород в естественных обнажениях (каньоны, обрывы по берегам рек, морей, озер), в шахтах и ручниках, а также в буровых скважинах, из которых извлекали я образцы пород (керны). Методами непосредственного исследования можно охватить лишь самую верхнюю часть земной коры и ограничиваться высотой естественных обрывов глубиной шахт и рудников, а также буровых скважин (наиболее глубокая скважина на Кольском п-ове достигает 12,5 км). Более глубокие слои изучаются геофизическими методами сейсмический - по скорости распространения в земной коре и подстилающих слоях упругих волн  либо естественных (землетрясения), либо искусственно вызванных с помощью взрывов; гравиметрический - по распределению силы тяжести и ряд других методов. Отобранные в полевых ус­ловиях минералы и горные породы подвергаются лабораторному анализу с привлечением методов физики и химии (вещественный состав, оптические и механические свойства, признаки радиоактивности и т. д.).

Исключительно важны геологические знания для реше­ния актуальных и предсказуемых проблем экологии и рацио­нального, природосберегающего использования ресурсов недр. В частности, данные о геологическом строении территории - основа экологической экспертизы проектов недропользования и налагаемых при этом экологических ограничений вплоть до запрета реализации проектов. Этим самым оп­ределяется место геологии в теории и практике экологии и природопользования. Здесь неизбежно возникает конфликт интересов между необходимостью наращивания добычи по­лезных ископаемых, как основы экономики, научно-технического прогресса и охраной природы, сохранением среды обитания в приемлемых для здоровья населения параметрах.

Для нахождения допустимого компромисса в конфликтных ситуациях необходимо овладеть основами, геологии на определенном профессиональном уровне. Для этого, прежде всего, необходимо овладеть понятийным аппаратом геологии, представляющим собой систему взаимосвязанных понятий, находящимся между собой в отношениях субординации (соподчинения) и координации (рядоположения).

Геология - не только прикладная наука,  помогающая людям умножать материальные богатства общества. Она затрагивает непосредственным образом проблемы происхождения Земли, зарождения и развития жизни на нашей планете и строения других планет Солнечной системы.

 

СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА ЗЕМЛИ

 Общие особенности  Солнечной системы

Планеты Солнечной системы

Форма, размеры и рельеф Земли. Географические следствия

 Вселенная или Космос - весь существующий материальный мир в целом, безграничный во времени и пространстве и бесконечно разнообразный по тем формам, которые принимает материя в процессе своего развития. Современные ас­трономические инструменты позволяют наблюдать около 1 млрд. Галактик, расстояния до которых достигает миллиар­дов световых лет. Возраст Вселенной, по современным пред­ставлениям, оценивается примерно в 15 млрд. лет.

Основная масть материи Вселенной сосредоточена в звездах, планетах, их спутниках, астероидах и кометах. Не­бесные тела связаны между собой силами всемирного притяжения - отталкивания и группируются в системы. Самая простая система - планета-спутник (Земля-Луна), которая входит в состав более крупной системы (Солнечная система), а по­следняя является членом звездной системы Галактика, Сис­тема Галактик образует Метагалактику.

 Общие особенности Солнечной системы

В XX веке человечество совершило реальный прорыв в Космос. Бла­годаря этому многократно повысился интерес к планетам Солнечной сис­темы, обращающимся вместе с Землей вокруг Солнца. Общая протяжен­ность Солнечной системы примерно в 40 paз превышает среднее расстоя­ние от Земли до Солнца. Последнее равно примерно 150 млн. км. Солнце является раскаленной звездой, входящей, как и все звезды, видимые на небе, в состав нашей звездной системы - Галактики. Диаметр Солнца в 109 раз больше диаметра Земли. А масса его примерно в 333 000 раз пре­вышает массу нашей планеты. Общая масса планет Солнечной системы составляет всего лишь около 0,1% от массы Солнца. Поэтому оно силой своего притяжения управляет движением всех планет Солнечной систе­мы, пространство между которыми заполнено крайне разреженным газом и космической пылью. Внутренняя температура Солнца достигает 10х10⁶ - 15x10⁶ К. Внешнюю часть солнечной атмосферы венчает солнечная ко­рона, температура которой достигает 10⁶ – 10⁷ К. Корона испускает в меж­планетное пространство поток ионизированных частиц называемый «солнечным ветром». С ним уносится заметная часть энергии Солнца.

Солнце - мощный источник энергии, непрерывно излу­чаемых им во всех участках спектра электромагнитных волн - от рентгеновских и ультрафиолетовых до инфракрасных и радиоволн. Выделяемая Солнцем энергия составляет огромных величин (до 10²⁶ Дж/сек) и является основой для развития многих геологических процессов, основа климатов, энергетическая база существования жизни на Земле и функционирования экосистем. Поскольку зарождение Жизни на Земле оценивается в несколько миллиардов лет и организмы могут развиваться в ограниченном диапазоне температур, не превышающих плюс 80-100°С, предполагают, что на протяжении этого времени интенсивность солнечной энергии не унялась.

О возрасте Солнца ученые размышляли с древнейших времен. На основе теоретических расчетов методами ядерной физики современные оценки возраста Солнца составляют примерно 5 млрд. лет, что нашло подтверждение и в абсолютных датировках геологических объектов и небесных тел; древнейшие  на Земле  горные  породы образовались 3,8-4 млрд. лет назад, на Луне обнаружены породы возрастом 4,7 млрд. лет, а датировки метеоритов показали 4, 6 млрд. лет.

Вопрос о строении Солнечной системы имеет для человечества ог­ромное познавательно-мировоззренческое и практическое значение. Пер­вым выдающимся вкладом в решение этой задачи явилось величайшее творение польского ученого Николая Коперника (1473-1543) «Об обра­щении небесных кругов». Коперник первый установил, что Земля является не неподвижным центром Вселенной, как это считалось до него, а все­го лишь небольшой и постоянно движущейся вокруг Солнца планетой. В начале XVII в. немецкий ученый Иоганн Кеплер сформулировал законы движения планет и их спутников. А в конце этого века Исаак Ньютон вы­вел закон всемирного тяготения, который лежит в основе обнаруженных Кеплером законов движения планет и спутников.

В течение всего XIX века в космогонии господствовали близкие гипо­тезы немецкого философа Иммануила Канта (1724-1804) и французского математика Пьера Симона Лапласа (1749-1827). Но они вошли в проти­воречие с вновь полученными фактами и не могли объяснить необычай­ное распределение момента количества движения (меры вращательных движений) в Солнечной системе между Солнцем и планетами. В совре­менной Солнечной системе наблюдается парадоксальное распределение момента количества движения. В Солнце сосредоточено более 99% всей массы Солнечной системы, но на него приходится менее 2% момента ко­личества движения. А остальные 98% принадлежат планетам. Проблема эта решалась и решается многими учеными. Рамки настоящей работы не позволяют подробно описывать взгляды современных ученых. По можно утверждать, что и они до сих пор не вышли за пределы более или менее оригинальных гипотез.

Изучение других планет Солнечной системы базируется на знании ве­щественного состава, строения и истории развития Земли. Планеты Сол­нечной системы находятся на разных ступенях развития. Земля опередила другие планеты в своей эволюции. Но они, так же как и Солнце, располо­женное в центре Солнечной системы, оказывают непосредственное влия­ние на протекающие на Земле геологические процессы. Поэтому пра­вильно понять историю происхождения Земли и восстановить ранние стадии ее развития можно лишь с учетом строения всей Солнечной системы. В частности, в последние годы земляне озабочены вопросом: грозит ли Земле столкновение с блуждающими астероидами, метеоритами и коме­тами и каковы могут оказаться последствия такой «встречи»?

Метеорное тело, имеющее небольшие размеры, иногда целиком испа­ряется в атмосфере Земли. Остатки метеорных тел, упавшие на Землю, называются метеоритами.

Метеориты рассматриваются как обломки малых планет, обращаю­щихся вокруг Солнца по пересекающимся эллиптическим орбитам. Коме­ты (греч. «косматое светило») - также обращаются вокруг Солнца. Они представляют собой небольшие тела, окруженные обширной оболочкой из разреженного газа. Большинство из них имеет эллиптические орбиты, выходящие за орбиту Плутона. С падением метеоритов связано образование ударных кратеров на земной поверхности. Ежегодно на поверхность Земли падает до 1000 метеоритов общей массой 1500-2000 тонн (5-6 тонн за одни сутки). При падении крупных метеоритов выделяется огромное количество энергии. Палеонтологи установили, что в течение геологической истории Земли до рубежа 65 млн. лет назад погибло около 95% всего живого. Ряд ученых связывает это с падением на поверхность Земли крупных фрагментов метеоритов и т.п.

Основным источником падающих на Землю метеоритов служит пояс астероидов, которые обращаются по гелиоцентрической орбите между Марсом и Юпитером. Общее число сближающихся с Землей малых пла­нет достигает 1000. Первое зафиксированное китайскими астрономами в хрониках появление кометы относится к 2296 году до н.э. За всю историю человечества наблюдалось всего около 2000 кометных появлений. Иногда астероиды приближаются к Земле. Так, в 1993 г. астероид Икар прошел в опасной близости от Земли.

Солнце является гигантским источником столь необходимой людям энергии. Человек давно приступил к практическому использованию сол­нечной энергии. Грандиозный экологически чистый проект перекачки энергии Солнца на Землю планирует осуществить в XXI веке Япония. В стране начаты научные работы по созданию первой в истории космиче­ской электростанции мощностью в 1 млн. киловатт. Планируется запус­тить в космос на 36 тыс. км от Земли спутник весом 20 тыс. тонн с двумя солнечными батареями. Каждая из них будет иметь по 1 км в ширину н по 3 км в длину. Эта конструкция будет передавать собранную энергию на­земной антенне.

 

Планеты Солнечной системы

В пределах Солнечной системы расположено четыре внутренних (Меркурий, Венера, Земля и Марс) и 4 внешних (Юпитер, Сатурн, Уран, Неп­тун)  планет (рис. 1). Между Марсом и Юпитером находится пояс асте­роидов - малых планет.

Все планеты обращаются вокруг Солнца по эллиптическим орбитам, очень близким (кроме вытянутой орбиты Плутона) к окружности. Вра­щаются планеты в ту сторону, в которую медленно вращается и Солнце. Порядок вращения планет вокруг своих осей нарушает лишь Венера, вращающаяся в обратную сторону вокруг своей оси.

Внутренние планеты Солнечной системы - Меркурий, Венеру, Марс  Землю - называют планетами земного типа. Они, как и Земля, являются твердыми телами и близки Земле по сравнительно небольшим размерам, в основном силикатно-железистому составу и внутреннему строению.

Рис. 1. Строение Солнечной системы

 

Меркурий, расположенный ближе всех к Солнцу, является одной из самых маленьких планет земной группы. Ее радиус составляет 0,4 земно­го радиуса. Меркурий практически лишен атмосферы, она чрезвычайно разрежена и состоит из гелия и водорода. Температура поверхности ко­леблется от -173° до +430 °С. Плотность Меркурия (5,43±1 г/см³) близка к плотности Земли; магнитное поле очень слабое (0,01 земного). Мерку­рий отличается очень медленным осевым вращением (почти 59 земных суток), составляющим 2/3 периода обращения планеты вокруг Солнца. Судя по телевизионным изображениям, переданным американским кос­мическим аппаратом «Маринер-10» (1974 г.), Меркурий очень похож на Луну. Его поверхность покрыта многочисленными ударными кратерами - воронками с поперечниками от 0,8 до 120 км. Между сгущениями крате­ров располагаются продолговатые равнины, подобные лунным «морям». Их относительно плоское дно нарушено трещинами и грядами.

Венера - располагается между Меркурием и Землей. Среди планет земной группы Венера обладает наиболее плотной атмосферой, обнару­женной еще М.В. Ломоносовым. Вся вода на Венере находится в парооб­разном состоянии. По данным измерений и снимков, произведенных с со­ветских спускаемых аппаратов автоматических межпланетных станций «Венера -8, -9, -10, -13, -14, -15 и -16», атмосфера Венеры состоит на 97% из углекислого газа с облаками из капелек серы и серной кислоты. Такая атмосфера создает очень сильный парниковый эффект. Температура у по­верхности Венеры достигает 750±20^о К, атмосферное давление (90 атмо­сфер) такое же, какое на Земле в океанах на глубине около 1 км.

Полученные материалы свидетельствуют о наличии на Венере коры, аналогичной земной, и о том, что местами се поверхность сложена тонкорасслоенными каменистыми горными породами, близкими к основным базальтам. Венера обладает сильно расчлененным рельефом, амплитуда его достигает 15,5 км. Обширные понижения, напоминающие океанские бас­сейны Земли и лунные «моря», занимают 1/6 часть поверхности планеты, Остальную площадь составляют холмистые равнины и возвышенности. Наиболее крупными континентами являются: Земля Афродиты (размером с Африку) И Земля Иштар (размером С Австралию). На краю последней рас­положено сложенное базальтами высокое плато Лакшми. Кроме того, выде­ляются крупные вулканические массивы (до 2000x2000 км) и горные хреб­ты протяженностью в сотни километров. Последние, в частности, обрамля­ют Землю Афродиты (с севера) и плато Лакшми. Рисунок этих линейных гряд очень напоминает рисунок горных систем Земли. Они возвышаются на 7-8 км над средним уровнем поверхности Венеры. В пределах Земли Афро­диты выявлены две рифтовые долины длиной до 2200 км.

На Венере, так же как и на Земле, есть крупные вулканы. Венера характеризуется очень медленным осевым вращением (117 земных суток). Ее магнитное поле в 10⁵ раз меньше земного. Вращается Венера в обрат­ном по отношению к своему вращению вокруг Солнца и вращению дру­гих планет и их спутников (кроме Урана и его спутников, спутника - Три­тона и некоторых внешних спутников Юпитера и Сатурна) направлении.

Земля - самая крупная из внутренних планет Солнечной системы. По размерам, массе и средней плотности она наиболее близка Венере. От­личается от последней несколько большей массой, несколько большим периодом обращения вокруг Солнца и намного более быстрым осевым вращением. Период вращения вокруг собственной оси у Земли - 24 часа (одни сутки), а у Венеры - 243. В отличие от Солнца, состоящего из водо­рода и гелия, Земля содержит много кислорода и железа, кремния, маг­ния, кальция и др. элементов. Азотно-кислородная атмосфера Земли резко отличается от атмосфер других планет. Термодинамические условия по­верхности позволяют существовать воде во всех трех агрегатных состоя­ниях - в виде пара, жидкой воды и льда. Различается и средняя темпера­тура на планетах. На Земле она составляет +14 °С, а на Венере - +467 °С. От других планет земной группы (и от Луны) Земля отличается тем, что ее кора сложена не только базальтами, но и гранитами (в пределах континентов); на ее поверхности присутствует большой объем жидкой воды, заполняющей океаны и моря. На Земле активно проявляются магматиче­ские и тектонические (вулканизм, движения и деформации земной коры), а также различные экзогенные (деятельность ветра, рек и т.п.) процессы; рано зародился и пышно расцвел органический мир.

Астрономическое положение Земли в Солнечной системе, а также элементы ее движения вокруг Солнца и осевого вращения приводят к следующим природным следствиям:

1. Орбитальное и осевое движения Земли, как и других планет, равномерны, поэтому все природные процессы на земле ритмичны, их колебания не выходят за критические для жизни пределы;

2. Благодаря относительно близкому положению к Солнцу, Земля состоит преимущественно из тяжелых элементов (оксидов металлов), что обеспечивает ее высокую плотность (в среднем 5,5 г/см³);

3. Масса Земли достаточно велика для удержания вокруг себя атмосферы и водорода в достаточном количестве для образования больших масс воды (гидросферы) и в то же время не настолько велика, чтобы как на Юпитере, планета состояла из водорода.

4. При взаимодействии с Луной на поверхности и  во внутренних сферах Земли образуется приливная волна суточной периодичности, которая проявляется в движениях и де­формациях земной коры.

Спутник Земли - Луна составляет 1/81 часть массы Земли и движет­ся по орбите, плоскость которой наклонена к плоскости эклиптики примерно на 5°. Она полностью лишена атмосферы и воды, обладает медленным осевым вращением (29,5 земных суток) и очень слабым магнитным полем. В рельефе поверхности Луны 84% занимают возвышенные участ­ки («континенты»), сложенные полнокристаллическими (с содержании SiO₂; от 52 до 45%) породами, резко обедненными, по сравнению с земны­ми, летучими химическими элементами и соединениями (нет даже следов воды и углекислоты). Остальное приходится на широкие депрессии - «моря», сложенные покровами базальтов, сходных с земными, но так же обедненных летучими компонентами. Наиболее крупными являются: Мо­ре Дождей, Море Ясности, Море Изобилия, Море Нектара, Море Спокой­ствия, Океан Бурь и др. Верхняя часть коры на Луне, вероятно, сложена базальтами. Вся поверхность Луны испещрена крупными ударными кра­терами - следами падения крупных метеоритов, породы на их поверхно­сти раздроблены и содержат примесь метеоритного вещества - железа и родственных ему элементов.

Температура на поверхности Луны колеблется от +115 °С на освещен­ной Солнцем поверхности до -135°С на противоположной. Отмечаются лунотрясения, очаги которых располагаются на глубине 700-1000 км, вблизи границы мантии с ядром.

Марс - наиболее удаленная от Солнца планета земной группы. Диаметр ее примерно вдвое меньше земного, а масса равна 0,38 земной мас­сы. Марс обладает самой низкой средней плотностью и осевым вращени­ем, равным 24 ч 37,4 мин. Марсианский год составляет 687 суток. Поэто­му длительность сезонов на Марсе почти вдвое больше, чем на Земле. В зимнее время в полярных областях образуются снеговые шапки; снег состоит из воды и углекислоты.

Атмосфера на Марсе очень разреженная, состоит на 95% из углеки­слого газа; остальное приходится на азот, аргон и кислород (0,02%); со­держание водяного пара в общем невелико. Давление ее на поверхности составляет 6 мм ртутного столба. Амплитуда высоко расчлененного рель­ефа достигает 27 км (на Земле - 19 км, Венере - 15,5 км). Температура поверхности Марса колеблется от -28 до -140°С. Это способствует ши­рокому распространению вечной мерзлоты в верхней части коры плане­ты. Развитие высохших русел рек свидетельствует, что в прошлом по по­верхности Марса текла и жидкая вода.

На Марсе проявляется большинство известных на Земле экзогенных процессов. В частности, господствуют процессы, связанные с деятельно­стью ветра: имеются обширные песчаные пустыни с характерным грядо­вым рельефом. Рельеф Марса отличается высокой расчлененностью, его амплитуда достигает 27 км. Выделяются два главных типа областей: ма­терики, густо покрытые ударными кратерами, что свидетельствует об их относительной древности, и равнины. На Марсе имеются гигантские вул­каны. Один из них - самый крупный во всей Солнечной системе вулкан Олимп. Его высота 21 км.

Установлены гигантские рифтовые долины, переходящие в каньоны. Так, широтная рифтовая система Долины Маринер протягивается к югу от экватора на 4000 км. Глубина каньона достигает 10 км.

Марс имеет слабое магнитное поле. У Марса два очень небольших по размеру сложенных метеоритным веществом типа хондритов и изрытых ударными кратерами спутника - Фобос (до 27 км в поперечнике) и Дей­мос (до 15 км в поперечнике). Один из них вращается вокруг своей оси в направлении, противоположном вращению Марса и другого спутника.

Пояс астероидов. Между Марсом и Юпитером находится пояс астероидов - малых планет. Это - мелкие твердые небесные тела и облом­ки, достигающие в диаметре сотен километров (Церера - 767 км). В на­стоящее время известно более 3000 астероидов, которые иногда сталкива­ются друг с другом. Новые астероиды открывают ежегодно. Чаще всего им присваивают имена известных ученых, героев, деятелей искусства. Сущест­вует гипотеза, что астероиды - это обломки десятой планеты, названной Фаэтоном и погибшей при какой-то космической катастрофе.

Внешние планеты Солнечной системы - Юпитер, Сатурн, Уран и Неп­тун образуют внешнюю группу планет - гигантов Солнечной системы. Они по размерам, массе, составу и строению резко отличаются от планет зем­ной группы.

Юпитер - самая крупная планета Солнечной системы. Ее радиус в 11 раз больше земного, а объем - в 1000 раз, Юпитер состоит преимуще­ственно из газов. Его атмосфера толщиной 1000 км содержит в основном молекулярный водород, гелий, метан и аммиак. Из аммиака на Юпитере состоят облака. Температура внешних слоев находится в пределах 140-150^о К. Между небольшим твердым ядром и газообразной атмосферой располагается мощная самостоятельная оболочка, состоящая из жидкого металлического водорода. Твердая поверхность отсутствует. Быстрое вращение Юпитера (9 ч 55 мин) создаст мощное магнитное поле, на поря­док превышающее земное. У Юпитера число спутников достигает 16. Че­тыре самые крупные из них были открыты Г. Галилеем еще в 1610 г. Это Ио, Европа, Каллисто. Радиус Ганимеда - 1892 км. На спутнике Ио, в ос­новном сложенном твердым каменным материалом, открыто 8 дейст­вующих вулканов, извергающих, в отличие от земных (связанных с деятельностью CO₂ и Н₂О), расплавленную серу и сернистый газ SO₂. Другие внутренние спутники Юпитера, отстоящие от него на большее расстоя­ние, - Ганимед и Каллисто - покрыты ледяной корой. На Ганимеде и Каллисто имеется множество ударных кратеров - следов метеоритной бомбардировки. А на Европе - огромные трещины и расколы.

Сатурн - вторая ПО величине после Юпитера планета в Солнечной системе. Ее радиус в 9 раз превышает земной. Его быстрое вращение с периодом около 10 часов приводит к сильному сжатию планеты у полю­сов и является источником магнитного поля, превышающего земное. В экваториальной плоскости Сатурн окружен кольцами, состоящими из мелкого каменного материала, покрытого, вероятно, льдом. С кольцами связаны внутренние спутники Сатурна. Спутник Титан, радиус которого 2575 км, плотность около 1,3 г/см³, обладает протяженной атмосферой, состоящей из молекулярного азота с примесью метана и водорода. Энцелада, спутник Сатурна, состоит из замерзших газов. На нем обнаружены вулканы, выбрасывающие струи жидкости.

Уран и Нептун. Радиус Урана и Нептуна в 4 раза превышает земной. Кольца Юпитера и Сатурна состоят из мелких (до 10-15 м в диа­метре) твердых частиц камня и льда. Уран и Нептун обладают относи­тельно высокой плотностью и имеют соответственно 15 и 2 спутников.

Основные свойства планет Солнечной системы суммированы в таблице 1.

 

Таблица 1

Основные свойства Солнечной системы

 

 

 

Форма, размеры и рельеф Земли. Географические следствия

 

.

Формой и размерами Земли люди интересовались с древ­нейших времен. Первоначальные представления о форме Земли основывались на чувственном восприятии окружаю­щего мира; Земля представлялась в виде плоского диска, окруженного широкой рекой - Океаном.

Ныне очевидный факт, что Земля имеет шарообразную форму, стал раз и навсегда установленным после кругосветного путешествия экспедиции Магеллана в 1519-1522 гг. Он подтвержден фотографиями, выполненными космическими кораблями и искусственными спутниками Земли. Однако, Земля - не идеальный шар, как это представлялось в VI в. до н. э. знаменитому древнегреческому математику Пифагору.

Первую догадку о шарообразности Земли высказали пифагориицы (VI в. д. н. э.), но доказать этого они не смогли. Очевидные доказательства шарообразности Земли привел греческий философ Аристотель (IV в. д.н.э.) в своих книгах "О небе" и "Метеорология". Его аргументы были следующие.

1. Постепенное "погружение" корабля за линию горизонте при уплытии от берега и его "всплывание" из-за горизонта при приближении к берегу;

2.    Дугообразный вид линии горизонта и его расширение по мере восхождения в гору;

3.    Круглая форма тени Земли при лунных затмениях;

4.    Изменение высоты звезд при передвижении по Земле к северу или к югу.

Здесь же Аристотель сформулировал идею геоцентрической системы мира, т. е. Земля - неподвижный центр Вселен­ной, вокруг которой вращаются все звезды и планеты. Вплоть до Коперника (XVI в.) никому не удалось доказательно опровергнуть этого.

Другое крупное достижение в познании формы и разме­ров планеты связано с именем Эратосфена Киренского (III в. д.н.э), которому с невероятной для того времени точностью удалось рассчитать размеры Земли. Он измерил разность в углах падения солнечных лучей в полдень летнего солнце­стояния между Александрией (дельта Нила) и Сиеной (ны­нешний Асуан), лежащей на северном тропике. Разделив расстояние между этими пунктами на разность углов падения солнечных лучей, получил длину дуги в один градус и длину окружности Земли, которая составила 39690 км, что всего на 319 км оказалась меньше истинной величины. Зная окруж­ность Земли, несложно было вычислить радиус, площадь и объем планеты. Логика и ход рассуждений Эратосфена предельно ясны, просты и легко воспроизводимы, а, как извест­но, воспроизводимость эксперимента - главное требование к истинности научных высказываний.

Унаследованные от античности представления о форме и размерах Земли сохранились вплоть до XVII в., когда И. Ньютон на основе законов небесной механики доказал, что вращающаяся планета должна иметь форму не идеального шара, а эллипсоида вращения с осевым сжатием в 24 км, что незначительно отличается от его истинного значения (21,3 км).

Геодезические и астрономические исследования после­дующих столетий с применением более совершенной измери­тельной техники, в том числе и спутниковой показали, что форма Земли отличается и от идеальной фигуры (эллипсоида вращения, имеет только себе подобную форму, названную геоидом (от греч. "гео" - Земля, "ид" - подобный) (рис. 2). Установле­но, что Земля сжата

      

 

Рис. 2. Эволюция представления о форме Земли (а)

и поверхность рельефа, сфероид и геоид (б)

 

не только по оси вращения, но и по эква­тору (наибольший и наименьший экваториальные радиусы отличаются на 210 м) и таким образом, Земля является не двух-, а трехосным эллипсоидом вращения. Кроме того, пла­нета несимметрична и по отношению к экватору: южный по­люс расположен ближе к экватору, чем северный. Если же учесть расчлененность рельефа Земли (высочайшие горы и океанические желоба), действительная форма Земли окажется еще более сложной.

Следовательно, геоид - воображаемая уровенная поверх­ность планеты, которая совпадает с уровнем воды Мирового океана, от которого ведется отсчет высот и глубин и как бы "срезает" континенты. Отступления поверхности геоида от равновесного эллипсоида незначительны, но прослеживаются повсеместно: в Мировом океане геоид выше эллипсоида до +120 м; Азия и Северная Америка лежат ниже, соответствен­но на -160 м и -97 м; Европа и Африка превышают эллипсо­ид до +130 м и т. д. Все эти отклонения от равновесной фигу­ры имеют существенные геологические следствия: трехосность создает в земной коре и в теле планеты напряжения, стремящиеся к выравниванию фигуры, стимулируя восходя­щие и нисходящие движения земной коры в разных частях планеты.

С учетом всех этих обстоятельств в настоящее время приняты следующие размеры геоида:

экваториальный радиус - 6378,245 км

полярный радиус - 6356,863 км

полярное сжатие - 1/298 или 21,36 км

экваториальное сжатие - 1/30000 или 213 м

Из лих исходных данных выводится ряд производных показателей Земли:

длила меридиана - 40008,5 км

длина экватора - 40075,7 км,

площадь поверхности - 510083000 км²,

объем - 1083х10¹²км³,

масса - 6x10²⁷ г

Зная объем и массу, можно определить и среднюю плот­ность Земли, которая составляет 5,52 г/см³, что в 5,5 раза вы­ше плотности воды. Средняя плотность поверхностных гор­ных пород равна 2,8 г/см³, что значит в недрах Земли плот­ность вещества в несколько раз превышает средний показа­тель.

Ускорение свободного падения тел на поверхности Зем­ли меняется от 978 см/с² на экваторе до 983 см/с² на полюсах и зависит от центробежного ускорения, создаваемого враще­нием планеты (3,4 см/с²), которое на полюсах обращается в ноль. В разных точках Земли наблюдаются отклонения уско­рения свободного падения (гравитационные аномалии), кото­рые могут достигать нескольких сотен см/с². Это явление ле­жит в основе гравиметрического метода исследования земной коры, что нередко приводит к открытию месторождений по­лезных ископаемых.

Влияние формы, размеров геоида совместно с его осевым вращением исключительно велико на природу поверхности нашей планеты.

1.Выпуклая форма геоида меняет протяженность види­мой линии горизонта (L, км) в зависимости от высоты точки наблюдения (h, м) согласно

L = 3,86 √h

2. Объективно определяются две постоянные точки - по­люсы. Это позволяет построить координатную сетку, т. е. систему параллелей и меридианов, лежащей в основе геоде­зии и картографии.

3.Меняется линейная скорость движения точек на по­верхности (V, м/сек) в зависимости от широты местности (φ, град.), согласно V =V_ocos φ, где Vo - линейная скорость точки на экваторе, 464 м/сек.

Благодаря этому меняются и центробежные силы, как на поверхности, так и в недрах Земли, что приводит к перетокам подкорового вещества и тектоническим деформациям лито­сферы. По некоторым данным широты 30˚ и 60˚являются критическими для колебаний литосферы, где формируются тектонически активные зоны.

4. От шарообразной формы Земли зависит еще одно важ­ное для понимания хода экзогенного рельефо- и породообразования явление - неравномерность поступления солнечной энергии по широтным поясам в зависимости от угла падения солнечных лучей. Интенсивность потока солнечной энергии I_α,   падает от экватора I₀ к полюсам в зависимости от угла падения солнечных лучей α,    согласно I_α = I₀ sinα.

5. Выпуклая форма Земли в сочетании с суточным вра­щением вызывает отклонение движущихся по ее поверхности тел (течения, реки, ветры и т. д.) в северном полушарии вправо, в южном - влево (Кориолисово ускорение). Численно Кориолисово ускорение (F) зависит от скорости (V), массы (m) движущихся тел и широты местности (α):

F = 2Wmv.sinα

где W - угловая скорость вращения шара, 7,29 10^-5 С^-1 .

В частности, под влиянием этого явления в северном полушарии более интенсивно подмываются правые берега рек, в южном - левые (закон Бэра)

 

Одной из характерных особенностей Земли является то, что 70,8% ее поверхности (361 млн. км²) покрыто океанами и морями. Жидкая оболочка Земли  называется  "гидросферой" (греч. "гидор" - вода, "сфера" - шар). Наибольшая ее толщина около 11 км. Гидросфера включает в себя все природные воды: океаны, моря, реки, озера, а также подземные водоносные горизонты.

Другая характерная особенность нашей планеты заключается в следующем. Если выразить графически рельеф материков и дна океанов в качестве различных ступеней общего рельефа Земли, получится так называемая "гипсографическая (греч. "гипсос" - высота,  "графо" - пишу) кривая" земного шара (рис. 1). Из ее анализа следует, что континенты уступают океанам по площади, и их поднятие над уровнем моря невелико по сравнению с глубинами океанов. На суше высоты менее 1000 м составляют 75% площади; средняя высота континентов над уровнем моря +870 м. В Мировом океане преобладают глубины от 3000 до 6000 м; средняя глубина океанов - 3800 м.

На суше и океаническом дне с определенной закономерностью расположены горы и горные   системы.   На   суше   это  –   ш и р о т н ы й   Средиземноморский и м е р и д и о н а л ь н ы е - Западно- и Восточно-Тихоокеанский линейные горные пояса. Средиземноморский  пояс начинается на западе горами Атласа (Северная Африка) и продолжается на восток, включая горные цепи Пиренеев, Альпы, Аппенины, Балканские, Карпатские, Крымские, Кавказские горные системы, Памир, Гималаи (до Малайского архипелага). Западно-Тихоокеанский пояс охватывает горные сооружения Чукотки,  Камчатки,  Курильских островов, Сахалина, Японии и другие вплоть до Австралийских Кордильер. Восточно-Тихоокеанский пояс включает горные образования Кордильер Северной и Южной Америки.

В середине ХХ в. с помощью  эхолотов,  автоматически  измерявших глубину океанического дна, была составлена подробная карта его рельефа. На дне океанов выделяются: пологая материковая отмель, или шельф (англ. “shelf” - отмель), - до глубин 200 м; крутой континентальный склон - до глубин 2500 м; океаническое ложе и узкие глубоководные желоба.

     Ложе океанов представлено почти гладкими равнинами, занимающими около 76% площади Мирового океана. Они осложнены возвышенностями, валами и горными хребтами. Высота последних изменяется от первых сотен до нескольких тысяч метров.  Местами и над водной поверхностью океанов  выступают  островками отдельные конусообразные вершины или цепочки таких гор. Наиболее высокими из них являются Азорские острова в Северной Атлантике. Высота их составляет 2500 м - относительно водной поверхности и около 9000 м относительно дна океана.

В Атлантическом океане почти на равном расстоянии от Американского  континента и Европы и Африки обнаружен простирающийся с юга на север горный хребет, названный Срединно-Атлантическим. Он возвышается над дном океана почти на 3 км. Ширина хребта исчисляется сотнями километров. Подобные хребты выявлены в Индийском, Тихом и Северном Ледовитом океанах. По своей протяжённости,  ширине и высоте они не уступают складчатым горным поясам материков. Вдоль осевых частей хребтов, приравненных к срединно-океаническим, протягивается глубокая (до 3 км) и широкая (25-50 км) трещина - рифт (англ. “rift" - ущелье, расселина).