88. Строение, физические свойства и модели Земли.

Ядро (рис. 3) расположено в центре Земли, его радиус составляет около 3,5 тыс км. Температура ядра достигает 10 000 К, т. е. она выше, чем температура внешних слоев Солнца, а его плотность составляет 13 г/см³ (сравните: вода — 1 г/см³). Ядро предположительно состоит из сплавов железа и никеля.

Внешнее ядро Земли имеет большую мощность, чем внутреннее (радиус 2200 км) и находится в жидком (расплавленном) состоянии. Внутреннее ядро подвержено колоссальному давлению. Вещества, слагающие его, находятся в твердом состоянии.

Мантия — геосфера Земли, которая окружает ядро и составляет 83 % от объема нашей планеты (см. рис. 3). Нижняя ееграница располагается на глубине 2900 км. Мантия разделяется на менее плотную и пластичную верхнюю часть (800-900 км), из которой образуется магма (в переводе с греческого означает «густая мазь»; это расплавленное вещество земных недр — смесь химических соединений и элементов, в том числе газов, в особом полужидком состоянии); и кристаллическую нижнюю, тол- шиной около 2000 км.

Земная кора - внешняя оболочка литосферы (см. рис. 3). Ее плотность примерно в два раза меньше, чем средняя плотность Земли, — 3 г/см³.

По сравнению с мантией и ядром земная кора представляет собой очень тонкий, жесткий и хрупкий слой. Она сложена более легким веществом, в составе которого в настоящее время обнаружено около 90 естественных химических элементов. Эти элементы не одинаково представлены в земной коре. На семь элементов — кислород, алюминий, железо, кальций, натрий, калий и магний — приходится 98 % массы земной коры

Своеобразные сочетания химических элементов образуют различные горные породы и минералы

Модель строения Земли

Широко известная модель внутреннего строения Земли (деление ее на ядро, мантию и земную кору) разработана сейсмологами Г. Джеффрисом и Б. Гутенбергом еще в первой половине XX века. Решающим фактором при этом оказалось обнаружение резкого снижения скорости прохождения сейсмических волн внутри земного шара на глубине 2900 км при радиусе планеты 6371 км. Скорость прохождения продольных сейсмических волн непосредственно над указанным рубежом равна 13,6 км/с, а под ним - 8,1 км/с. Это и есть граница мантии и ядра.

Соответственно радиус ядра составляет 3471 км. Верхней границей мантии служит сейсмический раздел Мохоровичича (Мохо, М), выделенный югославским сейсмологом А. Мохоровичичем (1857-1936) еще в 1909 году. Он отделяет земную кору от мантии. На этом рубеже скорости продольных волн, прошедших через земную кору, скачкообразно увеличиваются с 6,7-7,6 до 7,9-8,2 км/с, однако происходит это на разных глубинных уровнях. Под континентами глубина раздела М (то есть подошвы земной коры) составляет первые десятки километров, причем под некоторыми горными сооружениями (Памир, Анды) может достигать 60 км, тогда как под океанскими впадинами, включая и толщу воды, глубина равна лишь 10-12 км. Вообще же земная кора в этой схеме вырисовывается как тонкая скорлупа, в то время как мантия распространяется в глубину на 45% земного радиуса.

Но в середине XX века в науку вошли представления о более дробном глубинном строении Земли. На основании новых сейсмологических данных оказалось возможным разделить ядро на внутреннее и внешнее, а мантию - на нижнюю и верхнюю (рис. 1). Эта модель, получившая широкое распространение, используется и в настоящее время. Начало ей положил австралийский сейсмолог К.Е. Буллен, предложивший в начале 40-х годов схему разделения Земли на зоны, которые обозначил буквами: А - земная кора, В - зона в интервале глубин 33-413 км, С - зона 413-984 км, D - зона 984-2898 км, Д - 2898-4982 км, F - 4982-5121 км, G - 5121-6371 км (центр Земли). Эти зоны отличаются сейсмическими характеристиками. Позднее зону D он разделил на зоны D' (984-2700 км) и D" (2700-2900 км). В настоящее время эта схема значительно видоизменена и лишь слой D" широко используется в литературе. Его главная характеристика - уменьшение градиентов сейсмических скоростей по сравнению с вышележащей областью мантии.

Уменьшенной моделью Земли, наиболее полно отображающей ее поверхность, является глобус, что в переводе с латинского означает шар. Благодаря геометрическому сходству с планетой он не имеет себе равных среди других средств картографической визуализации.

Физические свойства

Сила тяжести и плотность. Согласно закону всемирного тяготения, все тела Вселенной взаимно притягиваются с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Сила, с которой тела притягиваются к Земле, называется силой тяжести. В любой точке сила тяжести обусловлена, прежде всего, общей массой Земли. Так как Земля не идеальный шар, а имеет форму геоида, точки которого находятся на разных расстояниях от центра Земли, сила тяжести в каждом пункте зависит от высоты точки наблюдения и географического положения. Как уже отмечалось, Земля немного сжата у полюсов, и точки, находящиеся вблизи полюсов, расположены ближе к центру Земли. Следовательно, сила тяжести на полюсах несколько больше, чем на экваторе и других широтах. По этой же причине на вершине высокой горы сила тяжести меньше, чем у ее подножия.

Величина силы тяжести определяется двумя факторами: силой притяжения, изменяющейся с удаленностью от центра Земли, и центробежной силой, зависящей от широты местности.

Магнитные свойства

Вокруг Земли существует сильное магнитное поле. Оно простирается на расстояние, равное 20 – 35 радиусам планеты, и образует наряду с атмосферой и ионосферой третий, “броневой” пояс – магнитосферу. Она защищает Землю от мощного потока космических частиц – протонов, альфа-частиц, небольшого количества электронов, позитронов и некоторых других. Только в районе магнитных полюсов они могут достичь атмосферы. 

Напряженность магнитного поля увеличивается от магнитного экватора к магнитным полюсам. Но в земной коре находятся источники, нарушающие плавность изолиний напряженности и вызывающие местные увеличения и уменьшения напряженности магнитного поля. Такие отклонения параметров магнитного поля называются магнитными аномалиями Чаще всего магнитные аномалии связаны с неглубоко залегающими скоплениями магнитного железняка и некоторых других магнитных пород.

 Упругие свойства. Вследствие упругости все твердые тела оказывают сопротивление сжатию или растяжению, а также усилиям, направленным на изменение их формы, например, путем закручивания. Если оказать давление на горную породу, то она несколько деформируется, частицы породы при этом сожмутся, уплотнятся. После того как приложенная сила будет устранена, частицы породы возвратятся в первоначальное состояние и их взаимное расположение полностью восстановится. Такая деформация называется упругой, а сами породы упругими.

Теплота Земли. Внутреннее тепло Земли играет важнейшую роль в геологических процессах. Проявление его на поверхности определяется рядом факторов, прежде всего теплопроводностью горных пород. Теплопроводность – способность вещества передавать тепловую энергию. Чем выше теплопроводность горной породы, тем за меньшее время через нее будет передано большее количество тепла. Теплопроводность характеризуется коэффициентом теплопроводности, который измеряется количеством тепла, проходящего через тело, имеющее форму куба с ребром 1 см в течение 1 с, если на противоположных гранях поддерживается разность температур в 1 К. В естественных условиях теплопроводность может колебаться в очень широких пределах – от 418,7 до 8,40 Вт/(м·К)