1.1.2. Форма Земли

Человек ещё в глубокой древности интересовался формой Земли. Впервые мысль о шарообразности нашей планеты высказал древнегреческий математик Пифагор Самосский (VI в. до н.э.), а философ Аристотель впоследствии подтвердил это (IV в. до н.э.). Длительное время Земля рассматривалась как правильный шар, пока в 1680 г. И. Ньютон не подсчитал, что Земля сплющена вдоль оси вращения на 1/230 доли этой оси. Как ни велик был авторитет знаменитого учёного, следовало проверить его вычисления. На это ушло несколько десятилетий. В 40-х годах 18 в. французские астрономы подтвердили правоту И. Ньютона. Было доказано, что Земля сплюснута к экватору и разница между её диаметрами составляет 42 км.

В нашей стране с 1946 г. за форму Земли принимают эллипсоид Красовского со следующими параметрами: экваториальный радиус – 6378,160 км; полярный радиус – 6356,777 км; площадь поверхности Земли составляет всего около 510,2 млн. км², а суши – 29,2 % (149,1 млн. км²). Объём Земли – 1,083·10¹² км³, масса Земли – 5,98·10²⁴ кг (прилож. А). Окружность Земли по полюсам ≈ 40008 км, а по экватору ≈ 40075 км. Иногда форму Земли именуют сфероидом. Более точное наименование формы – геоид.

Геоидом называется фигура, которую образовала бы поверхность Мирового океана и сообщающихся с ним морей при некотором среднем уровне воды. Эта поверхность, мысленно продолженная под материками, образует замкнутую фигуру Земли. Понятие о геоиде введено в 1873 г. И.Б. Листингом, проф. Гёттингенского университета (Германия) в его трудах по геодезии. Это понятие является основным в теории и методах изучения формы, размеров и строения Земли.

Размеры земного шара на протяжении нескольких млн. лет можно считать неизменными. В связи с тем, что Земля сплюснута вдоль полюсов, ускорение свободного падения (сила тяжести) на экваторе и вблизи него чуть меньше, чем на полюсах. По современным данным, значение ускорения свободного падения на экваторе составляет 978 Гал, а на полюсах – 983 Гал². Это интересное свойство Земли количественно установлено совсем недавно, в 20 в. Заметил его французский натуралист Жан Рошé в 1676 г., сравнив показания маятниковых часов при переезде из Парижа (49 º северной широты) в Кайенну, столицу французской Гвианы в Южной Америке (5 º северной широты).

1.1.3. Строение Земли

Земля сложена внешними и внутренними концентрическими сферами. Внешние сферы включают атмосферу, гидросферу и бионоосферу. В табл. 1 приведены наименования и высота расположения пяти компонентов атмосферы, каждый из которых имеет характерный состав, плотность и температуру по шкале Кельвина (150…280 К).

В тропосфере (до 18 км), а также в нижней зоне стратосферы (до 20 км) содержатся водяной пар, азот N₂, кислород O₂ и другие газы с плотностью воздуха, уменьшающейся по мере удаления от поверхности Земли (1000...100 г/м³). Тропосфера определяет водный баланс Земли. Среднее количество осадков на планете равно 1020 мм/г. Испарение с поверхности суши обеспечивает 140 мм/г. Остальные 880 мм/г испаряются с поверхности Мирового океана. В стратосфере на высоте 20…25 км размещается озон O₃. Мезосфера и термосфера отличаются стремительной разрежённостью (1,0…0,001 г/м³). Экзосфера – завершающий компонент атмосферы (выше 120 км), где витают разложившиеся элементы: атомы водорода, ионы и свободные электроны, ускользающие в космическое пространство.

Атмосфера Земли обладает электрическим полем, в ней возникают различные электрические, оптические и акустические явления. Неравномерность нагревания атмосферы способствует её общей естественной циркуляции, что оказывает влияние на погоду и климат Земли. Существование и сохранность атмосферы обеспечиваются благодаря гравитационному полю Земли.

Таблица 1 – Земные оболочки

Шифр	Внешние оболочки		N п/п	Внутренние оболочки
	Наименование	Высота, глубина, ≈ км		Наименование	Толщина, ≈ км
А.	Атмосфера, в т.ч.:		1.	Земная кора	0,2…40
	- 1) тропосфера	8…10	2.	Литосфера	5…350
	- 2) стратосфера	до 50…55	3.	Мантия, в т.ч.:	2900
	- 3) мезосфера	до 80…85	3.1.	- верхний слой	900
	- 4) термосфера	до 100…120		(Гутенберга-Голицына)
	- 5) экзосфера	выше 120	3.2.	- нижний слой	2000
Б.	Гидросфера	глубина до 11,022	4.	Ядро, в т.ч.:	3500
В.	Бионоосфера	-	4.1.	- внешнее ядро	1300
			4.2.	- субъядро	R = 2300

Гидросфера – прерывистая водная оболочка Земли, располагающаяся между атмосферой и земной корой (литосферой) и представляющая совокупность всех водных объектов земного шара: океанов, морей, рек, озёр, водохранилищ, болот, подземных вод, ледников и снежного покрова. Именно в гидросфере Земли впервые зародилась жизнь, в палеозое распространившаяся и на сушу.

Поверхностные воды являются основными источниками водоснабжения, орошения земли и создания искусственных водоёмов. Взаимодействие и самопроизвольные взаимопереходы вод составляют сложный круговорот воды на Земле. Подземная вода является вторым основным компонентом горных пород, грунтов и часто предопределяет их строительные свойства. Классификация воды, пара и льда в поровом пространстве грунтов приведена в гл. 3.4.2.

Количественная информация о гидросфере собрана в прилож. А. В табл. 1 указана максимальная глубина водного объекта на Земле (Марианский жёлоб, глубина 11022 м, длина 1340 км).

Бионоосфера охватывает часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть земной коры и литосферы, которые, по акад. В.И. Вернадскому, взаимно связаны сложными биогеохимическими циклами миграции веществ и энергии.

В учении о бионоосфере одним из основных аспектов является ноосферный, изучающий глобальные эффекты воздействия человечества на состояние окружающей (природной) среды. Негативные последствия могут иметь разработка полезных ископаемых, сельскохозяйственная, гидротехническая и строительная деятельность на Земле. Возникают такие отрицательные антропогенные факторы, как загрязнения, нарушение природного баланса, отходы промышленности. К сожалению, действия человечества в плане охраны природы пока остаются робкими.

Надо заметить, что ранее не существовало понятия «бионоосфера», а использовался термин «биосфера», предложенный в 1875 г. австрийским геологом Э. Зюссом. На наш взгляд, термин бионоосфера более точно и полно отражает современную ситуацию в рассматриваемой комплексной зоне с учётом мощного антропогенного фактора.

Внутренние сферы (оболочки) Земли называются геосферами, включающими земную кору 4 (рис. 1.1); литосферу 5; мантию 6 и ядро 7. Земная кора – это верхняя оболочка Земли, простирающаяся на глубину 0,2…40 км, иногда до 70 км (табл. 1). Нижняя граница оболочки выявлена в 1909 г. хорватским геофизиком А. Мохоровичичем в Загребе в момент землетрясения. Он установил, что на глубине примерно 30 км происходит скачкообразное увеличение скорости сейсмических волн при переходе через вышеназванную нижнюю границу с 6,7…7,6 до 7,9…8,2 км/с. Впоследствии это явление подтвердили и другие сейсмологи. Теперь нижняя граница (подошва) земной коры называется поверхность Мохоровичича или поверхность Мохо.

Литосфера (греч. lithos – камень) включает земную кору 4 и верхнюю часть подстилающей её мантии 6. Мантия – двухслойная оболочка Земли, расположенная между земной корой и ядром Земли, находящимся на глубине 2900 км, что установлено в 1910 г. американским геофизиком Б. Гутенбергом. Эта нижняя граница мантии представляет собой поверхность, на которой скорость сейсмических волн скачкообразно падает с 13,6 до 8,1 км/сек. Верхний слой мантии толщиной 900 км называется слоем Гутенберга-Г олицына. Нижний слой мантии толщиной 2000 км покрывает ядро Земли, что установлено в 1897 г. немецким сейсмологом Э. Вихертом. В мантии Земли происходят процессы, обуславливающие сейсмические (греч. seismos – колебание) колебания земной поверхности, магматизм, вулканизм и др. геологические процессы и образования.

Ядро Земли являет собой центральную, наиболее глубокую геосферу Земли радиусом 3500 км, состоящую из внешнего жидкого ядра толщиной ≈ 1300 км и твёрдого субъядра. Предполагают, что температура в центре ядра достигает 10000 ºС, плотность около 12,5 г/см³, давление 361 ГПа.

На схеме северо-западного квадранта поперечного сечения геоида (см. рис. 1.1) показано расположение вышеописанных внешних и внутренних сфер (оболочек), в соответствии с современными научными представлениями, основанными на результатах геофизических исследований учёных многих стран.

Непосредственному наблюдению доступны атмосфера, гидросфера, бионоосфера и самая верхняя часть земной коры, которую в пределах зоны освоения можно назвать геоноосфера, где непосредственно осуществляется инженерно-хозяйственная и строительная деятельность.