3.5.2. Планеты солнечной системы

По физическим характеристикам планеты Солнечной системы делятся на две группы: планеты земного типа (Меркурий, Венера, Земля, Марс) и планеты-гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун). О Плутоне пока известно мало, но по-видимому он по своему строению ближе к планетам земной группы. Строение планет слоистое, они состоят из нескольких сферических оболочек, различающихся по химическому составу, фазовому состоянию, плотности и другим характеристикам.

Все планеты земной группы имеют твердые оболочки, в которых сосредоточена почти вся их масса. Венера, Земля и Марс обладают газовыми оболочками – атмосферами. Меркурий практически лишен атмосферы. Земля имеет жидкую оболочку – гидросферу. На Марсе имеется лед на полярных шапках и в грунте (вечная мерзлота). На Венере существует дефицит воды. Характеристики твердых оболочек планет относительно хорошо известны лишь для Земли. Модели внутреннего строения других планет строятся по аналогии с Землей.

Ядро Земли состоит скорее всего из железа, подразделяется на внешнее (жидкое) и внутреннее (твердое). Жидкое ядро, вероятно, есть у Меркурия и Венеры. У Марса его, по-видимому, нет. Наиболее распространены в твердой оболочке Земли железо (34,6%), кислород (29,5%), кремний (15,2%), магний (12,7%). Таким образом, по химическому составу планеты земной группы резко отличаются от Солнца и не соответствуют средней распространенности элементов в космосе – мало водорода и гелия.

Планеты-гиганты обладают другим химическим составом. Юпитер и Сатурн содержат водород и гелий в той же пропорции, что и Солнце. В недрах Урана и Нептуна, по-видимому, больше тяжелых элементов. Недра Юпитера находятся в жидком состоянии за исключением небольшого ядра, которое представляет собой результат металлизации жидкого водорода. Сатурн по своему строению похож на Юпитер. В недрах Урана и Нептуна доля каменистых материалов существенно больше. В данном пособии подробно рассмотрено строение планет земной группы и Юпитера.

3.5.2.1. Земля

Земля – третья от Солнца планета Солнечной системы. Земля участвует в двух движениях: она вращается вокруг собственной оси и обращается вокруг Солнца по эллиптической (близкой к круговой) орбите. Солнце находится в одном из фокусов эллипса. Среднее расстояние от Земли до Солнца 149,6 млн. км (минимальное – 147,1 млн. км, максимальное – 152,1 млн. км). Фокус орбиты отстоит от центра на расстояние 2,5 млн.км. Средняя скорость движения Земли по орбите 29,79 км/с (107 тыс. км/час). Время оборота Земли вокруг Солнца – звездный год – 365 суток 6 часов 9 минут 10 секунд. Вследствие движения Земли вокруг Солнца происходит смена времен года.

Плоскость, в которой Земля обращается вокруг Солнца, называется плоскостью эклиптики. Плоскость эклиптики пересекает плоскость небесного экватора под углом 23°27'. На пересечении этих двух плоскостей находятся две точки равноденствия: 21 марта – точка весеннего равноденствия и 23 сентября – точка осеннего равноденствия. 21 марта Солнце пересекает небесный экватор и переходит из Южного полушария в Северное, в Северном полушарии начинается весна.

Ось вращения Земли проходит через центр Земли и Полярную звезду в созвездии Малая Медведица. Ось вращения Земли наклонена к плоскости эклиптики под углом 66° 33' 22". Планета вращается вокруг своей оси с запада на восток, т.е. против часовой стрелки, если смотреть со стороны Северного полюса. Скорость вращения на экваторе достигает 1600 км/час. Сутки – время, за которое Земля совершает один оборот вокруг собственной оси. Различают солнечные и сидерические сутки. Солнечные сутки – промежуток времени вращения Земли, при котором за точку отсчета берется Солнце, - равны 24 часам. Сидерические (звездные) сутки – за точку отсчета берется любая звезда – равны 23 часам 56 минутам 4 секундам. Вследствие вращения Земли вокруг собственной оси происходит смена дня и ночи.

С течением времени ось вращения Земли не остается неизменной, она совершает медленное движение по конусу, ось которого перпендикулярна плоскости земной орбиты. Это движение называется прецессией. Причиной прецессии является влияние гравитационных сил со стороны Солнца и Луны. Период прецессии равен примерно 26000 лет. Из-за прецессии Северный полюс перемещается между звездами. Через 14000 лет он будет рядом со звездой Вега из созвездия Лиры.

Возраст Земли оценивается в 4,5 – 4,7 млрд. лет. Земля образовалась из рассеянного в протосолнечной системе газо-пылевого вещества и прошла длинный и сложный путь эволюции. Вначале из-за очень высокой температуры Земля пребывала в расплавленном состоянии. Этим объясняется тот факт, что вещества с высокой плотностью – железо, никель – находятся ближе к центру планеты, а более легкие элементы – остались на поверхности. Затем температура Земли понизилась, планета стала постепенно твердеть. Земля состоит из нескольких сферических оболочек, различающихся по своему химическому составу, фазовому состоянию, плотности и другим характеристикам.

Ядро Земли состоит скорее всего из железа и делится на две части. Внутреннее ядро, радиус которого равен 1330 км, состоит из твердых элементов. Давление в центре планеты – 3,6∙10¹¹ Па, плотность – около 12,5 г/см³. Внешнее ядро находится в жидком состоянии, толщина его примерно 2200км. Температура в ядре колеблется около 6200°С. Далее расположена мантия, состоящая из твердых кремниевых пород, окислов кремния и магния. У нижней границы мантии давление достигает 1,3∙10¹¹Па, температура – 5000 К. Толщина мантии около 3000 км. Мантия состоит из двух частей - внутренней мантии с твердой структурой и внешней – более пластичной. Внешнюю часть толщиной около 100 км называют литосферой.

Верхний слой литосферы – земная кора – представляет собой каменистую структуру (граниты и базальты) переменной толщины: около 10 км под дном океанов и около 50 км на континентах. Из всей массы Земли кора составляет менее 1%, мантия – около 65%, ядро – 34%. Граница между корой и мантией называется разделом МОХОРОВИЧИЧА.

Литосфера состоит из десятка огромных плит, размеры которых достигают размеров целых континентов. Плиты как бы плавают в расположенном под ними до глубины 250 км слое повышенной текучести, называемом астеносферой, под действием конвективных потоков, вызывающих движение ниже расположенных расплавленных масс.

Вблизи поверхности Земли возрастание температуры с глубиной составляет примерно 20° на каждый километр. На глубине около 100 км температура примерно 1800 К. На Земле в результате вулканической деятельности происходят выбросы лавы, пара и газов из внутренних частей мантии, На Земле около 800 действующих вулканов.

В твердой оболочке Земли наиболее распространенными элементами являются железо (34,6%), кислород (29,5%), кремний (15,2%), магний (12,7%).

Масса Земли – 5,976∙10²⁴ кг.

Средняя плотность – 5,517 г/см³.

Средняя температура поверхности + 22°С.

О шаровидности Земли первые предположения были сделаны в V в. до н.э. В IV в. до н.э. Аристотель обратил внимание на то, что тень от Земли, падающая на Луну во время лунного затмения, имеет круглую форму, что свидетельствовало о шаровидности Земли. Размеры земного шара первым установил Эратосфен Киренский в III в. до н.э. По его измерениям радиус Земли составлял 6278 км (по современным измерениям – 6371 км). На самом деле Земля далеко не шар. Она имеет неправильную форму. Земля сплюснута у полюсов, что является следствием вращения Земли вокруг оси. Экваториальный радиус Земли – 6378 км, полярный – 6356 км. Сжатие составляет 0, 0034.

Было предложено несколько математических моделей Земли. Геоид – модель Земли, представляющая собой геометрическое тело, у которого поверхность совпадает с поверхностью среднего уровня воды в океане, находящейся в свободном состоянии, и мысленно продолженной под материками так, что в каждой точке она пересекает отвесную линию под углом 90°. Относительно геоида производятся измерения высот на суше и глубин в океанах. Наибольшую высоту на суше имеет вершина Джомолунгма (Эверест). Наибольшую глубину по отношению к уровню мирового океана имеет Мариинский желоб в Тихом океане – 11022м.

Для решения картографических и геодезических задач за математическую модель Земли принимают эллипсоид относительности. Эллипсоид как геометрическое тело представляет собой шар, сплюснутый у полюсов. Величина сжатия составляет 1:298,2.

Площадь земной поверхности составляет 5,1∙10⁸ кв. км. 70% поверхности Земли покрыто водой, 30% занимает суша.

Земля окружена атмосферой, представляющей собой газовую оболочку. Состав атмосферы: 77% азота, 21% кислорода, 1% водяного пара. 1% - другие газы. Верхняя граница атмосферы лежит на высоте более 2000 км. Граница эта выражена нечетко. Основная масса воздуха сосредоточена в довольно тонком слое. 90% всей массы воздуха сосредоточено в слое от поверхности Земли до высоты 16 км. В слое до высоты 30 км сосредоточено 99% массы атмосферы. С высотой плотность воздуха быстро уменьшается – от 1,033 кг/м³ на уровне моря до 0,004 кг/м³ на высоте 40 км.

В атмосфере выделяют несколько слоев с различными физическими свойствами. Тропосфера: от поверхности Земли до высоты 8 – 12 км в умеренных и высоких широтах и до 16 – 17 км в тропиках и экваториальной зоне. В тропосфере находится почти весь водяной пар, в ней возникают облака, выпадают дождь, снег, град и т.д. В тропосфере температура понижается на 6° на каждый километр. Это объясняется тем, для солнечных лучей тропосфера прозрачна, нагревается она от поверхности Земли.

Над тропосферой находится стратосфера. Ее верхняя граница расположена на высоте 50 – 55 км. В стратосфере температура воздуха с высотой повышается от –40°С (на экваторе) и –80°С у полюсов до 0°С. В стратосфере ничтожно содержание водяного пара, повышенное содержание озона, поглощающего ультрафиолетовое излучение Солнца. Именно под действием солнечной радиации повышается температура в верхних слоях стратосферы. Слой воздуха, отделяющий тропосферу от стратосферы, называется тропопаузой. Его толщина от десятков до сотен метров.

Выше стратосферы до высоты 80 км располагается мезосфера. В ней температура с высотой падает и у верхней границы достигает –80°С. Здесь иногда возникают тонкие облака, которые называются серебристыми.

Между высотами 80 км и 800 км расположена термосфера, в которой температура с высотой повышается до +1500°С на высоте 500 – 600 км. В термосфере на температуру существенно влияет радиация Солнца. В термосфере газы находятся в атомарном состоянии. Под действием солнечного излучения они ионизируются. Поэтому термосферу часто называют ионосферой. В ней возникают полярные сияния - свечение ионизированных газов под действием потоков заряженных частиц от Солнца. Ионосфера влияет на распространение радиоволн, отражая средние и короткие волны.

Самая верхняя, сильно разреженная часть атмосферы называется экзосферой. Предполагают, что температура в ней достигает 2000°С.

Земля обладает магнитным полем. Происхождение магнитного поля связывают с наличием у Земли расплавленного жидкого ядра и ее вращательным движением вокруг собственной оси. С определенной точки зрения Земля функционирует как огромный генератор постоянного тока. Магнитное поле Земли распространяется в окружающее пространство и формирует магнитосферу – магнитную оболочку вокруг Земли. Анализируя структуру древнейших каменистых образований, поднятых со дна океанов, ученые сделали вывод, что Северный и Южный магнитные полюса Земли через промежутки времени около 100 000 лет несколько раз менялись местами (16 инверсий за последние 10 млн. лет).

Магнитные полюса Земли не совпадают с географическими. Магнитная ось планеты наклонена к оси вращения Земли на 11˚30′. Магнитное поле Земли претерпевает вариации, связанные с активностью Солнца. При вспышках на Солнце на Земле возникают магнитные бури.

За время своего существования облик Земли претерпевал существенные изменения. В XIX веке в геологии сформировались две концепции развития Земли. Ж.Кювье предположил, что развитие Земли осуществляется посредством скачков, катастроф – «теория катастроф». Эволюционная теория, наоборот, предполагала, что развитие осуществляется посредством небольших изменений, происходящих в одном и том же направлении. Суммируясь, эти изменения приводят к значительным результатам.

В 1912 г. А.Вагенером была предложена гипотеза «дрейфа материков» - первая теория мобилизма. Согласно этой гипотезе, в геологическом периоде карбон (340 – 240 млн. лет назад) существовал единый массив суши Пангея. Пангея раскололась на две части – Лавразию и Гондвану. 135 млн. лет назад Африка отделилась от Южной Америки, а 85 млн. лет назад – Северная Америка от Европы. 40 млн. лет назад Индийский материк столкнулся с Азией, появились Тибет и Гималаи. Эта гипотеза подтверждается следующими фактами: - сходство очертаний материков, как частей расколовшегося когда-то единого праматерика Пангеи;

- эмпирически обнаруженное в конце 50-ых годов расширение дна океана;

- сходство геологического строения приатлантических континентов, особенно Африки и Южной Америки.

Во второй половине ХХ века была разработана вторая теория мобилизма (новая глобальная тектоника). Согласно этой теории, литосфера разбита на крупные жесткие и монолитные плиты, которые перемещаются по астеносфере в горизонтальном направлении. Астеносфера – слой верхней мантии, в пределах которой формируются очаги глубокофокусных землетрясений. Верхняя граница астеносферы находится на глубине 50 – 100 км, нижняя – на глубине 250 – 300 км. Является основным источником магмы. В ней происходит перетекание вещества, которое вызывает вертикальное и горизонтальное движение плит литосферы. Вблизи срединных океанических хребтов литосферные плиты наращиваются за счет вещества, поднимающегося из недр, и расходятся в стороны. В глубоководных желобах одна плита подвигается под другую и поглощается мантией. Там, где одна плита сталкивается с другой, образуются складчатые участки блоков литосферы. На стыках плит сосредоточена тектоническая, сейсмическая и вулканическая активность планеты.

В геологической истории Земли насчитывается несколько ледниковых эпох (периодов) – отрезков времени, характеризующихся сильным похолоданием климата и развитием обширных материковых ледников (гляциал). Ледниковые эпохи разделялись эпохами почти полного исчезновения льдов (интергляциалы). Всего насчитывается более 20 эпох оледенения. Последний ледниковый период начался 120 тыс. лет назад. В России его называют валдайским, в Европе - вюрмским, в США – висконсинским. В этот период на сушу в виде льда переместилась огромная масса воды. Уровень океана упал на 60 – 100 м. 16 тыс. лет назад льды начали таять. Послеледниковая эпоха называется голоценом. В Европе она началась 10 тысяч лет назад.

Существуют две концепции возникновения ледниковых эпох: астрономическая и земная. В астрономической концепции первостепенная роль отводится излучению Солнца. Ледниковые периоды связывают с длительными уменьшениями потоков солнечной энергии. В качестве причин уменьшения солнечной радиации, падающей на Землю, называют пульсации размеров Солнца, конвекцию вещества на Солнце, гравитационное воздействие на Солнце других звезд, пересечение Солнцем при его движении пылевых облаков.

Земная концепция связывает ледниковые периоды со следующими процессами, происходящими на Земле: перестройка активности земных недр; движение литосферных плит; развитие вулканизма и газообразования; объединение и разъединение континентов; изменение площади и глубины океанов; изменение состава атмосферы; эволюционное развитие биосферы.