Вопрос №7.

Фигура Земли — термин для обозначения формы земной поверхности. В зависимости от определения фигуры Земли устанавливаются различные системы координат.

История вопроса

Ещё в VI в. до нашей эры Пифагор считал, что Земля имеет круглую форму. Спустя 200 лет Аристотель доказал это, ссылаясь на то, что во время лунных затмений тень Земли всегда круглая. Спустя ещё 100 лет Эратосфен сумел измерить длину земного меридиана (250000 стадий) и вычислить радиус Земли (40000 стадий). Поскольку неизвестно, какими стадиями пользовался Эратосфен, невозможно установить это значение в современных единицах длины.

То, что форма Земли должна отличаться от шара впервые показал Ньютон. Он предложил следующий мысленный эксперимент. Нужно прокопать две шахты: от полюса до центра Земли и от экватора до центра Земли. Эти шахты заливаются водой. Если Земля имеет форму шара, то глубина шахт одинакова. Но на воду в экваториальной шахте действует центробежная сила, в то время как на воду в полярной шахте — нет. Поэтому для равновесия воды в обеих шахтах необходимо, чтобы экваториальная шахта была длиннее.

Дальнейшее развитие теории фигуры Земли пошло благодаря работам Гюйгенса, Кассини, Клеро, Маклорена, д'Аламбера, Лагранжа, Лапласа, Лежандра, Якоби, Дирихле, Пуанкаре и др.

Современные представления о фигуре Земли

В нулевом приближении можно считать, что Земля имеет форму шара со средним радиусом 6371,3 км. Такое представление нашей планеты хорошо подходит для задач, точность вычислений в которых не превышает 0,5 %. В действительности Земля не является идеальной сферой. Из-за суточного вращения она сплюснута с полюсов; высоты материков различны; приливные деформации также искажают форму поверхности. В геодезии и космонавтике обычно для описания фигуры Земли выбирают эллипсоид вращения или геоид. С геоидом связана система астрономических координат, с эллипсоидом вращения — система геодезических координат.

По определению, геоид — это поверхность, всюду нормальная силе тяжести. Если бы Земля целиком была бы покрыта океаном, то, в отсутствии приливного воздействия и прочих возмущений, имела бы форму геоида. В действительности в различных местах поверхность Земли может значительно отличаться от геоида. Для лучшей аппроксимации поверхности вводят понятие референц-эллипсоида, который хорошо совпадает с геоидом только на каком-то участке поверхности. Референц-эллипсоиды в целом имеют геометрические параметры, отличные от геометрических параметров среднего земного эллипсоида, который описывает земную поверхность в целом.

На практике используется несколько различных средних земных эллипсоидов и связанных с ними систем земных координат.

Вопрос №11.

Внешние оболочки Земли — атмосфера, гидросфера и биосфера — хотя и не учитываются при определении ее размеров и формы (за исключением гидросферы), но являются характернейшей составной частью нашей планеты, отличающей ее от других аналогичных тел Солнечной системы, и играют огромную роль в становлении и развитии земной коры. Эти оболочки проникают одна в другую и находятся в постоянном взаимодействии между собой, литосферой и мантией Земли, выражающемся в обмене материи и энергии. Взаимодействие связано не только с различием их физических свойств, но и состава.

Общим свойством внешних оболочек Земли является Их высокая подвижность, благодаря которой любое изменение состава каждой из них очень быстро распространяется часто на всю ее массу. Этим объясняется относительная однородность состава оболочек в каждый данный момент, несмотря на то, что в ходе геологического развития они испытали очень значительные изменения. Атмосфера, например, как полагают многие крупнейшие ученые (В. И. Вернадский, А. П. Виноградов и др.), первоначально не содержала свободного кислорода и была насыщена углекислым газом. Ее современный состав является результатом жизнедеятельности растений. Точно так же изменялся во времени и состав гидросферы, о чем свидетельствуют сравнение солевого состава океанических вод с водами замкнутых бассейнов, сопоставление химического состава солей некоторых месторождений, образованных за счет испарения морской воды в прошлых геологических периодах, с солевым составом вод современного океана (например, отасфуртских залежей солей в Германии и Соликамских в России). Такие сравнения показывают, что значительная часть солей привнесена в океан реками. Об изменениях органического мира (биосферы) в ходе геологического развития общеизвестно. Эти изменения быстро распространялись на весь органический мир, населявший в каждый данный момент планету, что, как известно, было положено в основу палеонтологического метода определения относительного возраста горных пород и сыграло решающую роль в развитии современной геологии.

Атмосфера по объему во много раз превышает остальную часть планеты, хотя ее масса составляет всего около 0,000 001 массы Земли. Верхней границей атмосферы принято условно считать уровень, на котором сила земного притяжения компенсируется центробежной силой вращения планеты. На этом уровне связь атмосферы с Землей теряется. Расчеты показывают, что этот уровень представлен эллипсоидальной поверхностью, отстоящей от экватора на 42, а от полюсов на 28 тыс. км. Однако почти вся масса атмосферы (более 99%) сосредоточена в ее нижних слоях — тропосфере и стратосфере (см. ниже).

Средний состав атмосферы по массе на уровне моря представлен молекулярным азотом (78,09%), молекулярным кислородом (20,95%), аргоном (0,93%) и двуокисью углерода (0,03%). Кроме того, в атмосфере содержится пыль и в ничтожных количествах присутствуют водород, неон, гелий, криптон, ксенон, радон, закись азота, йод, водяной пар, озон, метан и др. Некоторые из этих веществ интересны не только теоретически (для изучения истории развития атмосферы), но и практически: например, гелий частично добывается из воздуха. Содержание водяного пара в воздухе зависит от температуры: так, при температуре +30° С в 1 м3 воздуха может содержаться до 30 г пара, при температуре +10° С — до 8 г, а при —30° — всего до 0,3 г. Так как в нижнем слое воздуха температура понижается с высотой, количество водяного пара при удалении от поверхности Земли быстро убывает. Как только количество водяного пара в воздухе достигает максимума, он при дальнейшем охлаждении начинает конденсироваться около ядер конденсации (пылинок, дыма, микроорганизмов и пр.) и образует облака разных типов и туманы. Конденсация пара, необходимая для образования облаков, обычно вызывается охлаждением воздуха при его подъеме к верхним горизонтам атмосферы.

Мельчайшие водяные капельки не замерзают даже при температуре минус 10—15° С, а иногда и ниже, однако при температуре минус 40° С замерзают не только все капли, но и водяной пар превращается в ледяные кристаллы, минуя фазу воды (этот процесс называется сублимацией водяного пара). Замерзшие капельки превращаются в центры роста снежинок. В смешанных облаках, состоящих из капель воды и льда, упругость пара над льдом меньше, чем над водой. Поэтому пар перегоняется с капелек на кристаллы льда, что приводит к их росту и выпадению снега. Снежинки могут увеличиваться в размерах вследствие намерзания на них переохлажденных облачных капелек. При частых столкновениях капель воды с кристаллами льда образуется град.

В атмосфере всегда содержится пыль, поступающая с поверхности Земли и из космоса и состоящая из мельчайших твердых и жидких частиц. Больше всего загрязнены нижние слои воздуха: даже после дождя в 1 см3 воздуха содержится около 30 тыс. пылинок, а в сухую погоду их число увеличивается в 4—5 раз. В верхние слои атмосферы пыль попадает из межпланетного пространства; зоны пыли были обнаружены с космических кораблей и искусственных спутников на высоте 100—150 км (X. П. Погосян, Э. Л. Туркетти, 1970 г.). На состав атмосферы до высоты 30 км влияет погода, биохимические процессы и взаимодействие воздуха с материками и океанами. До высоты 90 км (до гомопаузы, см. ниже) атмосфера однородна. Средняя молярная масса ее здесь незначительно отличается от ее величины на поверхности Земли и составляет 28,97 г/моль.

Атмосферное давление на уровне моря соответствует весу столба ртути высотой 760 мм, или 1033 кгс/см2= 1 кгс/см2. С высотой давление понижается, и тем быстрее, чем выше температура. Эта зависимость выражается формулой:

Р = Рое

где р и р0 — атмосферное давление на высотах Z и Zo; е — основание натуральных логарифмов; g—ускорение свободного падения; R — газовая постоянная; Т — средняя температура воздуха между высотами Z и Z0.

Эта формула применяется при барометрическом нивелировании для вычисления разности высот.

Концентрация атмосферных газов по мере удаления от Земли непрерывно снижается: растет разреженность воздуха и падает атмосферное давление. Если на поверхности Земли оно равно 760 мм. рт. ст., то на высоте 100 км — всего около 0,0001 мм. рт. ст.

Структура атмосферы при данных массе и химическом составе зависит от распределения в ней температуры. Масса атмосферы определяется взаимодействием ее с океаном и сушей и интенсивностью обмена с межпланетным пространством. Температура обусловлена количеством и способом накопления и потери энергии. В атмосферу тепло поставляется солнечным излучением как непосредственно от Солнца, так и от поверхности Земли. Энергия теряется через излучение атмосферы.

Гидросферой называется водная оболочка Земли. Она не сплошь покрывает поверхность литосферы, так как воды при современном рельефе для этого недостаточно. В составе гидросферы выделяют три основных типа природных вод, обладающих различным составом и разными физическими свойствами. Это океаносфера (воды морей и океанов), воды суши и ледники.

Промежуточное положение занимают подземные воды, сосредоточенные « литосфере, но тесно связанные с водами гидросферы.

По подсчетам В. И. Вернадского, количество океанических вод оценивается в 1370 млн. км3, вод суши — в 4 млн. км3. Объем материковых льдов оценивается в настоящее время в 16—20 млн. км3, а масса подземных вод —в 400 млн. км3. Таким образом, на долю собственно гидросферы (без учета подземных вод) приходится 1,4 млрд. км3 воды, а объем всех природных вод составляет примерно 1,8 млрд. км3. Следовательно, масса гидросферы в 200 раз больше массы атмосферы, но и она ничтожна по сравнению с массой Земли.

В настоящее время нет данных для суждения об изменении количества вод гидросферы в процессе геологического развития Земли, так как нет даже приблизительного подсчета количества воды, выделяемой из недр на поверхность и связываемой в процессе гидратации.

Химический состав гидросферы различен для вод суши и мирового океана. Воды океана содержат в среднем 35 г солей в 1 л. Пресными считаются воды, содержащие до 1 г солей в 1 л. Между пресными и солеными водами находится группа солоноватых вод. Содержание минеральных солей в речных («пресных») водах подвержено очень большим колебаниям и зависит от климата. Например, минерализация воды р. Волги возрастает от истоков к устью от 0,1 до 0,3 г/л.

Концентрация солей в водах суши и моря различная. Меняются и количественные отношения между отдельными ионами. Но сами ионы и в речной, и в морской воде одни и те же. Так ионы хлора составляют более половины всех солей океанской воды, а в водах рек на их долю приходится всего 1/15 часть (по массе). Ионы кальция в морской воде составляют менее 1/80 солевого состава, а в реках их количество возрастает до 1/4 и т. д.

Гидросфера имеет огромное значение в общем ходе геологического развития земной коры.

Биосфера — оболочка Земли, в которой сосредоточена жизнь, — была выделена в 1875 г. австрийским геологом Э. Зюссом, однако ее особое значение для геологических и геохимических процессов было выявлено значительно позднее акад. В. И. Вернадским. Биосфера окружает Землю сплошной оболочкой. Только кратеры действующих вулканов, потоки незастывшей лавы и, может быть, некоторые замкнутые ^водоемы с особенно высокой концентрацией минеральных солей и кислот могут считаться временно безжизненными, но только временно. Нижняя граница биосферы, по В. И.Вернадскому, «должна лежать выше областей, где господствуют горячие пары воды и температура не опускается ниже 100° С, в среднем на уровне 3—4 км от уровня геоида», т. е. положение этой границы определяется предельной (достаточно высокой) температурой, при которой могут существовать простейшие организмы.

Так, в термальных источниках камчатских вулканов колонии бактерий живут при температуре 85° С, а при температуре 82° С к ним присоединяются простейшие циановые водоросли. Споры некоторых растений (например, грибов) переносят температуру до 140° С, а некоторые микробы до 180° С. Богатая флора разнообразных бактерий (в том числе и аэробных, для жизни которых необходим свободный кислород) была обнаружена в водах нефтяных месторождений Кавказа на глубине до 1600 м и далее до 2—3 км, т. е. значительно глубже, чем была известна жизнь до тех пор. Организмы, по мнению В. И. Вернадского, для поддержания жизни на этих глубинах используют кислород, выделяющийся при радиоактивных превращениях, так как кислород воздуха на эти глубины уже не проникает. По подсчетам В. И. Вернадского, масса живой органической материи на Земле составляет примерно 0,001% от массы земной коры. Большая часть этой материи сосредоточена в океане, главным образом в форме планктона.

Геологическое значение живых организмов огромно. Каждый организм при жизни захватывает из окружающей среды то или иное количество химических элементов и также неизменно возвращает их обратно в окружающую среду, но уже в других сочетаниях. Количество вещества, пропускаемое и перерабатываемое таким образом живыми организмами, огромно. За 13 лет, например, организмы пропускают через себя такое количество углерода, которое в 10 раз превышает все его содержание в земной коре. В. И. Вернадский считает весь кислород атмосферы продуктом жизнедеятельности организмов. Скопления каменного угля, торфа, нефти, мела, известняков, фосфоритов, многих железных и марганцевых руд и т. п. — результат жизнедеятельности организмов, так же как почва — результат взаимодействия организмов с горными породами. При этом в биохимических процессах, происходящих на земной поверхности, первостепенное значение имеет энергия солнечного излучения. Она улавливается зернами хлорофилла зеленых растений и в процессе фотосинтеза из углекислого газа и воды создает углеводороды с выделением свободного кислорода, играющего огромную роль во многих геологических процессах, происходящих на земной поверхности. Из растений солнечная энергия в виде создаваемых ею продуктов попадает во все другие организмы, которые не могут непосредственно использовать энергию солнечных лучей.

Элементы, захваченные живыми организмами, проходят сложный и длительный путь. Углерод, например, извлекаемый растениями из воздуха в результате фотосинтеза, поступает в состав клетчатки, белка и т. д. Из растений он частично попадает в тела животных, т. е. в состав других организмов, и в процессе дыхания снова возвращается в атмосферу в виде наименее активной формы — С02. Другая часть углерода после гибели организмов сохраняется в их остатках — сапропелях, каменных углях, нефти — и лишь через очень длительное время возвращается в свою исходную малоактивную форму — СО 2. Этот круговорот углерода происходит исключительно за счет энергии солнечных лучей, трансформируемых хлорофиллом зеленых растений, и иначе не может происходить. Для представления масштабов работы, производимой живыми организмами, приведем некоторые данные из работы В. И. Вернадского (1925 г.).

К. Эренберг (начало XIX в.) доказал, что одна кремневая водоросль (диатомея), если не встретит препятствий, за 8 дней может дать массу материи, равную массе Земли. Одна бактерия в благоприятной ее росту среде может в один день дать количество неделимых, превышающее септиллионы особей (1025). Согласно Ф. Кону, бактерия холеры может в течение четырех с половиной суток дать потомство, объем которого равен объему океана, а плотность превышает плотность последнего. Скорость передачи геохимической энергии для бактерии холеры равна приблизительно 330 м/сек, т. е. близка к предельной скорости звука. В то же время наиболее медленно размножающийся организм — индийский слон — передает энергию со скоростью примерно 1 мм/сек.

В состав организмов входят различные элементы — одни в больших количествах и постоянно, другие в малых количествах и, возможно, не всегда. К первой группе относятся С, О, Н, N, S, Р, К, Fе. Однако этот список расширяется все больше и больше. К числу биогенных элементов, т. е. элементов, несущих определенные жизненные функции, относится, например, йод, концентрирующийся в щитовидной железе позвоночных животных, марганец — в окислительных ферментах клюва птиц, цинк — в яде змей, медь в составе дыхательных пигментов некоторых моллюсков и т. д. В настоящее время в составе организмов с несомненностью установлено 60 элементов, причем по мере совершенствования методики определения количество это постоянно увеличивается.

Роль организмов как концентраторов некоторых элементов чрезвычайно велика: достаточно вспомнить концентрацию углерода в месторождениях каменных углей, нефти, торфа, кальция в известняках и т. д. Всего известно 20—22 химических элемента, которые могут концентрироваться в организмах в значительных количествах.

В золе каменных углей часто в том или ином количестве концентрируются такие элементы, как Рb, Zn, Ni, Рt, Ве, U, редкие земли. Зола некоторых углей рассматривается как руда на редкие элементы. Установлено, что часто накопление редких элементов в углях связано с растительностью, из которой они образовались: через корни растений вместе с почвенными растворами попадают различные элементы, часть которых вообще не нужна для жизни растений. Установлено также, что химический состав среды, в которой живут те или иные организмы, оказывает на них самое непосредственное влияние. С одной стороны, среда определяет распространение организмов, с другой — вызывает их изменение. Организмы реагируют на избыток или недостаток тех или иных химических элементов в среде их обитания. Этим прежде всего часто определяется подбор организмов: приспособленные к данной среде виды вытесняют менее приспособленных. Многие болезни, так называемые эндемии, возникают в связи с избытком или недостатком различных элементов в среде обитания организмов: недостаток, например, в почвах магния, марганца и железа вызывает хлороз и другие заболевания растений, недостаток фосфора и кальция — заболевание костей, недостаток йода — появление зоба у людей ит. д.

Приспособляясь к среде, организмы испытывают соответствующие биологические изменения, которые сводятся к повышению или понижению в тканях организма количества тех или иных химических элементов, со временем закрепляющихся и переходящих по наследству. Так (по акад. А. П. Виноградову), организмы с богатым содержанием натрия были в недавнем прошлом связаны с областями солончаков, многие тропические и субтропические растения, богатые алюминием, по-видимому, рослина латеритах ит. п. Выяснено, что некоторые растения, живущие над месторождениями цинка, содержат в золе до 13% цинка. Солянка, растущая на солончаках, содержит до 10% КаСl. Д. П. Малюга показал, что над месторождениями никеля и кобальта, приуроченными к древней коре выветривания, растут растения, богатые этими металлами, и т. д. Свойство растений захватывать из почвы различные элементы и концентрировать их в своих тканях используется в настоящее время при поисках полезных ископаемых.