§ 38. Земля и ее окрестности

Привычное нам название «земной шар» отражает действительность неточно. Земля по своей форме отличается от шара, скорее напоминая эллипсоид вращения - сплюснутый сфероид. Малая ось сфероида совпадает с осью вращения; «полярный» радиус Земли равен 6 356 777 м. Земной экватор можно с достаточной точностью считать окружностью, имеющей радиус, равный 6 378 160 м. Таким образом, экваториальный радиус Земли больше полярного на 21 км 383 м. Отношение этой величины к экваториальному радиусу называется сжатием фигуры Земли; оно равно 1/298,25. Это такая малая величина, что мы будем дальше говорить «земной шар».

Сфероидальная форма Земли - следствие ее осевого вращения, при котором возникает центробежная сила. Она и привела к «вспучиванию» экваториальных частей земного шара.

Ось вращения не сохраняет неизменного положения в теле Земли. Она описывает около среднего положения очень сложную конусоподобную поверхность, обегая по ней за 428 суток. Это приводит к изменению положений полюсов, которые колеблются относительно среднего положения с размахом порядка 40 м. Конечно, это очень небольшое колебание, но оно несколько сказывается на географических широтах и его приходится изучать и учитывать.

Колебание полюсов имеет очень большое значение для исследования внутреннего строения Земли. Теоретические рассуждения показывают, что если бы Земля была абсолютно твердым телом, то возникшие колебания ее оси вращения имели бы период, равный 305 суткам. Но так как период равен 428 суткам, то тело Земли не твердое, а упругое.

Проникновение исследователей внутрь Земли затруднено прежде всего быстро растущей температурой недр. Поэтому при изучении внутреннего строения Земли приходится использовать всевозможные косвенные способы. Один из таких способов состоит в изучении законов распространения в теле Земли сейсмических волн. При землетрясениях из их очага, сквозь упругое тело Земли распространяются колебания - сейсмические волны, которые воспринимаются специальными приборами на станциях, разбросанных по всему земному шару. Интерпретация результатов этих наблюдений привела к следующим выводам. Внешний тонкий слой земной коры покоится на «подстилающей» поверхности и как бы «плавает» на ней. Это, конечно, не означает, что подстилающая поверхность жидкая. Отнюдь нет, она должна находиться в смолообразном состоянии, обладая одновременно свойствами и твердого, и жидкого состояния. На быстрые воздействия она реагирует как твердое тело, а на постоянно действующие, медленно изменяющиеся силы она отзывается как жидкость. Это, в частности, позволяет объяснить, почему в земной коре происходят как вертикальные, так и горизонтальные подвижки. Известно, например, что берега Норвегии постепенно поднимаются вверх, а берега Италии погружаются в море. Нарушение равновесия сил приводит к местным подъемам и опусканиям.

Под внешними слоями находится толстый слой, который теперь называют мантией Земли. Она простирается вглубь до половины радиуса Земли и имеет среднюю плотность вещества около 5 г/см3. Еще глубже расположено ядро Земли, где плотность вещества выше - около 10 г/см³. В центре Земли находится внутреннее ядро, у которого плотность вещества еще выше (около 15 г/см³). Радиус внутреннего ядра около 1250 км. Возможно, что вещество во внутреннем ядре Земли находится в жидком состоянии. Таковы вкратце данные о внутреннем строении Земли.

Рассмотрим теперь строение земной атмосферы. Воздушная оболочка Земли состоит в основном из азота и кислорода; на долю водяного пара, углекислого газа, водорода, гелия и других благородных газов (аргона, ксенона и т. д.) приходится лишь небольшая часть общего состава атмосферы. Хотя атмосфера простирается до значительной высоты (порядка двух тысяч километров над поверхностью Земли), основная масса воздуха сконцентрирована в низших слоях - тропосфере и частично стратосфере. Объясняется это тем, что собственный вес воздуха сдавливает под влиянием земного притяжения нижние слои. Давление воздуха (а следовательно, и его плотность) быстро падает по мере подъема над поверхностью Земли).

Если давление и плотность воздуха падают с высотой плавно, то температура изменяется по гораздо более сложному закону. Дело в том, что нагревание земной атмосферы солнечным излучением процесс сложный, Мы видели, что наша атмосфера пропускает примерно 0,85 визуального излучения и 0,60 - фотографического. Вместе с тем она полностью поглощает все излучения, обладающие меньшими длинами волн, чем ультрафиолетовые (меньше 2900-3000 А). «Жесткие» излучения поглощаются в верхних слоях атмосферы и приводят к их ионизации; при этом скорости движения атомов, поглотивших излучение, возрастают, а это можно рассматривать как повышение скоростей тепловых движений, т. е. как повышение «кинетической» температуры.

Нижние слои земной атмосферы нагреваются, соприкасаясь с нагретой солнечными лучами поверхностью Земли. Это и определяет свойства тропосферы - слоя, простирающегося до высоты 10 - 15 км (рис. 87). Тропосфера содержит значительное количество водяного пара, в ней разыгрываются те сложные метеорологические явления, которые мы называем погодой.

Рис. 87. Строение земной атмосферы. Кривая линия изображает изменение температуры с высотой

Температура воздуха в тропосфере падает с увеличением высоты, в среднем на 0°,65 на каждые 100 м.

Над тропосферой расположен тонкий слой «тропопаузы», над которой находится протяженная область стратосферы, где температура остается постоянной при дальнейшем подъеме в высоту; она довольно низка - около 60-80 градусов ниже нуля. На высотах порядка 30- 50 км располагается слой озоносферы, где атомы кислорода объединены в молекулы озона О3. Молекулы озона образуются вследствие поглощения солнечного излучения молекулами

кислорода 02. Хотя общее количество озона и невелико, его молекулы очень активно поглощают ультрафиолетовое излучение в пределах длин волн от 2000 до 3000 А. Поглощение энергии приводит к «нагреванию» этого слоя и температура несколько повышается. На больших высотах температура снова убывает и на высотах, близких к 90 км, достигает наименьшего значения, в среднем около -83°.

На высоте около 100 км встречаем ионосферу. Она также образуется главным образом в результате поглощения атомами и молекулами еще более жесткого солнечного излучения. В ионосфере наряду с ионами содержится значительное количество свободных электронов. Такое электрическое состояние среды приводит к тому, что ионосфера отражает большинство радиоволн (за исключением коротких). Состояние ионосферы весьма изменчиво и зависит от космических факторов.

Ионосфера разделяется на несколько слоев, так как количество электронов в единице объема растет с высотой неравномерно.

Простирается она до цысот 300 - 350 км. Самый высокий слой земной атмосферы, экзосфера, еще более разрежен и еще более подвержен космическим влияниям.

Скорости движения частиц здесь еще более высокие, так что если выражать их через «кинетическую» температуру, то она достигает больших величин - от 800 до 1700° на высоте, равной тысяче километров, и зависит от состояния солнечной активности.

Рис. 88. Радиационные пояса Земли, солнечный ветер и противосияние

Верхние слои земной атмосферы особенно подвержены действию космических лучей - потоков, состоящих, как известно, из элементарных частиц, в частности, протонов и ядер легких атомов, «разогнанных» магнитными полями Вселенной (или Солнца) до скоростей, близких к скорости света. Врываясь в земную атмосферу, космические лучи сталкиваются с атомами газов, входящих в ее состав, и разрушают их, порождая «вторичные» космические лучи, часть которых доходит до поверхности Земли. Быстрые частицы ведут себя вблизи Земли своеобразно. Для того чтобы понять их поведение, надо вспомнить об еще одном свойстве самой Земли, а именно, о ее магнитном поле.

Обнаруживается магнетизм Земли очень просто. Всем хорошо известно, что намагниченная стрелка компаса устанавливается так, что один ее конец направлен на север, а другой - на юг, вдоль направления магнитного меридиана, который, как правило, не совпадает с географическим. В 'первом приближении можно принять, что магнитные свойства Земли совпадают со свойствами диполя, наклоненного к оси вращения Земли на 11°,5 и не проходящего точно через центр Земли, но близкого к нему. Те места, в которых магнитная ось пересекает поверхность Земли, называются магнитными полюсами. Конечно, такое представление описывает свойства земного магнитного поля очень приближенно, так как существуют большие отклонения, так называемые магнитные аномалии. Кроме того, магнитное поле подвержено как медленным «вековым», так и быстрым колебаниям. Последние известны под названием «магнитных бурь» и вызваны вторжениями в земную атмосферу солнечных корпускулярных потоков. Обычно магнитная буря сопровождается свечением околополярных областей земной атмосферы - полярными сияниями.

Магнитное поле Земли оказывает сильное влияние на движение заряженных частиц при их приближении к Земле из космоса. Это приводит к образованию так называемых радиационных поясов Земли (рис. 88). Вокруг Земли образуется «магнитная ловушка», опоясывающая Землю в виде «бублика». Нанизываясь на магнитные силовые линии, быстро движующаяся частица не может выйти из этой ловушки. В частности, в ней «запираются» некоторые виды вторичных космических лучей. Происходит это так. При некоторых ядерных преобразованиях, происходящих в верхних слоях нашей атмосферы, под влиянием первичных космических лучей «рождаются» нейтроны, на которые магнитное поле не действует.

Такой нейтрон может уходить от Земли в пространство. Но нейтрон быстро распадается на протон и электрон, а они из магнитной ловушки уже уйти не могут.

Радиационные пояса Земли были открыты после того, как в околоземное пространство были запущены искусственные спутники и космические ракеты. Они активно исследуются приборами, устанавливаемыми на спутниках и в настоящее время.