Физические свойства и химический состав Земли

К основным физическим свойствам любого природного тела относятся масса и плотность. Масса Земли равна 5,98×10²¹ т, а средняя плотность — 5,51 т/м³.

Температурный режим Земли на ее поверхности зависит от тепла, получаемого от Солнца (99,5%), и от притока внутреннего тепла (0,5%), идущего к поверхности от разогретых недр. Температура внутренних частей Земли не зависит от энергии Солнца, которое прогревает земную кору на 25—30 м, а глубже распределение температур довольно сложное и отличается в каждом регионе. Мерой повышения температуры с глубиной является геотермическая ступень — т. е. расстояние по вертикали, в пределах которого температура повышается на 1 °C. В среднем для верхних слоев Земли температура увеличивается на 1 °C через каждые 32 м. О температуре более глубоких сфер Земли можно судить по температуре лавы, извергаемой вулканом, достигающей 1200—1300°С.

Причин возникновения высокой температуры в недрах Земли несколько: радиогенное тепло, химико-плотностная дифференциация вещества планеты и приливное трение. Главным источником тепла является энергия распада радиоактивных элементов ²³⁸U, ²³⁵U, ²³²Th, ⁴⁰К, ⁸⁷Rb, сопровождающегося выделением тепловой энергии. Вторым источником тепла является дифференциация веществ Земли, в результате которой тяжелые химические элементы и соединения перетекают в ядро, а легкие всплывают в мантию, литосферу и выделяются в виде газов в гидросферу и атмосферу. При этом происходит выделение некоторого количества энергии. Незначительное количество тепла выделяется в процессе замедления вращения Земли из-за приливного взаимодействия с Луной, которое вызывает приливное трение.

Гравитационное поле Земли выражается в распределении ускорения свободного падения (силы тяжести) в Земле и на ее поверхности. Сила тяжести (определена Галилеем) на уровне океана и на широте 45° составляет 9,81 м/с², а в центре Земли равняется нулю. Сила тяжести зависит от многих причин: формы земной поверхности, состава пород, залегающих в недрах Земли, высоты над уровнем моря и др. У границы мантии и ядра величина силы тяжести достигает максимального значения — 10,37 м/с² и начинает быстро падать, а на границе внешнего и внутреннего ядра составляет 4,52 м/с². Изучение силы тяжести помогает при поисках рудных полезных ископаемых.

О магнитном поле Земли впервые было изложено в книге английского ученого У. Гилберта «О магните, магнитных телах и большом магните — Земле», изданной в 1600 г., но механизм возникновения магнитного поля до сих пор не вышел за рамки гипотезы. Магнитное поле Земли и окружающего пространства в жизни планеты имеет большое значение, так как предохраняет Землю от космических частиц и солнечных магнитных бурь. Пространство, в котором проявляется напряженность магнитного поля Земли, называется магнитосферой. Магнитосфера временами подвергается резко усиливающемуся воздействию солнечного ветра, в результате чего возникают магнитные бури — нерегулярные возмущения магнитосферы, обусловленные вспышками на Солнце. В среднем в месяц возникают одна-две магнитные бури, но в марте и сентябре их бывает по пять — восемь.

Результаты изучения магнитного поля Земли важны для изучения тектонических процессов планеты, для навигации, разведки полезных ископаемых и т. д.

Химический состав Земли, распространение химических элементов, химические процессы в геосферах планеты изучает наука геохимия. Определение химического состава геосфер Земли представляет собой очень сложную задачу, которая может быть решена весьма приблизительно, основываясь на косвенных данных. Прямые определения возможны только в пределах земной коры (максимальная глубина скважины, пробуренной на Кольском полуострове составляет 12,2 км), горные породы которой неоднородны по своему составу и сильно различаются в разных местах.

По данным химического состава горных пород, в литосфере и земной коре установлено 93 химических элемента. Большинство из них являются сложными, т. е. представлены смесью различных изотопов. Лишь 22 химических элемента не имеют изотопов и поэтому называются простыми.

Проблемой изучения химического состава занимались многие ученые. В середине XIX в. американский ученый Ф. Кларк определил содержание в земной коре более 50 химических элементов. Проблемой геохимии Земли занимались А. Ферсман, Б. Мейсон, Д. Смитт, А. Виноградов и многие другие. Современная оценка валового элементарного состава Земли представлена в табл. 1.2.

Таблица 1.2

Средний химический состав Земли.

Как видно, в Земле наиболее распространены четыре элемента: О, Fe, Si и Mg, на долю которых приходится более 91% состава Земли. Менее распространены элементы: Ni, S, Са и А1, которые образуют вторую группу элементов. На оставшиеся химические элементы периодической системы приходится чуть более 1% массы Земли.

С увеличением глубины химический состав Земли меняется, о чем свидетельствует изменение плотности планеты и упругих свойств пород. Так, состав земного ядра (по Д. Брауну) характеризуется следующим образом: внутреннее ядро — железоникелевый сплав в соотношении 9:1; внешнее ядро — смесь железа и серы, содержащая в основном железо, примерно 12% серы и около 2% никеля, в незначительном количестве присутствуют окислы магния.

В составе мантии преобладает кислород, кремний и алюминий, в меньшем количестве присутствуют магний и железо. Состав современной земной коры и верхней мантии приведен в табл. 1.3.

Распространенность химических элементов связано с их положением в периодической системе Д. И. Менделеева, так как наиболее распространенные элементы земной коры располагаются в начале периодической системы. С увеличением порядкового номера распространенность элементов неравномерно убывает. То есть в земной коре преобладают легкие элементы, что отличает ее от других внутренних геосфер Земли, более бедных этими элементами и обогащенных тяжелыми металлами.

Таблица 1.3

Средний химический состав земной коры и верхней мантии, % (по А. А. Ярошевскому).

Верхний слой континентальной коры состоит из гранитов и метаморфических пород, а также эффузивных базальтов. Нижний слой коры практически нигде не вскрыт, но в его составе должны преобладать магматические и метаморфические породы.

Химический и минеральный состав ядра предполагается на основании высокого давления и температуры. В этих условиях наиболее вероятно присутствие вещества, состоящего из Fe с 10% № и некоторой примеси серы во внешнем ядре. Эта легкоплавкая смесь обеспечивает стабильность жидкого внешнего ядра, выше которого находится твердая силикатная мантия.

Химический состав земной коры изменяется, и основными причинами этого являются процессы радиоактивного распада, поступление метеоритного вещества (16 тыс. т в год), миграция химических элементов в результате большого геологического круговорота веществ.

Вопросы и задания для самопроверки

• 1. Какие задачи стоят перед геологией в современной России?
• 2. Расскажите о составе науки геологии.
• 3. Дайте понятие Вселенной и расскажите о строении нашей Галактики.
• 4. Дайте характеристику гипотез происхождения Земли и планет Солнечной системы: Канта, Лапласа, Шмидта, Амбарцумяна и др.
• 5. Что вы знаете о форме Земли?
• 6. Каковы строение и состав атмосферы, границы ее распространения?
• 7. Что такое гидросфера и каков ее химический состав?
• 8. Каково строение земной коры и какие оболочки в ней выделяют?
• 9. Что такое биосфера и каковы ее параметры?
• 10. Как по химическому составу различаются ядро, мантия и земная кора?
• 11. Опишите основные физические свойства Земли.
• 12. Что вы знаете о химическом составе Земли?