Состав и строение Земли

     Известно  о ядре очень мало — вся информация получена косвенными геофизическими или  геохимическими методами, и образцы  вещества ядра не доступны, и вряд ли будут получены в обозримом будущем. Однако фантасты уже несколько раз  в подробностях описали путешествия  к ядру Земли и несметные богатства, там таящиеся. Надежда на сокровища  ядра имеет под собой некоторые  основания, так как согласно современным  геохимическим моделям в ядре относительно велико содержание благородных  металлов и других ценных элементов.

     Состав  ядра непосредственно неизвестен, и  может быть предположительно оценён из нескольких источников. Во-первых, видимо, наиболее близкими веществу ядра образцами  являются железные метеориты, которые, представляют собой фрагменты ядер астероидов и протопланет. Однако железные метеориты не могут быть полностью эквивалентны веществу земного ядра, так как они образовались в гораздо меньших телах, а значит при других физико-химических параметрах.

     С другой стороны, из данных гравиметрии известна плотность ядра, и это накладывает на его состав дополнительные ограничения. Так как плотность ядра примерно на 10 % меньше, чем плотность сплавов железо-никель, то предполагается, что ядро Земли содержит больше легких элементов, чем железные метеориты.

     Наконец, состав ядра можно оценить, исходя из геохимических соображений. Если каким-либо образом рассчитать первичный состав Земли и вычислить, какая доля элементов находится в других геосферах, то тем самым можно построить оценки состава ядра. Большую помощь в таких вычислениях оказывают высокотемпературные и высокобарические эксперименты по распределению элементов между расплавленным железом и силикатными фазами.

Таблица 1. Приложение 1. Химический состав ядра. 
 
 

2. . ПОВЕРХНОСТЬ  ЗЕМЛИ

Рисунок 6. Приложение 1

     Земная  поверхность очень молода. В относительно короткий (по астрономическим стандартам) период в 500 000 000 лет эрозия и тектонические  процессы разрушили и создали  заново большую часть поверхности  Земли, уничтожив тем самым почти  все следы ранней геологической  поверхностни (типа кратеров, появившихся  в результате столкновений). Возраст  Земли - от 4.5 до 4.6 миллиардов лет, а  возраст самых старых известных  камней - приблизительно 4 миллиарда  лет. Самые старые окаменелости живых  организмов имеют возраст меньше чем 3.9 миллиардов лет. 
На 71% Земная поверхность покрыта водой. Земля - единственая планета, на которой вода может существовать в жидком виде на поверхности (хотя, возможно, на поверхности Титана есть жидкий этан или метан и жидкая вода под поверхностью Европы - спутника Юпитера). Жидкая вода, как мы знаем, необходима для жизни. Способность океанов сохранять тепло также очень важна в поддержании относительно устойчивой температуры Земли. Жидкая вода также ответственна за эрозию и выветривание континентов Земли - процесс, уникальный в солнечной системе сегодня (хотя, возможно, это произошло в прошлом на Марсе).

Атмосфера Земли

Рисунок 7. Приложение 1

• более чем на 3/4 – азот (N₂)
• примерно на 1/5 – кислород (О₂).

Содержание  аргона, углекислого газа, паров  воды и остальных газов очень  мало    
Облака, состоящие из мельчайших капелек воды, закрывают примерно 50% поверхности планеты.

Атмосферу нашей планеты, как и её недра, можно разделить на несколько  слоёв. Здесь всё зависит от подхода. Если исходить из температуры воздуха, то атмосферу делят так, как это  представлено на Рисунок 8. Приложение 1.

• Самый нижний и плотный слой называется тропосферой. Здесь находятся облака.
• Метеоры зажигаются в  мезосфере.
• Полярные сияния и множество орбит искусственных спутников - обитатели термосферы. Там же парят призрачные серебристые облака.

Земная  атмосфера, благодаря присутствию  небольшого озонового слоя (О₃), нейтрализует опасное для жизни коротковолновое солнечное и космическое излучение.  
Из-за содержащегося в атмосфере углекислого  газа (СО₂) на нашей планете имеет место парниковый эффект. Он проявляется не так сильно, как на Венере, но всё же поднимает среднюю  температуру на Земле с теоретических –23°С до +15°С.  
Действуя подобно хорошей одежде, атмосфера оберегает земную поверхность и от температурных перепадов. В отсутствие атмосферы в некоторых точках Земли температура в течение суток колебалась бы между +160°С и –100°С (именно это происходит на Луне). Значение атмосферы для всего живого неизмеримо велико.  
Во многом благодаря тому, что наша планета достаточно массивна для того, чтобы удержать возле себя атмосферу, состоящую сейчас, в основном, из тяжелых молекул азота и кислорода, на Земле смогла  возникнуть жизнь. По самым свежим данным, это произошло 3,85 миллиарда лет тому назад, где-то через 700 млн. лет после образования самой планеты.  
Давление атмосферы на Земле таково, что при разных температурах вода может находится на нашей планете в жидком, твердом и газообразном состояниях. Благодаря жидкой фазе (самой активной) на Земле более быстро проходят многие химические реакции – вода прекрасный катализатор. Это обстоятельство также сыграло немалую роль в образовании и развитии жизни на Земле. 

Магнитное поле Земли

     Одна  из особенностей Земли как планеты - ее магнитное поле, благодаря которому мы можем пользоваться компасом. Магнитный  полюс Земли, к которому притягивается  северный конец стрелки компаса, не совпадает с Северным географическим полюсом, а находится в пункте с координатами приблизительно 76^o с.ш. 101^o з.д. Магнитный полюс, расположенный в южном полушарии Земли, имеет координаты 66^o ю.ш. и 140^o в.д. (в Антарктиде).Кроме того, ось магнитного поля не проходит через центр Земли, а отстоит от него на 430 км. Магнитное поле Земли несимметрично. Под действием исходящего от Солнца течения плазмы (солнечного ветра) магнитное поле Земли искажается и приобретает "шлейф" в направлении от Солнца, который простирается на сотни тысяч километров. Полюса нашей планеты постоянно находятся в движении.

     Как было сказано ранее, внешнее ядро нашей планеты жидкое и металлическое. Металл - проводящее ток вещество, и  если бы существовали в жидком ядре постоянные течения, то соответствующий  электрический ток создавал бы магнитное  поле. Благодаря вращению Земли, такие  течения в ядре существуют. Земля  в некотором приближении является магнитным диполем, т.е. своеобразным магнитом с двумя полюсами: южным  и северным. Из-за того, что ось  магнитного поля проходит всего под  углом в 11, 5 градусов к оси вращения планеты, мы можем пользоваться компасом. Только немногие помнят, что магнитная стрелка указывает не на истинный Северный полюс, а на Северный магнитный полюс. Он, кстати, медленно смещается вместе с самой магнитной осью из-за переменности порождающих магнитное поле процессов. Кроме того, ось магнитного поля не проходит через центр Земли, а отстоит от него на 430 км.

     В идеальном и гипотетическом предположении, в котором Земля была бы одинока  в космическом пространстве, силовые  линии магнитного поля планеты располагались  бы таким же образом, как и силовые  линии обычного магнита из школьного  учебника физики, т.е. в виде симметричных дуг протянувшихся от южного магнитного полюса к северному. Плотность линий (напряженность магнитного поля) падала бы с удалением от планеты. На деле, магнитное поле Земли находится  во взаимодействии с магнитными полями Солнца, планет и потоков заряженных частиц, испускаемых в изобилии Солнцем. Если влиянием самого Солнца и тем  более планет из-за удаленности можно  пренебречь, то с потоками частиц, иначе - солнечным ветром, так не поступишь. Солнечный ветер представляет собою  потоки мчащихся со скоростью около 500 км/с частиц, испускаемых солнечной  атмосферой. Такие потоки зараждают  сильное магнитное поле, которое  и взаимодействует с полем  Земли, сильно деформируя его, как это  представлено на рисунке. Благодаря  своему магнитному полю, Земля удерживает в так называемых радиационных поясах захваченные частицы солнечного ветра, не позволяя им проходить в  атмосферу Земли и тем более  к поверхности. При взаимодействии упоминавшихся полей образуется граница (очерченная область в зеленых  тонах), по одну сторону которой находится  возмущенное (подвергшееся изменениям из-за внешних влияний) магнитное  поле частиц солнечного ветра, по другую - возмущенное поле Земли. Эту границу  стоит рассматривать как предел околоземного пространства, границу  магнитосферы и атмосферы. Вне этой границы преобладает влияние  внешних магнитных полей. В направлении  к Солнцу магнитосфера Земли сплюснута  под натиском солнечного ветра и  простирается всего до 10 радиусов планеты. В противоположном направлении  имеет место вытянутость до 1 000 радиусов Земли. 

2.3.ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ЗЕМЛИ

Рисунок 9. Приложение 1

  Что наиболее важно для геологов, исследующих  нашу планету? Конечно, знание самых  общих законов, определяющих поведение  вещества как на поверхности, в земной коре, так и в глубинах земного  шара. Геолог не может искать вслепую. Он заранее должен знать, где он может  найти железо, где - уран, где - фосфор, углерод (алмазы) и т. д. Он должен знать, какие элементы сопутствуют друг другу в земной коре, должен знать  законы образования совместных месторождений  различных элементов.

  Периодический закон является основой самых  важных, самых широких геохимических  обобщений, которыми руководствуются  геологи в своих поисках новых  месторождений того или иного  элемента. В самых сложных, самых  грандиозных химических процессах, протекавших в течение сотен  миллионов лет в земной коре и  продолжающихся в наши дни, сходные  по своему положению в периодической  системе элементы обладают сходной  геохимической судьбой. Это позволяет  геохимикам проследить их движение в  земной коре и выяснить законы, управляющие их распространением на поверхности земного шара.

  Геологи знают, например, где они должны искать очень важные и нужные для современной  техники металлы осмий и иридий. Они находятся в земной коре всегда вместе с платиной, так же как  в периодической таблице Менделеева они стоят вместе, в восьмой  группе.

  Мы  уже знаем, что кобальт и никель сопутствуют в своих месторождениях железу и вместе с ним находятся  в таблице.

  Геохимическое поведение различных элементов  определяется прежде всего строением  внешних электронных оболочек их атомов. Те из них, которые обладают законченными внешними электронными оболочками, - благородные газы, не вступающие в  химические соединения,- существуют только в земной атмосфере. Даже гелий и  радон, образовавшиеся при распаде  радиоактивных элементов, не только остаются плененными в горных породах, но и непрерывно поступают в атмосферу.

  Элементы, расположенные в коротких периодах и в начале и в конце каждого  из длинных периодов таблицы, образуют основную толщу земной коры. Это  из них состоит основная масса  силикатных горных пород. Элементы, стоящие  в периодической системе в  середине длинных периодов, образуют рудные, чаще всего сульфидные, месторождения. Многие из этих элементов встречаются  и в самородном состоянии.

  Периодическая система элементов помогает геохимику  устанавливать общие закономерности во взаимном сосуществовании различных  элементов в горных породах и  рудах. Она дает возможность геологу  находить в толще земной коры месторождения  полезных ископаемых.

Анализ  химического и минерального состава  Земли имеет существенный теоретический  и практический интерес: он может  приоткрыть многие тайны образования  и эволюции нашей планеты и  дать ключ к более эффективному поиску минеральных ресурсов. О среднем  составе Земли судят по веществу, из которого состоят метеориты, так  как считается, что именно из этого  материала в свое время произошли  планеты Солнечнойсистемы, в том  числе Земля [12, 24, 27, 35 и др.]. Выделяют каменные (97,7% всех находок), железокаменные (1,3%) и железные (5,6%>) метеориты. Их химический анализ позволяет предположить, что в составе Земли преобладает  железо (30-36%)), кислород (29-31%о), кремний (14-15%)) и магний (13-. 16%о). Кроме того, количество серы, никеля, алюминия и  кальция измеряется единицами процентов  каждый. Все остальные элементы присутствуют в количестве, меньшем 1%.

Наиболее  достоверные сведения имеются о  химическом составе самой верхней  части земной коры материков, доступной  для непосредственного наблюдения и анализа [12, 24, 27, 35 и др.]. Первые данные были опубликованы в 1889 г. американским ученым Ф. Кларком, который получил  их как средние арифметические имевшихся  в его распоряжении 6000 результатов  химического анализа различных  горных пород. В дальнейшем эти данные уточнялись. В составе земной коры наиболее распространены следующие  восемь химических элементов, составляющих в сумме свыше 98% по весу: кислород (46,5%), кремний (25,7%), железо (6,2%), кальций (5,8%), магний (3,2%), натрий (1,8%), калий (1,3%). Еще пять элементов содержатся в  земной коре в количестве десятых  долей процента: титан (0,52%о), углерод (0,46%), водород (0,16%), марганец (0,12%), сера (0,11%>). На все остальные элементы приходится около 0,37%о.

Таблица 2. Приложение1. Химический состав Земли

В 1924 г. норвежский исследователь В.М. Гольдшмит  предложил широко используемую и  в настоящее время геохимическую  классификацию химических элементов, разделив их на четыре группы:

• сидерофильная группа химических элементов включает в себя элементы семейства железа, платиновые металлы, а также молибден и рений (всего 11 элементов), по геохимическим особенностям близкие железу;
• литофильные элементы составляют группу из 53 элементов, составляющих основную массу минералов земной коры (литосферы): кремний, титан, цирконий, фтор, хлор, алюминий, натрий, калий, магний, кальций и т.д.;
• халькофильная группа химических элементов представлена серой, сурьмой, висмутом, мышьяком, селеном, теллуром и рядом тяжелых цветных металлов (медь и др.) - всего 19 эле-
• ментов, склонных к образованию природных сульфидов, селе-нидов, теллуридов, сульфосолей и иногда встречающихся в самородном состоянии (золото, серебро, ртуть, висмут, мышьяк и др.);
• к атмофильной группе причислены химические элементы (азот, водород, благородные газы), типичные для земной атмосферы, в составе которой они присутствуют в виде свободных атомов или молекул.