Планеты земной группы

Внутреннее  строение

 Не просто «заглянуть»  в недра Земли. Даже самые глубокие скважины на суше едва преодолевают 10 – километровый рубеж, а под водой  удаётся, пройдя осадочный чехол, проникнуть в базальтовый фундамент не более  чем на 1.5 км. Однако нашёлся другой способ. Как в медицине рентгеновские лучи позволяют увидеть внутренние органы человека, так при исследовании недр планеты на помощь приходят сейсмические волны. Скорость сейсмических волн зависит от плотности и упругих свойств горных пород, через которые они проходят. Более того, они отражаются от границ между пластами пород разного типа и преломляются на этих границах. По записям колебаний земной поверхности при землятресениях – сейсмограммам – было установлено, что недра Земли состоят из трёх основных частей: коры, оболочки (мантии) и ядра.

Кора отделяется от оболочки отчётливой границей, на которой скачкообразно  возрастают скорости сейсмических волн, что вызвано резким повышением плотности  вещества. Эта граница носит название раздел Мохоровичича (иначе – поверхность Мохо или раздел М) по фамилии сербского сейсмолога, открывшего её в 1909 г. Толщина коры непостоянна, она изменяется от нескольких километров в океанических областях до нескольких десятков километров в горных районах материков. В самых грубых моделях Земли кору представляют в виде однородного слоя толщиной порядка 35 километров. Ниже, до глубины примерно 2900 км, расположена мантия. Она, как и земная кора, имеет сложное строение.

Ещё в XIX столетии стало ясно, что  у Земли должно быть плотное ядро. Действительно, плотность наружных пород земной коры составляет около 2800 кг/м3 для гранитов и примерно 3000 кг/м3 для базальтов, а средняя плотность нашей планеты – 5500 кг/м3. В то же время существуют железные метеориты со средней плотностью 7850 кг/м3 и возможна ещё более значительная концентрация железа. Это послужило основанием для гипотезы о железном ядре Земли. А в начале XX в. были получены первые сейсмологические свидетельства его существования.

Граница между ядром и мантией наиболее отчётливая. Она сильно отражает продольные (Р) и поперечные (S) сейсмические волны и преломляет Р-волны. Ниже этой границы скорость Р-волны резко падает, а плотность вещества возрастает: от 5600 кг/м3 до 10000 кг/м3. S-волны ядро вообще не пропускает. Это означает, что вещество там находится в жидком состоянии.

Есть и другие свидетельства  в пользу гипотезы о жидком железном ядре планеты. Так, открытое в 1905г. изменение  магнитного поля Земли в пространстве и по интенсивности привело к  заключению, что оно зарождается в глубинах планеты. Там сравнительно быстрые движения могут происходить, не вызывая катастрофических последствий. Наиболее вероятный источник такого поля – жидкое железо (т.е. проводящее токи) ядро, где возникают движения, действующие по механизму самовозбуждающегося динамо. В нём должны существовать токовые петли, грубо напоминающие витки провода в электромагните, которые и генерируют различные составляющие геомагнитного поля.

В 30–е гг. сейсмологи установили, что  у Земли есть и внутреннее, твёрдое ядро. Современное значение глубины границы между внутренним и внешним ядрами примерно 5150 км. Граница наружной зоны Земли – расположена на глубине порядка 70 км. Литосфера включает в себя как земную кору, так и часть верхней мантии. Этот жёсткий слой объединяется в единое целое его механическими свойствами. Литосфера расколота примерно на десять больших плит, на границах которых случается подавляющее число землетрясений. Под литосферой на глубинах от 70 до 250 км существует слой повышенной текучести – так называемая астеносфера Земли. Жёсткие литосферные плиты плавают в «астеносферном океане». В астеносфере температура мантийного вещества приближается к температуре его плавления. Чем глубже, тем выше давление и температура. В ядре Земли давление превышает 3600 кбар, а температура – 6000 °С.  
 

Тепловая  энергия планеты

 О высокой температуре  земных недр учёные догадывались давно. Об этом свидетельствовали и вулканические извержения, и рост температуры при погружении в глубокие шахты. В среднем у поверхности Земли её увеличение составляет 20 градусов на километр.

Тепловая энергия земных недр выделяется с поверхности планеты в виде теплового потока, который измеряется количеством тепла, выделяемого с единицы площади за единицу времени. Измерить тепловой поток Земли с достаточной точностью удалось только во второй половине XX века.

Континентальную земную кору можно  представить в виде 15 – километрового  слоя гранита, лежащего на слое базальта такой же толщины. Концентрация радиоактивных изотопов, служащих источниками тепла, в гранитах и базальтах хорошо изучена. Это прежде всего радиоактивный калий, уран и торий. Подсчитано, что при их распаде выделяется примерно 130 Дж/(см год). В тоже время средний тепловой поток, который равен 130 – 170 Дж/(см год). Следовательно, он почти полностью определяется тепловыделением в гранитном и базальтовом слоях.

С океанической корой всё обстоит  иначе. Она значительно тоньше континентальной, и основу её составляет 5 – 6 –километровый базальтовый слой. Распад содержащихся в нём радиоактивных элементов даёт всего около 10 Дж/(см год). Однако, когда специалисты измерили тепловой поток на океанах, он оказался примерно таким же, как и на материках.

Сегодня установлено, что основная часть тепла поступает в океаническую кору через литосферную плиту  из мантии. Вещество мантии постоянно  находится в движении.

Неравенство температур различных  слоёв в ней приводит к активному  перемешиванию вещества: более холодное и, соответственно, более плотное тонет, более горячее всплывает. Это так называемая тепловая конвекция.

Большинство современных исследователей указывают на три возможных источника  энергии для поддержания тепловой конвекции в мантии. Во-первых, мантия всё ещё сохраняет большое количество тепла, накопленного в период формирования планеты. Его достаточно, чтобы поверхностный тепловой поток сохранялся на его теперешнем уровне в течение срока, в несколько раз превышающего нынешний возраст Земли. При этом планета должна остывать, но её остывание происходит очень медленно. Во-вторых, определённое количество тепла, по-видимому, поставляется в мантию из ядра. И, наконец, третий источник – это распад радиоактивных элементов (их содержание в мантии в настоящее время трудно оценить).

Тектоника плит

Ещё в 1912 г. немецкий исследователь  Альфред Вегенер выдвинул гипотезу дрейфа континентов. На эту идею его  натолкнули поразительное соответствие очертаний береговых линий материков Африки и Южной Америки, а также явные следы глобального изменения климата в прошлом во многих регионах мира. Но гипотеза поначалу была отвергнута научным сообществом, так как не указывала причин дрейфа. В 30 – е гг. английский геолог Артур Холмс предложил объяснить движение континентов тепловой конвекцией. В 50 – гг., когда широко проводились исследования дна океана, гипотеза о крупны горизонтальных перемещениях в литосфере получила новые подтверждение. Значительную роль в этом сыграло изучение магнитных свойств пород, слагающих океаническое дно.

Ещё в начале XX в. было установлено, что намагниченность современных  лав соответствует нынешнему  магнитному полю Земли, а у древних  лав она часто ориентирована под большими углами или вообще противоположна направлению современного поля. По сути дела эта картина отражает состояние магнитного поля в предшествующие геологические эпохи. В базальтовых лавах много железа, и они, затвердевая по мере охлаждения, намагничивались в соответствии с существовавшим в тот период геомагнитным полем.

Имелись также данные о перемене полярности: северный магнитный полюс  Земли становился южным, и наоборот. Зарегистрировано 16 инверсий магнитных  полюсов за последние несколько миллионов лет. (Причины такой переполюсировки до сих пор окончательно не выяснены, предположительно её вызвали процессы, происходившие в жидком ядре.). И, как оказалось, график этих инверсий свидетельствовал в пользу крупномасштабных перемещений материков.

Магнитная съёмка тихоокеанского дна  в 1955 и 1957 гг. обнаружила простирающиеся почти параллельно с севера на юг «полосы» с магнитными полями аномальной напряжённости. А в 1963 г. были открыты  полосовые магнитные аномалии, вытянутые  параллельно хребту Карлсберг в Индийском океане. К этому времени уже стала довольно известной гипотеза, выдвинутая в 1960г. профессором Принстонского университета (США) Гарри Хессом и названная позже гипотезой спрединга, или «расширения морского дна». По ней, горячая полурасплавленная мантийная масса поднимается под срединно – океаническими хребтами, распространяется в стороны от них в виде мощных потоков, которые разрывают и расталкивают плиты литосферы в разные стороны. Мантийное вещество заполняет образовавшиеся с обеих сторон от хребтов трещины – рифты.  
На площадь поверхности Земли (как и её объём) практически не изменилась за время её существования. Поэтому если новые участки поверхности наращиваются вдоль хребтов, то где-нибудь они должны и уничтожаться. Вероятнее всего, это происходит в глубоководных океанских желобах. Эти так называемые зоны субдукции (поглощения) расположены вдоль вулканических дуг, протянувшихся в Тихом океане от Аляски вдоль Алеутских островов к Японии, Марианским островам и Филиппинам вплоть до Новой Зеландии и вдоль берегов Америки. Когда в этих зонах земная кора опускается до глубины 100 – 150 км, часть вещества плавится, образуя магму, которая затем в виде лавы прорывается наверх и извергается в вулканах.

Таким образом, земная кора создаётся  в рифтовых зонах океанов, как ленточный конвейер, движется со средней скоростью 5 см в год, постепенно остывая.

Гипотеза спрединга может хорошо объяснить магнитные аномалии морского дна. Если расплавленная порода, изливающаяся в срединно-океанических хребтах, затвердевает с обоих сторон от них, а затем расползается в противоположных направлениях, то она будет создавать полосы, намагниченные согласно с ориентацией магнитного поля в период их застывания. Когда поверхность меняется, вновь образовавшееся морское дно намагничивается в противоположном направлении. Чередование полос даёт подробную картину формирования морского дна по обеим сторонам от активного хребта, причём одна сторона является зеркальным отражением другой.

Первые же магнитные  карты тихоокеанского дна у берегов Северной Америки, в районе хребта Хуан-де-Фука, показали наличие зеркальной симметрии. Ещё более симметричная картина обнаружена с обеих сторон центрального хребта в Атлантическом океане.

Используя концепцию дрейфа материков, известную сегодня как «новая глобальная тектоника», можно восстановить взаимное расположение континентов в далёком прошлом. Оказывается, 200 млн. лет назад она составляли единый материк.

Атмосфера Земли

 В настоящее  время Земля обладает атмосферой массой примерно 5.15*10 кг., т.е. менее  миллионной доли массы планеты. Вблизи поверхности она содержит 78.08% азота, 20.05% кислорода, 0.94% инертных газов, 0.03% углекислого газа и в незначительных количествах другие газы.

Давление и плотность в атмосфере  убывают с высотой. Половина воздуха  содержится в нижних 5.6 км, а почти вся вторая половина сосредоточена до высоты 11.3 км. На высоте 95 километров плотность воздуха в миллион раз ниже, чем у поверхности. На этом уровне и химический состав атмосферы уже иной. Растёт доля лёгких газов, и преобладающими становятся водород и гелий. Часть молекул разлагается на ионы, образуя ионосферу.

Выше 1000 км. Находятся радиационные пояса. Их тоже можно рассматривать как часть атмосферы, заполненную очень энергичными ядрами атомов водорода и электронами, захваченными магнитным полем планеты.

Гидросфера  Земли

 Вода покрывает более 70% поверхности земного шара, а средняя глубина Мирового океана около 4 км. Масса гидросферы примерно 1.46*10 кг. Это в 275 раз больше массы атмосферы, но лишь 1/4000 от массы всей Земли.

Гидросферу на 94% составляют воды Мирового океана, в которых растворены соли (в среднем 3.5%), а также ряд газов. Верхний слой океана содержит 140 трлн. тонн углекислого газа, а растворённого кислорода – 8 трлн. тонн.

Марс назвали в честь бога войны за свой кроваво-красный цвет, который сразу же бросается в глаза и еще более интенсивен при наблюдениях в телескоп. К сожалению, это название оказалось весьма символическим, когда на рубеже нашего столетия, именно из-за этой планеты среди астрономов разгорелись настоящие баталии. На одной из сражающихся сторон был Персиваль Ловелл, несший знамя, впервые поднятое Скипарелли, и его сторонники, на другой - значительная часть аcтрономического мира. Поводом для баталий послужили марсианские "каналы", которые наблюдал Скипарелли и Ловелл.

Планета Марс

Физические  характеристики

Орбита Марса лежит приблизительно в полтора раза дальше, чем земля. Орбита планеты несколько эллиптическая, так что расстояние планеты от Солнца изменяется от минимума, при  перигелии, 206.7 миллионов км до максимума, при афелии, 249.2 миллиона км. Т.к. Марс - дальше от Солнца, чем Земля, Марсу требуется больше времени, чтобы совершить одно обращение вокруг Солнца. Год на Марсе длится 687 земных дней. Скорость движения Марса примерно 24 км/с, причем планета вращается в том же направлении, что и Земля — против часовой стрелки (если смотреть со стороны северного полюса планеты).Марсианский день длится 24 часа, 37 минут, 23 секунды, что очень близко к продолжительности земного дня. Наклон оси планеты - приблизительно 25 градусов, вследствие чего, сезонные изменения на Марсе происходят подобно Земным. Из-за эллиптической орбиты Марса, в южном полушарии лето, когда планета находится на самом близком расстоянии к Солнцу, а в северном полушарии — зима. 
Планета имеет средний диаметр 6,780 км, что составляет приблизительно половину размера Земли, и почти вдвое больше размера Луны. Из-за вращения, планета немного приплюснута у полюсов, имея фактический диаметр 6,794 км в экваторе и 6,752 км в направлении полюсов. Средняя плотность планеты (3.9 г/см3), ниже, чем плотность Земли (5.5 г/см3). У Марса два спутника: Фобос и Деймос. Диаметр каждого из них всего несколько километров. Спутники Марса, возможно, являются астероидами, когда-то попавшими в поле притяжения планеты, или оставшимися частями материи, из которой сформировался Марс. 
 

Атмосфера и климат

Главные составляющие Марсианской  атмосферы - двуокись углерода (95.3 %), азот (2.7 %), и аргон (1.6%). Малые количества кислорода, окиси углерода, водяного пара, и других веществ составляют остальную часть. Среднее поверхностное давление атмосферы - меньше одной сотой среднего поверхностного давления атмосферы Земли, и оно изменяется в зависимости от времени года и высотой. Марсианская атмосфера подвергается суточным и сезонным резким изменениям температуры. Они составляют в среднем приблизительно 220 K и изменяется от 145 K в течение полярной ночи до 300 K в области экватора в течение полудня при перигелии.