Внутреннее строение Земли. 6

                       Колыванский сельскохозяйственный техникум

                                        Агрономический факультет 

                                                 Кафедра физики  
 
 
 
 
 
 

                                                    Реферат:

        Внутреннее строение  Земли 
 

                                                           Выполнила: студентка I курса

                                                               А-11   группы  Калинкина В.В.

                                                        Проверил: преподаватель  

                                             Колывань  2010

                                             Содержание

 Введение…………………………………………………………....3

           Форма, размеры и движение Земли……………………………...4

      Внутреннее строение………………………………………...........4

      Как устроена кора Земли………………………………………....5

      Над поверхностью Земли………………………………………....6

       Земля - современная модель……………………………………...7

          Заключение…………………………………………………………9

           Список использованной литературы…………………………....10

  Приложение……………………………………………………….11 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                    Введение 

                                                                                     Ничто во всей Вселенной

                                                                                     Не существует, только их полет,

                                                                                     И он мои печали прочь несет

                                                                                     Полет планет, Земли, и звезд

                                                                                     Полет, и камня,

                                                                                     И мысль моя не жизни и  смерти

                                                                                     На двух крыльях, на двух  волнах

                                                                                                                             Плывет.

                                                                                                    Поль Элюар 

    Цель: изучить внутреннее строение Земли.

  Задачи: 1) изучить форму и размеры Земли; 2) узнать о движении Земли; 3) сделать выводы.

  Актуальность  темы: эта тема очень интересна и привлекательна так как Керн, поднятый из самой глубокой в мире скважины, пробуренной на Кольском полуострове и достигшей отметки 12 262 м, существенно расширил научные представления о глубинных горизонтах земной коры - тонкой приповерхностной пленке  земного шара. Вместе с тем новейшие данные геофизики и экспериментов, связанных с исследованием структурных превращений минералов, уже сейчас позволяют смоделировать многие особенности строения, состава и процессов, происходящих в глубинах Земли, знание которых способствует решению таких ключевых проблем современного естествознания, как формирование и эволюция планеты, динамика земной коры и мантии, источники минеральных ресурсов, оценка риска захоронения опасных отходов на больших глубинах, энергетические ресурсы Земли и др.

     Создание  модели внутреннего строения Земли - одно из самых больших достижений науки XX столетия. Конечно, создавались модели и раньше. Но они основывались на догадках и на сравнительно небольшом количестве достоверных фактов. Больше было предположений. Нельзя сказать, чтобы сегодня все в строении Земли было бы ученым ясно и понятно. Недра таят огромный запас загадок. Но в принципе, я думаю, можно сказать, что современная модель уже вряд ли когда-нибудь существенно изменится так, как менялись модели прошлых, например, веков.

                              Форма, размеры и движение Земли

По форме Земля  близка к эллипсоиду, сплюснутому  у полюсов и растянутому в  экваториальной зоне. Средний радиус Земли 6371,032 км, полярный —6356,777 км, экваториальный —6378,160 км. Масса Земли 5,976·1024 кг, средняя  плотность 5518 кг/м3.

Земля движется вокруг Солнца со средней скоростью 29,765 км/с по эллиптической, близкой  к круговой орбите (эксцентриситет 0,0167); среднее расстояние от Солнца 149,6 млн. км, период одного обращения  по орбите 365, 24 солнечных суток. Вращение Земли вокруг собственной оси происходит со средней угловой скоростью 7,292115·10-5рад/с, что примерно соответствует периоду в 23 ч 56 мин 4,1 с. Линейная скорость поверхности Земли на экваторе — около 465 м/с. Ось вращения наклонена к плоскости эклиптики под углом 66° 33' 22''. Этот наклон и годовое обращение Земли вокруг Солнца обуславливают исключительно важную для климата Земли смену времен года, а собственное ее вращение — смену дня и ночи. Вращение Земли из-за приливных воздействий неуклонно (хотя и очень медленно — на 0,0015 с за столетие) замедляется. Имеются и небольшие нерегулярные вариации продолжительности суток.

Положение географических полюсов меняется с периодом 434 суток  с амплитудой 0,36''. Кроме того, имеются  и небольшие сезонные их перемещения.

Площадь поверхности  Земли 510,2 млн. км2, из которых примерно 70,8% приходится на Мировой океан. Его средняя глубина около 3,8 км, максимальная (Марианская впадина в Тихом океане) равна 11,022 км; объем воды 1370 млн. км3, средняя соленость 35 г/л. Суша составляет соответственно 29,2% и образует шесть материков и острова. Она поднимается над уровнем моря в среднем на 875 м; наибольшая высота (вершина Джомолунгма в Гималаях) 8848 м. Горы занимают свыше 1/3 поверхности суши. Пустыни покрывают около 20% поверхности суши, саванны и редколесья —около 20%, леса —около 30%, ледники —свыше 10%. Свыше 10% суши занято под сельскохозяйственными угодьями.

По современным  космогоническим представлениям Земля  образовалась примерно 4,6-4,7 млрд. лет  назад из захваченного притяжением  Солнца протопланетного облака. На образование первых, наиболее древних  из изученных горных пород потребовалось 100-200 млн. лет. Примерно 3,5 млрд. лет назад  возникли условия, благоприятные для  возникновения жизни. Homo sapiens («Человек разумный») как вид появился примерно полмиллиона лет назад, а формирование современного типа человека относят ко времени отступления первого ледника, то есть около 40 тыс. лет назад.

У Земли имеется  единственный спутник — Луна. Ее орбита близка к окружности с радиусом около 384400 км.

                                          Внутреннее строение

Основную роль в исследовании внутреннего строения Земли играют сейсмические методы, основанные на исследовании распространения  в ее толще упругих волн (как  продольных, так и поперечных), возникающих  при сейсмических событиях —при естественных землетрясениях и в результате взрывов. На основании этих исследований Землю условно разделяют на три области: кору, мантию и ядро (в центре). Внешний слой —кора —имеет среднюю толщину порядка 35 км. Основные типы земной коры —континентальный (материковый) и океанический; в переходной зоне от материка к океану развита кора промежуточного типа. Толщина коры меняется в довольно широких пределах: океаническая кора (с учетом слоя воды) имеет толщину порядка 10 км, тогда как толщина материковой коры в десятки раз больше.

Поверхностные отложения занимают слой толщиной около 2 км. Под ними находится гранитный  слой (на континентах его толщина 20 км), а ниже — примерно 14-километровый (и на континентах, и в океанах) базальтовый слой (нижняя кора). Средние  плотности составляют: 2,6 г/см3 —  у поверхности Земли, 2,67 г/см3 —  у гранита, 2,85 г/см3 — у базальта.

На глубину  примерно от 35 до 2885 км простирается мантия Земли, которую называют также силикатной оболочкой. Она отделяется от коры резкой границей (так называемая граница  Мохоровича, или «Мохо»), глубже которой скорости как продольных, так и поперечных упругих сейсмических волн, а также механическая плотность скачкообразно возрастают. Плотности в мантии увеличиваются по мере возрастания глубины примерно от 3,3 до 9,7 г/см3.

В коре и (частично) в мантии располагаются обширные литосферные плиты. Их вековые перемещения не только определяют дрейф континентов, заметно влияющий на облик Земли, но имеют отношение и к расположению сейсмических зон на планете.

Еще одна обнаруженная сейсмическими методами граница (граница  Гутенберга) — между мантией и внешним ядром — располагается на глубине 2775 км. На ней скорость продольных волн падает от 13,6 км/с (в мантии) до 8,1 км/с (в ядре), а скорость поперечных волн уменьшается от 7,3 км/с до нуля. Последнее означает, что внешнее ядро является жидким. По современным представлениям внешнее ядро состоит из серы (12%) и железа (88%). Наконец, на глубинах свыше 5120 км сейсмические методы обнаруживают наличие твердого внутреннего ядра, на долю которого приходится 1,7% массы Земли. Предположительно, это железо-никелевый сплав (80% Fe, 20% Ni).

В числе многих химических элементов, входящих в состав Земли, имеются и радиоактивные. Их распад, а также гравитационная дифференциация (перемещение более плотных веществ в центральные, а менее плотных в периферические области планеты) приводят к выделению тепла. Температура в центральной части Земли порядка 5000 °С. Максимальная температура на поверхности приближается к 60 °С (в тропических пустынях Африки и Северной Америки), а минимальная составляет около -90 °С (в центральных районах Антарктиды).

Давление монотонно  возрастает с глубиной от 0 до 3,61 ГП. Тепло из недр Земли передается к  ее поверхности благодаря теплопроводности и конвекции.

Плотность в  центре Земли около 12,5 г/см3.

                                     Как устроена кора Земли

  Самый верхний  слой твердой земли ученые назвали  корой. Состав коры сложный. Больше всего в ней оказалось кислорода, кремния и алюминия. Потом шли остальные элементы, но их значительно меньше. Конечно, газ кислород содержится в коре не в чистом виде. Он входит в состав окислов. Ведь даже обыкновенный песок - это окисел кремния со всякими добавками. А простая глина - такой же окисел алюминия, но тоже со множеством добавок. Раньше легкоплавкие породы земной коры называли «сиаль». «Си» от слова силициум - кремний, по-латински, «аль» - от алюминия. Сейчас этот термин устарел.

  Состав  и строение земли всегда интересовали человечество. Да и неудивительно - ведь именно кора, ее верхний слой обеспечивает человека всем необходимым для жизни. К сожалению, прошли те времена, когда каменный уголь и руду люди добывали прямо с поверхности, стоило лишь разворошить чуть-чуть пахотную землю или мох или другую какую-нибудь почву. Прошло время, когда нефть тугими фонтанами била из скважин, пробуренных на несколько десятков метров. Сейчас, чтобы найти полезные ископаемые, приходится тщательно изучать строение земной' коры и забираться в нее все глубже и глубже.

  Глубоко под земной корой находятся очаги  раскаленной магмы. Могучие силы земного давления сдавливают ее. Бьется горячее земное «варево», ищет, куда бы прорваться. Самый легкий путь - наверх, там давление поменьше. Найдет магма  трещинку и, как паста из тюбика, выдавливается, выдавливается. Раздвигает породы, уплотняет их, прогревает. Окружает себя как скорлупой. В такой скорлупе магма остывает. А раз остывает - объем ее уменьшается. И вся масса  ее как бы проседает. Между гранитом, в который превратилась остывшая магма, и прочным сводом-скорлупой  образуется пористая, трещиноватая область. В нее начинает пробираться вода. Горячие геотермальные растворы приносят сюда соединения самых разных металлов, часть из них выпадает в осадки. Год за годом, тысячелетие  за тысячелетием длится этот процесс. И образуется в пористой области  месторождение редких металлов.

  В 1909 году сербский ученый Андрей Мохоровичич, изучая землетрясение в Загребе, обнаружил слой, отделяющий земную кору от мантии.

  Затем четырнадцать лет спустя австрийский ученый В. Конрад выделил внутри земной коры еще одну границу. Выше нее скорость распространения сейсмических волн равнялась скорости таких колебаний  в граните, а ниже - в базальтах. Этот слой или поверхность назвали  «поверхностью Конрада».

  Таким трехслойным  «пирогом» представляется сегодня  материковая или континентальная  кора. И совсем иначе оказалась  устроена земная кора, выстилающая  океаническое дно. Осадков значительно  меньше, чем на суше. И куда-то пропал гранитный слой. Почему? Об этом до сих  пор идут горячие споры среди  ученых.

                                        Над поверхностью Земли

  Земля окружена атмосферой. Нижний ее слой (тропосфера) простирается в среднем до высоты в 14 км; происходящие здесь процессы играют определяющую роль для формирования погоды на планете. Температура в  тропосфере падает с увеличением  высоты. Слой от 14 до 50-55 км называют стратосферой; здесь температура возрастает с  увеличением высоты. Еще выше (примерно до 80-85 км) находится мезосфера, над  которой наблюдаются (обычно на высоте около 85 км) серебристые облака. Для  биологических процессов на Земле  огромное значение имеет озоносфера —слой озона, находящийся на высоте от 12 до 50 км. Область выше 50-80 км называют ионосферой. Атомы и молекулы в этом слое интенсивно ионизируются под действием солнечной радиации, в частности, ультрафиолетового излучения. Если бы не озоновый слой, потоки излучения доходили бы до поверхности Земли, производя разрушения в имеющихся там живых организмах. Наконец, на расстояниях более 1000 км газ настолько разрежен, что столкновения между молекулами перестают играть существенную роль, а атомы ионизированы более чем наполовину. На высоте порядка 1,6 и 3,7 радиусов Земли находятся первый и второй радиационные пояса.

Гравитационное  поле Земли с высокой точностью  описывается законом всемирного тяготения Ньютона. Ускорение свободного падения над поверхностью Земли  определяется как гравитационной, так  и центробежной силой, обусловленной  вращением Земли. Зависимость ускорения свободного падения от широты приближенно описывается формулой g = 9,78031 (1+0,005302 sin2 ) m/c2, где m —масса тела.

  Земля обладает также магнитным и электрическим  полями. Магнитное поле над поверхностью Земли складывается из постоянной (или меняющейся достаточно медленно) «главной» и переменной частей; последнюю обычно относят к вариациям магнитного поля. Главное магнитное поле имеет структуру, близкую к дипольной. Магнитный дипольный момент Земли, равный 7,98·1025 единиц СГСМ, направлен примерно противоположно механическому, хотя в настоящее время магнитные полюсы несколько смещены по отношению к географическим. Их положение, впрочем, меняется со временем, и хотя эти изменения достаточно медленны, за геологические промежутки времени, по палеомагнитным данным, обнаруживаются даже магнитные инверсии, то есть обращения полярности. Напряженности магнитного поля на северном и южном магнитных полюсах равны соответственно 0,58 и 0,68 Э, а на геомагнитном экваторе — около 0,4 Э.

  Электрическое поле над поверхностью Земли в  среднем имеет напряженность  около 100 В/м и направлено вертикально вниз — это так называемое «поле ясной погоды», но это поле испытывает значительные (как периодические, так и нерегулярные) вариации.

  Геофизика — физика Земли — относительно молода. Все происходящее в недрах нашей планеты изучено пока еще  далеко не полно.

                              Земля - современная модель

     Что же лежит в основе современных  представлений о внутреннем строении Земли? Как ни странно, но эти основы можно разделить по стародавнему обычаю на три группы - три «кита». Прежде всего представление о составе нашей планеты дает лава, вылившаяся из недр через жерла вулканов и трещины. В большинстве случаев она имеет базальтовый состав. И геологи так ее и называют - базальтовая лава. Кроме того, мы доподлинно знаем о существовании больших гранитных массивов в докембрийских толщах коры.

     Второй  «кит» тоже «вещественный». Это прилетающие  к нам из космоса метеориты. Ведь по идее они должны быть из того же первичного вещества, из которого слепился и весь земной шар. Подавляющее большинство  космических гостей состоит из плотной  горной породы - темно-зеленого перидотита и из железа.

     Наконец, третий «кит» - скачкообразное изменение  скоростей распространения сейсмических волн внутри Земли. Оно позволяет  предположить, что так же скачкообразно  меняется и плотность вещества внутри нашей планеты, нарастая с глубиной.

     Все это заставляет нас предположить, что внутреннее строение Земли очень  сложно. А чтобы изучать сложные  объекты, в науке уже давно  пользуются приближенными моделями. То есть более или менее простыми и наглядными картинами, которые  примерно соответствуют имеющимся  знаниям.

     В геофизике под моделью Земли  понимают как бы разрез нашей планеты. На нем должно быть ясно видно, как  меняются такие важные свойства земных недр, как плотность, давление, скорость распространения сейсмических волн, температура, ускорение силы тяжести, электропроводность и так далее.

     Считается, что первые шаги в построении реальной модели внутреннего строения нашей  планеты, с учетом всей имеющейся  геофизической информации, накопленной  за много лет, сделали американские геофизики Адамс и Вильямсон в 1923 году. Однако сейсмологи в те годы еще не могли дать достаточно точных значений для скоростей упругих колебаний. И потому работа американцев страдала многими неточностями.

     Исправить недостатки и уточнить скорости взялись  два крупнейших геофизика тридцатых  годов. С одним из них мы уже  встречались, когда разговор шел  о гипотезах происхождения Земли. Это Гарольд Джефрис, профессор Кембриджского университета в Англии. Другой - Бено Гутенберг, немецкий ученый, эмигрировавший из фашистской Германии за океан.

     Целых десять лет продолжалась их работа. Результаты, достигнутые Джефрисом и Гутенбергом, позволили австралийскому геофизику Буллену, стажировавшемуся у Джефриса, построить новую модель Земли, в которой он ввел удобное разделение на зоны.

  И все-таки к началу пятидесятых годов классический период в геофизике, опиравшийся  в основном на методы механики, закончился. В Советском Союзе и в США  появились работы В.А. Магницкого и  Ф. Берча, применивших для геофизических целей современные методы физики твердого тела и физики высоких давлений. Я уже рассказывал немного об их опытах и выводах. В результате была построена современная модель оболочки Земли, которая включает в себя литосферу и верхние слои мантии.

   Прежде  всего под жесткой корой - литосферой, плиты которой мы сравнивали с громадными льдинами-айсбергами, плавающими на «океане подкорового вещества», примерно с семидесятикилометровой глубины начинается новый, неизвестный слой. В нем скорость распространения сейсмических волн резко падает. Это - астеносфера. Кое-где местами в ней располагаются первичные магматические очаги вулканов. Там плавится и кипит базальтовая магма, которая потом по трещинам и вулканическим каналам поднимается на поверхность. Температура этих очагов очень близка к температуре плавления глубинного вещества мантии. И потому они увеличивают вязкость всего подкорового вещества.

     Конечно, астеносферу можно назвать текучей  лишь в сравнении с каменными  монолитами. Невероятно медленно движется нечто, что составляет подкоровый слой, перетекая с места на место.

   Варом - черная густая смола, которая применяется в строительном деле. Вар легко колется на куски. Значит, он твердый. Но оставьте его на долгое время в покое - и кусок растечется лужей, которая будет так же колоться. Вещество астеносферы еще более вязкое, чем вар, но и оно способно перетекать из одного места в другое. Только очень медленно.

     Примерно  с 250-го километра глубины скорость распространения сейсмических волн снова начинает расти. Здесь уже давление в недрах так велико, что температура плавления сдавленного вещества повышается. Вещество мантии постепенно уплотняется, и скорости упругих колебаний в нем растут. Но растут медленно, будто накапливают силы. Потом вдруг резкий скачок! Ученые полагают, что здесь начинается зона фазовых переходов, о которых я вам тоже рассказывал. Здесь оливин превращается в более твердую шпинель.

     Ядро - это совсем особый вопрос и совершенно специфическая область земных недр.

     О ядре и о наших современных  представлениях о нем я хотел бы вам рассказать отдельно.

                                                Заключение

  Исследование  глубинного строения Земли относится  к наиболее крупным и актуальным направлениям геологических наук. Новая  стратификация мантии Земли позволяет  значительно менее схематично, чем  прежде, подойти к сложной проблеме глубинной геодинамики. Различие в  сейсмических характеристиках земных оболочек (геосфер ), отражающих различие в их физических свойствах и минеральном составе, создает возможности для моделирования геодинамических процессов в каждой из них в отдельности. Геосферы в этом смысле, как теперь совершенно ясно, обладают известной автономностью. Однако эта исключительно важная тема лежит за рамками данной статьи. От дальнейшего развития сейсмотомографии, как и некоторых других геофизических исследований, а также изучения минерального и химического состава глубин будут зависеть существенно более обоснованные построения в отношении состава, структуры, геодинамики и эволюции Земли в целом.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                              Список использованной литературы

1. Джеффрис Г. Земля, ее происхождение, история и строение. – М., 1999.
2. Жарков В.Н. Внутреннее строение Земли и планет. - М.,1983.
3. Магницкий В.А. Внутреннее строение и физика Земли. – М., 2002.
4. Допаев М.М. Наблюдения звездного неба. – М.: Наука, 1978.

                                           Приложение

                                           Схематическое строение Земли