Научный этап исследования Земли

ТЕРМОСФЕРА, слой атмосферы над мезосферой от высот 80-90 км, температура в котором растет до высот 200-300 км, где достигает значений порядка 1500 К, после чего остается почти постоянной до больших высот.

ЭКЗОСФЕРА (от экзо... и сфера) (сфера рассеяния), внешний слой атмосферы, начинающийся с высоты около 400-500 км, которые граничат с межпланетной средой. В этих слоях плотность настолько низка, что между атомами происходит очень мало столкновений и атомы, движущиеся с большой скоростью, могут выйти из сферы гравитационного притяжения планеты и улетать (ускользать) в космическое пространство.

Наконец, на расстояниях  более 1000 км слой холодной плазмы высокой  плотности (плазмосфера). Плазмосфера простирается до расстояний в 3 - 7 земных радиусов. Ее верхняя граница (плазмопауза) отмечена резким падением плазменной плотности. Большинство частиц в плазмосфере составляют протоны и электроны. 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.

Поля  Земли

Гравитационное поле Земли с высокой точностью описывается законом всемирного тяготения Ньютона. Движение жидкостей, а также возникающие в твердых объектах напряжения, вызываемые циклическим изменением действующих на них гравитационных сил. Так, океанские приливы на Земле, запаздываемые ежедневно на 50 минут, возникают из-за изменения суммарного гравитационного действия Солнца и Луны, которое подвержено суточным, месячным и годичным вариациям, обусловленным вращением Земли, движением Луны по орбите вокруг Земли и движением Земли вокруг Солнца. Деформация за счет приливных сил Земли достигает 30см, Луны 40 см, водная поверхность поднимается до 1 метра, а в заливе Фапти (Атлантический океан) до 18 метров. 

 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. 

Магнитное поле над поверхностью Земли складывается из постоянной (или меняющейся достаточно медленно) «главной» и переменной частей; последнюю обычно относят к вариациям магнитного поля. Наличие расплавленного металлического ядра приводит к появлению магнитного поля и магнитосферы Земли. Магнитосфера Земли определяется магнитным полем и его взаимодействием с потоками заряженных частиц космического происхождения (с солнечным ветром). Магнитосфера Земли с дневной стороны простирается до 8-14 R, с ночной -- вытянута, образуя магнитный хвост Земли в несколько сотен R; в магнитосфере находятся радиационные пояса. Измерения со спутников показали, что Земля является интенсивным источником радиоволн в километровом диапазоне, хотя такие волны генерируются высоко и на уровне земной поверхности не обнаружены. 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. Нынешнюю полярность Земля приобрела 12 тысяч лет  (по другим источникам 750 тыс.лет) назад, а в среднем каждые 250 тыс.лет (500 тыс.лет по другим источникам) меняется полярность, а иногда в 2-4 раза быстрее. Некоторые ученые утверждают, что возможно скоро полярность изменится.    

 В первом  приближении магнитное поле Земли  подобно полю намагниченного  стержня (диполя), который смещен  относительно центра Земли к  Тихому океану и наклонен к  земной оси. В настоящее время  это смещение составляет 451 км, а  наклон равен 11°. Сила и форма  геомагнитного поля постепенно  меняются, причем масштаб времени  этих изменений составляет годы. Интенсивность геомагнитного поля  обозначается векторной величиной  F или B, а единицами измерения  являются гаусс (Гс), тесла (Т) или гамма (г) (1 тесла = 10000 гаусс; 1 гамма = 1 нанотесла= 10^-5 гаусс.) Направление поля в любой точке земной поверхности может быть описано двумя углами: 1) наклонением I , т.е. углом между горизонтальной плоскостью и вектором поля (угол считается положительным, когда поле направлено вниз); 2) склонением D, т.е. азимутом - углом, измеряемым от направления на север к востоку или западу на горизонтальной плоскости.

Положение магнитных  полюсов Земли на 1985г:

Северный магнитный  полюс - 77^о36' с.ш.; 102^о48' з.д.

Южный магнитный  полюс - 65^о06' ю.ш.; 139^о00' в.д.

Положение геомагнитных полюсов на 1985г:

Северный геомагнитный полюс - 78^о48' с.ш.; 70^о54' з.д.

Южный геомагнитный полюс - 78^о48' ю.ш.; 109^о06' в.д.

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.  

 Приборы Центрального  военно-технического института Сухопутных  войск (ЦНИВТИ СВ) зафиксировали в начале 2002 года, что магнитный полюс Земли сместился на 200 км. По мнению ученых, аналогичное смещение магнитных полюсов произошло и на других планетах Солнечной системы по видимому по причине, что Солнечная система проходит "определенную зону галактического пространства и испытывает влияние со стороны других космических систем, находящихся рядом".  "Переполюсовка" повлияла на ряд процессов, происходящих на Земле. Так, "Земля через свои разломы и так называемые геомагнитные точки сбрасывает в космос избыток своей энергии, что не может не сказаться как на погодных явлениях, так и на самочувствии людей". Кроме того избыточные волновые процессы, возникающие при сбросе энергии Земли, влияют на скорость вращения нашей планеты. По данным Центрального военно-технического института, "примерно каждые две недели эта скорость несколько замедляется, а в последующие две недели наблюдается определенное ускорение ее вращения, выравнивающее среднесуточное время Земли". Смещение магнитного полюса Земли не влияет на географические полюса планеты, то есть точки Северного и Южного полюсов остались на месте. 

РАДИАЦИОННЫЕ  ПОЯСА - внутренние области планетных магнитосфер, в которых собственное магнитное поле планеты удерживает заряженные частицы (протоны, электроны), обладающие большой кинетической энергией. В радиационных поясах частицы под действием магнитного поля движутся по сложным траекториям из Северного полушария в Южное и обратно. У Земли обычно выделяют внутренний и внешний радиационные пояса. Внутренний радиационный пояс Земли имеет максимальную плотность частиц (преимущественно протонов) над экватором на высоте 3-4 тыс. км, внешний электронный радиационный пояс -- на высоте ок. 22 тыс. км. Радиационный пояс -- источник радиационной опасности при космических полетах. Мощными радиационными поясами обладают Юпитер и Сатурн.

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. 

Две кольцеобразные области вокруг Земли с высокой  концентрацией высокоэнергичных электронов и протонов, которые были захвачены  магнитным полем планеты. Пояса  были обнаружены первым американским искусственным спутником Земли "Эксплорер-1", запущенным 31 января 1958 г. Пояса названы  по имени Джеймса Ван Аллена - физика, руководившего экспериментом  на "Эксплорере-1". Внутренний пояс Ван Аллена лежит над экватором  на высоте около 0,8 земных радиусов. Во внешнем поясе область наибольшей концентрации находится на высоте от 2 до 3 земных радиусов над экватором, а обширная область, простирающаяся от внутреннего пояса до высоты 10 земных радиуса, содержит протоны и  электроны более низкой энергии, которые, по-видимому, принесены в  основном солнечным ветром. Поскольку  магнитное поле Земли отклоняется  от оси вращения планеты, внутренний пояс опускается вниз к поверхности  в Южной части Атлантического океана, недалеко от побережья Бразилии. Эта Южноатлантическая аномалия представляет потенциальную опасность для искусственных спутников. В 1993 г. в пределах внутреннего пояса Ван Аллена была обнаружена область,

содержащая частицы, которые проникли туда из межзвездного пространства.

геомагнитная  буря - существенное уменьшение горизонтальной компоненты магнитного поля Земли, продолжающееся обычно несколько часов. Причина - попадание в околоземное пространство электрически заряженных частиц, как правило, выбрасываемых из Солнца при солнечных вспышках. Во время таких бурь наблюдаются полярные сияния и происходит нарушение радиосвязи.

История исследований 

Начальный этап  

 Наиболее древние картографические изображения Земли созданы в Египте и Вавилонии в 3-1 тыс. до н. э. В 7 в. до н. э. в Месопотамии карты изготавливались на глиняных табличках. Чисто умозрительные представления об окружающем мире содержатся в источниках, оставленных народами Древнего Востока. Однако, в этот период представления о Земле в основном определялись мифами и легендами.

Ранняя  античность (6-1 вв. до н. э.)  

 Наибольших  достижений в этот период достигли ученые Древней Греции, стремившиеся дать представление о Земле в целом. Первую попытку создать карту всей Земли осуществил Анаксимандр, по мнению которого Земля представляет собой цилиндр (окруженный небесной сферой), вокруг морского бассейна располагается суша, в свою очередь, опоясанная водным кольцом. Одна из первых географических работ --«Землеописание» Гекатея Милетского сопровождалась, по-видимому, географической картой, на которой кроме Европы и Азии, были показаны известные древним грекам моря: Средиземное, Черное, Азовское, Каспийское, Красное. Гекатей впервые ввел понятие ойкумены. Между 350 и 320 до н. э. Питеас (Пифей) достиг берегов Западной Европы, открыв Британские и Ирландские острова. Ему принадлежит верное наблюдение о связи приливов и отливов в океане с движениями Луны.  

 Предположение  о шарообразности Земли впервые,  по-видимому, было сделано Пифагором.  Опытные мореплаватели, древние  греки, обратили внимание на  то, что при приближении корабля  к наблюдателю сначала видны  паруса и только потом весь  корабль, что свидетельствовало  о сферичности планеты. В развитие  этих представлений Гераклитом  была высказана идея о вращении  Земли вокруг своей оси. В 340 до н. э. в книге «О небе» Аристотель привел доказательства шарообразности Земли: при лунных затмениях Земля всегда отбрасывает на Луну круглую тень, а Полярная звезда в северных районах располагается выше над горизонтом, чем в южных. Оценив разницу в кажущемся положении Полярной звезды в Греции и в Египте Аристотель вычислил длину экватора, которая, однако, оказалась примерно вдвое больше реальной.  

 Впервые достаточно  точно диаметр земного шара  определил Эратосфен на основе  простого опыта --по разнице высоты Солнца в городах Сиена и Александрия, лежащих на одной полуденной линии, и расстоянию между ними. Измерение выполнялось во время летнего солнцестояния, вычисленная длина диаметра отличалась от действительной только на 75 км. Геометрические принципы, которыми он пользовался, легли в основу градусных измерений Земли. Почти все труды этого ученого не сохранились, о них известно по трудам более поздних греческих авторов.  

 Во 2 в. до н. э. древнегреческими учеными были введены понятия географической широты и долготы, разработаны первые картографические проекции, на которых показывалась сетка параллелей и меридианов, предложены методы определения взаимного расположения точек на земной поверхности.  

 Античные  ученые обратили внимание на  изменение поверхности Земли  с течением времени в результате  действия воды и внутренних  сил Земли, особенно вулканических  процессов. Эти идеи позднее  легли в основу геологических  концепций нептунизма и плутонизма.

Поздняя античность (1-2 вв.)  

 В первые десятилетия 1в утвердилась идея о шарообразности Земли. Уровень знаний об окружающем мире этого периода характеризует выдающийся труд Плиния Старшего «Естественная история» в 37 книгах, содержащая сведения по географии, метеорологии, ботанике, минералогии, а также истории и искусству.

Своеобразным  итогом географических знаний античности служит «География» Страбона в 17 книгах, где довольно подробно описаны Кавказ и Боспорское царство. Книга должна была служить практическим пособием для полководцев, мореплавателей, торговцев и поэтому содержала многочисленные бытовые и исторические сведения. Страбон высказал мнение о том, что в неизвестном океане между западной оконечностью Европы и Восточной Азией вероятно лежат несколько континентов и островов. Не исключено, что это предположение было известно Х. Колумбу.  

 Во 2 в. Птолемей в труде «География» дал сводку географических сведений, включающую карту мира и 16 областей Земли. Он уже высказал предположение о центральном положении Земли во Вселенной (геоцентрической системе мира). В этот период наряду с правильными представлениями, основанными на открытиях ученых, путешественников и купцов, были распространены легенды о неизвестных или исчезнувших областях и странах, например Атлантиде.

Средние века (конец 8-14 вв.)  

 В 8-10 вв. викинги,  совершавшие завоевательные походы, открыли Гренландию и первыми  из европейцев достигли Северной  Америки (так называемую страну  Винланд, Маркланд, Хелуланд). В 9-11 вв. исследования неизвестных для европейцев земель, выполненные арабскими учеными и путешественниками (Масуди, Мукаддаси, Якуби), стали важным источником для изучения Востока. Бируни первым на Среднем Востоке предположил, что Земля движется вокруг Солнца. Он привел много интересных для своего времени топографических и географических наблюдений, а также геологических и минералогических сведений. В 12-13 вв. путешествия Плано Карпини и Марко Поло позволили составить представление о Центральной, Восточной и Южной Азии.