Планета Земля

    Александрийский ученый Клавдий Птолемей  (примерно с 90 г. по 160 г.) обобщил все известные  в Древней Греции и Риме сведения о движении небесных тел и предложил оригинальную теорию планетных движений, которая позволила производить расчеты с необходимой для практики точностью.

    Он  предположил, что планета обращается не вокруг Земли, а вокруг центра некоторой вспомогательной окружности – эпицикла. В свою очередь центр этого эпицикла обращается вокруг Земли по другой вспомогательной окружности – деференту.  

 

    7. Античные и современные  исследования Земли:

    а) Измерения радиуса Земли

    На  основании астрономических наблюдений древнегреческие ученые еще  в IV в. до н. э. пришли к выводу, что Земля шарообразная. Придерживаясь этого вывода, Эратосфен, живший в Египте (276 – 194 гг. до н. э.) решил определить длину окружности земного шара. Идея Эратосфена состояла в том, что нужно было в один и тот же день (в полдень) в двух точках Земли, находящихся на юге и на севере Египта, измерить зенитное расстояние Солнца в градусах (см. рис. 4). Разность этих расстояний равна разности географических широт пунктов наблюдения. Далее нужно измерить расстояние между пунктами наблюдения. Поделив это расстояние на число градусов, можно определить длину части окружности Земли, приходящуюся на один градус, а далее легко определить и длину окружности Земли, и ее радиус.

    Наивысшая точка на небосводе (на небесной сфере) называется зенитом. Если светило, например звезда, находится в зените, то она сияет прямо над головой наблюдателя. Угол между лучом, направленным из глаза наблюдателя на светило, и вертикальным направлением называется зенитным расстоянием светила. Для измерения зенитного расстояния Солнца Эратосфен изобрел специальный прибор – скафис.

    Скафис  представляет собой чашу в виде полусферы, на дне которой закреплен металлический  стержень. На внутреннюю полость скафиса  наносятся деления в градусах. Скафис устанавливают по отвесу так, чтобы стержень, направленный по радиусу сферы, занимал строго вертикальное положение, т. е. был направлен на зенит. На освещенной Солнцем внутренней полости скафиса должна быть тень, которую отбрасывает стержень. Дуга, измеряемая в градусах от основания стержня до конца тени, равна зенитному расстоянию Солнца.

    Эратосфен жил в городе Александрия на севере Египта. От купцов и погонщиков верблюдов он знал, что на юге Египта в городе Сиена (ныне Асуан) Солнце в полдень 22 июня освещает дно глубоких колодцев и, следовательно, находится в зените. В полдень того же дня в Александрии по измерениям Эратосфена Солнце отстоит от зенита на 7° 12´=7,2°. Эратосфен также знал, что расстояние от Александрии до Сиены составляет 5000 греческих стадий. Обозначив через x  длину окружности земного шара, он составил пропорцию, исходя из следующих соображений: длина окружности земного шара во столько раз больше расстояния между городами, во сколько раз 360°  больше 7,2°:x/5000=360°/7,2°. Отсюда следует, что длина окружности земного шара равнялась 250 000 стадий.

    Длина греческих стадий точно неизвестна, но расстояние между Александрией и Асуаном по современным измерениям составляет 800 км. Отсюда следует x/800=360°/7,2°. Следовательно, длина окружности земного шара получается равной 40 000 км.

    В конце XVIII в. Французская Академия наук снарядила две экспедиции для проверки измерений Эратосфена и уточнения длины одного градуса дуги  меридиана. Одна экспедиция работала в Финляндии и Швеции, вблизи Северного полярного круга, а другая – в Перу, в экваториальных широтах. Оказалось, что измерения Эратосфена в целом согласуются с полученными результатами.

    В то же время выяснилось, что полярный радиус Земли на 21 км короче экваториального. Таким образом, Земля представляет собой эллипсоид вращения – немного  сплюснутый шар, как и предсказывали  теоретические расчеты И. Ньютона.  
 

б) Вес  Земли 

    Земля расположена в космическом пространстве, поэтому узнать вес планеты очень  сложно. Не положишь же ее на весы! Поэтому  мы поговорим о весе тех веществ, из которых Земля состоит, то есть о ее массе.

    Масса Земли приблизительно равна 6,6 сикстиллиона тонн. Чтобы понять, какое это огромное число, давайте его запишем: 6 600 000 000 000 000 000 000.

    Как же ученые узнали массу Земли? Свой расчет они основывали на общеизвестном  свойстве всех тел притягиваться  друг к другу. Именно это их качество лежит в основе земного притяжения. Согласно закону земного притяжения сила притяжения двух тел зависит от их масс и их расстояния между ними. Чем больше предметы, тем больше сила их притяжения, и, наоборот, чем дальше они расположены друг от друга, тем меньше они притягиваются.

    Давайте разберемся, как же ученые «взвесили» Землю. Для этого они взяли  большой груз, подвесили его, замерив  точное положение. Затем к подвешенному грузу приблизили целую тонну  металла. Груз и металл начали притягиваться  друг к другу. Груз немного отклонился от своего первоначального положения (величина отклонения составляет примерно одну миллионную часть сантиметра. Вот почему измерения нужно делать с особой точностью).

    Определив величину отклонения груза, ученые смогли приступить к вычислению веса Земли. Для этого необходимо узнать силу притяжения между Землей и грузом и между металлом и грузом. Относительная разница между двумя показателями и даст нам массу Земли.

    Из  чего состоит земная масса? Поверхность  Земли покрыта корой из твердой породы, под ней расположена земная мантия, также состоящая из твердой порода, а в самой середине находится ядро планеты. Температура в центре Земли очень высока, поэтому ядро состоит из расплавленных веществ.

      

    в) Иследования центра Земли

    Ни  один ученый, ни один специальный прибор не может добраться до центра Земли. Но как же люди узнали, что находится в самом сердце нашей планеты?

    Прежде  всего, человечество стало накапливать  знания о строении земного шара, изучая вулканические извержения. Из иных недр высвобождается горячий газ, выбрасываются расплавленные камни. Все это свидетельствует о том, что температура в центре Земли очень высокая. Другой способ – изучение землетрясений. Картина сейсмических волн, сотрясающих Землю, - своеобразный рентгеновский снимок строения нашей планеты.

    Если  землетрясение сравнить с камнем, брошенным в воду, то круги на воде очень напоминают сейсмические волны, разбегающиеся от центра во всех направлениях. Но Земля не состоит  из одних и тех же веществ, как  вода. Поэтому скорость распространения сейсмических волн зависит от состава горных пород. Наталкиваясь на твердые образования, такие волны могут менять направление. С помощью очень чувствительных приборов ученые исследуют сейсмические волны и так узнают о строении Земли.

    Ученые  заметили, что приблизительно на глубине 2800 км волны двигаются совсем не так, как на небольшом расстоянии от земной поверхности. Одни сейсмические волны резко меняют направление  своего движения, другие – неожиданно исчезают.

    Регистрируют  сейсмические волны сейсмические станции, расположенные вокруг эпицентра землетрясения. Но волны отмечаются работниками станции отнюдь не всегда в одно и то же время. Частично это объясняется тем, что состав породы, приводимой в движение колебаниями волн, неодинаков. Вот почему, изучая поведение сейсмических волн, можно познакомиться и со строением земного шара.

    Итак, из чего состоит наша планета? Самый  верхний слой, земная кора, «слеплен»  из твердой породы. Толщина земной коры не везде одинакова. На материках  она достигает 60 – 70 км, а под океанами – 5 км. Под земной корой расположена мантия, которая также состоит из твердой породы. Толщина мантии – примерно 2900 км. В центре находится ядро Земли. Снаружи ядро состоит из расплавленных веществ, в основном железа и никеля. Внутреннее ядро состоит из затвердевшего сплава металлов, (рис. 2, 3). 
 
 
 

    г) Вращение Земли 
 

    Когда-то, давным-давно считалось, что Земля  стоит на месте, а вокруг нее движутся Солнце, Луна и звезды. С первого  взгляда может показаться, что  дело именно так и обстоит, потому что никто не чувствует, как вращается Земля. Ведь если бы она двигалась, то наверняка ничто не смогло бы удержаться на поверхности Земли, а уж вода морей и океанов давно бы захлестнула сушу.

    Сегодня мы твердо знаем, что Земля вращается. Во-первых, вокруг Солнца. Во-вторых, вокруг собственной оси. Не только мы передвигаемся вместе с Землей. Вместе с  нами движется и атмосфера. Потому-то и создается впечатление, что мы стоим на месте. Сила земного  притяжения не позволяет водам океанов и морей выйти из своих берегов. Она же притягивает все предметы к земной поверхности.

    С явлениями, вызванными движением Земли, мы встречаемся каждый день, но просто не догадываемся, что это значит. Вращение Земли вызывает смену дня  и ночи. Если бы Земля стояла на месте, то на стороне планеты, повернутой к Солнцу, всегда было бы светло и никогда не наступала ночь, а на другой, наоборот, никогда не наступало утро, и людям пришлось бы жить в полной темноте. Но Земля, вращаясь вокруг своей оси, подставляет небесному светилу то одну свою сторону, то другую. Смена дня и ночи происходит каждые 24 часа. Именно столько времени требуется Земле, чтобы сделать один оборот вокруг собственной оси.

    Движение  Земли вокруг Солнца нельзя непосредственно  почувствовать, хотя это явление оказывает огромное воздействие на всю нашу жизнь. Вращение Земли вокруг Солнца – причина смены времен года, а наша жизнь во  многом зависит от этого. Земля совершает один виток вокруг Солнца за 365 ¼ дня, что, собственно, и называется годом. Годами мы измеряем историю Земли, продолжительность человеческой жизни.

    Отклонение  Земли от условной вертикальной оси  на 23,5 градуса влияет на смену времен года. Каждый полюс Земли поочередно поворачивается к Солнцу. Поэтому-то Северное полушарие в течение шести месяцев согревается Солнцем, получая больше солнечного света и тепла, чем Южное. То, наоборот, в Южном полушарии наступает лето, греет Солнце, излучая яркий, столь нужный для всего живого свет, а в Северном полушарии в это время из-за недостатка солнечного тепла сначала наступает осень, ее сменяет холодная снежная зима.  
 

    д) Химический состав воздуха.   

Компонент                                                           Содержание по объёму, %

Азот                                                                            78.08

Кислород            20.95

Аргон            0.93

Углекислый газ (СО2)         0.03

Неон                     0.0018

Гелий            0.0005

Метан (СН4)           0.0002

Криптон            0.0001

Сернистый газ (СО2)                 0.0001

Водород            0.0005

Водяной пар (Н2О)                  0.2-0.4

Другие газы и пыль          Следы

 

 

    8.Тринадцать вращений  Земли

Прежде чем  подробно рассмотреть те движения нашей  планеты, которые имеют непосредственное отношение к её недрам, представим общую картину очень сложно движущейся Земли. Некоторые из этих движений быстры и заметны, другие, наоборот, почти неощутимо медленны. Их совокупность демонстрирует на примере Земли ту вечную изменчивость, которая свойственна всему мирозданию и является общим свойством материи. Главной силой, определяющей все эти движения, служит гравитация – притяжение Земли другими телами космоса.

      Трудно  поверить, что такое огромное тело, как земной шар, весящий    6 000 000 000 000 000 000 000 тонн, одновременно участвует в самых разнообразных движениях. Однако существование этих движений твёрдо установлено современной наукой. Два движения Земли известны с давних времён – это вращение вокруг собственной оси и обращение вокруг солнца.

      Известно  немало доказательств вращения Земли. Так, например, если с высокой башни бросить камень, то при падении он расколется к востоку, т.е. в том же направлении, в котором вращается Земля.

      Все движения в природе в той или  иной степени неравномерны. Например, второе движение Земли вокруг Солнца. Оно совершается по эллипсу. Когда Земля проходит через перигелий – ближайшую к Солнцу точку своей орбиты, нас отделяет от Солнца почти 147 млн. км. Через полгода расстояние от Земли до Солнца становится близким к 152 млн. км.

      Скорость движения Земли всё время меняется. Вблизи Солнца она увеличивается, с удалением от него – уменьшается. В среднем же Земля летит по своей орбите в 36 раз быстрее пули – 30 километров в секунду. Но эта скорость кажется огромной лишь по земным мерам расстояний. Если бы мы смогли откуда-то из вне с большого расстояния следить за орбитальным движениям земного шара, он показался бы нам более медлительным, чем черепаха: за один час земной шар проходит путь, в девять раз превышающий его диаметр между тем как черепаха за один час покрывает расстояние, равное нескольким десяткам её поперечников.