Устройство Земли

Многое из того, что открыли предыдущие поколения, мы принимаем за должное, не задумываясь над сущностью и смыслом этих вещей. Каждый день от рождения наше тело испытывает на себе притяжение Земли, лишь после смерти освободившись от ее оков, свободная душа перемещается в параллельный мир, где обретает вечность. Возможно, там, в параллельном мире, нет тяготения, души не материальны, возможно наоборот. Так или иначе - рассудит время. Но мы точно знаем, что Земля по своему строению неоднородна, а устройство Земли до сих пор вызывает споры ученых и, соответственно, появление различных гипотез о нем. Сегодня, прослеживая простую цепочку моделей устройства планеты Земля, попробуем найти новое, то, что ускользнуло от глаз исследователей и ученых.

С тех пор, как Ньютон в книге третьей своих "Начал" сформулировал закон тяготения, согласно которому каждая частица во Вселенной притягивает каждую другую частицу с силой, обратно "пропорциональной некоторому количеству материи, которое они содержат", гравитация стала рассматриваться как универсальное свойство материи. То, что гравитационная сила пропорциональна массе притягивающегося тела, Ньютон вывел из экспериментального факта, опирающегося на то, как Юпитер воздействует на свои спутники. Солнце воздействует на планеты, Земля – на Луну и тела на ее поверхности таким образом, что их ускорения равны расстояниям от соответствующего центрального тела. В этом случае из принципа равенства действия и противодействия сил следует, что эта сила пропорциональна также массе центрального тела. Закон Ньютона остается справедливым для материальных тел, размеры которых очень малы по сравнению с взаимным расстоянием. Однако далеко не во всех случаях расстояние между притягивающимися телами велико по сравнению с их размерами.

Рассмотрим, например, притяжение Землей небольшого материального тела, находящегося вблизи ее поверхности. В этом случае само понятие расстояния между Землей и телом становится неопределенным: можно говорить о расстоянии до ближайшей точки поверхности Земли, до центра Земли. Если мысленно разбить Землю на небольшие частицы с равными массами, то эти частицы будут притягивать взятое нами тело с разными силами. Какому же закону будет подчиняться суммарное притяжение Земли, если каждая частица Земли притягивает обратно пропорционально квадрату расстояния тела до нее? Этот вопрос впервые поставил и разрешил Ньютон. Он доказал теорему, согласно которой однородный шар, состоящий из частиц, притягивающих обратно пропорционально квадрату расстояния, притягивает к себе другие материальные тела и притягивается ими так же, как одна материальная частица, помещенная в центре шара и сосредоточившая в себе всю массу шара. Эта теорема остается справедливой и для неоднородного, состоящего из сферических слоев равной плотности, шара, то есть шара со сферическим распределением плотностей.

Разумеется, не все тела имеют шарообразную форму, и не во всех случаях расстояния между притягивающими телами велики по сравнению с их размерами. В этом случае закон изменения силы с расстоянием будет более сложным.

Форма Земли описывается фигурой, названной геоидом. Геоид по форме очень близок к эллипсоиду с небольшим сжатием (1:298), что указывает на то, что вещество планеты находится в гидростатическом равновесии по отношению к действующим силам притяжения и центробежным силам инерции и ведет себя по отношению к длительно действующим силам, как жидкое тело. В то же время кратковременные воздействия (упругие волны землетрясений, приливы и перемещения масс в атмосфере Земли, вызывающие короткопериодические движения полюса), воспринимаются земным шаром, как твердым упругим телом, жесткость которого превосходит жесткость закаленной стали. Такая различная реакция Земли на воздействия короткого и длинного периодов указывает на то, что земной шар является упруго-вязким телом, период приспособления (релаксации) которого оценивается несколькими столетиями.

Не только внешняя форма Земли, но и расположение концентрических слоев различной плотности внутри нее подчиняются закону гидростатического равновесия, так что земной шар как бы состоит из множества сфероидальных слоев, отличающихся друг от друга своим физическим состоянием. Эти слои расположены концентрично, так что Земля представляет собой сфероидальное слоистое тело. Средняя плотность Земли (5,52 г/см3) почти вдвое превышает плотность пород, слагающих земную кору, следовательно, плотность глубинных слоев Земли много больше. Распределение плотности внутри Земли можно оценить, учитывая массу и момент инерции земного шара, а также принимая во внимание данные изучения распространения упругих волн землетрясений.

Распространение сейсмических колебаний указывает, что упругие свойства внутри Земли изменяются на некоторых определенных глубинах (границах) скачком и плавно в пределах слоев, разделенных этими границами. Важнейшими границами являются поверхность Мохоровича, залегающая на глубине10–70 км, и граница на глубине 2900 км, резко преломляющая продольные сейсмические волны и не пропускающая поперечные колебания. Последняя граница иногда называется поверхностью Вихерта-Гутенберга. Эти границы разделяют земной шар на три главные зоны: ядро, оболочку и кору. Земная кора обладает наибольшей жесткостью и иногда называется склеросферой, то есть жесткой сферой Земли. Оболочка обладает более высокой вязкостью; иногда наружные ее слои называют астеносферой, что выражает ее податливость к внешним воздействиям. Земное ядро находится в состоянии близким к жидкому, и реагирует лишь на продольные волны изменением своего объема. Внутри трех главных зон земного шара имеются менее четко выраженные границы раздела, не всегда прослеживаемого наблюдениям землетрясений, но обнаруживаемые при более детальном анализе сейсмологических данных. Оболочка, по-видимому, расчленяется на глубине 1200 км границей Репетти на внутренний и внешний слои. По сейсмологическим данным намечаются и другие упругие границы в оболочке, но существование их твердо не установлено. Ядро Земли разделяется на внутреннее ядро и внешнее, причем расстояние, разделяющее их границы от центра Земли, составляет около 1250 км.

Как видите, все просто и устройство Земли кажется более или менее точно установленным. Сверху кора, на которой мы живем, внутри слои с резким изменением плотности при переходе от оболочки к ядру.

Можно уточнить прочитанное. Можно выдвинуть новые гипотезы устройства Земли, но, к сожалению, нельзя пробурить скважину к центру Земли, чтобы опровергнуть или подтвердить их. Поэтому заслуживают внимания даже модели, в которых закономерности устройства Земли лежат не внутри, а далеко вне ее пределов.

Автор статьи: Бабаскин Александр Сергеевич

Перепечатка без ссылки на автора запрещена!

Инструменты