Сравнительно недавно - только в 16 веке - Николай Коперник понял, что наша Земля - это третья планета от Солнца

Эксцентриситет ее орбиты мал, а плоскость самой орбиты пересекается с поверхностью воображаемой небесной сферы по большому кругу, называемому эклиптикой. От эклиптики принято отсчитывать углы наклона орбит других планет

Время оборота вокруг оси принято считать сутками, состоящими из 24 часов, а время оборота вокруг солнца называется годом, который состоит из 365,2422 суток. Во время полного оборота вокруг Солнца Земля совершает не целое число оборотов вокруг своей оси, поэтому для счета времени приходится вводить календарные годы состоящие из целого числа суток по 365 или по 366 дней

После Венеры по степени отдаленности от Солнца идет Земля. На этой планете живем мы с вами и для ее изучения не нужно прибегать к огромным телескопам. Поэтому природа Земли изучается и описывается не астрономами, а географами. Тем не менее Земля - тоже светило. Какой же она выглядела бы для наблюдателя, находящегося на другом небесном теле?

Если смотреть с Луны, Земля будет казаться большим диском, который по поперечнику будет почти в 4 раза больше лунного диска, рассматриваемого с Земли. Ведь действительный, или линейный, диаметр Земли почти в 4 раза больше поперечника Луны.

Земля для лунного наблюдателя проходит такую же смену фаз, какую мы знаем для Луны. Иначе и быть не может, поскольку ночная сторона земного шара темная, а дневная - светлая. По времени «земные фазы» точно противоположны лунным. Когда мы любуемся полной Луной, к Луне бывает обращена темная половина Земли, т. е. наступает момент «новоземлия». Когда у нас новолуние, на Луне наступает «полноземлие» и Земля с Луны видна, как диск, освещенный полностью. Свет полной Земли на Луне приблизительно в 100 раз сильнее лунного света у нас. В том, что это так, можно было убедиться, измеряя яркость пепельного света на Луне, который как раз и получается за счет земного освещения на темной стороне лунного диска.

Такая сила земного освещения обусловлена двумя причинами: во-первых, Земля крупнее, и потому ее диск по площади в 14 раз больше лунного; во-вторых, Земля лучше отражает солнечные лучи, так как имеет более светлую окраску. Это в свою очередь происходит от того, что на Луне нет никакой атмосферы, а на Земле есть.

Если смотреть на Землю с Луны, то она будем совсем не похожа на те глобусы, к которым мы привыкли в школе. Вместо очертаний материков и океанов, которые так пестро раскрашены на глобусах, больше половины диска Земли будет занято причудливым и изменчивым узором каких-то белых пятен. Эти пятна - не что иное, как облака и тучи, закрывающие от постороннего взора расположенную под ними местность. В промежутках между ними можно будет разглядеть очертания берегов, контуры пустынь, лесов и особенно снегов, однако и там все это будет видно не особенно ясно из-за голубой воздушной дымки. Эта дымка хорошо известна всем, кто с возвышенности любовался далями, всем пилотам, летающим на больших высотах; получается она от сильного отражения голубых лучей слоями воздуха, в которых рассеивается солнечный свет. Вот это воздушно-облачное одеяние и является причиной того, что Земля отражает в пространство 40-50% падающих на нее солнечных лучей, в то время как Луна отражает менее 7%.

Если смотреть на Землю с Венеры или Марса, то она будет казаться очень яркой звездой чуть-чуть голубоватого оттенка.

Недалеко от нее невооруженным глазом можно будет разглядеть Луну

Землю, конечно, можно изучать без помощи космического корабля. Однако только в двадцатом столетии мы получили карту всей планеты. Изображения планеты, принимаемые из космоса, имеют важное значение. Например, они помогают в прогнозировании погоды и особенно в отслеживании и предсказании ураганов. И еще они необычайно красивы.

Можно выделить несколько отдельных слоев Земли, у которых есть свои определенные химические и сейсмические характеристики (толщина в км):

1 - 40 Кора

40 - 400 Верхняя мантия

400 - 650 Переходная область

650 - 2890 Нижняя мантия

2890 - 5150 Внешнее ядро

5150 - 6378 Внутреннее ядро

Изменения коры значительны по толщине. Под океанами она более тонкая, чем под континентами. Внутреннее ядро и кора твердые, внешнее ядро и слои мантии полужидкие. Различные уровни отделяются друг от друга неоднородностями, которые хорошо определяются сейсмическими данными; наиболее известная из них - неоднородность Мохоровичича, располагающаяся между корой и верхней мантией.

Большая часть массы Земли заключена в мантии; основная часть оставшейся массы приходится на в ядро, а масса той части, на которой мы обитаем, составляет крошечную долю от всей массы (масса в кг *10e24):

Атмосфера 0,0000051

Океаны 0,0014

Кора 0,026

Мантия 4,043

Внешнее ядро 1,835

Внутреннее ядро 0,09675

Ядро, вероятно, состоит в основном из железа (или никеля и железа), хотя возможно присутствие и некоторых более легких элементов. Температура в центре ядра может достигать 7500 K, а это больше, чем температура поверхности Солнца. Нижняя мантия состоит из обычного кремния, магния и кислорода с небольшим количеством железа, кальция и алюминия. Верхняя мантия - это большей частью оливен и пироксен (железо-магниевые силикаты), кальций и алюминий. Эти данные мы получили только благодаря сейсмическим методам; образцы из верхней мантии достигают поверхности в виде вулканической лавы, но большая часть Земли для нас недостижима. Кора - это прежде всего кварц (кремниевая двуокись) и другие силикаты типа полевого шпата. Химический состав Земли (по массе) следующий:

Железо 34,6%

Кислород 29,5%

Кремний 15,2%

Магний 12,7%

Никель 2,4%

Сера 1,9%

Титан 0,05%

Другие планеты земной группы, возможно, имеют подобные структуры и составы с некоторыми отличиями: у Луны маленькое ядро; у Меркурия очень большое ядро относительно диаметра планеты; мантии Марса и Луны намного более толстые; у Луны и Меркурия нет отчетливой с химической точки зрения коры; Земля - единственная планета с отчетливо определяемым внутренним и внешним ядром. Обратите внимание, однако, что наши знания относительно внутреннего строения планет носят теоретический характер даже для Земли.

Земля - самое плотное тело Солнечной системы.

Земная поверхность очень молода. В относительно короткий (по астрономическим стандартам) период в 500 000 000 лет эрозия и тектонические процессы разрушили и создали заново большую часть поверхности Земли, уничтожив тем самым почти все следы ранней геологической поверхностни (типа кратеров, появившихся в результате столкновений). Возраст Земли - от 4.5 до 4.6 миллиардов лет, а возраст самых старых известных камней - приблизительно 4 миллиарда лет. Самые старые окаменелости живых организмов имеют возраст меньше чем 3.9 миллиардов лет.

На 71% Земная поверхность покрыта водой. Земля - единственая планета, на которой вода может существовать в жидком виде на поверхности (хотя, возможно, на поверхности Титана есть жидкий этан или метан и жидкая вода под поверхностью Европы - спутника Юпитера). Жидкая вода, как мы знаем, необходима для жизни. Способность океанов сохранять тепло также очень важна в поддержании относительно устойчивой температуры Земли. Жидкая вода также ответственна за эрозию и выветривание континентов Земли - процесс, уникальный в солнечной системе сегодня (хотя, возможно, это произошло в прошлом на Марсе).

Aтмосферу Земли составляет азот - на 77 %, кислород - 21 % со следами аргона, двуокиси углерода и воды. Когда Земля только формировалась, в ее атмосфере, возможно, было очень большее количество двуокиси углерода, но к нынешнему времени большая его часть уже входит в состав карбонатных горных пород, немного меньший его объем содержится в растворенном виде в океанах и остальная часть использовалась и используется растениями для жизни. Очень малое количество присутствующей сейчас в атмосфере двуокиси углерода чрезвычайно важно для поддержания поверхностной температуры Земли через парниковый эффект. Парниковый эффект поднимает среднюю поверхностную температуру приблизительно на 35° C выше той температуры, которая была бы без него; океаны были бы заморожены и жизнь была бы невозможна.

Присутствие свободного кислорода совершенно замечательно с химической точки зрения. Кислород в атмосфере Земли производится и поддерживается биологическими процессами. Без жизни не было бы в атмосфере и свободного кислорода.

Взаимодействие Земли и Луны замедляет вращение Земли примерно на 2 миллисекунды в столетие. Исследования показывают, что 900 миллионов лет назад год состоял из 481 18-часового дня.

У Земли умеренное магнитное поле, производимое электрическими токами в ядре. Взаимодействие солнечного ветра, магнитного поля Земли и верхних слоев атмосферы Земли вызывает полярные сияния. Нарушения в этих явлениях заставляют магнитные полюса перемещаться относительно поверхности Земли; северный магнитный полюс в настоящее время находится в северной Канаде.

Магнитное поле Земли и его взаимодействие с солнечным ветром также производит радиационные пояса Ван Аллена - пару колец ионизированного газа (или плазмы). Внешний пояс простирается на высоте от 19 000 км до 41 000 км; внутренний пояс располагается на высоте от 7 000 км до 13 000 км.

У Земли только один естественный спутник - Луна, но на орбиту Земли были выведены еще тысячи малых искусственных. Астероид 3753 (1986 ТО) имеет сложную орбитальную связь с Землей; он не является нашей луной, его называют термином "компаньон"

Спор о форме Земли был тогда в центре внимания научного сообщества. Чтобы решить эту проблему, Парижская академия наук отправила две экспедиции: в Перу и Лапландию. Но помимо геодезических измерений учёные подошли к этой задаче с теоретических позиций.

В самом деле, какую форму должна иметь Земля, если рассматривать её как медленно вращающийся сфероид? В те времена Землю считали изнутри огненно-жидкой, опираясь на наблюдения извержений вулканов, при которых из земных недр выбрасывается жидкая магма. Ньютон получил решение, согласно которому сжатие жидкой Земли у полюсов должно составлять 1/230. Иначе говоря, полярный радиус должен быть на 1/230 меньше экваториального. Эйлер нашёл сжатие Земли равным 1/234.

Когда вернулась лапландская экспедиция, её руководитель Мопертюи, обработав материалы, получил значение полярного сжатия, равное 1/178, т. е. больше, чем у Ньютона. Однако Клеро сразу понял, что если считать недра Земли более плотными, то сжатие должно быть меньше, а не больше, чем в модели Ньютона, и заведомо меньше, чем значение, полученное Мопертюи. (Современное значение сжатия Земли 1/298,25.)

Клеро решил построить теорию строения Земли, полагая её неоднородной. Задача оказалась не из лёгких. Она, как и большинство задач небесной механики, не имела точного решения. Приходилось принимать те или иные упрощающие предположения, разлагать входящие в формулы выражения на медленно сходящиеся ряды. Наконец, Клеро получил решение и представил свою теорию в книге "Теория фигуры Земли", вышедшей в Париже в 1743 г.

"Книга Клеро есть произведение несравненное как в отношении глубоких и трудных вопросов, которые в ней рассматриваются, так и в отношении того удобного и лёгкого способа, посредством которого ему удаётся совершенно ясно и отчётливо изложить предметы самые возвышенные" - таким было суждение Леонарда Эйлера, очень строгого судьи. И сегодня эта книга считается классической.

Однако решение Клеро было только началом. Задачу о фигуре вращающейся планеты пытались осилить после него Пьер Симон Лаплас, Жюль Анри Пуанкаре и другие теоретики. Наилучший вариант предложил уже в начале XX столетия русский учёный Александр Михайлович Ляпунов (1857-1918). Решение задачи он представил в виде цепочки связанных между собой интегро-дифференциальных уравнений. Но первым в ней стояло уравнение Клеро.

Читая раздел об атмосфере, Вы, может быть, задались вопросом о ее границах. С научной точки зрения можно сказать: есть и таковая. Но сначала - о магнитном поле.

Как было сказано ранее, внешнее ядро Земли жидкое и металлическое. Металл - проводящее ток вещество, и если бы существовали в жидком ядре постоянные течения, то соответствующий электрический ток создавал бы магнитное поле. Благодаря вращению Земли, такие течения в ядре существуют. Земля в некотором приближении является магнитным диполем, т.е. своеобразным магнитом с двумя полюсами: южным и северным. Из-за того, что ось магнитного поля проходит всего под углом в 11,5 градусов к оси вращения планеты, мы можем пользоваться компасом. Только немногие помнят, что магнитная стрелка указывает не на истинный Северный полюс, а на Северный магнитный полюс. Он, кстати, медленно перемещается вместе с самой магнитной осью из-за переменности порождающих магнитное поле процессов. Кроме того, ось магнитного поля не проходит через центр Земли, а отстоит от него на 430 км. Магнитное поле Земли несимметрично.

В идеальном и гипотетическом предположении, в котором Земля была бы одинока в космическом пространстве, силовые линии магнитного поля планеты располагались бы таким же образом, как и силовые линии обычного магнита из школьного учебника физики, т.е. в виде симметричных дуг протянувшихся от южного магнитного полюса к северному. Плотность линий (напряженность магнитного поля) падала бы с удалением от планеты. На деле, магнитное поле Земли находится во взаимодействии с магнитными полями Солнца, планет и потоков заряженных частиц, испускаемых в изобилии Солнцем. Если влиянием самого Солнца и тем более планет из-за удаленности можно пренебречь, то с потоками частиц, иначе - солнечным ветром, так не поступишь. Солнечный ветер представляет собою потоки мчащихся со скоростью около 500 км/с частиц, испускаемых солнечной атмосферой. Такие потоки порождают сильное магнитное поле, которое и взаимодействует с полем Земли, сильно деформируя его, как это представлено на рисунке. Благодаря своему магнитному полю, Земля удерживает в так называемых радиационных поясах захваченные частицы солнечного ветра, не позволяя им проходить в атмосферу Земли и тем более к поверхности. Частицы солнечного ветра были бы очень вредны для всего живого. При взаимодействии упоминавшихся полей образуется граница (очерченная область в зеленых тонах), по одну сторону которой находится возмущенное (подвергшееся изменениям из-за внешних влияний) магнитное поле частиц солнечного ветра, по другую - возмущенное поле Земли. Эту границу стоит рассматривать как предел околоземного пространства, границу магнитосферы и атмосферы. Вне этой границы преобладает влияние внешних магнитных полей. В направлении к Солнцу магнитосфера Земли сплюснута под натиском солнечного ветра и простирается всего до 10 радиусов планеты. В противоположном направлении имеет место вытянутость до 1 000 радиусов Земли.

Если какая-нибудь сила действует на какую-либо массу и сообщает ей определенную скорость, то эта масса не может оставаться постоянной. Как мы уже видели на примере с поездом, движущаяся масса имеет энергию движения, или кинетическую энергию. Следовательно, сила, увеличивая скорость массы, передает ей определенную энергию. Отсюда следует, что при увеличении скорости движения масса движущегося тела должна расти.

На первый взгляд это может показаться невероятным. Как может расти масса тела при увеличении скорости движения, если само тело остается неизменным? Например, как может увеличиться масса самолета, который летит, по сравнению с массой неподвижного самолета?

Ответ на такой вопрос требует проникновения в тончайшие детали строения вещества. Можно рассмотреть, в частности, следующий пример. Известно, что любое тело состоит из мельчайших частиц - молекул и атомов. Атомы в свою очередь построены из атомных ядер и электронов.

Атомные ядра заряжены положительным электричеством, а электроны - отрицательным. Между положительными и отрицательными электрическими зарядами имеется пространство, в котором действуют электрические силы. Это пространство называется электрическим полем. Оно заполнено электрическими силовыми линиями. Электрическое поле представляет собой особую форму материи.

Если электрическое поле или заряд перемещаются, то вокруг них появляются новые силы, называемые магнитными; их охватывает возникающее при этом магнитное поле.

Чем быстрее движение атомов, тем сильнее возникающие в них магнитные поля. Магнитное поле - это тоже особый вид материи, обладающий, как и всякая другая материя, определенной массой. Если тело увеличивает скорость, то в его атомах растут магнитные поля и за счет этого увеличивается масса тела.

Опытами и расчетами установлено, что масса магнитного поля равна энергии, заключенной в этом поле, деленной на квадрат скорости света. Таким образом, масса магнитного поля равна той наименьшей массе, какую надо передать телу при передаче ему энергии. Здесь-то и выполняется закон сохранения массы - сколько массы передано этому телу, настолько масса его и увеличится.

Отсюда становится ясным, почему масса движущихся тел растет при увеличении скорости. Отсюда также вытекает, что, для того чтобы сообщить какому-либо телу определенное ускорение, надо по мере роста скорости непрерывно увеличивать силу.

Если скорость тела приближается к скорости света, то масса тела должна была бы возрасти до бесконечности. Что это значит?

Это значит, что дальнейшее ускорение становится невозможным и скорость света является пределом скорости всякого движения. Мы видели выше, что ускорение прямо пропорционально силе и обратно пропорционально массе. Если масса, возрастая, стремится к бесконечности, то ускорение снижается до нуля.

Таким образом, механика очень больших скоростей должна строиться с учетом изменения массы тел при росте их скорости. При малых скоростях изменения массы не учитывают. Обычно механику, в которой изменение массы при движении не учитывается, называют классической механикой. Эта механика нашла широкое применение в технике.

Механика, в которой учтено изменение массы, рассмотренное нами, называется релятивистской механикой, т. е. основанной на теории относительности (выдвинутой Эйнштейном). Эта теория впервые установила, что масса тела при увеличении его скорости увеличивается.

Релятивистская механика имеет огромное значение для различных областей науки и техники.

В беспредельных пространствах Космоса движутся звезды, газовые облака и массы космической пыли. Кроме того, космическое пространство пронизывают элементарные частицы. Все эти тела движутся с различными скоростями. В некоторых случаях скорости достигают огромных величин. Поэтому движение тел в Космосе и вообще все явления, наблюдаемые в бескрайнем космическом пространстве, было совершенно невозможно понять без релятивистской механики. Таким образом, релятивистская механика - одна из основ современной астрономии и астрофизики (физике звезд).

Что наиболее важно для геологов, исследующих нашу планету? Конечно, знание самых общих законов, определяющих поведение вещества как на поверхности, в земной коре, так и в глубинах земного шара. Геолог не может искать вслепую. Он заранее должен знать, где он может найти железо, где - уран, где - фосфор, углерод (алмазы) и т. д. Он должен знать, какие элементы сопутствуют друг другу в земной коре, должен знать законы образования совместных месторождений различных элементов.

Периодический закон является основой самых важных, самых широких геохимических обобщений, которыми руководствуются геологи в своих поисках новых месторождений того или иного элемента. В самых сложных, самых грандиозных химических процессах, протекавших в течение сотен миллионов лет в земной коре и продолжающихся в наши дни, сходные по своему положению в периодической системе элементы обладают сходной геохимической судьбой. Это позволяет геохимикам проследить их движение в земной коре и выяснить законы, управляющие их распространением на поверхности земного шара.

Геологи знают, например, где они должны искать очень важные и нужные для современной техники металлы осмий и иридий. Они находятся в земной коре всегда вместе с платиной, так же как в периодической таблице Менделеева они стоят вместе, в восьмой группе.

Мы уже знаем, что кобальт и никель сопутствуют в своих месторождениях железу и вместе с ним находятся в таблице.

Геохимическое поведение различных элементов определяется прежде всего строением внешних электронных оболочек их атомов. Те из них, которые обладают законченными внешними электронными оболочками, - благородные газы, не вступающие в химические соединения,- существуют только в земной атмосфере. Даже гелий и радон, образовавшиеся при распаде радиоактивных элементов, не только остаются плененными в горных породах, но и непрерывно поступают в атмосферу.

Элементы, расположенные в коротких периодах и в начале и в конце каждого из длинных периодов таблицы, образуют основную толщу земной коры. Это из них состоит основная масса силикатных горных пород. Элементы, стоящие в периодической системе в середине длинных периодов, образуют рудные, чаще всего сульфидные, месторождения. Многие из этих элементов встречаются и в самородном состоянии.

Периодическая система элементов помогает геохимику устанавливать общие закономерности во взаимном сосуществовании различных элементов в горных породах и рудах. Она дает возможность геологу находить в толще земной коры месторождения полезных ископаемых.