История Земли

С помощью астрономических наблюдений, а также измерений на поверхности Земли и в космосе удалось определить форму и размеры Земли, ее массу и моменты инерции, гравитационное и магнитное поля, тепловой поток из ее недр, химический состав и физические свойства веществ в самых верхних ее слоях. Представим себе условную поверхность постоянного потенциала силы тяжести, наиболее близкую к не возмущенной ветрами и течениями поверхности Мирового океана (силой тяжести называется равнодействующая силы собственного ньютоновского гравитационного притяжения и центробежной силы, создаваемой вращением Земли вокруг своей оси). Эта условная поверхность, называемая геоидом, очень близка к эллипсоиду вращения с экваториальным радиусом rэ=6378.16 км и полярным радиусом rп=6356.78 км, а потому со средним радиусом r=6371 км (радиус равновеликой сферы) и со сжатием е=(rэ - rп)/rэ. Отклонения геоида от этого референц-эллипсоида нигде не превосходят 100 м. Карта отклонений, приведенная на рис. 1, показывает, что геоид выше референц-эллипсоида в западной части Тихого, южной части Индийского и в северной части Атлантического океана и ниже референц-эллипсоида в Азии, Северной Америке и в тихоокеанском секторе Антарктиды.

Рис. 1. Карта высот геоида (м) над референц-эллипсоидом по Гапошкину

Масса Земли (М) равна 5.98·109 триллионов т, средняя масса 1 см3 вещества Земли оказывается равной 5.52 г. Поскольку измеряемая прямыми методами плотность горных пород вдвое меньше (средняя плотность земной коры принимается равной 2.8 г/см3), ясно, что вещество в глубоких недрах Земли должно иметь плотность заметно больше указанной средней цифры.

Момент инерции Земли составляет треть (точнее, 0.3308) от произведения ее массы на квадрат ее среднего радиуса. Точнее, момент инерции С относительно оси вращения вследствие сплюснутости Земли вдоль этой оси имеет немного большее значение, чем момент инерции А относительно какой-либо из экваториальных осей:

(С - А)/M·r2 ≈ 1.0826•10-3,

(С - А)/C ≈ 0.003273.

Ускорение силы тяжести на поверхности Земли удобно определять, приняв за единицу измерения 1 см/сек.2, такая единица в честь Галилея носит название «гал». Существующие измерительные приборы - гравиметры - вполне допускают измерения с точностью в одну тысячную гала (миллигал). Ускорение силы тяжести на экваторе в среднем равно gэ=978.049 гал; в него уже включено (со знаком минус) центробежное ускорение, создаваемое вращением Земли, которое равно 3.392 гал. На полюсах центробежное ускорение отсутствует, и полное ускорение силы тяжести gп оказывается больше, чем на экваторе:

(gп-gэ)/gэ ≈ 1/189.

Отклонения ускорения силы тяжести в различных точках поверхности Земли от их стандартных значений на поверхности референц-эллипсоида называются гравитационными аномалиями; они нередко составляют десятки и даже сотни миллигал.

Наблюдения над стрелками компасов показывают, что Земля обладает магнитным полем. Единицей измерения магнитной индукции служит гаусс; существующие приборы для измерения индукции геомагнитного поля - магнитометры - обеспечивают точность в 1 стотысячную долю гаусса (1 гамма). Измерения показали, что Земля является магнитом с южным полюсом (к которому притягивается северный конец стрелки компаса) около Гренландии (73° с. ш., 100° з. д.) и северным полюсом в австралийском секторе Антарктики (68° ю. ш., 143° в. д.), причем величина индукции геомагнитного поля максимальна у магнитных полюсов (она равна 0.7 гс у антарктического и 0.6 гс у гренландского полюсов) и минимальна вдоль магнитного экватора (где она меняется от 0.25 гс у восточных берегов Южной Америки до 0.42 гс в Индонезии; см. рис. 2).

Измерения в скважинах и шахтах на разных глубинах в континентальной земной коре показывают, что температура растет с глубиной со скоростью порядка 30 град./км; это так называемый геотермический градиент температуры. Умножив эту величину на коэффициент теплопроводности горных пород (порядка 0.005 кал./ см·сек.·град.), получим геотермический поток тепла. Измерения на суше дают для него значения (1.2 ÷ 1.6)·10-6 кал./см2·сек. Аналогичные значения, хотя и с гораздо большим разбросом, получаются и при измерениях в породах океанского дна (где разности температур на глубинах в десятки сантиметров под поверхностью дна измеряются при помощи так называемых термоградиентометров). Обычно за среднюю величину геотермического потока тепла принимают 1.5·10-6 кал./см2·сек.; для Земли в целом это дает ежегодную теплопотерю порядка 1028 эргов (Е. А. Любимова, [5]). Наименьшие значения геотермического потока тепла (0.9·10-6) наблюдаются на докембрийских щитах; в областях современного вулканизма (исключая сами вулканические очаги) он вырастает до 2.2·10-6, а наибольших значений, до 8·10-6, достигает около осей срединно-океанических хребтов.

Рис. 2. Карта изолиний величины индукции геомагнитного поля (гс) на 1945 г.