Чистое железо плавится при 1539°С, а чистый FeS-при 1230°С, любой промежуточный состав между этими двумя экстремумами испытывает частичное плавление, начиная с гораздо более низкой температуры (998°С). Это обусловлено тем, что в системе Fe-FeS присутствует эвтектическая смесь, или эвтектика,

содержащая 75%-ный FeS (что соответствует 27% серы), которая и образует первый расплав. Смесь, целиком отвечающая составу эвтектики, при 998°С оказывается в полностью расплавленном состоянии. Но в смеси любого другого состава количество расплава растет с повышением температуры вплоть до полного плавления при температуре, соответствующей ординате кривой на рис.  Например, смесь, состоящая на 20% из FeS и на 80% из Fe, начинает плавиться при 998°С и оказывается полностью расплавленной примерно при 1420°С. Очевидно, присутствие серы значительно понижает точку плавления чистого железа. Поэтому среди различных вариантов смеси железа и серы во внешнем ядре можно выбрать такую смесь, которая имеет достаточно низкую температуру плавления, что позволяет объяснить разные температуры плавления внутреннего и внешнего ядра, как это показано Наоборот, железо-кремниевые и железо-никелевые смеси не образуют подобной эвтектики с низкой температурой плавления. Таким образом, внутреннее ядро представляет собой кристаллизующийся при высокой температуре сплав, что и объясняет его твердое состояние.

Условия плавления систем для земного ядра

Чтобы выяснить условия плавления систем Fe-FeS при давлениях, характерных для земного ядра, были проведены эксперименты  со смесями Fe-Ni-S при давлениях до 100 кбар, а установленные при этом тенденции были экстраполированы на еще более высокие давления. Некоторые из полученных результатов показаны на рис.   интервал между температурами плавления чистого железа и эвтектики с глубиной возрастает. Следовательно, во время образования ядра  эвтектический расплав мог пройти через мантию быстрее, чем чистое железо, так как для того, чтобы в мантии эвтектика оставалась жидкой, там не нужен был высокий температурный градиент. Поскольку температура с глубиной, вероятно, повышалась, возможно, из-за гравитационной энергии, высвобождавшейся при опускании расплава, эвтектика могла «промывать» твердое вещество мантии, вынося из него сульфид железа.

С другой стороны, точка плавления чистого железа только немного ниже, чем у большинства силикатов, и если только на ранних стадиях температуры были не слишком велики и не вызвали почти полного плавления всей Земли, опускавшееся расплавленное железо должно было в общем случае застывать. Таким образом, опускание близкого к эвтектике расплава FeS через полупроницаемые твердые мантийные силикаты создавало механизм образования ядра, соответствующий модели однородной аккреции.

Но состоит ли внешнее ядро на самом деле из эвтектической смеси?

Но состоит ли внешнее ядро на самом деле из эвтектической смеси? Уссельман  показал, что с повышением давления количество серы в эвтектической смеси убывает. По его оценке, содержание серы в составе эвтектики у границы ядра и мантии равняется 17,5% и уменьшается к границе внешнего и внутреннего ядра до 15% (от 48 до 41% FeS). Уссельман также пришел к выводу, что несколько процентов никеля во внешнем ядре мало повлияют на полученные оценки температуры. Поэтому такая эвтектика содержит только немногим больше 9-12% серы, как это предполагалось исходя из данных о плотности (12% S эквивалентны 33% FeS). Условия плавления смесей Fe-FeS при давлениях, соответствующих границе ядра и мантии,   где видно повышение температуры плавления и уменьшение содержания серы в эвтектике. Пределы температур в ядре   учитывая крайние члены ряда возможных составов. Принимая, что внешнее ядро имеет состав эвтектики, получаем, что минимальная возможная температура составляет у границы ядра и мантии 1800°С и возрастает по направлению к границе внешнего и внутреннего ядра до 2100°С. Кривая плавления для чистого железа дает максимальные значения возможных температур у кровли и подошвы внешнего ядра, равные 3900 и 4400°С соответственно. При более высоких температурах внутреннее ядро должно было бы расплавиться. (Джейкобе   перечисляет 16 независимо полученных значений температуры плавления железа в условиях давлений у границы ядра и мантии. Полный диапазон этих оценок-от 2340 до 4800°С, со средним значением 3750°С, что очень близко к значению, полученному Уссельманом.)

Плотность внутреннего ядра известна только приблизительно, но в настоящее время для нее принимают интервал значений 12600-13 000 кг/м3, и, согласно результатам экспериментов с ударными волнами, в ходе которых создавались нужные давления (около 3,6 Мбар; , эти значения слишком велики для чистого железа. Единственно возможный дополнительный компонент, достаточно распространенный и имеющий подходящую плотность,-это никель, образующий, очевидно, сплав с железом, как в железных метеоритах. Содержание никеля во внутреннем ядре неизвестно, так как определения плотности неточны, но по аналогии с метеоритами можно предположить, что оно составляет, вероятно, 10-20%.

В то время как на внутреннее ядро приходится только 1,7% всей массы Земли, внешнее ядро имеет гораздо большие размеры и большую массу (30%), и его плотность изучена значительно лучше. Поскольку вещество внешнего ядра, по-видимому, хорошо перемешано теми движениями, которые создают динамо, оно должно быть достаточно однородным. Значения плотности изменяются примерно от 9900 кг/м3 у границы ядра и мантии до 12 200 кг/м3 у границы внутреннего и внешнего ядра, где господствуют более высокие давления. Данные по ударным волнам для 1,4 Мбар (что соответствует условиям у границы ядра и мантии) показывают, что чистое железо имеет при таком давлении плотность около 10600 кг/м3. Значит, для внешнего ядра чистое железо чересчур плотное, и в противоположность внутреннему ядру оно должно быть разбавлено каким-то более легким веществом.

Существуют только два разбавителя железа и сера

Существуют только два вероятных, т.е. достаточно распространенных, разбавителя железа во внешнем ядре-кремний и сера. Кислород и магний  для ядра не подходят из-за своих сильных литофильных тенденций. На сегодняшний день предпочтение отдается сере, но полезно напомнить некоторые доводы, приводившиеся в 1960-х годах в пользу кремния. Главным из таких доводов было то, что кремний легче серы (атомный вес Si 28, S 32) и поэтому для достижения нужной плотности его требуется меньше. Исследования по ударному уплотнению, проводившиеся для давлений, соответствующих условиям во внешнем ядре, показали, что хорошее совпадение с наблюдаемой плотностью дает сплав 90% Fe и 10% Si, тогда как серы нужно 15%. С учетом того, что хондритовая Земля должна содержать около 8% серы и что на внешнее ядро приходится около трети земной массы, мы получаем, что больше половины всей серы должно быть сосредоточено в ядре. Раньше это считалось аргументом против серы, но теперь полагают, что химические процессы на ранних стадиях развития Земли вполне могли привести к отделению серы и накоплению ее в ядре. Кроме того, оценки требуемого содержания серы во внешнем ядре были в дальнейшем пересмотрены в меньшую сторону (см. ниже). Еще одним доводом в пользу модели железо-кремниевого внешнего ядра было изучение энстатитовых метеоритов-хондритов, в металлической фазе которых растворено небольшое количество кремния.

популярным становится представление о внешнем ядре, состоящем из железа и серы

Однако начиная с 1970 г. популярным становится представление о внешнем ядре, состоящем из железа и серы. Электронная конфигурация этих элементов указывает на то, что железо способно растворять в процессе образования ядра всю имеющуюся серу, в результате чего только излишек железа переходит в форму окислов или остается в виде металлической фазы. С другой стороны, кремний, имеющий такую же электроотрицательность, как и железо, образует небольшие ионы, которые объединяются с кислородом в силикатах и проявляют тем самым сильные литофильные свойства. Поскольку окислы железа определенно присутствуют в коре и мантии, существование более литофильных силикатных соединений в ядре означало бы, что на границе ядра и мантии существуют условия значительного химического не равновесия. Это маловероятно, поэтому мнение «против кремния и за серу» во внешнем ядре укрепилось. Более того, если внешнее ядро не содержит значительной доли серы, входящей в состав хондритовой Земли, то это означает, что Земля должна была потерять большое количество серы во время аккреции, а это (как было показано для Венеры сделало бы плотность Земли значительно ниже, чем на самом деле. Наконец, железные метеориты часто содержат значительную долю сульфида железа в виде минерала троилита, так что совокупность данных по метеоритам в целом также свидетельствует в пользу серы. Экспериментальные данные по ударным волнам, полученные Аренсом , показывают, что хорошее совпадение с плотностью внешнего ядра может дать смесь 9-12% серы с железом (вероятно, ближе к верхнему пределу этого диапазона).

Описание геомагнитного поля. Большинство людей считают магнитное поле Земли просто свойством, полезным для навигации. Те, кто помнит школьные опыты с железными опилками, могут представить себе, что земное поле очень похоже на поле стержневого магнита. И действительно, в довольно точном приближении магнитное поле на поверхности Земли напоминает поле сильного стержневого магнита (т. е. диполя), находящегося в центре Земли и ориентированного грубо вдоль ее оси вращения.

Поскольку земное ядро состоит, вероятно, в основном из железа, можно было бы подумать, что твердое внутреннее ядро действует как постоянный магнит. Однако вопрос этот оказывается не столь простым по нескольким причинам, которые излагаются ниже.
а)    Температура ядра несомненно выше температуры Кюри при низком давлении для всех известных магнитных сплавов или минералов. Выше этой температуры (обычно 500-800°С) твердые материалы теряют свою постоянную намагниченность.
б)    Хотя поле Земли приблизительно соответствует полю диполя, имеются и значительные расхождения. Как впервые показал Гаусс (около 1835 г.), существует малая недипольная составляющая, которая включает, по-видимому, случайное сочетание многих максимумов и минимумов для амплитуд этой компоненты. Недипольное поле можно было бы интерпретировать как результат действия постоянного магнита с неоднородной намагниченностью, однако это опровергается следующей группой данных.

Части магнитного поля Земли со временем меняются в пространстве и по интенсивности

в)    Как дипольная, так и недипольная составные части магнитного поля Земли со временем меняются в пространстве и по интенсивности. Совокупность всех этих изменений, происходящих в масштабе времени от десятков до тысяч (и даже до миллионов) лет, известна как вековые вариации магнитного поля. Например, направление магнитного поля относительно географических координат медленно меняется, так что штурманы морских и воздушных кораблей должны вносить поправки в показания компаса. Поправка, называемая склонением, относится к условно горизонтально установленной стрелке компаса и связана только с горизонтальной составляющей магнитного поля. Однако меняется и наклонение (т.е. угол пересечения силовых линий с поверхностью; , измеряемое с помощью магнитной стрелки, которая может менять свой наклон в вертикальной плоскости.

Изменения поля, происходящие на всей поверхности Земли

Изменения поля, происходящие на всей поверхности Земли, являются результатом изменений ориентировки и силы как дипольной, так и недипольной составляющих магнитного поля. Отмечаются два вида наложенных друг на друга отклонений от поля простого осевого диполя. 1) Дипольное поле ориентировано не по оси вращения, а наклонено на небольшой (обычно < 12°), но меняющийся угол. Когда этот угол меняется, магнитные полюсы как бы «раскачиваются» относительно географических полюсов, хотя в среднем поле остается осевым и дипольным. Такое «качание» диполя-главная причина вековых вариаций, наблюдавшихся в течение нескольких последних столетий. В отдельных местах дипольное поле усиливается или ослабляется в результате присутствия недипольной составляющей.

Чтобы продлить наблюдения магнитного поля земли в глубь геологического времени,

Чтобы продлить наблюдения магнитного поля в глубь геологического времени, проводится изучение палеомагнетизма («ископаемой» намагниченности) древних горных пород. Применение этого метода возможно потому, что многие породы приобретают некоторую постоянную намагниченность в том поле, которое существует во время их образования. Например, богатые железом минералы базальтовой лавы, проходя при остывании через свою температуру Кюри, должны намагничиваться. Это означает, что породы могут сохранить до нынешнего дня свидетельства о характере древнего намагничивающего поля. Указанное свойство горных пород используют путем отбора образцов ориентированного керна из скважин, пробуренных на том или ином обнажении, и последующих магнитных измерений в лаборатории, выполняемых с целью определения палео- полюсов.

В прошлом магнитное поле много раз полностью меняло направление

В результате применения этого метода при изучении разреза лав, накопившихся за миллионы лет, было обнаружено, что в прошлом магнитное поле много раз полностью меняло направление, т. е. испытывало инверсии. Например, северные палеополюсы становились южными и наоборот. Палеомагнитные данные об инверсиях для последних 80 млн. лет Если говорить о еще более раннем времени, то представляется, что инверсии происходили на значительных отрезках геологической истории (более подробно см. в работе Мак-Элхинни . Кроме того, заметно меняется и напряженность поля, особенно в периоды инверсий, когда эта напряженность минимальна. Ясно, что магнитное поле Земли-это очень изменчивая и динамичная система во всех масштабах времени, система, которая существовала на протяжении большей части истории Земли и не связана с постоянной намагниченностью вещества в ядре. Как же тогда генерируется в ядре это магнитное поле?

Магнитное поле земли фильм:

//www.youtube.com/watch?v=FWNHSUAZa6E

Многие геологические процессы, такие, как выветривание, осадконакопление, метаморфизм и частичное плавление, непрерывно отделяют одни химические элементы от других в ходе циклического преобразования горных пород. Например, физические и химические процессы обусловливают раздельное отложение осадков песчаных пляжей (Si02), известняковых рифов (СаСОэ) и залежей угля (преимущественно углерод).

Поведение различных элементов как на поверхности, так и внутри планет определяется их электронной конфигурацией и сродством по различным типам кристаллических связей. В дифференцированных метеоритах, например, элементы собираются в ясные, хотя и перекрывающиеся, группы силикатов, сульфидов и металлов. Выделяют следующие группы элементов:
а)Литофильные (от греческого «литое»-камень) элементы, которые встречаются, как правило, в соединении с кислородом в окислах и силикатах: Rb, К, Ва, Na, Sr, Са, Mg и др.
б)Халькофильные (от греческого «халькос»- медь) элементы, встречающиеся в основном в сульфидах: Си, Zn, Pb, Sn, Ag и др.
в)Сидерофильные (от греческого «сидерос»- железо) элементы, встречающиеся обычно в металлическом виде: Fe, Ni, As, Pt, Ir, Au и др.
Те же правила применимы ко всем земным породам, и, очевидно, они связаны с фундаментальными свойствами элементов. По сути дела, способность элементов входить в те или иные соединения зависит от их положения в Периодической системе. Здесь мы упростим дело, используя только одно свойство каждого из элементов-его электроотрицательность Е, которую измеряют в безразмерных величинах от 0 до 4 по шкале, предложенной Полингом. Указанное свойство-это способность атома притягивать электроны и становиться вследствие этого отрицательно заряженным анионом.

Так, эта величина принимает наивысшее значение у галогенов (F», 4,0), она высока также у кислорода (О2 3,5), имеет среднее значение у серы (S21,5). Однако она низка у элементов со свойствами металлов: они теряют электроны и становятся положительно заряженными катионами (например, Mg2+, 1,2; Si4+ , 1,8; Fe2+, 1,8). Кроме кислорода, серы и нескольких сложных анионов (например, силикатов, фосфатов и т.д.), все остальные интересующие нас элементы образуют катионы..
Если два каких-либо элемента заметно различаются по значениям то образующаяся между ними связь будет, скорее всего, ионной, для которой характерно сильное электростатическое притяжение (например, NaCl). Все указанные элементы со значениями Е меньше 1,6 обладают сродством для образования ионной связи с кислородом и демонстрируют тем самым на планетах земной группы литофильное поведение.

За исключением элементов, также относящихся к литофильным из-за их большого заряда, способствующего образованию сложных анионов с кислородом, другие элементы со значениями Е между 1,6 и 2,0 относятся, как правило, к халькофильным. Это связано с тем, что они мало отличаются по электроотрицательности, скажем, от серы (Е = 2,5); в результате эти элементы как бы «делят» электроны между собой, образуя, следовательно, ковалентные связи. На деле существует целый ряд различных разновидностей связи от полностью ионной до полностью ковалентной, что зависит от электроотрицательности соединяющихся элементов.

Третий тип встречающейся в природе связи характерен для металлов

Третий тип встречающейся в природе связи характерен для металлов, которые имеют правильную структуру с плотной упаковкой и часто состоят из атомов только одного вида. Положительно заряженные металлические ионы окружены «газом», состоящим из подвижных электронов, что и обусловливает высокую тепло- и электропроводность металлов. К этой группе относятся элементы, имеющие электроотрицательность между 2,0 и 2,4; они называются сидерофильными, так как на Земле часто встречаются вместе с металлическим железом. Здесь заключен интересный парадокс, поскольку железо, дающее название этой группе, имеет значение электроотрицательности 1,8 и должно быть отнесено, по принятой здесь классификации, к халькофильным элементам.

Прежде чем объяснить этот парадокс, приведем зависимость между электроотрицательностью элементов и их геохимическим сродством:

1. литофильные элементы: Е< 1,6, но, кроме того, элементы с более высокими значениями Е, образующие сложные анионы;
2. халькофильные элементы: 1,6 < Е < 2,0, за исключением упомянутых выше элементов, образующих сложные анионы;
3. сидерофильные элементы: 2,0 < Е < 2,4. (По классификации, принятой в Периодической системе, наиболее литофильные элементы-это катионы щелочной и щелочноземельной групп, тогда как халькофильные и сидерофильные относятся главным образом к переходным группам, причем для сидерофильных элементов характерна тенденция иметь высокие массовые числа.)

Что же можно сказать, исходя из этих геохимических правил

Что же можно сказать, исходя из этих геохимических правил, относительно распределения элементов в недрах планет земной группы? Это распределение зависит от относительного содержания главных присутствующих элементов; в планете, имеющей состав углистых хондритов, 92% массы приходится всего на пять элементов, а именно на железо, кислород, кремний, магний и серу. Если дать этим элементам возможность образовывать соединения, то появится литофильный слой, в котором будут преобладать магниевые силикаты (оливины и пироксены).

При взгляде на относительное распределение масс, может показаться, что кислорода недостаточно, чтобы соединиться со всем имеющимся магнием и кремнием, но это не так, потому что кислород-легкий элемент, и некоторая его часть после этого еще останется. Вследствие своей электроотрицательности железо ведет себя как халькофильный элемент и автоматически будет соединяться с имеющейся серой. Однако некоторая часть железа должна соединиться с остающимся кислородом и вести себя, таким образом, как литофильный элемент.

Тем не менее большая распространенность железа  обусловливает возможность того, что часть его останется в металлическом виде после использования всего кислорода и всей серы; следовательно, в планетах земной группы образуется сидерофильный слой. Это особенно вероятно, если кислород улетучился , и поэтому количество кислорода на планете определяет размер сидерофильного слоя.
В результате образования указанных соединений должны возникнуть три отдельных слоя, в которых будут преобладать последовательно 1) силикаты магния и железа, 2) FeS

Приблизительное содержание главных химических элементов, образующих 92% массы твердого вещества планеты

Приблизительное содержание главных химических элементов, образующих 92% массы твердого вещества планеты, имеющей такой же состав, как у углистых хондритов. Органические соединения, вода и другие элементы составляют вместе остальные 8% . Заметим, что показанная на рисунке распространенность элементов та же, на основании изучения числа атомов метеоритов, но здесь она преобразована в относительные атомные массы (путем деления на атомные веса). Это повышает кажущееся обилие железа, но в иных отношениях не влияет на порядок распространенности элементов, установленный металлическое железо. При условии, что температура достаточно высока, эти слои расположатся в порядке плотности. Таким образом, предполагается, что в ядре Земли должны существовать внутренняя металлическая область и внешняя область, богатая сульфидами; кора и мантия должны иметь силикатный состав.

Это сидерофильный, халькофильный и литофильный слои, а остающиеся металлические элементы (М) распределятся по этим слоям в соответствии со своими электрохимическими свойствами. В течение всей истории активного развития планет земной группы происходят равновесные реакции, такие, как М-сульфид + Fe-силикат ^ М-силикат + Fe-сульфид М -I- Fe-сульфид М-сульфид + Fe, постепенно сортируя три указанные категории элементов и направляя их в соответствующие слои. На Земле эффективность этого процесса была высокой благодаря долгому периоду внутренней активности, но разделение элементов в полной мере еще не достигнуто.

Например, в земной коре до сих пор обнаруживаются следы золота и платины, хотя наибольшее содержание этих элементов должно быть в ядре планеты (чем не заманчивый объект разработки для предприимчивого старателя?). Если же говорить серьезно, на любой планете такие элементы, как алюминий, кальций и щелочные, должны накапливаться почти исключительно в мантии и коре, а никель должен входить в состав ядра.

Что деление на слои в решающей степени зависит от того, сколько имеется кислорода и серы

В конце данного раздела имеет смысл повторить, что деление на слои в решающей степени зависит от того, сколько имеется кислорода и серы. Если бы Земля действительно состояла из вещества углистых хондритов, которое сильно окислено, то она была бы почти целиком литофильной с малым халькофильным ядром (около 20% всей массы Земли приходилось бы на FeS) и без каких-либо свободных металлов. Поскольку же Земля имеет весьма значительное ядро (32% ее массы), из этого следует, что, если во всех других отношениях ее химизм близок к химизму углистых хондритов, она должна была потерять несколько процентов кислорода. Таким образом, общее окисленное состояние планеты может определять размер ее ядра, присутствие в нем металлической области и положение границ между соответствующими слоями.

Причина планетарного на гревания, когда аккреция уже завершена,-радиоактивный распад. В разделе были изложены данные о том, что в первичной Солнечной туманности присутствовали, вероятно, сравнительно короткоживущие радиоактивные изотопы, такие, как 244Ри, 1291 и 26А1, и что значительные количества этих изотопов были включены в состав метеоритов. Очень неопределенным остается вопрос о времени, когда это произошло, но как раз время играет здесь решающую роль.

Например, если вся Земля сформировалась еще тогда, когда возникли высокотемпературные конденсаты метеорита Allende, то она должна содержать около 0,5млн-1 26А1, т.е. такое количество этого изотопа, которого достаточно для того, чтобы вся наша планета расплавилась! Но задержка на 0,7 млн. лет (период полураспада 26А1) уменьшит выделение тепла вдвое.

Разогрев только что образовавшихся планет мог идти под действием двух процессов

Теперь нам ясно, что разогрев только что образовавшихся планет мог идти под действием двух процессов: аккреции и последующего распада короткоживущих радиоактивных изотопов. По мере нагревания, поддерживавшегося, возможно, после аккреции радиоактивным распадом разных изотопов, происходило плавление. Вещества, богатые восстановленным железом ), должны были плавиться первыми при температурах между 1000 и 1500°С, когда силикаты оставались еще твердыми. Поверхность планеты была холодной вследствие излучения тепла в пространство, и поэтому предполагается, что вскоре после аккреции вокруг каждой планеты образовалась жесткая изолирующая кора.

Следовательно, расплавленное вещество должно было собираться на некоторой глубине под поверхностью, возможно, в форме линз или каплевидных скоплений. По мере того как масса таких «капель» увеличивалась, сила тяжести становилась больше прочности силикатов, и «капли» проходили сквозь силикатную массу к центру планеты. Опускание тяжелых масс высвобождало еще больше гравитационной энергии в виде тепла, вызывая быстро развивающийся процесс, в результате которого появилось расплавленное ядро, состоящее преимущественно из железа, а силикатная мантия осталась твердой. Таким образом, первично однородные по составу планеты земной группы могли на ранней стадии своей истории стать внутренне расслоенными на две главные области-ядро и мантию.
Все эти события имели место вскоре после образования Солнечной системы, т.е. 4,6 млрд. лет назад. После этого планеты испытали процессы дальнейшего частичного плавления и сегрегации элементов, связанные как с начальным разогревом, так и с длительным радиогенным выделением тепла при распаде 238U, 235U, 232Th и К. В частности, шел рост химически обособленного корового слоя, имеющегося на Земле и Луне и постулируемого для Марса и Венеры. В противоположность быстрому образованию планетных ядер развитие коры, согласно вполне надежным данным, заняло в истории каждой планеты значительный отрезок времени.

 В лаборатории момент инерции тела можно определить, измеряя угловое ускорение, вызываемое известным крутящим моментом или парой сил: чем больше момент инерции, тем меньше угловое ускорение. В случае Земли нам приходится опираться на природные крутящие моменты, а они создаются внешними телами, главным образом Луной и Солнцем.
Поскольку возбуждаемый ими крутящий момент возникает только потому, что Земля не вполне сферична, нам необходимо обсудить здесь форму Земли.

Земля слегка сплюснута по экватору из-за своего вращения

Земля слегка сплюснута по экватору из-за своего вращения. Чтобы расчетным путем найти точную форму земного шара, мы должны знать распределение плотности во внутренних областях планеты. Но как раз эти-то изменения плотности мы и хотим получить, и поэтому нам приходится идти другим путем: мы принимаем практические данные о форме Земли, т. е. о геоиде, который определяется как средняя поверхность уровня моря.

Чтобы понять, как располагается поверхность геоида на материках, надо представить себе, что через материки прорыты каналы и вода в них стоит на уровне моря. Форма геоида зависит от гравитационного притяжения Земли. Для того чтобы уяснить себе смысл этого утверждения, рассмотрим тело, образованное концентрическими слоями жидкости, имеющими разную плотность. Если такое тело не вращается, то эти слои будут представлять собой сферические оболочки, а сила тяжести везде будет направлена к центру тела перпендикулярно его поверхности.; которую мы называем поверхностью равных значений гравитационного потенциала или эквипотенциальной поверхностью.

В данном случае она будет сферической. Пусть теперь тело вращается; вследствие вращения в каждой точке (кроме полюсов) возникает центробежная сила С, направленная вовне от оси вращения. Если бы тело оставалось сферическим, то эта дополнительная сила заставляла бы суда двигаться к экватору. Жидкость также начала бы перемещаться, и это

Форма вращающегося жидкого шара. Слева: если бы шар не вращался, он имел бы сферическую поверхность, а вертикаль G (определяемая по линии отвеса) проходила бы через центр шара. Справа: при вращении добавляется центробежная сила С, и тело деформируется так, чтобы суммарная сила R, образующаяся при сложении силы тяжести и центробежной силы, была направлена перпендикулярно поверхности. В общем случае эта новая вертикаль уже не проходит через центр.

Форму геоида можно установить, как показано на рис, путем геодезической съемки

Форму геоида можно установить, как показано на рис, путем геодезической съемки. Если выбрать звезду, которая располагается точно над Северным полюсом (почти в нужном месте находится Полярная звезда), то в течение ночи все другие звезды будут обходить ее по окружностям, в чем можно удостовериться, снимая их ход несколько часов на фотопленку. Из таких наблюдений можно вывести направление на истинную полярную звезду («полюс мира»-пересечение земной оси с воображаемой небесной сферой), и это направление можно сравнить с направлением местной вертикали. Угол между ними определяет широту местности: например, если острый угол, образуемый этими направлениями, равен 20°, то широта составляет 70°. Из-за того что форма геоида не вполне сферическая, расстояния между соседними параллелями, измеряемые не в градусах, а в километрах, слегка различаются . В наши дни геоид определяют еще лучше, наблюдая орбиты спутников.

Установление формы Земли-отнюдь не простая геометрическая задача

Установление формы Земли-отнюдь не простая геометрическая задача; при ее решении важно знать направление силы тяжести, так как в геодезических инструментах отсчеты производятся от вертикали, направление которой определяется по спиртовым уровням или по линии отвеса. Та же зависимость сохраняется и при наблюдениях орбит спутников. Фотографии Земли, сделанные из космоса, недостаточно точны, чтобы по ним можно было определить ее геометрическую форму, хотя на них и видна расплющенность Земли по экватору. В любом случае определение фигуры геоида имеет более важное значение.
Выяснено, что геоид очень близок к эллипсоиду вращения . Эллиптичность геоида составляет только 1/298, так что экваториальный радиус, равный 6378 км, на 22 км длиннее, чем полярный. Отклонения геоида от этого приближения измеряются всего лишь десятками метров, т. е. для наших расчетов они не имеют большого значения.

Из-за экваториального вздутия не только форма геоида, но и форма всех гравитационных поверхностей вне Земли слегка отличается от сферической. Поскольку гравитационная сила по определению перпендикулярна эквипотенциальной поверхности, сила притяжения, действующая между Землей и любым телом В в пространстве, таким, как Луна, Солнце или спутник, не направлена точно к центру Земли (если только тело В не лежит в экваториальной плоскости Земли или на ее оси). Это притяжение F равно сумме большой силы Fc, которая направлена вдоль линии, соединяющей центры тел, и значительно меньшей силы FT, направленной под прямым углом к этой линии. Из ньютоновского третьего закона движения, гласящего, что действие и противодействие равны по величине и противоположны по направлению, следует, что Земля должна испытывать соответствующее воздействие со стороны тела В. Притяжение FRнаправленное к центру Земли, уравновешивается центробежной силой, но малые силы FTне уравновешиваются, и вместе они создают вращающий момент, который стремится двигать тело В по часовой стрелке (рис. 3.5) и поворачивать Землю против часовой стрелки.

Можно дать и другое объяснение этому крутящему моменту земли

Можно дать и другое объяснение этому крутящему моменту, не используя представления об эквипотенциальных поверхностях, а рассматривая одну сильно упрощенную модель.. Притяжение между телом В и каждой из этих масс не совсем одинаково из-за различия в расстоянии. Как показано на рисунке, это небольшое отличие F1 от Fi придает Земле малый крутящий момент против часовой стрелки, а следовательно (в виде реакции), и момент, который будет стремиться двигать тело В вокруг Земли по часовой стрелке. Используя уравнение, мы можем подсчитать эти силы, а значит, и моменты, если, конечно, нам известны все рассматриваемые массы и расстояния. Мы получим те же самые результаты, что и раньше, когда мы рассчитывали эквипотенциальные поверхности вблизи тела В, а затем находили силы, направленные перпендикулярно этим поверхностям.

На практике используется метод потенциалов

На практике используется метод потенциалов, так как заменить экваториальное вздутие каким-то числом точечных масс непросто. Главное, что надо отметить,-это то, что чем больше момент инерции Земли относительно ее оси вращения, тем больше крутящий момент. Это происходит потому, что чем больше момент инерции, тем, очевидно, большая часть масск Земли оказывается удаленной от ее оси; в свою очередь чем дальше находится масса от оси, тем больше центробежная сила, приложенная к этой массе, и, следовательно, тем крупнее экваториальное вздутие.

Крутящий момент земли зависит также от массы внешнего тела и от расстояния до него

Крутящий момент зависит также от массы внешнего тела и от расстояния до него. В случае искусственного спутника этот момент чрезвычайно мал и поэтому оказывает совсем незначительное влияние на Землю. Однако воздействие Земли на спутник очень заметно, так как оно возмущает его орбиту, что позволяет нам установить, как меняется притяжение Земли в пространстве, и, следовательно, позволяет судить о форме геоида, о чем уже упоминалось в предыдущем разделе. Самый большой вращающий момент в Земле создается Луной, меньшей величины момент-Солнцем, поскольку хотя Солнце и больше, но расположено оно дальше, и расстояние сказывается сильнее, чем масса.

Под действием вращающего момента, создаваемого Луной, земная ось не сохраняет свою ориентировку неизменной

Может показаться очевидным, что крутящее воздействие Луны (или Солнца) на экваториальное вздутие Земли должно двигать оба тела, пока Луна не окажется в экваториальной плоскости Земли, где вращающий момент равен нулю. Действительно, так и было бы, если бы Земля не вращалась, но поскольку она вращается, то ведет себя как волчок-один из тех игрушечных гироскопов, которые раскачиваются во все стороны, как бы не считаясь с силой тяжести. На рис. 3.7 видно, что вес волчка и реакция его опоры образуют вращающий момент, который должен был бы привести к падению волчка на бок, если бы он не вращался. Однако мы знаем, что, вращаясь, волчок раскачивается, или испытывает прецессию, так что его ось описывает коническую поверхность. Подобным же образом, под действием вращающего момента, создаваемого Луной, земная ось не сохраняет свою ориентировку неизменной, а находится в состоянии медленной прецессии, причем ось конуса прецессии перпендикулярна плоскости орбиты Земли.
Если приведенные выше рассуждения сопроводить количественным анализом, можно вывести математическое выражение для скорости прецессии. Оно содержит такие величины, как масса Луны (или другого тела) и расстояние до нее, а также два дополнительных условия. Одно из них показывает, как вращающий момент и, следовательно, скорость прецессии зависят от того, насколько гравитационное поле Земли отклоняется от полной симметрии, а это мы можем установить по движению спутников или из других определений формы геоида. Другое условие показывает, что скорость прецессии обратно пропорциональна моменту инерции Земли относительно оси ее вращения. Таким образом, момент инерции Земли можно вычислить, исходя из измерений скорости прецессии.
Скорость прецессии Земли мала, потому что относительно мало экваториальное вздутие и велико расстояние до Луны: один полный цикл прецессии занимает около 26 тыс. лет. Прецессию можно земетить, так как хотя земная ось в настоящее время указывает почти точно на Полярную звезду , положение оси все же медленно меняется.

Сведения о внутренних областях Земли мы получаем прежде всего от сейсмологии- науки, теснее всех связанной с земными недрами. Землетрясения порождают волны, которые, прежде чем выйти на поверхность на большом удалении от очага, проникают
в глубокие внутренние области планеты.

Существует несколько видов сейсмических волн внутри планеты земля

Существует несколько видов сейсмических волн, и пути распространения разных волн зависят от того, как изменяются скорости этих волн внутри Земли, а следовательно, от физических свойств внутренних областей. Кропотливый анализ сейсмических записей, полученных на регистрирующих станциях, которые разбросаны по всему миру, как раз и дает возможность установить, как меняется скорость сейсмических волн внутри Земли. Образующаяся в результате такого анализа картина близка к схеме концентрически расслоенной Земли, в которой четче всего выделяется раздел-приблизительно на полпути от центра,-соответствующий переходу от твердого вещества (мантия) к жидкости (ядро). Однако имеется и много других разделов или резких переходов; некоторые из них показаны на рис.  а более полный обзор дается на форзаце в конце книги.
Чтобы узнать, связаны ли эти разделы с изменением состава  температуры или других параметров, мы обращаемся к плотности-наиболее важной характеристике, которую можно определить с достаточной точностью. Значения плотности вычисляются путем соединения данных сейсмологии со сведениями о массе Земли, полученными из ее гравитационного притяжения и из ее момента инерции, который определен по движению, или прецессии, ее оси вращения. Получаемое таким способом изменение плотности с глубиной внутри Земли определяется неоднозначно, но допустимые пределы значений плотности для большинства глубин достаточно узки, так что мы можем поставить следующий вопрос: какому материалу соответствует значение плотности, вычисленное для каждой конкретной глубины?
Очевидно, нужную плотность может иметь множество материалов, поэтому к чисто физическим данным, использованным до сих пор, надо добавить другие типы сведений, которые накладывали бы ограничения на возможный химический состав Земли. Например, согласно современным теоретическим представлениям об образовании Солнечной системы.

Солнце и планеты конденсировались из облака, или туманности, состоящей из газа и пыли. Важную роль для формирования этих представлений играют метеориты, поскольку считается, что они характеризуют ранние стадии процесса образования планет. Как полагают, некоторые метеориты очень близки по составу к первичной туманности и, следовательно, по ним можно приближенно оценить общий вещественный состав Земли.

Из материалов сейсмических исследований хорошо известно, что Земля не однородное тело

Из материалов сейсмических исследований хорошо известно, что Земля не однородное тело: химические элементы разделены на разные группы, или дифференцированы, и образуют разные слои, о которых говорилось выше. Дебатируется вопрос о времени дифференциации, но в вопросе о том, что сегрегация элементов произошла частично уже во время образования Земли, а частично в ходе последующего развития, существует общее согласие.

В последние десятилетия при исследованиях земной коры было доказано, что некоторые процессы дифференциации развиваются в течение всей истории Земли, хотя и с убывающей во времени силой. При заданных ограничениях по температуре и величине изменения давления в Земле для предсказания возможных сочетаний химических элементов, способных устойчиво сосуществовать как минералы на разных глубинах, можно использовать простые правила геохимии. Мы в состоянии применить такие соображения последовательно к каждой области внутри Земли совместно с другой подходящей информацией.

Первая рассматриваемая область — ядро

Первая рассматриваемая область — ядро. Оно состоит в основном из железа. Однако необходимо решить следующие проблемы: определить, какие малые количества других элементов должны там присутствовать, чтобы можно было привести плотность ядра в соответствие с вычисленными изменениями плотности во всем ядре; объяснить существование твердого внутреннего ядра; найти источник энергии, необходимой для создания магнитного поля Земли.

Следующая при движении от центра Земли к ее поверхности область — мантия

Следующая при движении от центра Земли к ее поверхности область — мантия. Полагают, что ее устройство гораздо сложнее, поскольку она состоит из большего, чем ядро, числа элементов, присутствующих в значительных количествах, и поскольку различные минералы, образовавшиеся из этих элементов, изменяют свою кристаллическую структуру при увеличении или уменьшении давления и температуры. Кроме того, в верхней мантии температура близка к температуре плавления вещества, что имеет важное значение по двум причинам. Во-первых, эта часть мантии становится более пластичной по отношению к длительно действующим напряжениям, а во-вторых, там может образоваться жидкая фракция, или расплав, что приводит при подъеме этого расплава к поверхности к магматической деятельности. Пластичность мантии позволяет самой внешней полужесткой оболочке Земли -литосфере- двигаться как по вертикали, так и в горизонтальном направлении посредством тепловой конвекции, ведущей к горообразованию и к континентальному дрейфу. Если бы этих движений не было, поверхность Земли стала бы почти гладкой и однообразной.

Кора, самая верхняя часть литосферы,-наиболее сложная область Земли

Кора, самая верхняя часть литосферы,-наиболее сложная область Земли, поскольку такие циклические процессы, как осадконакопление, метаморфизм и магматизм, неоднократно перерабатывающие ее вещество, приводят к крайней степени дифференциации химических элементов. Мы займемся здесь результатами изучения (главным образом с помощью методов стратиграфии и петрологии) крупных особенностей континентальной коры и процессов, посредством которых осуществляются теплообмен и перенос материала между корой и верхней мантией. Континентальная кора развивается в ходе геологического времени необратимо, и ее объем, вероятно, при этом сильно увеличивается за счет верхней мантии. Из-за того что за 4600 млн. лет истории Земли континентальная кора разрослась и стала толще, а теплогенерация радиоактивного распада уменьшилась, характер и интенсивность горообразования и других важнейших тектонических процессов, вероятно, изменились. В ходе эволюции Земли менялись состав атмосферы, типы отлагавшихся осадочных пород и сама жизнь.

Эта статья  посвящена истории наших знаний о Земле и ее недрах. На протяжении всей многовековой истории науки человечество располагало очень небольшим объемом данных о внутреннем строении Земли, и получить их удалось, только опираясь на самые последние достижения физики, химии, астрономии и геологии. Важно, однако, отметить, что наука о Земле никогда не была где-то на задворках. Напротив, часто она оказывалась на переднем крае знания, возбуждая споры, например, между сторонниками теории спонтанного возникновения жизни и сторонниками природной эволюции или между теми, кто буквально воспринимал библейские сказания о возрасте Земли, и теми, кто изучал радиоактивность или медленные геологические процессы.
Все уже привыкли, что в обзорах такого рода принято начинать с древних китайцев или греков или даже, при особо большой эрудиции, с еще более ранних цивилизаций. В нашем случае это греки. В период от 600 до 200 г. до н. э. они умели поразительно умно ставить вопросы и строить предположения и тем самым оказали сильное воздействие на формирование современных идей, в особенности через сочинения Аристотеля.

Геологические темы представляли для античных философов

Геологические темы представляли для античных философов второстепенный интерес, но они считали, например, что суша может быть затоплена морем и может подняться вновь. Они понимали, что ископаемые окаменелости — это остатки организмов, захороненных в древних морях. Они знали, что Земля представляет собой сферу, и нашли способ измерять ее радиус с точностью до нескольких процентов. Они предполагали также, что в центре Земли бушует внутренний огонь, и эта мысль возрождалась в истории науки несколько раз.

Один из философов, Аристарх (310-250 гг. до н.э.), даже выдвинул гелиоцентрическую теорию движения планет (т. е. их вращения вокруг Солнца), но эта идея не нашла поддержки, и почти всеобщим признанием вплоть до XVI в. н. э. пользовалась геоцентрическая теория (о движении небесных тел вокруг Земли).
Научные суждения древних греков имели один серьезный недостаток: чересчур большую роль играли изящные умозаключения, а наблюдению и эксперименту уделялось мало внимания. Например, Сократ исключил из своего логического класса одного ученика за то, что тот считал, что лучший способ узнать, сколько зубов у лошади,-это открыть лошади рот и посчитать зубы. В результате такого упора на умозаключения греки не могли развить многие из своих идей дальше стадии рассуждения.

Накопленные греками знания о геологическая история земли

Накопленные греками знания были усвоены римлянами, но с падением Рима в V в. н. э. они почти полностью были утрачены и сохранились только в Византийской империи. Однако многое из достижений древней науки проникло в исламский мир и через него было передано на Запад вместе с другими знаниями, такими, как десятичная система счисления, возникшая в Индии. Вначале средневековая Европа относилась к этим «языческим» знаниям подозрительно, но постепенно христианская мысль примирилась с ними, в чем главную роль сыграли философы-схоласты, среди которых выделялся (как тучностью, так и интеллектом) Фома Аквинский (1225-1274). В результате всего этого работы Аристотеля приобрели очень высокий авторитет, уступавший только авторитету Священного писания. Приток новых идей на Запад дал толчок большому подъему науки, великим открытиям и всеобщей жажде знаний, характерной для эпохи Возрождения.
Но, как мы знаем, прежде чем мог осуществиться расцвет науки, кто-то должен был бросить вызов вере в непогрешимость авторитетов при решении спорных вопросов; потребовалось длительное время, пока не было понято, что непосредственное наблюдение может опровергнуть официальное мнение знатных персон (и сейчас практика не вполне в ладах с этим лозунгом!). Нам трудно сейчас представить, какова была истинная природа этой революции в мышлении: требовалось, вероятно, исключительное мужество, чтобы убедить людей в возможности рационального (т.е. посредством разума) исследования мира, где жили, по господствовавшим верованиям, ведьмы и гиппогрифы (крылатые кони), а в минералогии процветала идея об образовании драгоценных камней в жабьих головах. Но мало-помалу наблюдение стало считаться главным судьей.

Земля неподвижно располагалась в центре Вселенной

Многих не могла удовлетворить геоцентрическая теория, согласно которой Земля неподвижно располагалась в центре Вселенной. Одним из этих многих был поляк Коперник (1473-1543). Господствовавший тогда вариант геоцентрической теории был разработан Птолемеем, жившим в Египте в 90-168 гг., а по другим данным, около 87-165 гг. новой эры. Чтобы объяснить, почему планеты иногда перемещаются по небу как бы вспять (рис. 1.2), Птолемей предположил, что они движутся по эпициклам. Вероятно, Коперник пришел к своей идее о гелиоцентрической системе, прочитав сочинение Аристарха: он в значительной мере признал это в одном из абзацев своего сочинения, который затем вычеркнул. Чтобы избежать нападок церкви за то, что Земля была убрана из центра мироздания, один из друзей Коперника, взявшийся издать его произведения, предпослал изложению гелиоцентрической теории предисловие, в котором заявлял, что эта теория-просто удобный способ упростить вычисления!
Тихо Браге, датчанин, живший в 1546-1601 гг., не принял теории Коперника, но он в отличие от Коперника был выдающимся наблюдателем и получил новые, сильно улучшенные данные, которые позволили Кеплеру (1571-1630), его немецкому помощнику, описать законы движения по эллиптическим орбитам, полностью исключающие эпициклы. Работы Галилея (1564-1642) также помогли доказать несостоятельность системы Птолемея; в результате Галилей навлек на себя гнев итальянской инквизиции, которая заставила его отречься от своих идей. Умирая, Галилей запретил ставить на своей могиле памятник, желая, чтобы он сам и его работы были забыты,-напрасная надежда, ибо в год его смерти в Англии родился Ньютон.
Сэр Исаак Ньютон (1643-1727) внес свой вклад в эти всемирные достижения, создав теорию всемирного тяготения. Он показал, что если бы сила притяжения между двумя телами была пропорциональна произведению их масс т и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними d, т.е.