Строение Земли

Мы не можем «увидеть» недра Земли, но, к счастью, существует естественный инструмент для изучения ее строения, сейсмические волны. Они возникают при землетрясениях и регистрируются сейс­мическими станциями, расположенными во многих местах Земли. На рис. 29.6 показана Земля в разрезе: ее три основных составляю­щих — кора, мантия и ядро.

Кора (040 км) — самая внешняя часть твердой Земли. Над ко­рой расположены гидросфера, биосфера и атмосфера. В основном кора состоит из силикатов и обогащена элементами 81, А1, К и №. Она очень тонкая, всего ю км под океанами, но под континентами ее толщина может достигать 4050 км. Океанская кора немного плотнее, чем континентальная, из-за того, что она обогащена Реи Мвсиликатами.

Мантия (402890 км) делится на верхнюю и нижнюю мантию. В мантии происходит конвективное движение горных пород и ми­нералов: холодные части тонут, а горячие всплывают.

Что касается тектоники, то верхняя часть мантии лишь частич­но расплавлена: ее верхние примерно юо км почти твердые. Эту ее часть вместе с корой называют литосферой. Толщина литосферы может доходить до 200 км под старыми континентами, а под оке­анами она тянется в глубину всего на несколько десятков киломе­тров. Литосфера «плавает» на более «пластичном», но не жидком слое — астеносфере.

Ядро (28906370 км) в основном состоит из железа и никеля. Внешнее ядро на глубинах 28905150 км жидкое, а внутреннее ради­усом примерно 1220 км твердое из-за очень высокого давления. Ин­тересное совпадение: температура в центре Земли такая же, как в фо­тосфере, то есть на видимой поверхности Солнца, — около 5500 К.

Конвекция во внешнем жидком ядре довольно сильная, быть может, в миллион раз сильнее, чем в мантии. Поскольку вещество внешнего ядра имеет высокую проводимость, получается интерес­ная среда, где быстро движущиеся и вращающиеся электрические поля взаимодействуют друг с другом. Это приводит к генерации магнитного поля. Источником энергии для конвекции служит тепло радиоактивного распада во внутреннем ядре.

Земля уникальна среди планет ее типа в том смысле, что у нее довольно сильное магнитное поле. У Меркурия, Венеры, Марса и Луны такого поля нет. Меркурий, Марс и Луна настолько малы, что у них нет твердого внутреннего ядра. В отношении Венеры пол­ного понимания пока не достигнуто. По массе она близка к Земли, поэтому должна иметь похожее внутреннее строение. У нее долж­но быть магнитное поле, как у Земли, но его нет. Венера вращается очень медленно, совершая один оборот вокруг оси за 243 земных суток, и это может подавлять процесс генерации поля в ядре; либо Венера лишена твердого ядра, поскольку поток тепла из ее ядра, повидимому, меньше, чем из ядра Земли.

Климат, атмосфера и парниковый эффект

Климат планеты определяется ее радиационным балансом и парниковым эффектом, обусловленным ее атмосферой (впервые об этом эффекте заговорил Жозеф Фурье в 1820х годах). Температу­ру Земли можно вычислить, сложив энергию, полученную от Солн­ца и от источников в земных недрах, и вычтя из этой суммы энергию излучения, покидающего поверхность Земли. Предположим для на­чала, что у нашей планеты нет атмосферы. Тогда для современной Земли мы получим температуру 20 °С. Оказывается, наша планета и в самом деле должна быть ледяным миром! Так было бы, если бы не существовало атмосферы или если бы она состояла из чистого азота (с кислородом или без). Вычисленная нами температура на 35 °С ниже, чем реальная средняя температура Земли +15 °С.

Когда Земля была моложе, скажем, 2,5 млрд лет назад, Солнце светило не так ярко: от него поступало на ю% меньше энергии. Это означает, что температура могла быть еще ниже, примерно 28 °С. Но из геологических данных известно, что Земля большую часть своей истории была свободна от льда. Планете требовалось какоето «одеяло», чтобы поднять температуру хотя бы чуть выше точки за­мерзания. Разумеется, это было газовое одеяло толщиной несколь­ко километров, состоящее из парниковых газов — воды, двуокиси углерода и метана. Содержание каждого из этих газов менялось со временем.

Теплосберегающее воздействие парниковых газов было очень важно для жизни на Земле как в древние времена, так и сейчас. Парниковый эффект возникает следующим образом. Солнечное из­лучение нагревает Землю. Нагретая Земля сама начинает излучать, но в основном в длинноволновой инфракрасном диапазоне (а еще и некоторая доля солнечного инфракрасного излучения отража­ется от поверхности Земли). Часть испущенной в инфракрасном диапазоне энергии поглощается парниковыми газами, которые за­тем переизлучают ее во всех направлениях. Часть этого излучения уходит в космос, а другая часть нагревает нижние слои атмосферы. Этот нагрев и есть парниковый эффект. Сейчас он составляет около 35 °С, что совсем не мало. Половина эффекта возникает изза во­дяного пара (но не облаков!), примерно одна пятая изза двуокиси углерода, а остальное в основном обязано метану и озону, а также и некоторыми другими малым компонентам парникового газа. Нужно отметить, что молекулярный кислород, молекулярный азот и водород не являются парниковыми газами, так как не поглощают инфракрасное излучение.

Наша планета сейчас пребывает в состоянии равновесия. В эпо­хи, когда количество парниковых газов уменьшалось, Земля спол­зала в состояние оледенения, из которого ее выводила вулканиче­ская активность. Но сложись все подругому, мы бы могли оказаться перед лицом серьезной угрозы: парниковый эффект нагревания мог бы пойти вразнос.

Изменение температуры на пару градусов в любую сторону при наличии парникового эффекта может иметь серьезные послед­ствия. Например, существенное уменьшение содержания водяного пара в атмосфере может привести к быстрому понижению темпе­ратуры. А внезапное таянье метановых клатратов в глубинах морей вызовет рост содержания метана в атмосфере, что усилит парни­ковый эффект. Сейчас наибольшее внимание уделяется прогнозам глобального потепления изза роста концентрации С02. Среднее со­держание С02 увеличилось за 20 лет примерно на 30 ррт (рагЬ рег тШюп = миллионных частей) и сейчас достигло уровня около 390 ррт. Такой рост С02 считается очень серьезным. Простой расчет по­может нам оценить его влияние на среднюю температуру. Предпо­лагая, что пятая часть парникового эффекта обусловлена С02, мы можем оценить его вклад примерно в 35 °С/5 ~ 7 °С. Через 20 лет относительное увеличение С02 составит около 8%. Перемножив эти числа, получим, что рост содержания двуокиси углерода в ближай­шие 20 лет увеличит парниковый эффект на о,6°! Это дает пред­ставление о серьезности проблемы. Увеличение температуры на

3° привело бы к драматическим последствиям для всей природы, включая род человеческий, поскольку изменились бы источники чистой воды, повысился бы уровень океана и начались бы пробле­мы с урожайностью.

Наш расчет упрощен и не учитывает многие явления, суще­ствующие в реальной природе и обеспечивающие механизмы об­ратной связи, такие как изменение облачности, величины капель воды, аэрозольных составляющих, а также взаимодействие рассе­янной ветром морской воды с атмосферой и взаимные связи раз­ных составляющих атмосферы, возникающие на разных временных интервалах. Не говоря уже о некоторых особых связях, таких как взаимодействие между атмосферой, Антарктическим и Гренланд­ским ледяными щитами и приповерхностными и глубоководными океанскими течениями. Нужно также учитывать и медленное из­менение светимости Солнца. Многие эти факторы уже включены в программы моделирования климата в пределах возможностей компьютеров, но даже наша грубая оценка дает значение, довольно близкое к наблюдаемому. Модели прогноза климата очень сложны и в настоящее время могут, в лучшем случае, давать более или менее правдоподобные оценки, но в целом все они сходятся в том, что тем­пература возрастет на 1,54»5 °С за ближайшее столетие.