Земля
Следы примитивной жизни обнаружены в породах, которым почти 3,5 миллиарда лет, - самых старых из известных пород на Земле. Жизнь эта представлена бактериями и водорослями, т. е. простейшими одноклеточными организмами.
Вероятно, на протяжении предшествующих 1000 миллионов лет на Земле постепенно образовались океаны из воды мантии, выбрасываемой вулканами на поверхность при извержении. Первоначально атмосфера состояла, очевидно, главным образом из водорода. Кислород в воздухе образовался либо в результате воздействия света на водяные пары, либо его выделяли растениевидные морские организмы.
Вспышка жизни.
Около 570 миллионов лет тому назад на Земле началось бурное развитие жизни. Около 400 миллионов лет тому назад в атмосфере уже было достаточно кислорода для роста растений на суше, а за последующие 50 миллионов лет появились и начали эволюционировать наземные животные.
Геологи делят историю последних 570 млн. лет на ряд периодов. Самый ранний из них называется кембрийский. Геологическое время с начала кембрия (590 миллионов лет тому назад) до нынешнего четвертичного периода известно как фанерозойский эон. Остальная часть истории Земли обычно объединяется под общим названием докембрий. Если представить себе, что Земля существует один год, то самые ранние формы жизни появились в начале мая, а кембрийский период начался в ноябре. Первые люди возникли около 7 часов вечера 31 декабря, а современный человек сформировался приблизительно за пять минут до полуночи.
Античные представления о Земле.
Очень давно люди интересовались тем, как устроен мир, в котором они живут, и задавались вопросами: какую форму имеет Земля? На чем она держится? Как движутся Солнце, Луна и звезды? Что такое небо? Вначале ответы на эти вопросы были наивными, совершенно фантастическими. Например, люди считали, что Земля плоская, как блин, держится на трех китах (или на трех слонах), киты плавают в океане. А на чем держится океан? Этот вопрос задавать было нельзя: за это могли серьезно наказать, ибо всякие сомнения в этой картине мира трактовались как ересь.
Существовало мнение, что небо – это огромный купол, который перекрывает Землю (см рис. 4). К куполу прикреплены звезды, и по нему в колесницах разъезжают Солнце (днем) и Луна (ночью). Существовала даже легенда, что некий странник, дойдя до края Земли, убедился в этом воочию.
Более двух тысяч лет тому назад такие примитивные представления о мироздании перестали удовлетворять ученых- философов Древней Греции. Так, Пифагор и его ученики (VI в. до н. э.) уже хорошо знали, что Земля имеет форму шара и ни на чем не держится. Эратосфен довольно точно измерил размеры земного шара.
Древнегреческие философы и математики разработали достаточно стройную картину мировоздания. Ее обобщил Аристотель*. Благодаря его трудам, которые пользовались большой известностью, она была усвоена учеными Древнего Рима, Аравии, а затем и европейцами. Эта картина мира стала основой миропонимания почти на 2000 лет, до трудов Коперника и его последователей.
Из взглядов Аристотеля вытекали ответы на два вопроса, которые смущали ученых не только в древности, но и в средние века и казались им очень сложными: если Земля – шар и ни на чем не держится, то почему она не падает? Если Земля – шар, то люди на другом полушарии должны стоять вверх ногами – как же они этого не чувствуют? Аристотель придерживался точки зрения, что Земля – естественный центр Вселенной, а все тяжелые тела стремятся к этому центру. Но раз Земля – центр, то ей некуда падать. А люди в любом месте Земли стоят так, чтобы центр Земли был у них под ногами. Признание шарообразности Земли было для науки того времени значительным шагом вперед, хотя многие другие объяснения Аристотеля с современной точки зрения наивны.
Была создана геоцентрическая система, в которой предполагалось, что вокруг Земли как центра Вселенной располагается множество сфер, на которых, считалось, находятся небесные тела: Луна, Меркурий, Венера, Солнце, Марс, Юпитер, Сатурн - неподвижные звезды. Все эти сферы должны были совершать суточное вращение вокруг Земли, а сферы Луны, Солнца и пяти планет – более сложное годичное движение. Эта система была названа геоцентрической, ибо в ее центре находилась Земля ( от греч. слова ge – Земля ). Геоцентрическая система до конца XVI в. была принята большинством ученых, но со временем она потерпела изменения.
IV. В своем первоначальном виде геоцентрическая система не давала возможности проводить расчеты положения Солнца, Луны и планет среди звезд. Вместе с тем достаточно точные знания об их взаимном расположении в разные времена года издавна были необходимы для практики. В некоторых странах, например в Египте и Месопотамии, плодородие почвы зависело от разлива рек, и нужно было достаточно точно предсказывать время начала и конца разлива и время сева. Наконец, люди верили, что расположение планет и звезд влияет на их судьбы, успех лечения болезней, доходность деловых операции, победу в войне и др. Все это, кроме чисто научных интересов, требовало разработки таблиц, с помощью которых можно было бы предсказывать расположение на небосводе планет, Луны и Солнца.
Александрийский ученый Клавдий Птолемей (примерно с 90 г. по 160 г.) обобщил все известные в Древней Греции и Риме сведения о движении небесных тел и предложил оригинальную теорию планетных движений, которая позволила производить расчеты с необходимой для практики точностью.
Он предположил, что планета обращается не вокруг Земли, а вокруг центра некоторой вспомогательной окружности – эпицикла. В свою очередь центр этого эпицикла обращается вокруг Земли по другой вспомогательной окружности – деференту.
Античные и современные исследования Земли.
Как измерили радиус Земли? На основании астрономических наблюдений древнегреческие ученые еще в IV в. до н. э. пришли к выводу, что Земля шарообразная. Придерживаясь этого вывода, Эратосфен, живший в Египте (276 – 194 гг. до н. э.) решил определить длину окружности земного шара. Идея Эратосфена состояла в том, что нужно было в один и тот же день (в полдень) в двух точках Земли, находящихся на юге и на севере Египта, измерить зенитное расстояние Солнца в градусах (см. рис. 4). Разность этих расстояний равна разности географических широт пунктов наблюдения. Далее нужно измерить расстояние между пунктами наблюдения. Поделив это расстояние на число градусов, можно определить длину части окружности Земли, приходящуюся на один градус, а далее легко определить и длину окружности Земли, и ее радиус.
Наивысшая точка на небосводе (на небесной сфере) называется зенитом. Если светило, например звезда, находится в зените, то она сияет прямо над головой наблюдателя. Угол между лучом, направленным из глаза наблюдателя на светило, и вертикальным направлением называется зенитным расстоянием светила. Для измерения зенитного расстояния Солнца Эратосфен изобрел специальный прибор – скафис.
Скафис представляет собой чашу в виде полусферы, на дне которой закреплен металлический стержень. На внутреннюю полость скафиса наносятся деления в градусах. Скафис устанавливают по отвесу так, чтобы стержень, направленный по радиусу сферы, занимал строго вертикальное положение, т. е. был направлен на зенит. На освещенной Солнцем внутренней полости скафиса должна быть тень, которую отбрасывает стержень. Дуга, измеряемая в градусах от основания стержня до конца тени, равна зенитному расстоянию Солнца.
Эратосфен жил в городе Александрия на севере Египта. От купцов и погонщиков верблюдов он знал, что на юге Египта в городе Сиена (ныне Асуан) Солнце в полдень 22 июня освещает дно глубоких колодцев и, следовательно, находится в зените. В полдень того же дня в Александрии по измерениям Эратосфена Солнце отстоит от зенита на 7° 12ґ=7,2°. Эратосфен также знал, что расстояние от Александрии до Сиены составляет 5000 греческих стадий. Обозначив через x длину окружности земного шара, он составил пропорцию, исходя из следующих соображений: длина окружности земного шара во столько раз больше расстояния между городами, во сколько раз 360° больше 7,2°:x/5000=360°/7,2°. Отсюда следует, что длина окружности земного шара равнялась 250 000 стадий.
Длина греческих стадий точно неизвестна, но расстояние между Александрией и Асуаном по современным измерениям составляет 800 км. Отсюда следует x/800=360°/7,2°. Следовательно, длина окружности земного шара получается равной 40 000 км.
В конце XVIII в. Французская Академия наук снарядила две экспедиции для проверки измерений Эратосфена и уточнения длины одного градуса дуги меридиана. Одна экспедиция работала в Финляндии и Швеции, вблизи Северного полярного круга, а другая – в Перу, в экваториальных широтах. Оказалось, что измерения Эратосфена в целом согласуются с полученными результатами.
В то же время выяснилось, что полярный радиус Земли на 21 км короче экваториального. Таким образом, Земля представляет собой эллипсоид вращения – немного сплюснутый шар, как и предсказывали теоретические расчеты И. Ньютона.
Сколько весит Земля?
Земля расположена в космическом пространстве, поэтому узнать вес планеты очень сложно. Не положишь же ее на весы! Поэтому мы поговорим о весе тех веществ, из которых Земля состоит, то есть о ее массе.
Масса Земли приблизительно равна 6,6 сикстиллиона тонн. Чтобы понять, какое это огромное число, давайте его запишем: 6 600 000 000 000 000 000 000.
Как же ученые узнали массу Земли? Свой расчет они основывали на общеизвестном свойстве всех тел притягиваться друг к другу. Именно это их качество лежит в основе земного притяжения. Согласно закону земного притяжения сила притяжения двух тел зависит от их масс и их расстояния между ними. Чем больше предметы, тем больше сила их притяжения, и, наоборот, чем дальше они расположены друг от друга, тем меньше они притягиваются.
Давайте разберемся, как же ученые «взвесили» Землю. Для этого они взяли большой груз, подвесили его, замерив точное положение. Затем к подвешенному грузу приблизили целую тонну металла. Груз и металл начали притягиваться друг к другу. Груз немного отклонился от своего первоначального положения (величина отклонения составляет примерно одну миллионную часть сантиметра. Вот почему измерения нужно делать с особой точностью).
Определив величину отклонения груза, ученые смогли приступить к вычислению веса Земли. Для этого необходимо узнать силу притяжения между Землей и грузом и между металлом и грузом. Относительная разница между двумя показателями и даст нам массу Земли.
Из чего состоит земная масса? Поверхность Земли покрыта корой из твердой породы, под ней расположена земная мантия, также состоящая из твердой порода, а в самой середине находится ядро планеты. Температура в центре Земли очень высока, поэтому ядро состоит из расплавленных веществ.
Как ученые узнали, что находится в центре Земли?
Ни один ученый, ни один специальный прибор не может добраться до центра Земли. Но как же люди узнали, что находится в самом сердце нашей планеты? Прежде всего, человечество стало накапливать знания о строении земного шара, изучая вулканические извержения. Из иных недр высвобождается горячий газ, выбрасываются расплавленные камни. Все это свидетельствует о том, что температура в центре Земли очень высокая. Другой способ – изучение землетрясений. Картина сейсмических волн, сотрясающих Землю, - своеобразный рентгеновский снимок строения нашей планеты.
Если землетрясение сравнить с камнем, брошенным в воду, то круги на воде очень напоминают сейсмические волны, разбегающиеся от центра во всех направлениях. Но Земля не состоит из одних и тех же веществ, как вода. Поэтому скорость распространения сейсмических волн зависит от состава горных пород. Наталкиваясь на твердые образования, такие волны могут менять направление. С помощью очень чувствительных приборов ученые исследуют сейсмические волны и так узнают о строении Земли.
Ученые заметили, что приблизительно на глубине 2800 км волны двигаются совсем не так, как на небольшом расстоянии от земной поверхности. Одни сейсмические волны резко меняют направление своего движения, другие – неожиданно исчезают.
Регистрируют сейсмические волны сейсмические станции, расположенные вокруг эпицентра землетрясения. Но волны отмечаются работниками станции отнюдь не всегда в одно и то же время. Частично это объясняется тем, что состав породы, приводимой в движение колебаниями волн, неодинаков. Вот почему, изучая поведение сейсмических волн, можно познакомиться и со строением земного шара.
Итак, из чего состоит наша планета? Самый верхний слой, земная кора, «слеплен» из твердой породы. Толщина земной коры не везде одинакова. На материках она достигает 60 – 70 км, а под океанами – 5 км. Под земной корой расположена мантия, которая также состоит из твердой породы. Толщина мантии – примерно 2900 км. В центре находится ядро Земли. Снаружи ядро состоит из расплавленных веществ, в основном железа и никеля. Внутреннее ядро состоит из затвердевшего сплава металлов, (рис. 2, 3).
Всегда ли Земля находится на одинаковом расстоянии от Солнца?
Знаете ли вы, почему зимой холодно, а летом жарко? Смена времен года вызвана изменением положения земной оси относительно Солнца. Это происходит во время вращения Земли вокруг небесного светила. Отклонение земной оси незначительно, если учитывать то громадное расстояние, что отделяет Землю от Солнца. Именно из-за этих небольших отклонений летом мы греемся на солнышке, а зимой кутаемся в теплые шубы.
Стоило бы Земле только немножко отойти от Солнца, и мы бы все превратились в сосульки. А если бы наша планета еще на шаг приблизилась к Солнцу, мы бы расплавились от жары. Поэтому Земля практически всегда находится на практически одинаковом расстоянии от Солнца, которое равняется примерно 149 миллионов километров.
Что же касается других планет Солнечной системы, то их орбиты отнюдь не похожи на почти правильный круг, как орбита Земли, и потому на протяжении года расстояние планет от Солнца значительно изменяется, (см. рис.5).
Почему мы не чувствуем, как вращается наша планета?
Когда-то, давным-давно считалось, что Земля стоит на месте, а вокруг нее движутся Солнце, Луна и звезды. С первого взгляда может показаться, что дело именно так и обстоит, потому что никто не чувствует, как вращается Земля. Ведь если бы она двигалась, то наверняка ничто не смогло бы удержаться на поверхности Земли, а уж вода морей и океанов давно бы захлестнула сушу.
Сегодня мы твердо знаем, что Земля вращается. Во-первых, вокруг Солнца. Во-вторых, вокруг собственной оси. Не только мы передвигаемся вместе с Землей. Вместе с нами движется и атмосфера. Потому-то и создается впечатление, что мы стоим на месте. Сила земного притяжения не позволяет водам океанов и морей выйти из своих берегов. Она же притягивает все предметы к земной поверхности.
С явлениями, вызванными движением Земли, мы встречаемся каждый день, но просто не догадываемся, что это значит. Вращение Земли вызывает смену дня и ночи. Если бы Земля стояла на месте, то на стороне планеты, повернутой к Солнцу, всегда было бы светло и никогда не наступала ночь, а на другой, наоборот, никогда не наступало утро, и людям пришлось бы жить в полной темноте. Но Земля, вращаясь вокруг своей оси, подставляет небесному светилу то одну свою сторону, то другую. Смена дня и ночи происходит каждые 24 часа. Именно столько времени требуется Земле, чтобы сделать один оборот вокруг собственной оси.
Движение Земли вокруг Солнца нельзя непосредственно почувствовать, хотя это явление оказывает огромное воздействие на всю нашу жизнь. Вращение Земли вокруг Солнца – причина смены времен года, а наша жизнь во многом зависит от этого. Земля совершает один виток вокруг Солнца за 365 ј дня, что, собственно, и называется годом. Годами мы измеряем историю Земли, продолжительность человеческой жизни.
Отклонение Земли от условной вертикальной оси на 23,5 градуса влияет на смену времен года. Каждый полюс Земли поочередно поворачивается к Солнцу. Поэтому-то Северное полушарие в течение шести месяцев согревается Солнцем, получая больше солнечного света