Земля, как и другие планеты Солнечной системы, имеет форму шара, но не точно геометрической, а несколько сплющенной в направлении полюсов. Такую форму называют сфероидом, а поскольку поверхность Земли не является ровной (морские впадины, горные хребты), то такую неправильную геометрическую форму называют геоидом.
Первые попытки определить форму Земли и ее строение относятся к VI-IV вв. до н. е.
Первое научное обоснование шарообразности Земли сделал греческий философ Аристотель (384-322 pp до н.э.). Он указывал, что если бы Земля не имела форму шара, то тень, которую она отбрасывает на поверхность Луны при его затмении, не была бы ограничена дугой окружности. Исходя из этого, последователь Аристотеля греческий ученый Эратосфен Киренский (276 - 194 г.г. до н.э.), который жил в Александрии, впервые довольно точно определил радиус земного шара. Сделал он это слишком оригинально, не покидая двор Александрийской библиотеки, где работал библиотекарем.
Однажды он услышал от приезжих торговцев, полдень в самый длинный день года (22 июня) в г. Сиены (ныне Асуан), что находится вблизи экватора, солнечная тень исчезает совсем. Это сообщение очень заинтересовало Эратосфена. По Аристотелю, рассуждал ученый, Земля имеет шарообразную форму и следовательно, солнечные лучи падают на ее поверхность под разными углами в разных ее точках. Зная эти углы падения, можно вычислить расстояние между ними, а если расстояние известна, то не трудно решить и обратную задачу.
Ученый сконструировал большое полушарие, поставил ее во дворе библиотеки, воткнул в полушарие вертикальный шест. В полдень 22 июня он измерил длину тени, которая падала от шеста. Она оказалась в 1/50 длины окружности шара. В Асуане в то же время тени найти было невозможно: солнечные лучи там падают вертикально. Зная расстояние между Асуаном и Александрией (она составляет 5000 египетских стадий 1 стадия равна 158,25 м), Эратосфен, используя простейшие тригонометрические соотношения, определил радиус Земли размером 6300 км. Неточность такого расчета составляет несколько десятков километров. Ниже приводятся основные геометрические и физические характеристики Земли, известные в настоящее время.
Экваториальный радиус ................................................ .... 6378 км.
Поверхность ................................................. ......................... 510 млн. км2.
Водная поверхность ................................................ ............... 361 млн. км2.
Материк ................................................. ................................ 149 млн. км2.
Объем ............................................... .................................. км3.
Масса ............................. .................................................. ... кг.
Средняя плотность ................................................ ........... 5520 кг/м3.
Средняя плотность поверхностных пород ..................... 2700-2800 кг/м3.
Современными исследованиями установлено, что земной шар состоит из ряда концентрических оболочек, которые называются геосферами. Четыре из них - атмосфера, гидросфера, биосфера и часть литосферы доступны для непосредственных наблюдений, а внутренние геосферы изучаются только с помощью геофизических методов - резкими изменениями скорости распространения упругих волн.
Атмосфера - газовая оболочка Земли, точная граница которой не определена и находится примерно на высоте около 3 тыс. км, где плотность атмосферы почти уравнивается с плотностью межпланетного пространства.
B атмосфере выделяют три концентрические оболочки. Первая из них от поверхности Земли - тропосфера, которая охватывает более 80% общей массы атмосферы и распространяется до высоты 8 - 15 км. Далее следуют: стратосфера - от 8 - 15 км до 100 км и ионосфера.
Всего влияет на изменение поверхности Земли атмосфера, ее агенты - солнечные лучи, электрические разряды, температурные колебания, ветер, водяной пар - выполняют большую геологическую работу в процессах разрушения, переноса продуктов разрушения и их накопления.
Гидросфера - водная не сплошной оболочка, содержащая воду океанов, морей, озер, рек, ледников, подземную и атмосферную воду. Гидросфера не образует сплошного слоя и покрывает земную поверхность на 70,8%.
Гидросфера - важнейший геологический фактор в истории Земли и особенно земной коры. С одной стороны, под влиянием гидросферы происходит интенсивное разрушение горных пород, с другой - она является мощным образующим фактором, благодаря которому в пределах водоемов скапливается значительное толща различных осадков. В водоемах образовалось много минералов и осадочных горных пород (фосфориты, галит, глауконит, известняк, мел и др.).
Биосфера - зона жизнедеятельности организмов - животных и растений. В той или иной степени она имеет место в атмосфере и земной коре.
Нижняя и верхняя границы существования живых организмов определяются температурой и давлением. На суше нижняя граница существования живых организмов 2-3 км (отдельные бактерии), в морских бассейнах - до 11 км.
В состав организмов входит более 60 химических элементов. Это в основном кислород, водород, углерод, натрий, кальций, магний, калий и др.. Чрезвычайно большое значение организмов как концентраторов некоторых химических элементов: углерода в торфе, угле, нефти, кальция и углерода в известняках, меле, фосфора в фосфоритах. Очень велика роль организмов в образовании горных пород и полезных ископаемых. Средний пояс земной коры состоит из пород типа гранита и поэтому называется гранитным. Он не сплошной и распространяется в основном на континентах, а на глубоководных участках океана - отсутствует. Средняя мощность гранитного слоя на континентах составляет около 15 км, в горных районах - до 35-40 км. Плотность этого слоя - 2500 - 2750 кг/м3, континентальная скорость сейсмических волн - 5,5 - 6,3 км / с. В составе осадочного и гранитного поясов преобладают кремний (лат. "силициум") и алюминий (лат. "алюминиум") и поэтому их часто объединяют под общим названием Сиаль или сиалистська оболочка.
Ниже гранитного залегает базальтовый пояс. Его мощность составляет 20 - 30 км на материках и 5 - 7 км - под дном океана. Плотность изменяется в пределах 2750 - 3000 кг/м3, скорость сейсмических волн - 6,1 - 7,4 км / с.
Выделяют два типа литосферы: океанический и материковый. Кора материкового типа состоит из гранитного слоя мощностью до 35 км, покрытого на отдельных участках (прогибах) осадочным чехлом мощностью до 15 км и более. В океанической коре гранитный слой отсутствует и земная кора состоит только из базальтового слоя, покрытого сверху тонким чехлом (не более 1 км) осадочных пород.
Химические анализы показали, что более чем на 98% масса земной коры состоит только из восьми элементов (см. табл. 1.1). Остальное составляют примерно еще 10 элементов. На долю других приходится 0,353%. Следует отметить, что у разных авторов судьба тех или иных элементов в земной коре неодинакова, но отличается не существенно.
Мантия - это сплошная оболочка, залегающего непосредственно под базальтовым поясом и свойства которой резко отличаются от литосферы.
В ней выделяют верхнюю мантию до глубины 900 км и мантию - до глубины 2900 км. При переходе от литосферы к мантии происходит резкое увеличение скорости распространения продольных сейсмических волн от 6,5 - 7,2 до 8,0 - 8,2 км / с. Эта сейсмическая граница получила название разделения Мохоровичича (сокращенно Мохо) в честь югославского сейсмолога
А. Мохоровичича, который в 1909 p., Изучая землетрясения в Загребе, обнаружил, что на глубине 60 км скорость сейсмических волн значительно увеличивается. Это привело его к выводу, что здесь и проходит граница земной коры и мантии. По современным данным глубина залегания поверхности Мохоровичича изменяется от 5 - 7 км под дном океанов до 70 - 80 км в горных районах.
Верхняя часть мантии мощностью около 900 км называется перидотитовою зоной в связи с преобладанием в ее составе ультраосновных или щелочных веществ.
В ее составе наибольшее содержание имеют кремний и магний, поэтому верхнюю мантию еще называют симатичною зоной или зоной "сима", теперь считают, что вещество верхней мантии находится частично в расплавленном состоянии. Плотность вещества в этой зоне составляет 3600 - 4700 кг/м3, давление до 38 ГПа (380 тс/см2), а температура 1000 - 3800 ° С.
Нижняя часть мантии мощностью около 1900 км называется рудной зоной, в составе которой много железа, никеля, кремния и магния. Поэтому она еще называется зоной "нифесима", от сокращенных латинских названий этих элементов.
Плотность вещества в этой зоне достигает 4700 - 9400 кг/м3, давление составляет 134 ГПа, а температура - 2800 - 3800 ° С.
Ядро Земли начинается с глубины 2900 км, имеет радиус 3470 км. Оно неоднородно по своему составу, и в нем выделяют внешнее ядро - из глубины 2900 км к 4980 км, внутреннее - с глубины 5120 км к центру Земли и промежуточную зону - 4980 - 5120 км.
Хорошая электропроводность и высокая плотность ядра (от 11500 до 17300 кг/м3) дают основание считать, что оно составлено никелем и железом с примесью серы и кремнезема. Поэтому его называют еще "Нафе" от латинских символов этих элементов. Давление в центре Земли достигает 350 ГПа (3500 тс/см2), а температура - 3800 - 4000 ° С.
Если брать химический состав (гипотетический) Земли в целом, то более чем на 98% она состоит тоже из восьми элементов, но соотношение их не так, как в литосфере (см. табл. 1.2). Тепловая энергия Земли имеет внутреннее и внешнее происхождение. Основным источником внутреннего тепла является энергия радиоактивного распада химических элементов в недрах планеты. Подсчитано, что 1 г радия за час выделяет 140 ккал тепла, а при полном превращении 1 г радия в свинец выделяется 3 млн. ккал, что эквивалентно сгоранию 500 кг каменного угля.
Внешний источник поступления тепла - лучистая энергия Солнца. Каждый участок поверхности Земли площадью 1 см2, ориентированной перпендикулярно лучам Солнца, получает за минуту 8,13 Дж тепла. Эта величина называется солнечной постоянной. Всего за год Земля получает от Солнца около Дж тепла, составляет 99,5% энергии, поступающей в земную кору.
Температура земных недр с глубиной наращивается. Прирост температуры в градусах Цельсия на каждые 100 м глубины называется геотермическим градиентом. Расстояние в метрах, в течение которой температура повышается на 1 ° С, называется геотермическим степени. Размер геотермического градиента, в какой степени, отсчитывается от пояса с постоянной температурой, залегания которого зависит от географического положения местности и изменяется в пределах 15 - 40 м.
В среднем величина геотермического градиента равна 3 ° С на 100 м, а соответствующая величина геотермического степени - 33 м. Однако в разных районах Земли значения этих величин неодинаковы. Так, в США величина степени в верхних слоях литосферы меняется в пределах 7 - 138 м, в Донбассе - 28 - 33 м, в Харькове - 37,7 м. Максимальный геотермической степень, зарегистрирован в Южной Африке - 167 г.
При бурении скважин в разных точках Земли зафиксированы следующие значения температур: в Северном Прикаспии - 108, 3 ° С на глубине 3000 м, в США - 244 ° С на глубине 7136 м, в Краснодарском крае - 219,4 ° С на глубине 6267 м .
Считают, что рост температуры с глубиной замедляется. Так, если бы температура возрастала до центра Земли даже с минимальным геотермическим градиентом, то в центре планеты она бы равнялась 460000С, а это привело бы к нарушению магнитных свойств Земли. Согласно расчетам до глубины 20 км сохраняется геотермической степень, который известен для поверхностных горизонтов Земли. Ниже рост температуры, наверное, замедляется.