Земята като планета от Слънчевата система

 

Хипотези за земния произход
Като небесно тяло Земята принадлежи към Слънчевата състема - тя включва планетите  Меркурий, Венера, Земя, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон, техните спътници, над 1800 малки пхланети (астероиди), около 1000 комети и безброй метеори. Еклиптика.
Геоцентризъм (Птоломей - 2 в.пр. Хр.) и хелиоцентризъм (Питагор - 6 в.пр.Хр; Аристотел, Коперник - 16, Галилей - 17, Кеплер - 16-17, Кант и Лаплас - 17, Нютон 17-18).
Форма - кръг или диск (древността); Питагор, Аристотел, Магелан - кълбо.
Първа космогонна хипотеза - Ж.Бюфон През 1680 комета минава край Слънцето на по-малко растояние отколкото Земя-Луна. При евентуален удар - откъсване на слънчева материя - придобиване на околоосово движение. Катастрофична хипотеза.
Хипотеза на Кант и Лаплас
Кант - 1755 - на мястото на Слънчевата система - метеорен облак. Струпване около големите частици - централно тяло и по-малки тела. Орбитално движение на по-малките струпвания.
Лаплас - 1796 - първоначална мъглявина от горещи газове. Охлаждане, свиване и уплътняване на частиците, увеличение на скоростта на въртение и на центробежните сили . Сплескване при "полюсите" на мъглявината и отделяне на въртящи се пръстени от "екваториалната зона".
Слабости: орбити перпендикулярни на еклиптиката, невъзможно отделяне на мъглявини поради малка плътност,  алогично разпределение на движението между планетите и Слънцето съобразно масата им.
Чембърлейн и Мултон - 1900 - преминаване на голяма звезда - струя от материя, накъсана впоследствие на  газови кълба
Джинс - 1916 - пурообразна струя.
Шмидт - 1943 - Слънцето, преминавайки през екваториалната плоскост на Галактиката увлича материята на тъмните облаци (газове и твърди частици). Рояк от частици, движещи се по елиптични орбити. Постепенно роякът придобил плоска форма. Центрове на сгъстяване на частиците - планетите. Материята първоначално е била студена, а впоследствие се е нагряла от ударите и радиоактивния разпад. При 1000º придобива пластичност.  В централните части на Земята температурата е достигнала до 2000-3000º
Форма и размери на Земята
Първоначално Питагор твърди че Земята е сфера. Едва околосветското пътешествие на Магелан  потвърждава  това становище.  През следващия век се налага становището, че планетата е сплесната към полюсите. 
Измерване на Парижкия меридиан от Ж.Пикар (1671) посредством триангулачния метод.
Параметри на земята приети в Мадрид, 1924
екваториялен радиус - 6378.388 км
полярен радиус - 6356,912 км
разлика в радиусите - 21,476 км
сплеснатост 1/297
среден радиус - 6371,221 км
средна величина на 1º по меридиана - 111,137 км
повърхнина 5,101.1018см2
обем 1,083.1027см2
Форма на Земята - приближава се до двуосен елипсоид на въртение - сфероид. Геоид. Крушовидна форма.
Плътност на Земята 5,517 гр/см3 
Средна плътност на Земната кора - 2,6-2,7 гр/см3 
Плътност на ядрото - 11 гр/см3 
Скокообразно нарастване на плътността в дълбочина - слоист вътрешен строеж на нашата планета.
Земно привличане - 982,7 гала.
Вътрешна топлина на Земята.
 Геотермично стъпало - растоянието в метри за нарастване температурата с 1º. Геотермичен градиент - увеличението на температурата в градуси на всеки 100 м. дълбочина.
Източници на вътрешна земна топлина:
- радиоактивно разпадане
- топлинен запас от образуването на Земята
- преобразуване на енергия от въртенето на Земята
- сепарацията на веществото в земната вътрешност.
Плътност и слоист строеж на земята
Методи и средства за изучаване на вътрешния строеж на Земята.
Изследването на вътрешния строеж на Земята - една от най- трудните задачи на геологията и геофизиката. За сега познанията по този въпрос са непълни и недостатъчни
Непосредствени (геоложки) методи. Шахтите достигат до 2 км., а най-дълбоките сондажи - 8 до 10 км. -т.е. непосредствена веществена информация за земята е 0л1% от земния радиус
Косвени (геофизични) методи. Геофизиката борави със сеизмични, гравиметрични, геодизични, астрофизични, геомагнитни, геоелектрични. Основната геофизична информация е резултат от сеизмичните проучвания.
Сеизмичният метод се основава на разпространението на вълновите трептения (колебания)  в еластичните тела. Затова той е неприложим за течности и газове.
Сеизмичните колебания на Земната кора зе изучават чрез различни уреди приемници. Те са построени на принципа на хоризонталното или вертикалното махало: ос със тежаст, прикрепена подвижно в две точки на  здраво свързана (циментирана) със земната повърхност вертикална постава (хоризонтално махало) или същата система, като една от опорните точки на остта  с тежаст представлява вертикално закрепена пружина (вертикално махало). Система от такива приемчници (минимум три: вертикален, по посока запад-изток и север-юг), снабдени със записващи устройства регистрират сеизмичните вълни в земната кора и земната вътрешност.
Със сеизмографите се определят: 
- период на колебание (Т) - пълният цикъл на колебанието (от минимум до минимум или от максимум до максимум); 
- честота  на колебание (1/Т) - количеството цикли в секунда; - дължина на вълната (?) - дължина на вълната.
Сеизмичните вълни (както еластичните) са : напречни и надлъжни.
Напречните вълни ("S-вълни" от  лат. secundus - втори или англ. shake - трептя) - трептението на частиците на твърдото тяло се извършва напречно на посоката на разпространението на вълната. Те зависят от плътността  и твърдостта (модула на срязване) на средата.
Надлъжни вълни ("Р-вълни" от лат primus - първи  или puch - бутам ) - движението на частиците е паралелно на  посоката на разпространението на вълните  - свиване и разтягане на тялото - вълни на свиване. Те зависят от  модула на всестранно свиване
Съотношението  скорост на  надлъжните към напречните вълни (Vp:Vs| е приблизително 3:1. Това позволява да се установи разстояниетож между източника на трептение и мястото на измерване.
Фронтът на разпространение на сеизмичните вълни има форма на сферична повърхнина.
При преминаване на фронта през границата между две среди  възникват отразени и пречупени вълни. Ъгълът на пречупване (според закона на Синелиус) зависи от величината на ъгъла на падането и особенностите на двете среди и скоростите на разпространение на вълните в двете среди.
Сеизмограми и ходографи.
Сеизмичният метод се използува за определяне на  дебелината, плътността и други физични параметри  на  слоеве в земната вътрешност.
Геофизични граници. В Земята се открояват по геофизични критерии сферични гранични повдърхнини. По тах става пречупване и дори частично отразяване на сеизмичните вълни, вследствие на различните физични параметри на  контактуващите среди. Тези геофизични граници или тънки слоеве биват от различен порядък.
Основните концентрични слоеве на земната вътрешност са:  земната кора, земната мантия и земното ядро.
 

 

Земна кора  (слой А)
Най-външната твърда обвивка ва Земята.
Разполага се между земната повърхност и границата на Мохоровичич (Мохо). Дебелина - от 7-8 до 75-80 км. 
Земекорен строеж - нехомогенен трислоен строеж: седиментен, гранитен и базалтов слой. Наименованията гранитов и базалтов слой (предложени от Дели) не означават, че тези слоеве са изградени от гранити и базалти, но че се състоят  от вещество, притежаващо особенностите на тези скали. 
Седиментен слой. Най - близо до и на самата земна повърхност. равншително меки, рахли, често неспоени утайки. Средна плътнос 1-2.65 г/см2. Дебелина от няколко метра до 10-15 км. На места липсва - там направо се разкрива гранитният слой.
Гранитен слой. Под седиментния слой земната кора се дели от границата или повърхнината на Конрад  на граните (отгоре) и базалтов слой (отдолу). Гранитният слой има Vp-6.29 км/сек. и Vs-3.57 км/сек. Плътност - 2.65-2.80 г/см3. Състои се главно от кристалинни (магмени и метаморфни) скали богати на силиций и алуминий (от там - sial). Дебелината му е от 0 до 20-40 км. - тя особенно нараства в областите на високите планински вериги (Хималаи, Анди, Кордилиери, Алпи и др.).
Базалтов слой. Заема най долната част на земната кора.  Той за разлика от гранитния и седиментния слой образува непрекъсната обвивка на Земята с променяща се дебелина - от 5 до 30 км. Средна плътност - 3.32 г/см3. Вероятно е изграден от кристалинни скали  с физичните свойства на базалтите, амфиболитите, габрото и др.
Типове земна кора
 

 
Океанска кора. Разпространена в областите на океаните. Двуслоен строеж: състои се от тънък на места дори липсващ (там кората е с еднослоен строеж) седиментен слой и под него (или направо на океанското дъно) - базалтов слой с дебелина от 5 до 15 км.
Континентална кора. Разпространена в континенталните земекорни области. Средна дебелина 40-50 км. Непрекъснат двуслоен или трислоен строеж: от напълно липсващ (там кората е с двуслоен строеж) до дебел до 10-15 км (големите планински системи)  седиментен, граните и базалтов слой с обща дебелина, достигаща до 80 км
Земна мантия  (слоеве B, C и D).
Нарича се още подкоров субстрат, междинна геосфера  и т. н. Горната и граница е повърхността на Мохоровичич (максимална дълбочина  80 км), а долната - първоразрядната разделителна повърхнина - границата на Гутенберг (дълбочина 2900 км). Тук Vp достига 13.6 км/сек. - много ясно пречупване на сеизмичните вълни. Под Границата на Гутенберг сеизмичните вълни не се разпространяват - там веществото има особенностите на течна среда.
Строеж на мантията - нехомогенен слоист, разчленен от разделителни повърхнини от II ред.  
Горна мантия (слой В). Намира се непосредствено под земната кора и достига на дълбочина до 400 км. В пределите й са налице  на места до 10 разделителни повърхнини от III ред. Плътността е от 3.3 до 4.68 г/см3.  Тук веществото е в твърдо състояние. Характерна особенност на горната мантия е сравнително тънкия слой при който се наблюдава рязко намаляване на скоростта на сеизмичните вълни и поява на известна загуба на отражението им. Това е астеносферата или вълновода (канала) на Гутенберг. В него веществото е с твърде малка плътност, като вероятно материята се намира в пластично, разтопено състояние. Астеносферата е повсеместно разпространена, но има променлива дълбочина - под океаните - на 100-150 км, а под континентите - на около 50 км.
Астеносферата има изключително голямо значение за ендогенните геоложки процеси - именно тук вероятно се коренят най-важните магмени огнища, енергийните центрове причиняващи движенията в земната кора. В този смисъл астеносферата е важен обект за изследване.
Преходна зона в мантията (слой С). Разположена е на дълбочина от 400 до 900-1000 км.  
Долна мантия (слой D). Разполага се на дълбочина от 1000 до 2900 км. Плътността на веществото тук достига от 5.69 до 9.4 г/см3
Земно ядро  - характеризира се с постепенно увеличаване на скоростта на сеизмичните вълни. Това позволява ядрото да бъде разделено на:
Външна обвивка на ядрото (слой Е) - горна граница - 2900 км, долна граница - 5000-5100 км. Скорост на разпространение на сеизмичните вълни - 10-10.1 км/сек. Твърдостта на веществото е десетки и стотици пъти по-ниска от твърдостта на материята в земната мантия - вероятно  се касае за субстрат подобен на топилка.
Вътрешно ядро  (ядка  слой F) - горна  граница 5000 -5100 км. Скорост на разпространение на сеизмичните вълни 11.2 км/сек. Вероятно  тази земна сфера се състои главно от желязо и никел (виж желязно-никеловите метеорити). Тук веществото има характер на твърдо тяло.
Химичен състав на Земята
Много труден и все още неразрешен въпрос - по него науката е до голяма степен в сферата на предположенията. Прекита познания са за дълбочина до 20 км. Косвените методи (геофизични, астрономични)  дават възможности за умозаключения за вътрешния строеж на планената и сравнението  с останалите тела от слънчевата система. 
Химичен състав на земната кора 
От известните 105 химични елемента 92 се срещат в природата.
Първи опит за  преценка на количественото участие на елементите в строежа на земната кора прави Кларк (1920).Получените от него стойности са уточнени от Ферсман и известни под наименованието кларкови числа или кларки.
Според Виноградов между 97 и 99 % от състава на земната кора се падат на 8 елемента: кислород, силиций, алуминий, желязо, калций, натрий, калий, магнезий. Десети части от процента се падат на водорода, титана, въглерода, хлора и фосфора.
Химичен състав на цялата Земя
Земната кора, заедно с атмосферата и хидросферата съставляват около 1% от общата маса на планетата. Масата на мантията представлява две трети от масата на Земята.
За химичния състав на Земята  дават сведения:
Геофизичните изследвания. 
Атомното тегло на ядрото е близко до това на желязото и е изградено от метали.  Затова съставът на ядрото включва главно желязо, по малко никел, а също въглеродсилиций и сяра. Мантията се състои главно от силикати и окиси на магнезия и желязото и по-малко на алуминия, калция, натрия, калия и др., като уран, торий.
Съдържание на химичните елементи в Космоса. За това се черпят сведения от: спектроскопското изследване на Слънцето и другите части на Вселената, пряко изследване на повърхността на Луната, теоритични изчисления върху ядрения синтез, анализа на химичния състав на метеоритите.
Състав на метеоритите. 
Те биват железни (желязо с примес от никел и по-малко други метали) и скални: хондрити (40% оливин, 30% пироксени, 10% плагиоклази) и ахондрити.
Средният химичен състав на Земята: желязо(67%), кислород (12%), силиций (7%), магнезий (2%), никел (6%), калций (1%), сяра(1%), алуминий(2%) и др. В литосферата преобладават силикатите, в мантията - силикати и окиси на магнезия и желязото с примеси на алуминий, калций, натрий, калий и радиоактивни елементи като уран торий, в ядрото - желязно-никелови сплави с примеси от сяра, магнезий и силициев двуокис.
 
Автор: проф. дгмн Цанко Цанков