13. Откуда мы знаем, что Земля круглая?

Это неочевидно. Не считая складок, таких как горы, Земля кажется плоской. Но это потому, что она слишком большая, и ее кривизна незаметна.

Имеются многочисленные доказательства кривизны. В море корабли исчезают за горизонтом, оставаясь значительными в размерах. На плоской Земле они должны были бы сначала обратиться в точки. И…

Во время лунного затмения, когда Земля проходит между Солнцем и Луной, тень Земли на Луне изогнута. И…

Если люди плывут или летят достаточно далеко в одну сторону, в конце концов они возвращаются в исходную точку. И…

Даже авиакомпании при совокупном определении расстояния между любыми четырьмя городами — от 1 до 2, от 2 до 3 и т. д. — учитывают округлость Земли. Было бы по-другому, если бы Земля была плоской. И…

…Есть множество фотографий Земли, снятых из космоса, в частности с Луны, которые показывают — наша планета действительно круглая!

В 240 г. до н. э. Эратосфен (директор Александрийской библиотеки) стал первым человеком, оценившим размер Земли.

Во время летнего солнцестояния вертикальный столб в Сиене (ныне Асуан) не имеет тени, так как Солнце находится в зените. Но столб в Александрии отбрасывает тень.

Оказывается, Солнце отклоняется на 7 градусов от вертикали в Александрии — это соответствует примерно 1/50 окружности. Расстояние от Сиены до Александрии известно. Так…

Эратосфен рассчитал, что длина окружности Земли равна примерно 39 000 км, и ошибся всего на 1000 км.

На самом деле Земля не является идеальным шаром. На экваторе скорость вращения Земли равна примерно 1700 километров в час Здесь «талия» планеты выпирает наружу.

Неравномерность расплавленных внутренних недр планеты приводит к вариации среднего уровня земной коры, создавая грушеобразную фигуру, называемую «геоидом».

 

14. Почему наши ноги приклеены к земле?

Одним словом: из-за гравитации! Гравитация является универсальной силой притяжения между всеми массами. Насколько мы знаем, все во Вселенной это чувствуют.

Существует сила притяжения между вами и теми, кто, случается, стоит рядом с вами, между вами и монетами в кармане.

Но гравитация — относительно слабая сила. Отведите руку в сторону, совокупное притяжение всего вещества Земли не может опустить ее вниз.

Сила тяжести, хотя и слабо, растет с массой. Для малых тел она незначительна, но заметна для больших тел — Земли, Солнца, галактики.

Кстати, гравитация является взаимной. Притяжение вас Землей = притяжению вами Земли. На Землю оказывается меньшее влияние, потому что она больше, и требуются большие усилия, чтобы заставить ее двигаться.

Тот, кто задавался вопросом, почему его тянет к большим женщинам, но больших женщин не тянет к нему, приводит глубокомысленные доводы о гравитации!

Притяжение Земли держит наши ноги прочно приклеенными к поверхности и удерживает Луну в ловушке на постоянной орбите вокруг Земли.

Из движения Луны Ньютон заключил, что сила гравитации ослабевает пропорционально квадрату расстояния от тяготеющего тела. Удвоение расстояния приводит к 4-кратному уменьшению силы, увеличение расстояния в 3 раза уменьшает силу тяготения в 9 раз.

Ньютон также доказал, что орбиты планет под влиянием гравитационного «закона обратных квадратов» являются эллипсами, что наблюдал Иоганн Кеплер.

На самом деле, Ньютон просто описал видимое проявление гравитации. Более точное описание создал Эйнштейн: общую теорию относительности (1915).

Согласно теории Эйнштейна, материя (энергия) сообщает пространству-времени, как ему «искривляться»; искривленное пространство-время (гравитация) сообщает материи о том, как ей двигаться.

Таким образом, Земля создает углубление в пространстве-времени, подобно вмятине от шара для боулинга на батуте. Другие массы, подобные вашей, падают в нее.

Ни Эйнштейн, ни Ньютон не разгадали, чем объясняется гравитация. Предполагается, что это обмен частицами (гравитонами), подобный обмену шариками между игроками в теннис.

Проблема заключается в том, что, несмотря на героические усилия, не создано описание гравитации в терминах гравитонов. Квантовая теория гравитации пока неясна.

 

15. Что делает Землю особенной?

Три причины: жизнь, жизнь, жизнь. Земля — единственная планета, которая может похвастаться биологией. Но она имеет также и другие особые свойства, возможно, относящиеся к жизни.

Из четырех скалистых планет Солнечной системы Земля — единственная, обладающая водой на поверхности, — это важно для происхождения и сохранения жизни.

Венера и Марс сразу после формирования, возможно, также имели воду. На Венере (она ближе к Солнцу) океаны испарились. Венера стала окончательно «оранжерейной» планетой.

Марс, будучи меньше Земли, быстрее потерял свое тепло. Также он рассеял большую часть своей атмосферы/водяного пара в пространство. Оставшаяся вода застыла.

Земля находится в обитаемой зоне — зоне «Златовласки», т. е. имеет оптимальное соотношение размера и расстояния до Солнца. Если планета ближе к Солнцу, на ней слишком жарко, как на Венере. Если намного меньше по размерам, на ней слишком холодно, как на Марсе.

Земля — единственная скалистая планета с большой Луной. Притяжение Луны выправляет Землю всякий раз, когда ее ось отклоняется, что сохраняет климат пригодным для жизни.

Радиоактивность сохраняет расплавленным ядро Земли. Медленные, заряженные потоки генерируют магнитное поле. Они защищают жизнь от смертельных частиц, идущих от Солнца/из космоса.

Наконец, Земля является единственной планетой в Солнечной системе с тектоникой плит (см. следующую страницу), которая предотвращает накопление CO2 в атмосфере.

Земля может быть гигантской «сложной саморегулирующейся системой» (гипотеза Геи) с биологией и геологией, совместно сохраняющими планету обитаемой.

 

16. Что такое тектоника плит?

В 1620 англичанин Фрэнсис Бэкон замечает, что береговые линии Африки и Южной Америки похожи на кусочки головоломки, подходящие друг другу.

В начале XX в. немец Альфред Вегенер задумался: может, континенты сначала были объединены, а затем разъединились?

Вегенер умирает в 1930 во время путешествия по Гренландии. К сожалению, он никогда не увидит триумфа своей весьма спорной идеи — «континентального дрейфа».

К концу XX в. основная идея Вегенера подтверждается и конкретизируется в современную полномасштабную теорию «тектоники плит».

Поверхность Земли (литосфера) плавает на расплавленной магме. Существуют 2 типа коры: океаническая — тонкая/плотная; континентальная — толстая/легкая, которая плавает выше.

Литосфера раздроблена на «тектонические плиты». Там, где две континентальные плиты сталкиваются, происходят смятие и подъем коры, что приводит к образованию горных цепей, подобных Гималаям.

Когда континентальная и океаническая плиты сталкиваются, океаническая опускается вниз, ныряя под континентальную и поднимая ее вверх. В результате образуются горы (Анды) и вулканы (вследствие трения).

Когда пластины расходятся на «срединно-океанических хребтах», лава поднимается и заполняет этот разлом, создавая новую кору. Океан распространяется. Когда-то Атлантика была лужей.

Примечательно, что сегодня в Африке мы можем наблюдать рождение нового океана. В Афаре (Эфиопия) 3 пластины отдаляются друг от друга. Образовавшийся разлом будет заполнен водой.

Согласно представлениям о тектонике плит, 250 млн лет назад Земля представляла единый «суперконтинент» (Пангея). Его раз лом породил сегодняшние континенты.

Движущей силой тектоники плит являются поднимающаяся горячая магма и опускающаяся внутрь Земли холодная магма по аналогии с нагреваемой в кастрюле водой.

Источником тепла является радиоактивность горных пород. Первоначально это расплавило Землю так, что плотное железо опустилось к ядру, а легкая порода (литосфера) всплыла на поверхность.

Никто не знает, что изначально разломало литосферу на плиты. Может быть, просто охлаждение и сжатие Земли или воздействия из космоса.

Жидкая вода имеет решающее значение в качестве смазки при движении плит. Венера, которая приблизительно одного размера с Землей, но не содержит воды, не имеет тектоники плит.

 

17. Почему Земля внутри расплавлена?

Это не так. По крайней мере, не в самом центре планеты. Земля имеет твердое внутреннее ядро и жидкое внешнее ядро. Оба состоят из железа и никеля.

В обычных условиях железо плавится при 1536 °C. Но температура плавления материала растет с увеличением давления. Во внутреннем ядре давление слишком велико для плавления железа.

Твердое внутреннее ядро имеет диаметр 2430 км — 70 % от размера Луны. Его температура 5430 °C, а давление ~350 гигапаскалей (3,5 млн атмосфер).

Расплавленное внешнее ядро — слой толщиной около 2250 км. Его температура колеблется в диапазоне от 4400 до 6100 °C. Вероятно, оно также содержит серу и кислород.

Токопроводящие потоки во внешнем ядре генерируют магнитное поле Земли. Если бы все ядро было твердым, Земля не имела бы магнитного поля.

Земля — «дифференцированное» тело: тяжелые элементы (железо, никель) опустились к центру из-за гравитации. Таким образом, Земля имеет «слоистую» внутреннюю структуру.

Так почему же внутри Земли так жарко? По двум причинам: из-за Реликтового тепла, высвободившегося при формировании планеты, и из-за тепла от распада радиоактивных элементов.

Земля образовалась при столкновении и слиянии протопланет. Было сгенерировано много тепла. Древняя Земля была полностью расплавлена, это создавало возможности для расслоения.

Радиоактивные элементы (уран, торий, калий) медленно распадаются на более легкие элементы. Это также производит тепло в ядре и мантии Земли.

Земля медленно остывает, отдавая внутреннее тепло холодно пространству. Но: большая планета содержит больше тепла (из обоих источников), чем маленькая.

Кроме того, большое тело имеет меньшую площадь поверхности, теряющую тепло, по отношению к объему. Поэтому оно остывает медленнее. По той же причине взрослые охлаждаются медленнее, чем дети.

Все проявления геологической активности (вулканы, землетрясения, возникновение гор) обусловлены теплом, распространяющимся из недр Земли к поверхности.

 

18. Откуда мы знаем возраст Земли?

Вопрос возраста Земли связан с возрастом Солнца, так как Солнце не может быть моложе (тогда Земля была бы замерзшей).

То, как долго Солнце светит, зависит от того, насколько много тепла оно отдало и каков источник его энергии. Самые ранние измерения были произведены в XIX в.

В XIX в., когда все работало на пару и угле, у физиков напрашивался вопрос: не является ли Солнце гигантской глыбой горящего угля?

Сколько времени могла бы глыба угля размером с Солнце — прародительница всех глыб угля — поддерживать тепловыделение Солнца до израсходования угля? Приблизительно 5000 лет.

5000 лет оказалось слишком мало даже для ирландского архиепископа Ашшера, который вывел из Библии, что Земля была создана в воскресенье 23 октября 4004 г. до н. э. — в 9:00.

Геология и биология говорят нам, что Земле по крайней мере сотни млн лет. Ведь необходимы долгие годы для формирования гор…

…и для того, чтобы все живое могло эволюционировать от одного общего предка. Физики тоже имеют свои весомые соображения относительно возраста Земли.

Радиоактивный уран в горных породах превращается в свинец с известной скоростью, так что соотношение между их количествами может быть использовано в качестве «часов». Возраст Земли составляет миллиарды лет.

В 1907 американский физик Бертрам Болтвуд из данных по радиоактивному распаду датировал горные породы из Шри-Ланки. Их возраст оказался колоссальным — 2,2 млрд лет.

Фактически самым древним породам, найденным на Земле, около 4 млрд лет. Но Земля, конечно, должна быть еще старше. Вопрос в том, сколько ей лет?

Самая точная оценка возраста Земли достигается радиоактивным датированием метеоритов, строительных обломков, оставшихся после рождения Солнечной системы: 4,55 млрд лет.

Итак, возраст Солнца и Земли составляет примерно треть от возраста Вселенной, которая возникла в результате Большого взрыва около 13,7 млрд лет назад.

Солнце горит в миллион раз дольше, чем могло бы, если бы было сделано из угля. Так что источник энергии должен быть в миллион раз мощнее той энергии, которую может обеспечить уголь.

Источник энергии в миллион раз мощнее угля существует: это ядерная энергия. Солнце осуществляет термоядерный «синтез» водорода с получением гелия. Побочным продуктом является солнечный свет.

 

19. Что защищает нас от опасностей космоса?

Космос — опасное место. Это чрезвычайно холодный вакуум, пронизываемый смертельной радиацией, смертоносными частицами, метеоритами и астероидами-убийцами.

Земля относительно защищена от этих космических опасностей. Мы защищены тонким слоем воздуха (наша атмосфера) и невидимым магнитным полем.

Заряженные частицы, такие как протоны (ядра водорода) и электроны, движутся в космическом пространстве со скоростями, близкими к световой. Высокая энергия делает их опасными.

Их создает Солнце (солнечный ветер/взрыв), сверхновые звезды, а также горячие «активные» галактики. Такие частицы известны как космические лучи.

Астронавты на Луне или в полете на Марс могут погибнуть от излучения гигантской солнечной вспышки или заболеть раком кожи от космических лучей.

Магнитное поле Земли отклоняет эти частицы, так что большинство из них не долетают до нас. Луна и Марс (слишком маленькое поле) — более опасные места.

Большая часть смертоносного излучения высокой энергии (УФ и рентгеновского излучения, в основном, от Солнца) поглощается молекулами воздуха. В противном случае, оно тоже могло бы вызывать рак.

Малые метеориты замедляются, нагреваются и испаряются в атмосфере. На Луне, где нет атмосферы, мелкие частицы могут про бить скафандр/лунную базу.

Таким образом, существует множество космических событий, которые могут угрожать жизни на Земле. Но большинство из них маловероятно в течение жизни человека.

По-настоящему гигантские солнечные вспышки могут вывести из строя электростанции и сломать энергосистемы и коммуникационные сети, в результате чего возникнет широкомасштабный хаос…

Или Земля может столкнуться с небольшим астероидом или кометой. Объект размером в 1 км может опустошить континент, а размером в 10 км может привести к глобальной катастрофе.

Но есть и хорошие новости — вызванные радиацией генетические мутации и космические воздействия управляли эволюцией. Без них нас бы здесь не было.

 

20. Что вызывает ледниковые периоды?

Никто не знает наверняка. Скорее всего, не одна причина. Длительная эволюция климата Земли изучена недостаточно хорошо.

Геологические свидетельства существования ледниковых периодов были впервые обнаружены в начале XIX в. Идея, что ледниковые периоды повторяются, была принята всерьез только в 1870-х.

Земля пережила, по крайней мере, пять основных ледниковых периодов за последние 2,5 млрд лет. Большинство продолжалось десятки или сотни млн лет.

Наиболее жестоким был период 850–630 млн лет назад, когда лед покрывал почти всю Землю. Этот период «Земля — снежный ком», вероятно, закончился благодаря массовой вулканической деятельности.

Текущий ледниковый период (плейстоцен) начался 2,58 млн лет назад. За последние 740 000 лет 8 ледниковых периодов были разделены межледниковыми периодами. Мы находимся в межледниковом периоде.

Ледниковые периоды сначала повторялись каждые 41 000 лет, затем каждые 100 000 лет. Текущий межледниковый период (голоцен) начался 10 000–20 000 лет назад.

Такие долгосрочные изменения температуры могут быть вызваны изменениями количества «парниковых газов» в атмосфере, которые способствуют нагреву планеты.

Другой возможной причиной является изменение положения материков из-за движения «плит», что может влиять на океанические течения и климат.

Во время 1-й Мировой войны сербский инженер-строитель Милутин Миланкович предположил, что медленные изменения орбит Земли могут быть причиной возникновения ледникового периода.

Действительно, наклон оси Земли меняется от 22,1 до 24,5 градусов за 41 000 лет; удлинение ее орбиты происходит каждые 100 000 и 400 000 лет.

Похоже, «циклы Миланковича» играют определенную роль в возникновении ледниковых и межледниковых периодов. Но механизм, с помощью которого они это делают, неясен.

Изменения орбиты Земли и ее ориентации слишком малы для того, чтобы вызвать основные ледниковые периоды, не говоря уже о катастрофе «Земля — снежный ком».