Вам, земляне
(Издание второе, переработанное) - Зигель Феликс Юрьевич - Страница 15

Были предложены и другие гипотезы, также противоречащие твердо установленным фактам. В конце концов утвердилась так называемая динамо-гипотеза, в которой наша планета сравнивается с гигантской динамо-машиной.

Напомним принцип действия обычной динамо-машины. В простейшем случае между полюсами подковообразного постоянного магнита вращается виток проволоки. При пересечении магнитных силовых линий в витке возбуждается электрический ток, который создает собственное магнитное поле.

Допустим, что в раскаленном жидком металлическом ядре Земли создаются условия, благоприятные для конвекции, т. е. перемешивания вещества. При достаточной разности температур между центром ядра и его периферией конвективные движения могут стать весьма интенсивными. Предположим далее, что Земля первоначально обладала каким-то слабым магнитным полем. Тогда конвекционные перемещения железных масс в жидком земном ядре приведут к тому, что в нем возбудятся электрические токи. По мнению автора динамо-гипотезы, известного советского физика Я. И. Френкеля, впервые предложившего это объяснение в 1947 г., во вращающемся земном ядре конвекционные токи приобретают характер замкнутых вихрей. Магнитное поле этих вихрей и создает, по мнению Я. И. Френкеля, как общее геомагнитное поле, так и отдельные наиболее крупные его аномалии.

Хотя динамо-гипотеза в настоящее время победила всех своих конкурентов и признается наиболее правдоподобной, она не свободна от недостатков. Неизвестно, например, откуда взялось первоначальное магнитное поле, нужное для возбуждения электротоков в ядре. Далеко не очевидно, что земное ядро обладает высокой электропроводностью и имеет железо-никелевый состав (некоторые исследователи полагают, что в земном ядре немало силикатов). Непонятно, чем поддерживается на протяжении многих сотен миллионов лет работа земной динамо-машины. Предполагают, что для этого используется энергия радиоактивного распада тяжелых элементов внутри Земли или энергия, выделяющаяся при гравитационной дифференциации вещества Земли, т. е. при перемещении тяжелых масс к ее центру с «выдавливанием» легких масс наружу. Все это, однако, лишь предположения, пока что мало обоснованные. Таким образом, тайна земного магнетизма остается пока неоткрытой.

Земная кора — объект непосредственных исследований. Она состоит из минералов и горных пород. Минералы — это природные химические соединения, обладающие определенными физическими и химическими свойствами. Что касается горных пород, то они представляют собой минеральные агрегаты, занимающие значительные объемы в земной коре.

Под земной корой находится астеносфера, сверху — воздушный океан нашей планеты — атмосфера. Напомним, что атмосфера — это смесь газов, называемая воздухом, в котором во взвешенном состоянии находятся мелкие жидкие и твердые частицы (аэрозоли). Основа воздуха — азот (около 78 %) и кислород (около 21 %). Примесь углекислого газа незначительна (0,03 %), более заметная доля (около 1 %) принадлежит аргону.

Такой состав имеют правда, нижние слои атмосферы. Выше 1000 км земная атмосфера состоит в основном из гелия, а выше 2000 км — из водорода.

Самый нижний, прилегающий к земной коре слой атмосферы называется тропосферой (рис. 20).

Рис. 20. Схема строения атмосферы. 1, 2 — облака разных типов; 3, 4 — полярные сияния.

Она содержит около 80 % всего воздуха и в ней совершаются все метеорологические процессы — образование облаков и туманов, выпадение дождя и снега, ветры и ураганы. Толщина тропосферы неодинакова. У полюсов Земли она равна 6–8 км, на экваторе 16–17 км. В тропосфере температура быстро падает с высотой (а в среднем 6 °C на километр). Так как в различных своих частях и на разных широтах тропосфера нагрета неодинаково, в ней постоянно происходит конвективное перемешивание воздуха — причина всех ветров и бурь.

Выше тропосферы (до высоты примерно 55 км) простирается стратосфера, включающая слой озона (на высоте 25–30 км).

Температура нижних слоев стратосферы минус 60–70 °C, но с высоты 25 км она начинает повышаться и у верхнего предела стратосферы достигает плюс 30 °C.

Еще выше находится мезосфера, где температура снова падает и где преобладает вертикальное движение воздуха. Область атмосферы выше 80 км называется ионосферой — в ней температура снова повышается до 1000 °C. Заметим, что эта температура характеризует среднюю кинетическую энергию молекул воздуха, но не ощущение человека, попавшего в ионосферу. Воздух здесь до высоты 1200 км так разрежен, что, несмотря на высокие скорости отдельных молекул, он не нагреет ни обычный термометр, ни нас.

Наконец, самое внешнее ажурное покрывало Земли состоит из протонов, поэтому называется протоносферой. Оно постепенно сходит на нет, как бы растворяясь в межпланетном пространстве.

Строго говоря, и протоносфера — не граница Земли. В околоземном пространстве к нашей планете непосредственно прилегает радиационный пояс, проходящий по магнитному экватору Земли. Он состоит из протонов и электронов, выброшенных Солнцем и захваченных магнитным полем нашей планеты. Эти частицы движутся вдоль силовых линий земного магнитного поля, как бы накручиваясь на них по сложным спиралеобразным траекториям. Радиационный пояс условно делят на три зоны. Внутренняя, отстоящая от поверхности Земли примерно на 4000 км, состоит из протонов большой энергии, средняя (от 12 000 до 20 000 км) — из протонов и электронов меньшей энергии. Наконец, на высоте 50–60 тыс. километров находится третья зона пояса радиации, состоящая из электронов малых энергий, которые образуют вокруг Земли кольцевой ток силой до 10 млн. ампер.

Сложность структуры космических окрестностей Земли обусловлена, собственно, единственной причиной — наличием магнитного поля. С помощью современных приборов оно прослеживается на расстояние до 15 радиусов Земли. Это «офизиченное» геомагнитным полем пространство, как уже говорилось, получило название магнитосферы.

Материальным продолжением Земли может считаться ее гравитационное поле. Формально говоря, оно простирается на всю Вселенную (как, впрочем, и гравитационное поле любого тела). Практически тяготение Земли приходится учитывать по крайней мере в нескольких десятках тысяч километров от Земли, когда космические аппараты отправляются в очередной полет.

Внешние части земной атмосферы не имеют (или почти не имеют) отношения к процессам, происходящим в земной коре. Зато конвективные движения воздуха в тропосфере играют прежде всего роль разрушителя твердой оболочки Земли. При скорости около 15–20 метров в секунду (м/с) ветер переносит песок и гравий. Продолжающийся тысячелетия, этот казалось бы ничтожный по масштабам, процесс «полирует» земную поверхность, действуя подобно наждачной бумаге. Сильные ветры (скорость порядка 30 м/с) переносят мелкие камни, а иногда вырывают из земли с корнями деревья. Что же касается ураганов и смерчей (скорость 60–80 м/с и больше), то они поднимают в воздух огромные массы пыли и способны вызвать катастрофические разрушения. Так, например, в 1969 г. над Доном и Кубанью пронеслась пылевая буря, «содравшая» на огромном пространстве плодородную черноземную почву.

Разрушая поверхностные слои земной коры, ветры и ураганы переносят, иногда на значительные расстояния (тысячи километров), продукты разрушения и откладывают их в новых районах на поверхности Земли. Это — созидательная работа ветра, в результате которой образуются так называемые эоловые отложения (Эол — древнегреческий бог ветра). Они состоят в основном из обломков кварца, полевого шпата, кальцита и других частиц, среди которых встречаются и представители биосферы (споры, пыльца растений и т. д.).