Представление о земном шаре. О мире вокруг нас: какую форму имеет Земля? География много чем может быть благодарна древним грекам

Наша планета является одной из 9, которые вращаются вокруг Солнца. Еще в глубокой древности появились первые представления о том, каковы форма и размеры Земли.

Как менялись представления о форме Земли?

Античные мыслители (Аристотель - 3 в. до н. э., Пифагор - 5 в. до н. э. и др.) еще много веков назад высказывали мысль о том, что наша планета имеет шарообразную форму. Аристотель (на фото ниже), в частности, учил вслед за Евдоксом, что являющаяся центром Вселенной Земля шарообразна. Доказательство этого он видел в характере, который имеют лунные затмения. При них отбрасываемая нашей планетой на Луну тень имеет округлую форму по краям, что возможно лишь при условии шарообразности.

Проведенные в последующие столетия астрономические и геодезические исследования дали нам возможность судить, каковы в действительности форма и размеры Земли. Сегодня о том, что она круглая, знают от мала до велика. А ведь были времена в истории, когда считалось, что планета Земля плоская. Сегодня благодаря прогрессу науки мы уже не сомневаемся в том, что она именно круглая, а не плоская. Неоспоримое доказательство этого - космические фотоснимки. Шарообразность нашей планеты приводит к тому, что земная поверхность нагревается неравномерно.

А ведь на самом деле форма Земли не совсем такая, как мы привыкли думать. Этот факт известен ученым, и он используется в настоящее время для решения задач в области спутниковой навигации, геодезии, космонавтики, астрофизики и других смежных науках. Впервые мысль о том, какова в действительности форма Земли, высказал Ньютон на рубеже 17-18-го вв. Он теоретически обосновал предположение о том, что наша планета под воздействием на нее силы тяжести должна быть сжата в направлении оси вращения. А это значит, что форма Земли представляет собой либо сфероид, либо эллипсоид вращения. От угловой скорости вращения зависит степень сжатия. То есть чем тело вращается быстрее, тем оно сплющивается больше у полюсов. Этот ученый исходил из принципа всемирного тяготения, а также из предположения однородной жидкой массы. Он допускал, что Земля является сжатым эллипсоидом, и определял, в зависимости от скорости вращения, размеры сжатия. Через некоторое время Маклорен доказал, что если наша планета является сжатым у полюсов эллипсоидом, то равновесие покрывающих Землю океанов действительно обеспечено.

Можно ли считать, что Земля круглая?

Если планета Земля будет рассматриваться издалека, она будет казаться практически идеально круглой. Наблюдатель, которому большая точность измерений не важна, может вполне считать ее таковой. Средний радиус Земли в этом случае составляет 6371,3 км. Но если мы, приняв за идеальный шар форму нашей планеты, станем делать точные измерения различных координат точек на поверхности, у нас ничего не получится. Дело в том, что наша планета - это не идеально круглый шар.

Различные способы описания формы Земли

Форма планеты Земля может быть описана двумя основными, а также несколькими производными способами. Она может быть принята в большинстве случаев либо за геоид, либо за эллипсоид. Интересно, что математически легко описывается второй вариант, а вот первый принципиально никак не описывается, поскольку для определения точной формы геоида (а следовательно, и Земли) осуществляются практические измерения гравитации в различных точках поверхности нашей планеты.

Эллипсоид вращения

Все понятно с эллипсоидом вращения: фигура эта напоминает шар, который снизу и сверху приплюснут. То, что форма Земли - эллипсоид, вполне объяснимо: центробежные силы возникают из-за вращения нашей планеты на экваторе, тогда как их нет на полюсах. В результате вращения, а также центробежных сил Земля "располнела": диаметр планеты по экватору больше примерно на 50 км, чем полярный.

Особенности фигуры под названием "геоид"

Крайне сложная фигура - геоид. Она существует лишь теоретически, однако на практике ее нельзя ни пощупать, ни увидеть. Можно представить себе геоид в виде поверхности, сила земного притяжения в каждой точке которой направлена строго вертикально. Если бы наша планета была правильным шаром, заполненным равномерно каким-либо веществом, то отвес в любой ее точке смотрел бы в центр шара. Но ситуация осложняется тем, что неоднородной является плотность нашей планеты. В одних местах имеются тяжелые горные породы, в других пустоты, горы и впадины разбросаны по всей поверхности, так же неравномерно распределены равнины и моря. Все это меняет в каждой конкретной точке гравитационный потенциал. В том, что форма земного шара - геоид, виноват также эфирный ветер, который обдувает нашу планету с севера.

Кто изучал геоиды?

Отметим, что само понятие "геоид" было введено Иоганном Листингом (на фото ниже), физиком и математиком, в 1873 году.

Под ним, означающим в переводе с греческого "вид Земли", подразумевалась фигура, образованная поверхностью Мирового океана, а также морей, сообщающихся с ним, при среднем уровне воды, отсутствии возмущений от приливов, течений, а также разностей атмосферного давления и т. п. Когда говорят о том, что над уровнем моря такая-то высота, это означает высоту от поверхности геоида в этой точке земного шара, несмотря на то что в этом месте нет никакого моря, а оно находится за несколько тысяч километров от него.

Неоднократно уточнялось впоследствии понятие геоида. Так, советский ученый М. С. Молоденский создал свою теорию определения гравитационного поля и фигуры Земли по измерениям, выполненным на ее поверхности. Для этого он разработал особый прибор, измеряющий силу тяжести - пружинный гравиметр. Именно он предложил также использование квазигеоида, который определяется по значениям, принимаемым потенциалом силы тяжести на поверхности Земли.

Подробнее о геоиде

Если гравитацию измерить в 100 км от гор, то отвес (то есть грузик на нитке) станет отклоняться в их сторону. Такое отклонение от вертикали нашему глазу незаметно, однако легко обнаруживается приборами. Подобная картина наблюдается везде: отклонения отвеса где-то больше, где-то они меньше. А мы помним о том, что всегда перпендикулярной отвесу является поверхность геоида. Отсюда становится ясно, что геоид - весьма сложная фигура. Для того чтобы лучшее его представить, можно сделать следующее: вылепить шар из глины, после чего с двух сторон его сжать для образования приплюснутости, затем сделать пальцами на получившемся эллипсоиде бугры и вмятины. Такой сплюснутый помятый шарик будет довольно реалистично показывать форму нашей планеты.

Для чего нужно знать точную форму Земли?

Для чего же нужно знать так точно ее форму? Чем не удовлетворяет ученых шарообразная форма Земли? Следует ли усложнять картину геоидом и эллипсоидом вращения? Да, насущная необходимость в этом есть: близкие к геоиду фигуры помогают создавать координатные сетки, являющиеся наиболее точными. Ни астрономические исследования, ни геодезические изыскания, ни различные системы спутниковой навигации (ГЛОНАСС, GPS) не могут существовать и проводиться без определения довольно точной формы нашей планеты.

Различные системы координат

В мире в настоящее время действует несколько трехмерных и двухмерных систем координат с мировым значением, а также несколько десятков локальных. Своя форма Земли принята в каждой из них. Это приводит к тому, что координаты, которые были определены разными системами, несколько отличаются. Интересно, что, для того чтобы вычислить их у точек, находящихся на территории одной страны, удобнее всего будет принять форму Земли за референц-эллипсоид. Это установлено сейчас даже на высшем законодательном уровне.

Эллипсоид Красовского

Если говорить о странах СНГ или России, то на территории этих государств форма нашей планеты описывается так называемым эллипсоидом Красовского. Он был определен еще в 1940 году. Отечественные (ПЗ-90, СК-63, СК-42) и зарубежные (Afgooye, Hanoi 1972) системы координат были созданы на основании этой фигуры. Они и по сей день используются в практических и научных целях. Интересно, что ГЛОНАСС опирается на систему ПЗ-90, которая превосходит по своей точности принятую как основа в GPS аналогичную систему WGS84.

Заключение

Подводя итог, скажем еще раз, что форма нашей планеты отличается от шара. Земля приближается по своей форме к эллипсоиду вращения. Как мы уже отметили, вовсе не праздным является этот вопрос. Точное определение того, какую Земля имеет форму, дает мощный инструмент ученым для вычисления координат небесных и земных тел. А это очень важно для космической и морской навигации, при проведении строительных, геодезических работ, а также во многих других областях человеческой деятельности.

Представления древних о Земле опирались прежде всего на мифологические представления.
Некоторые народы считали, что Земля плоская и держится на трех китах, которые плавают и безбрежном всемирном океане. Следовательно, эти киты и были в их глазах основной основ, подножием всего мира.
Увеличение географических сведений связано прежде всего с путешествиями и мореплаванием, а также с развитием простейших астрономических наблюдений.

Древние греки представляли себе Землю плоской. Такого мнения придерживался, например, древнегреческий философ Фалес Милетский, живший в VI веке до н.э.Землю он считал плоским диском, окруженным недоступным человеку морем, из которого каждый вечер выходят и в которое каждое утро садятся звезды. Из восточного моря в золотой колеснице поднимался каждое утро бог Солнца Гелиос (отождествленный позднее с Аполлоном) и совершал свой путь по небу.

Мир в представлении древних египтян: внизу — Земля, над ней — богиня неба; слева и справа — корабль бога Солнца, показывающий путь Солнца по небу от восхода до заката.

Древние индийцы представляли Землю в виде полусферы, которую держат четыре слона. Слоны стоят на огромной черепахе, а черепаха на змее, которая, свернувшись кольцом, замыкает околоземное пространство.

Жители Вавилона представляли Землю в виде горы, на западном склоне которой находится Вавилония. Они знали, что к югу от Вавилона раскинулось море, а на востоке расположены горы, через которые не решались переходить. Поэтому им и казалось, что Вавилония расположена на западном склоне «мировой» горы. Гора эта окружена морем, а на море, как опрокинутая чаша, опирается твердое небо — небесный мир, где, как и на Земле, есть суша, вода и воздух. Небесная суша — это пояс 12 созвездий Зодиака: Овен, Телец, Близнецы, Рак, Лев, Дева, Весы, Скорпион, Стрелец, Козерог, Водолей, Рыбы. В каждом из созвездий Солнце ежегодно бывает приблизительно в течение месяца. По этому поясу суши движутся Солнце, Луна и пять планет. Под Землей находится бездна — ад, куда спускаются души умерших. Ночью Солнце проходит через это подземелье от западного края Земли к восточному, чтобы утром опять начать свой дневной путь по небу. Наблюдая заход Солнца за морской горизонт, люди думали, что оно уходит в море и восходит также из моря. Таким образом, в основе представлений древних вавилонян о Земле лежали наблюдения за явлениями природы, однако ограниченность знаний не позволяла правильно их объяснить.

Земля по представлению древних вавилонян.

Знаменитый древнегреческий ученый Аристотель (IV в. до н. э.) первым использовал для доказательства шарообразности Земли наблюдения за лунными затмениями. Вот три факта:

1. тень от Земли, падающая на полную Луну, всегда круглая. Во время затмений Земля бывает повернута к Луне разными сторонами. Но только шар всегда отбрасывает круглую тень.
2. Корабли, удаляясь в море от наблюдателя, не постепенно теряются из виду за счёт далёкого расстояния, а почти мгновенно как бы "тонут", исчезая за линией горизонта.
3. некоторые звёзды можно увидеть только из определённых частей Земли, а для других наблюдателей они не видны никогда.

Вселенная по представлению Птолемея: планеты вращаются в пустом пространстве.

Наконец, выдающийся астроном древнего мира Аристарх Самосский (конец IV — первая половина III в. до н. э.) высказал мысль о том, что не Солнце вместе с планетами движется вокруг Земли, а Земля и все планеты вращаются вокруг Солнца. Однако в его распоряжении было очень мало доказательств.
И прошло еще около 1700 лет, прежде чем это удалось доказать польскому ученому Копернику.

Представляли себе Землю, есть множество ответов, так как воззрения наших далеких предков кардинально отличались в зависимости от того, в каком регионе планеты они проживали. Например, согласно одной из первых космологических моделей, она покоится на трех китах, плавающих в безбрежном Океане. Очевидно, что такие представления о мире не могли возникнуть у жителей пустыни, никогда не видевших море. Территориальную привязку можно увидеть и в воззрениях древних индийцев. Они считали, что Земля стоит на слонах и представляет собой полусферу. Они, в свою очередь, располагаются на а та — на змее, свернувшейся кольцом и замыкающей околоземное пространство.

Представления египтян

Жизнь и благополучие представители этой древнейшей и одной из самых интересных и самобытных цивилизаций полностью зависела от Нила. Поэтому неудивительно, что именно он был в центре их космологии.

На земле протекала реальная река Нил, под землей — подземная, принадлежавшая царству мертвых, а на небе — представляющая собой небосвод. Бог солнца Ра проводил все время, путешествуя на лодке. Днем он проплывал по небесному Нилу, а ночью — по ее подземному продолжению, протекающему по царству мертвых.

Как древние греки представляли себе Землю

Представители эллинской цивилизации оставили величайшее культурное наследие. Его частью является древнегреческая космология. Она нашла свое отражение в поэмах Гомера - «Одиссее» и «Илиаде». В них Земля описывается как выпуклый диск, напоминающий щит воина. В его центре находится суша, омываемая со всех сторон Океаном. Над Землей раскинулся медный небосвод. По нему движется Солнце, которое ежедневно восходит из глубин Океана на востоке и, совершая свой путь по огромной дугообразной траектории, погружается в пучину вод на западе.

Позже (в 6 в. до н. э.) древнегреческий философ Фалес описал Вселенную в виде жидкой бескрайней массы. Внутри нее находится большой пузырь в форме полушария. Его верхняя поверхность вогнутая и представляет собой небесный свод, а на нижней, плоской, наподобие пробки, плавает Земля.

В Древнем Вавилоне

Собственные, своеобразные представления о мире были и у древних жителей Месопотамии. В частности, сохранились клинописные свидетельства из древней Вавилонии, которым примерно 6 тысяч лет. Согласно этим «документам», они представляли Землю в виде огромной Мировой Горы. На ее западном склоне находилась сама Вавилония, а на восточном — все неизвестные им страны. Мировая Гора была окружена морем, над которым в виде опрокинутой чаши располагался твердый небесный свод. Он также состоял из воды, воздуха и суши. Последняя представляла собой пояс из созвездий Зодиака. В каждом из них Солнце ежегодно находилось около 1 месяца. Оно передвигалось по этому поясу вместе с Луной и 5 планетами.

Под Землей располагалась бездна, где находили приют души умерших. По ночам Солнце проходило через подземелье.

У древних иудеев

По представлениям евреев Земля была равниной, на разных частях которой возвышались горы. Будучи земледельцами, они отводили особое место ветрам, приносящим с собой то засуху, то дождям. Их хранилище находилось в нижнем ярусе неба и являлось преградой между Землей и небесными водами: дождем, снегом и градом. Под Землей находились воды, от которых наверх шли каналы, которые питали моря и реки.

Эти представления постоянно эволюционировали, и в Талмуде уже указано, что Земля имеет круглую форму. При этом ее нижняя часть погружена в море. В то же время некоторые мудрецы полагали, что Земля плоская, а небосвод представляет собой покрывающий ее твердый непрозрачный колпак. Днем под ним проходит Солнце, которое ночью совершает движение над небосводом и поэтому скрыто от людских глаз.

Представления древних китайцев о Земле

Судя по археологическим находкам, прообразом космоса представители этой цивилизации считали панцирь черепахи. Его щитки делили плоскость Земли на квадраты — страны.

Позже представления китайских мудрецов изменились. В одном из древнейших текстовых документов считается, что Земля прикрыта небом, представляющим собой зонт, вращающийся в горизонтальном направлении. Со временем астрономические наблюдения внесли в эту модель корректировки. В частности, стали считать, что космос, окружающий Землю, является сферичным.

Как представляли себе Землю древние индейцы

В основном до нас дошли сведения о космологических идеях древних жителей Центральной Америки, так как у них была собственная письменность. В частности, индейцы майя, как и их ближайшие соседи, думали, что Вселенная состоит из трех уровней — небо, подземный мир и земля. Последняя представлялась им плоскостью, плавающей на поверхности воды. В некоторых более древних источниках Земля была гигантским крокодилом, на спине которого располагались горы, равнины, леса и пр.

Что касается неба, то оно состояло из 13 уровней, на которых располагались звезды-боги, и главнейший из них - Итцамна, даровавший жизнь всему сущему.

Низший мир также состоял из уровней. На самом нижнем (9-м) находились владения божества Смерти Ах Пуча, которого изображали в виде скелета человека. Небо, Земля (плоская) и Низший мир делились на 4 сектора, совпадающих с частями света. Кроме того, майя верили, что до них боги не один раз разрушали и создавали Вселенную.

Формирование первых научных взглядов

То, как древние люди представляли себе Землю, со временем изменялось, в первую очередь благодаря путешествиям. В частности, древние греки, добившиеся больших успехов в мореплавании, вскоре стали пытаться создать систему космологии, основанную на наблюдениях.

Например, от того, как древние люди представляли себе Землю, кардинально отличалась гипотеза Пифагора Самосского, который уже в 6 веке до н. э. предположил, что она имеет шарообразную форму.

Однако доказать его гипотезу удалось лишь значительно позже. В то же время есть основания считать, что эта идея была заимствована Пифагором у египетских жрецов, которые использовали ее для объяснения природных явлений за много веков до того, как у греков стала формироваться классическая философия.

Через 200 лет Аристотель использовал для доказательства шарообразности нашей планеты наблюдения за лунными затмениями. Его работу продолжил живший во втором веке нашей эры Клавдий Птолемей, создавший геоцентрическую систему мироздания.

Теперь вы знаете, как древние люди представляли себе Землю. За прошедшие тысячелетия знания человечества о нашей планете и космосе значительно изменились. Однако всегда интересно узнать о воззрениях наших далеких предков.

В начале 21 века наука все еще не обладает стройной бесспорной теорией, которая объясняла бы происхождение и развитие Земли.Более того, до середины прошлого столетия, не было реальных предпосылок для создания такой теории (вместо нее в двадцатом веке появился ряд гипотез, не имевших достаточного фактического основания и противоречащих друг другу). Во второй половине двадцатого века геологическая наука сделала большой шаг вперед. Тем не менее, единой всеобъемлющей теории до сих пор не создано.

Рис.1.3. Планета Земля

Возраст Земли и других тел Солнечной системы наиболее надёжно оценивается по количеству изотопов свинца, образовавшихся в исследуемых породах в результате радиоактивного распада урана 238 U и тория 232 Th. Скорость радиоактивного распада не может быть изменена никакими физическими воздействиями, поэтому количество накопившихся изотопов свинца характеризует время, прошедшее с момента изоляции образца до момента исследования.

Планеты Солнечной системы, по современным представлениям, возникли из вещества в конденсированной фазе (пылинок или метеоров). Планеты, следовательно, моложе некоторых метеоритов. В связи с этим возраст Солнечной системы оценивается обычно в 4,7 млрд. лет, а возраст древнейших пород земной коры – 4,5 млрд. лет.

Первую оценку возраста Земли сделал один из создателей учения о радиоактивности, получивший за научные заслуги титул лорда Нельсона, английский физик Э. Резерфорд (1871-1937) в 1905г. Он получил число 500 миллионов лет, что намного меньше современного представления о возрасте Земли.

Много сведений о прошлом Земли дают метеориты. Содержащиеся в каменных метеоритах уран и торий при распаде образуют изотопы радиогенного свинца (свинца, образованного в результате распада). Из отношения радиогенного свинца к первичному установлен возраст метеоритов, а, следовательно, и Земли, равный 4,6 млрд. лет. Наиболее крупным космическим телом, упавшим на Землю за последнее тысячелетие, является Тунгусский метеорит, точнее, ядро небольшой кометы. Его масса могла достигать миллиарда тонн.

Это произошло 30 июня 1908г. В Центральной Сибири, в бассейне реки Подкаменной Тунгуски. Многочисленные жители селений в среднем течении Ангары, пассажиры Транссибирской железной дороги наблюдали, как в 7 часов утра по небу прокатился ослепительно яркий шар размером с Солнце и затем раздался взрыв. Взрыв сопровождался оглушительным ударом, световой вспышкой и землетрясением, которое зарегистрировали многие сейсмические станции мира.

Важным фактором в понимании места нашей планеты в Солнечной системе является её химический состав. Различные тела Солнечной системы образованы, в основном, тремя группами химических элементов. Первую группу составляют водород и гелий. Эти элементы составляют около 90% массы Солнца. Кроме того, из этих же элементов преимущественно состоят планеты-гиганты Юпитер и Сатурн. Приблизительно 1,5% общей массы планет составляют углерод, азот и кислород. Они образуют вторую группу элементов. Третью группу химических элементов (около 0,25%) составляют магний, железо и кремний.

Как указывалось выше, по строению и химическому составу планеты Солнечной системы делятся на планеты земной группы (Меркурий, Венера, Земля, Марс), планеты-гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун) и Плутон, который по многим признакам стоит в этом ряду планет несколько обособленно. Планеты земной группы иногда называют внутренними, остальные – внешними. Все планеты имеют фигуры, близкие к шару. Планету Земля часто считают двойной, так как её естественный спутник Луна по своим размерам и строению немногим отличается от других планет земной группы.

Земля и Луна обращаются вокруг общего центра тяжести (барицентра) системы «Земля-Луна». Земля описывает орбиту, которая является зеркальным отображением орбиты Луны, но её размеры в 81 раз меньше лунной орбиты. Барицентр располагается внутри Земли, причём не в какой-то одной фиксированной точке, а движется с месячным периодом, оказываясь то в Южном, то в Северном полушарии.

Деление планет на две группы можно объяснить различием температурных условий на разных расстояниях от Солнца. Ближе к Солнцу, там, где его лучи прогревали тела и частицы, последние состояли только из нелетучих каменистых частиц. На более далёких расстояниях в условиях низких температур тела и частицы содержали не только каменистые вещества, но также и льды летучих веществ (воды и разнообразных сложных молекул, состоящих в основном из водорода, углерода, кислорода и азота). Так возникло зональное различие в составе и обилии твёрдого вещества, обусловленное способностью химических элементов объединяться в различные химические соединения и способностью этих соединений конденсироваться в твёрдые частички при тех или иных температурах. После объединения промежуточных тел в планеты эти зональные различия превратились в различия в массе и составе других групп планет. Важную роль в возникновении этих различий сыграло также то обстоятельство, что планеты-гиганты смогли вобрать в себя не только твёрдые тела, но и те наиболее летучие газы – водород и гелий, которые даже в холодной, далёкой от Солнца зоне протопланетного облака не могли конденсироваться.

Гравитационной энергии, выделившейся при образовании Земли, хватило бы для расплавления нашей планеты, если бы вся эта энергия пошла на разогрев Земли. Однако при постепенном росте Земли из холодных тел теплота выделялась при их ударах о поверхность и в основном излучалась в пространство. Поэтому недра Земли к концу её образования были нагреты, вероятно, лишь до 1000-1500°К, т.е. имели температуру, меньшую температуры плавления горных пород. В дальнейшем недра Земли разогрелись в результате накопления теплоты, выделяющейся при распаде радиоактивных элементов, которые присутствуют в небольших количествах во всех горных породах.

Разогрев недр Земли привёл к тому, что на глубинах в сотни километров произошло частичное расплавление вещества. Более легкоплавкие вещества являются, как правило, и более лёгкими, поэтому они всплывали (выдавливались) на поверхность, постепенно слагая наружный слой земного шара – земную кору. Земная кора отличается и по составу и по плотности от подстилающего её вещества мантии Земли. Плотность коры составляет 2,7-2,8г/см 3 , а плотность верхней мантии – 3,3-3,5г/см 3 .

Процесс химического расслоения земных недр происходит и сейчас. Лёгкие расплавы в виде магмы поднимаются из мантии в кору. Они частично застревают и застывают внутри земной коры, а частично прорывают кору и в виде лавы изливаются наружу при извержении вулканов.

С разогреванием Земли тесно связано происхождение атмосферы и гидросферы. Нагревание является лучшим способом изгнать из твёрдого тела содержащиеся в нём газы. Поэтому разогревание Земли сопровождалось выделением газов и водяных паров, содержащихся в небольшом количестве в земных каменных веществах. Прорвавшись на поверхность, водяные пары конденсировались в воды морей и океанов, а газы образовали атмосферу, состав которой первоначально существенно отличался от современного. Нынешний слой земной атмосферы обусловлен существованием на поверхности Земли растительной и животной жизни.

Биосфера Земли простирается до высоты примерно 10 000м. Бактерии и споры, лишённые хлорофилла, а также птицы, были замечены на высоте 8000м. Отдельные виды пауков были обнаружены на Эвересте на высоте 7000м. Океан также входит в биосферу. Под материками жизнь проникает до глубины 1-2км. Некоторые виды зелёных растений встречаются на высоте свыше 6000м на Эвересте, морские водоросли растут до глубины 300м ниже уровня моря. Более того, эти границы определяются главным образом наличием питательных веществ в органическом материале растительного происхождения. Согласно Вернадскому, биосфера – это область, где вода может существовать в жидком состоянии и возможны различные фазовые переходы (состояния: жидкое – твёрдое, твёрдое – газообразное, газообразное – жидкое), где лучистая энергия (за исключением коротковолнового излучения, губительного для жизни) поглощается не вполне прозрачным материалом. Последнее очень важно, поскольку зелёные растения играют роль посредника в процессе преобразования лучистой энергии Солнца в химическую энергию различных молекул.

Земля среди больших планет Солнечной системы занимает пятое место по размерам и массе и третье (это было установлено Коперником только в 16 веке) – по расстоянию от Солнца. Среди планет земной группы она является самой крупной. Масса Земли составляет 1/447 массы больших планет и 1/332958 массы Солнца. Естественный спутник Земли Луна имеет массу, равную 1/81,3022 массы Земли. Отношение массы Луны к массе Земли наибольшее среди всех планет и их спутников в Солнечной системе, именно поэтому динамическую систему Земля-Луна и рассматривают как двойную планету.

С глубокой древности человечество интересовали форма и размеры Земли. Наиболее древние картографические изображения Земли созданы в Египте и Вавилонии в 3-1 тысячелетии до н. э. В 7 веке до н. э. в Месопотамии карты изготавливались на глиняных табличках. Чисто умозрительные представления об окружающем мире содержатся в источниках, оставленных народами Древнего Востока. Однако в этот период представления о Земле в основном определялись мифами и легендами.

В 6-1вв. до н. э. наибольших успехов в изучении Земли достигли учёные Древней Греции, стремившиеся дать представление о Земле в целом. Первую попытку создать карту всей Земли осуществил греческий философ Анаксимандр (около 610-547гг. до н.э.) из Милета, по мнению которого Земля представляет собой цилиндр, окружённый небесной сферой. Вокруг морского бассейна располагается суша, в свою очередь опоясанная водным кольцом. Одной из первых географических работ было «Землеописание» Гекатея (около 546-480гг. до н.э.) из Милета, которое сопровождалось географической картой. На карте кроме Европы и Азии были показаны известные древним грекам Средиземное, Чёрное, Азовское, Каспийское и Красное моря. Греческий мореплаватель Пифей (4 в. до н.э.) из Массалии достиг берегов Северной и Западной Европы, открыв Британские и Ирландские острова. В своём сочинении «Periplus» он дал понятие грекам об этих странах. Ему же принадлежит верное наблюдение о связи приливов и отливов в океане с движениями Луны.

На смену представлениям о плоской Земле пришло признание шарообразности Земли, доказательствами которого являются:

· всегда кругообразный вид горизонта в океане и на открытых равнинах;

· округлая форма края земной тени на диске Луны во время лунных затмений;

· понижение горизонта - постепенное появление и исчезновение судов при их приближении и удалении от берега;

· изменение высоты Полярной звезды при перемене широты места наблюдения;

· разное время восхода и захода Солнца и звёзд на разных меридианах;

· удаление горизонта при подъёме вверх.

Идея шарообразности Земли возникла ещё у древних греков и индийцев, но потом оставалась в забвении более тысячи лет до времён Колумба (1451-1506) и кругосветных путешествий 16 века. Мысль о шарообразности Земли высказал ещё выдающийся древнегреческий математик, астроном и философ Пифагор (около 571-497гг. до н.э.). В учении пифагорейцев утверждалось, что шар является наиболее совершенной геометрической фигурой и Земля имеет шарообразную форму. Они также утверждали, что шарообразная Земля вращается около некоторого центра, вызывая видимое суточное движение звёзд, и обращается вокруг Солнца в течение года. По существу пифагорейская школа учёных выдвинула идею гелиоцентрической системы мира, научно обоснованную Коперником только через две тысячи лет.

В индийском сказании «Сборник правил поведения», относящемуся к 20-15вв. до н.э., имеется указание на суточное вращение Земли. В нём написано, что нет восхода и заката Солнца и Луны, а существует только перемещение наблюдателя вместе с Землёй от ночи ко дню и снова до ночи.

Великий математик и философ древности Аристотель (384-322гг. до н.э.) в своём сочинении «О небе» указывал, что Земля не только шарообразна по форме, но и имеет конечные размеры и не особенно велика по сравнению с другими небесными телами. Доказательства Аристотеля сводились к следующему: при лунных затмениях Земля всегда отбрасывает на Луну круглую тень, а Полярная звезда в северных районах располагается выше над горизонтом, чем в южных. Оценив разницу в кажущемся положении Полярной звезды в Греции и в Египте, Аристотель вычислил длину экватора, которая, однако, оказалась примерно вдвое больше реальной. Несколько позднее Архимед (287-212гг. до н.э.) доказывал, что поверхность воды в океанах в спокойном состоянии является шаровой поверхностью. Он же ввёл понятие сфероида как фигуры, близкой по форме к шару.

Размеры земного шара были впервые оценены около 240г. до н.э. египетским астрономом Эратосфеном (287-196гг. до н.э.) на основе простого опыта – по разности высоты Солнца в городах Сиена и Александрия, лежащих на одной полуденной линии, и расстоянию между ними. Измерения выполнялись во время летнего солнцестояния. Радиус Земли по Эратосфену равен 6311км. Геометрические принципы, которыми пользовался Эратосфен, легли в основу градусных измерений Земли. Можно сказать, что учёные в древности не только правильно представляли форму Земли, но и довольно точно знали её размеры.

Во 2в. до н.э. древнегреческими учёными были введены понятия географической широты и долготы, разработаны первые картографические проекции, на которых показывалась сетка параллелей и меридианов, предложены методы определения взаимного положения точек на земной поверхности.

В первые десятилетия 1 века утвердилась идея о шарообразности Земли. Уровень знаний об окружающем мире этого периода характеризует выдающийся труд римского писателя и учёного Плиния Старшего (23-79) «Естественная история» (Historial naturalis) в 37 книгах, содержащая сведения по географии, ботанике, минералогии, а также истории и искусству. Заметим, что счёт лет «от рождества Христова» или «от нашей эры» условно введен римским монахом Дионисием Малым в 525г. н.э. Дионисий объявил, что Христос родился 532 года назад и назвал 1284г. «от основания Рима» 532 годом «от рождества Христова». Поэтому следующие годы стали нумеровать как 533, 534 и т.д. Постепенно этот счёт годов вошёл во всеобщее употребление и продолжается до сих пор. В астрономии за начало счёта принимается не начало первого года нашей эры, а начало первого года до нашей эры, которое обозначается нулём. От нуля вперёд идёт счёт положительных, а назад отрицательных годов.

Великие географические открытия окончательно прояснили вопрос о шарообразности Земли, прямым доказательством которой послужило кругосветное путешествие Ф. Магеллана (1480-1521) в начале 16 века. Плавания Х. Колумба, Васко да Гамы (1469-1524), А. Веспуччи (1451-1512) и других мореплавателей в Мировом океане, путешествия русских землепроходцев в Северной Азии позволили установить контуры материков, а также описать большую часть земной поверхности, животный и растительный мир Земли.

Открытие великим И. Ньютоном (1643-1727) во второй половине 17 века закона всемирного тяготения привело к возникновению идеи о том, что Земля представляет собой не идеальный шар, а сплюснутый у полюсов сфероид. Ньютон, исходя из открытого им закона, так излагал новое учение о фигуре Земли (или вообще вращающейся вокруг оси планетарной массы) в поле сил всемирного тяготения: «если бы у планеты было устранено суточное вращение, то вследствие одинакового отовсюду тяготения частей её она должна бы принять форму шара; вследствие же вращения части близ экватора стремятся удалиться от оси; следовательно, если бы вещество было жидким, то оно своим подъёмом увеличило бы диаметр по экватору и своим опусканием уменьшило бы ось у полюсов».

Исходя из предположений о внутреннем строении Земли и основываясь на законе всемирного тяготения, И. Ньютон и нидерландский учёный Х. Гюйгенс (1629-1695) дали теоретическую оценку сжатия земного сфероида и получили столь разные результаты, что возникли сомнения в справедливости гипотезы о земном сфероиде. Чтобы рассеять их, Парижская Академия наук в первой половине 18 века направила экспедиции в приполярные области Земли – в Перу и Лапландию, где были выполнены градусные измерения, подтвердившие правильность гипотезы о сфероидичности Земли и закона всемирного тяготения.

Рис.1.4. Грушевидность Земли

Прошли века со времени публикации в 1687г. величайшего в истории науки труда «Математические начала натуральной философии» Ньютона. Королевское Общество так оценило этот труд: «… можно с уверенностью утверждать, что так много ценных физических истин, которые здесь им открыты и положили конец спорам, никогда ещё не были плодом Способностей и Трудолюбия одного Человека».

По форме Земля представляет сплюснутый сфероид (неправильная сфера, несколько сжатая с полюсов). Расстояние от Южного до Северного полюса равно 12 713,505км, в то время как диаметр Земли на экваторе равен 12 756,274км, что на 42,769км больше. Если быть ещё точнее, то Земля имеет грушевидную форму, что доказало открытие третьего члена J 3 = -2,538×10 -6 в разложении потенциала. Южное полушарие более сплюснуто, чем северное. Разность сжатий двух полушарий обусловливает разность северного полярного и южного полярного радиусов. Приближённая оценка этой величины может быть выполнена по формуле . При а = 6378137м северный полярный радиус на 32м длиннее южного (рис.1.4).

Экватор Земли также имеет небольшую эллиптичность: разность его осей по данным табл.2 составляет 138,7м. Максимальная длина окружности Земли по экватору равна 40 075,02км, по меридиану - 40 007,86км.

Вопрос о трёхосности нашей планеты впервые был поставлен почётным академиком Российской Академии наук военным геодезистом Ф.Ф. Шубертом (1789-1865). В 1859г. им были опубликованы первые размеры трёхосного земного эллипсоида: большая и малая оси экватора – 6 378 556м и 6 377 837м, полярная ось Земли – 6 356 719м, сжатия земного экватора наибольшего (+41°04¢ от Гринвича) и наименьшего меридианов соответственно 1:8870, 1:292 и 1:302. Идея Шуберта о трёхосности Земли имела большое научное значение для дальнейшей разработки вопроса, как о математической фигуре Земли, так и о методах её изучения.

Большая ось трёхосного эллипсоида является одной из главных осей инерции, относительно которой экваториальный момент инерции Земли А 0 имеет наименьшее значение. Относительно малой экваториальной оси этого эллипсоида Земля обладает наибольшим экваториальным моментом инерции В 0 . Очевидно, что полярная ось земного эллипсоида совпадает с осью вращения Земли, относительно которой Земля обладает наибольшим моментом инерции С 0 .

Вычисленные по данным внешнего гравитационного поля Земли модели GEM-10C параметры трёхосного эллипсоида имеют следующие значения: полярный радиус – 6 356 749,4м; минимальный экваториальный радиус – 6 378 112,4м, максимальный экваториальный радиус – 6 378 161,6м, средний экваториальный радиус – 6 378 137,09м. Долгота меридиана большой оси экватора трёхосного эллипсоида для современной эпохи равна 14,9°з.д.

Площадь поверхности Земли равна 510 065 600км 2 , масса – 597 332 758 800×10 16 г, средняя плотность – 5,515г/см 3 , объём Земли равен 108 320 884 5000км 3 . Гидросфера Земли занимает 70,98% поверхности (362 033 000км 2), средняя глубина гидросферы равна 3 554м. Вес всей воды составляет примерно 1,32×10 18 тонн или 0,022% от общего веса Земли. Объём океанов планеты оценивается в 1 349,9 млн. км 3 , а объём пресной воды – 35 млн. км 3 .

По исследованиям военного геодезиста профессора М.М. Машимова имеет место перманентное уменьшение объёма, массы и моментов инерции Земли, обусловленное гравитационной дифференциацией вещества (уплотнение мантии и ядра за счёт всплытия лёгкого материала в верхние оболочки Земли) и диссипацией вещества. Числовые значения годовых изменений параметров Земли, вычисленные путём обработки наблюдательного материала за последние 25-30 лет, представлены в табл. 2.

Таблица 2

Основные параметры Земли и их годовые изменения отражают свойства планетарного геоида, представляющего главную отсчётную поверхность, и горизонтальные неоднородности в астеносфере. Физические процессы, протекающие неодновременно и с разной интенсивностью, формируют аномалии высот и пространственно-временные их изменения. Там, где эти процессы проходят интенсивно, геоид заметно изменяется. Геоид и его изменения во времени, проявляющие аномальное строение верхней мантии и физические процессы, протекающие в ней с различной интенсивностью, представляют один из главных предметов современной геодезии. Стандартной фигурой, с которой сравнивается планетарный геоид, является общеземной эллипсоид. Большая полуось его соответствует среднему значению экваториального радиуса геоида, а полярное сжатие принимается равным среднему значению полярного сжатия геоида.