По современным космическим представлениям, Земля образовалась около 4,7 млрд лет назад из рассеянного в протосолнечной системе газопылевого вещества. В результате дифференциации вещества Земли, под действием гравитационного поля, в условиях разогрева земных недр возникли и развились различные по химическому составу, агрегатному состоянию и физическим свойствам оболочки – ГЕОСФЕРЫ: ЯДРО (в центре), МАНТИЯ, ЗЕМНАЯ КОРА, ГИДРОСФЕРА, АТМОСФЕРА, МАГНИТОСФЕРА.
ЛИТОСФЕРА – сфера «твердой» Земли, включающая земную кору и часть верхней мантии (субстрат).
В составе Земли преобладают железо (34,6 %), кислород (29,5 %), кремний (15,2 %), магний (12,7 %). Земная кора, мантия и внутренняя часть ядра твердые (внешняя часть ядра считается жидкой).
Большая часть поверхности Земли занята Мировым океаном (361,1 млн. кв. км – 70,8 %); суша составляет 149,1 млн кв. км (29,2 %) и образует шесть материков и островов. Она поднимается над уровнем Мирового океана в среднем на 875 м (наибольшая высота 8848 м – гора Джомолунгма); горы занимают свыше 1/3 поверхности суши. Пустыни покрывают около 20 % поверхности суши, саванны и редколесья – около 20 %, лес – около 30 %, ледники – свыше 10 %. Средняя глубина океана около 3800 м, наибольшая – 11 022 м (Марианский желоб в Тихом океане), объем воды 1370 млн куб. км, средняя соленость 35 г/л.
МАНТИЯ ЗЕМЛИ – оболочка «твердой» Земли, расположенная между земной корой и ядром Земли. Составляет 83 % объема Земли (без атмосферы) и 67 % ее массы. Верхняя граница проходит на глубине от 5-10 до 70 км по Мохоровичича поверхности, нижняя – на глубине 2900 км по границе с ядром Земли.
ЗЕМНАЯ КОРА – верхняя оболочка «твердой» Земли, нижняя граница которой – Махоровичича поверхность. Различают континентальную кору (толщина от 35–45 км под равнинами до 70 км в области гор) и океаническую (5-10 км).
ГИДРОСФЕРА – совокупность всех водных объектов Земного шара: океанов, морей, рек, озер, водохранилищ, болот, подземных вод, ледников и снежного покрова. Часто под гидросферой подразумевают только океаны и моря.
АТМОСФЕРА – воздушная среда вокруг Земли, вращающаяся вместе с нею. Состав ее у поверхности Земли: 78,1 % азота, 21 % кислорода, 0,9 % аргона, в незначительных долях процента углекислый газ, водород, гелий, неон и другие газы. В нижних 20 км содержится водяной пар, количество которого с высотой быстро убывает. На высоте 20–25 км расположен СЛОЙ ОЗОНА, который предохраняет живые организмы на Земле от вредного коротковолнового излучения. Выше 100 км растет доля легких газов, и на очень больших высотах преобладают ГЕЛИЙ и ВОДОРОД; часть молекул разлагается на атомы и ионы, образуя ИОНОСФЕРУ. Давление и плотность воздуха в атмосфере Земли с высотой убывают. В ЗАВИСИМОСТИ от РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ АТМОСФЕРУ ЗЕМЛИ ПОДРАЗДЕЛЯЮТ на ТРОПОСФЕРУ, СТРАТОСФЕРУ, МЕЗОСФЕРУ, ТЕРМОСФЕРУ, ЭКЗОСФЕРУ. Атмосфера Земли обладает электрическим полем. Неравномерность ее нагревания способствует общей циркуляции атмосферы, которая влияет на погоду и климат Земли.
ИОНОСФЕРА – верхний слой атмосферы, начиная от 50–60 км, характеризующийся значительным содержанием АТМОСФЕРНЫХ ИОНОВ и СВОБОДНЫХ ЭЛЕКТРОНОВ. Верхняя граница ионосферы – внешняя часть магнитосферы Земли. Причина повышенной ионизации воздуха в ионосфере – разложение молекул атмосферных газов под действием ультрафиолетовой и рентгеновской солнечной радиации и космического излучения. Ионизация – это превращение атомов и молекул в электрически заряженные частицы, образующиеся в результате потери или присоединения одного или нескольких электронов.
ОЗОН – O3, аллотропная модификация кислорода. Газ синего цвета с резким запахом, сильный окислитель. При больших концентрациях разлагается со взрывом. Образуется из кислорода при электрическом разряде (например, во время грозы) и под действием ультрафиолетового излучения (например, в стратосфере под действием УФ излучения Солнца). Основная масса озона в атмосфере расположена в виде слоя – ОЗОНОСФЕРЫ – на высоте 20–25 км, которая предохраняет все живое на Земле от вредного влияния коротковолновой УФ радиации Солнца. В промышленности озон получают действием на воздух электрического разряда. Его используют для обеззараживания воды и воздуха.
МАГНИТОСФЕРА Земли, область околопланетного пространства, физические свойства которой определяются магнитным полем планеты и его взаимодействием с потоками заряженных частиц космического происхождения (с солнечным ветром). Магнитосфера Земли с дневной стороны простирается до 8-14 R (R – земной радиус), с ночной – вытянута, образуя так называемый магнитный хвост Земли в несколько сотен R. В магнитосфере находятся РАДИАЦИОННЫЕ ПОЯСА – внутренние области магнитосферы Земли, в которых собственное магнитное поле планеты удерживает заряженные частицы (протоны, электроны), обладающие большой кинетической энергией (энергия, зависящая от скорости движения частицы). В радиационных поясах частицы под действием магнитного поля движутся по сложным траекториям из Северного полушария в Южное и обратно. У Земли обычно выделяют внутренний и внешний радиационные пояса. Внутренний радиационный пояс Земли имеет максимальную плотность частиц (преимущественно, протонов) над экватором на высоте 2–4 тыс. км, внешний электронный радиационный пояс – на высоте около 22 тыс. км. Радиационные пояса – источник радиационной опасности при космических полетах. Мощными радиационными полями обладают Юпитер и Сатурн.
Следовательно, МАГНИТОСФЕРА и АТМОСФЕРА (ИОНОСФЕРА и ОЗОНОСФЕРА) НАХОДЯТСЯ в ПОСТОЯННОМ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ с первичным космическим потоком частиц и квантов электромагнитного излучения и ВЫПОЛНЯЮТ БИОЛОГИЧЕСКУЮ ФУНКЦИЮ – ЗАЩИТУ ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ на Земле. При этом особенно ценным и благотворным для жизни биосистем является то, что СУЩЕСТВУЕТ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ЗЕМЛИ, как ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКТОР СТАБИЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ ПРИРОДЫ. По данным В. Петрова, геомагнитное поле Земли надежно защищает человека от воздействия солнечного и галактического излучения; действие радиации благодаря этому «протектору» Земли снижается в 300–400 раз.
Уровень диамагнетизма живой системы зависит от содержания в ней элементов и веществ, обладающих парамагнетизмом. Магнетизм – неотъемлемое свойство биосистем. Носителем его является, прежде всего, железо, которое, например, входит в состав молекул эритроцитов крови животных и людей. Поэтому их организмы весьма чувствительны к малейшим изменениям магнитного поля Земли. Однако во время возмущений геомагнитного поля, когда меняется структура магнитосферы и радиационных поясов, интенсивность космического излучения может значительно меняться. Большие изменения интенсивности космических лучей возникают во время солнечной активности. В первую очередь это относится к солнечным вспышкам, но они кратковременны. Ученые предполагают, что колебания энергопродукции Солнца хотя и имеют место, но они не выходят за пределы многовековых средних показателей; аналогично, и средние колебания в атмосфере, гидросфере и биосфере Земли».
Приложение 4 Типы фундаментальных взаимодействий между микрочастицами
Так как не существует однозначного метода сравнения интенсивностей различных взаимодействий, то в литературе встречаются разные сравнительные оценки. В связи с этим А.В. Астахов и Ю.М. Широков (1983 г.) так писали об этом: «Все они характеризуют одну и туже качественную картину сильного превосходства по интенсивности сильных взаимодействий над электромагнитными, электромагнитных над слабыми и, наконец, слабых взаимодействий над гравитационными.
…На очень глубоком уровне у первых трех типов взаимодействий обнаруживается сходство. В связи с этим в физике элементарных частиц существует направление, целью которого является объединение сильного, электромагнитного и слабого взаимодействий в единую теорию – теорию великого объединения.
…В сильных взаимодействиях участвуют многие частицы. Силы, связывающие нуклоны (общее название протона и нейтрона, являющихся составными частями атомных ядер) в атомном ядре, – это лишь одно из многих проявлений сильных взаимодействий, в которые вступают также пионы, каоны, гиперионы и некоторые другие частицы. Эти взаимодействия вызывают интенсивное рождение новых частиц при столкновениях частиц с высокими энергиями. Все частицы, подверженные сильным взаимодействиям, называются адронами (крепкий, сильный). К адронам относится подавляющее большинство всех известных микрочастиц. Ограниченность сильных взаимодействий обусловлена тремя причинами. Во-первых, сильным взаимодействиям подвержены не все частицы. Например, в эти взаимодействия не вступают фотон и электрон. Во-вторых, они короткодействующие: если расстояние между частицами становится больше, чем 10-13 см, то сильное взаимодействие частиц прекращается. Поэтому сильные взаимодействия не способны создавать структуры микроскопических размеров. В-третьих, из всех типов фундаментальных взаимодействий сильные взаимодействия обладают самой высокой симметрией, что выражается в подчинении процессов, вызываемых этими взаимодействиями, сравнительно большему числу законов сохранения. Независимо от содержания, всякий закон сохранения является ограничением на процесс, в котором этот закон выполняется. Электромагнитные взаимодействия осуществляются через электромагнитное поле. Несмотря на то, что эти взаимодействия слабее сильных, из-за дальнодействия электромагнитные силы во многих случаях оказываются главными. Например, эти силы вызывают разлет осколков, которые образуются при делении атомных ядер. Однако самую широкую область явлений электромагнитного происхождения составляют процессы, протекающие в структурах с пространственными масштабами от 10-12 до 10-7 см (на меньших расстояниях более важны сильные взаимодействия, а на больших – существуют еще и силы гравитационные). Это собственно электрические и магнитные явления, а также все оптические, тепловые, механические (не связанные с гравитацией) и химические явления.
