Как работает Земля

[Carder]

Земля, вид с Луны. Смотрите больше изображений луны.

В «Автостопом по Галактике» Артуру Денту сложно понять, что флот строителей вогонов уничтожил Землю. Он не может это обработать - оно слишком велико. Артур пытается сузить круг вопросов, но мысли об Англии, Нью-Йорке, фильмах Богарта и долларе не вызывают никакой реакции. Только когда он задумывается об исчезновении гамбургеров McDonald's, он, наконец, оседает.

Решив написать о том, как устроена Земля, мы почувствовали себя немного похожими на Артура Дента. Несмотря на то, что она крошечная по сравнению с остальной Вселенной, Земля огромна и чрезвычайно сложна.

Но вместо того, чтобы все вместе идти за гамбургером, мы решили применить другой подход. Вместо того, чтобы исследовать каждую из частей Земли, мы посмотрим, что все это связывает воедино. Практически все на Земле происходит из-за присутствия солнца. В следующем разделе вы получите общее представление о том, насколько Солнце жизненно важно для жизни на Земле и о разнообразных ролях, которые оно играет.

Мощность и свет​

Земля и Луна крошечные по сравнению с Солнцем, но тень Луны может полностью закрыть Солнце во время затмения.

По сравнению с остальной вселенной Земля очень мала. Наша планета и восемь (а может, девять) других вращаются вокруг Солнца, которое является лишь одной из примерно 200 миллиардов звезд в нашей галактике. Наша галактика, Млечный Путь, является частью Вселенной, в которую входят миллионы других галактик, их звезд и планет. Для сравнения: Земля микроскопическая.

С другой стороны, по сравнению с человеком Земля огромна. Его диаметр на экваторе составляет 7 926 миль (12 756 километров), а масса - около 6 x 10 24 килограммов. Земля вращается вокруг Солнца со скоростью около 66 638 миль в час (29,79 километров в секунду). Однако не зацикливайтесь на этих цифрах слишком долго; для многих людей Земля невероятно, ошеломляюще велика. И это всего лишь часть размера солнца.

Солнце.

С нашей точки зрения на Землю Солнце выглядит очень маленьким. Это потому, что это примерно в 93 миллионах миль от нас. Диаметр Солнца на его экваторе примерно в 100 раз больше диаметра Земли, и около миллиона Земель могут поместиться внутри Солнца. Солнце невероятно, ошеломляюще больше.

Но без Солнца Земля существовать не могла. В некотором смысле Земля - это гигантская машина, полная движущихся частей и сложных систем. Всем этим системам нужна энергия, и эта энергия исходит от солнца.

Солнце - это огромный ядерный источник энергии: в результате сложных реакций оно превращает водород в гелий, выделяя свет и тепло. Из-за этих реакций каждый квадратный метр поверхности нашей планеты ежегодно получает около 342 Вт энергии от Солнца. Это примерно 1,7 x 10 17 Вт в сумме, или 1,7 миллиарда крупных электростанций, которые могут вырабатывать. Вы можете узнать о том, как солнце создает энергию, в статье «Как работает солнце».

Когда эта энергия достигает Земли, она обеспечивает энергию для множества реакций, циклов и систем. Он стимулирует циркуляцию атмосферы и океанов. Из него получают пищу для растений, которую едят многие люди и животные. Жизнь на Земле не могла бы существовать без Солнца, и сама планета не могла бы развиваться без него.

Для стороннего наблюдателя наиболее заметные вклады солнца в жизнь - это свет, жара и погода. Теперь мы посмотрим, как солнце приводит в действие каждую из них.

Мир сфер
Люди обычно думают о Земле как о «голубом шарике» или сфере, хотя на самом деле она больше похожа на тыкву. Но ученые классифицируют Землю на несколько сфер:

• Атмосфера: воздух, которым мы дышим
• Биосфера или экосфера: жизнь на земле
• Геосфера: слои самой планеты
• Гидросфера: вся вода, включая океаны, реки и озера.
• Криосфера: лед на полюсах
• Антросфера: люди, живущие на Земле

Ночь и день​

Наклон Земли создает времена года. Подписи на этом изображении относятся к северному полушарию.

Некоторые из самых сильных воздействий солнца на нашу планету также наиболее очевидны. Когда Земля вращается вокруг своей оси, части планеты находятся на солнце, а другие - в тени. Другими словами, кажется, что солнце встает и заходит. Части мира, освещенные днем, становятся теплее, а темные части постепенно теряют тепло, которое они поглощали в течение дня.

Вы можете понять, насколько солнце влияет на температуру Земли, стоя на улице в частично облачный день. Когда солнце скрывается за облаком, вы чувствуете себя заметно прохладнее, чем когда его нет. Поверхность нашей планеты поглощает это тепло от солнца и излучает его так же, как тротуар продолжает излучать тепло летом после захода солнца. Наша атмосфера делает то же самое - она поглощает тепло, излучаемое землей, и отправляет часть его обратно на Землю.

Отношения Земли с Солнцем также создают времена года. Ось Земли немного наклоняется - около 23,5 градусов. Одно полушарие указывает на солнце, а другое - от него. Полушарие, обращенное к солнцу, теплее и получает больше света - там лето, а в другом полушарии зима. Этот эффект менее драматичен вблизи экватора, чем на полюсах, поскольку на экватор в течение всего года поступает примерно одинаковое количество солнечного света. С другой стороны, шесты вообще не получают солнечного света в зимние месяцы, что является одной из причин, по которым они замерзают.

Большинство людей настолько привыкли к различиям между днем и ночью (или летом и зимой), что принимают их как должное. Но эти изменения света и температуры оказывают огромное влияние на другие системы нашей планеты. Один из них - это циркуляция воздуха в нашей атмосфере. Например:

1. Солнце ярко светит над экватором. Воздух становится очень теплым, потому что экватор обращен прямо к солнцу и потому что озоновый слой там тоньше.
2. По мере того, как воздух нагревается, он начинает подниматься, создавая систему низкого давления. Чем выше он поднимается, тем сильнее охлаждается воздух. Вода конденсируется по мере охлаждения воздуха, образуя облака и осадки. Воздух высыхает, когда идет дождь. В результате получается теплый сухой воздух, находящийся относительно высоко в нашей атмосфере.
3. Из-за более низкого давления воздуха воздух устремляется к экватору с севера и юга. По мере того, как он нагревается, он поднимается, отталкивая сухой воздух на север и юг.
4. Сухой воздух опускается по мере охлаждения, создавая области с высоким давлением и пустыни к северу и югу от экватора.

Это лишь часть того, как солнце циркулирует воздух по всему миру - океанские течения, погодные условия и другие факторы также играют роль. Но в целом воздух перемещается из областей с высоким давлением в области с низким давлением, почти так же, как воздух с высоким давлением вырывается из горловины надутого шара, когда вы отпускаете его. Тепло также обычно перемещается от более теплого экватора к более холодным полюсам. Представьте себе теплый напиток, стоящий на вашем столе - воздух вокруг него становится теплее по мере того, как напиток становится холоднее. Это происходит на Земле в огромных масштабах.

Эффект Кориолиса, продукт вращения Земли, также влияет на эту систему. Он вызывает вращение крупных погодных систем, таких как ураганы. Он помогает создавать идущие на запад пассаты около экватора и струйные течения, идущие на восток в северном и южном полушариях. Эти ветры перемещают влагу и воздух из одного места в другое, создавая погодные условия. (Эффект Кориолиса работает в больших масштабах - он не влияет на воду, стекающую из раковины, как думают некоторые.)

Солнцу приписывают большую роль в создании ветра и дождя. Когда солнце нагревает воздух в определенном месте, этот воздух поднимается вверх, создавая зону с низким давлением. Больше воздуха устремляется из окружающих областей, чтобы заполнить пустоту, создавая ветер. Без солнца не было бы ветра. Также может быть совсем не пригодный для дыхания воздух. Далее мы рассмотрим причины этого.

Солнце и Луна
Солнце тоже связано с луной. Свет, который мы видим, когда луна светит ночью, на самом деле является отраженным светом от солнца. Относительное положение солнца и луны также создает солнечные и лунные затмения. Из-за этого может показаться, что Луна - ничто без Солнца, но она выполняет некоторые важные функции для Земли. Луна регулирует орбиту Земли и вызывает океанские приливы.

Сахар и углерод​

Атмосфера Земли в основном состоит из азота. Кислород составляет всего 21 процент воздуха, которым мы дышим. Углекислый газ, аргон, озон, водяной пар и другие газы составляют крошечную его часть, всего 1 процент. Эти газы, вероятно, возникли в результате нескольких процессов, когда Земля развивалась и росла как планета.

Но некоторые ученые считают, что атмосфера Земли никогда бы не содержала необходимый нам кислород без растений. Растения (и некоторые бактерии) выделяют кислород во время фотосинтеза - процесса, который они используют для превращения воды и углекислого газа в сахар, который они могут использовать в пищу.

Фотосинтез - сложная реакция. Во многом это похоже на то, как ваше тело расщепляет пищу на топливо, которое оно может хранить. По сути, используя энергию солнца, растение может преобразовывать углекислый газ и воду в глюкозу и кислород. В химическом отношении:
6CO 2 + 12H 2 O + Свет -> C 6 H 12 O 6 + 6O 2 + 6H 2 O

Другими словами, пока мы вдыхаем кислород и выдыхаем углекислый газ, растения вдыхают углекислый газ и выдыхают кислород. Некоторые ученые считают, что в нашей атмосфере не было кислорода до того, как растения эволюционировали и начали его выделять.

Без солнца, питающего растения (и растений, выделяющих кислород), у нас не было бы пригодного для дыхания воздуха. Без растений, которыми нас кормят, и животных, которых большинство людей использует в пищу, нам также нечего было бы есть.

Очевидно, что растения важны, но не только потому, что они дают нам пищу для еды и кислород для дыхания. Растения помогают контролировать количество углекислого газа, парникового газа, в атмосфере. Они защищают почву от ветра и стока воды, помогая контролировать эрозию. Кроме того, они выделяют воду в воздух во время фотосинтеза. Эта вода вместе с остальной водой на планете участвует в огромном круговороте, которым управляет Солнце. Мы рассмотрим этот цикл дальше.

Углеродный цикл
Углерод является основой жизни - его содержат все органические формы жизни. На Земле углеродный цикл проходит через атмосферу и саму планету. Этот цикл состоит из двух компонентов. Геологический компонент включает в себя углеродсодержащие соединения размывает из земли, промывки в море, поступающая мантию слой Земли , и будучи вытеснено через вулканы. Биологический компонент включает в себя растения , так и животные вдох и выдох. Поскольку углерод является парниковым газом, его присутствие влияет на то, насколько теплой или прохладной будет планета. NASA Earth Observatory имеет полное объяснение углеродного цикла.

Вода и огонь​

Основы круговорота воды.

Солнце имеет огромное влияние на нашу воду. Он согревает океаны вокруг тропиков, а его отсутствие охлаждает воду вокруг полюсов. Из-за этого океанские течения перемещают большие объемы теплой и холодной воды, резко влияя на погоду и климат во всем мире. Солнце также управляет круговоротом воды, который ежегодно перемещает около 18 757 кубических миль (495 000 кубических километров) водяного пара через атмосферу.

Если вы когда-либо выходили из бассейна в жаркий день и через несколько минут понимали, что снова высохли, вы не понаслышке знакомы с испарением. Если вы видели, как вода образуется на стороне холодного напитка, вы видели конденсат в действии. Это основные компоненты круговорота воды, также называемого гидрологическим круговоротом, который обменивает влагу между водоемами и сушей. Круговорот воды отвечает за облака и дождь, а также за наш запас питьевой воды.

Вот что происходит:

1. Солнце сияет на поверхности океанов и озер, захватывая молекулы воды. Чем сильнее солнце возбуждает молекулы, тем быстрее они движутся или испаряются.
2. Молекулы поднимаются через атмосферу в виде водяного пара. Растения добавляют к этому водяному пару через транспирацию, побочный продукт фотосинтеза, который также зависит от солнца. В некоторых местах вода сублимируется или превращается непосредственно из льда в пар.
3. Весь этот водяной пар поднимается в атмосферу. Чем выше он поднимается, тем круче становится. Молекулы воды замедляются и слипаются или конденсируются по мере остывания. Это образует облака. В зависимости от того, насколько они высоки и толсты, облака могут либо согревать, либо охлаждать поверхность планеты под ними.
4. Капли продолжают объединяться в облаках. Когда они становятся достаточно большими и тяжелыми, они выпадают в виде осадков. (Загрязнение облаков может уменьшить количество осадков, требуя, чтобы капли были больше и тяжелее, прежде чем они смогут упасть.)
5. Осадки выпадают в виде дождя, снега, мокрого снега или града, в зависимости от температуры и других условий. По суше он падает на землю, в реки и озера. Часть воды просачивается в почву, питая растения и присоединяясь к грунтовым водам. Большая его часть впадает в реки и озера, которые со временем впадают в океан.

Без солнца, запускающего процесс испарения, круговорот воды не существовал бы. У нас не было бы облаков, дождя или погоды. Вода на планете будет застояться. Он также был бы твердым, поскольку без солнца, которое могло бы его согреть, Земля была бы полностью заморожена.

Солнце управляет процессами, которые контролируют наш климат и состав атмосферы. Без него на нашей планете не было бы кислорода или жидкой воды. У нас не было бы погоды и времен года. Но у огромного источника энергии солнца есть и недостатки. Далее мы рассмотрим некоторые явления, которые защищают Землю от солнечной энергии.

Атмосфера Земли
Некоторые люди представляют атмосферу Земли как воздушное одеяло, которое становится все тоньше и холоднее, чем выше вы поднимаетесь. Хотя атмосфера имеет тенденцию становиться тоньше, она состоит из отдельных регионов, а некоторые внешние слои намного горячее, чем поверхность нашей планеты. У НАСА есть отличное описание слоев атмосферы со ссылками на изображения каждого из них.

Жара и ветер​

У массивного источника энергии Солнца есть два основных недостатка - ультрафиолет и солнечный ветер. Ультрафиолет может вызвать рак, катаракту и другие проблемы со здоровьем. Солнечный ветер, поток заряженных или ионизированных частиц, истекающих от Солнца, может разрушить нашу атмосферу. К счастью, у Земли есть естественная защита от обоих. Наш озоновый слой защищает нас от ультрафиолетового (УФ) света, а наше магнитное поле защищает нас от солнечного ветра.

Стратосферы, слой атмосферы непосредственно над той , в которой мы живем, содержит тонкий слой озона (O3). Этот слой не существовал бы без солнца. Озон состоит из трех атомов кислорода. Это не очень стабильная молекула, но для ее создания требуется много энергии. Когда ультрафиолетовый свет попадает на молекулу кислорода (O2), он расщепляет ее на два атома кислорода (O). Когда один из этих атомов вступает в контакт с молекулой кислорода, они объединяются, образуя озон. Процесс также работает в обратном направлении: когда ультрафиолетовый свет попадает в озон, он расщепляет его на молекулу кислорода и атом кислорода.

Молекула кислорода + свет = два атома кислорода. Атом кислорода + молекула кислорода = молекула озона.

Этот процесс называется озоно-кислородным циклом, и он преобразует ультрафиолетовый свет в тепло, не позволяя ему достичь поверхности Земли. Без Солнца на Земле не было бы озонового слоя, но без Солнца Земле он также не понадобился бы.

Но в то время как Солнце создает озоновый слой, Земля сама создает свою защиту от солнечного ветра. Без магнитного поля Земли ионизированные частицы солнечного ветра могли бы разрушить атмосферу планеты. Это магнитное поле исходит из глубины ядра Земли. Взаимодействие между внутренним и внешним сердечником создает магнитное поле.

Слои Земли включают внутреннее ядро, внешнее ядро, мантию и кору.

Внутреннее ядро планеты сделано из твердого железа. Внутреннее ядро окружает расплавленное внешнее ядро. Эти два слоя находятся очень глубоко внутри Земли и отделены от ее коры толстой мантией . Мантия твердая, но податливая, как пластик, и является источником магмы, исходящей от вулканов.

Внутреннее ядро Земли вращается так же, как Земля вращается вокруг своей оси. Внешнее ядро также вращается, и оно вращается с другой скоростью, чем внутреннее ядро. Это создает эффект динамо или конвекции и токи внутри сердечника. Это то, что создает магнитное поле Земли - это как гигантский электромагнит. Когда солнечный ветер достигает Земли, он сталкивается с магнитным полем или магнитосферой, а не с атмосферой.

SOHO - ЭТО ПРОЕКТ МЕЖДУНАРОДНОГО СОТРУДНИЧЕСТВА МЕЖДУ ESA И NASA.

На самом деле полюса периодически меняются местами - примерно 400 раз за последние 330 миллионов лет. Поле ослабевает, пока происходит сдвиг. Но компьютерное моделирование предсказывает, что Солнце может прийти на помощь, взаимодействуя с атмосферой, чтобы дополнить магнитное поле, пока происходит сдвиг.
Физический состав Земли порождает ее магнитное поле. Эта композиция является продуктом сотворения Земли, что было бы невозможно без Солнца.

Откуда нам знать?
Как и в случае с эволюцией, теория большого взрыва вызвала некоторые споры. Вот несколько причин, по которым ученые считают это верным:

• Вся материя во Вселенной удаляется от всего остального с очень большой скоростью. Ученые доказали это путем измерения звезд: Хаббл красное смещение, или как световые волны растянуться, как они устремляются прочь от нас.
• Ученые могут обнаруживать и измерять низкоуровневое излучение, называемое космическим микроволновым фоном (CMB) или первичным фоновым излучением. Похоже, это последствие Большого взрыва. Новый анализ реликтового излучения предполагает, что Вселенная превратилась из микроскопической точки в огромную систему за доли секунды.

Чтобы узнать больше о Большом взрыве, ознакомьтесь с этой информацией от НАСА, Мичиганского университета и Калифорнийского университета в Беркли.

Планеты и звезды​

Солнечная туманность.

Самая известная научная теория происхождения Земли включает вращающееся облако пыли, называемое солнечной туманностью. Эта туманность - продукт Большого взрыва. Философы, религиоведы и ученые имеют множество представлений о происхождении Вселенной, но наиболее широко распространенной научной теорией является теория большого взрыва. Согласно этой теории, Вселенная возникла в результате огромного взрыва.

До Большого взрыва вся материя и энергия во Вселенной находились в сингулярности. Сингулярность - это точка с чрезвычайно высокой температурой и бесконечной плотностью. Это также то, что находится в центре черной дыры. Эта сингулярность плавала в полном вакууме, пока не взорвалась, выбрасывая газ и энергию во всех направлениях. Представьте себе бомбу, взрывающуюся внутри яйца - материя движется во всех направлениях с большой скоростью.

Когда газ от взрыва охлаждается, различные физические силы заставляют частицы слипаться. По мере того, как они продолжали остывать, они замедлялись и становились более организованными, в конечном итоге превращаясь в звезд. Этот процесс занял около миллиарда лет.

Около пяти миллиардов лет назад часть этого газа и материи стала нашим Солнцем. Сначала это было горячее вращающееся облако газа, в которое также входили более тяжелые элементы. Когда облако вращалось, оно собиралось в диск, называемый солнечной туманностью. Наша планета и другие, вероятно, сформировались внутри этого диска. Центр облака продолжал конденсироваться, в конце концов воспламенившись и превратившись в солнце.

Нет никаких конкретных доказательств того, как именно Земля образовалась внутри этой туманности. У ученых есть две основные теории. Оба связаны с аккрецией или слипанием молекул и частиц. У них та же основная идея - около 4,6 миллиарда лет назад Земля сформировалась в виде частиц, собранных в гигантском газовом диске, вращающемся вокруг того, что станет нашим Солнцем. Как только Солнце загорелось, оно унесло все лишние частицы, оставив Солнечную систему такой, какой мы ее знаем. Наша луна также образовалась в солнечной туманности - прочтите "Откуда луна взялась?" что бы узнать больше.

Сначала Земля была очень горячей и вулканической. По мере охлаждения планеты образовалась твердая кора, а столкновения с астероидами и другим мусором привели к образованию множества кратеров. По мере того как планета продолжала остывать, вода заполняла бассейны, образовавшиеся на поверхности, создавая океаны.

В результате землетрясений, извержений вулканов и других факторов поверхность Земли в конечном итоге приобрела ту форму, которую мы знаем сегодня. Его масса обеспечивает гравитацию, которая держит все вместе, а его поверхность дает нам место для жизни. Но весь процесс не начался бы без солнца.
Перейдите по ссылкам ниже, чтобы узнать больше о Земле, Солнце и связанных темах.

Аврора
Магнитное поле Земли является источником северного сияния, драматических огней, которые появляются, когда солнечное излучение отражается от магнитного поля Земли. Это происходит и на Южном полюсе. В южном полушарии огни называют авророй австрала .