Астронет: А. Ю. Румянцев/МаГУ Методика преподавания астрономии в средней школе http://variable-stars.ru/db/msg/1177040/chapter6_03.html

Методика преподавания астрономии

---

<< Предыдущая

Содержание

Следующая >>

Методика проведения 3 урока
"Планета Земля"

Цель: формирование понятийного аппарата, необходимого для усвоения информации о планетных телах как одном из основных типов космических тел, и о планете Земля как типичном и наиболее исследованном представителе планетных тел.

Задачи обучения:

Общеобразовательные:

1) Формирование фундаментального астрономического понятия "планетные тела":

 - о внутреннем строении, химическом составе, энергетике, основных формах рельефа планет и эндогенных и экзогенных процессах, обусловливающих их существование (тектонике литосферы, магматизме, вулканизме, столкновений планетного тела с метеороидами и т.д.), наиболее распространенных горных породах и минералах;
 - об атмосферах планет: условиях существования, тепловом режиме, основных физических характеристиках, строении, явлениях диссипации и парникового эффекта;

2) О Земле как типичном и наиболее исследованном представителе планетных тел (планет):

- об основных физических характеристиках, внутреннем строении и основных формах рельефа планеты;

 - о тепловом балансе Земли;
 - о гидросфере Земли;
 - об атмосфере планеты: основных характеристиках, строении и составе;
 - о климате Земли;
 - о магнитосфере и радиационных поясах Земли и их роли в существовании и развитии жизни на планете.

Воспитательные:

1) Формирование научного мировоззрения учащихся:
- в ходе знакомства с физической природой планетных тел (планет): их внутренним строением, химическим составом, энергетикой, основными формами рельефа, эндогенными и экзогенными процессами литосфер и атмосферами;
- на основе раскрытия фундаментальных природных закономерностей при изложении астрономического материала о планетных телах и Земле как их типичном и наиболее исследованном представителе;

2) Атеистическое воспитание учащихся в результате опровержения мифа о "сотворении мира" (Земли) в свете данных об основных характеристиках Земли.

Развивающие: формирование умений анализировать информацию, объяснять свойства космических объектов на основе важнейших физических теорий.

Ученики должны знать:

- общие данные о внутреннем строении, химическом составе, энергетике, основных формах рельефа и атмосферах планет земной группы и планет-гигантов;
- об основных физических характеристиках, внутреннем строении, основных формах рельефа, тепловом балансе Земли;
- об основных характеристиках, строении и составе атмосферы Земли;
- о магнитосфере и радиационных поясах Земли и их роли в существовании и развитии жизни на планете.

Ученики должны уметь: анализировать и систематизировать учебный материал, составлять классификационные схемы, использовать обобщенный план для изучения космических объектов, делать выводы.

Наглядные пособия и демонстрации:

- фотографии, диапозитивы, схемы и рисунки: Земли (из космоса), ее основных природных зон, внутреннего строения, атмосферы, теплового баланса планеты, магнитосферы и радиационных поясов и т.д.; слайды из комплекта "Земля, ее естественный и искусственные спутники";

- диафильмы: "Планета Земля"; "Магнитное поле Земли";

- таблицы: "Земля в космическом пространстве";

- наглядные пособия: глобус Земли; географическая карта планеты; образцы наиболее распространенных горных пород и минералов: оливина, полевых шпатов, плагиоклазов, кварца, лимонита, доломита, кальцита, базальта, гранита, габбро, песчаника, кварцита, сланцев и т.д.

Задание на дом:

1) По учебнику астрономии:

- Б.А. Воронцов-Вельяминова: изучить § 16; вопросы к параграфу.
- Е.П. Левитана: изучить § 12; вопросы к параграфу.
- А.В. Засова, Э.В. Кононовича: изучить § 17; вопросы к параграфу.

2) Задание для учащихся физико-математических классов: выполнить задания из сборника олимпиадных задач В.Г. Сурдина [289]: 10.29; 10.34; 10.35.

План урока

Этапы урока	Содержание	Методы изложения	Время, мин
1	Повторение и актуализация материала по астрономии	Беседа	5-7
2	Изложение нового материала: 1. Внутреннее строение, энергетика и основные формы рельефа планет. 2. Атмосферы планет. 3. Земля: основные физические характеристики, внутреннее строение, рельеф; тепловой баланс; гидросфера; атмосфера; климат; магнитосфера, радиационные пояса и их роль в существовании и развитии жизни на планете	Лекция, или семинар, чтение докладов учащимися	30-35
3	Подведение итогов урока. Домашнее задание		3

Методика изложения материала

В начале урока в ходе фронтального опроса следует провести проверку и актуализацию знаний учащихся. Помимо вопросов, предлагавшихся ученикам на прошлом уроке, следует выяснить, насколько хорошо они усвоили:

1) признаки фундаментальных астрономических понятий "планетное тело" и "планетная система" как отдельных типов космических тел;
2) принципы классификации планетных тел и планетных систем;
3) сведения об основных классах и группах планетных тел;
4) данные о существовании внесолнечных планетных систем и экзопланет.

Часть учеников выполняет в это время программируемые задания:

1. Сборник задач Г.П. Субботина [287], задания NN 86; 87; 110; 115-121.
2. Сборник задач Е.П. Разбитной [244], задания NN 6-1; 6-2; 6-3; 6-4.

На первом этапе урока излагается материал о внутреннем строении, энергетике и основных формах рельефа планет:

Сферичность формы массивных планетных тел объясняется высокими температурами и давлениями в их недрах.

Внутри однородного шара на одинаковых расстояниях от его центра давление и температура одинаковы. В недрах даже однородных по составу и плотности космических тел произвольной формы давление и температура будут существенно различаться на одинаковых расстояниях от центра масс, поскольку на лежащие в глубине слои вещества давит столб вышележащих пород различной высоты, а следовательно, и массы. При давлении свыше 2,2× 10⁸ Па и температуре свыше 1500 К (условия на границе литосферы и верхней мантии Земли на глубине 100 км) деформируется и разрушается кристаллическая решетка большинства известных минералов и начинается плавление горных пород, которые становятся вязко-текучими, как смола; при более высоких температурах и давлениях вещество полностью переходит в жидкое состояние (или обретает свойства жидкости). Предел прочности горных пород определяется соотношением: s _п = r × g× h, где s _п – предел прочности пород, основных для состава планетного тела; r - их плотность; g - местное значение ускорения свободного падения; h - высота столба горных пород. Согласно законам физики, в центральном гравитационном поле при отсутствии действия внешних сил жидкие тела приобретают сферическую форму с минимальной площадью поверхности. Доля жидкого состояния вещества недр космических тел возрастает с их массой, изменяя из форму от произвольной (кометы, астероиды) к округлой (планетоиды, небольшие спутники планет) и к идеально сферической (планеты и звезды), достижению которой у вращающихся объектов мешает действие центробежных сил.

Рис. 8 Внутреннее строение планет земной группы

Планеты обладают сложным дифференцированным строением: выделяют несколько концентрических сферических оболочек, находящихся в состоянии гидростатического равновесия и различающихся по химическому составу, плотности и другим физико-химическим характеристикам. В строении планет земной группы выделяют (рис. 8):

1. Жидкое или полужидкое ядро плотностью 10000-13000 кг/м³, состоящее из соединений железа, никеля, серы и других тяжелых элементов. У наиболее массивных планет выделяют твердое внутреннее ядро (r ³ 13 г/см³ при T > 6000 K) и окружающее его жидкое внешнее ядро.

2. Мантию, состоящую из окислов кремния, магния и железа (магнезиальных силикатных пород типа оливина), находящуюся в вязком полурасплавленном состоянии. Плотность вещества мантии 3500-10000 кг/м³, температура свыше 500 К. У массивных планет в зависимости от особенностей физико-химических характеристик выделяют нижнюю, среднюю и верхнюю мантию (астеносферу).

3. Литосферу (кору) толщиной от 1 до 500 км, состоящую в основном из силикатов и легких химических соединений плотностью менее 3500 кг/м³.

Существуют гипотезы, объясняющие различия в физических свойствах ядра, мантии и литосферы качественными изменениями в состояниях сравнительно однородного по составу вещества под действием высоких температур и давлений.

Рис. 9 Внутреннее строение планет-гигантов

Внутреннее строение планет-гигантов обусловлено их массой и высоким содержанием водорода и гелия в их химическом составе. Газовые атмосферы планет-гигантов в направлении к центрам планет с увеличением давления уплотняются и непрерывно переходят в жидкое состояние: граница между атмосферой и поверхностью планеты отсутствует. Еще глубже, при возрастании плотности водорода свыше 1,15 г/см³ под действием высоких давлений и температур водород переходит в твердое "металлическое" состояние. В строении планет-гигантов выделяют (рис. 9):

1. Внешнюю молекулярную оболочку из газо-жидкого водорода и гелия с добавкой метана и аммиака.
2. Внутреннюю молекулярную оболочку с добавкой более тяжелых элементов.
3. Оболочку из твердого "металлического" водорода.
4. Внешнее силикатное ядро, состоящее из окислов кремния, магния и сульфидов железа с добавкой гелия.
5. Внутреннее тяжелое железоникелевое ядро.

Если температура и давление в недрах планеты-гиганта недостаточны для перехода водорода в жидкое или, тем более, твердое металлическое состояние, строение планеты упрощается: ядро из тяжелых химических соединений окутывает ледяная мантия - оболочка из воды, водорода и гелия, окутанная молекулярной оболочкой из водорода, гелия, метана и аммиака - атмосферой планеты.

Основными источниками энергии в недрах планет являются: радиоактивный распад элементов, сопровождающийся выделением большого количества тепла, и гравитационная дифференциация - постепенное перераспределение вещества по глубине в соответствии с плотностью: тяжелые фрагменты тонут, легкие всплывают, при этом происходят фазовые переходы вещества из одного агрегатного состояния в другое, различные химические реакции и т. д., сопровождающиеся выделением тепла. Скорость и интенсивность процессов зависят от масс планет. В основе энергетики самых крупных планет-гигантов лежит конденсация гелия на уровне верхней границы зоны металлического жидкого водорода. В результате фазовых переходов водорода при высоком давлении гелий становится нерастворимым в водороде и выпадает (погружается) к центру планеты. В недрах планет-гигантов с меньшей массой, атмосферы которых состоят на 10-15% из метана, энергия выделяется при выпадении углерода из мантии к ядру планеты. При этом выделяется столько энергии, что тепловое излучение планет превосходит количество энергии излучения звезды, падающего на планету из космоса.

Главным механизмом переноса тепла в недрах планет являются конвекция (конвективное перемешивание вещества) и, в меньшей степени, тепловое излучение.

Поверхности планет формируются в ходе внутренних (эндогенных) и внешних (экзогенных) процессов.

Основными формами проявления эндогенных процессов являются:

1. Тектоника литосферы планетных тел: сложные постоянные горизонтальные, вертикальные и колебательные движения отдельных крупных участков коры со средней скоростью 0,001-0,01 м в год, сопровождающие перемещения этих участков на сотни и тысячи километров за миллионы лет. При столь медленных перемещениях слои литосферы плавно изгибаются как мягкое, пластичное вещество. При больших нагрузках на участки коры или увеличении скорости их движения происходят сильные деформации и разрывы слоев, возникают тектонические разломы, вдоль которых отдельные блоки перемещаются относительно соседних в горизонтальном или вертикальном направлениях, порождая различные - пластинчатые, складчатые или разрывные тектонические структуры.

Магматизм и вулканическая деятельность - сложные процессы возникновения магмы - расплавленной раскаленно-жидкой, кипящей массы вещества в зонах тектонических разломов литосферы и, изредка, верхнем слое мантии на глубине десятков километров под каналами и трещинами в коре в результата резкого уменьшения давления вышележащих слоев и движения магмы и выделяющихся из нее газов с температурой до 1000 К к поверхности. Магма землеподобных планет и силикатных планетоидов имеет температуру до 1000 К и преимущественно силикатный химический состав, разделяясь по его особенностям на основную (базальтовую) и кислую (гранитную). При извержении магмы на поверхности планет возникают вулканы; при внедрении магмы по трещинам горных пород при ее остывании возникают интрузии с образованием гранитных массивов. Магма силикатно-ледяных планетоидов представляет собой водный раствор различных солей и других химических соединений с температурой до 500 К.

В результате физико-химических процессов в недрах и на поверхности планетных тел образуются однородные вещества - минералы. Наиболее распространенными минералами в Солнечной системе являются, вероятно, водяной лед и силикаты, составляющие 75% массы литосферы Земли и широко распространенные на Луне, Венере, Марсе и входящие в состав каменных метеоритов. Ими являются: железомагнезиальные силикаты - оливин (Mg,Fe)₂SiO₄, полевые шпаты KAlSi₃O₈, змеевики H₄Mg₃Si₂O₉, плагиоклазы (Na,Ca)AlSi₃O₈, авгит, роговая обманка и т. д. Широко распространены минералы: галоиды (кварц SiО₂, корунд Al₂O₃, лимонит Fe₂O_3´ nH₂О, магнетит Fe₃O₄ и другие), сульфиды, карбонаты (доломит MgCO₃, кальцит CaCO₃), слюды, самородные элементы и глинистые минералы. Тысячи известных минералов образуют горные породы - базальты (состоящие из плагиоклазов, авгита, роговой обманки и оливина), граниты (кварц, полевой шпат, слюда), диабаз (плагиоклаз, авгит), габбро (плагиоклаз, пироксен), глины, песчаник, кварцит, гнейс (кварц, слюда, шпат), сланцы и т. д.

Магматические горные породы по строению разделяют на полностью кристаллические (интрузивные) и скрытокристаллические, образовавшиеся на поверхности при излияниях магмы (эффузивные) породы. В зависимости от химического состава выделяют тяжелые, темные, богатые окислами железа и марганца ультраосновные породы с минимальным содержанием кремнеземов SiO₂; основные породы - базальты, содержащие минералы диориты, сиениты, андезиты и трахиты; кислые породы - граниты, гранодиориты, липариты, кварцевые порфиры, содержащие кварц и окись кремния SiO₂ (свыше 50%).

Под действием высоких температур, давлений и химических реакций с растворами и газами магматические и осадочные породы преобразуются в метаморфические породы - обладающие кристаллической структурой граниты, гнейсы, кварциты, сланцы и т. д. Переплавление и химическое изменение горных пород называют метаморфизмом, являющимся одним из основных проявлений эндогенных процессов.

Основными проявлениями экзогенных процессов являются переработка поверхности при бомбардировке метеороидами, механическая эрозия под действием осадков и ветра, химическое взаимодействие поверхности с гидросферой и атмосферой, в результате которых происходит разрушение и химическое преобразование горных пород, перенесение рыхлых и растворимых продуктов разрушения водой, ветром, ледниками с их отложением и накоплением на суше и дне водоемов и дальнейшем преобразовании в осадочные горные породы, залегающие в виде пластов и линз.

Осадочные горные породы делятся по способу образования на глинистые (образовавшиеся под действием коллоидов), обломочные, хемогенные (продукт химических процессов - железные и марганцевые руды, бокситы, доломиты, каменная и калийная соль и т. д.) и биогенные (известняки, мел, уголь и, возможно, нефть и газ).

Рельеф поверхности планетного тела зависит от того, какие процессы главенствуют в данное время: преобладание эндогенных процессов ведет к интенсивному горообразованию, экзогенных - к выравниванию поверхности и перераспределению продуктов разрушения гор. Формы мегарельефа (океаны и континенты) занимают площадь свыше 10³-10⁴ км, формы макрорельефа (горные хребты и узлы, крупнейшие плато и долины рек, впадины и глубокие желоба) занимают площадь свыше 10²-10³ км. Типичными, наиболее распространенными формами рельефа планет земной группы и планетоидов являются:

1. Континентальные блоки и океанические впадины.

2. Горы - обширные по площади территории тектонического, вулканического или эрозионного происхождения со складчатой или складчато-глыбовой структурой и значительными перепадами высот, возвышающиеся на сотни и тысячи метров над средним уровнем поверхности планет. Горные системы представляют собой единые по происхождению складчатые или сбросовые, расположенные в определенном порядке совокупности горных хребтов и отдельных вершин.

3. Вулканы и долины тектонического происхождения (разломы). Наиболее интенсивные процессы перемещения блоков литосферы, внедрение магмы и т. д. происходят вдоль особо мощных узких разломов-впадин длиной 10²-10⁴ км и глубиной до 100 км, называемых рифтами, на дне которых залегают базальты, близкие по составу к мантии планеты.

4. Бассейны (моря и океаны) размерами до 1000 км - округлые низменности, заполненные застывшей лавой, образовавшиеся в результате падения планетезималей в период формирования планетной системы.

5. Метеоритные кратеры - характерная форма рельефа всех планетных тел, размерами от долей миллиметра до сотен и тысяч километров.

6. Образования, связанные с водной, ледниковой эрозией и воздействием ветров - русла рек, полярные шапки и т. д.

7. Равнины - обширные, почти горизонтальные участки поверхности, характеризующиеся малыми (до 200 м) колебаниями высот и уклонами, находящиеся обычно в глубине древнего кристаллического фундамента материка (платформы) и образующиеся в результате разрушения древних гор, иногда с последующим полным затоплением остатков прежнего рельефа мощными излияниями магмы из разломов коры.

Далее следует изложение материала об атмосферах планет:

Атмосфера - смесь газов, находящихся в поле тяготения космического тела, которое она окружает.

Атмосферы - газовые оболочки планет и крупнейших планетоидов - возникают при постепенной дегазации космических тел - выделении газов в ходе вулканической деятельности на всем протяжении их существования, или при катастрофической дегазации во время аккумуляции планетного тела или при захвате газов непосредственно из протопланетного облака.

Атмосферы планет-гигантов образуются одновременно с планетами и более не изменяются.

Атмосферы планет земной группы изменяются в ходе их эволюции.

Атмосфера устойчива, если масса планеты , где k - постоянная Больцмана, m - масса частиц.

Атмосфера зависит от размеров планеты и температуры ее поверхности. Если ускорение свободного падения , атмосфера объекта будет сильно разреженной из-за диcсипации - улетучивания внешних слоев атмосферы в космическое пространство в результате приобретения атомами и ионами газов из-за их теплового движения скоростей свыше II космической скорости.

Астероиды и большая часть планетоидов почти лишены атмосфер или их крайне разреженные газовые оболочки поддерживаются за счет непрерывного выделения газов горными породами.

Кометы обладают переменной атмосферой, возникающей при сублимации льда и замерзших газов при сближении кометы с центральным светилом (звездой) и существующей лишь при непрерывном выделении газов из ядра.

Тепловой режим атмосферы определяется количеством падающей на планету лучистой энергии звезды (энергетической освещенности) за вычетом энергии, отражаемой планетой в космическое пространство и зависит от расстояния от звезды до планеты и от сферического альбедо планеты.

Конвективные процессы в атмосферах планет сглаживают суточные колебания температур и уменьшают разность температур в экваториальных и полярных областях. Сильные суточные колебания температур на поверхности Меркурия, Марса и спутников планет объясняются высокой разреженностью их атмосфер и низкой теплоемкостью грунта.

Источником атмосферных течений является отсутствие равновесия между поступлением и отдачей энергии в разных районах планеты. Атмосферные массы на экваторе нагреваются, поднимаются вверх, уходят в сторону полюсов и замещаются более холодными массами из области высоких широт. Вращение планеты отклоняет атмосферные потоки от меридионального направления; система ветров зависит от периода вращения планеты вокруг оси и вокруг звезды. Атмосферы планет можно сравнить с тепловыми машинами с КПД £ 5 % (для Земли - 1,2%), в которых нагревателем являются районы экватора, холодильниками - полюса планет.

На тепловой режим атмосфер оказывает влияние наличие или отсутствие в них аэрозолей (дымки) и облаков. Пыль, поднятая в большом количестве с поверхности планеты в верхние слои ее атмосферы, делает ее непрозрачной, вызывая мощное, на десятки кельвин, охлаждение поверхности планеты. Облака в атмосферах планет состоят из мельчайших жидких капелек H₂O, NH₃, CH₄, H₂SO₄ и т. д. или твердых частиц льда и кристаллов NH₃, СН₄ и т. д.; при их образовании в атмосферах выделяется или поглощается теплота.

Химический состав атмосферы может быть причиной парникового эффекта - повышения температуры внутренних слоев атмосферы и поверхности планеты вследствие большей прозрачности атмосферы для оптического излучения звезды, приходящего из космоса и нагревающего планету, нежели для теплового инфракрасного, уходящего в космос излучения самой планеты.

Парниковый эффект тем мощнее, чем плотнее атмосфера, чем выше атмосферное давление у поверхности планеты и чем выше концентрация способных поглощать инфракрасное излучение молекул СО₂, Н₂О, SO₂, NH₃ и других.

Вертикальная структура (строение) атмосфер планет определяется силой тяготения, температурой и химическим составом атмосфер. Изменение давления описывается барометрической формулой: , где m - средняя молярная масса смеси атмосферных газов, е - основание натуральных логарифмов, р₀ - давление у поверхности планеты, R - универсальная газовая постоянная.

Перемешивание газов ведет к установлению единой шкалы высот.

Внешней частью атмосфер всех планет являются водородные короны. Ниже располагается ионосфера (термосфера) - область верхних слоев атмосферы, горячая вследствие нагревания и ионизации ультрафиолетовым излучением звезды. Ниже располагается мезосфера (мезостратосфера) - область, в которой температура атмосферы почти не изменяется. Нижняя часть атмосферы - тропосфера - полностью или частично непрозрачна для теплового излучения поверхности планеты. Граница между тропосферой и мезосферой называется тропопаузой.

Вторая (большая) половина урока посвящена изложению материала о Земле, как типичном и наиболее исследованном представителе класса планет:

Земля - третья планета Солнечной системы, обладающая ярко выраженным дифференцированным внутренним строением, гидросферой и атмосферой, единственная известная планета с биосферой и цивилизацией разумных существ - человечеством.

Масса Земли 5,972× 10²⁴ кг, средний радиус 6371 км, средняя плотность 5510 кг/м³. Возраст Земли по данным радиоизотопного метода и астрономических исследований близок к 4,5 миллиардам лет.

Химический состав Земли в целом: железо - 39,9 %, кислород - 27,7 %, кремний - 14,5%, углерод - 0,04 % (всего 88 элементов).

Недра Земли, как наиболее массивной из планет земной группы Солнечной системы, отличаются наибольшей степенью дифференцированности вещества и наибольшей интенсивностью процессов гравитационной дифференциации. Эволюция земных недр продолжается в настоящее время. Тепловая энергия Земли составляет около 1,3× 10²⁷ Дж. Тепловой поток из недр составляет 6,3× 10^-6 Вт/см² - 3,23 × 10¹³ Вт для всего земного шара из них около 1,1× 10¹³ Вт выделяется вдоль оси срединно-океанических хребтов и около 0,3× 10¹² Вт - в районах активного вулканизма.

Согласно большинству физических моделей, подтвержденных данными геофизических исследований, Земля обладает внутренним ядром радиусом около 1221 км, состоящим из нескольких твердых слоев железа с различной степенью ориентации кристаллов, окруженным внешним жидким ядром толщиной 2225 км. Предполагается, что оно состоит из сплавов железа (89 %), никеля (7 %), сульфида железа FeS (4 %) и других металлов и тяжелых химических элементов и соответствует по составу железным метеоритам. Температура в центре Земли 6300К, давление 3,6× 10¹¹ Па, плотность вещества 13000 кг/м³.

Вращение Земли разделяет барьером цилиндрической формы жидкости внешнего ядра на 2 разные области - внутреннюю, с твердым ядром и раскаленными расплавами в полярных областях, и более холодную внешнюю. Насыщенная железом жидкость внутри цилиндра вращается подобно воздушным потокам циклона, приобретая сходную с ним структуру, и генерирует магнитное поле планеты, ускоряя вращение внутреннего ядра Земли. Оно замедляет свое вращение в результате приливного действия Луны медленнее, чем все остальные земные оболочки, и скорость его вращения несколько выше скорости вращения планеты (на 1 оборот в 1000 лет). В основном объеме ядра и в приповерхностных слоях происходят колебательные процессы с периодами 300-1000 лет и 20-120 лет.

Рис. 10. Внутреннее строение Земли: 1. Внутреннее ядро. 2. Внешнее ядро. 2. Мантия нижняя. 4. Мантия средняя. 5. Мантия верхняя. 6.Литосфера (кора). 7. Мантийный плюм.

Мантия общей толщиной 2900 км разделяется на нижнюю (2037 км), среднюю (600 км) и верхнюю (250 км), на границах которых происходят скачкообразные изменения в физико-химических характеристиках вещества, находящегося в полужидком (вязком) состоянии. Предполагается, что мантия состоит в основном из окислов кремния, магния и железа, соответствующего по составу железокаменным метеоритам. Температура и давление внутри мантии изменяются от р = 1,3× 10¹¹ Па при Т = 4300 К на границе с ядром, до р = 1,4× 10¹⁰ Па при Т = 800 К на границе с литосферой.

Ядро и мантия сосредотачивают в себе около 99,6 % массы планеты; литосфера - 0,375 %; атмосфера - 0,0001 % и биосфера около 0,0000003 %.

От границ земного ядра, с глубин 2900 км до литосферы мантию пронизывают насквозь мантийные плюмы ("перья") – столбы раскаленного вещества диаметром 150-200 км и температурой на 200-300 К горячее окружающей среды. Они переносят к поверхности Земли тепловую энергию, выделяющуюся в ядре планеты. "Мантийный ветер" – движение расплавленных пород под влиянием конвекции вещества – отклоняет плюмы от вертикали. В верхней мантии плюмы разветвляются; над ними происходят интенсивные тектонические и вулканические процессы.

Литосфера (кора) имеет толщину 4-6 км под океанами и 30-70 км под материками. Средний уровень земной коры - 2430 км. В строении литосферы Земли выделяют 3 слоя: осадочных горных пород (10-15 км), гранитов под материками и, под ними, плотных базальтов. Плотность литосферы 2,8 г/см³.

Средний химический состав литосферы: кислород - 49,4 %, кремний - 25,8 %, алюминий - 7,5 %, железо - 4,7 %, - углерод - 0,087%. Состав континентальной коры несколько иной: кислорода - 45,2 %; кремния - 27,2%; алюминия - 8,0 %; железа - 5,6 %; кальция - 5,1 %; магния - 2,8 %; натрия - 2,3 %; калия - 1,7 %; титана - 0,9%; остальных элементов около 1 %.

Согласно теории Ю.В. Баркина, все оболочки Земли обладают эксцентричностью и относительной подвижностью. Их центры масс не совпадают. Оболочки испытывают периодические колебания в результате действия внутренних и внешних космических факторов (возмущающего действия Солнца, Луны и планет). Следствиями является предполагаемое смещение центра масс Земли со скоростью 6,47 см в век и многообразные мощные геодинамические и геофизические процессы (активность мантийных плюмов, сейсмичность, вулканизм, горообразовательные процессы, поднятия и опускания суши и т.д.)

Отдельные части (блоки) литосферы смещаются независимо друг от друга за миллионы лет на сотни и тысячи километров. В зонах разломов меж плит формируется новая океанская кора. На участках опускания литосферные плиты погружаются в мантию на глубину до 660 км.

В качестве структурных элементов коры выделяют: геосинклинали - тектонически активные, отличающиеся высокой сейсмичностью и вулканизмом, протянувшиеся на десятки тысяч километров участки литосферы, на которых вначале возникают и развиваются глобальные прогибы - опускания суши с образованием морей, сменяющиеся мощными поднятиями суши с образованием гор; со временем тектоническая активность уменьшается, горы постепенно разрушаются, становятся равнинами, и геосинклинали превращаются в платформы - крупные, до миллиона км², глыбы земной литосферы, фундамент которых образуют сильно смятые в складки магматические, метаморфизированные и гранитные породы, прикрытые сверху 3-4 километровым "чехлом" осадочных пород. Рельеф платформы составляют обширные равнины и отдельные горные хребты; рельеф геосинклиналей - цепи складчатых горных сооружений. Геосинклинали и платформы разделяются сложными по строению, заполненными осадочными породами краевыми прогибами по краям материков и желобами на дне океанов.

Ядром каждого материка является одна или несколько древних платформ, окаймленных горными хребтами.

В настоящее время на поверхности Земли выделяют 6 крупных массивов земной коры - континентов, выступающих над уровнем Мирового океана: Евразию (55 млн. км²), Африку (30 млн. км²), Северную Америку (24 млн. км²), Южную Америку (18 млн. км²), Антарктиду (14 млн. км²) и Австралию (8,5 млн. км²).

Загадками земного рельефа остаются неравномерность распределения материков и океанов на поверхности планеты и некоторая ступенчатость вертикального строения: преобладание высот от 0 до 1 км на суше и глубин от 4 до 5 км в океанах.

Исторически сложившиеся подразделения суши земного шара, включающие тот или иной материк или его часть с расположенными вблизи островами называют частями света. Выделяют: Европу, Азию, Африку, Австралию с Океанией, Америку и Антарктиду.

Земля обладает обширной водной оболочкой - гидросферой, массой 1,44× 10²³ кг (0,024 МÅ ) и объемом 1,616× 10¹¹ км³, включающей в себя все взаимосвязанные, находящиеся в постоянном кругообороте подземные воды, воды суши, рек и озер (0,65 %), морей и океанов (97,2 %), водяной пар атмосферы и запасы снега и льда (2,15 %). Ледники и вечные снега занимают площадь 14000 км²; внутриконтинентальные водоемы 2000 км². Общий запас энергии воды на Земле огромен: в Европе и Азии - 1,08× 10¹² Вт, в Северной Америке 3,1× 10¹¹ Вт и в Африке 7,8× 10¹¹ Вт. Энергия приливов составляет около 2,7× 10¹² Вт.

Мировой Океан объединяет 4 крупнейших океана: Тихий, Атлантический, Индийский и Северно-Ледовитый, общей площадью 361 млн. км², и все моря - части океанов, вдающиеся в сушу и отделенные от нее островами, полуостровами или подводными хребтами. Средняя глубина Мирового Океана 3704 м, наибольшая 11022 м (Марианская впадина). Дно морей и океанов имеет сложный, хотя и менее расчлененный, нежели суша, рельеф, в котором выделяют:

1. Шельф - мелководную материковую отмель, равнину глубиной до 500 м и шириной до 1500 м, занимающую 8 % площади Мирового Океана. Дно шельфа скрывает огромные запасы полезных ископаемых осадочного происхождения (нефти, газа и т. д.).

2. Материковая отмель обладает крутыми ступенчатыми склонами; на глубине до 3-5 км, на дне, - горы, каньоны, котловины, в которых залегают колоссальные запасы железо-марганцевых полиметаллических руд (12 % площади океанов).

3. Абиссаль - ложе океана на глубине 8-10 км (80 % площади), расчлененное на крупные котловины и впадины мощными подводными хребтами длиной до 6000 км, шириной до 400 км и высотой в несколько километров (высочайшие вершины выступают над водой вулканическими островами). Вдоль и поперек хребтов лежат разломы - рифты, на дне которых залегают базальты, схожие по составу с породами мантии.

Морская вода представляет собой раствор 44 химических соединений: поваренной соли NaCl, магниевой соли MgCl, газов СO₂, О₂, N₂ и т. д. Средняя соленость воды 3,5 %. Давление возрастает с глубиной на 0,1 атм/м. Температура зависит от широты местности, течений, времени года и т. д., изменяясь от -2њ С до 35њ С; на глубине 350 м она постоянна в течение года; на глубине свыше 3 км почти повсюду равна 2-3њ С. Неизменность солевого состава воды на больших глубинах свидетельствует о постоянном перемешивании всех вод Мирового Океана.

Гидросфера аккумулирует и перераспределяет солнечное тепло. В районе экватора вода, согреваясь, поднимается из глубин и разносится морскими течениями шириной от 10 до 100 км и глубиной до 1 км, со средней скоростью движения 2-3 км/ч, в умеренные широты и далее, к полюсам, где остывает, становится плотнее и опускается вниз. Вращение планеты отклоняет течения до 45⁰ вправо в Северном, влево - в Южном полушариях. Процессы в гидросфере находятся в сложном взаимодействии с процессами в атмосфере и литосфере Земли и наряду в ними формируют климат и погоду: так, морские течения вызываются постоянно дующими в одном направлении ветрами - пассатами, наклоном уровня моря и т. д.; участки океанов, в которых нет течений, находятся в зонах наибольшего атмосферного давления; приливы тормозят вращение Земли вокруг оси и т. д. Энергия течений огромна: так, энергия Гольфстрима составляет 2,2× 10¹⁴ Вт.

Земля получает лишь 1/2000000000 часть солнечной энергии. На 1 м² площадки, перпендикулярной падению солнечных лучей за пределами земной атмосферы, падает 1,36 кВт солнечной энергии. Из нее 1 % "жесткого" ультрафиолетового излучения поглощается молекулами газов на высоте свыше 100 км, еще 3 % "мягкого" ультрафиолетового излучения поглощается озоном О₃ и 4 % теплового излучения поглощается водяными парами в тропосфере. В приземные слои воздуха попадает 92 % оптического солнечного излучения с длиной волн 290-2400× 10^-9 м. 45 % излучения рассеивается молекулами воздуха и придает небу голубой цвет. 47 % достигает поверхности Земли, но 7 % отражается ею обратно. Поверхность Земли поглощает 40 % падающей на нее энергии солнечных лучей и еще 8 % из предварительно рассеянных в атмосфере (рис. 11).

Рис. 11. Схема теплового баланса Земли

За миллиарды лет существования Земли установилось равновесие, при котором Земля излучает в космос то же количество энергии, что и получает от Солнца, но в основном в инфракрасном (тепловом) диапазоне длин волн с максимумом вблизи 8,6× 10^-6 м, активно поглощаемом молекулами водяного пара и углекислого газа. Поэтому даже незначительные колебания в концентрации этих газов в атмосфере оказывают огромное влияние на тепловой баланс Земли и формирование климата.

Благодаря парниковому эффекту средняя температура Земли на 40 К выше эффективной температуры, обусловленной потоком солнечной энергии и тепловым излучением Земли. Без парникового эффекта в атмосфере температура на поверхности Земли составляла бы около -24⁰С и жизнь стала бы невозможной. Парниковый эффект сглаживает суточные перепады температур до 15 К.

Различие в теплоемкости воды и горных пород ведет к тому, что зимой океан теплее суши, а летом - наоборот, что порождает мощные устойчивые воздушные потоки - муссоны, дующие в нижних слоях тропосферы между областями высокого давления на широтах 30њ -35њ северного и южного полушарий в пределах основных сезонов года: зимой воздух переносится с материков, где при понижении температуры растет атмосферное давление, в океан; летом ветер дует с океана на материк, над которым при повышении температуры атмосферное давление снижается.

Рис. 12. Строение и физические характеристики атмосферы Земли

На границе раздела теплых и холодных воздушных масс разность температур приводит к образованию турбулентных потоков, завихрений воздуха. В области пониженного давления более теплый воздух поднимается, стремится к ее центру, закручиваясь против часовой стрелки, и отклоняется в северном полушарии вправо, а в южном - влево. Так возникают циклоны. В областях повышенного давления воздух растекается от центра к краям, закручиваясь по часовой стрелке, порождая антициклон.

Размеры этих атмосферных образований достигают 1-2 тысяч километров, высота от 2 до 20 км, разность давлений от центра к периферии 3-30× 10³ Па, скорость ветра 30-40 км/ч. Время существования циклона зависит от скорости вытеснения теплового воздуха из воронки и достигает нескольких суток; антициклоны более устойчивы. Циклоны возникают и развиваются в основном над океанами, антициклоны - над материками. Они приносят летом жаркую, зимой - морозную безоблачную погоду; циклоны приносят дожди и ненастье, снегопады зимой. Общий запас энергии ветра на Земле составляет 10¹⁵ Вт.

Многолетний режим погоды - климат -характерная для данной местности совокупность последовательных смен состояний погоды за десятки лет, обусловливаемая взаимодействием атмосферы, гидросферы и поверхности Земли. В числе основных климатообразующих факторов выделяют:

1. Физические (вращение Земли вокруг Солнца; вращение Земли вокруг оси, постоянство и величина наклона земной оси; тепловой баланс, физические характеристики, состав и динамика атмосферы, динамика гидросферы и т. д.).

2. Географические (широта местности, высота над уровнем моря, расстояние до береговой линии океана (материка), рельеф местности и т. д.).

Существует много различных классификаций климата.

Рис. 13. Система общей циркуляции земной атмосферы: а, б – зоны высокого (1, 3) и низкого (2, 4) давлений в – схема циркуляции потоков воздуха в различных зонах

В основе одной из наиболее широко распространенных лежат типы и перемещения воздушных масс. Выделяют климатические пояса, в которых в течение года господствуют воздушные массы одного типа: экваториальный, два тропических, два умеренных, субарктический и субантарктический. В каждом из них в меридиональном направлении выделяют материковый (континентальный), океанический (морской), западно- и восточно-побережный климат.

Умеренный климат характерен для широт от ± 40⁰-45⁰ до полярного круга, с температурами от +10⁰С до +25⁰C летом и от +4⁰С -+8⁰С до -40⁰С - -50⁰С зимой, с годовыми осадками от 1000 до 3500 мм по окраинам материков и до 100-300 мм в их глубине.

Морской климат формируется под влиянием близкого океана и при воздействии морских воздушных масс, распространяется на прибрежную часть суши и характеризуется сравнительно малой амплитудой температур воздуха в течение суток и по сезонам, прохладным летом и теплой зимой, обилием осадков, большой облачностью.

Континентальный климат формируется под влиянием континентальных воздушных масс, отличается большой амплитудой суточных и годовых температур, сравнительно небольшим количеством осадков и резкой выраженностью времен года, возрастает вглубь материков.

Побережный (муссонный) климат характерен сменой устойчивых ветров по сезонам года и формируется под действием муссонов.

Земля обладает магнитным полем напряженностью 5× 10^-5 Тл и индуктивностью 0,31 Гс, сходным по структуре с полем однородного намагниченного шара - сферического магнита, ось которого наклонена к оси вращения Земли на 11,5њ . Северный магнитный полюс Земли расположен в ее южном полушарии и имеет координаты: j = 78,6њ , l = 70,1њ W. Южный полюс расположен в северном полушарии: j = 78,6њ , l = -10њ Е. Замечательной способностью геомагнитного поля является изменчивость величины индуктивности и напряженности, и дрейф магнитных полюсов по земной поверхности: они могут даже меняться местами.

Современные теории геомагнетизма уподобляют Землю динамо-машине с самовозбуждением, исходя из предположения, что магнитное поле Земли создается и поддерживается за счет вращения внешнего ядра планеты. Процесс генерации геомагнитного поля остается неизменным на протяжении 250 млн. лет.

Рис. 14. Силовые линии невозмущенного магнитного поля Земли. Магнитосфера Земли. Движение заряженных частиц (электронов) вдоль силовых линий магнитного поля в радиационных поясах Земли

Магнитное поле планеты с размерами 9-11 RÅ (до 6,38× 10⁶ м), обтекаемое в космосе солнечным ветром, называется магнитосферой. Попадающие внутрь магнитосферы заряженные частицы потоков солнечного ветра (электроны и протоны) плотностью 10⁸ частиц/см² со скоростями 400-1000 км/с и электроны, излучаемые магнитосферой Юпитера, захватываются магнитным полем Земли и начинают двигаться по винтообразным траекториям вокруг силовых линий магнитного поля, образуя радиационные пояса.

Внутренняя часть поясов простирается на высоту 500 км над полюсами и от 2400 до 5600 км над экватором и состоит из электронов и протонов; внешняя часть поясов располагается между высотами 6000-20000 км и состоит из электронов, обладающих еще большей энергией. Увеличение скорости частиц солнечного ветра на 100 км/с ведет к деформации (прогибанию) магнитосферы Земли на 15 - 20 %, энергия захваченных электронов возрастает в 10000 раз!

Если бы у Земли отсутствовала магнитосфера, космическая радиация убила бы на ней все живое. Однако большая часть космических лучей отклоняется магнитным полем Земли, а часть захватывается, и лишь наиболее энергичные частицы достигают верхних слоев атмосферы, в основном в области земных полюсов, и вызывают свечение разреженных газов - полярные сияния; при этом выделяется энергия до 2× 10¹² Вт, превышающую мощность всех электростанций Земли.

Материал о магнитном поле и радиационных поясах Земли тесно связан с проблемами космическо-земных, в частности, солнечно-земных связей.

Космические объекты и космические процессы оказывают мощное влияние на все природные оболочки Земли и эволюцию планеты.

Наука о Земле как единой, целостной, открытой, саморазвивающейся и частично саморегулирующейся системе взаимодействующих природных оболочек - геосфер, называется геономией. Геономия органично объединяет в себе географию, геологию, геофизику, геохимию и экологию. У истоков этой науки стояли А. Гумбольдт, Э. Зюсс, Н. Я. Грот, В. и. Вернадский, А. А. Григорьев, С. В. Колесник и другие знаменитые ученые.

Анализ хронологии крупнейших тектонических, гидросферных, атмосферно-климатических и биологических "событий" истории Земли позволяет создать единый глобальный календарь на основе понятия "галактического года" - промежутка времени, в течение которого Солнечная система делает один полный оборот вокруг центра Галактики. С момента возникновения Земли прошел 21 галактический год, 5 миллионов лет назад Земля "отметила" начало нового, 22-го года. Т_G » 215 миллионов лет.

Наибольшее периодическое воздействие космических процессов на земную мантию, кору и магнитное поле Земли происходит на границе соседствующих галактических лет: в канун "Нового года" и на границах между "сезонами" ("временами года") продолжительностью 30, 50, 85 и 50 миллионов лет, при прохождении Солнечной системы сквозь галактические спиральные рукава. В ходе первого цикла происходит глобальное похолодание, общее поднятие материков и усиление сейсмической и вулканической активности; в ходе третьего - глобальное потепление, столкновение литосферных плит, колебательные движения устойчивых блоков коры; второй и четвертый циклы носят промежуточный характер; смена циклов сопровождается изменением полярности и 5-7-кратными колебаниями напряженности магнитного поля планеты. На протяжении последних 76 миллионов лет места и полярность магнитных полюсов Земли и напряженность и другие характеристики геомагнитного поля изменялись 171 раз.

Между инверсиями геомагнитного поля и появлением новых видов животных и растений и, вероятно, климатическими изменениями существует четкая корреляция, обусловленная значительными колебаниями уровня облученности поверхности Земли космическими лучами во время инверсий геомагнитного поля и в промежуточный период.

Замечания, рекомендации и дополнения к методике проведения урока:

1. Хорошим альтернативным вариантом методики проведения урока является учебный семинар продолжительностью до 60 минут, в ходе которого ученики выступают с продолжительными докладами (7-10 минут), краткими докладами (до 5 минут) и сообщениями (2-3 минуты) на тему:

1. Внутреннее строение планет-гигантов (краткий доклад).
2. Внутреннее строение землеподобных планет (краткий доклад).
3. Свет планет: о выделении энергии в недрах планет и их собственном тепловом и радиоизлучении (сообщение).
4. Основные формы рельефа планет (краткий доклад).
5. Атмосферы планет (краткий доклад).
6. Земля как планета Солнечной системы: основные физические характеристики Земли (краткий доклад или сообщение).
7. Внутреннее строение Земли (краткий доклад).
8. Лик Земли: основные формы рельефа, движение континентов, подъем и опускание суши, тектонические и вулканические процессы (один продолжительный или 2 кратких доклада).
9. Тепловой баланс Земли (краткий доклад).
10. Гидросфера Земли (сообщение).
11. Атмосфера Земли (краткий доклад).
12. Климат (краткий доклад).
13. Магнитное поле Земли: магнитосфера, радиационные поясах и их роль в существовании и развитии жизни на планете (краткий доклад).

Учитель заранее, за 2 недели до урока составляет его план, сообщает о теме предстоящего занятия ученикам, назначает выступающих - лучше всего по желанию самих учащихся, причем одну и ту же тему доклада может разрабатывать в рамках своеобразного конкурса "на лучший доклад и докладчика" сразу несколько человек, рекомендует список литературы, в который желательно включить книги из списка, приведенного на с. .

Проводит несколько консультаций. Ученикам рекомендуют сопроводить доклад соответствующими средствами наглядности, которые они могут по договоренности с учителями и лаборантами заимствовать из кабинетов природоведения, физики и географии (таблицы и плакаты, отражающие внутреннее строение Земли, ее атмосферы и гидросферы, муляжи основных форм рельефа, географические карты, глобус, образцы горных пород и минералов и т.д.).

Следует поощрять возникновение дискуссий, высказывание замечаний и дополнений к докладам. В конце занятия должен учитель кратко прокомментировать выступления, обобщить материал докладов учащихся, сделать вывод (в "сильных" классах к этому надо склонять самих учеников).

Широкое использование межпредметных связей позволяет привлечь к участию в организации урока учителей географии: семинар таким образом становится межпредметным, возникает дополнительная возможность повторения и закрепления знаний, приобретенных в основной школе. Можно предложить лучшим докладчикам выступить с соответствующим образом переработанными докладами в начальном звене, на уроках природоведения и естествознания и в среднем звене на уроках физической географии и физики.

2. По мнению В.В. Радзиевского [243], при изучении данного материала после пункта "Земля – планета, ее атмосфера" полезно включить вопросы "Роль тропосферы в формировании погоды. Циклоны и антициклоны, элементы синоптики" как имеющие огромное практическое значение для сельского хозяйства, морской и воздушной навигации.

3. В.Б. Дроздов предлагает использовать для закрепления материала "Задачи с астрономическим и геофизическим содержанием" [55]; необходимые дополнительные данные ученики должны найти сами в учебной и справочной литературе:

1. Вычислить: а) массу атмосферы Земли и число молекул в ней; б) массу воды, содержащейся в земной атмосфере (при Т = 288 К) (Ответ: т.к. ,  = 5,16× 10¹⁸ кг; N = 10⁴⁴; , при h<< R  m » 4pR²hr , m = 9× 10¹⁶ кг).

2. Определите электрический заряд Земли, если напряженность электрического поля вблизи ее поверхности в среднем равна 100 В/м (Ответ: 4,5× 10⁵ Кл).

Но наиболее интересен вариант дополнительного внеклассного занятия на тему "История Земли"

<< Предыдущая

Содержание

Следующая >>