Ziemia

Ziemia jest trzecią w kolejności planetą od Słońca. Powszechnie wiadomo, że od najdawniejszych czasów panowało przekonanie, że nasza planeta jest nieruchoma. Wprawdzie pojawiały się pojedyncze głosy, że skoro obserwowany jest ruch sfery niebieskiej to Ziemia musi wykonywać ruch obrotowy niemniej jednak poglądy te zupełnie się nie przyjęły. I dopiero Mikołaj Kopernik przywrócił do życia tą tezę i znalazł odpowiednie argumenty przemawiające na jej korzyść. Udowodnił również , że Ziemia nie jest centrum Wszechświata, a jedynie jednym z elementów poruszających się wokół Słońca.

Od wieku siedemnastego rozpoczęła się widoczna tendencja do poszukiwań dowodów na ruch obrotowy naszej planety. I tak np. Guglielmini przeprowadził eksperyment polegający na obserwacji ruchu ciał w spadku swobodnym. Okazało się , że występuje odchylenie od pionu w kierunku wschodnim. Wyjaśnienie tego zjawiska jest proste. Wynikało ono z różnicy liniowej prędkości obrotowej między wierzchołkiem wieży skąd puszczano ciała a jej podstawą. Ciało na początku ruchu uzyskiwało liniową prędkość obrotową taką jak wierzchołek wieży i dlatego musiało upadać dalej na wschód.

Jednak lepszy dowód na istnienie ruchu obrotowego Ziemi uzyskał Foucault. Miało to miejsce w 1851 roku. Uczony ten w swoim eksperymencie wykorzystał długi drut na którym została zawieszona metalowa kula. Koniec drutu zamocowano na kopule Panteonu w Paryżu.

Całość konstrukcji umożliwiała kuli wykonywanie ruchów wahadłowych w płaszczyznach dowolnych kół wierzchołkowych.

I teraz gdyby nie istniał ruch obrotowy Ziemi to uzyskano by identyczne wartości azymutu płaszczyzny drgań wahadła. Ponieważ jednak Ziemia obraca się wokół osi zatem można zauważyć obrót płaszczyzny drgań wahadła w stosunku do powierzchni naszej planety.

Okazuje się, że ciała wykonujące ruch podlegają tzw. efektowi Coriolisa. Uczony ten odkrył, że obiekty w ruchu ulegają odchyleniu w prawo jeśli znajdują się na półkuli północnej a w lewo jeśli znajdują się na półkuli południowej.

Wiadomo, że Ziemia nie ma dokładnie kulistego kształtu. Jeśliby tak było to wówczas łuki południka pozwalałyby na wyznaczenie identycznej wartości promienia ziemskiego.

Na skutek zmiennej krzywizny południka wartości łuków, które odpowiadają różnicy szerokości geograficznej wynoszącej jeden stopień także zmieniają się wraz ze zmianą szerokości geograficznej.

Powstała wątpliwość jaki naprawdę jest kształt naszej planety. Czy jest ona wydłużoną elipsoidą czy też elipsoidą spłaszczoną na biegunach? W celu wyjaśnienia tego problemu w pierwszej połowie osiemnastego wieku zostały zorganizowane dwie wyprawy. Jedna podążyła w kierunku równika, a druga udała się do Laponii. Podobne pomiary prowadzono także we Francji. Uzyskane wyniki pozwoliły na porównanie kształtu ziemi w przybliżeniu do spłaszczonej elipsoidy obrotowej. Bryła taka powstaje dzięki obrotowi elipsy wokół małej osi elipsy. Dla Ziemi taką małą oś stanowi średnica mierzona od bieguna do bieguna.

Przed naukowcami powstał teraz problem konstrukcji modelu Ziemi o takich rozmiarach , które byłyby najbardziej bliskie wymiarom naszej planety. Okazało się, ze należy najpierw uściślić pewne pojęcia m.in. to co rozumie się pod pojęciem powierzchni Ziemi. W celu obliczenia rozmiarów elipsoidy konieczna jest znajomość wartości promienia równikowego oraz biegunowego.

Bardzo ważnym punktem w historii nauki było wyznaczenie masy Ziemi. Dokładne określenie tej wartości stało się konieczne po to aby móc wyrażać masy innych ciał niebieskich w odniesieniu do Ziemi. Do wyznaczenia masy naszej planety może posłużyć prosty eksperyment. Należy mianowicie porównać siłę przyciągania między ciałami o znanych masach z siłą z jaką ciała te są przyciągane przez Ziemię. I tak uzyskano wartość równą około 5.97 *10²⁴ kg.

Bardzo ciekawe zjawisko dotyczące ziemi zostało zaobserwowane pod koniec tak osiemdziesiątych dziewiętnastego wieku przez Kutnera. Mianowicie odkrył on, że dochodzi do niewielkich zmian szerokości geograficznej. Zmiany te są symetryczne i dotyczą punktów odległych o 180 stopni. W jednym z punktów dochodzi do zmniejszenia szerokości geograficznej a w drugim do zwiększenia o dokładnie taką samą wartość. Zastanawiające stało się dlaczego dochodzi do takich zmian. Wydaje się, ze jedynym wytłumaczeniem jest zmiana lokalizacji biegunów. Problem ten okazał się na tyle interesujący, że od roku 1899 rozpoczęto regularne obserwacje tego zjawiska.

Dane otrzymywane ciągle ze stacji pomiarowych wskazują, że wahania bieguna nie SA większe niż 20 metrów. Odpowiada to zmianom szerokości geograficznej mniej więcej o około 0",7.

Badania tego typu są prowadzone także na terenie naszego kraju. Stacja badawcza mieści się w miejscowości Borowiec koło Poznania.

Wyniki badań stacji z całego świata pozwoliły na wykrycie pewnej prawidłowości. Okazuje się, że okres zmian jednej ze składowych zmiany lokalizacji bieguna wynosi około 14 miesięcy a drugiej około 12 miesięcy.

Po tym wstępie warto przyjrzeć się dokładniejszym informacjom o naszej planecie.

Wielka półoś orbity Ziemi ma długość 149.6 mln km, zaś nachylenie do płaszczyzny ekliptyki wynosi 23°27'. Ze względu na spłaszczenie tej planety jej dłuższy promień, równikowy ma długość 6378,245 km, a krótszy, biegunowy - 6356,863 km.

Czas obiegu Ziemi wokół Słońca wynosi 365,2564 dni, natomiast okres obrotu Ziemi wokół własnej osi wynosi 23 h 56 m 4,09 s i ulega wydłużeniu o ok. 1/1000 s w ciągu 100 lat. Obrót tej planety wokół własnej osi powoduje istnienie naprzemiennych okresów dnia i nocy, natomiast okrążanie Ziemi wokół Słońca, wraz z jej nachyleniem w stosunku do ekliptyki decyduje o występowaniu chłodniejszych i cieplejszych okresów w ciągu roku. Dodatkowo, występowanie stref klimatycznych na Ziemi uwarunkowane jest nachyleniem osi planety w stosunku do ekliptyki.

Okres precesji osi Ziemi to 26 tysięcy lat. Jej masa wynosi 5,975 x 10²⁴ kg, a jej średnia gęstość 5520 kg/m³. Wiele danych odnośnie mas w astronomii stanowią dane wynikające z porównania masy Ziemi i innych ciał niebieskich. Jest to jedyna możliwość poznania tychże wartości, stąd dokładne wyznaczenie masy Ziemi było niezwykle istotne. Ze spłaszczenia Ziemi wynika fakt, że przyspieszenie na jej powierzchni jest zależne od szerokości geograficznej i wynosi 9,7805 ( 1 + 0,00529 sin2) m/s².

W skład atmosfery naszej planety wchodzą: azot - 78%, tlen - 21%, argon - ok.1% oraz dwutlenek węgla, para wodna i inne gazy w śladowych ilościach.

Ziemia jest przykładem planety skalistej. Wokół Ziemi krąży jeden naturalny satelita - Księżyc oraz, od roku 1957 liczne sztuczne satelity, elektroniczne obiekty zbudowane na Ziemi.

Występujące w jądrze zewnętrznym Ziemi intensywne prądy konwekcyjne powodują masowy ruch elektronów, czego wynikiem jest istnienie magnetycznego pola tej planety. Obszar oddziaływania tego pola wokół Ziemi nazywany jest magnetosferą. Wewnątrz magnetosfery istnieją dwa pasy o wyższym niż średnia zagęszczeniu cząstek, głównie protonów i elektronów, które przechwycone zostały przez ziemskie pole magnetyczne. Magnetosfera Ziemi chroni ją przed szkodliwym dla organizmów żywych promieniowaniem słonecznym.

W budowie Ziemi rozróżniamy kilka warstw. Najbardziej zewnętrzną jest skorupa ziemska. Sięga ona do głębokości około 50-60 km w głąb planety, do strefy zwanej powierzchnią Mohorovicicia, gdzie następuje silna zmiana gęstości ośrodków. Strefa taka jest powierzchnią silnie refleksyjną dla fal sejsmicznych. Fale te są ważnym źródłem informacji o wgłębnej budowie Ziemi. Skorupę tą, ze względu na skład chemiczny oraz miąższość, dzielimy na kontynentalną i oceaniczną.

Poniżej skorupy ziemskiej znajduje się warstwa zwana płaszczem Ziemi. Sięga on w głąb do głębokości 2890 km. Płaszcz dzieli się pod względem budowy na dwie części. Płaszcz górny (zewnętrzny), zbudowany ze związków krzemu, magnezu, żelaza, chromu, o średniej gęstości 4 000 kg/m³. Ta część płaszcza ma grubość od 80 do 150 km. Jest to strefa, w której odbywają się wszelkie zjawiska i procesy tektoniczne. Płaszcz dolny (wewnętrzny) budują głównie związki niklu, krzemu, żelaza i magnezu. Gęstość jego wynosi od 5 000 do 6 600 kg/m³. W strefie tej zachodzą powolne ruchy konwekcyjne.

Następne w kolejności to jądro. Zbudowane jest ono przede wszystkim z żelaza. Pozostałe składniki to nikiel i krzem. Również jądro dzieli się na dwie podstrefy: jądro zewnętrzne i jądro wewnętrzne. Jądro zewnętrzne jest ciekłe. Składa się ono głównie z żelaza oraz niklu, a także w niewielkiej ilości z pierwiastków lekkich. Jego grubość to około 3500 km. Jądro wewnętrzne, ze względu na ogromne wywierane nań ciśnienie, jest stałe. Ma ono promień 1250 km. Składa się ono głównie z żelaza, być może z niewielka domieszką niklu.

Na powierzchni Ziemi wyróżniamy trzy sfery: hydrosferę, biosferę i atmosferę. Do hydrosfery zaliczamy oceany, morza, rzeki, jeziora, bagna, wody podziemne, lodowce, a także parę wodną. Jest ona więc wodną powłoką Ziemi. Biosfera zaś, to cała sfera życia, które rozwinęło się na tej planecie. Atmosfera, to wspomniana wcześniej gazowa otoczka Ziemi, składająca się głównie z tlenu oraz azotu.