Строежът на Земята — урок по география

1. Земята на пластове

Земята е изградена от вложени една в друга обвивки с различен състав и плътност. Най-отгоре е – тънка като кората на ябълка, под 1% от обема на планетата. Под нея е – около 84% от обема, от горещи, но твърди силикатни скали. В центъра е ядрото от желязо и никел: е течно, а – твърдо, защото огромното налягане (около 3,6 милиона атмосфери) не му позволява да се стопи.

Обвивка	Дълбочина, km	Плътност, g/cm³	Състояние
Земна кора	0 – 5…70	2,7 – 3,0	твърда; континентална 30–50 km (до 70 km под Хималаите), океанска 5–10 km
Горна мантия	до 660	3,3 – 4,0	твърда, но в астеносферата пластична
Долна мантия	660 – 2891	4,4 – 5,6	твърда; бавно „тече“ за милиони години
Външно ядро	2891 – 5150	9,9 – 12,2	течно желязо и никел
Вътрешно ядро	5150 – 6371	12,8 – 13,1	твърдо желязо и никел, около 5000 °C

Континенталната кора е по-дебела и по-лека (близо по състав до гранита), а океанската – тънка и по-плътна (базалт). Границата между кората и мантията се нарича – по името на хърватския сеизмолог, който я открива през 1909 г. Температурата расте навътре: в сондажите – с около 25–30 °C на километър, а в центъра на Земята вероятно е около 5000–6000 °C. Същото разделяне на кора, мантия и ядро имат и другите планети от земен тип (виж Планети от земен тип).

О

Литосфера и астеносфера

Литосферата е твърдата външна обвивка – кората заедно с най-горната част на мантията, дебела средно около 100 km. Под нея е астеносферата – по-гореща и пластична част на горната мантия, по която литосферата бавно се плъзга.

е разделена на плочи, които се движат по с няколко сантиметра годишно – за тях е следващият урок.

2. Сеизмичните вълни – рентген на Земята

При земетресение от огнището се разпространяват . Най-бързи са – надлъжни, те свиват и разтягат скалите по посоката на движение и минават през твърди тела, течности и газове. По-бавни са – напречни; те разклащат скалите встрани и не минават през течности. Какво са надлъжни и напречни вълни, е обяснено в урока Вълни.

Скоростта на вълните зависи от веществото и расте с дълбочината, затова лъчите се извиват и се връщат към повърхността. На границите между слоевете вълните се пречупват и отразяват като светлината. На границата с течното ядро P вълните рязко се забавят и се пречупват навътре, а S вълните спират. Така се получава – на около 104°–140° от огнището P вълните почти не стигат, а S вълни няма нито там, нито по-нататък.

Синьо – лъчи, които се обръщат в мантията; жълто – през външното ядро; червено – през вътрешното ядро; лилаво – S, спрени от течното ядро.

ъгъл, °30

стига на30° от огнищетовреме6,1 minнай-дълбоко782 km

Пример

Станция на 120° от огнището записва силни S вълни. Как това противоречи на модела с течно външно ядро?

Лъчите, които се обръщат в мантията, стигат най-много до около 100°–104°.
По-далеч може да се стигне само през ядрото. S вълните не минават през течност, така че на 120° не трябва да има директни S вълни.
Такъв запис би означавал, че ядрото е твърдо. Тъй като станциите по целия свят не записват директни S вълни отвъд около 104°, през 1926 г. Харолд Джефрийс заключава, че външното ядро е течно.

3. Колко тежко е ядрото?

Масата на Земята се намира от гравитацията (от движението на Луната и спътниците), а обемът – от радиуса. Средната плътност излиза 5,51 g/cm³ – два пъти повече, отколкото на скалите по повърхността. Значи навътре веществото е много по-плътно. Втора улика дава моментът на инерция: колкото повече маса е съсредоточена в центъра, толкова по-малък е той. За еднородно кълбо $I = 0{,}4\,MR^2$ , а за Земята – $0{,}331\,MR^2$ .

Т

Средна плътност

\bar\rho = \dfrac{M}{\frac43 \pi R^3} = \dfrac{5{,}97 \cdot 10^{24}\ \mathrm{kg}}{\frac43 \pi (6{,}371 \cdot 10^{6}\ \mathrm{m})^3} \approx 5510\ \mathrm{kg/m^3} = 5{,}51\ \mathrm{g/cm^3}

В лабораторията Земята е само от два еднородни слоя – мантия и ядро. Избери радиуса на ядрото и плътността на мантията. Плътността на ядрото се пресмята така, че средната да остане 5,51, а моделът се проверява с момента на .

Плъзгачите: радиусът на ядрото като част от радиуса на Земята и плътността на мантията в g/cm³.

r / R0,55ρ мант.3,3

плътност на ядрото16,6 g/cm³I / (M R²)0,288

Масата е твърде струпана в центъра.

При истинския радиус на ядрото (3480 km) двуслойният модел дава ядро с плътност около 12,5 g/cm³ – повече от желязото на повърхността (7,9 g/cm³). Под налягане от милиони атмосфери желязото се свива и плътността му наистина е 10–13 g/cm³. В действителност и мантията става все по-плътна надолу, затова точните модели дават малко по-леко ядро, с около 32% от масата на Земята.

4. Изостазия – кората плава

За милиони години мантията се държи като много гъста течност и кората „плава“ в нея като дърво във вода. Това равновесие се нарича . Колкото по-висока е планината, толкова по-дълбоко се спуска коренът ѝ – точно както по-голям айсберг е по-дълбок под водата.

Т

Изостазия по Ейри

Колоните кора над еднаква дълбочина в мантията тежат еднакво. Планина с височина

h

има корен

r = h \cdot \dfrac{\rho_{\text{к}}}{\rho_{\text{м}} - \rho_{\text{к}}}

. При

\rho_{\text{к}} = 2{,}7

и

\rho_{\text{м}} = 3{,}3\ \mathrm{g/cm^3}

коренът е 4,5 пъти по-дълбок, отколкото планината е висока.

Вертикалният и хоризонталният мащаб са различни – дебелините са в km.

h, km4ρ кора2,7

корен18,0 kmдебелина на кората57,0 kmкорен : височина4,5 : 1

Масата на всяка колона до дълбочината на изравняване е една и съща – планината е уравновесена от лек корен.

Пример

Колко е дебела кората под планина, висока 3 km, ако нормалната кора е 35 km, а плътностите са 2,7 и 3,3 g/cm³?

Коренът: $r = 3 \cdot \frac{2{,}7}{3{,}3 - 2{,}7} = 3 \cdot 4{,}5 = 13{,}5$ km.
Дебелината: $35 + 3 + 13{,}5 = 51{,}5$ km – близо до наблюдаваното под Алпите.

5. Минерали и скали

Кората е изградена главно от осем елемента: кислород (около 46% от масата), силиций (28%), алуминий, желязо, калций, натрий, калий и магнезий. Те образуват – естествени твърди вещества с определен химичен състав и кристален строеж, като кварц, фелдшпат, слюда и калцит. Познати са над 5000 минерала, но кората е изградена главно от няколко десетки. Скалите са естествени съчетания от един или няколко минерала.

Скали	Как се образуват	Примери в България
магмени	изстиване на магма – в дълбочина (гранит) или на повърхността (базалт)	гранитите на Рила, сиенитът на Витоша
седиментни	натрупване и спояване на частици от разрушени скали, черупки и утайки	пясъчниците на Белоградчишките скали, варовиците на Предбалкана
метаморфни	преобразуване на скали при високо налягане и температура, без да се стопят	мраморите на Пирин, гнайсите в Родопите

, и скали непрекъснато се превръщат едни в други. Това е . Двигателите му са вътрешната топлина на Земята (стопяване, метаморфизъм, издигане) и слънчевата енергия, която движи водата и вятъра и разрушава скалите на повърхността.

Пример

Гранитът на Рила се е образувал от магма на няколко километра дълбочина. Как се е озовал на повърхността?

Магмата изстива бавно в дълбочина – затова кристалите в гранита са едри и се виждат с просто око.
После скалите отгоре са разрушени и отнесени от водата и ледниците. Кората изплува изостатично и издига гранита все по-нагоре.
Днес на повърхността гранитът също се разрушава и пясъкът му ще образува нови седиментни скали – кръгът продължава.

6. Тренажор

✅ Решени: 0🔥 Серия: 0🏆 Рекорд: 0

\text{ерозия } 3\ \mathrm{km},\ \rho_{\text{к}} = 2{,}8,\ \rho_{\text{м}} = 3{,}5

С колко метра се понижава върхът, след като кората изплува?

7. Недрата в числа

0 / 4

🕳️ Най-дълбоката дупка

Колската свръхдълбока сондажна дупка в Русия стига 12 262 m (1989 г.). Колко процента от радиуса на Земята (6371 km) е това?

🌡️ Горещо в дълбочина

В сондаж температурата расте с около 30 °C на километър, а на повърхността е 12 °C. Колко топли са скалите на 3 km дълбочина?

🧊 Лед върху Гренландия

В средата на Гренландия ледът е дебел около 3 km. С колко метра е потънала кората под него? Плътността на леда е 0,917 g/cm³, а на мантията – 3,3 g/cm³.

📡 През центъра на Земята

P вълна минава право през центъра на Земята – 12 742 km – със средна скорост около 10,5 km/s. След колко минути стига до другия край?

Зелено – решена сам(а), жълто – с решението. Десетичните числа може да пишеш със запетая.

8. ⚠️ Чести грешки

Мантията

✗ Мантията е разтопена лава.

✓ Мантията е твърда; само на места се топи частично. Пластична е за милиони години, не за секунди.

Ядрото

✗ Цялото ядро е течно.

✓ Външното ядро е течно, а вътрешното – твърдо заради огромното налягане.

Литосфера и кора

✗ Литосферата е друго име на земната кора.

✓ Литосферата е кората плюс най-горната твърда част на мантията – около 100 km.

Откъде знаем

✗ Учените са сондирали до ядрото.

✓ Най-дълбокият сондаж е 12,3 km; за дълбоките слоеве знаем от сеизмичните вълни, плътността и метеоритите.

Минерал и скала

✗ Гранитът е минерал.

✓ Гранитът е скала, изградена от минералите кварц, фелдшпат и слюда.

Корените на планините

✗ Под планините кората е най-тънка.

✓ Под тях кората е най-дебела – има корени, които плават в мантията.

9. 🎯 Бърз тест

1 / 8

✓ 0

Коя е най-тънката обвивка на Земята?

Избери отговор (или натисни 1–4)

10. 📝 Задачи за упражнение

0 / 0

Ниво А· Областен кръг

Ниво В· Национален кръг

Ниво С· Международна олимпиада

11. Обобщение

✓ Земята има кора, мантия, течно външно и твърдо вътрешно ядро от желязо и никел
✓ Континенталната кора е 30–50 km (до 70 km), океанската – 5–10 km; границата с мантията е на Мохоровичич
✓ Литосферата (кората и най-горната мантия) се движи по пластичната астеносфера
✓ P вълните са надлъжни и минават през всичко; S вълните са напречни и спират в течното ядро; сянката е на около 104°–140°
✓ Средната плътност е 5,51 g/cm³, а моментът на инерция – 0,331 MR²: масата е съсредоточена в плътно ядро
✓ Изостазия: кората плава в мантията; коренът е $h \cdot \frac{\rho_{\text{к}}}{\rho_{\text{м}} - \rho_{\text{к}}}$ , около 4,5 пъти височината
✓ Скалите са магмени, седиментни и метаморфни и непрекъснато се превръщат едни в други – кръговрат на скалите

💡 Интересен факт

Колската свръхдълбока сондажна дупка е пробивана почти 20 години. Когато спират на 12 262 m, температурата долу е около 180 °C – много повече от очакваното, и скалите стават пластични като пластелин. Учените очакват на около 7 km да стигнат границата между гранита и базалта. Тя не се оказва там: промяната в сеизмичните вълни е идвала от гранит, напукан и пропит с вода под високо налягане. Дори най-дълбоката дупка е пробила едва около една трета от континенталната кора.