8.1: المنظور العالمي

Last updated
Save as PDF

Page ID: 197147

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

أهداف التعلم

في نهاية هذا القسم، ستكون قادرًا على:

وصف مكونات الجزء الداخلي للأرض وشرح كيف حدد العلماء هيكلها
حدد أصل وحجم ومدى المجال المغناطيسي للأرض

الأرض عبارة عن كوكب متوسط الحجم يبلغ قطره حوالي 12,760 كيلومترًا (الشكل\(\PageIndex{1}\)). كواحد من الكواكب الداخلية أو الأرضية، فإنه يتكون أساسًا من عناصر ثقيلة مثل الحديد والسيليكون والأكسجين - تختلف تمامًا عن تكوين الشمس والنجوم، والتي تهيمن عليها عناصر الضوء الهيدروجين والهيليوم. مدار الأرض دائري تقريبًا، والأرض دافئة بما يكفي لدعم الماء السائل على سطحها. إنه الكوكب الوحيد في نظامنا الشمسي الذي ليس حارًا جدًا ولا باردًا جدًا، ولكنه «مناسب تمامًا» لتطور الحياة كما نعرفها. تم تلخيص بعض الخصائص الأساسية للأرض في الجدول\(\PageIndex{1}\).

بديل — الشكل\(\PageIndex{1}\): الرخام الأزرق. تُعرف هذه الصورة للأرض من الفضاء، التي التقطها رواد فضاء أبولو 17، باسم «الرخام الأزرق». هذه واحدة من الصور النادرة للأرض الكاملة التي تم التقاطها خلال برنامج Apollo؛ تعرض معظم الصور جزءًا فقط من قرص الأرض في ضوء الشمس. (الائتمان: تعديل العمل من قبل وكالة ناسا)

الجدول\(\PageIndex{1}\): بعض خصائص الأرض
الملكية	القياس
محور شبه رئيسي	1.00 أغسطس
الفترة	1.00 عام
الكتلة	5.98 × 10 ²⁴ كجم
القطر	12,756 كم
شعاع	6378 كم
سرعة الهروب	11.2 كم/ثانية
فترة الدوران	23 ساعة 56 م 4 ثانية
مساحة السطح	5.1 × 10 ⁸ كم ²
الكثافة	5.514 جم/سم ³
الضغط الجوي	1.00 بار

التصميم الداخلي للأرض

من الصعب دراسة الجزء الداخلي من الكوكب - حتى أرضنا، ويجب تحديد تكوينه وهيكله بشكل غير مباشر. تجربتنا المباشرة الوحيدة هي مع الجلد الخارجي لقشرة الأرض، وهي طبقة لا يزيد عمقها عن بضعة كيلومترات. من المهم أن نتذكر أننا، من نواح كثيرة، نعرف أقل عن كوكبنا بخمسة كيلومترات تحت أقدامنا مما نعرفه عن أسطح كوكب الزهرة والمريخ.

تتكون الأرض بشكل كبير من المعدن وصخور السيليكات (انظر قسم تكوين وهيكل الكواكب). معظم هذه المواد في حالة صلبة، لكن بعضها ساخن بما يكفي للصهر. تم فحص بنية المواد في داخل الأرض بتفصيل كبير من خلال قياس انتقال الموجات الزلزالية عبر الأرض. هذه موجات تنتشر عبر باطن الأرض من الزلازل أو مواقع الانفجار.

تنتقل الموجات الزلزالية عبر كوكب مثل الموجات الصوتية عبر جرس مطروق. مثلما تختلف الترددات الصوتية اعتمادًا على المادة التي يتكون منها الجرس وكيفية بنائه، لذلك تعتمد استجابة الكوكب على تكوينه وهيكله. من خلال مراقبة الموجات الزلزالية في مواقع مختلفة، يمكن للعلماء التعرف على الطبقات التي انتقلت من خلالها الأمواج. تنتقل بعض هذه الاهتزازات على طول السطح؛ بينما يمر البعض الآخر مباشرة عبر الداخل. أظهرت الدراسات الزلزالية أن الجزء الداخلي للأرض يتكون من عدة طبقات متميزة بتركيبات مختلفة، كما هو موضح في الشكل\(\PageIndex{1}\). عندما تنتقل الموجات عبر مواد مختلفة داخل الأرض، تنحني الموجات - تمامًا مثل موجات الضوء في عدسات التلسكوب - (أو تنكسر) بحيث تستقبل بعض المحطات الزلزالية على الأرض الموجات وتكون الأخرى في «الظل». يساعد اكتشاف الموجات في شبكة من أجهزة قياس الزلازل العلماء على بناء نموذج لداخل الأرض، يُظهر الطبقات السائلة والصلبة. لا يختلف هذا النوع من التصوير الزلزالي عن ذلك المستخدم في الموجات فوق الصوتية، وهو نوع من التصوير يستخدم للرؤية داخل الجسم.

الطبقة العليا هي القشرة، الجزء من الأرض الذي نعرفه جيدًا (الشكل\(\PageIndex{3}\)). تغطي القشرة المحيطية 55٪ من سطح الأرض وتقع في الغالب تحت المحيطات. يبلغ سمكها عادة حوالي 6 كيلومترات وتتكون من صخور بركانية تسمى البازلت. يتم إنتاج البازلت عن طريق تبريد الحمم البركانية، وهو مصنوع أساسًا من عناصر السيليكون والأكسجين والحديد والألمنيوم والمغنيسيوم. تغطي القشرة القارية 45٪ من السطح، وبعضها يقع أيضًا تحت المحيطات. يبلغ سمك القشرة القارية من 20 إلى 70 كيلومترًا وتتكون في الغالب من فئة بركانية مختلفة من السيليكات (الصخور المصنوعة من السيليكون والأكسجين) تسمى الجرانيت. عادةً ما تبلغ كثافة هذه الصخور القشرية، المحيطية والقارية، حوالي 3 جم/سم ³. (للمقارنة، تبلغ كثافة الماء 1 جم/سم ³.) القشرة هي أسهل طبقة يمكن للجيولوجيين دراستها، لكنها تشكل حوالي 0.3٪ فقط من إجمالي كتلة الأرض.

يمتد الجزء الأكبر من الأرض الصلبة، المسمى الوشاح، من قاعدة القشرة إلى عمق 2900 كيلومترًا. يكون الوشاح صلبًا إلى حد ما، ولكن عند درجات الحرارة والضغوط الموجودة هناك، يمكن أن تتشوه صخرة الوشاح وتتدفق ببطء. تزداد الكثافة في الوشاح نزولًا من حوالي 3.5 جم/سم ³ إلى أكثر من 5 جم/سم 3 نتيجة للضغط الناتج عن وزن المادة المغطاة. يتم أحيانًا إخراج عينات من مادة الوشاح العلوي من البراكين، مما يسمح بإجراء تحليل مفصل لكيمياءها.

بدءًا من عمق 2900 كيلومترًا، نواجه النواة المعدنية الكثيفة للأرض. يبلغ قطر قلبنا 7000 كيلومتر، وهو أكبر بكثير من كوكب عطارد بأكمله. النواة الخارجية سائلة، لكن الجزء الأعمق من النواة (قطره حوالي 2400 كيلومتر) ربما يكون صلبًا. بالإضافة إلى الحديد، ربما يحتوي اللب أيضًا على كميات كبيرة من النيكل والكبريت، وكلها مضغوطة بكثافة عالية جدًا.

يعد فصل الأرض إلى طبقات ذات كثافة مختلفة مثالاً على التمايز، وهو عملية فرز المكونات الرئيسية للكوكب حسب الكثافة. تشير حقيقة اختلاف الأرض إلى أنها كانت ذات يوم دافئة بدرجة كافية حتى يذوب الجزء الداخلي منها، مما سمح للمعادن الثقيلة بالغرق إلى المركز وتشكيل النواة الكثيفة. تأتي الأدلة على التمايز من مقارنة الكثافة الظاهرية للكوكب (5.5 جم/سم ³) مع المواد السطحية (3 جم/سم ³) للإشارة إلى أنه يجب دفن المواد الأكثر كثافة في النواة.

المجال المغناطيسي والغلاف المغناطيسي

يمكننا العثور على أدلة إضافية حول باطن الأرض من المجال المغناطيسي. يتصرف كوكبنا في بعض النواحي كما لو كان بداخله قضيب مغناطيسي عملاق، يتماشى تقريبًا مع الأقطاب الدورانية للأرض. يتم إنشاء هذا المجال المغناطيسي عن طريق نقل المواد في قلب الأرض المعدني السائل. عندما يدور المعدن السائل داخل الأرض، فإنه ينشئ تيارًا كهربائيًا دائريًا. عندما تتحرك العديد من الجسيمات المشحونة معًا بهذه الطريقة - في المختبر أو على مقياس كوكب بأكمله - فإنها تنتج مجالًا مغناطيسيًا.

يمتد المجال المغناطيسي للأرض إلى الفضاء المحيط. عندما يواجه جسيم مشحون مجالًا مغناطيسيًا في الفضاء، يصبح محاصرًا في المنطقة المغناطيسية. وفوق الغلاف الجوي للأرض، فإن حقلنا قادر على احتجاز كميات صغيرة من الإلكترونات والجسيمات الذرية الأخرى. تُعرَّف هذه المنطقة، التي تسمى الغلاف المغناطيسي، بأنها المنطقة التي يهيمن فيها المجال المغناطيسي للأرض على المجال المغناطيسي الضعيف بين الكواكب الذي يمتد للخارج من الشمس (الشكل\(\PageIndex{4}\)).

من أين تأتي الجسيمات المشحونة المحتبسة في غلافنا المغناطيسي؟ تتدفق إلى الخارج من سطح الشمس الساخن؛ وهذا ما يسمى بالرياح الشمسية. فهي لا توفر فقط الجسيمات للمجال المغناطيسي للأرض لحبسها، بل تعمل أيضًا على توسيع مجالنا في الاتجاه الذي يشير بعيدًا عن الشمس. عادةً ما يمتد الغلاف المغناطيسي للأرض حوالي 60،000 كيلومتر، أو 10 أنصاف أقطار الأرض، في اتجاه الشمس. ولكن في الاتجاه بعيدًا عن الشمس، يمكن أن يصل المجال المغناطيسي إلى مدار القمر، وأحيانًا أبعد.

تم اكتشاف الغلاف المغناطيسي في عام 1958 بواسطة أجهزة على أول قمر صناعي أمريكي للأرض، إكسبلورر 1، الذي سجل الأيونات (الجسيمات المشحونة) المحاصرة في الجزء الداخلي. غالبًا ما تسمى مناطق الأيونات عالية الطاقة في الغلاف المغناطيسي بأحزمة Van Allen تقديرًا لأستاذ جامعة أيوا الذي بنى الأجهزة العلمية لـ Explorer 1. منذ عام 1958، استكشفت مئات المركبات الفضائية مناطق مختلفة من الغلاف المغناطيسي. يمكنك قراءة المزيد عن تفاعلها مع الشمس في فصل لاحق.

المفاهيم الأساسية والملخص

الأرض هي الكوكب الأرضي النموذجي. يتم فحص تكوينها الداخلي وهيكلها باستخدام الموجات الزلزالية. تكشف مثل هذه الدراسات أن الأرض لها قلب معدني وغطاء سيليكات. تتكون الطبقة الخارجية، أو القشرة، بشكل أساسي من البازلت المحيطي والجرانيت القاري. ينتج المجال المغناطيسي العالمي، المتولد في القلب، الغلاف المغناطيسي للأرض، الذي يمكنه احتجاز الجسيمات الذرية المشحونة.

مسرد المصطلحات

بازلت: الصخور النارية الناتجة عن تبريد الحمم البركانية؛ تشكل معظم القشرة المحيطية للأرض وتوجد على الكواكب الأخرى التي شهدت نشاطًا بركانيًا واسعًا

نواة: الجزء المركزي من الكوكب؛ يتكون من مادة عالية الكثافة

قشرة: الطبقة الخارجية لكوكب أرضي

الجرانيت: نوع من صخور السيليكات النارية التي تشكل معظم القشرة القارية للأرض

الغلاف المغناطيسي: المنطقة المحيطة بكوكب يهيمن فيه المجال المغناطيسي الداخلي على المجال بين الكواكب الذي تنقله الرياح الشمسية؛ وبالتالي، المنطقة التي يمكن أن تحبس فيها الجسيمات المشحونة بواسطة المجال المغناطيسي الكوكبي

عباءة: الجزء الأكبر من باطن الأرض؛ يقع بين القشرة واللب

موجة زلزالية: اهتزاز ينتقل عبر باطن الأرض أو أي جسم آخر؛ على الأرض، يحدث هذا بشكل عام بسبب الزلازل