Почему Земля имеет форму шара?

В галактике Млечный путь, по оценкам астрономов, как минимум триллион планет. Условия на этих планетах (давление, температура, химический состав атмосферы, скорость ветра и так далее) могут быть самыми разными. Но при этом у абсолютно всех планет есть одна общая черта: они имеют форму шара. Но почему? Почему не бывает планет в форме куба? Или кольца?

Допустим, ребёнок задаёт вам такой вопрос. Уверены, что сможете ответить?

1.

Почему Земля имеет форму шара?
Планеты Солнечной системы (в масштабе).

Справедливости ради стоит сразу сказать: далеко не все планеты представляют собой совершенный, идеальный шар. Например, спутник Сатурна Пан имеет форму… правильного пельменя!

А сплюснутость Юпитера видна даже в школьный телескоп. Он сплюснут, потому что вращается очень быстро — сутки на Юпитере длятся всего 10 часов! Пять часов ночь и пять часов день…

Кстати, наша с вами Земля тоже не правильный шарик. На языке науки её форма называется «эллипсоид вращения», а ещё более точно – «геоид».

Впервые понятие геоида в науку ввёл ещё знаменитый немецкий математик Карл Фридрих Гаусс. Геоид тоже слегка сплюснутый (хотя и не так сильно, как Юпитер), а ещё как бы «примятый», со своего рода «волнами» на поверхности. Связано это с особенностями строения нашей планеты – её масса распределяется (как на поверхности, так и глубоко внутри) неравномерно, отсюда и отклонения от идеальной математически правильной формы. Для школьной географии такими отклонениями можно пренебречь – но вот, скажем, для точной работы GPS-навигатора они исключительно важны!

Однако в целом, если не углубляться в подробности, и Юпитер, и Земля – «круглые». Как и все остальные планеты во Вселенной. Почему? И ладно бы все объекты во Вселенной были бы круглые. Но это не так! Скажем, многие астероиды и ядра комет обладают совершенно неправильной формой – они напоминают не мячики, а причудливой формы булыжники…

2.

Почему Земля имеет форму шара?
Ядро кометы Чурюмова-Герасименко. Ну и где тут «универсальная» шарообразность?

Звёзды тоже могут быть неправильной формы: да, наше с вами Солнце – «шарик», а вот, скажем, звезда Шелиак (она же Бета Лиры) имеет крайне причудливый вид: вытянутый шар, от которого тянется «рукав», закрученный в спираль.

3.

Почему Земля имеет форму шара?
Звезда Шелиак (вид в телескоп и реконструкция).

А звезда VFTS 352 из Большого Магелланова облака и вовсе выглядит как раскалённая «гантель».

4.

Почему Земля имеет форму шара?
Звезда VFTS 352 из Большого Магелланова Облака.

А вот планеты – шарики. Все! Почему? Почему Земля круглая?

Напряжённое ожидание… Барабанная дробь… Внимание, правильный ответ: потому что наша планета – капля.

«Что?! – скажете вы, – какая такая капля? Во-первых, капля – она сверху остренькая. Как слеза. А во-вторых, капля бывает только у воды или другой жидкости. А Земля – она сделана из гранита и базальта. А они – твёрдые!».

Мда. А ведь так хотелось обойтись без длинных объяснений…

Начнём с «во-первых». Характерную вытянутую форму «слезы» капля воды приобретает, когда стекает по поверхности, или же только-только начинает падать – скажем, с листа дерева после дождя. Но вот во время свободного падения капли воды (или любой другой жидкости) имеют форму шарика, иногда слегка неправильного, сплюснутого… Совсем как планеты…

5.

Почему Земля имеет форму шара?
Капли дождя в полёте.

Но почему капля приобретает именно шарообразную форму?

Как известно, капля воды состоит из молекул. Движущихся крохотных частичек. Молекул в капле непередаваемо много – примерно 40 секстиллионов. Вот столько:

40 000 000 000 000 000 000 000

Эти молекулы связаны между собой особыми силами – силами молекулярного сцепления. На поверхности воды образуется как бы натянутая «плёнка» из сцепленных друг с другом молекул. А дальше происходит нечто необыкновенное. Каждая из молекул как бы «стремится» к тому, чтобы тратить на поддержание связей с другими молекулами как можно меньше сил. Само собой, молекулы не являются живыми – но в данном случае ведут себя совсем как живые. Это явление можно описать языком дифференциальных уравнений, то есть высшей математики. Но, подозреваю, что такое объяснение вам не очень «зайдёт». Попробуем объяснить нагляднее и понятнее.

Возьмём детей из одного школьного класса – допустим, 30 человек. Вы можете даже уговорить своих одноклассников на такой «эксперимент» на школьном дворе. Будет весело, обещаю. Пускай они все возьмутся за руки и встанут в хоровод – как на новогоднем празднике, «вокруг ёлочки». И начнут двигаться, желательно как можно быстрее. Главное – не расцеплять руки! Если мы посмотрим на этот хоровод сверху, то убедимся, что он образует почти идеальный круг.

6.

Почему Земля имеет форму шара?
Остановите хоровод и расставьте детей так, чтобы они образовали НЕ круг. Скажем, треугольник. Или квадрат. Или даже пятиконечную звезду. Руки при этом НЕ расцепляем! А теперь отдадим команду – снова начинаем движение! Быстрее, ребята, быстрее!

Сохранит ли детский хоровод форму треугольника? Или квадрата? Нет! Как только он придёт в движение, буквально через пару-тройку секунд снова станет «кругленьким», «без углов». Происходит это потому, что каждый ребёнок в цепочке стремится тратить при движении как можно меньше сил, найти максимально комфортное положение. Примерно то же самое происходит при взаимодействии молекул воды внутри капли – и, если на неё не действуют никакие посторонние силы, она обязательно примет шарообразную форму.

Теперь «во-вторых». Да, «снаружи» наша Земля твёрдая. Она из камней, скал и так далее. Но «твёрдая снаружи» вовсе не означает «твёрдая внутри»! Планета Земля начала формироваться больше 4 с половиной миллиардов лет назад. Крохотные частички пыли, из которых состояла окружающая совсем молодое Солнце туманность, слипались в комочки, комочки – в комки побольше, ещё больше, ещё… Образовывались неправильной формы «булыжники» – многие из них дожили до наших дней, это те самые астероиды и ядра комет. Но многие сталкивались друг с другом, «сцеплялись», образуя всё более и более крупные небесные тела… Будущая Земля (учёные говорят «Протоземля») медленно росла, «пухла» в самом прямом смысле этого слова!

Шли тысячи лет. Земля стала настолько большой, что верхние её слои стали сильно, очень сильно давить на находящиеся в глубине. Как при игре в «кучу малу» на перемене – пока играет только 3-4 ребёнка, всем весело и хорошо. А если вдруг в кучу малу собрался весь класс? Тогда тем, кто окажется в самом низу, на полу, придётся очень даже несладко, правда? Вот и Протоземля – давление в её центре поднималось всё выше. А когда поднимается давление – обязательно поднимается температура, это обыкновенная школьная физика. 100 градусов, 500, 1000… Входящие в состав «булыжников» материалы начинают плавиться. Сперва олово, цинк, затем алюминий, кремний… При температуре +1800 градусов начинает плавиться железо. Жидкая зона начинает расширяться – более лёгкие материалы (алюминий, кремний) стремятся подняться «наверх», а более тяжёлые (железо, никель) – опуститься «вниз», к центру. И в какой-то момент оказывается, что вся Протоземля превратилась в гигантскую «каплю» из расплавленных железа и никеля, покрытую тонкой «корочкой» из силикатов и других лёгких соединений! А капля у нас приобретает форму… ну вы поняли.

7.

Почему Земля имеет форму шара?
Протоземля (рисунок художника).

Само собой, на этом история возникновения Земли не заканчивается. Земля продолжала расти, она сталкивалась с другими небесными телами, иногда очень крупными… Давление на глубине стало настолько огромным, что в самом центре планеты образовалось твёрдое железное ядро. Раскалённое до температуры +6500 градусов, это жарче, чем поверхность Солнца! Но всё-таки твёрдое. Вокруг твёрдого ядра находится жидкое ядро из расплавленных железа и никеля. Именно благодаря такому сложно устроенному ядру, кстати, у нашей планеты возникло магнитное поле… Выше жидкого ядра располагается вязкая мантия, а на самой поверхности – тонкая твёрдая кора.

Все другие планеты формировались схожим образом. Какие-то из них оказались больше Земли (как Юпитер), какие-то – меньше (как Меркурий или Марс). Какие-то из них остались активными (как Земля и Венера), какие-то уже давно остыли, «умерли» (снова как Марс или Меркурий) Но все они так или иначе проходили через «капельную», «полужидкую» фазу развития – и стали круглыми «шариками».

Вопрос для самопроверки: почему мелкие астероиды и ядра комет сохранили древнюю «неправильную» форму?

8.

Почему Земля имеет форму шара?
Тот самый спутник Сатурна Пан.

(Ответ: потому что они не смогли набрать достаточно большую массу, «не доросли». Температура внутри у них просто не смогла подняться до такой степени, чтобы горные породы внутри начали плавиться. Вот и всё.)

Поделиться этим:

Наука и технологии 30 июня, 2021 1 079 просмотров