Земля

Землю мы знаем изнутри. Поэтому её легче принять за фон, чем рассмотреть как физическое тело. Горизонт скрывает кривизну, воздух кажется пустотой, океан — поверхностью, а сила тяжести вообще не выглядит отдельным явлением.

Средний радиус Земли равен 6371 километру. Планета обращается вокруг Солнца за 365,256 суток, а оборот относительно далёких звёзд совершает за 23 часа 56 минут 4 секунды. Привычные 24 часа относятся к возвращению Солнца на ту же сторону неба: за время вращения Земля проходит часть орбиты, и ей приходится довернуться ещё почти на градус.

На фотографии Земля круглая; точные измерения обнаруживают сплюснутость у полюсов. Ещё точнее форму описывает геоид — поверхность одинакового гравитационного потенциала, близкая к среднему уровню моря.

Вода как часть машины

Океан покрывает около 71 процента поверхности, но важна не сама площадь. Вода переносит тепло течениями, испаряется, образует облака, выпадает осадками, разрушает породы и возвращает растворённые вещества в море. Лёд отражает больше солнечного света, чем тёмная вода; водяной пар сам является парниковым газом. Гидросфера, атмосфера и каменная оболочка работают как одна система.

На расстоянии Земли от Солнца вода может долго существовать сразу в трёх фазах. Умеренная температура не получается одним расстоянием. Без естественного парникового эффекта средняя температура поверхности была бы примерно на 33 градуса ниже. Молекулы водяного пара, углекислого газа и других газов поглощают часть уходящего инфракрасного излучения.

Дополнительный углекислый газ усиливает этот эффект. Его влияние видно в лабораторных спектрах, спутниковом излучении и энергетическом балансе планеты; «парниковый» здесь обозначает конкретный механизм переноса энергии.

Каменная поверхность, которая исчезает

Земная литосфера разбита на плиты. Они расходятся у срединно-океанических хребтов, сталкиваются, скользят вдоль разломов, а океаническая плита может погружаться в мантию в зоне субдукции. Скорости обычно составляют сантиметры в год. Этого мало для одного дня и достаточно, чтобы за десятки миллионов лет закрыть океан.

Идея дрейфа материков долго оставалась спорной: сходство берегов и ископаемых ещё не показывало двигателя движения. После Второй мировой войны эхолоты и магнитометры исследовали морское дно. По обе стороны хребтов обнаружились симметричные полосы намагниченности. Базальт застывает, сохраняя направление поля, а земное поле много раз меняло полярность. Полосы стали датированной записью рождения нового дна.

Почти вся океаническая кора моложе 200 миллионов лет: её постоянно создают и перерабатывают. Луна сохраняет кратеры миллиарды лет, а Земля стирает свои страницы и пишет поверх них.

Самая глубокая скважина не прошла даже через кору. Внутреннее строение восстановлено главным образом по сейсмическим волнам. После землетрясения станции по всей планете получают разные волны в разное время. Тени S-волн выдают жидкое внешнее ядро; преломление P-волн позволяет определить границы и приблизительные скорости в слоях.

В центре находится твёрдое внутреннее ядро радиусом около 1221 километра. Его окружает жидкое внешнее ядро из железа и никеля, затем мантия толщиной примерно 2900 километров и тонкая кора.

Движение проводящего металла во внешнем ядре поддерживает геодинамо и магнитное поле. Оно отклоняет значительную часть солнечного ветра, захватывает частицы в радиационных поясах и направляет часть к полюсам, где возникают сияния. Обращения полярности записаны в породах.

Воздух, который видно по поглощённому свету

Сухой воздух у поверхности содержит около 78 процентов азота и 21 процента кислорода; остальное приходится главным образом на аргон, а доля углекислого газа измеряется сотыми долями процента. Малое содержание не означает малого влияния. Спектрометр различает молекулы по длинам волн, которые они поглощают и излучают.

Атмосфера не имеет твёрдой верхней границы. Большинство погоды происходит в тропосфере. Выше лежит стратосфера с озоновым слоем, поглощающим значительную часть ультрафиолета. Ещё выше разреженный газ взаимодействует с солнечным излучением и заряженными частицами.

Жизнь изменила наблюдаемый облик планеты. Кислород современной атмосферы поддерживается фотосинтезом; растительность меняет спектр суши; фитопланктон участвует в углеродном цикле. Жизнь стала частью планетной химии.

Климат хранится в нескольких архивах

Погода меняется за часы, океанские течения — за месяцы и годы, ледниковые щиты — за столетия, а углерод между атмосферой, океаном и породами может переходить миллионы лет. Один жаркий день ничего не доказывает о климате, как одна холодная зима его не опровергает. Нужны статистика и энергетический баланс на достаточно долгих интервалах.

Ледяные керны сохраняют пузырьки древнего воздуха. Изотопный состав льда связан с температурой выпадения снега, годичные слои дают шкалу времени, а пыль и вулканический пепел связывают разные архивы. Морские отложения, кольца деревьев и кораллы продолжают запись другими способами. Ни один архив не идеален; совпадение независимых свидетельств позволяет отделить глобальное изменение от местного шума.

Тектоника участвует в долгом углеродном цикле. Углекислый газ растворяется в воде, химически разрушает силикатные породы и оказывается в карбонатах. Субдукция уносит часть вещества внутрь, вулканы возвращают углерод в атмосферу. Скорости малы, зато механизм работает миллионы лет и связывает климат с внутренним теплом.

Земля — единственный мир, где жизнь подтверждена непосредственно. По одному примеру нельзя вычислить её редкость. Если превратить Землю в один пиксель, облака изменят яркость, океан даст поляризацию, кислород и водяной пар оставят спектральные полосы. Мы учимся узнавать живую планету, притворяясь, что не знаем ответа заранее.

Как измеряют целую Землю

Метеорологический спутник видит движение облаков. Радиометр измеряет отражённый свет и тепловое излучение. Радар посылает собственный сигнал, поэтому работает ночью и на некоторых длинах волн проходит сквозь облака. Лазерный высотомер измеряет время полёта короткого импульса.

Ни один снимок не является «Землёй вообще». Карта цвета океана, влажности почвы, высоты льда или концентрации аэрозоля отвечает на свой вопрос. Современный образ планеты складывается из измерений, сделанных в разное время и в разных диапазонах.