Введение
Приближение формы Земли к сфере
Сферическая Земля, или кривизна Земли, относится к приближению формы Земли в виде сферы. Самое раннее задокументированное упоминание этой концепции датируется примерно V веком до нашей эры и встречается в трудах греческих философов. В III веке до н.э. эллинистическая астрономия установила приблизительно сферическую форму Земли как физический факт и вычислила её окружность. Эти знания постепенно распространялись по всему Старому Свету в период поздней античности и Средневековья. Практическим доказательством сферичности Земли стало кругосветное плавание Фердинанда Магеллана и Хуана Себастьяна Элькано (1519–1522). Концепция сферической Земли заменила более ранние представления о плоской Земле: в ранней месопотамской мифологии мир изображался в виде диска, плавающего в океане, над которым возвышался полусферический небесный свод, что послужило основой для ранних карт мира, таких как карты Анаксимандра и Гекатея Милетского. Другие представления о форме Земли включают семислойный зиккурат или космическую гору, упоминаемые в Авесте и древнеперсидских текстах (см. Семь климатов). Понимание того, что форма Земли точнее описывается как эллипсоид, относится к XVII веку, как описано Исааком Ньютоном в «Математических началах натуральной философии» (Principia). В начале XIX века было определено, что сплюснутость земного эллипсоида составляет примерно 1/300 (Деламбр, Эверест). Современное значение, определяемое Всемирной геодезической системой Министерства обороны США с 1960-х годов, близко к 1/298,25.
Причина
Земля достаточно массивна, чтобы сила гравитации поддерживала её приблизительно сферическую форму. Большая часть отклонений от сферической формы обусловлена центробежной силой, возникающей при вращении вокруг оси север-юг. Эта сила деформирует сферу, превращая её в сплюснутый эллипсоид.
Формирование
Солнечная система образовалась из пылевого облака, которое было, по крайней мере частично, остатком одной или нескольких сверхновых, создавших тяжелые элементы посредством нуклеосинтеза. Зерна материи аккрецировали посредством электростатического взаимодействия. По мере увеличения массы гравитация начала притягивать еще больше массы, высвобождая потенциальную энергию столкновений и преобразуя ее в тепло. Протопланетный диск также содержал большую долю радиоактивных элементов, чем современная Земля, поскольку эти элементы со временем распадались. Их распад дополнительно нагрел раннюю Землю и продолжает вносить вклад в ее внутренний тепловой бюджет. Таким образом, ранняя Земля была преимущественно жидкой. Сфера – единственная стабильная форма для невращающейся, гравитационно самопритягивающейся жидкости. Центростремительное ускорение, вызванное вращением Земли, больше на экваторе, чем на полюсах (где оно равно нулю), поэтому сфера деформируется в эллипсоид, представляющий собой форму с наименьшей потенциальной энергией для вращающегося флюида. Этот эллипсоид немного шире в районе экватора, чем идеальная сфера. Форма Земли также не идеально гладкая, поскольку она состоит из различных материалов разной плотности, которые оказывают немного различное гравитационное воздействие на единицу объема. Жидкость горячей, недавно образовавшейся планеты позволила более тяжелым элементам опуститься к центру, а более легким – подняться к поверхности, этот процесс известен как планетарная дифференциация. Это событие получило название «железная катастрофа»; наиболее распространенными тяжелыми элементами были железо и никель, которые в настоящее время формируют ядро Земли.
Поздние изменения формы и последствия
Хотя поверхностные породы Земли достаточно остыли, чтобы затвердеть, внешнее ядро планеты все еще достаточно горячее, чтобы оставаться жидким. Энергия продолжает высвобождаться: вулканическая и тектоническая активность воздвигла камни в холмы и горы и выбросила их из кальдер. Метеориты также образуют ударные кратеры и окружающие их валы. Однако, если высвобождение энергии от этих процессов прекращается, они со временем разрушаются и стремятся к состоянию с наименьшей потенциальной энергией, соответствующей форме эллипсоида. Погода, вызванная солнечной энергией, также перемещает воду, горные породы и почву, делая Землю слегка отклоняющейся от идеальной сферы. Земля имеет неровности, поскольку форма ее наименьшей потенциальной энергии ежедневно меняется под воздействием гравитации Солнца и Луны, движущихся относительно Земли. Это и вызывает приливы в океане, вода которого свободно течет, следуя изменяющемуся потенциалу.