معلومات عن كوكب الأرض

كوكب الأرض

الأرض ، ثالث كوكب من حيث الحجم وخامس أكبر كوكب في المجموعة الشمسية من حيث الحجم والكتلة. الميزة الأكثر بروزًا لها هي أن بيئاتها القريبة من السطح هي الأماكن الوحيدة في الكون المعروف عنها أنها تؤوي الحياة. يتم تحديده بالرمز ♁. اسم الأرض باللغة الإنجليزية ، اللغة الدولية لعلم الفلك ، مشتق من الكلمات الإنجليزية والجرمانية القديمة للأرض والأرض ، وهو الاسم الوحيد لكوكب النظام الشمسي الذي لا يأتي من الأساطير اليونانية الرومانية.

منذ ثورة كوبرنيكوس في القرن السادس عشر ، وفي ذلك الوقت اقترح عالم الفلك البولندي نيكولاس كوبرنيكوس أن الشمس محورها نموذج الكون ( انظر نظام مركزية الشمس ) ، فقد اعتبر المفكرون المستنيرون الأرض كوكبًا مثل الكواكب الأخرى في النظام الشمسي. قدمت الرحلات البحرية المتزامنة دليلاً عمليًا على أن الأرض عبارة عن كرة أرضية ، تمامًا كما أظهر استخدام جاليليو للتلسكوب الذي اخترعه حديثًا في أوائل القرن السابع عشر ، سرعان ما أظهر العديد من الكواكب الأخرى على أنها كرات أرضية أيضًا. ومع ذلك ، فقط بعد فجر عصر الفضاء ، عندما التقطت الصور الفوتوغرافية للصواريخ والمركبات الفضائية التي تدور في مدارها لأول مرة الانحناء الدراماتيكي لأفق الأرض ، تم التحقق من مفهوم الأرض على أنها كوكب كروي تقريبًا وليس ككيان مسطح من قبل الإنسان المباشر .الملاحظة. رأى البشر الأرض لأول مرة على أنها كرة كاملة تطفو في الظلام الحبيبي للفضاء في ديسمبر 1968 عندما حملت أبولو 8 رواد فضاء حول القمر . مسابر الفضاء الروبوتية في طريقها إلى وجهات خارج الأرض ، مثل جاليليو ومركبة ملتقى الكويكب القريبة من الأرض (NEAR) في التسعينيات ، نظرت أيضًا إلى الوراء بكاميراتها لتقديم صور فريدة أخرى للكوكب.

عند النظر إليها من كوكب آخر في النظام الشمسي ، ستبدو الأرض مشرقة ومزرق اللون. أسهل رؤية من خلال تلسكوب كبير هي خصائص الغلاف الجوي ، وبشكل رئيسي أنماط السحب البيضاء الدوامة من خطوط العرض الوسطى والعواصف الاستوائية ، والتي تراوحت في أحزمة عرضية تقريبًا حول الكوكب . ستبدو المناطق القطبية أيضًا بيضاء ناصعة ، بسبب السحب أعلاه والثلج والجليد في الأسفل. تحت الأنماط المتغيرة للسحب ، ستظهر المحيطات ذات اللون الأزرق الداكن ، وتقطعها أحيانًا بقع رديئة من الأراضي الصحراوية . المناظر الطبيعية الخضراء التي تؤوي معظم حياة البشر لن تُرى بسهولة من الفضاء. لا يشكلون فقط جزء متواضع من مساحة الأرض ، والتي هي نفسها أقل من ثلث سطح الأرض ، لكنها غالبًا ما تحجبها السحب . على مدار الفصول ، يمكن ملاحظة بعض التغييرات في أنماط العواصف وأحزمة السحب على الأرض. ومن الأمور البارزة أيضًا النمو والركود في الغطاء الثلجي الشتوي عبر مناطق اليابسة في نصف الكرة الشمالي.

طبق العلماء البطارية الكاملة للأجهزة الحديثة لدراسة الأرض بطرق لم تكن ممكنة بعد بالنسبة للكواكب الأخرى ؛ وهكذا ، يعرف الكثير عن هيكلها وتكوينها . توفر هذه المعرفة التفصيلية ، بدورها ، نظرة أعمق حول الآليات التي يتم من خلالها تبريد الكواكب بشكل عام ، والتي يتم من خلالها إنشاء مجالاتها المغناطيسية ، والتي من خلالها يؤدي فصل العناصر الأخف عن العناصر الثقيلة أثناء تطوير الكواكب لبنيتها الداخلية إلى إطلاق طاقة إضافية من أجل العمليات الجيولوجية وتغيير التركيبات القشرية .

ينقسم سطح الأرض تقليديًا إلى سبع كتل قارية : إفريقيا والقارة القطبية الجنوبية وآسيا وأستراليا وأوروبا وأمريكا الشمالية وأمريكا الجنوبية . هذه القارات محاطة بخمس مسطحات مائية رئيسية: المحيط المتجمد الشمالي ، والمحيط الأطلسي ، والمحيط الهندي ، والمحيط الهادئ ، والمحيط الجنوبي . ومع ذلك ، فمن المناسب النظر في أجزاء منفصلة من الأرض من حيث الطبقات متحدة المركز ، كروية تقريبًا. تمتد من الداخل إلى الخارج ، وهي اللب ، والعباءة ، والقشرة (بما في ذلك السطح الصخري) ، والغلاف المائي(في الغالب المحيطات ، والتي تملأ الأماكن المنخفضة في القشرة) ، الغلاف الجوي (نفسه مقسم إلى مناطق كروية مثل التروبوسفير ، حيث يحدث الطقس ، والستراتوسفير ، حيث توجد طبقة الأوزون التي تحمي سطح الأرض وكائناتها من أشعة الشمس فوق البنفسجية) ، والغلاف المغناطيسي (منطقة هائلة في الفضاء حيث يهيمن المجال المغناطيسي للأرض على سلوك الجسيمات المشحونة كهربائيًا القادمة من الشمس).

يتم تلخيص المعرفة حول هذه الأقسام في هذه النظرة العامة الموجهة نحو الفلك. تكمل المناقشة العلاجات الأخرى الموجهة لعلوم الأرض وعلوم الحياة. يتم التعامل مع مجالها المغناطيسي في مجال المجال المغنطيسي الأرضي . يغطي التاريخ الجيولوجي للأرض التطور المبكر للأرض الصلبة وغلافها الجوي والمحيطات . تمت مناقشة التطور الجيولوجي والبيولوجي للأرض ، بما في ذلك ميزات سطحها والعمليات التي يتم من خلالها تكوينها وتعديلها ، في علم التاريخ الجيولوجي ، وتشكيل الأرض القاري، والصفائح التكتونية . يتم التعامل مع سلوك الغلاف الجوي ونطاقاته الخارجية الضعيفة والمتأينة في الغلاف الجوي ، بينما يتم وصف دورة المياه والسمات الهيدرولوجية الرئيسية في الغلاف المائي والمحيطات والنهر . يتم تغطية الأرض الصلبة كمجال للدراسة في العلوم الجيولوجية ، وتناقش الأساليب والأدوات المستخدمة لاستكشاف سطح الأرض وداخلها في استكشاف الأرض ، ويتم مسح تاريخ دراسة الأرض من العصور القديمة إلى العصر الحديث في علوم الأرض . النظام البيئي العالمي من الكائنات الحية وطبقاتها الداعمة للحياة مفصلة في المحيط الحيوي .

بيانات الكوكب الأساسية

يبلغ متوسط ​​المسافة بين الأرض والشمس حوالي 149.600.000 كيلومتر (92.960.000 ميل). يدور الكوكب حول الشمس في مسار يكون حاليًا أقرب إلى دائرة (أقل انحرافًا) من مدارات جميع الكواكب الأخرى باستثناء اثنين ، كوكب الزهرة ونبتون . تحدث الأرض ثورة واحدة ، أو مدارًا واحدًا كاملًا للشمس ، في حوالي 365.25 يومًا. اتجاه الثورة – عكس اتجاه عقارب الساعة كما يُنظر إليها من أسفل من الشمال – هي بنفس المعنى ، أو الاتجاه ، مثل دوران الشمس كما أن دوران الأرض ، أو دورانها حول محورها ، هو أيضًا بنفس المعنى ، وهو ما يسمى مباشرة أو تقدم. فترة الدوران ، أو طول اليوم الفلكي ( انظر اليوم ، الزمن الفلكي ) – 23 ساعة ، 56 دقيقة ، و 4 ثوان – تشبه فترة دوران المريخ . كوكب المشتري ومعظم الكويكبات لها أيام أقل من النصف ، في حين أن عطارد والزهرة لديهما أيام أكثر تقريبًا مماثلة لفتراتها المدارية. تبلغ درجة الإمالة 23.44 درجة ، أو يؤدي ميل محور الأرض إلى مستواها المداري ، النموذجي أيضًا ، إلى تسخين أكبر وساعات أكثر من ضوء النهار في أحد نصفي الكرة الأرضية أو الآخر على مدار عام ، وبالتالي فهو مسؤول عن التغير الدوري في الفصول .

مع نصف قطر استوائي يبلغ 6378 كم (3963 ميلاً) ، تعد الأرض أكبر الكواكب الأربعة الداخلية الأرضية (الصخرية) ، لكنها أصغر بكثير من عمالقة الغاز في النظام الشمسي الخارجي . تمتلك الأرض قمرًا صناعيًا طبيعيًا واحدًا ، وهو القمر ، الذي يدور حول الكوكب على مسافة متوسطة تبلغ حوالي 384.400 كيلومتر (238.900 ميل). القمر هو أحد أكبر الأقمار الصناعية الطبيعية في النظام الشمسي. فقط الكواكب العملاقة لها أقمار مماثلة أو أكبر في الحجم. يعتبر بعض علماء الفلك الكوكبي أن نظام الأرض والقمر كوكب مزدوج ، مع بعض التشابه في هذا الصدد مع الكوكب القزم بلوتو وأكبر أقماره ، شارون .

الأرض يتجلى مجال الجاذبية ( انظر الجاذبية ) على أنه القوة الجاذبة التي تعمل على جسم حر في حالة السكون ، مما يؤدي إلى تسارعه في الاتجاه العام لمركز الكوكب. تؤدي الانحرافات عن الشكل الكروي وتأثير دوران الأرض إلى اختلاف الجاذبية باختلاف خط العرض فوق سطح الأرض. يبلغ متوسط ​​تسارع الجاذبية عند مستوى سطح البحر حوالي 980 سم / ثانية 2 (32.2 قدم / ثانية 2 ).

تحافظ جاذبية الأرض على القمر في مداره حول الكوكب وتولد أيضا المد والجزر في الجسم الصلب للقمر. تتجلى هذه التشوهات في شكل انتفاخات طفيفة على سطح القمر ، لا يمكن اكتشافها إلا بواسطة الأدوات الحساسة. في المقابل ، كتلة القمر – الكبيرة نسبيًا بالنسبة لقمر صناعي طبيعي – تمارس قوة الجاذبية التي تسبب المد والجزر على الأرض. كما أن الشمس ، التي هي أبعد بكثير ولكنها أكثر كتلة بكثير ، ترفع المد والجزر على الأرض. ( انظر الميكانيكا السماوية: تطور المد والجزر .) المد والجزر هي الأكثر وضوحا مثل ارتفاعات وهبوط مياه المحيط مرتين يوميا ويوميا ، على الرغم من تحدث تشوهات المد والجزر في الأرض الصلبة وفي الغلاف الجوي أيضًا ( انظر المد ). حركة المياه في جميع أنحاء أحواض المحيط نتيجة للمد والجزر (وكذلك ، إلى حد أقل ، تشويه المد والجزر للأرض الصلبة) تبدد الطاقة الحركية المدارية كحرارة ، مما ينتج عنه تباطؤ تدريجي في دوران الأرض وتصاعد خارج مدار القمر. يؤدي هذا التباطؤ حاليًا إلى إطالة اليوم ببضعة آلاف من الثانية في كل قرن ، لكن معدل التباطؤ يختلف مع الوقت حيث تغير الصفائح التكتونية وتغيرات مستوى سطح البحر المناطق التي تغطيها الخلجان الداخلية. والبحار الضحلة. (لمزيد من البيانات المدارية والفيزيائية ،.)

الغلاف الجوي والغلاف المائي

تعتبر أغطية الغازات والسوائل المتطايرة بالقرب من سطح الأرض وفوقه ، جنبًا إلى جنب مع الطاقة الشمسية ، ذات أهمية قصوى لاستمرار الحياة على الأرض. يتم توزيعها وإعادة تدويرها في جميع أنحاء الغلاف الجوي والغلاف المائي للكوكب.

الجو الأرض

الأرض محاطة بجو رقيق نسبيًا (يُسمى عادة الهواء ) يتكون من خليط من الغازات ، النيتروجين الجزيئي بشكل أساسي (78 بالمائة) والأكسجين الجزيئي (21 بالمائة). توجد أيضًا كميات أصغر بكثير من الغازات مثل الأرجون (حوالي 1 في المائة) ، وبخار الماء (بمتوسط ​​1 في المائة ولكن متغير بدرجة كبيرة في الوقت والمكان) ، وثاني أكسيد الكربون (0.0395 في المائة [395 جزء في المليون] ويتزايد حاليًا) ، والميثان ( 0.00018 بالمائة [1.8 جزء في المليون] ويرتفع حاليًا) ، وغيرها ، جنبًا إلى جنب مع الجسيمات الدقيقة الصلبة والسائلة في المعلق.

نظرًا لأن الأرض لديها مجال جاذبية ضعيف (بحكم حجمها) ودرجات حرارة جوية دافئة (نظرًا لقربها من الشمس) مقارنة بالكواكب العملاقة ، فإنها تفتقر إلى أكثر الغازات شيوعًا في الكون التي تمتلكها: الهيدروجين والهيليوم . في حين أن كلا من الشمس والمشتري يتكونان في الغالب من هذين العنصرين ، إلا أنه لا يمكن الاحتفاظ بهما لفترة طويلة على الأرض المبكرة وتبخرهما بسرعة في الفضاء بين الكواكب . عالية محتوى الأكسجين في الغلاف الجوي للأرض خارج عن المألوف. الأكسجين هو غاز شديد التفاعل يتم دمجه في معظم الظروف الكوكبية مع مواد كيميائية أخرى في الغلاف الجوي والسطح والقشرة. في الواقع يتم توفيره بشكل مستمر من خلال العمليات البيولوجية ؛ بدون حياة ، لن يكون هناك أكسجين حر تقريبًا. 1.8 جزء في المليون من الميثان في الغلاف الجوي بعيد جدًا عن التوازن الكيميائي مع الغلاف الجوي والقشرة: فهو أيضًا من أصل بيولوجي ، مع مساهمة الأنشطة البشرية تفوق بكثير غيرها.

تمتد غازات الغلاف الجوي من سطح الأرض إلى ارتفاعات آلاف الكيلومترات ، لتندمج في النهاية مع الرياح الشمسية – تيار من الجسيمات المشحونة يتدفق إلى الخارج من المناطق الخارجية للشمس. يكون تكوين الغلاف الجوي ثابتًا إلى حد ما مع ارتفاع يصل إلى ارتفاع حوالي 100 كيلومتر (60 ميلاً) ، مع استثناءات خاصة تتمثل في بخار الماء والأوزون .

يتم وصف الغلاف الجوي بشكل شائع من حيث الطبقات أو المناطق المتميزة. يتركز معظم الغلاف الجوي في التروبوسفير ، الذي يمتد من السطح إلى ارتفاع حوالي 10-15 كم (6-9 أميال) ، اعتمادًا على خط العرض والموسم. يتم التحكم في سلوك الغازات في هذه الطبقة بواسطة الحمل . تتضمن هذه العملية الحركات المضطربة المتقلبة الناتجة عن طفو الهواء القريب من السطح الذي تدفئه الشمس . يحافظ الحمل الحراري على انخفاض التدرج الرأسي لدرجة الحرارة – أي انخفاض درجة الحرارة مع الارتفاع – بنحو 6 درجات مئوية (10.8 درجة فهرنهايت) لكل كيلومتر عبر طبقة التروبوسفير. في الجزء العلوي من طبقة التروبوسفير ، وهو ما يسمى تروبوبوز ، انخفضت درجات الحرارة إلى حوالي -80 درجة مئوية (-112 درجة فهرنهايت). التروبوسفير هي المنطقة التي يوجد بها كل بخار الماء تقريبًا وتحدث جميع الأحوال الجوية بشكل أساسي.

الجاف والضعيف يقع الستراتوسفير فوق طبقة التروبوسفير ويمتد إلى ارتفاع حوالي 50 كم (30 ميلاً). حركات الحمل الحراري ضعيفة أو غائبة في الستراتوسفير ؛ تميل الحركات بدلاً من ذلك إلى أن تكون موجهة أفقيًا. تزداد درجة الحرارة في هذه الطبقة مع الارتفاع.

في مناطق الستراتوسفير العليا ، يؤدي امتصاص الأشعة فوق البنفسجية من الشمس إلى تكسير الأكسجين الجزيئي (O 2 ) ؛ إعادة تركيب ذرات الأكسجين المفردة مع جزيئات O 2 في الأوزون (O 3 ) يخلق التدريع طبقة الأوزون .

فوق الستراتوبوز الدافئ نسبيًا هو أكثر هشاشة الميزوسفير ، حيث تنخفض درجات الحرارة مرة أخرى مع الارتفاع إلى 80-90 كم (50-56 ميل) فوق السطح ، حيث يتم تعريف الميزوبوس . درجة الحرارة الدنيا التي تم الحصول عليها هناك متغيرة للغاية مع الموسم . ثم ترتفع درجات الحرارة مع زيادة الارتفاع من خلال الطبقة العلوية المعروفة باسم الغلاف الحراري . أيضًا فوق حوالي 80-90 كم ، يوجد جزء متزايد من الجسيمات المشحونة أو المتأينة ، والتي تحدد من هذا الارتفاع إلى الأعلى الأيونوسفير . مرئي مذهل تتولد الشفق القطبي في هذه المنطقة ، لا سيما على طول مناطق دائرية تقريبًا حول القطبين ، عن طريق تفاعل ذرات النيتروجين والأكسجين في الغلاف الجوي مع رشقات عرضية من الجسيمات النشطة التي تنشأ من الشمس.

عام الأرض حركة الغلاف الجوي مدفوعة طاقة ضوء الشمس ، وهي أكثر وفرة في خطوط العرض الاستوائية. تتأثر حركة هذه الحرارة نحو القطبين بشدة بالدوران السريع للأرض وما يرتبط به قوة كوريوليس عند خطوط العرض بعيدًا عن خط الاستواء (مما يضيف مكونًا من الشرق إلى الغرب لاتجاه الرياح ) ، مما يؤدي إلى خلايا متعددة من الهواء المنتشر في كل نصف كرة. ينتج عن عدم الاستقرار ( الاضطرابات في تدفق الغلاف الجوي الذي ينمو بمرور الوقت) مناطق الضغط العالي المميزة والعواصف ذات الضغط المنخفض في خطوط العرض المتوسطة بالإضافة إلى الحركة السريعة باتجاه الشرق التيارات النفاثة في طبقة التروبوسفير العليا التي توجه مسارات العواصف. المحيطات هي خزانات ضخمة للحرارة تعمل إلى حد كبير على تخفيف التغيرات في درجات الحرارة العالمية للأرض ، لكن تياراتها ودرجات الحرارة المتغيرة ببطء تؤثر أيضًا على الطقس والمناخ ، كما هو الحال في ظاهرة النينيو / التذبذب الجنوبي ( انظر المناخ: الدوران ، التيارات ، والتفاعل بين المحيط والغلاف الجوي ؛ المناخ: النينيو / التذبذب الجنوبي والتغير المناخي ).

الغلاف الجوي للأرض ليس سمة ثابتة للبيئة . وبدلاً من ذلك ، فقد تطور تكوينه بمرور الوقت الجيولوجي بالتنسيق مع الحياة ويتغير بسرعة أكبر اليوم استجابةً للأنشطة البشرية. تقريبًا في منتصف الطريق عبر تاريخ الأرض ، وفرة الغلاف الجوي العالية بشكل غير عادي من الحرية بدأ الأكسجين في التطور ، من خلال التمثيل الضوئي بواسطة البكتيريا الزرقاء ( انظر الطحالب الخضراء المزرقة ) وتشبع أحواض السطح الطبيعية للأكسجين (على سبيل المثال ، المعادن التي تفتقر إلى الأكسجين نسبيًا والغازات الغنية بالهيدروجين المنبعثة من البراكين ). أتاح تراكم الأكسجين للخلايا المعقدة ، التي تستهلك الأكسجين أثناء عملية التمثيل الغذائي والتي تتكون منها جميع النباتات والحيوانات ، أن تتطور ( انظر حقيقيات النوى ).

الأرض يختلف المناخ في أي مكان باختلاف الفصول ، ولكن هناك أيضًا اختلافات طويلة المدى في المناخ العالمي. الانفجارات البركانية ، مثل ثوران بركان يمكن لجبل بيناتوبو في الفلبين حقن كميات كبيرة من جزيئات الغبار في الستراتوسفير ، والتي تظل معلقة لسنوات ، مما يقلل من شفافية الغلاف الجوي ويؤدي إلى تبريد قابل للقياس في جميع أنحاء العالم. يمكن أن ينتج عن التأثيرات العملاقة النادرة للكويكبات والمذنبات تأثيرات أكثر عمقًا ، بما في ذلك الانخفاض الشديد في ضوء الشمس لأشهر أو سنوات ، كما يعتقد العديد من العلماء ، مما أدى إلى الانقراض الجماعي للأنواع الحية في نهاية العصر الطباشيري ، 66 مليون سنة منذ. (للحصول على معلومات إضافية حول المخاطر التي تشكلها التأثيرات الكونية وفرص حدوثها ، انظر خطر تأثير الأرض.) التغيرات المناخية السائدة التي لوحظت في السجل الجيولوجي الأخير هي العصور الجليدية ، والتي ترتبط بالتغيرات في ميل الأرض وهندستها المدارية فيما يتعلق بـالشمس .

تقود فيزياء اندماج الهيدروجين علماء الفلك إلى استنتاج أن الشمس كانت أقل سطوعًا بنسبة 30 في المائة خلال أقدم تاريخ للأرض مما هي عليه اليوم. ومن ثم ، فإن كل شيء آخر متساوٍ ، كان ينبغي تجميد المحيطات. تشير ملاحظات جيران كوكب الأرض ، المريخ والزهرة ، وتقديرات الكربون المحبوس في القشرة الأرضية حاليًا إلى وجود المزيد ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي للأرض خلال فترات سابقة. هذا من شأنه أن يعزز ارتفاع درجة حرارة السطح عبر تأثير الدفيئة وبالتالي سمح للمحيطات بالبقاء سائلة.

يوجد اليوم ثاني أكسيد الكربون المدفون في صخور الكربونات في قشرة الأرض بمقدار 100000 مرة أكثر منه في الغلاف الجوي ، في تناقض حاد مع كوكب الزهرة ، الذي اتبع تطور الغلاف الجوي مسارًا مختلفًا. على الأرض ، يشكل تكوين أصداف الكربونات بواسطة الحياة البحرية الآلية الرئيسية لتحويل ثاني أكسيد الكربون إلى كربونات. العمليات الأحيائية التي تنطوي على الماء السائل تنتج الكربونات أيضًا ، وإن كان ذلك أبطأ. على الرغم من ذلك ، لم تتح الفرصة للحياة على كوكب الزهرة للنشوء وتوليد الكربونات. بسبب موقع الكوكب في النظام الشمسي ، تلقى كوكب الزهرة في وقت مبكر 10-20 في المائة من ضوء الشمس أكثر من السقوط على الأرض حتى اليوم ، على الرغم من الشمس الفتية الخافتة في ذلك الوقت. يعتقد معظم علماء الكواكب أن ارتفاع درجة حرارة السطح مما أدى إلى إبقاء الماء من التكثف إلى سائل. بدلاً من ذلك ، ظل في الغلاف الجوي كبخار ماء ، وهو ، مثل ثاني أكسيد الكربون ، من غازات الدفيئة الفعالة . تسبب الغازان معًا في ارتفاع درجات حرارة السطح بدرجة أعلى بحيث تسربت كميات هائلة من المياه إلى طبقة الستراتوسفير ، حيث تم فصلها عن طريق الأشعة فوق البنفسجية الشمسية . مع الظروف الحالية شديدة الحرارة والجافة للسماح بتكوين الكربونات الأحيائية ، بقي معظم مخزون الكوكب من الكربون أو كله في الغلاف الجوي كثاني أكسيد الكربون. تتنبأ النماذج بأن الأرض قد تعاني من نفس المصير خلال مليار سنة ، عندما تتجاوز الشمس سطوعها الحالي بنسبة 10-20٪.

بين أواخر الخمسينيات ونهاية القرن العشرين ، زادت كمية ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي للأرض بأكثر من 15 بالمائة بسبب حرق الوقود الأحفوري (مثل الفحم والنفط والغاز الطبيعي ) وتدمير الغابات الاستوائية المطيرة . ، مثل حوض نهر الأمازون . تتنبأ نماذج الكمبيوتر بأن مضاعفة صافي ثاني أكسيد الكربون بحلول منتصف القرن الحادي والعشرين يمكن أن يؤدي إلى يبلغ متوسط ​​الاحترار العالمي 1.5-4.5 درجة مئوية (2.7-8.1 درجة فهرنهايت) فوق الكوكب ، مما سيكون له تأثيرات عميقة على مستوى سطح البحر والزراعة . على الرغم من أن البعض قد انتقد هذا الاستنتاج على أساس أن الاحترار الملحوظ حتى الآن لم يواكب الإسقاط ، فقد أشارت تحليلات بيانات درجة حرارة المحيط إلى أن الكثير من الاحترار خلال القرن العشرين حدث بالفعل في المحيطات نفسها – وسوف تظهر في النهاية في الغلاف الجوي.

ومن الشواغل الحالية الأخرى المتعلقة بالغلاف الجوي تأثير الأنشطة البشرية على طبقة الأوزون الستراتوسفيرية . التفاعلات الكيميائية المعقدة التي تنطوي على آثار من صنع الإنسان تم العثور على مركبات الكربون الكلورية فلورية (CFCs) في منتصف الثمانينيات لخلق ثقوب مؤقتة في طبقة الأوزون ، وخاصة فوق القارة القطبية الجنوبية ، خلال الربيع القطبي. لكن الأمر الأكثر إثارة للقلق هو اكتشاف استنفاد متزايد للأوزون فوق خطوط العرض المعتدلة المكتظة بالسكان ، حيث تبين أن الأشعة فوق البنفسجية قصيرة الطول التي تمتصها طبقة الأوزون بشكل فعال تسبب سرطان الجلد . الاتفاقات الدولية المعمول بها لوقف إنتاج أفظع مركبات الكلوروفلورو كربون المدمرة للأوزون ستوقف في النهاية وتعكس النضوب ، ولكن فقط بحلول منتصف القرن الحادي والعشرين ، بسبب فترة بقاء هذه المواد الكيميائية الطويلة في الستراتوسفير.

المحيط المائي

الغلاف المائي للأرض هو طبقة متقطعة من الماء على سطح الكوكب أو بالقرب منه ؛ يشمل جميع المياه السطحية السائلة والمجمدة والمياه الجوفية الموجودة في التربة والصخور وبخار الماء الجوي. يعتبر الغلاف المائي فريدًا داخل النظام الشمسي ، وهو ضروري لجميع أشكال الحياة كما هو مفهوم حاليًا. تبلغ مساحة سطح الأرض حوالي 510.066.000 كيلومتر مربع (196.938.000 ميل مربع) ؛ ما يقرب من 71 في المائة من سطح الأرض مغطى بالمياه المالحة المحيطات . يبلغ الحجم الإجمالي للمياه السائلة على الأرض حوالي 1.39 مليار كيلومتر مكعب (332.5 مليون ميل مكعب) ، ويبلغ متوسط ​​درجة الحرارة حوالي 4 درجات مئوية (39.2 درجة فهرنهايت) ، وليس أعلى بكثير من نقطة تجمد الماء. تحتوي المحيطات على حوالي 97 في المائة من حجم المياه على كوكب الأرض. ويحدث الباقي كمياه عذبة ، ثلاثة أرباعها محبوسة على شكل جليد عند خطوط العرض القطبية. معظم المياه العذبة المتبقية هي المياه الجوفية الموجودة في التربة والصخور. أقل من 1 في المائة منه يحدث في البحيرات والأنهار . من حيث النسبة المئوية ، بخار الماء في الغلاف الجوي لا يكاد يذكر ، لكن نقل الماء المتبخر من المحيطات إلى أسطح الأرض يعد جزءًا لا يتجزأ من جزء مندورة هيدرولوجية تجدد الحياة وتحافظ عليها.

تتضمن الدورة الهيدرولوجية نقل المياه من المحيطات عبر الغلاف الجوي إلى القارات والعودة إلى المحيطات فوق سطح الأرض وتحته. تتضمن الدورة عمليات مثل الترسيب ، والتبخر ، والنتح ، والتسلل ، والترشيح ، والجريان السطحي . تعمل هذه العمليات في جميع أنحاء الغلاف المائي بأكمله ، والذي يمتد من حوالي 15 كيلومترًا (9 أميال) في الغلاف الجوي إلى ما يقرب من 5 كيلومترات (3 أميال) في القشرة.

يتم إنفاق حوالي ثلث الطاقة الشمسية التي تصل إلى سطح الأرض على تبخير مياه المحيط. الغلاف الجوي الناتج تتكثف الرطوبة والرطوبة في السحب والمطر والثلج والندى . الرطوبة عامل حاسم في تحديد الطقس . وهي القوة الدافعة وراء العواصف وهي المسؤولة عن فصل الشحنة الكهربائية التي تسبب البرق وبالتالي حرائق البراري الطبيعية والتي لها دور مهم في بعض النظم البيئية . الرطوبة تبلل الأرض ، وتغذي طبقات المياه الجوفية ، وتؤدي كيميائيًا إلى تآكل الصخور ،المناظر الطبيعية تغذي الحياة وتملأ الأنهار التي تحمل المواد الكيميائية والرواسب المذابة إلى المحيطات.

يلعب الماء أيضًا دورًا حيويًا في دورة ثاني أكسيد الكربون (جزء من دورة الكربون الأكثر شمولاً ). تحت تأثير الماء وثاني أكسيد الكربون المذاب ، يتم تجوية الكالسيوم من الصخور القارية وينقل إلى المحيطات ، حيث يتحد لتشكيل كربونات الكالسيوم (بما في ذلك أصداف الحياة البحرية). في نهاية المطاف ، تترسب الكربونات في قاع البحر ويتم تصغيرها لتشكيل الحجر الجيري . يتم سحب بعض صخور الكربونات هذه لاحقًا في عمق باطن الأرض من خلال العملية العالمية لتكتونية الصفائح ( انظر أدناه الغلاف الخارجي ) وتذوب ، مما يؤدي إلى إعادة إطلاق ثاني أكسيد الكربون (من البراكين ، على سبيل المثال) في الغلاف الجوي. كانت المعالجة الدورية للمياه وثاني أكسيد الكربون والأكسجين من خلال النظم الجيولوجية والبيولوجية على الأرض أساسية للحفاظ على قابلية الكوكب للسكن مع مرور الوقت وتشكيل التعرية والظروف الجوية في القارات ، وتتناقض بشكل حاد مع عدم وجود مثل هذه العمليات على كوكب الزهرة . (تم العثور على أدلة على حلقات سابقة من التعرية بالمياه السائلة – وربما كميات محدودة من هذا التعرية اليوم – على سطح المريخ ).

الغلاف الخارجي

تسمى الطبقة الصخرية الخارجية والصلبة للأرض بـقشرة. وهي تتألف من صخور منخفضة الكثافة وسهلة الذوبان ؛ القشرة القارية هي في الغالب صخور جرانيتيه ، في حين أن تكوين القشرة المحيطية يتوافق بشكل أساسي مع تكوين البازلت والجابرو . تُظهر تحليلات الموجات الزلزالية ، الناتجة عن الزلازل داخل الأرض ، أن القشرة تمتد حوالي 50 كيلومترًا (30 ميلًا) تحت القارات ولكن فقط 5-10 كيلومترات (3-6 أميال) تحت قاع المحيط .

في قاعدة القشرة ، هناك تغيير حاد في السلوك المرصود للموجات الزلزالية يميز الواجهة مع عباءة. يتكون الوشاح من صخور أكثر كثافة تطفو عليها صخور القشرة. على المقاييس الزمنية الجيولوجية ، يتصرف الوشاح كسائل لزج للغاية ويستجيب للإجهاد بالتدفق. يعمل الوشاح العلوي والقشرة معًا ميكانيكيًا كطبقة صلبة واحدة ، تسمى الغلاف الصخري .

القشرة الخارجية للغلاف الصخري للأرض ليست قطعة واحدة متصلة ولكنها مكسورة ، مثل قشر البيض المتشقق قليلاً ، إلى حوالي اثني عشر كتلة صلبة منفصلة رئيسية ، أو لوحات . هناك نوعان من اللوحات ، المحيطية والقارية. مثال على الصفيحة المحيطية هي صفيحة المحيط الهادئ ، والتي تمتد من ارتفاع شرق المحيط الهادئ إلى خنادق أعماق البحار المتاخمة للجزء الغربي من حوض المحيط الهادئ. الصفيحة القارية هي مثال على ذلك صفيحة أمريكا الشمالية ، والتي تشمل أمريكا الشمالية بالإضافة إلى القشرة المحيطية بينها وجزء من سلسلة جبال وسط المحيط الأطلسي . هذا الأخير عبارة عن سلسلة جبلية ضخمة تحت الماء تمتد إلى أسفل محور حوض الأطلسي ، تمر في منتصف الطريق بين إفريقيا وأمريكا الشمالية والجنوبية .

يبلغ سمك صفائح الغلاف الصخري حوالي 60 كم (35 ميلاً) تحت المحيطات و 100-200 كم (60-120 ميلاً) تحت القارات.. اركب على طبقة ضعيفة ، ربما منصهرة جزئيًا ، من الوشاح العلوي تسمى الأسينوسفير . بطيء تيارات الحمل العميقة داخل الوشاح المتولدة عن التسخين الإشعاعي للداخل تدفع الحركات الجانبية للصفائح (والقارات الموجودة فوقها) بمعدل عدة سنتيمترات في السنة. تتفاعل الصفائح على طول هوامشها ، وتصنف هذه الحدود إلى ثلاثة أنواع عامة على أساس الحركات النسبية للألواح المجاورة :متشعب ومتقارب ومتحول (أو انزلاق ضربة).

في مناطق الاختلاف ، تبتعد صفيحتان عن بعضهما البعض. تدفع حركات الانتفاخ المرتفعة في الوشاح الصفائح إلى التباعد عن بعضها البعض مناطق الصدع (مثل منتصف قاع المحيط الأطلسي ) ، حيث ترتفع الصهارة من الوشاح الأساسي لتشكل صخورًا قشرية محيطية جديدة.

تتحرك الصفائح الحجرية تجاه بعضها البعض حدود متقاربة . عندما تجتمع صفيحة قارية وصفيحة محيطية معًا ، يتم دفع الحافة الأمامية للصفيحة المحيطية أسفل الصفيحة القارية وأسفلها في الغلاف الموري – وهي عملية تسمى الاندساس . ومع ذلك ، فإن الألواح الرقيقة من القشرة المحيطية فقط هي التي ستنزل. عندما تجتمع قارتان أكثر سمكًا وأكثر ازدهارًا في مناطق متقاربة ، فإنهما يقاومان الاندساس ويميلان إلى الالتواء ، مما ينتج عنه سلاسل الجبال . تشكلت جبال الهيمالايا ، جنبًا إلى جنب مع هضبة التبت المجاورة ، أثناء تصادم قاري مثل هذا ، عندما تم نقل الهند إلى الصفيحة الأوراسية عن طريق الحركة النسبية للصفيحة الهندية الأسترالية.

في النوع الثالث من حدود الصفائح ، يكون تحويل التنوع ، لوحان ينزلقان بالتوازي مع بعضهما البعض في اتجاهين متعاكسين. غالبًا ما ترتبط هذه المناطق بالزلازل العالية ، حيث يتم إطلاق الضغوط التي تتراكم في ألواح القشرة المنزلقة على فترات لتوليدها الزلازل . يعتبر صدع سان أندرياس في كاليفورنيا مثالًا على هذا النوع من الحدود ، والذي يُعرف أيضًا باسم منطقة الصدع أو الكسر.

معظم الأرض نشطة تحدث العمليات التكتونية ، بما في ذلك جميع الزلازل تقريبًا ، بالقرب من هوامش الصفائح. تتشكل البراكين على طول مناطق الاندساس ، لأن تميل القشرة المحيطية إلى إعادة الصهر عندما تنزل إلى الوشاح الساخن ثم ترتفع إلى السطح كحمم بركانية. وهكذا تتشكل سلاسل من البراكين النشطة والمتفجرة في كثير من الأحيان في أماكن مثل غرب المحيط الهادئ والسواحل الغربية للأميركتين. سلاسل الجبال القديمة ، التي تآكلت بسبب التجوية والجريان السطحي ، تحدد مناطق نشاط هامش الصفائح السابقة. أقدم أجزاء الأرض وأكثرها استقرارًا جيولوجيًا هي النوى المركزية لبعض القارات (مثل أستراليا وأجزاء من إفريقيا وشمال أمريكا الشمالية). اتصل الدروع القارية ، وهي مناطق يتضاءل فيها بناء الجبال ، والصدوع ، والعمليات التكتونية الأخرى مقارنة بالنشاط الذي يحدث عند الحدود بين الصفائح. نظرًا لاستقرارها ، فقد كان للتعرية الوقت الكافي لتسطيح تضاريس الدروع القارية. وعلى الدروع أيضًا ، تم الحفاظ على الأدلة الجيولوجية لندوب الحفرة الناتجة عن التأثيرات القديمة للكويكبات والمذنبات. ولكن حتى هناك ، أدت العمليات التكتونية وعمل الماء إلى محو العديد من السمات القديمة. على النقيض من ذلك ، فإن معظم قشرة المحيطات أصغر بكثير (عشرات الملايين من السنين) ، ولا يعود تاريخ أي منها إلى أكثر من 200 مليون سنة.

هذا الإطار المفاهيمي الذي يفهم فيه العلماء الآن تطور الغلاف الصخري للأرض الصفائح التكتونية – مقبولة عالميًا تقريبًا ، على الرغم من أن العديد من التفاصيل لا تزال بحاجة إلى العمل عليها. على سبيل المثال ، لم يتوصل العلماء بعد إلى اتفاق عام حول موعد الأصل تشكلت النوى القارية أو منذ متى بدأت العمليات التكتونية الحديثة في العمل. من المؤكد أن عمليات الحمل الحراري الداخلي ، وفصل المعادن عن طريق الذوبان الجزئي وإعادة التبلور ، والبراكين البازلتية كانت تعمل بقوة أكبر في المليار سنة الأولى من تاريخ الأرض ، عندما كان باطن الكوكب أكثر سخونة مما هو عليه اليوم ؛ ومع ذلك ، فإن الكيفية التي تشكلت بها كتل اليابسة السطحية وتشتتت قد تكون مختلفة.

بمجرد نمو الدروع القارية الرئيسية ، تميزت الصفائح التكتونية بالتجمع الدوري وتفكك القارات الفائقة التي تم إنشاؤها عن طريق اندماج العديد من النوى القارية الأصغر وأقواس الجزر . حدد العلماء دورتين من هذا القبيل في السجل الجيولوجي. بدأت القارة العملاقة في الانقسام منذ حوالي 700 مليون سنة ، في أواخر عصر ما قبل الكمبري ، إلى عدة قارات رئيسية ، ولكن قبل حوالي 250 مليون سنة ، بالقرب من بداية العصر الترياسي ، أدى الانجراف المستمر لهذه القارات إلى اندماجها مرة أخرى في ودعا كتلة واحدة فوق القارات بانجيا . بعد حوالي 70 مليون سنة ، بدأت بانجيا في التفتت ، مما أدى تدريجياً إلى ظهور التكوين القاري الحالي. لا يزال التوزيع غير متماثل ، حيث تقع القارات في الغالب في نصف الكرة الشمالي مقابل حوض المحيط الهادئ.

بشكل مذهل ، من بين الكواكب الأرضية الأربعة ، تظهر الأرض فقط دليلاً على تكتونية الصفائح التكتونية طويلة المدى والمنتشرة . كلاهما فينوس ويُظهر المريخ جيولوجيا تهيمن عليها البراكين البازلتية على قشرة غير قابلة للحركة إلى حد كبير ، مع تلميحات خافتة فقط لفترات محدودة ربما من حركة الصفائح الأفقية. يعتبر الزئبق في جوهره أكثر كثافة من الكواكب الأرضية الأخرى ، مما يعني وجود قلب معدني أكبر ؛ سطحه مغطى في الغالب بالحفر الصدمية ، لكنه يظهر أيضًا نمطًا عالميًا من النتوءات التي تشير إلى انكماش الكوكب ، وربما المرتبط بالتبريد الداخلي. يبدو أنه من الضروري لنوع الصفائح التكتونية التي تحدث على الأرض الحجم الكوكبي الكبير (وبالتالي ، التدفق الحراري العالي والقشرة الرقيقة) ، مما يقضي على المريخ، وانتشار المياه القشرية لتليين الصخور ، والتي فقدها كوكب الزهرة في وقت مبكر جدًا من تاريخه. على الرغم من أن الأرض نشطة جيولوجيًا وبالتالي تمتلك سطحًا شابًا ، فقد يكون سطح كوكب الزهرة قد تم تجديده بالكامل بواسطة البراكين البازلتية العالمية خلال المليار سنة الماضية ، وقد تكون أجزاء صغيرة من سطح المريخ قد تعرضت مؤخرًا للتآكل بسبب المياه السائلة أو الانهيارات الأرضية.

باطن الأرض

أكثر من 90 بالمائة من تتكون كتلة الأرض من الحديد والأكسجين والسيليكون والمغنيسيوم ، وهي عناصر يمكن أن تشكل المعادن البلورية المعروفة باسم السيليكات . ومع ذلك ، في التركيب الكيميائي والمعدني ، كما هو الحال في الخواص الفيزيائية ، فإن الأرض بعيدة كل البعد عن التجانس . بصرف النظر عن الاختلافات الجانبية السطحية بالقرب من السطح (أي في تكوينات القشور القارية والمحيطية) ، تختلف الاختلافات الرئيسية للأرض باختلاف المسافة نحو المركز. ويرجع ذلك إلى زيادة درجات الحرارة والضغوط والفصل الأصلي للمواد ، بعد فترة وجيزة من تراكم الأرض من السديم الشمسي منذ حوالي 4.56 مليار سنة ، في قلب غني بالمعادن ، وغطاء غني بالسيليكات ، وصخور قشرية أكثر دقة. الأرض متباينة كيميائيا إلى حد كبير ( انظر أدناه التمايز الكوكبي ). تحتوي صخور القشرة الأرضية على قدر أكبر من العناصر المكونة للصخور بعدة مرات الألمنيوم كما تفعل بقية الأرض الصلبة وعشرات المرات اليورانيوم . من ناحية أخرى ، فإن القشرة ، التي تمثل 0.4 في المائة فقط من كتلة الأرض ، تحتوي على أقل من 0.1 في المائة من حجمها. حديد . يتركز ما بين 85 و 90 بالمائة من حديد الأرض في اللب.

يؤدي الضغط المتزايد مع العمق إلى تغيرات طوريه في صخور القشرة الأرضية على أعماق تتراوح بين 5 و 50 كيلومترًا (3 و 30 ميلًا) ، والتي تمثل الجزء العلوي من الصخور القشرية. الوشاح العلوي ، كما ذكر أعلاه. هذه المنطقة الانتقالية تسمى انقطاع موهوروفيتشيتش ، أو موهو . تتولد معظم الصهارة البازلتية في الوشاح العلوي على عمق مئات الكيلومترات. يُظهر الوشاح العلوي ، الغني بمعادن الأوليفين والبيروكسين وسيليكات البيروفسكايت ، اختلافات جانبية كبيرة في التركيب. جزء كبير من باطن الأرض ، من عمق حوالي 650 كم (400 ميل) إلى 2900 كم (1800 ميل) ، يتكون من الوشاح السفلي ، والذي يتكون أساسًا من السيليكات الحاملة للمغنيسيوم والحديد ، بما في ذلك مكافئات الضغط العالي للزبرجد الزيتوني والبيروكسين .

الوشاح ليس ساكنًا ، بل يتحرك ببطء في حركات الحمل الحراري ، مع ارتفاع درجة حرارة المواد وغرق المواد الأكثر برودة ؛ من خلال هذه العملية ، تفقد الأرض تدريجيًا حرارتها الداخلية . بالإضافة إلى كونها القوة الدافعة لحركة اللوحة الأفقية ، يتجلى الحمل الحراري في الوشاح في حدوث مؤقت الأعمدة الفائقة – تدفقات ضخمة متصاعدة من الصخور الساخنة المنصهرة جزئيًا – والتي قد تنشأ من طبقة عميقة بالقرب من السطح البيني بين اللب والوشاح. أكبر بكثير من الأعمدة الحرارية العادية ، مثل تلك المرتبطة بسلسلة جزر هاواي في وسط المحيط الهادئ ( انظر البركان: البراكين داخل الصفيحة ) ، ربما كان للأعمدة الفائقة تأثيرات عميقة على التاريخ الجيولوجي للأرض وحتى على مناخها . قد يكون انفجار واحد من البراكين العالمية منذ حوالي 66 مليون سنة ، والذي أوجد رواسب البازلت الفيضانية الشاسعة المعروفة باسم Deccan Traps في شبه القارة الهندية ( انظر الهضبة ) ، قد ارتبطت بعمود فائق ، على الرغم من أن هذا النموذج بعيد كل البعد عن قبوله عالميًا.

يبلغ نصف قطرها حوالي 3500 كيلومتر (2200 ميل) ، ويبلغ حجم قلب الأرض حجم كوكب المريخ بأكمله . يتم احتواء حوالي ثلث كتلة الأرض في اللب ، ومعظمه عبارة عن حديد سائل مخلوط بالنيكل وبعض المكونات الأخف وزناً والوفرة كونيًا (مثل الكبريت والأكسجين وحتى الهيدروجين المثير للجدل ). يتم الكشف عن طبيعتها السائلة من خلال فشل الموجات الزلزالية من نوع القص في اختراق اللب. جزء صغير مركزي من اللب ، على الرغم من ذلك ، تحت عمق حوالي 5100 كيلومتر (3200 ميل) ، هو الحديد الصلب. ينقسم هذا اللب الداخلي نفسه إلى طبقتين لا تعرفهما إلا اختلافات قطبية بلورات الحديد وجدت بداخلها. يتم توجيه قطبية بلورات الحديد للطبقة الداخلية في اتجاه الشرق والغرب ، في حين يتم توجيه قطبية الطبقة الخارجية بين الشمال والجنوب. درجات الحرارة في القلب شديدة الحرارة ، وتتراوح من 4000-5000 كلفن (حوالي 6700-8500 درجة فهرنهايت ؛ 3700-4.700 درجة مئوية) في الجزء الخارجي من اللب إلى 5000-7000 كلفن (8500-12100 درجة فهرنهايت ؛ 4700-6700 درجة مئوية) ° C) في المركز ، يمكن مقارنتها بسطح الشمس . تنشأ شكوك كبيرة في درجة الحرارة من الأسئلة المتعلقة بالمركبات تشكل السبائك مع الحديد في القلب ، وتؤيد البيانات الأحدث الحد الأدنى لتقديرات درجة الحرارة لللب الداخلي. قد يساهم خزان الحرارة في اللب بمقدار خمس الحرارة الداخلية التي تتدفق في النهاية إلى سطح الأرض. يبدو أن البنية الأساسية للأرض – القشرة ، والغطاء ، واللب – تتكرر على الكواكب الأرضية الأخرى ، على الرغم من وجود اختلافات جوهرية في الحجم النسبي لكل منطقة.

المجال المغنطيسي الأرضي والغلاف المغناطيسي

حركات السوائل الحلزونية في اللب الخارجي السائل الموصّل كهربائيًا للأرض لها تأثير دينامو كهرومغناطيسي ، مما يؤدي إلى ظهور المجال المغنطيسي الأرضي . من المحتمل أن تكون النواة الساخنة الكبيرة للكوكب ، جنبًا إلى جنب مع دورانه السريع ، مسؤولة عن القوة الاستثنائية للمجال المغناطيسي للأرض مقارنة مع تلك الموجودة في الكواكب الأرضية الأخرى. كوكب الزهرة ، على سبيل المثال ، الذي له قلب معدني قد يكون مشابهًا لحجم الأرض ، يدور ببطء شديد ولا يوجد لديه مجال مغناطيسي جوهري مكتشف . يمتلك عطارد والمريخ مجالات مغناطيسية جوهرية صغيرة فقط.

الأرض يتخلل المجال المغناطيسي الرئيسي الكوكب وحجم هائل من الفضاء المحيط به. تتشكل منطقة كبيرة من الفضاء على شكل دمعة تسمى الغلاف المغناطيسي عن طريق تفاعل مجال الأرض مع الرياح الشمسية . على مسافة حوالي 65000 كم (40000 ميل) نحو الخارج نحو الشمس ، يتم موازنة ضغط الرياح الشمسية بواسطة المجال المغنطيسي الأرضي. هذا بمثابة عقبة أمام الرياح الشمسية ، وينحرف تدفق الجسيمات المشحونة ، أو البلازما ، حول الأرض بواسطة صدمة القوس الناتجة . ينتج الغلاف المغناطيسي عن تيارات متدفقة إلى ذيل مغناطيسي ممدود يمتد عدة ملايين من الكيلومترات في اتجاه مجرى الأرض بعيدًا عن الشمس.

يمكن أن تتسرب جزيئات البلازما من الرياح الشمسية عبرmagnetopause ، حدود الغلاف المغنطيسي باتجاه الشمس ، وتملأ باطنها ؛ تدخل الجسيمات المشحونة من الأيونوسفير للأرض أيضًا الغلاف المغناطيسي . يمكن أن يخزن الذيل المغناطيسي لساعات كمية هائلة من الطاقة – عدة مليارات ميغا جول ، وهو ما يعادل تقريبًا إنتاج الكهرباء السنوي في العديد من البلدان الأصغر). يحدث هذا من خلال عملية تسمى إعادة الاتصال ، حيث المجال المغناطيسي للشمس ، الذي تجره الرياح الشمسية إلى الفضاء بين الكواكب ، يصبح مرتبطًا بالمجال المغناطيسي في الغلاف المغناطيسي للأرض. يتم إطلاق الطاقة في إعادة تشكيل هيكلية ديناميكية للغلاف المغناطيسي ، تسمى العواصف المغنطيسية الأرضية ، والتي غالبًا ما تؤدي إلى ترسيب الجزيئات النشطة في طبقة الأيونوسفير ، مما يؤدي إلى التألق يعرض الشفقي .

يمكن لخطوط المجال المغناطيسي المتقاربة القريبة إلى حد ما من الأرض أن تحبس جزيئات عالية الطاقة بحيث تدور بين نصفي الكرة الأرضية الشمالي والجنوبي وتنجرف ببطء طوليًا حول الكوكب في منطقتين على شكل كعكة دائرية متحدة المركز تعرف باسم أحزمة فان ألين الإشعاعية . يتم إنتاج العديد من الجسيمات المشحونة المحتجزة في هذه الأحزمة عندما تضرب الأشعة الكونية النشطة الغلاف الجوي العلوي للأرض ، وتنتج نيوترونات تتحلل بعد ذلك إلى إلكترونات سالبة الشحنة ، وبروتونات مشحونة إيجابًا. يأتي البعض الآخر من الرياح الشمسية أو الغلاف الجوي للأرض. تم اكتشاف الحزام الإشعاعي الداخلي في عام 1958 من قبل الفيزيائي الأمريكي جيمس فان ألين وزملائه ، باستخدام عداد جيجر مولر على متن أول قمر صناعي أمريكي ، إكسبلورر .1 ؛ تميز الحزام الخارجي بالمركبات الفضائية الأمريكية والسوفياتية الأخرى التي تم إطلاقها في نفس العام. تمت دراسة الغلاف المغناطيسي للأرض على نطاق واسع منذ ذلك الحين ، ووسع علماء فيزياء الفضاء دراساتهم لعمليات البلازما لتشمل المناطق المجاورة للمذنبات والكواكب الأخرى. 

من الخصائص المهمة للمجال المغناطيسي للأرض انعكاس القطبية. في هذه العملية ، ينعكس اتجاه المكون ثنائي القطب – أي القطب المغناطيسي الشمالي يصبح القطب المغناطيسي الجنوبي والعكس صحيح. من خلال دراسة اتجاه مغنطة العديد من الصخور ، يعرف الجيولوجيون أن مثل هذه الانعكاسات تحدث ، بدون نمط يمكن تمييزه ، على فترات تتراوح من عشرات الآلاف من السنين إلى ملايين السنين ، على الرغم من أنهم لا يزالون غير متأكدين من الآليات المسؤولة. من المحتمل أنه خلال التحول ، الذي يُعتقد أنه يستغرق بضعة آلاف من السنين ، يبقى مجال غير قطبي ، بجزء صغير من قوة المجال الطبيعي. في حالة الغياب المؤقت للمكون ثنائي القطب ، فإن الرياح الشمسية ستقترب كثيرًا من الأرض ، مما يسمح للجسيمات التي ينحرف عنها المجال عادةً أو المحاصرة في أجزائه الخارجية بالوصول إلى السطح. يمكن أن تؤدي الزيادة في إشعاع الجسيمات إلى زيادة معدلات الضرر الجيني وبالتالي حدوث طفرات أو عقم في النباتات والحيوانات مما أدى إلى اختفاء بعض الأنواع. بحث العلماء عن أدلة على مثل هذه التغييرات في السجل الأحفوري في أوقات الانتكاسات الميدانية السابقة ، لكن النتائج كانت غير حاسمة.

تطوير بنية الأرض وتكوينها

لطالما كان أصل الأرض في شكلها الحالي موضوع اهتمام فكري ، ولكن منذ منتصف القرن العشرين حقق العلماء تطورات مهمة بشكل خاص في كل من المفاهيم والقياسات. أدى تحليل النظائر في النيازك ، وعلى وجه الخصوص ، للصخور التي أعادها رواد فضاء أبولو الأمريكيون من القمر إلى بعض المساهمات الرئيسية. جاءت المكاسب الأخرى من الأبحاث الجيوكيميائية على العينات الأرضية جنبًا إلى جنب مع الفهم الجديد للعمليات الداخلية الناتج عن التعرف على الصفائح التكتونية ، ودراسة الكواكب الأرضية كمجموعة ، والتقدم في النمذجة العددية للعمليات الفيزيائية التي تؤدي إلى تكوين الكواكب.

نقطة البداية في تتبع الكواكب التطور _nucleosynthesis ، تكوين العناصر الكيميائية على نطاق كوني. يتضمن ذلك العمليات النووية التي تم من خلالها إنتاج العناصر الأخف وزناً – معظمها الهيدروجين والهيليوم – عند الولادة المتفجرة للكون ( انظر نموذج الانفجار العظيم ) ، قبل 13.8 مليار سنة ، والتشكيل اللاحق للعناصر الأثقل داخل النجوم ( انظر العنصر الكيميائي: أصل العناصر ). بالقياس مع ما يلاحظه علماء الفلك حاليًا يحدث في مناطق تشكل النجوم ، يُعتقد أن بدأ النظام الشمسي كسحابة من الغاز والغبار تشتمل على هذه العناصر الموجودة مسبقًا. تحت تأثير الجاذبية الخاصة بها ، انهارت السحابة إلى قرص دوار من المادة يسمى السديم الشمسي . يمكن أن يكون الانهيار قد بدأ بسبب موجة الصدمة المنبعثة من مستعر أعظم قريب ، أو نجم ينفجر بعنف ، أو عن طريق تقلبات عشوائية في الكثافة في السحابة نفسها. بمجرد تحقيق ضغوط وكثافة عالية بدرجة كافية في قلب السديم المضغوط ، يتم الاندماج النووي يمكن أن تبدأ ردود الفعل داخله ، مما يؤدي إلى ولادة نجم. أصبح الجزء الخارجي من القرص الدوار – المادة التي لم يتم دمجها في الشمس الجديدة – المادة الخام للكواكب والأجسام الأخرى التي تدور حول النظام الشمسي. ولادة تعتبر الشمس ، التي تشكل أكثر من 99.9٪ من كتلة النظام الشمسي بأكمله ، الوقت الذي بدأت فيه الكواكب في التكون ، منذ حوالي 4.56 مليار سنة.

تراكم الأرض في وقت مبكر

نظرًا لأن الغاز الذي يتكون من السديم الشمسي وراء الشمس يبرد بمرور الوقت ، يُعتقد أن الحبيبات المعدنية قد تكثفت وتجمعت لتشكل أول مادة نيزكية. بالإضافة إلى ذلك ، كما هو مقترح من خلال إيجاد تركيزات شاذة لـنظائر في عدد قليل من النيازك ، مادة صلبة من خارج النظام الشمسي ، كانت موجودة على ما يبدو قبل تكوين الشمس ، تم دمجها في بعض الأحيان في هذه الأجسام الصغيرة النامية.

العناصر الأكثر وفرة في الشمس ، الهيدروجين والهيليوم ، تفتقر بشدة إلى الكواكب الأرضية الداخلية ولكنها لا تزال مكونات وفيرة للكواكب الخارجية الغازية الكبيرة مثل كوكب المشتري وزحل . يُعتقد أنه فقط على مسافة كوكب المشتري وما وراءه – في المناطق الأكثر برودة من النظام الشمسي ، بما في ذلك المنطقة الواقعة خارج نبتون التي نشأت فيها المذنبات يمكن أن تكون المواد الأكثر تطايرًا ، والتي تشمل أيضًا الماء وثاني أكسيد الكربون والأمونيا، والتكثيف والاحتفاظ بكميات كبيرة أثناء تكوين الكواكب . ومع ذلك ، عند مقارنة الوفرة النسبية للعناصر الأقل تطايرًا بالنسبة للشمس ، لفئة من النيازك البدائية ، إلى حد كبير غير متغيرة كيميائيًا تسمى CI chondrites الكربونية (يعتبرها العديد من الباحثين أكثر العينات الأصلية من مواد النظام الشمسي الأصلية) ، ول التكوين المقدر للأرض ، قيمها كلها في اتفاق وثيق. هذا هو الأساس لنموذج الغضروفي ، الذي يؤكد أن الأرض (ومن المفترض أن الكواكب الأرضية الأخرى) قد تم بناؤها أساسًا من أجسام مصنوعة من مثل هذه المواد النيزكية. تم تأكيد هذه الفكرة من خلال الدراسات نظرية للصخور المستمدة من المناطق الداخلية للأرض والتي تعتبر أنها لم تتغير كثيرًا على مدار تاريخ الكوكب . وبالتالي ، يبدو أن تكوين الأرض هو تقريبًا ما يمكن توقعه بالنظر إلى الوفرة الأولية المرصودة في الشمس وتفسير فقدان العناصر الأكثر تقلبًا.

الغبار والحبيبات التي تكثفت من الغاز السديم المبرد تتجمع جاذبية لتشكيل شظايا أكبر من الصخور. النيازك الغضروفية التي لوحظت اليوم هي في الأساس مجرد مجموعات من الحبوب والشظايا التي تم ضغطها معًا في قطع أكبر. من خلال التراكم المستمر ، شكلت القطع الأصغر صخورًا وأجسامًا بحجم الكويكبات (planetesimals ) وفي النهاية أجسام بحجم القمر والمريخ . وكلما كبرت الكواكب الصغيرة ، زادت جاذبيتها وزادت فاعلية اكتساحها لجسيمات إضافية وشظايا صخرية أثناء دورانها حول الشمس. تباطأ النمو عندما كانت معظم الأجسام بحجم القمر والمريخ لأنها كانت محدودة العدد ، وبالتالي عزلت بشكل فعال واحدة عن الأخرى في مداراتها. مع زيادة حجم كوكب المشتري إلى حجمه العملاق ، أزعجت جاذبيته القوية “أجنة” الكواكب الأرضية ، مما أدى إلى إطالة مداراتها والسماح بنموها التدريجي إلى ما يقرب من كتلة الأرض على مدى عشرات الملايين من السنين.

النيازك الحجرية والنيازك الحديدية ( تلك التي تتكون بشكل كبير من سبائك الحديد مع النيكل والكبريت ) كلاهما يسقطان على الأرض اليوم ، ويعتقد أن كلا النوعين كانا موجودين أثناء تكوين الكواكب الصغيرة التي من شأنها أن تتراكم لتصبح الأرض. بعبارة أخرى ، يبدو أن الأرض قد تراكمت فقط بعد أن تكثفت معظم المواد الصلبة ، إن لم يكن كلها. وهكذا ، تم تضمين مجموعة كبيرة من المعادن في الحبوب ، والأجزاء الأكبر ، وحتى الكواكب الصغيرة التي تراكمت من الكوكب المتنامي. على ما يبدو ، فإن مثل هذا التجمع من الشظايا المعدنية الكثيفة والشظايا الصخرية الأقل كثافة ليس مستقرًا للغاية. تشير الحسابات المستندة إلى القوة المقاسة للصخور إلى أن الشظايا المعدنية ربما غرقت لأسفل مع نمو الأرض. على الرغم من أن الكوكب كان باردًا نسبيًا في هذه المرحلة – أقل من 500 كلفن (440 درجة فهرنهايت ، 230 درجة مئوية) – إلا أن الصخور كانت ضعيفة. هذه نقطة مهمة لأنها تؤدي إلى استنتاج مفاده أن اللب المعدني للأرض بدأ يتشكل أثناء تراكم الكوكب وربما قبل أن ينمو الكوكب إلى خُمس حجمه الحالي.

آثار التأثيرات الكوكبية

أثناء تراكمها ، يُعتقد أن الأرض كانت كذلك صدمة ساخنة بسبب تأثيرات الأجسام ذات الحجم النيزكي والكواكب الصغيرة الكبيرة. في حالة اصطدام النيزك ، يتركز التسخين بالقرب من السطح حيث يحدث التأثير ، مما يسمح للحرارة بالانتشار مرة أخرى في الفضاء . ومع ذلك ، يمكن أن يخترق الكواكب العميقة بشكل كافٍ عند الاصطدام لإنتاج تسخين جيد تحت السطح . بالإضافة إلى ذلك ، يمكن للحطام المتكون عند الاصطدام أن يغطي سطح الكوكب ، مما يساعد على الاحتفاظ بالحرارة داخل الكوكب . اقترح بعض العلماء ، بهذه الطريقة ، أن الأرض قد تصبح ساخنة بدرجة كافية لبدء الذوبان بعد النمو إلى أقل من 15 في المائة من حجمها النهائي.

من بين الكواكب الصغيرة التي تصطدم بتكوين الأرض ، يُعتقد أن واحدًا على الأقل كان مشابهًا في الحجم للمريخ . على الرغم من أن التفاصيل ليست مفهومة جيدًا ، إلا أن هناك دليلًا جيدًا على أن تأثير مثل هذا الشكل الكروي الكبير قد خلق القمر . من بين الدلائل الأكثر إقناعًا أن الوفرة النسبية للعديد من العناصر النزرة في صخور القمر قريبة من القيم التي تم الحصول عليها لغطاء الأرض. ما لم تكن هذه مصادفة ، فهذا يشير إلى أن القمر مشتق من الوشاح. أظهرت عمليات المحاكاة الحاسوبية أن الاصطدام الخفيف لجسم كوكبي بحجم المريخ يمكن أن يكون كافيًا لاستخراج المادة التي ستشكل القمر من باطن الأرض. مرة أخرى ، تشير الأدلة على مثل هذه الاصطدامات الكبيرة إلى أن الأرض قد تم تسخينها بشكل فعال للغاية أثناء التراكم.

من الواضح إذن أن العديد من العمليات التي ساهمت في التطور المبكر للأرض حدثت في وقت واحد تقريبًا ، في غضون عشرات إلى مئات الملايين من السنين بعد تشكل الشمس . تشكلت النيازك والأرض خلال هذا الوقت ، ويبدو أن القمر ، الذي يرجع تاريخه إلى أكثر من أربع مليارات سنة في العمر ، قد تشكل في نفس الفترة الزمنية. في الوقت نفسه ، كان لب الأرض يتراكم وربما يكون قد تشكل بالكامل خلال فترة نمو الكوكب. بالإضافة إلى التسخين التراكمي المحتمل الناجم عن التأثيرات الكوكبية ، فإن غرق المعدن لتكوين اللب أطلق طاقة جاذبية كافية لتسخين الكوكب بأكمله بمقدار 1000 كلفن (1800 درجة فهرنهايت ، 1000 درجة مئوية) أو أكثر. وهكذا ، بمجرد تشكيل اللب بدأ ، أصبح باطن الأرض ساخنًا بدرجة كافية للحمل الحراري. على الرغم من أنه من غير المعروف ما إذا كانت الصفائح التكتونية نشطة على السطح أو في أي شكل ، يبدو من الممكن تمامًا أن الحمل الحراري الأساسي بدأ حتى قبل أن ينمو الكوكب إلى أبعاده النهائية. في وقت لاحق فقط من تطور الأرض ، أصبح النشاط الإشعاعي مصدرًا مهمًا للحرارة أيضًا.

بمجرد أن تصبح ساخنة ، يمكن أن يبدأ باطن الأرض في التطور الكيميائي . على سبيل المثال ، من المحتمل أن يكون إطلاق الغازات لجزء من المواد المتطايرة التي كانت محتجزة بكميات صغيرة داخل الكوكب المتراكم هو أول الغلاف الجوي. بدأ إطلاق الغازات من الماء على سطح الأرض قبل 4.3 مليار سنة ، وهو الوقت الذي يعتمد على تحليل الزركون القديم الذي يظهر آثار التغيير بواسطة الماء السائل. في أعمق باطن الأرض ، أصبحت التفاعلات الكيميائية بين الوشاح واللب ممكنة. ربما كان أهم حدث لسطح الأرض ، مع ذلك ، هو تكوين القشرة الأولى عن طريق الذوبان الجزئي من الداخل. يُطلق على هذا الفصل الكيميائي عن طريق الانصهار الجزئي وإطلاق الغازات للمواد المتطايرة التمايز. مع تمايز الأجزاء الداخلية ، ارتفعت السوائل الأقل كثافة من الذوبان نحو السطح وتتبلور لتشكل قشرة.

يوجد عدم يقين بشأن متى وكيف بدأت القشرة القارية في النمو ، لأنه لم يتم العثور على الرقم القياسي لأول 600 مليون سنة. يعود تاريخ أقدم الصخور المعروفة إلى حوالي 4 مليارات سنة فقط. نظرًا لأن هذه الصخور متحولة – أي لأنها تغيرت بفعل الحرارة والضغط من صخور القشرة الأرضية الموجودة مسبقًا في وقت تأريخها – يمكن الاستدلال على أن القشرة كانت موجودة في وقت سابق من تاريخ الأرض. في الواقع ، تم تأريخ حبتين صغيرتين من الزركون من أستراليا بـ 4.28 مليار و 4.4 مليار سنة ، لكن علاقتهما بتكوين القشرة القارية غير مؤكدة.

على الرغم من عدم توفر أدلة مباشرة ، إلا أن الأدلة غير المباشرة المستمدة من تكوينات الصخور تشير إلى أن القشرة القارية تشكلت في وقت مبكر. تشير التحليلات النظرية إلى أن متوسط ​​عمر القشرة القارية الحالية يبلغ حوالي 2.5 مليار سنة. وهكذا ، في جميع الاحتمالات ، شكل الذوبان الجزئي المتكرر للوشاح العلوي قارة أكثر دقة على التوالي- مثل الصخور القشرية التي بدأت قبل 4 مليارات سنة. ومع ذلك ، فعلى مدار المليار سنة الأولى ، يبدو أن الكثير من القشرة القارية التي تشكلت قد أعيد دمجها في الوشاح – تشير البيانات النظرية إلى أنه في المتوسط ​​، تم إعادة تدوير حوالي ثلث القشرة القارية كل مليار سنة. ونتيجة لذلك ، لم يتبق سوى عدد قليل من شظايا القشرة التي مضى عليها أكثر من 3.5 مليار سنة ، ولم يتجاوز عمرها 4 مليارات سنة تقريبًا.

تؤدي عملية الذوبان الجزئي وتشكيل القشرة ، وخاصة القشرة القارية ، إلى استنفاد بعض العناصر (مثل السيليكون والألمنيوم) من الوشاح. لا تزال المناطق غير المنضبة وبالتالي البدائية نسبيًا موجودة ، وتشكل حوالي ثلث إلى نصف الوشاح ، وفقًا للنماذج النظرية. ومع ذلك ، فإن توزيع المناطق المستنفدة وغير المستنفدة غير مؤكد. على الرغم من أن معظم (ربما كل) الوشاح العلوي قد نضبت ، إلا أنه من غير المعروف ما إذا كانت الصخور المستنفدة موجودة أيضًا في الوشاح السفلي.

ما هو معروف هو أن الأرض لا تزال تتمايز إلى طبقات أو مناطق متميزة كيميائيًا. يتضح هذا بشكل أكبر في عمليات الصفائح التكتونية التي تنطوي على استمرار إنتاج القشرة عند حدود الصفائح المتباينة مثل حواف منتصف المحيط. نظرًا لأن هذه المادة يتم تدويرها مرة أخرى إلى الوشاح عند مناطق الاندساس ثم إلى الأعلى مرة أخرى ، فإنها تستمر في الخضوع للمعالجة الكيميائية من البازلتية إلى الأنديسيتية وفي النهاية إلى تكوين الجرانيت (القاري) . وهكذا ، فإن التطور الكيميائي والحراري للجزء الداخلي ، المرتبط ارتباطًا وثيقًا بالحمل الحراري ، لا يزال مستمرًا بقوة بعد 4.56 مليار سنة من تكوين الكوكب .

¹⁾https://www.britannica.com/place/Earth