Žemė

Forma ir dydis

Jūros ir vandenynai sudaro apie 71 % viso Žemės paviršiaus, o sausuma užima 29 %. Sausumos paviršiuje yra nelygumų – kalnų, daubų ir panašiai, tačiau net didžiausi kalnai bei vandenyne giliausios įdubos, palyginus su visos Žemės dydžiu, yra labai maži. Dėl to bendra Žemės forma priimta laikyti tą, kurią sudaro ramus jūrų ir vandenynų paviršius, tariamai pratęstas per žemynus. Toks paviršius vadinamas lygio paviršiumi. Tyrimais nustatyta, kad teorinis Žemės paviršius yra elipsoidas, t. y. figūra, kuri gaunama sukant elipsę apie jos mažąją ašį.
Žemės elipsoido spindulys, einantis nuo centro link pusiaujo – 6 378 245 m.
Žemės elipsoido spindulys, einantis nuo centro link ašigalių – 6 356 863 m.
Žemės elipsoidas – ties ašigaliais suplotas rutulys. Dydis, apibūdinantis šį suplojimą, vadinamas žemės suplokštėjimu ir yra lygus 1/298,3 (0,00335). Tokių parametrų elipsoidas yra vadinamas Krasovskio elipsoidu. Kartais tokia figūra vadinama geoidu.
Nedidelis elipsoido suplokštėjimas, kaip Krasovskio elipsoido, rodo, jog matematinė Žemės forma labai mažai tesiskiria nuo rutulio. Tada tokio, iš elipsoido elementų apskaičiuoto, rutulio spindulys yra 6 371 100 m.

Žemės sandara

Kietas išorinis Žemės sluoksnis vadinamas pluta, kurią sudaro sustingusios lavos produktai – granitai ir bazaltai. Po pluta yra Žemės mantija, susidedanti iš olivino ir pirokseno (magnio ir geležies silikatų). Po žemynais mantija prasideda 35−70 km gylyje, o po vandenynais – 6−10 km gylyje. Mantijos storis apie 2900 km. Po ja yra 2200 km storio skystas sluoksnis, vadinamas išorinis branduolys, kurio viduje glūdi 1270 km spindulio kietas vidinis branduolys. Jį sudaro geležies ir nikelio lydinys su geležies sulfido priemaiša. Žemės centre temperatūra siekia maždaug 6000 K, o tankis 12−17 g/cm³.
Žemės sudėtis pagal elementų masę: geležis (35 %), deguonis (30 %), silicis (15 %), magnis (13 %), nikelis (2,4 %), siera (1,9 %), kalcis (1,1 %), aliuminis (1,1 %) ir kiti (0,5 %).

Žemės orbita ir metų laikai

Žemė sukasi aplink Saulę prieš laikrodžio rodyklę žiūrint iš šiaurinio jos poliaus pusės. Žemės orbita yra elipsė, bet labai artima apskritimui. Žemė aplink Saulę apsisuka per apie 365,25 dienas (metai). Žemė sukasi aplink savo ašį irgi prieš laikrodžio rodyklę žiūrint iš šiaurinio jos poliaus pusės. Vieno apsisukimo trukmė (para) – apie 24 valandos. Žemės sukimosi ašis pasvirusi į orbitos plokštumą pastoviu apie 23,5 laipsnių kampu, dėl ko Žemėje susidaro sezonai (metų laikai). Žemės pusiaujo platumose yra drėgnasis ir sausasis sezonai, vidutinėse platumose − žiema, pavasaris, vasara ir ruduo. Kai Žemė šiaurės ašigaliu labiausiai pasvirusi į Saulės pusę (vasaros saulėgrįža), šiaurės pusrutulyje yra vasara, o pietų pusrutulyje, atvirkščiai − žiema (pietų pusrutulio žiemos saulėgrįža). Tuo pat metu šiauriau šiaurės poliarinio rato yra poliarinė diena, kurios metu Saulė nenusileidžia žemiau horizonto, o piečiau pietų poliarinio rato − poliarinė naktis, kurios metu Saulė nepasirodo virš horizonto. Šiauriniam pusrutuliui esant labiausiai pasvirusiam nuo Saulės (žiemos saulėgrįža) yra atvirkščiai. Kai Žemė yra lygiadienio pozicijoje jos platumos gauna vienodai šilumos iš Saulės, susilygina diena ir naktis. Žemės saulėgrįžos taškai orbitoje neatitinka jos afelio ir perihelio (žr. schemą). Metų laikai turi didžiulę įtaką planetos klimatui, augalų vegetacijai.

Magnetinis laukas

Žemė turi gana stiprų magnetinį lauką, kurio ašis pakrypusi į Žemės sukimosi ašį 11,5° kampu, bet ji pamažu keičiasi. Be to, magnetiniai šiaurės ir pietų poliai per paskutinį milijoną metų kelis kartus susikeitė vietomis.
Žemės paviršiaus ir magnetinio lauko ašies susikirtimo taškai vadinami geomagnetiniais poliais. Šiaurės magnetinis polius dabar yra šiaurės rytų Kanadoje, už 1600 km nuo geografinio šiaurės ašigalio. Magnetinio lauko indukcija geomagnetinio pusiaujo juostoje yra 3,1×10⁻⁵ T (teslų), prie geomagnetinių polių − 6,2×10⁻⁵ T. Magnetinis laukas susidaro laidžiame elektrai išoriniame Žemės branduolyje dėl Žemės sukimosi apie ašį ir skystų masių konvekcinio judėjimo aukštyn ir žemyn. Magnetinis laukas maždaug 1000 km aukštyje sąveikauja su tarpplanetiniais dalelių srautais, sudarydamas magnetosferą. Į Saulę atgręžtoje Žemės pusėje magnetosfera tęsiasi iki 60 000–70 000 km nuo paviršiaus, o priešingoje jos pusėje susidaro daugiau kaip 5 mln. km ilgio magnetosferos uodega. Žemės magnetosferos „pagrobtos“ Saulės vėjo dalelės sudaro dvi radiacijos juostas (van Aleno žiedus): vidinę (2400–5600 km aukštyje) ir išorinę (12 000–20 000 km aukštyje). Virš Žemės magnetinių polių radiacijos juostų nėra.

Žemės sferos

Mokslininkai išskyrė keturias pagrindines Žemės paviršiaus sritis, taip vadinamas „sferas“: atmosferą (oro), litosferą (uolų), hidrosferą (vandens) ir biosferą (gyvybės). Egzistuoja smulkesnės sferos: pedosfera (dirvožemio, jungiama su biosfera), kriosfera (ledo, jungiama su hidrosfera), antroposfera (žmogaus) ir kitos.

Gyvybės raida

Nėra žinoma, kaip ir kada atsirado Žemėje gyvi organizmai. Dalis mokslininkų palaiko hipotezę, kad gyvybė atsirado šiltoje kūdroje ar karšto šaltinio paviršiuje veikiant cheminėms reakcijoms, kita dalis linkę manyti, kad gyvybė atsirado vandenynų dugne ties hidroterminėmis versmėmis, dar kita grupė mano, kad gyvybė galėjo būti atnešta su krintančiais meteoritais iš kosmoso. Pirmoji gyvybės forma tikriausiai buvo termofilinės bakterijos. 3,5 mlrd. metų senumo nuosėdinės uolienos, susiformavusios vandenyno dugne, turėjo aiškius mikroorganizmų fosilijų pėdsakus. Šie organizmai veisėsi pakrančių, vandenyno potvynių užliejamose zonose, sutvirtindavo smėlį. Mikroorganizmai augo kolonijomis sekliuose vandenyse palikdami kupolo pavidalo mineralų sankaupas − stromatolitus. Pirmieji mikroorganizmai išgyveno naudodami uolienų cheminių reakcijų energiją ir patys spartindami oksidacijos procesus, pavyzdžiui, oksiduodami geležį. Kažkuriuo metu atsirado mikroorganizmų, kurie gyvybinių medžiagų gamybai ir energijai išgauti pradėjo naudoti saulės šviesą − fotosintezės metu iš atmosferos dujų galima pagaminti įvairių gyvybinių molekulių: aminorūgščių, DNR, RNR, cukrus ir lipidus. Pirmieji fotosintetinantys mikroorganizmai neišskyrė deguonies ir jų gausa nudažydavo vandenį tamsiai violetine spalva. Apie prieš 2,5 mlrd. metų atsirado mikroorganizmų, kurie fotosintezės metu kaip šalutinį produktą pradėjo išskirti molekulinį deguonį. Nuo prieš 2,5 mlrd. iki 2,2 mlrd. metų deguonies kiekis atmosferoje pakito nuo nulio iki apie 1 % dabartinio lygio. 
Apie deguonies atsiradimą sprendžiama iš to, kad senesnėse uolienose sutinkami mineralai piritas ir uraninitas, kurie greitai oksiduotųsi deguoninėje aplinkoje. Be to, randama deguonies aplinkai nebūdingo cerio junginių, tačiau mažai geležies, kurios prisotintas dabartinis Žemės paviršius. Atvirkščiai: 2,5−1,8 mlrd. senumo geležies depozitai yra didžiausi Žemės plutoje (juose yra 90 % šiuolaikinės geležies rūdos) ir rodo spartų geležies oksidavimąsi šiuo laikotarpiu. Taip pat pasirodė ankstesniems laikotarpiams nebūdingų gausių mangano oksidų depozitų. Anksčiausi vario, nikelio, urano oksidų mineralai irgi datuojami šiuo laikotarpiu. Proveržis įvyko išnagrinėjus sieros izotopų elgesį cheminių reakcijų metu. Buvo įrodyta, kad sieros mineralai, susidarę seniau nei prieš 2,4 mlrd. metų, buvo veikiami aktyvios Saulės ultravioletinės spinduliuotės, o vėliau nebe, kas rodo ozono sluoksnio susidarymą tuo metu. Tikėtina, kad pirmosios deguonį išskirti pradėjo melsvabakterės, kurios šį sugebėjimą per endosimbiotinius ryšius perdavė eukariotams (augalams). 
Tarp apie prieš 1,8−0,85 mlrd. metų Žemėje moksliniu požiūriu nieko ypatingo nevyko, todėl šis laikotarpis vadinamas „Nuobodžiuoju milijardu metų“. Apie prieš 850 mln. metų pradėjus skilti Rodinijos superžemynui, atsirado daug seklių vidinių jūrų, kuriose suvešėjo augalija ir sparčiai mažino CO₂ kiekį atmosferoje. Pagausėjusios liūtys plovė žemynų pakrantes, o dėl liūties ardomos uolienos taip pat sugėrė CO₂. Tikėtina, kad tai prisidėjo prie tolydaus planetos atmosferos atšalimo, ašigalius padengė ledo kepurės, kurios atspindėdavo saulės šviesą. Apie prieš 740 mln. metų Žemę ištiko superledynmetis − planeta tikriausiai buvo užšalusi visa nuo ašigalių iki pusiaujo, išskyrus ugnikalnių viršūnes. Gyvybė išsilaikė vandenynų dugne prie termošaltinių, prie vulkanų buvusiuose šiltuose ežeruose ar jūrų vietose su plonu paviršiniu ledu. Užšalimas nesustabdė ugnikalnių veiklos, kurie vėl pripildė atmosferą CO₂ dujų, kurių nebuvo kam pašalinti ir dėl „šiltnamio efekto“ prasidėjo planetos atšilimas. Žemė Neoproterozojaus eros metu išgyveno tris superledynmečius, kurių paskutinis piką pasiekė apie prieš 580 mln. metų. Tarp šių ledynmečių buvo superšilti periodai, kurių metu jūros augmenija sparčiai gamino deguonį. Deguonies kiekis atmosferoje apie prieš 650 mln. metų pasiekė beveik dabartinį lygį − tai buvo būtina sąlyga, kad pradėtų išsivystyti sudėtingi organizmai kaip medūzos ir kirmėlės sekliose jūrose. 630 mln. metų senumu datuojamos anksčiausios daugialąsčių organizmų fosilijos.
Apie prieš 550 mln. metų pasirodė pirmieji daugialasčiai organizmai, kurie gebėjo iš karbonizuotų mineralų užsiauginti kiautą ar šarvus. Apie prieš 542 mln. metų įvyko tai, kas vadinama Kambro sprogimu − neįprastai padaugėjo esamų gyvybės rūšių. 535 mln. metų senumu datuojama rasta anksčiausia kriauklė. Prieš 530 mln. metų šarvuotieji gyvūnai − trilobitai, gausiai paplito viso pasaulio sekliuose vandenyse. 475 mln. metų senumo yra anksčiausios sporų fosilijos sausumoje. Apie prieš 430 mln. metų senumo sporų fosilijų radimviečių labai pagausėjo, kas rodo lemiamą gyvų organizmų žingsnį iš jūros į sausumą, pradėtos rasti samanų ir šiuolaikinius augalus primenančios fosilijos. Apie prieš 400 mln. metų primityvūs stiebiniai-gysliniai augalai paplito tolimesniuose nuo pakrančių sausumos plotuose. Ilgainiui augalai išvystė lapus ir prieš 360 mln. metų sausumą pradėjo dengti miškai. 395 mln. metų senumo fosilija, rasta Kinijoje, rodė tarpinį vandens gyvūnų pelekų virtimą kojomis. Prieš 375 mln. metų vaikščiojanti žuvis tapo pirmuoju keturkoju sausumos gyvūnu. Prieš 340 mln. metų išsivystė varliagyviai, iš kurių prieš 320 mln. metų išsivystė ropliai. Didelis kiekis augmenijos lėmė, kad prieš 300 mln. metų pradėjo susidaryti akmens anglies depozitai. Dėl fotosintezės ir karbonizacijos deguonies kiekis atmosferoje augo ir prieš 300 mln. metų pasiekė 30 %, o gal ir dar daugiau, kas patvirtinama to meto gintare rastų oro burbuliukų analize. Paplito milžiniški vabzdžiai.
Gyvybė Žemėje klestėjo iki prieš 251 mln. metus įvykusio masinio rūšių išnykimo, kurio metu pranyko 70 % sausumos rūšių ir net 96 % vandens rūšių, tarp kurių ir trilobitai. Mokslininkai nėra tikri, kas iššaukė masinį rūšių išnykimą − tai tikriausiai lėmė keletas faktorių: deguonies koncentracijos atmosferoje smukimas iki 20 %, mažas ledynmetis, dėl kurio nuseko žemyninio šelfo vandenys, suaktyvėjusi ugnikalnių veikla, dėl kurios į atmosferą buvo išmestas didelis nuodingų sieros junginių kiekis, tikėtinas ozono sluoksnio suirimas. Po šio rūšių išnykimo Žemėje prieš 230 mln. metų prasidėjo dinozaurų era. Prieš 205 mln. metų sekė dar vienas mažesnis masinis rūšių išnykimas, susijęs su supervulkano išsiveržimu, per kurį pražuvo daug konkuruojančių dinozaurams rūšių. Prieš 140 mln. metų pradėjo dominuoti žiedus kraunantys ir vaisius (sėklas) veisiantys augalai. Tuo metu deguonies kiekis atmosferoje nukrito iki 15 % ir lėtai atsistatė iki dabartinio lygio. Dinozaurai dominavo sausumoje, o amonitai jūrose. Dinozaurų era užsibaigė apie prieš 65 mln. metų į dabartinio Jukatano vietą nukritus didžiuliam meteoritui. Cunamio ir miškų gaisrų banga persirito per planetą. Meteorito nukritimas sutapo su tuomet Indijoje vykusiais ugnikalnių išsiveržimais ir nusekusiu jūrų lygiu, kurio mokslininkai iki šiol negali paaiškinti. Išliko iš dinozaurų išsivystę paukščiai, amonitai visiškai išnyko. Po 15 mln. metų Žemėje pradėjo dominuoti žinduoliai.