سیاره زمین تنها ذره کوچکی از عالم است، اما خانه انسان و در واقع خانه ای برای تنها گونه های یافت شده حیات در کل جهان می باشد. حیوانات، گیاهان و دیگر ارگانیزم های حیات تقریبا در همه جای سطح زمین وجود دارند. آنها می توانند در روی زمین به حیات ادامه دهند چرا که این سیاره در فاصله مناسبی نسبت به خورشید قرار گرفته است. بیشتر گونه های حیات به گرما و نور خورشید برای ادامه زندگی خود نیاز دارند. اگر زمین اندکی به خورشید نزدیک تر بود گرما و حرارت زیاد آن همه این گونه ها را می سوزاند و اگر قدری از خورشید دورتر بود بر اثر کمبود انرژی خورشید حیات در روی آن از بین می رفت. برای ادامه حیات وجود آب نیز ضروری می باشد که زمین سرشار از آن است. آب بیشتر سطح زمین را پوشانده است.
|
|
|
سیاره ما زمین. دانشمندان ناسا تصاویر ماهواره ای را با اطلاعات سطح زمین ترکیب نموده و این تصویر را از اقیانوسها و قاره ها تهیه کرده اند. توده ابر چرخانی که در غرب مکزیک مشاهده می کنید یک طوفان شدید است.
عکس از ناسا |
مطالعه زمین، زمین شناسی یا ژئولوژی نام دارد. زمین شناسان با بررسی عوامل فیزیکی زمین، به چگونگی پیدایش و تغییرات آنها پی می برند. بر روی بیشتر قسمتهای زمین مانند قسمتهای درون آن، نمی توان به طور مستقیم تحقیق نمود. زمین شناسان با بررسی نشانه ها و صخره ها به روش هایی برای شناخت غیر مستقیم این سیاره می پردازند. البته امروزه، زمین شناسان می توانند با اطلاعات به دست آمده از فضا نیز به بررسی زمین بپردازند.
سیاره ای به نام زمین
در میان نه سیاره موجود در منظومه شمسی، زمین رتبه پنجم از لحاظ اندازه را به خود اختصاص می دهد. قطر آن حدود 13.000 کیلومتر است. مشتری، بزرگترین سیاره منظومه شمسی قطری 11 برابر قطر زمین را دارد و پلوتو به عنوان کوچکترین سیاره دارای قطری کمتر از یک پنجم زمین می باشد.
زمین نیز مانند بقیه سیاره ها در مداری با فاصله 150 میلیون کیلومتر به دور خورشید در گردش است و هر دور خود را در مدت 365 روز تکمیل می کند. فاصله پلوتو، دورترین سیاره از خورشید 40 برابر فاصله زمین از خورشید است و در هر 248 روز زمینی یکبار دور خود را تکمیل می نماید.
حرکت زمین
زمین دارای سه نوع حرکت است: 1) حرکت وضعی حول محوری فرضی که از دو قطب شمال و جنوب آن عبور می کند. 2) حرکت انتقالی در مداری به دور خورشید. 3) حرکت در راه شیری به همراه خورشید و دیگر اجرام منظومه شمسی.
24 ساعت زمان لازم است تا زمین یک دور وضعی خود را تکمیل کند. این زمان را روز خورشیدی می گویند. در طی یک روز خورشیدی، زمین مقداری نیز در مدار خود حرکت می کند بنابراین مکان ستارگان درآسمان هرشب دچار اندکی تغییر می شود. مدت زمان واقعی یک دور حرکت وضعی زمین معادل 23 ساعت و 56 دقیقه و 09/4 ثانیه می باشد. این زمان را روز نجومی زمین می نامند. روز نجومی از روز خورشیدی کوتاه تر است بنابراین ستارگان هر روز 4 دقیقه زودتر در آسمان دیده می شوند.
گردش زمین به دور خورشید 365 روز و 6 ساعت و 9 دقیقه و 54/9 ثانیه به طول می انجامد. این دوره زمانی سال نجومی خوانده می شود. از آنجائیکه حرکت وضعی زمین در انتهای هر سال به یک عدد کامل نمی رسد، ترتیب تقویم در هر سال معادل 6 ساعت نسبت به ترتیب فصول متفاوت می شود. برای هماهنگی تقویم و فصول، هر چهار سال یکبار 1 روز به تقویم اضافه می شود تا عدم تناسب برطرف گردد. سالهایی که یک روز اضافی دارند سال کبیسه نامیده می شوند. در تقویم میلادی یک روز اضافه در آخر دومین ماه سال یعنی فوریه قرار می گیرد و در تقویم خورشیدی یک روز به آخر اسفند ماه اضافه می گردد.
مسافت مدار زمین به دور خورشید 940میلیون کیلومتر است و زمین این مسافت را با سرعت 107.000 کیلومتر در ساعت و یا 30 کیلومتر در ثانیه طی می کند.
محور طولی زمین به شکل عمودی، صفحه مداری را قطع نمی کند بلکه نسبت به آن زاویه ای حدود 5/23 درجه دارد. این شیب و حرکت زمین به دور خورشید باعث پدیدار گشتن فصول می شوند. در دی ماه، نیمکره شمالی زمین، به دلیل شیب محور طولی، دورتر از خورشید قرار می گیرد. نور خورشید با شدت کمتری به نیمکره شمالی می رسد و در این هنگام این بخش از زمین، زمستان را پشت سر می گذراند. در خرداد ماه وضعیت شیب زمین تغییر می کند و این بار نیمکره جنوبی در قسمتی از شیب قرار می گیرد که از خورشید دورتر است در نتیجه نوبت به این نیمکره می رسد که زمستان را تجربه نماید.
مدار زمین دایره کامل نیست. در اوایل دی ماه زمین به خورشید نزدیکتر و در خرداد ماه کمی دورتر است. فاصله زمین از خورشید در ماه دی 1/147 میلیون کیلومتر و در ماه خرداد 1/152 میلیون کیلومتر می باشد. تاثیر این پدیده در سرما یا گرمای زمین بسیار کمتر از پدیده شیب زمین است.
زمین و منظومه شمسی عضو یک صفحه ستاره ای وسیع به نام کهکشان راه شیری می باشند. درست همانگونه که ماه به دور زمین و سیارات به گرد خورشید در چرخشند، خورشید و دیگر ستارگان به دور مرکز راه شیری در گردش می باشند. منظومه شمسی حدودا در فاصله دو پنجم از مرکز راه شیری قرار گرفته و با سرعت 249 کیلومتر در ثانیه حول مرکز آن در گردش است. منظومه شمسی در هر 220 میلیون سال یکبار حول مرکز کهکشان گردش می کند.
شکل و اندازه زمین
بیشتر مردم زمین را مانند یک توپ، با قطب شمال در بالا و قطب جنوب در پایین آن به تصویر می کشند. در واقع زمین، دیگر سیارات، قمرهای بزرگ و ستارگان و هر جرم دیگری که قطر آن بیشتر از 320 کیلومتر باشد، گرد است و این به دلیل نیروی گرانش آن جرم می باشد. گرانش همه مواد را به داخل و به سمت مرکز می کشد.
قمرهای کوچک مانند دو قمر مریخ، گرانش بسیار کمی دارند. کمتر از آنچه باعث گرد شدنشان شود. برای بدن های ما "پایین" همیشه در راستای مسیر کشش گرانش و به سمت مرکز زمین است. ساکنین اسپانیا و نیوزیلند دقیقا در دوسمت مخالف زمین قرار گرفته اند ولی هر دوی آنها "پایین" را به سمت مرکز زمین و "بالا" را به سمت آسمان می دانند. گرانش در سیارات دیگر و اقمار آنها نیز به همین شیوه عمل می کند.
با این حال زمین به طور کامل گرد نیست. گردش وضعی آن باعث گردیده است که قسمت مرکزی آن یا استوا، دچار برآمدگی گردد. قطر زمین از قطب شمال تا قطب جنوب آن 54/12.713 کیلومتر است در حالیکه قطر آن در منطقه استوا 32/12.756 کیلومتر می باشد. این اختلاف 78/42 کیلومتری تنها 298/1 ام قطر زمین است. این مقدار بسیار اندک است به همین دلیل در عکسهایی که در فضا از زمین گرفته شده اند محسوس نمی باشد و این سیاره کاملا گرد به نظر می رسد.
برآمدگی زمین همچنین باعث می شود که محیط زمین پیرامون استوا بیشتر از محیط آن پیرامون قطبها باشد. محیط این سیاره دور استوا 16/40.075 کیلومتر و دور قطبها 40.008 کیلومتر است. از آنجائیکه محیط زمین در جنوب استوا بیشتر است، زمین اندکی گلابی شکل است. زمین همچنین دارای کوهستانها و دره هایی در سطح می باشد ولی از آنجائیکه ابعاد این قسمتها نسبت به اندازه کل زمین بسیار ناچیز است لذا این سیاره از فضا مسطح به نظر می آید.
قمر زمین
زمین و پلوتو دارای یک قمر می باشند. عطارد و ونوس هیچ قمری نداشته و سایر سیارات منظومه شمسی هر کدام دارای دو یا چندین قمر هستند. قطر ماه، قمر زمین، 3.474 کیلومتر، حدود یک چهارم قطر زمین است.
گرانش خورشید با ماه و زمین به مانند یک جرم واحد رفتار می کند. جرم واحدی که مرکز آن در نقطه 1.600 کیلومتری زیر سطح زمین قرار گرفته است. این نقطه "مرکز مشترک" ماه و زمین است. مسیر حرکت نقطه "مرکز مشترک" به دور خورشید، یک منحنی صاف است. زمین و ماه همانطور که به دور خورشید در گردشند، دور "مرکز مشترک" نیز می چرخند. حرکت ماه و زمین حول "مرکز مشترک" باعث لرزش در مسیر حرکت آن دو حول خورشید می گردد.
لایه های زمین
زمین از لایه ها یا پوسته های متعددی تشکیل شده است. لایه هایی شبیه به پیاز. بخش جامد زمین شامل لایه نازک خارجی یعنی پوسته زمین و لایه ضخیم سنگی در زیر پوسته، یعنی جبه آن می باشد. پوسته و لایه بالایی جبه را "سنگ کره" یا لیتوسفر (lithosphere) می گویند. در مرکز زمین، هسته قرار دارد. قسمت بیرونی هسته، مایع و قسمت داخلی آن جامد است. بیشتر سطح زمین پوشیده از آب و یخ می باشد و هیدروسفر (hydrosphere) یا "آب کره" نامیده می شود. زمین با لایه ای نازک از هوا به نام جو یا اتمسفر (atmosphere) احاطه شده است. به مجموع بخش های هیدروسفر، جو و قسمتهای جامد که حیات در آنها جریان دارد، بایوسفر (biosphere) یا "زیست کره" اطلاق می گردد.
جو زمین
هوا زمین را احاطه نموده و به طور تصاعدی از سطح زمین به سمت بالا نازک تر می شود. بیشتر انسانها در ارتفاعاتی بلندتر از 3 کیلومتر از سطح دریا دچار مشکل تنفسی می شوند. در ارتفاع حدودا 160 کیلومتری، لایه هوا به قدری نازک است که ماهواره ها تقریبا بدون هیچ مقاومتی در سفرند. با اینحال ذراتی از هوا در ارتفاع 600 کیلومتری سطح زمین شناسایی شده است. اتمسفر یا جو مرز بیرونی مشخصی ندارد بلکه کم کم در فضا محو می شود.
نیتروژن 78 درصد و اکسیژن 21 درصد از هوای زمین را تشکیل می دهند. 1 درصد باقیمانده مملو از آرگون و مقادیر اندکی از دیگر گازها می باشد. جو زمین همچنین شامل بخار آب، دی اکسید کربن، قطرات ریز آب و مقدار کمی از گازها و مواد شیمیایی خارج شده از آتشفشانها، آتش، مواد مانده و فعالیت های انسانی می باشد.
لایه های پائینی جو، تروپوسفر (troposphere) نامیده می شود. این لایه در حرکت دائمیست. خورشید سطح زمین و هوای بالای آن را گرم می کند. هوا در اثر گرم شدن بالا می رود. هنگامیکه هوای گرم شده به بالا رفت دچار افت فشار می گردد در نتیجه سرد می شود. هوای سرد از هوای اطراف خود چگال تر و سنگین تر است بنابراین به سمت پائین فرو می آید و چرخه مجددا تکرار می شود. این چرخه دائمی "آب و هوا" را ایجاد می کند.
در بالای تروپوسفر، حدودا 48 کیلومتر بالاتر از سطح زمین، لایه ثابتی به نام استراتوسفر (stratosphere) یا "هوا کره" وجود دارد. "هوا کره" شامل لایه ایست که در آنجا پرتوهای فرابنفش تابیده شده از خورشید، با مولکولهای هوا برخورد کرده و گازی به نام "ازون" تولید می گردد. ازون ورود پرتوهای زیانبار فرابنفش به سطح زمین را سد می کند. با اینحال بعضی از این پرتوها به داخل وارد شده و منجر به عوارضی از جمله آفتاب سوختگی و سرطان پوست در بین انسانها می گردد. مقدار اندکی از مواد شیمیایی که انسان تولید می کند، باعث آسیب دیدن ازون شده است. افراد زیادی متوجه نازک شدن لایه ازون و در نتیجه ورود پرتوهای فرابنفش و آسیب های جدی برای انسان و دیگر جانداران شده اند.
بخار آب، دی اکسید کربن، متان و دیگر گازهای موجود در جو، باعث گیر افتادن گرما و حرارت خورشید در سطح زمین شده و منجر به گرم ماندن آن می گردند. محبوس شدن گرما به دلیل تاثیرات گلخانه ای ایجاد می شود. بدون تاثیرات گلخانه ای جو، زمین احتمالا برای تشکیل حیات بسیار سرد بود.
آب کره یا هیدروسفر
زمین تنها سیاره منظومه شمسی است که دارای مقادیر زیادی آب مایع در سطح خود می باشد. آب، رکن اساسی تشکیل و ادامه حیات در زمین، دارای خواص فیزیکی و شیمیایی می باشد که این خواص در هیچ یک از گونه های دیگر مواد دیده نشده است. آب توانایی زیادی برای جذب گرما دارد. اقیانوسها بیشتر گرمایی را که زمین از خورشید می گیرد در خود ذخیره می کنند. بارهای الکتریکی موجود در مولکولهای آب منجر به جذب اتم از مواد دیگر می شود. این توانایی آب باعث حل شدن مواد زیادی می گردد. قدرت حل کنندگی زیاد آب باعث خرد شدن و حل شدن سنگها و صخره ها می شود. آب مایع نه تنها بر روی زمین تاثیر گذار است بلکه بر لایه های زیرین زمین نیز تاثیر می گذارد. آب موجود در سنگها دمای ذوب آنها را پایین می آورد. آب به طور هیجان انگیزی سنگها را ضعیف کرده و باعث حل شدن آنها در لایه های زیرین سطح می گردد.
حدود 71 درصد از سطح زمین پوشیده از آب است که بیشتر آن در اقیانوسها موجود می باشد. آب اقیانوسها برای نوشیدن شور است. تنها 3 درصد از آبهای سطح زمین برای نوشیدن مناسبند که بیشتر این میزان به راحتی برای انسان قابل دسترس نیست. زیرا بیشتر آن به شکل یخ در کوه های قطب ها و یا در زیر زمین می باشد. مناطق قطبی و کوهستانهای بلند آنقدر سرد می باشند که آب در این مناطق به طور دائمی به شکل یخ باقی می ماند. به این مناطق از زمین کرایوسفر (cryosphere) می گویند.
سنگ کره یا لیتوسفر
پوسته و قسمت بالایی جبه از سطح زمین تا عمق حدود 100 کیلومتر، سنگ کره را تشکیل می دهد. لایه نازک پوسته از مواد شیمیایی طبیعی به نام مواد معدنی، تشکیل شده از عناصر گوناگون، شکل گرفته است. اکسیژن فراوان ترین عنصر شیمیایی در سنگهای پوسته بوده و حدود 47 درصد از وزن همه سنگها را به خود اختصاص می دهد. عنصر بعدی سیلیکون با فراوانی 27 درصد است و پس از آن به ترتیب آلومینیوم (8 درصد)، آهن (5 درصد)، کلسیوم (4 درصد) و سدیوم، پتاسیوم و منیزیوم ( هر کدام حدود 2 درصد) می باشند. این عناصر 99 درصد از وزن کل سنگ های موجود در سطح زمین را تشکیل می دهند.
دو عنصر سیلیکون و اکسیژن تقریبا سه چهارم پوسته را تشکیل می دهند. ترکیبات این دوعنصر برای زمین شناسان بسیار پر اهمیت بوده و با نام "سیلیکا" شناخته می شوند. مواد معدنی که شامل سیلیکا می باشند "سیلیکات" نامیده می شوند. بیشترین ماده معدنی یافت شده در سطح زمین کوارتز است که از سیلیکای خالص ساخته می شود. گروهی دیگر از سیلیکاتها موادی می باشند که از سیلیکا، آلومینیوم، کلسیوم، سدیوم و پتاسیوم تشکیل شده اند. دو نوع دیگر از سیلیکات های رایج در سطح زمین پایراکسین (pyroxene) و آمفایبول (amphibole) نامیده می شوند که هر دو ترکیبی از سیلیکا، آهن و منیزیوم هستند.
گروه دیگری از مواد معدنی رایج کربنات ها می باشند که از کربن و اکسیژن به همراه مقدار اندکی از عناصر دیگر تشکیل می شوند. مهمترین نوع از این گروه ترکیباتی متشکل از کلسیوم، کربن و اکسیژن هستند که می توان سنگ آهک را که در ساخت و ساز ساختمان ها بسیار به کار می رود، در این گروه نام برد.
زمین دارای دو نوع پوسته است. زمینهای خشک قاره ها که اغلب از گرانیت و سیلیکات ها ساخته شده اند و کف اقیانوسها که از ترکیبات تیره و پر چگال سنگ های آتشفشانی با نام بازالت پوشیده شده اند. میانگین ضخامت پوسته قاره ای 40 کیلومتر است که این مقدار در بعضی جاها کمتر و در بعضی جاها بیشتر است. میانگین پوسته اقیانوسی تنها 8 کیلومتر است.
زیست کره یا بایوسفر
زمین تنها مکان و سیاره شناخته شده است که دارای گونه های حیات می باشد. منطقه ای که حیات در آن جریان دارد از اعماق اقیانوس تا چند کیلومتری جو است. تا به حال چندین میلیون گونه حیاتی در زمین کشف شده است با این حال دانشمندان معتقدند که گونه های دیگری نیز وجود دارد که هنوز کشف نشده اند.
زندگی به شیوه های مختلفی بر روی زمین تاثیر گذار است. در واقع وجود گونه های مختلف موجودات زنده، جو پیرامون ما را می سازد. گیاهان آب و دی اکسید کربن را که هر دو حاوی اکسیژن می باشند، جذب می کنند. آنها کربن موجود در دی اکسید کربن و هیدروژن موجود در آب را برای تولید گونه های مختلف مواد شیمیایی مصرف می کنند و اکسیژن را به صورت ماده زائد پس می دهند. حیوانات برای تامین انرژی گیاهان را می خورند و آب و دی اکسید کربن را به محیط باز می گردانند. همه گونه های زنده به نوعی بر روی سطح زمین تاثیر گذارند.
سنگ های زمین
قسمتهای جامد زمین از سنگهایی تشکیل می شوند که گاهی از یک نوع ماده معدنی و در اغلب موارد با ترکیبی از چندین نوع مختلف ماده معدنی به وجود آمده اند. زمین شناسان سنگ ها را بر اساس منشا آنها طبقه بندی کرده اند. سنگهای آتشفشانی، سنگهایی هستند که در اثر انجماد مواد مذاب شکل گرفته اند. سنگهای رسوبی، هنگامی به وجود می آیند که مواد شیمیایی حل شده یا ذرات سنگها ، توسط باد، آب و یا توده های یخ به صورن لایه لایه به مرور زمان رسوب کرده و جامد می شوند. سنگهای دگردیس نیز به سنگهایی گفته می شود که در اعماق پوسته زمین، تحت حرارت و فشار از نوعی به نوعی دیگر تبدیل می شوند.
سنگهای آذرین یا آتشفشانی از انجماد مواد مذابی به نام "مگما" یا "خمیر مواد معدنی" به وجود می آیند. درون زمین جامد است نه مذاب اما بسیار داغ است. در پائین پوسته دما 1000 درجه سانتیگراد می باشد. در برخی قسمتهای پوسته، به ویژه قسمتهایی که آب در آن جریان دارد، شرایط برای ذوب شدن سنگها مهیا می باشد چراکه نقطه ذوب در آن نواحی پائین تر است.
در جاهائیکه شرایط مناسب است، مگما بخش های زیرین و داخلی پوسته را شکل می دهد. قسمتی از این مگما، توسط آتشفشانها به صورت مواد مذاب از دهانه آتشفشانها بیرون آمده و به سطح زمین می رسند. البته قسمت اعظم مگما هرگز به سطح زمین نمی رسد. آنها اغلب تدریجا در پوسته سرد می شوند و ممکن است که در اثر فرسایش متلاشی گردند. به این سنگ های آتشفشانی پلاتونیک (Plutonic) می گویند. سنگ های پلاتونیک به آهستگی سرد می شوند. در طی این سرد شدن تدریجی، مواد معدنی آنها کریستالهای بزرگی را به وجود می آورند. پلاتونیک ها از دیگر سنگ های آتشفشانی زبر تر و خشن ترند.
سنگ های آتشفشانی یا با سیلیکا غنی شده و مقدار کمی آهن و منیزیوم دارند یا بالعکس. به سنگهای آتشفشانی که از لحاظ آهن، غنی و از لحاظ سیلیکا ضعیفند، بازالت گفته می شود و به پلاتونیک هایی که سرشار از سیلیکا می باشند، گرانیت گفته می شود. گرانیت تقریبا لایه های زیرین اغلب قاره ها را پوشانده است و بازالت در کف همه اقیانوسها پیدا می شوند.
سنگ های رسوبی
سنگ های سطح زمین دائما در معرض حمله نیروهای شیمیایی و مکانیکی می باشند. به فرایند تجزیه سنگها فرسایش گفته می شود. آب در حل شدن مواد معدنی تاثیر گذار است. هنگامیکه آب یخ می زند، منبسط می شود. این انبساط کمک می کند تا دانه های مواد معدنی موجود در سنگها از هم جدا شوند. به علاوه، موجودات زنده مواد شیمیایی به وجود می آورند که به حل شدن سنگها کمک می کنند.
هنگامیکه سنگها تجزیه می شوند، مواد معدنی اغلب به همراه عامل فرسایش حرکت کرده و جریان پیدا می کنند. جریان آب سنگها را سایش می دهد. باد و توده های یخی نیز در فرسایش شرکت می کنند. فرسایش معمولا فرایند کند و آهسته ای می باشد اما در طی میلیونها سال، این فرایند می تواند حتی سنگ هایی که در چندین کیلومتری عمق سطح زمین می باشند را تحت تاثیر قرار دهد.
مواد معدنی که همراه عوامل فرسایش جاری شده اند در نهایت با ته نشین شدن و رسوب کردن به سنگهای رسوبی تبدیل می شوند. سنگ ماسه از نمونه های سنگ های رسوبی است که با چسبیدن ذرات شن و ماسه به یکدیگر تشکیل می گردد.
به برخی از سنگهای ر سوبی، بیوژنتیک می گویند. این سنگها در اثر کنشهای موجودات زنده به وجود می آیند. زغال سنگ باقیمانده گیاهان چوبیست که بر اثر گرما و فشار در طی سالها به سنگ تبدیل می شوند. سنگ آهک توسط موجودات دریایی میکروسکوپی شکل می گیرد. این موجودات از خود پوسته ای محافظ از جنس کربنات کلسیوم ترشح می کنند. پس از مرگ این جانداران، پوسته باقی مانده و تبدیل به سنگ آهک می شود.
سنگ های دگردیس
وقتی سنگها به عمق زمین می رسند، داغ می شوند. پوسته زمین در هر یک کیلومتر به سمت عمق، 25 درجه سانتیگراد گرمتر می شود. در عمق 6/1 کیلومتری عمق سطح زمین، فشار برابر 360/41 کیلوپاسکال می باشد. هنگامیکه سنگها در معرض چنین فشار و گرمایی قرار می گیرند، مواد معدنی شروع به واکنش نموده و سنگها تبدیل به سنگهای دگردیس می شوند. شماری از این سنگها حاوی بخشهای قابل شناسایی می باشند که بیان گر منشا آنها می باشد اما بعضی از آنها به قدری دستخوش تغییرات می شوند که تنها ترکیبات شیمیایی آنها مدارکی برای شناسایی منشا آنها در اختیار می گذارند.
چرخه های زمین
زمین می تواند مانند یک سیستم غول پیکر از چرخه های فعال تصور شود. در هر چرخه، ماده و انرژی از جایی به جایی دیگر منتقل می شود و ممکن است که تغییر شکل دهد. در نهایت ماده و انرژی به جای نخستین خود بازگشته و چرخه از اول آغاز می شود. چرخه ها بر همه چیز در این سیاره تاثیر می گذارند از وضعیت آب و هوا تا شکل مناظر . چرخه های گوناگونی روی زمین و درون آن وجود دارند تعدادی از مهمترین آنها عبارتند از 1) گردش جوی 2) جریان اقیانوسها 3) انتقال حرارت سراسری 4) چرخه آب 5) چرخه سنگ ها
گردش جوی
هوای گرم شده توسط خورشید نزدیک استوا، بالا آمده و به سمت قطبهای زمین حرکت می کند و دوباره به سطح زمین برگشته و به سمت استوا جریان پیدا می کند. این حرکت، به همراه حرکت وضعی زمین، گرما و رطوبت را در سرتاسر سیاره به حرکت در آورده و منجر به ایجاد بادها و الگوهای وضعیت آب و هوا می شود.
در برخی مناطق، جهت وزش بادها در فصول تغییر می کند. این الگوها را بادهای موسمی می نامند. در تابستان هوا بر فراز آسیا توسط خورشید گرم شده، بالا می رود و هوای مرطوب را از اقیانوس هند با خود می کشد و منجر به بارندگی های روزانه در اغلب کشورهای جنوب آسیا می گردد. در زمستان، هوا بر فراز آسیا سرد می شود و بیشتر رطوبت موجود را دور کرده در نتیجه هوا خشک می شود. مشابه این الگو در اقیانوس آرام نزدیک مکزیک نیز رخ داده و هوای مرطوب و طوفان را در تابستان به جنوب غربی ایالات متحده می برد.
جریان اقیانوسها
جریان اقیانوسها با وزش بادها حرکت نموده و الگوی مشابهی را پیش می گیرد. قاره ها مسیر حرکت اقیانوسها را سد می کنند. جریان اقیانوسها در نزدیک استوا در جهت غرب است و سپس به سمت قطب ها می روند، هنگامیکه به یک قاره برخورد کنند به سمت شرق می روند و سپس به استوا باز می گردند.
انتقال حرارت سراسری
انتقال حرارت سراسری، چرخه بزرگ آب اقیانوسهاست که گرما را در همه زمین توزیع می کند. آب در نواحی قطبی بسیار سرد، شور و سنگین است. این آب به زمین فرو می رود و با حرکت در مسیر کف دریا به استوا می رسد. در نهایت، آب در قسمتهای مرزی قاره ها بالا آمده و با آبهای جاری در سطح زمین ترکیب می شود. وقتی که این آب به مناصق قطبی می رسد، دوباره فرو می رود. این حرکت سه بعدی آب گرما را در اقیانوسها مخلوط می کند و آبهای قطبی را گرم می کند. این چرخه همچنین منجر به بالا آمدن مواد مغذی از عمق اقیانوسها به سطح زمین می گردد که در اختیار گیاهان دریایی و جانوران قرار می گیرند.
چرخه آب
آب اقیانوسها تبخیر شده و به جو می روند و نهایتا به شکل برف یا باران به زمین می ریزند. آبی که به زمین می رسد باعث تجزیه سنگها، تغذیه گیاهان و پوشش دادن مناظر می شود. سرانجام این آبها به دریاها رفته و چرخه از اول آغاز می گردد.
چرخه سنگ ها
تنوع سنگ ها در زمین به دلیل وجود فرایندهای فعال، نسبت به سایر سیارات بسیار بیشتر است. زمین شناسان برای توضیح نسبتهای گونه های مختلف سنگها با یکدیگر از چرخه سنگها صحبت می کنند. این چرخه می تواند از جریان مواد مذاب آتشفشانی و سرد شدن آنها برای تشکیل سنگهای آذرین آغاز شود. هنگامیکه این سنگها در معرض آب قرار می گیرند تجزیه شده در نتیجه مواد معدنی با رسوب تبدیل به سنگهای رسوبی می شوند. این سنگها در نهایت به اعماق زمین می رسند و در اثر گرما و فشار به سنگهای دگردیس تبدیل شده و در نهایت مذاب گشته و به موادی برای تشکیل سنگهای آذرین تبدیل می شوند. سنگها به ندرت در یک چرخه کامل قرار می گیرند. در عوض بعضی از مراحل حذف و بعضی تکرار می شوند.
درون زمین
زمین شناسان قادر به مطالعه مستقیم اعماق زمین نمی باشند. عمیق ترین چاه حفر شده 13 کیلومتر است. زمین شناسان می دانند که قسمتهای زمین با لایه نازک پوسته آن متفاوتند. در اعماق زمین فشار به قدری زیاد است که مواد معدنی با فشرده شدن به موادی با چگالی بسیار زیاد، که در سطح زمین یافت نمی شوند، تبدیل می گردند.
یکی از راه های شناخت ترکیب بندی زمین، آنالیزهای شیمیایی سنگهای آسمانی است. گونه های خاصی از این سنگها که کندریت (chondrite) نامیده می شوند، پیش از برخورد با زمین در منظومه شمسی بدون هیچ تغییری از قرنها پیش باقی مانده اند. زمین شناسان می توانند با استفاده از کندریت ها، منشا ترکیب بندی های شیمیایی زمین را تخمین زنند.
علیرغم کندریت ها، زمین با لایه هایی که مشتمل از مواد گوناگون شیمیایی می باشند، شکل گرفته است. زمین شناسان با مطالعه لرزش های ناشی از زمین لرزه ها، به کمک تجهیزاتی که لرزه نگار نامیده می شوند، در مورد عمق زمین پی به نکات جدیدی می برند. سرعت و حرکت لرزش های درون زمین به ترکیب بندی و چگالی موادی که لرزه ها در میان آن قرار گرفته اند بستگی دارد. زمین شناسان با آنالیز کردن این لرزش ها به جزئیات فراوانی از عمق زمین پی می برند.
جبه
در زیر پوسته، تا عمق 2.900 کیلومتری، لایه ای ضخیم به نام جبه وجود دارد. جبه به طور کامل سفت نیست بلکه می تواند به آرامی جریانهایی داشته باشد. پوسته زمین بر روی جبه معلق است درست مانند تخته ای بر روی آب. همانگونه که یک تخته ضخیم بیشتر از یک تخته نازک از سطح آب بالا می آید، پوسته ضخیم قاره ای بالاتر از پوسته اقیانوسی قرار می گیرد. حرکت آرام سنگها در جبه باعث حرکت قاره ها و درنتیجه بروز زمین لرزه، آتشفشان و شکل گیری محدوده کوهستانها می شود.
هسته
در مرکز زمین هسته قرار دارد. هسته بیشتر از آهن، نیکل و احتمالا مقدار کمی عناصر سبکتر نظیر سولفور و اکسیژن تشکیل شده است. قطر هسته حدودا 7.100 کیلومتر، کمی بیشتر از نصف قطر زمین و تقریبا به اندازه مریخ می باشد. حدودا 2.250 کیلومتر از قسمت بیرونی هسته مایع است. حرکت هسته باعث ایجاد میدان مغناطیسی زمین می گردد. زمین شناسان معتقدند که حدود 2.600 کیلومتر از بخش داخلی هسته با همان مواد تشکیل دهنده قسمتهای بیرونی هسته ساخته شده اما به شکل جامد است. بخش داخلی تقریبا چهار پنجم ماه است.
زمین به سمت هسته رفته رفته داغ و داغ تر می شود. در زیر پوسته قاره ای دما حدود 1000 درجه سانتیگراد است. در زیر پوسته دما تقریبا در هر کیلومتر به سمت عمق 1 درجه سانتیگراد گرمتر می شود. زمین شناسان بر این باورند که دمای هسته زمین بین 3700 تا 4300 درجه سانتیگراد می باشد. قسمت داخلی هسته می تواند دمایی معادل 7000 درجه سانتیگراد یعنی گرمتر از دمای سطح خورشید داشته باشد که البته این قسمت به علت فشار بی اندازه زیاد همچنان به شکل جامد است.
پوسته
سنگهای داغ در جبه زمین به آهستگی به سمت بالا حرکت می کنند در حالیکه سنگهای سردتر نزدیک سطح به درون فرو می روند چرا که مواد داغ سبکتر از مواد سرد می باشند. به این بالا آمدن و فرو رفتن در دماهای مختلف انتقال گرما گفته می شود. با جریان جبه زمین، پوسته زمین به تکه هایی تقسیم می شود که به آنها صفحه های تکتونیک (tectonic) می گویند. این صفحه ها مانند شکسته شدن یخ در یک دریاچه یخ بسته است. حرکات آهسته جبه منجر به حرکت پوسته و در نتیجه حرکت قاره ها، شکل گیری کوهستانها، آتشفشانها و زلزله ها می گردد.
در بعضی جاها، مخصوصا ته اقیانوسها، تکتونیکها از هم جدا می شوند. مگما از جبه به بالا می آید تا شکافهای بین صفحه ها را پر کند. به قسمتهایی که تکتونیکها از هم جدا شده اند، مرکز گسترش می گویند. بسیاری از آتشفشانها در این قسمتها رخ می دهند. با سرد شدن مواد بیرون آمده از این آتشفشانها پوسته های اقیانوسی ساخته شده از سنگهای بازالت شکل می گیرند.
سابداکشن (Subduction)
پوسته زمین نمی تواند در هر کجا و هر سمت گسترده شود. در بعضی قسمتها مقداری از پوسته باید برداشته شود. وقتی دو صفحه یکدیگر را هل می دهند، یکی از آنها به درون جبه فرو می رود. به این فرایند سابداکشن می گویند. صفحه فرو رفته درون زمین نهایتا ذوب می شود و به شکل مگما در می آید. بیشتر مگمای ایجاد شده بر اثر سابداکشن به سطح زمین نمی رسد بلکه در پوسته آن سرد شده و سنگهای پلاتونیک را ایجاد می نماید.
پوسته قاره ای به دلیل ضخامت و سبک بودن در زمین فرو نمی رود بلکه پوسته سنگین اقیانوسی دچار سابداکشن می گردد. مرز بین دو صفحه در محل برخورد با شیاری بسیار عمیق در کف اقیانوس مشخص می شود. این شیارها عمیق ترین بخشهای اقیانوس هستند و عمق آنها تا11.000 متر نیز می رسد.
صفحه بالاتری که در سطح زمین باقی می ماند ممکن است پوسته قاره ای و یا اقیانوسی باشد. این صفحه به زیر نمی رود ولی تحت تاثیر سابداکشن قرار می گیرد. وقتی دو صفحه به سمت هم حرکت می کنند، لبه های پوسته بلند تر تحت فشار قرار می گیرد. صفحه ضخیم تر و بلند تر می شود و مناطق کوهستانی بر سطح آن ایجاد می گردند. وقتی سنگهای صفحه فرو رونده به عمق 100 کیلومتری زمین می رسند، شروع به ذوب شدن و تشکیل مگما می نمایند. بخشی از این مگما به سطح رسیده و منجر به وقوع فورانهای آتشفشانی می گردد. مناطقی با آتشفشانهای فراوان مانند پرو، ژاپن و شمال غربی ایالات متحده، در نزدیکی مناطقی قرار دارند که سابداکشن رخ می دهد.
ساختمان کوهستانها
گاهی، هنگامیکه یک صفحه به درون جبه فرو می رود، یک قاره و یا قسمتی کوچک تر را با خود می کشد. همانطور که گفته شد پوسته قاره ای ضخیم تر و سبک تر از آن است که به درون زمین فرو رود. اما ممکن است با صفحه های دیگر برخورد کند. برخورد صفحه ها با یکدیگر اغلب رشته کوه های عظیمی را در وسط قاره ها ایجاد می کند. برای مثال هیمالیا زمانی شکل گرفت که دو صفحه قاره ای با یکدیگر برخورد نمودند.
مجموعه رویدادهایی که در طی تشکیل یک رشته کوهستان رخ می دهد را اروژنی (orogeny) یا تشکیل کوه می گویند. اروژنی شامل بلند شدن و مرتفع شدن کوه ها، تا شدن و چین خوردگی سنگها، فعالیتهای آتشفشانی و شکل گیری پلاتونیک ها و سنگهای دگردیس که هنگام برخورد صفحه ها ایجاد می شوند، می باشد. سالها پس از اینکه کوهستانها بر اثر فرسایش ناپدید شدند، زمین شناسان همچنان می توانند تغییراتی را که اروژنی در سنگها به وجود می آورد مشاهده کنند.
زمین لرزه
زمین لرزه هنگامی رخ می دهد که سنگهای دو قسمت مقابل هم در یک شکاف، که گسل نامیده می شود، به یکدیگر برخورد کنند یا به هم کشیده شوند. گسلها هم در مرزهای بین صفحات هستند و هم در میان صفحات قرار دارند. گاهی نیز نیروهای موجود در صفحه ها باعث شکسته شدن و لرزیدن سنگهایی می شود که به گسلها نزدیک نیستند. به مرز دو صفحه که به یکدیگر کشیده می شوند گسل انتقالی می گویند. گسل سن آندراس در کالیفرنیا یک گسل انتقالی است. در منطقه ای به نام صفحه آرام، قسمت کوچکی از شمال غربی کالیفرنیا در حال کشیده شدن توسط بقیه آمریکای شمالیست.
شکل قاره ها
چندین بار در تاریخ زمین، تصادف بین قاره ها منجر به ایجاد قاره های بزرگ گردیده است. گرچه پوسته قاره ای ضخیم است اما به مراتب آسان تر از پوسته اقیانوسی شکسته می شود آنگونه که قاره های بزرگ سریعا شکسته شده و به قاره های کوچک تبدیل شده اند. مواد موجود در جبه قسمتهای خالی را پر می کند و پوسته های جدید اقیانوسی را به وجود می آورد. هنگامیکه یک قاره شکسته و قسمتها از هم جدا می شوند، حوزه های جدید اقیانوسی در بین آنها ایجاد می گردد. حدود یک سوم از سطح زمین را پوسته قاره ای پوشانده است، بنابراین این تکه ها نمی توانند بدون برخورد حرکت نمایند. وقتی دو قاره به هم برخورد می کنند، یک حوزه قدیمی اقیانوسی از بین می رود. فرایند جدا شدن قاره ها و پیوستن آنها به یکدیگر به نام زمین شناس کانادایی جان ویلسون (Wilson John) که برای نخستین بار این پدیده را توضیح داد، چرخه ویلسون نام گرفت.
قاره ها احتمالا از حدود 2 میلیارد سال پیش تاکنون در حرکت بوده اند، با این حال زمین شناسان تنها مدارکی در دست دارند که بیان کننده حرکت قاره ها از 800 میلیون سال پیش است. بیشتر پوسته های اقیانوسی قبل از این تاریخ دچار سابداکشن شده و در جبه زمین فرو رفته اند.
زمین شناسان تعیین نموده اند که حدود 800 میلیون سال پیش، قاره ها به صورت یک قاره بسیار بزرگ به نام ردینیا (Rodinia) بوده اند. آنچه ما اکنون به عنوان آمریکای شمالی می شناسیم ، زمانی مرکز ردینیا بوده است. جریان مواد در جبه باعث شکسته شدن و تقسیم ردینیا به قسمتهای کوچک شد. این قسمتها بین 500 میلیون تا 250میلیون سال پیش به یکدیگر برخورد کردند. برخورد بین آنچه اکنون آمریکای شمالی، اروپا و آفریقا نامیده می شود، منجر به ایجاد کوهستان آپالاچین در آمریکای شمالی شد. برخورد بین قسمتی از سیبری کنونی و اروپا نیز کوهستان اورال را ایجاد کرد.
در 250 میلیون سال پیش، قاره ها با برخورد با یکدیگر ابر قاره دیگری را با نام پانژه آ (Pangaea) شکل دادند. در آن هنگام تنها یک اقیانوس که همه زمین پیرامون پانژه آ را احاطه می نمود به نام پانتالاسا (Panthalassa) وجود داشت. حدود 200 میلیون سال پیش، پانژه آ شروع به شکستن و تکه تکه شدن نمود. این ابر قاره به دو قسمت بزرگ به نامهای گوندوانالند (Gondwanaland) و لوراسیا (Laurasia) تقسیم شد. به مرور زمان گوندوانالند تقسیم شده و قاره های آفریقا، آنتارکتیکا، استرالیا، آمریکای جنوبی و شبه قاره هند را به وجود آورد. لوراسیا نیز در نهایت تقسیم شد و یوراسیا و آمریکای شمالی را ایجاد نمود. هنگامیکه صفحه های قاره ای از یکدیگر جدا می شوند، پوسته اقیانوسی جدیدی در بین آنها ایجاد می گردد.
تغییرات آب و هوایی زمین
عصر یخبندان
در خلال تاریخ، آب و هوای زمین بار ها دستخوش تغییرات اساسی شده است. بین 800 تا 600 میلیون سال پیش در طی دوره ای به نام پیش کامبریان (Precambrian)، زمین تغیراتی فراوانی را با عنوان عصر یخبندان تجربه کرده است. آب و هوا به شدت سرد شده است و دانشمندان معتقدند که بخش عمده و یا همه زمین چندین بار یخ زده است. زمین شناسان تخمین می زنند که زمین تا کنون چهار بار یخ زده است.
بیشتر اوقات، زمین بدون یخ بوده است. دو دوره یخبندان جزئی حدود 450 میلیون سال پیش و 250 میلیون سال پیش رخ داده اند. در چند میلیون سال اخیر دمای زمین سرد شده است. از حدود 2 میلیون سال پیش، با شروع دوره ای به نام پلیستوسن (Pleistocene) یا دوره چهارم زمین شناسی، تجمع و انباشته شدن یخ در قاره ها آغاز گردید.
آخرین دوران کامل یخبندان حدود 70.000 سال پیش آغاز شد و گسترش آن تا 18.000 سال پیش به طول انجامید. توده ها و لایه های عظیم یخ به بیرون از بستر دریاچه های بزرگ آمده و مسیر رودخانه ها بسته شدند. رودخانه های می سی سی پی، میسوری و اهایو کاملا دگرگون شدند. این دوران 11.500 سال پیش به پایان رسید. اغلب دانشمندان معتقدند که زمین هم اکنون در دوران بین دو عصر یخبندان به سر می برد و عصر جدید یخبندان در راه است.
چرا دوران یخبندان به وقوع می پیوندد
دانشمندان علت واقعی این پدیده را به طور کامل درنیافته اند. اغلب آنان بر این باورند که تغییرات جزئی در مدار و زاویه محور طولی زمین در اثر تاثیر گرانش سیارات دیگر، باعث می شود که میزان انرژی دریافتی از خورشید تغییر کند و عصر یخبندان آغاز شود.
برخی دانشمندان نیز معتقدند که تغییرات مقدار دی اکسید کربن در جو زمین عامل وقوع تغییرات طولانی مدت در آب و هوای زمین می شود. دی اکسید کربن، یک گاز گلخانه ای، گرمای خورشید را به دام انداخته و جو زمین را گرم می کند. بیشتر دی اکسید کربن موجود در زمین در سنگهای کربناتی مانند سنگ آهک حبس شده اند. آب و هوای امروز زمین می توانست بسیار گرم تر باشد اگر دی اکسید محبوس در سنگهای آهک در جو زمین آزاد می شد.
وقتی کوهستانهایی با سیلیکات فراوان در اثر فرسایش تجزیه می شوند، کلسیوم و منیزیوم از سنگها آزاد می شوند. این عناصر با آب شسته شده و به دریا می رسند یعنی جاییکه ارگانیزم های زنده برای ساخت صدف های کربنات محافظ، این مواد شیمیایی را جذب می کنند. این ارگانیزم در نهایت مرده و به کف دریا می رود و در آنجا با تجمع و رسوب در تشکیل سنگ های آهکی شرکت می کند. این فرایند که چرخه کربنات - سیلیکات نام دارد، دی اکسید کربن موجود در هوا را جذب می کند. با کم شدن دی اکسید کربن در هوا، گرمای خورشید در زمین باقی نمی ماند در نتیجه هوا آنقدر سرد می شود که می تواند یک دوران یخبندان را آغاز کند. سنگ آهک پس از فرسایش، دی اکسید کربن را به هوا پس می دهد و به این صورت گرما را در زمین توزیع می کند. به علاوه قسمتی از این سنگها بر اثر سابداکشن به درون جبه فرو می روند. در آنجا به سبب گرما و فشار زیاد به مگما تبدیل می شوند. دی اکسید کربن موجود در مگما می تواند از طریق فوران های آتشفشانی به هوا باز پس داده شود. تئوری پردازان می گویند در خلال دوران پیش کامبریان آتشفشانها مقادیر زیادی دی اکسید کربن را به جو زمین فرستاده اند. این گاز به دلیل تاثیرات گلخانه ای هوای زمین را گرم و باعث ذوب شدن یخهای عصر یخبندان شده است.