Оболочки Земли
Планету Земля можно разделить на оболочки. Внешняя, газовая оболочка
Земли — атмосфера. Жидкая оболочка планеты — гидросфера состоит из
океана, системы рек и озер и подземных вод. Населённая жизнью оболочка
Земли — биосфера. Большая часть Земли находится в твёрдом состоянии, и
именно твёрдая Земля является предметом изучения комплекса
геологических наук. Однако все оболочки интенсивно взаимодействуют друг
с другом и их нельзя рассматривать по отдельности. Но и Землю целиком
нельзя рассматривать как замкнутую систему. Земля получает из
окружающего космоса значительные количества вещества и энергии.
Изучение воздействия космоса на Землю — пограничное поле между
геологией, астрономией и космологией.
Химический состав Земли, процессы, концентрирующие и
распыляющие химические элементы в различных сферах Земли, являются
предметом геохимии.
Физические свойства планеты Земля и изучением её физическими методами занимается геофизика.
Земля в основном состоит из минералов. Изучением минералов,
вопросами их генезиса, классификации и определения занимается
минералогия. Минералы образуют горные породы. Описанием и
классификацией горных пород занимается петрография, а изучением их
происхождения наука петрология.
Атмосфера Земли
Атмосфера начала образовываться вместе с формированием Земли. В
процессе эволюции планеты и по мере приближения ее параметров к
современным значениям произошли принципиально качественные изменения ее
химического состава и физических свойств. Согласно эволюционной модели,
на раннем этапе Земля находилась в расплавленном состоянии и около 4,5
млрд. лет назад сформировалась как твердое тело. Этот рубеж принимается
за начало геологического летоисчисления. С этого времени началась
медленная эволюция атмосферы. Некоторые геологические процессы,
(например, излияния лавы при извержениях вулканов) сопровождались
выбросом газов из недр Земли. В их состав входили азот, аммиак, метан,
водяной пар, оксид СО и диоксид СО2 углерода. Под воздействием
солнечной ультрафиолетовой радиации водяной пар разлагался на водород и
кислород, но освободившийся кислород вступал в реакцию с оксидом
углерода, образуя углекислый газ. Аммиак разлагался на азот и водород.
Водород в процессе диффузии поднимался вверх и покидал атмосферу, а
более тяжелый азот не мог улетучиться и постепенно накапливался,
становясь основным компонентом, хотя некоторая его часть связывалась в
молекулы в результате химических реакций. Под воздействием
ультрафиолетовых лучей и электрических разрядов смесь газов,
присутствовавших в первоначальной атмосфере Земли, вступала в
химические реакции, в результате которых происходило образование
органических веществ, в частности аминокислот. С появлением примитивных
растений начался процесс фотосинтеза, сопровождавшийся выделением
кислорода. Этот газ, особенно после диффузии в верхние слои атмосферы,
стал защищать ее нижние слои и поверхность Земли от опасных для жизни
ультрафиолетового и рентгеновского излучений. Согласно теоретическим
оценкам, содержание кислорода, в 25 000 раз меньшее, чем сейчас, уже
могло привести к формированию слоя озона со всего лишь вдвое меньшей,
чем сейчас, концентрацией. Однако этого уже достаточно, чтобы
обеспечить весьма существенную защиту организмов от разрушительного
действия ультрафиолетовых лучей.
Вероятно, что в первичной атмосфере содержалось много
углекислого газа. Он расходовался в ходе фотосинтеза, и его
концентрация должна была уменьшаться по мере эволюции мира растений, а
также из-за поглощения в ходе некоторых геологических процессов.
Поскольку парниковый эффект связан с присутствием углекислого газа в
атмосфере, колебания его концентрации являются одной из важных причин
таких крупномасштабных климатических изменений в истории Земли, как
ледниковые периоды.
Присутствующий в современной атмосфере гелий большей частью
является продуктом радиоактивного распада урана, тория и радия. Эти
радиоактивные элементы испускают a-частицы, которые представляют собой
ядра атомов гелия. Поскольку в ходе радиоактивного распада
электрический заряд не образуется и не исчезает, с образованием каждой
a-частицы появляются по два электрона, которые, рекомбинируя с
a-частицами, образуют нейтральные атомы гелия. Радиоактивные элементы
содержатся в минералах, рассеянных в толще горных пород, поэтому
значительная часть гелия, образовавшегося в результате радиоактивного
распада, сохраняется в них, очень медленно улетучиваясь в атмосферу.
Некоторое количество гелия за счет диффузии поднимается вверх в
экзосферу, но благодаря постоянному притоку от земной поверхности,
объем этого газа в атмосфере почти не меняется. На основании
спектрального анализа света звезд и изучения метеоритов можно оценить
относительное содержание различных химических элементов во Вселенной.
Концентрация неона в космосе примерно в десять миллиардов раз выше, чем
на Земле, криптона – в десять миллионов раз, а ксенона – в миллион раз.
Отсюда следует, что концентрация этих инертных газов, по-видимому,
изначально присутствовавших в земной атмосфере и не пополнявшихся в
процессе химических реакций, сильно снизилась, вероятно, еще на этапе
утраты Землей своей первичной атмосферы. Исключение составляет инертный
газ аргон, поскольку в форме изотопа 40Ar он и сейчас образуется в
процессе радиоактивного распада изотопа калия.
Тропосфера Земли
Тропосфера (от греч. trоpos — поворот, изменение и сфера), нижняя,
преобладающая по массе часть земной атмосферы, в которой температура
понижается с высотой. Т. простирается в среднем до высот 8—10 км в
полярных широтах, 10—12 км в умеренных, 16—18 км в тропических. Над Т.
располагается стратосфера, от которой Т. отделена сравнительно тонким
переходным слоем — тропопаузой. В Т. сосредоточено более всей массы
атмосферного воздуха. Среднее атмосферное давление на верхней границе
Т. в умеренных широтах менее атмосферного давления у земной
поверхности, а в тропических широтах менее . Вся деятельность человека
проходит в Т. Самые высокие горы остаются в пределах Т., даже воздушный
транспорт лишь частично выходит за пределы Т. — в стратосферу.
Вертикальное распределение температуры в Т. зависит от
особенностей поглощения солнечного и земного излучений в Т. и от
конвективной передачи тепла. Основной поглотитель излучения в атмосфере
— водяной пар, содержание которого с высотой быстро убывает, в связи с
чем должна убывать и температура воздуха. Это способствует
возникновению конвекции, которая переносит нагретый воздух от земной
поверхности в атмосферу, чем меняет вертикальное распределение
температуры (см. Стратификация атмосферы). В результате в Т.
устанавливается средний вертикальный градиент температуры у, равный
0,6°С на 100 м; в нижней части Т. у несколько меньше, а в верхней части
больше. Температура воздуха на верхней границе Т. в среднем за год
около —55°С в полярных широтах и около —80°С у экватора, летом
температура в верхней части Т. всегда значительно ниже нуля. В
отдельных случаях распределение температуры может существенно
отличаться от среднего. В тех или иных слоях Т., особенно в нижней её
части, часто возникают инверсии температуры, то есть температура с
высотой возрастает.
Почти вся масса водяного пара атмосферы сосредоточена в Т.,
поэтому в ней возникают в основном все облака. В Т. содержится также и
основная масса атмосферных аэрозолей (пыли, дыма и др.), поступающих с
земной поверхности. В нижней части Т. (в пограничном слое, или слое
трения) хорошо выражен суточный ход температуры и влажности воздуха,
скорость ветра с высотой быстро возрастает, направление его
приближается к направлению изобар. Над этим слоем скорость ветра чаще
всего продолжает возрастать, а направление его меняется по-разному, в
зависимости от распределения температуры в толще Т. От пограничного
слоя до тропопаузы скорость ветра возрастает примерно в 3 раза. В
верхней Т., вблизи тропопаузы, наблюдаются очень сильные так называемые
струйные течения. Нижний слой Т. в несколько десятков м непосредственно
над земной поверхностью (приземный слой атмосферы) является средой
обитания растений, животных и человека. Ветер здесь особенно ослаблен,
а влажность повышена; над сушей вертикальные градиенты температуры в
дневные часы очень велики, а ночью, наоборот, нередки приземные
инверсии температуры.
Система воздушных течений в Т. и нижней стратосфере называется
общей циркуляцией атмосферы. Для Т. характерно всё время меняющееся
горизонтальное расчленение на воздушные массы, различные по свойствам в
зависимости от влияния широты и той подстилающей поверхности, над
которой они формируются. На границах между воздушными массами — фронтах
атмосферных, развиваются циклоны и антициклоны, определяющие
перемещение воздушных масс и фронтов, а с ними и непериодического
изменения погоды у земной поверхности и в вышележащих слоях. Таким
образом, в Т., помимо общих квазизональных переносов воздуха
(преимущественно с З. на В.), поддерживается междуширотный обмен
воздуха, очень важный для условий погоды и климата.
Гидросфера Земли
Гидросфера — это водная сфера нашей планеты, совокупность океанов,
морей, вод континентов, ледниковых покровов. Общий объем природных вод
составляет близко 1,39 млрд км3 (1/780 объема планеты). Воды укрывают
71 % поверхности планеты (361 млн км2).
Вода выполняет четыре очень важных экологических функции:
а) есть важнейшим минеральным сырьем, главным природным ресурсом
потребления (человечество использует ее в тысячу раз большее, чем угля
или нефти);
б) есть основным механизмом осуществления взаимосвязей всех процессов в
екосистемах (обмен веществ, тепла, рост биомассы);
в) есть главным агентом-переносчиком глобальных биоэнергетических
экологических циклов;
г) есть основной составной частью всех живых организмов.
Для огромного количества живых организмов, в особенности на
ранних этапах развития биосферы, вода была средой зарождения и
развития.
Огромную роль сыграют воды в формировании поверхности Земли,
ее ландшафтов, в развития экзогенных процессов (схилових, карстовых),
переносе химических веществ у глубь Земли и на ее поверхности,
транспортировании загрянителей окружающей среды.
Водяной пар в атмосфере выполняет функцию мощного фильтра
солнечной радиации, а на Земле — нейтрализатора экстремальных
температур, регулятора климата.
Основную массу воды на планете составляют соленые воды
Мирового океана. Средняя соленость этих вод—35 % (то есть в І л
океанической воды помещается 35 г солей). Самая соленая вода в Мертвом
море-260 % в (в Черном- 18 %. Балтийском - 7%).
Химический состав океанических вод, как считают специалисты,
очень похожий на состав человеческой крови — в них помещаются почти все
известные нам химические элементы, но, конечно, в разных пропорциях.
Частица кислорода, водорода, хлора и натрия составляет 95,5 %.
Химический состав подземных вод очень разнообразный. В
зависимости от состава вміщуючих пород и глубины залегания они
изменяются от гидрокарбонатно-кальциевых к сульфатных,
сульфатно-натриевых и хлоридно-натриевым, за минерализацией от пресных
к рассолу с концентрацией 600 %, часто с наличием газовой компоненты.
Минеральные и термальные подземные воды имеют большое бальнеологическое
значение, есть одним из рекреационных элементов природной среды.
Из газов, раскрытых в водах Мирового океана, наиболее важными
для биоты есть кислород и углекислый газ. Общая масса углекислого газа
в океанических водах превышает его массу в атмосфере приблизительно в
60 раз.
Следует отметить, что углекислый газ океанических вод
потребляется растениями во время фотосинтеза. Часть его, которая вошла
в кругооборот органического вещества, расходуется на построение
известняковых скелетов кораллов, ракушек. После отмирания организмов
углекислый газ возвращается у воды океана за счет растворения остатков
скелетов, панцирей, ракушек. Частично он остается в карбонатных осадках
на дне океанов.
Большое значение для формирования климата и других
экологических факторов имеет динамика огромной массы океанических вод,
которые постоянно находятся в движении под влиянием неодинаковой
интенсивности солнечного прогревания поверхности на разных широтах.
Океанические воды сыграют основную роль в кругообороте воды на
планете. Подсчитано, что приблизительно за 2 млн лет вся вода на
планете проходит через живые организмы, средняя продолжительность
общего цикла обмена воды, привлеченной в биологический кругооборот,
составляет 300—400 лет. Приблизительно 37 раз на год (то есть каждые
десять дней) изменяется вся влага в атмосфере.
Биосфера Земли
Биосфера, оболочка Земли, в пределах которой существует жизнь. Биосфера
включает нижнюю часть атмосферы (15–20 км), верхнюю часть литосферы и
всю гидросферу. Нижняя граница опускается в среднем на 2–3 км на суше и
на 1–2 км ниже дна океана. Термин «биосфера» ввел австрийский геолог
Э.Зюсс в 1875, тогда как основы учения о биосфере, которые актуальны и
в современной науке, были разработаны В.И.Вернадским.
Биосфера состоит из живого, или биотического, и неживого, или
абиотического, компонентов. Биотический компонент – это вся
совокупность живых организмов (по Вернадскому – «живое вещество»).
Абиотический компонент – сочетание энергии, воды, определенных
химических элементов и других неорганических условий, в которых
существуют живые организмы.
Жизнь в биосфере зависит от потока энергии и круговорота
веществ между биотическим и абиотическим компонентами. Круговороты
веществ называются биогеохимическими циклами. Существование этих циклов
обеспечивается энергией Солнца. Земля получает от Солнца ок. 1,3ґ1024
калорий в год. Около 40% этой энергии излучается обратно в космос; 15%
поглощается атмосферой, почвой и водой; остальная энергия – это видимый
свет, первичный источник энергии для всей жизни на Земле.
Фотосинтез, хемосинтез, дыхание и брожение – основные
процессы, благодаря которым поток энергии проходит через организмы.
Первые два процесса обеспечивают синтез органических веществ за счет
энергии света (фотосинтез) и окисления неорганических веществ
(хемосинтез). В ходе дыхания и брожения органические вещества
расщепляются, а заключенная в них энергия используется живыми
организмами, но в конечном итоге переходит в тепло. Брожение, в отличие
от дыхания, не требует кислорода.
Наглядное представление о путях прохождения энергии дают
пищевые цепи. Каждое их звено – это определенный трофический уровень.
Первый трофический уровень занимают автотрофы, или продуценты.
Организмы второго трофического уровня называются первичными
консументами, третьего – вторичными консументами и т.д. Продуценты –
это растения, цианобактерии (синезеленые «водоросли») и некоторые
другие типы бактерий. Часть энергии, связанной продуцентами в процессе
фотосинтеза, расходуется при собственном дыхании, другая часть
сохраняется в их клетках и тканях и доступна для консументов. Разность
между скоростью фотосинтеза и скоростью дыхания фотосинтезирующих
организмов называется чистой первичной продукцией. В чистую первичную
продукцию переходит всего ок. 0,1% солнечной энергии, достигающей
поверхности Земли. Однако за год абсолютное количество чистой первичной
продукции составляет 6ґ1020 калорий, что соответствует 165 млрд. т
органического вещества.
Организмы, не способные к фотосинтезу или хемосинтезу, – это
гетеротрофы, или консументы. К ним относятся животные, грибы, большая
часть бактерий и немногие растения, утратившие способность к
фотосинтезу. Консументы зависят прямо (травоядные) или косвенно
(хищники) от величины чистой первичной продукции как источника энергии
и веществ. Прохождение энергии через живое вещество представляет собой
путь от света к продуцентам, далее к консументам, а от тех и других – к
теплу. Этот путь – поток, а не круговорот, поскольку в виде тепла
энергия рассеивается в окружающей среде и не может снова использоваться
для фотосинтеза. Таким образом, энергетический поток через живое
вещество – это процесс потери накопленной организмами энергии.
Другой важнейший аспект существования жизни на Земле –
биогеохимические циклы, в которые вовлечены вода и основные биогенные
химические элементы – C, H, O, N, P, S, Fe, Mg, Mo, Mn, Cu, Zn, Ca, Na,
K и др. Все циклы состоят из двух фаз: органической (во время которой
вещество или элемент находится в составе живых организмов) и
неорганической. Последовательные переходы вещества из одной фазы в
другую совершаются бесчисленное число раз. Так, например, ежегодно
проходит через органическую фазу и возвращается в неорганическую 1/7
часть всего углекислого газа и 1/4500 часть кислорода атмосферы;
подсчитано, что вся вода оборачивается за 2 млн. лет.
Жизнь невозможна без воды. Вода – источник водорода, одного из
важнейших элементов, входящего в состав живых организмов.
Метаболические реакции в организмах происходят в жидкой фазе, и вода
является той средой, с которой организмы потребляют биогенные элементы
и с которой удаляются конечные продукты метаболизма (шлаки). Вода
составляет от 50 до 95% веса живых организмов. В круговороте воды
важную роль играет процесс испарения в растениях. Через корни растения
поглощают воду и получают растворенные в ней соли. Через листья
происходит испарение воды. В течение вегетационного периода зерновые
культуры на площади 1 га испаряют ок. 4 000 000 л воды, но только 0,4%
этого количества используется непосредственно в процессе фотосинтеза.
Для получения 1 кг зерна требуется ок. 500 л воды. Очевидно, что
растениям необходимо громадное количество воды, а поскольку консументы
питаются растениями, их суммарные потребности в воде намного выше того
количества, которое они поглощают непосредственно. Например, человеку
для физиологических нужд требуется ок. 2,1 л воды в день, но для
получения съедаемого им за день количества пищи нужны еще 10 000 л
воды.
Поддержание динамического равновесия между биотическим и
абиотическим компонентами биосферы является необходимым условием
существования всех форм жизни. Воздействие человека на биосферу,
сопровождающееся ухудшением качества воды, сведением лесов или выбросом
в атмосферу загрязняющих веществ, может создать угрозу жизни на Земле.
Литосфера Земли
Литосфера — внешняя твердая оболочка Земли, которая включает всю земную
кору с частью верхней мантии Земли и состоит из осадочных, изверженных
и метаморфических пород. Нижняя граница литосферы нечеткая и
определяется резким уменьшением вязкости пород, изменением скорости
распространение сейсмических волн и увеличением электропроводности
пород. Толщина литосферы на континентах и под океанами различается и
составляет в среднем соответственно 25— 200 и 5—100км.
Рассмотрим в общем виде геологическое строение Земли. Третья
за отдаленностью от Солнца планета — Земля имеет радиус 6370 км,
среднюю плотность— 5,5 г/см3 и состоит из трех оболочек — коры, мантии
и ядра. Мантия и ядро делятся на внутренние и внешние части.
Земная кора - тонкая верхняя оболочка Земли, которая имеет
толщину на континентах 40-80 км, под океанами — 5-10 км и составляет
всего около 1 % массы Земли. Восемь элементов — кислород, кремний,
водород, алюминий, железо, магний, кальций, натрий — образовывают 99,5
% земной коры. На континентах кора трехслойная: осадочные породы
укрывают гранитные, а гранитные залегают на базальтовых. Под океанами
кора «океанического», двухслойного типа; осадочные породы залегают
просто на базальтах, гранитного пласта нет. Различают также переходный
тип земной коры (островно-дуговые зоны на окраинах океанов и некоторые
участки на материках, например Черное море). Наибольшую толщину земная
кора имеет в горных районах (под Гималаями - свыше 75 км), среднюю — в
районах платформ (под Западно-Сибирской низиной — 35-40, в границах
Русской платформы — 30-35), а наименьшую— в центральных районах океанов
(5-7 км). Преобладающая часть земной поверхности — это равнины
континентов и океанического дна. Континенты окружены шельфом-
мелководной полосой глубиной до 200 г и средней шириной близко 80 км,
которая после резкого обрывчастого изгиба дна переходит в
континентальный склон (уклон изменяется от 15-17 до 20-30°). Склоны
постепенно выравниваются и переходят в абиссальные равнины (глубины
3,7-6,0 км). Наибольшие глубины (9-11 км) имеют океанические желоба,
подавляющее большинство которых расположенная на северной и западной
окраинах Тихого океана.
Основная часть литосферы состоит из изверженных магматических
пород (95 %), среди которых на континентах преобладают граниты и
гранитоиды, а в океанах-базальты.
Актуальность экологического изучения литосферы обусловленная
тем, что литосфера есть средой всех минеральных ресурсов, одним из
основных объектов антропогенной деятельности (составных природной
среды), через значительные изменения которого развивается глобальный
экологический кризис. В верхней части континентальной земной коры
развиты грунты, значение которых для человека тяжело переоценить.
Грунты - органо-минеральный продукт многолетней (сотни и тысячи лет)
общей деятельности живых организмов, воды, воздуха, солнечного тепла и
света есть одними из важнейших природных ресурсов. В зависимости от
климатических и геолого-географических условий грунты имеют толщину от
15-25 см до 2-3 м.
Грунты возникли вместе с живым веществом и развивались под
влиянием деятельности растений, животных и микроорганизмов, пока не
стали очень ценным для человека плодородным субстратом. Основная масса
организмов и микроорганизмов литосферы сосредоточенная в грунтах, па
глубине не большее нескольких метров. Современные грунты являются
трехфазной системой (разнозернистые твердые частицы, вода и газы,
растворенные в воде, и порах), которая состоит из смеси минеральных
частиц (продукты разрушения горных пород), органических веществ
(продукты жизнедеятельности биоты ее микроорганизмов и грибов). Грунты
играют огромную роль в кругообороте воды, веществ и углекислого газа.
С разными породами земной коры, как и с ее тектоническими
структурами, связанные разные полезные ископаемые: горючие,
металлические, строительные, а также такие, что есть сырьем для
химической и пищевой промышленности.
В границах литосферы периодически происходили и происходят
грозные экологические процессы (сдвиги, сели, обвалы, эрозия), которые
имеют огромное значение для формирования экологических ситуаций в
определенном регионе планеты, а иногда приводят к глобальным
экологическим катастрофам.
Глубинные толщи литосферы, которые исследуют геофизическими
методами, имеют довольно сложную и еще недостаточно изученное строение,
так же, как мантия и ядро Земли. Но уже известно, что с глубиной
плотность пород возрастает, и если на поверхности она составляет в
среднему 2,3-2,7 г/см3, то на глубине близко 400 км - 3,5 г/см3, а на
глубине 2900 км (граница мантии и внешнего ядра) - 5,6 г/см3. В центре
ядра, где давление достигает 3,5 тыс. т/см2, она увеличивается до 13-17
г/см3. Установлен также и характер возрастания глубинной температуры
Земли. На глубине 100 км она составляет приблизительно 1300 К, на
глубине близко 3000 км —4800, а в центре земного ядра — 6900 К.
Преобладающая часть вещества Земли находится в твердом
состоянии, но на границе земной коры и верхней мантии (глубины 100—150
км) залегает толща смягченных, тестообразных горных пород. Эта толща
(100—150 км) называется астеносферой. Геофизики считают, что в
разреженном состоянии могут находиться и другие участки Земли (за счет
разуплотнения, активного радиораспада пород и т.п.), в частности - зона
внешнего ядра. Внутреннее ядро находится в металлической фазе, но
относительно его вещественного состава единоого мнения на сегодня нет. ссылка - http://formation.kiev.ua/obolochki/
Источник: http://formation.kiev.ua/obolochki/ |
