Тема 9. Вещество и химические превращения в природе. Косное вещество земли.

1. Формирование системы химических представлений:

1.1. Учение о составе вещества.

1.2. Структурная химия.

1.3. Учение о химических процессах.

1.4. Эволюционная химия. Новейшие направления в развитии химического знания.

2. Строение и геологическая эволюция Земли.

3. Современные концепции развития геосферных оболочек.

1.

Химия – это наука, изучающая свойства и превращения веществ, сопровождающиеся изменением их состава и строения. Она изучает природу и свойства различных химических связей, энергетику химических реакций, реакционную способность веществ, свойства катализаторов и т.д. Своеобразную программу исследования химических явлений впервые сформулировали и приняли учёные-химики на первом Международном съезде химиков в Карлсруэ в Германии в 1860 г. Они исходили из того, что:

• все вещества состоят из молекул, которые находятся в непрерывном и самопроизвольном движении;

• все молекулы состоят из атомов;

• атомы и молекулы находятся в непрерывном движении;

• атомы представляют собой мельчайшие, далее неделимые составные части молекул.

Осуществляют химические связи между атомами электроны, расположенные на внешней оболочке и связанные с ядром наименее прочно. Их назвали валентными электронами. В зависимости от характера взаимодействия между этими электронами различают ковалентную, ионную и металлическую химические связи.

Ковалентная связь осуществляется за счет образования электронных пар, в одинаковой мере принадлежащих обоим атомам.

Ионная связь представляет собой электростатическое притяжение между ионами, образованное за счёт полного смещения электрической пары к одному из атомов.

Металлическая связь – это связь между положительными ионами в кристаллах атомов металлов, образующаяся за счет притяжения электронов, но перемещающаяся по кристаллу в свободном виде.

Химические знания до определённого времени накапливались эмпирически, пока не назрела необходимость в их классификации и систематизации, т.е. в теоретическом обобщении. Основоположником системного освоения химических знаний явился Д.И. Менделеев. Попытки объединения химических элементов в группы предпринимались и ранее, однако не были найдены определяющие причины изменений свойств химических веществ. Д.И. Менделеев исходил из принципа, что любое точное знание представляет систему. Такой подход позволил ему в 1869 г. открыть периодический закон и разработать Периодическую систему химических элементов. В его системе основной характеристикой элементов являются атомные веса. Периодический закон Д.И. Менделеева сформулирован в следующем виде: «Свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов».

До системного подхода в химии Д.И. Менделеева учебники по химии были очень громоздкими и состояли из многих томов по несколько сот страниц. Учебник Д.И. Менделеева «Основы химии», выпущенный в 1868-1871 гг. и построенный на системных обобщениях, логично излагал в одной книге стройную систему химических знаний того времени. С тех пор в химии эмпирический материал возрос неимоверно, появились новые отрасли химических знаний.

1.1. Первое научное определение химического элемента, когда ещё не было открыто ни одного из них, сформулировал английский химик и физик Р. Бойль. Первым был открыт химический элемент фосфор в 1669 г., потом кобальт, никель и другие. Открытие французским химиком А.Л. Лавуазье кислорода и установление его роли в образовании различных химических соединений позволило отказаться от прежних представлений об «огненной материи» (флогистоне). Лавуазье впервые систематизировал химические элементы на базе имевшихся в XVIII в. знаний. Эта систематизация оказалась ошибочной и в дальнейшем была усовершенствована Д.И. Менделеевым. Система Лавуазье определяла место элемента по атомной массе. В настоящее время место химического элемента определяют по заряду атомного ядра, который отражает индивидуальные свойства элемента. Например, элемент хлор имеет два изотопа (две разновидности), отличающиеся друг от друга по массе атома. Но оба они относятся к одному химическому элементу – хлору из-за одинакового заряда их ядер.

В периодической системе Д.И. Менделеева насчитывалось 62 элемента, в 1930–е гг. она заканчивалась ураном (Z = 92). В 1999 г. было сообщено, что путём физического синтеза атомных ядер открыт 114-й элемент.

В результате химических и физических открытий претерпело изменение классическое определение молекулы. Молекула понимается как наименьшая частица вещества, которая в состоянии определять его свойства и в то же время может существовать самостоятельно. Представления о классе молекул расширились, в него включают ионные системы, атомные и металлические монокристаллы и полимеры, образующиеся на основе водородных связей и представляющие собой уже макромолекулы. Они обладают молекулярным строением, хотя и не находятся в строго постоянном составе. На основе современных достижений химии появилась возможность замены металлов керамикой не только как более экономичным продуктом, но и во многих случаях и как более подходящим конструкционным материалом по сравнению с металлом. Более низкая плотность керамики (40 %) даёт возможность снизить массу изготовляемых из неё предметов. Включение в производство керамики новых химических элементов: титана, бора, хрома, вольфрама и других позволяет получать материалы с заранее заданными специальными свойствами (огнеупорность, термостойкость, высокая твёрдость и т.д.).

1.2. Структурная химия представляет собой уровень развития химических знаний, на котором доминирует понятие «структура», т.е. структура молекулы, макромолекулы, монокристалла. Структура – это устойчивая упорядоченность качественно неизменной системы, каковой является молекула.

С возникновением структурной химии у химической науки появились неизвестные ранее возможности целенаправленного качественного влияния на преобразование вещества. Ещё в 1857 г. немецкий химик Ф.А. Кекуле показал, что углерод четырёхвалентен, и это даёт возможность присоединить к нему до четырёх элементов одновалентного водорода. Азот может присоединить до трёх одновалентных элементов, кислород – до двух. Эта схема Кекуле натолкнула исследователей на понимание механизма получения новых химических соединений. А.М. Бутлеров заметил, что в таких соединениях большую роль играет энергия, с которой вещества связываются между собой. В настоящее время на уровне структуры молекулы понимается и пространственная, и энергетическая упорядоченность.

В 60–80-е гг. прошлого века появился термин «органический синтез». Из аммиака и каменноугольной смолы были получены анилиновые красители – фуксин, анилиновая соль, ализарин, а позднее – взрывчатые вещества и лекарственные препараты – аспирин и др. Структурная химия дала повод для оптимистических заявлений, что химики могут всё.

Структурная химия неорганических соединений ищет пути получения кристаллов для производства высокопрочных материалов с заданными свойствами, обладающих термостойкостью, сопротивлением агрессивной среде и другими качествами, предъявляемыми сегодняшним уровнем развития науки и техники. Решение этих вопросов наталкивается на различные препятствия. Выращивание, например, некоторых кристаллов требует исключения условий гравитации. Поэтому такие кристаллы выращивают в космосе, на орбитальных станциях.

1.3. Химические процессы представляют собой сложнейшее явление как в живой, так и в неживой природе. Эти процессы изучает химия, физика, биология. Перед химической наукой стоит принципиальная задача – научиться управлять химическими процессами. Дело в том, что некоторые процессы не удаётся осуществить, хотя в принципе они осуществимы; другие трудно остановить – реакция горения, взрывы, а часть из них трудно управляема, поскольку они самопроизвольно создают массу побочных продуктов. Для управления химическими процессами разработаны термодинамический и кинетический методы.

Все химические реакции имеют свойство обратимости, происходит перераспределение химических связей. Обратимость удерживает равновесие между прямой и обратной реакциями. В действительности равновесие зависит от условий происхождения процесса и чистоты реагентов. Смещение равновесия в ту или другую стороны требует специальных способов управления реакциями. Например, реакция получения аммиака: N2 + 3N2 = N3

Эта реакция проста по составу элементов и своей структуре. Однако на протяжении целого столетия с 1813 по 1913 гг. химики не могли её провести в законченном виде, так как не были известны средства управления ею. Она была осуществима только после открытия соответствующих законов нидерландским и французским физико–химиками Я.Х. Вант– Гофом и А.Л. Ле–Шателье. Было установлено, что «синтез аммиака происходит на поверхности твёрдого катализатора при сдвиге равновесия за счёт высоких давлений».

Все проблемы, связанные с такими сложными процессами, как, например, получение аммиака, решает химическая кинетика. Она устанавливает зависимость химических реакций от различных факторов – от строения и концентрации реагентов, наличия катализаторов, от строения и концентрации реакторов и т.д.

1.4. Химики давно пытались понять, каким образом из неорганической безжизненной материи возникает органическая основа жизни на Земле. Какая лаборатория этого процесса – лаборатория, в которой без участия человека получаются новые химические соединения, более сложные, чем исходные вещества?

И.Я. Берцелиус первым установил, что основой живого является биокатализ, т.е. присутствие различных природных веществ в химической реакции, способных управлять ею, замедляя или ускоряя её протекание. Эти катализаторы в живых системах определены самой природой, что служит идеалом для многих химиков. Идеалом совершенства считали «живую лабораторию» немецкий учёный Ю. Либих, француз П.Э.М. Бертело и другие учёные.

Современные химики считают, что на основе изучения химии организмов можно будет создать новое управление химическими процессами, а это позволит более экономично использовать имеющиеся в природе материалы и извлекать из них большую пользу. Для решения проблемы биокатализа и использования его результатов в промышленных масштабах химическая наука разработала ряд методов – изучение и использование приёмов живой природы, применения отдельных ферментов для моделирования биокатализаторов, освоение механизмов живой природы, развитие исследований с целью применения принципов биокатализа в химических процессах и химической технологии.

Функциональный подход к объяснению предбиологической эволюции сосредоточен на исследовании процессов самоорганизации материальных систем, выявлении законов, которым подчиняются такие процессы. Это в основном позиции физиков и математиков. Крайняя точка зрения здесь склоняется к тому, что живые системы могут быть смоделированы даже из металлических.

В 1969 г. появилась общая теория химической эволюции и биогенеза, выдвинутая ранее в самых общих положениях профессором Московского университета А.П. Руденко. Используя рациональность субстратного и функционального подходов, она отвечает на вопросы «о движущих силах и механизме эволюционного процесса, отборе элементов и структур и их причинной обусловленности, высоте химической организации и иерархии химических систем как следствия эволюции».

2.

По своей форме Земля представляет собой геоид, приближающий­ся геометрически к трехосному эллипсоиду, или сфероиду. Гра­витационное поле Земли обусловливает ее сферическую форму, а также удерживает атмосферу. Окружность Земли по экватору составляет 40075,7 км, по ме­ридиану – 40008,5 км. Масса Земли была вычислена на основе закона всемирного тяготения. Она равна М = 5,974∙10²⁴ кг, средняя плотность Земли 5,515 г/см³. Экваториальный радиус планеты составляет R = 6 378 км.

Предполагают, что Земля воз­никла около 4,7 млрд. лет назад из первоначального газопыле­вого вещества, которое затем в результате действия сил тяготе­ния, дифференциации и разогрева образовало несколько геосферных оболочек, которые различаются по химическому составу, агрегатному состоянию и другим физическим свойствам.

Обычно различают внутренние оболочки Земли, к которым относят ее ядро, мантию и земную кору, и внешние оболочки: литосферу, гидросферу, атмосферу и магнитосферу. Все эти сферы непрерыв­но взаимодействуют между собой, о чем свидетельствует не только продолжающаяся тектоническая деятельность внутрен­них оболочек Земли, но и постоянное воздействие атмосферы и гидросферы, а также позднее возникшей биосферы – на про­цессы, происходящие в земной коре.

Согласно современным представлениям, в центре Земли находится ядро, внутренняя часть которого представляет собой твердое тело, на 80% состо­ящее из железа и на 20% – из никеля. Внешняя часть ядра на­ходится в жидком состоянии и содержит железо и жидкую смесь железа и серы. Такое предположение основывается, во-первых, на результатах исследований глубинных структур Зем­ли с помощью сейсмических волн, во-вторых, отождествлении их состава и структур с составом метеоритов, которые образовались из того же протопланетного вещества, что и Земля, в-третьих, изучения магнитного поля Земли в далеком прошлом на основании измерения остаточной намагниченности земных пород. Полагают, что на протяжении сотен миллионов лет про­исходило не только изменение напряженности магнитного по­ля Земли, но и смена ее полюсов. Последний такой случай произошел около 80 миллионов лет назад. Отсюда был сделан вы­вод, что изменения магнитного поля вызываются суточным вращением жидкой части земного ядра.

Температура внутреннего ядра составляет 4 500 градусов по Цель­сию, а внешней его части 3200°. Именно такая разница темпе­ратур должна существовать между ними, чтобы внутренне ядро Земли оставалось твердым, а внешнее жидким.

Выше ядра расположена большая по своим размерам сфера зем­ной мантии, которая и по химическому составу и структуре резко отличается от ядра. Мантия состоит в основном из сили­катов, являющихся соединениями кремния; в нижней ее части преобладают, по-видимому, хондриты, подобные каменным ме­теоритам. Верхняя часть мантии непосредственно связана с земной корой. В ней, во-первых, происходит образование пород, из которых складывается земная кора; во-вторых, именно кора вместе с частью подстилающей мантии образует литосферу. Ее размеры достигают около 100 км, и под ее давлением литосфе­ра как бы плавает в самой верхней части мантии, которую на­зывают астеносферой. Она в свою очередь опирается на более плотные и вязкие части мантии. В нижней части мантии преобладают силикаты, которые под возросшим давлением сверху приобретают особо прочную структуру.

Особенности земной коры складываются не только под воздей­ствием внутренних слоев Земли, но и геологических факто­ров внешней среды. Известно, что в результате выветривания и сноса вещество на поверхности континентов полностью обновляется каждые 100 миллионов лет, а его убыль компенси­руется за счет поднятия континентов. Благодаря жизнедея­тельности бактерий, растений и животных в атмосфере каждые 7 лет полностью обновляется углекислота, а через 4 000 лет – содержание кислорода.

Геологическая история Земли подразделяется на крупные промежутки – эры, эры – на периоды, периоды – на века. Разделение на эры, периоды и века, конечно, относительное, потому что резких разграничений между этими подразделениями не было. Но все же именно на рубеже соседних эр, периодов происходили существенные геологические преобразования – горообразовательные процессы, перераспределение суши и моря, смена климата и пр. Кроме того, каждое подразделение характеризовалось качественным своеобразием флоры и фауны.

Геологические эры Земли:

1) катархей (от образования Земли – 5 млрд лет назад – до зарождения жизни);

2) архей, древнейшая эра (3,8 млрд – 2,6 млрд лет);

3) протерозой (2,6 млрд – 570 млн лет);

4) палеозой (570 млн – 230 млн лет) со следующими периодами:

- кембрий (570 млн – 500 млн лет);

- ордовик (500 млн – 440 млн лет);

- силур (440 млн – 410 млн лет);

- девон (410 млн – 350 млн лет);

- карбон (350 млн – 285 млн лет);

- пермь (285 млн – 230 млн лет);

5) мезозой (230 млн – 67 млн лет) со следующими периодами:

- триас (230 млн – 195 млн лет);

- юра (195 млн – 137 млн лет);

- мел (137 млн – 67 млн лет);

6) кайнозой (67 млн – до нашего времени) со следующими периодами и веками:

- палеоген (67 млн – 27 млн лет):

- палеоцен (67 – 54 млн лет)

- эоцен (54 – 38 млн лет)

- олигоцен (38 – 27 млн лет)

- неоген (27 млн – 3 млн лет):

- миоцен (27 – 8 млн лет)

- плиоцен (8 – 3 млн лет)

- четвертичный (3 млн – наше время):

- плейстоцен (3 млн – 20 тыс. лет)

- голоцен (20 тыс. лет – наше время).

Геологическую историю Земли можно проиллюстрировать на таком примере. Пусть каждый миллион лет соответствует одной секунде условного кинофильма. Тогда продолжительность всего фильма займет 1 час 20 мин. В течение первых трех минут происходило формирование Земли из протопланеты. Затем наступает так называемый архейский период, в течение которого образовывалась кора, океаны, атмосфера. Этот период будет длиться примерно 40 минут, причем в районе тридцатой минуты на Земле зародится жизнь, хотя пока довольно примитивная – водоросли, простейшие. Начало следующему – протерозойскому периоду, который продлится около получаса, положило возникновение зон повышенной проницаемости земной коры, которые образовали системы разломов. Возможно, это было одной из причин выхода растений на сушу. Тогда же возникают почти все типы животных, за исключением позвоночных, – черви, моллюски. И, наконец, в последние 10 минут (кайнозойский период) происходит быстрый расцвет фауны, связанный с тем, что у животных выработался прочный скелет или твердая внешняя оболочка. Две последних секунды этого фильма будут содержать эпохи великих оледенений и появление человека, а вся история нашей цивилизации уложится в 1/200 часть последней секунды. Узнать все это позволяет анализ палеонтологических данных: изучение окаменевших останков животных в осадочных породах и радиоуглеродный метод датировки.

В последние 30 лет всеобщее признание получила концепция или теория тектонических плит земной коры, согласно которой в течение всей кайнозойской эры материки перемещались по поверхности планеты. Действительно, рассмотрев карту мира как разрезную картинку, можно заметить, что в целом ряде случаев – Южная Америка и Африка, Антарктида, Австралия и Индостан – границы материков удивительным образом хорошо совмещаются. Это любопытное обстоятельство было отмечено довольно давно, однако только в 1912 году А. Вегенер сделал обоснованное предположение о существовании праконтинентов, их возможном расколе и дальнейшем движении образовавшихся континентов по поверхности Земли. Но как же может двигаться материк? Понадобилось более полувека, чтобы эта теория получила признание специалистов, объяснявших особенности строения коры на основе предыдущей парадигмы, в которой основная роль отводилась вертикальным перемещениям пород и их слоев.

Приведем ряд аргументов, доказывающих движение материков. Если считать, что некоторые нынешние материки когда-то составляли одно целое, то можно сделать целый ряд выводов, допускающих проверку. Наиболее достоверным способом датировки и географической привязки пород является метод «руководящих ископаемых» – анализ останков окаменевшей фауны. Если один и тот же вид животных (например, трилобиты) встречается в различных точках поверхности, то можно полагать, что соответствующие осадочные породы образовались в одно и то же время. В различных регионах наибольшее распространение получали различные виды руководящих ископаемых. Оказалось, что в соответствующих точках совмещенных границ материков имеются одинаковые ископаемые, имеющие одинаковый возраст.

Реконструкция очертаний древних материков и анализ геофизических данных позволяют восстановить следующую картину. В середине кайнозоя (то есть примерно 300 млн. лет назад) на Земле существовало два материка: Гондвана и Лавразия. Гондвана состояла из сомкнутых Южной Америки, Африки, Индостана, Австралии и Антарктиды. Лавразия состояла из Северной Америки, Лабрадора и Европы. Между Гондваной и Лавразией находился океан Тетис, соединяющий современные Атлантический и Тихий океаны. Он сужался по направлению к западу, так что эти материки смыкались. Остатками Тетиса являются Средиземное и Черное моря. Существование в прошлом сухопутных путей между регионами, которые теперь принадлежат разным континентам, привело к распространению одинаковых животных на территориях, впоследствии далеко разделенных водными пространствами. При этом на вновь образующихся континентах эволюция шла по-разному. Так, травоядные сумчатые, первоначально заселявшие также и исходно смежные с Австралией территории, в самой Австралии уцелели, а в Азии были уничтожены новыми – плацентарными млекопитающими, бывшими в основном хищниками. Однако о том, что в давние времена сумчатые проживали там в изобилии, можно догадаться по останкам костей. Известен также вид гигантских морских черепах, проживающий на побережье Южной Америки, самки которого откладывают яйца на острове, расположенном в 2000 км от берега. Что заставляет их проделывать столь дальний путь, неясно, если не предположить, что в давние времена (а род этих черепах насчитывает 90 млн. лет) остров был неподалеку от места проживания черепах, а затем очень медленно отодвигался от суши в результате материкового дрейфа. Так медленно, что черепахи не могли среагировать на этот процесс.

Имеются указания и на то, что помимо раздвиганий и разворотов Гондвана и Лавразия смещались и в целом. Анализ остатков флоры в геологических отложениях показывает, что области суши, которые теперь находятся в экваториальных областях, раньше были в полярных, а экватор пересекал Лавразию. Если материки не двигались, то единственным объяснением, которое могло бы быть ответственным за такое изменение климата, является изменение наклона оси вращения Земли. Однако если бы по каким-то причинам это случилось, то последствия были бы катастрофическими для всей планеты вплоть до распада ее на части. Примерно 200-160 млн. лет назад активизация вулканической деятельности привела к образованию разломов и дроблению протоматериков. Двигающиеся на север Африка и Индия сомкнулись с двигающимися на юг Европой и Азией, Тетис исчез, и возникла Альпийско-Кавказско-Гималайская гряда молодых гор. Из географически близких нам примеров можно упомянуть расширение Кандалакшского залива, в результате чего Кольский полуостров постепенно отъезжает на север.

Что же является движущей силой таких циклопических перемещений? Как показывают данные термодинамических и сейсмических измерений, внутри мантии существуют вариации как плотности, так и температуры. Это означает, что возможна циркуляция вещества, когда горячий и менее плотный материал поднимается вверх, растекается, охлаждается и, став более плотным, опускается в глубину. То, что мантия состоит из твердого вещества, не должно смущать, поскольку имеется наглядный пример – текущие ледники. Оказывается, достаточно очень небольшой разности температур, чтобы материал пришел в движение, которое, конечно, является очень медленным. Такая циркуляция вполне может привести к тем подвижкам, о которых шла речь. Правда, необходимо отметить, что для осуществления такого процесса необходима однородная мантия, т.е. состоящая из вещества, состав которого не меняется с глубиной, не становится более плотным. Вынос вещества наружу должен приводить либо к расширению Земли, либо к образованию складок, либо компенсироваться погружением части коры вглубь. Подсчет суточных ростовых колец на кораллах (аналогичных годовым кольцам на деревьях) показывает, что примерно 400 млн. лет назад в году было 400 суток, то есть Земля вращалась быстрее, то есть ее радиус был меньше (момент количества движения сохраняется). Однако недостаточно меньше, чтобы соответствовать расчетному количеству материала, выведенного к настоящему времени наружу из мантии. Складки действительно есть – горные хребты, состоящие из сжатых пород. Однако рассчитанное суммарное сжатие современных гор не соответствует и малой доле того материала, который добавился к коре из верхней мантии за последние 25 млн. лет. А вот погружение коры действительно имеет место, как о том было сказано про глубоководные желоба.

Теория тектонических плит существенно изменила мировоззрение людей и их представление об эволюции нашей планеты. Она имеет также и практические аспекты. Мы стали лучше понимать природу землетрясений и получили возможность улучшить их прогнозирование. Зная линии разломов земной коры, вдоль которых происходит смещение плит, можно наблюдать за этим смещением, и, если оно замедляется или останавливается, это указывает на вероятность скорого сейсмического толчка.

3.

В настоящее вре­мя выделяют четыре основные геосферы, или внешние оболочки земли: атмосферу, гидросферу, литосферу и магнитосферу. К ним добавляют еще биосферу, возникшую позже, но играющую первостепенную роль в жизни человечества. По вопросу о времени и механизме возникновения этих сфер мнения ученых расходятся, но все признают эволюционный характер сфер происхождения под воздействием не только геологических, но и космических про­цессов.

Воздушная оболочка Земли, атмосфера, содержащая такой жиз­ненно необходимый для существования живых организмов хи­мический элемент, как кислород, по мнению ученых, сформиро­валась постепенно. Предполагают, что небольшое количество кислорода в атмосфере появилось первоначально вследствие усиленной дегазации земных пород, при которой из них выде­лялись пары воды и газы. Поскольку температура на поверхно­сти Земли была более низкой, пары воды конденсировались в жидкость и образовали ее гидросферу. Атмосфера теряла лег­кие газы – водород и гелий, но сохраняла более тяжелые – кислород и азот, хотя также исчезало небольшое количество молекулярного кислорода. По гипотезе О. Ю. Шмидта, образова­ние газов и паров воды могло произойти за счет разогревания земных пород и слоев в результате радиоактивного распада веществ, содержащихся внутри Земли.

Однако в дальнейшем некоторая часть кислорода стала попадать в атмосферу благодаря разложению углекислого газа простей­шими микроорганизмами, а в последующем значительное ко­личество кислорода постоянно поступает в результате реакции фотосинтеза растений. Таким способом, возникшая жизнь на нашей планете поддерживала свое существование. Для пони­мания этих процессов имеет значение выдвинутая свыше двух десятилетий назад английским химиком Д. Лавлоком и американским микробиологом Л. Маргулис Гея-гипотеза (от греч. Гея – Земля). Согласно этой гипотезе, поддержание длитель­ной неравновесности земной атмосферы обязано жизненным процессам, совершающимся на Земле.

Атмосфера Земли состоит из ряда слоев – тропосферы (высота 0-12 км), стратосферы (12-25 км), мезосферы (50-85 км), термосферы (85-800 км), экзосферы (свыше 800 км). По уровню ионизации, электропроводности и способности отражать и поглощать радиоволны в атмосфере выделяют еще несколько слоев. Слой атмосферы, заключенный между высотами 100 и 1000 км, называют ионосферой. Положение и интенсивность слоев ионосферы меняется ото дня к ночи и в зависимости от изменений солнечной активности.

В настоящее время атмосфера у поверхности Земли по химичес­кому составу на 78,1% состоит из азота, на 21% из кислорода, на 0,9 % из аргона и незначительных долей процента других газов (водород, углекислый газ, гелий, неон). На расстоянии до 100 км от Земли процентное содержание элементов в атмосфе­ре остается почти постоянным, но с высотой увеличивается доля легких газов. На очень больших высотах начинают преобла­дать водород и гелий.

Плотность воздуха и его давление с высотой убывают, а темпера­тура хотя в целом понижается, но изменяется более сложным образом. В нижних слоях атмосферы содержится также водя­ной пар, который играет существенную роль в процессе обме­на влагой и теплом с поверхностью Земли. Именно этот обмен является основой круговорота воды, вызывая образование об­лаков и выпадение осадков. Вследствие неравномерного на­гревания воздух в атмосфере находится в постоянном движе­нии, образуя циклоны и антициклоны, которые определяют по­году на Земле, а во взаимодействии с водой океанов и морей существенно влияют на климат. Иногда в результате такого взаимодействия возникают штормы, ураганы, смерчи и другие разрушительные явления в природе.

На высоте около 25 км находится озоновой слой, который предо­храняет все живое на Земле от губительных космических, рентгеновых и других жестких излучений. Атмосфера рассеи­вает солнечный свет и другие излучения. Она обладает также собственным электрическим полем, благодаря которому в ней возникают различные электрические, оптические и звуковые явления.

Из-за ухудшения экологической обстановки, прежде всего, из-за выброса в атмосферу фреона и других активных веществ, количество озона резко уменьшилось, над Антарктидой и некоторыми другими районами Земли образовались озоновые дыры. Справедливости ради заметим, что существует другое мнение, заключающееся в том, что озоновые дыры – одно из проявлений солнечной активности.

Гидросфера, занимающая большую часть поверхности Земли (70%), по-видимому, возникла вместе с атмосферой на очень ранней стадии формирования нашей планеты, а быть может, даже вместе с самой Землей. В процессе формирования Земли сначала, по-видимому, из тяжелых частиц образовалось протоядро, которое присоединило к себе вещество, ставшее впоследствии мантией. Действие гравитационных сил привело к интенсивному сжатию вещества Земли, и как следствие, к ее уплотнению и уменьшению размеров. Одновременно с этим происходил процесс усиленной дегазации, при котором выде­лялись газы и пары воды. Попадая на поверхность планеты, где температура была более низкой, пары воды конденсирова­лись в жидкость, легкие газы – водород, гелий и некоторые другие газы покидали планету, а более тяжелые кислород и азот удерживались гравитационными силами и составили в даль­нейшем атмосферу Земли. Такие предположения подтверждаются экспериментальными исследованиями и в настоящее время считаются достаточно обоснованными для объяснения происхождения гидросферы и атмосферы Земли, хотя проис­хождение кислорода в атмосфере может быть объяснено и дру­гими причинами.

Атмосфера и гидросфера тесно взаимодействуют между собой, что наглядно подтверждается процессами круговорота воды и воздуха на планете. Одновременно с этим обе сферы оказы­вают заметное воздействие на литосферу, медленно, посте­пенно, но неуклонно меняя верхнюю часть земной коры. Сама кора состоит в основном из 8 химических элементов: кислоро­да, кремния, алюминия, железа, кальция, магния, натрия и ка­лия, причем почти половину ее массы составляет кислород, со­держащийся в окислах металлов.

Геологические свойства земной коры непрерывно и постепенно изменяются под совокупным воздействием трех внешних ее сфер: атмосферы, гидросферы и биосферы. Такие изменения происходят медленно, постепенно и непрерывно, но на определенной стадии они приводят к коренным переменам в облике Земли и, прежде всего, в земной коре и на ее поверхности. Неслучайно поэтому представления о геологических катаклизмах, или катастрофах, сопровождавшихся гибелью всего живого на земной поверхности, уступили место эволюционным представлениям, которые впервые в ясном виде сформулировад еще до открытия эволюционной теории в биологии английский ученый Чарльз Лайель, на чьи исследования ссылался позже Чарльз Дарвин.

Магнитосфера или магнитное поле Земли похоже на поле однородной намагниченной сферы с магнитной осью, наклоненной на 11,5° к оси вращения Земли. Южный магнитный полюс Земли, к которому притягивается северный конец стрелки компаса, не совпадает с Северным географическим полюсом, а находится в пункте с координатами приблизительно 76° северной широты и 101° западной долготы. Северный магнитный полюс Земли расположен в Антарктиде. Напряженность магнитного поля на полюсах составляет 0,63 Э, на экваторе – 0,31 Э.

Открытое в 1905 году изменение магнитного поля привело к заключению, что оно зарождается в жидком внешнем ядре планеты. Сравнительно быстрые движения могут происходить там без катастрофических последствий.

Силовые линии магнитного поля Земли образуют своеобразные ловушки для движущихся к ней потоков частиц солнечного ветра. Задержанные магнитным полем частицы образуют радиационные пояса.

Резкие изменения магнитного поля Земли называются магнитными бурями. Магнитные бури часто начинаются через сутки или двое после хромосферных вспышек на Солнце; они вызываются потоками частиц, движущихся с большими скоростями от Солнца. Заряженные частицы, скользя вдоль силовых магнитных линий Земли, могут проникнуть в атмосферу. Сталкиваясь с атомами атмосферы, они вызывают особое свечение, называемое полярным сиянием.

Вопросы для повторения:

1. Какие периоды выделяют в развитии химии как науки?

2. Почему развитие химических знаний напрямую связывают с развитием промышленности?

3. От каких факторов зависят химические свойства вещества?

4. В чем состоит заслуга Д.И. Менделеева в развитии химии как науки?

5. Охарактеризуйте перспективы развития химии.

6. Охарактеризуйте процесс геологической эволюции Земли.

7. Каково строение и основные функции внутренних и внешних оболочек Земли?