Розовое пособие. Полное. На сайте

91

и плавлением земных пород и планетезималий. При этом выделялись газы и пары воды, содержащиеся в породах. А т.к. средняя температура поверхности планеты оставалась низкой. Пары воды конденсировались, образуя растущую гидросферу. В этих столкновениях Земля теряла водород и гелий, но сохраняла более тяжелые газы. Идея ударной дегазации рассматривается как основной механизм образования гидросферы и атмосферы и получает все большее признание.

Геосферы Земли

Формирование Земли сопровождалось дифференциацией вещества, результатом которой явилось разделение Земли на концентрически расположенные слои – геосферы. Геосферы различаются химическим составом, агрегатным состоянием и физическими свойствами. В центре образовалось ядро Земли, окруженное мантией. Из наиболее легких компонентов вещества, выделившихся из мантии, возникла расположенная над мантией земная кора. Далее возникли водная и воздушная оболочки нашей планеты. Кроме того, Земля обладает гравитационным, магнитным и электрическими полями.

Можно выделить ряд геосфер-оболочек, из которых состоит Земля: внутренние оболочки: ядро, мантия, и внешние оболочки: литосфера, гидросфера, атмосфера, магнитосфера.

Внешние оболочки Земли

К внешним оболочкам относятся: атмосфера, гидросфера и земная кора.

Атмосфера

Атмосфера – газовая оболочка Земли. Она состоит из смеси газов, называемой воздухом.

Нижняя граница атмосферы – земная поверхность. Четко выраженной верхней границы атмосфера не имеет и постепенно переходит в космическое пространство. Условно такую границу проводят на высоте 3000 км. Воздух не рассеивается в космосе, потому что силы земного притяжения удерживают его. У земной поверхности воздух наиболее плотный и тяжелый.

Слои атмосферы:

Тропосфера – ( от греч. tropos - поворот и сфера) – нижний, основной слой атмосферы до высоты 8-10 км в полярных, 10-12 км в умеренных и 16-18 км в тропических широтах. В тропосфере содержится около 80% общей массы атмосферного воздуха. Он хорошо перемешан на всех высотах тропосферы и

92

состоит в основном из О2 (20,95%) и N2 (78,08%). В тропосфере находится преобладающее количество природных и техногенных аэрозольных и газовых загрязнений воздуха; сильно развиты турбулентность и конвекция, сосредоточена преобладающая часть водяного пара, возникают облака, развиваются циклоны и антициклоны. Воздух тропосферы получает тепло от нагретой Солнцем земной поверхности. Поэтому чем выше, тем холоднее.

Стратосфера – (от лат. stratum - слой и сфера), слой атмосферы, лежащий над тропосферой от 8-10 км в высоких широтах и от 16-18 км вблизи экватора до 50-55 км. Стратосфера характеризуется возрастанием температуры с высотой от -40 ° С (-80 ° С) до температур, близких к 0 ° С, малой турбулентностью, ничтожным содержанием водного пара, повышенным по сравнению с ниже- и вышележащими слоями содержанием озона.

Мезосфера – слой атмосферы на высоте от 50 до 80-85 км, находящийся над стратосферой. Характеризуется понижением температуры с высотой приблизительно от 0оС до - 90оС.

На высотах, близких к верхней границе мезосферы, наблюдаются особого рода облака, освещаемые солнцем в ночные часы, так называемые серебристые. Наиболее вероятно, что они состоят из ледяных кристаллов.

Термосфера. Верхняя часть атмосферы, над мезосферой, характеризуется очень высокими температурами и потому носит название термосферы. В ней различаются, две части: ионосфера, простирающаяся от мезосферы до высот порядка тысячи километров, и лежащая над нею внешняя часть – экзосфера, переходящая в земную корону. Воздух в ионосфере чрезвычайно разрежен.

Ионосфера характеризуется очень сильной степенью ионизации воздуха. Ионосфера состоит из смеси газа нейтральных атомов и молекул (в основном азота и кислорода) и квазинейтральной плазмы (число отрицательно заряженных частиц лишь примерно равно числу положительно заряженных). Степень ионизации становится существенной уже на высоте 60 километров.

Именно вследствие отражения от ионосферы возможна дальняя связь на коротких волнах. В ионосфере наблюдаются полярные сияния и близкое к ним по природе свечение ночного неба – постоянная люминесценция атмосферного воздуха, а также резкие колебания магнитного поля – ионосферные магнитные бури. Ионизация вещества ионосферы происходит под действием ультрафиолетовой радиации Солнца. А от колебаний солнечной активности зависят колеба-

93

ния магнитного поля в ионосфере и полярные сияния. Температура в ионосфере растет и на высотах около 800 км она достигает 1000° С.

Говоря о высоких температурах ионосферы, имеют в виду то, что частицы атмосферных газов движутся там с очень большими скоростями. Однако плотность воздуха в ионосфере так мала, что тело, находящееся в ионосфере, например летящий спутник, не будет нагреваться путем теплообмена с воздухом.

Экзосфера. Выше 800-1000 км атмосфера переходит в экзосферу и постепенно в межпланетное пространство. Скорости движения частиц газов, особенно легких, здесь очень велики. И они могут, двигаясь по гиперболическим траекториям, вылетать из атмосферы в мировое пространство и рассеиваться. Поэтому экзосферу называют еще сферой рассеяния. Рассеиваются преимущественно атомы водорода, который является господствующим газом в наиболее высоких слоях экзосферы.

Земная корона. Недавно предполагалось, что экзосфера, и с нею вообще земная атмосфера, кончается на высотах порядка 2000-3000 км. Но из наблюдений с помощью ракет и спутников создалось представление, что водород, ускользающий из экзосферы, образует вокруг Земли так называемую земную корону, простирающуюся более чем до 20 000 км.

Радиационный пояс Земли. С помощью спутников и геофизических ракет установлено существование в верхней части атмосферы и в околоземном космическом пространстве радиационного пояса Земли, начинающегося на высоте нескольких сотен километров и простирающегося на десятки тысяч километров от земной поверхности. Этот пояс состоит из электрически заряженных частиц - протонов и электронов, захваченных магнитным полем Земли и движущихся с очень большими скоростями. Радиационный пояс постоянно теряет частицы в земной атмосфере и пополняется потоками солнечной корпускулярной радиации.

Значение атмосферы:

1)защищает живые организмы Земли от губительного воздействия космических излучений и ударов метеоритов;

2)без воздуха не было бы жизни на Земле;

3)регулирует сезонные температурные колебания, уравновешивает и выравнивает суточные. Если бы атмосферы не существовало, то колебание суточной температуры на Земле достигло бы ±200 ° С;

94

4)является носителем тепла и влаги, через нее происходят также фотосинтез и обмен энергии – главные процессы биосферы;

5)влияет на характер и динамику всех экзогенных процессов, которые происходят в литосфере (физическое и химическое выветривания, деятельность ветра, природных вод, мерзлоты, ледников).

Магнитосфера Земли создается вращением расплавленного электропроводящего ядра нашей планеты и простирается примерно на 58 тыс. км в космос. Это поле образует своего рода «кокон», имеющий форму вытянутой капли и оберегающий планету от целого ряда неприятностей – прежде всего, от космических лучей и от особенно вредной солнечной радиации.

Последняя серьезная перемена в этой картине произошла примерно 780 тыс. лет назад, когда магнитные полюса Земли поменялись местами (такое происходит время от времени). Такой процесс сопровождается временным ослаблением магнитного поля, за которым следует период быстрого восстановления

иреорганизации, уже с новой полярностью. Некоторые исследования говорят о том, что следующая смена полюсов уже очень и очень близка – впрочем, эти данные еще далеко не определенны.

Гидросфера

Гидросферой называется водная оболочка Земли. Она состоит из трех со-

ставляющих: Мирового океана, воды суши и воды в атмосфере.

Мировой океан. Океаническая вода представляет собой уникальный природный раствор, содержащий в среднем 3,5% растворенных веществ, что и обеспечивает соленость воды. В воде земных океанов содержится множество химических элементов. Среди них важнейшую роль играют натрий, магний, кальций, хлор, азот, фосфор, кремний. Эти элементы усваиваются живыми организмами, и их концентрация в морской воде контролируется ростом и размножением морских растений и животных. Большую роль в составе морской воды играют растворенные в ней природные газы – азот, кислород, углекислый газ, которые тесно связаны с атмосферой и живым веществом суши и моря.

Соленая вода Мирового океана составляет большую часть гидросферы (96,5%). Вода Мирового океана покрывает 3¤4 земной поверхности. Мировой океан един, он нигде не прерывается. В океане располагаются огромные участки суши – материки и сравнительно небольшие – острова. Материки и острова делят единый Мировой океан на 4 части: Тихий, Атлантический, Индийский,

Северный Ледовитый.

95

Во всех океанах выделяются моря и заливы. Море – часть океана, отличающаяся от него свойствами воды, течениями, живущими в нем организмами. Море отделено от океана полуостровами, островами или подводными поднятиями.

Воды суши. К водам суши относятся реки, озера, ледники и подземные воды. Подземной называется вода, находящаяся в земной коре. Для ее образования необходимы атмосферные осадки и способность горных пород, слагающих эту поверхность, пропускать воду. Значение подземных вод очень велико.

Лучшая питьевая вода – пресная подземная вода.

Ледники – это скопление пресного льда на суше. Ледники образуются из снега. Если снега выпадает больше, чем успевает растаять, он накапливается, уплотняется и превращается в прозрачный, голубоватый лед. Происходит это на горах и в полярных областях.

В атмосфере вода содержится в виде водяного пара, капелек воды и кристалликов льда.

Благодаря тому, что вода легко переходит из одного состояния в другое и непрерывно перемещается, все части гидросферы взаимно связаны.

Непрерывный процесс перемещения воды из океана на сушу через атмосферу и с суши в океан называют мировым круговоротом воды.

Литосфера

Литосферу (твердую оболочку Земли) образуют земная кора и подстилающая ее часть мантии. Литосфера разделена на крупные части, называемые литосферными плитами. Толщина центральной части литосферных плит достигает 250 км. На границах литосферных плит происходят сжатия и растяжения коры.

Толщина коры по отношению к диаметру земного шара меньше, чем толщина яичной скорлупы по отношению к яйцу. Кроме того, толщина коры не везде одинакова. Под океанами она всего лишь 5-10 км, а под материками она достигает до 70 км. Выделяют океаническую и континентальную кору.

Океаническая кора сложена в основном базальтами. Это породы, содержащие 45 - 50% кремнезема – SiO 2 и богатые магнием и железом. Возраст коры океанов оценивается в 190 млн. лет. Это объясняется тем, что в океане постоянно происходит процесс обновления коры.

Континентальная кора (континенты) сложена гнейсами и гранитами. Это горные породы, содержащие 65 - 70 % SiO2 и значительное количество ще-

96

лочей – калия и натрия. Таким образом, континенты построены менее плотным, более легким материалом, чем дно океанов. Континентальная кора имеет очень древнее происхождение. Она существовала на Земле уже 2,5 млрд. лет тому назад.

Земная кора, образующая верхнюю часть литосферы, в основном состоит из восьми химических элементов: кислорода, кремния, алюминия, железа, кальция, магния, натрия и калия. Половина всей массы коры приходится на кислород, который содержится в ней в связанном состоянии, главным образом, в виде оксидов металлов.

Земная кора сложена горными породами различного типа и различного происхождения. Более 70% приходится на магматические породы, 20% – на метаморфические, 9% составляют осадочные породы.

Магматические горные породы – это породы, образовавшиеся из магмы, в результате её поступления в верхние горизонты Земли, охлаждения и застывания. Магма – это расплавленная массы преимущественно силикатного состава, образованная в глубинных зонах Земли. В зависимости от условий застывания различают интрузивные (глубинные) и эффузивные (излившиеся) магматические горные породы.

Интрузивные породы образуются глубоко в недрах Земли (от 5 до 40 км) в течение большого времени, при относительно постоянных температуре и давлении. Пример интрузивной породы – граниты.

Иффузивные породы образуются за счёт излияния вулканических лав на поверхность Земли, или в её недрах в приповерхностных условиях (до 5 км). Пример иффузивной породы – базальты.

Метаморфические горные породы – горные породы, образованные в толще земной коры в результате изменения (метаморфизма) осадочных и магматических горных пород вследствие изменения физико-химических условий. Благодаря движениям земной коры, осадочные горные породы и магматические горные породы подвергаются воздействию высокой температуры, большого давления и различных газовых и водных растворов, при этом они начинают изменяться.

Осадочные горные породы (ОГП) – горные породы, образующиеся в результате переотложения продуктов выветривания и разрушения различных горных пород, химического и механического выпадения осадка из воды, жизнедеятельности организмов или всех трёх процессов одновременно.

97

Более трёх четвертей площади материков покрыто ОГП, поэтому с ними наиболее часто приходится иметь дело при геологических работах. Кроме того, с ОГП генетически или пространственно связана подавляющая часть месторождений полезных ископаемых.

В ОГП хорошо сохранились остатки вымерших организмов, по которым можно проследить историю развития различных уголков Земли.

Исходным материалом при формировании ОГП являются минеральные вещества, образовавшиеся за счёт разрушения существовавших ранее минералов и горных пород магматического, метаморфического или осадочного происхождения и перенесённые в виде твёрдых частиц или растворенного вещества.

Изучением осадочных горных пород занимается наука Литография. Осадочные горные породы можно разделить на 3 группы: обломочные,

химические и органогенные.

Обломочные породы возникают из механических обломков пород. К обломочным породам относятся: глины, пески, гальки, щебни, песчаники и др.

Химические осадки образуются из химических истинных и коллоидных растворов. К химическим породам относятся соли, некоторые известняки, доломиты, бокситы, кремнистые породы.

Органогенные породы образуются в результате жизнедеятельности организмов. Это известняк, диатомит, мел, уголь, нефть.

Земная кора является носителем континентов и океанов, т.е. того, что формирует рельеф планеты. Важнейшими составляющими рельефа континентов являются горные хребты и равнины. Как правило, горные хребты протягиваются по окраинам континентов, а равнины занимают их центральные части.

Главной чертой внутреннего рельефа океанов является система Средин- но-океанических хребтов и глубоководных желобов.

Процессы, создающие рельеф планеты

Современный рельеф планеты сложился и продолжает видоизменяться под влиянием совместного действия на ее поверхности тектонических, гидросферных, атмосферных и биологических процессов. Эти процессы (за исключением биологических) можно разделить на внешние и внутренние.

Внешние (экзогенные) процессы происходят на поверхности Земли. Под влиянием движения воды и воздуха земные породы разрушаются, продукты разрушения переносятся с места на место. В результате понижения надстраи-

98

ваются, а возвышения срезаются. Внешние процессы черпают свою энергию в солнечной радиации, поступающей на земную поверхность.

Внутренние (эндогенные) процессы происходят внутри земной коры. К

внутренним процессам относятся: движение вещества твердых пород, движение расплавленных пород, преобразование пород, находящихся глубоко под поверхностью Земли. Внутренние процессы проявляют себя землетрясениями и вулканическими извержениями. Внутренние процессы приводятся в действие внутренним теплом Земли. Внутренние и внешние процессы непрерывно сталкиваются на границе, которой служит твердая поверхность Земли. Они приводят к круговороту вещества пород. В основном рельеф меняется за счет внутренних процессов.

Внутренние процессы, меняющие рельеф планеты

Под литосферой расположена астеносфера. Это тоже часть мантии. Астеносфера – размягченная оболочка толщиной в несколько сот км. По астеносфере жесткие литосферные плиты передвигаются и скользят в горизонтальных направлениях относительно более глубоких недр Земли. Вместе с литосферными плитами передвигаются и находящиеся на них континенты.

Там, где две соседние литосферные плиты расходятся, происходит образование земной коры океанического типа. Этот процесс называется спредингом. Там, где литосферные плиты сходятся, происходит процесс разрушения земной коры – субдукция.

Источник движения литосферных плит – внутреннее тепло Земли, которое выделяется в результате распада радиоактивных элементов. Эта энергия приводит в действие механизм конвекции. Предполагается, что конвекция происходит в мантии Земли. Медленно поднимаясь в области океанических рифтов тяжелое вещество достигает литосферы и разливается под ней. Удаляясь от рифтов, оно увлекает за собой расположенные выше литосферные плиты.

Процессы субдукция – спрединг приводят к тому, что общая площадь земной коры остается постоянной.

Образование земной коры

Океаническая кора образуется в результате спрединга. Спрединг (от англ. spread — растягивать, расширять) – геодинамический процесс растяжения, выражающийся в импульсивном и многократном раздвигании блоков литосферы океанической коры и в заполнении высвобождающегося пространства магмой, генерируемой в мантии. Процессы спрединга локализуются, главным образом,

99

в пределах Срединно-океанических хребтов и формируют океаническую кору, поэтому в этих районах она относительно молодая.

Срединно-океанические хребты располагаются на дне океанов. Их общая длина около 60 тыс. км, а с ответвлениями 80 тыс. км. Ширина хребтов от нескольких сот до нескольких тысяч км. Они возвышаются над океаническими равнинами в среднем на 2,5 км. В Атлантическом и Индийском океане эти хребты действительно занимают срединное положение. В Тихом океане хребет сильно смещен к его восточной окраине.

Срединно-океанические хребты рассечены вдоль оси глубокими узкими щелями – рифтами, на дне которых расположены вулканы, извергающие базальтовую лаву. Именно в рифтах происходит рождение новой океанической коры из базальтового расплава, поднимающегося из мантии за счет ее частичного плавления. При этом более древняя океаническая кора отодвигается от оси хребта к периферии океана, давая место новообразованной коре. Скорость спрединга колеблется от 1 до 16-18 см в год.

Разрушение земной коры

Там, где две литосферные плиты сходятся, происходит разрушение земной коры (субдукция). Субдукция – процесс в тектонике литосферных плит, при котором более плотные породы океанического дна при столкновении плит подвигаются под более легкие породы континентальной коры. В этом процессе высвобождается огромное количество энергии в виде землетрясений. Кроме того, часть погрузившихся пород плавится с образованием магмы и вырывается на поверхность континентальной коры через жерла вулканов.

Участки разрушения это огромная система, состоящая из трех элементов:

1.Глубоководные желоба на дне океана.

2.Дугообразные гряды вулканических островов.

3.Длинные цепи высочайших гор Земли.

Эти три элемента, представляют собой зону нестабильности. В этой зоне происходят почти все самые сильные и самые глубокие землетрясения.

Рассмотрим, например, как происходит субдукция в зоне глубоководного желоба. Глубоководный желоб – это линия соприкосновения двух литосферных плит: океанической и континентальной. Он имеет глубину до 11 км. На этой границе тяжелая океаническая плита пододвигается под континентальную и наклонно уходит на глубину в размягченное вещество астеносферы. По мере субдукции океаническая литосфера попадает в область все более высоких темпера-

100

тур и давлений, где из нее выделяются перегретые минеральные растворы (флюиды). От наклонной зоны субдукции эти флюиды и тепловой поток направляются верх, вызывая плавление горных пород и образование магмы. Магма прорывается на земную поверхность, вызывая вулканические землетрясения. Так над зоной субдукции образуются связанные с нею вулканы.

Внутренние оболочки Земли

К глубинным земным оболочкам относятся: ядро и мантия.

Справка: Радиус планеты 6371 м, радиус ядра – 2900 км. Зона мантии располагается в области 30 – 2900 км.

Методы изучения внутреннего строения Земли

Обнажение горных пород

Горные породы выходят на поверхность Земли в оврагах, долинах рек, карьерах, на горных склонах. Обнаженные породы очищают, описывают, фотографируют. Из каждого пласта берут пробы для дальнейшего изучения в лаборатории для определения химического состава. Происхождения, возраста.

Бурение скважин

До глубин 12,2 км информацию о физико-химических характеристиках строения земной коры, получают в результате бурения серии научных скважин.

Сейсмический метод

Сейсмические волны («сейсма» - сотрясение, греч.), возникают в Земле от землетрясений, ядерных и крупных промышленных взрывов. Они пронизывают всю Землю, преломляясь и отражаясь на разных границах смены состояния вещества.

Сейсмологи искусственно создают сейсмические волны с помощью взрывов, фиксируют время возвращения отраженных волн. В основе метода лежит представление о том, что скорость распространения сейсмических волн зависит от плотности среды, в которой они распространяются; а на границе двух сред происходит отражение волн.

Сейсмологический метод один из самых важных для познания глубин Земли. Этот метод дает возможность проникнуть на большие глубины. С помощью этого метода удалось выделить 3 части Земли – литосферу, мантию и ядро.

∙ В первой половине ХХ века была разработана модель внутреннего строения Земли (деление ее на ядро и мантию).