VI. Геосферы Земли

Согласно современным космологическим представлениям, Земля образовалась примерно 4,5 млрд. лет назад путем гравитационной конденсации из рассеянного в околосолнечном пространстве газопылевого вещества, содержащего все известные элементы в природе. Ключевым вопросом геологического развития является вопрос о химической дифференциации земного вещества. На него пытаются ответить три теории.

• Теория гомогенной аккумуляции О.Ю.Шмидта утверждает, что Земля возникла как квазиоднородная планета, химически относительно однородный шар. В то время планета представляла однородную смесь частиц железа, силикатов и сульфидов, распределенных по всему объему равномерно. В процессе аккумуляции также была захвачена часть газов – водород, углекислый газ, вода в газообразном состоянии. В период расплавления внешней сферы, которая возникла не только из-за падения метеоритов, но и из-за радиоактивного разогрева недр планеты, расплавленные массы вещества начали расслаиваться. При этом железо, обладающее вдвое большим удельным весом, чем силикаты, стекло в центр Земли, образуя ядро. Пластичные силикатные массы были выдавлены вверх, образовав мантию.

• Теория гетерогенной аккумуляции утверждает, что Земля начала аккумулироваться в той последовательности, в которой происходила конденсация вещества из первичной туманности. Вначале преимущественно из металлических частиц сформировалось ядро. Остальные слои появлялись по мере остывания планеты и оседания на нее более поздних конденсатов – силикатных частиц. При этом начался быстрый радиоактивный разогрев Земли, способствующий резкому обособлению оболочек планеты.

• Теория частично гетерогенной аккумуляции утверждает, что резких перерывов в поступлении материалов, из которых образовался земной шар, не было. Разница в составе существовала лишь между центральными частями Земли и поверхностными частями мантии.

Результатом дифференциации вещества Земли стало возникновение концентрических расположенных слоев – геосфер, различающихся химическим составом, агрегатным состоянием и физическими свойствами.

Центральную область планеты занимает ядро (самая глубокая геосфера). Средний радиус ядра составляет около 3500 км. Температура ядра достигает 4000С. Внешний слой ядра находится в жидком состоянии. Это объясняет наличие магнитного поля Земли и его вариаций (эффект динамо-машины).

Мантия – наиболее мощная оболочка Земли, занимает 2/3 ее массы и большую часть объема. Выделяют два слоя – нижний и верхний. Данные о химическом составе мантии получены на основании анализов наиболее глубинных магматических горных пород, поступивших в верхние горизонты в результате мощных тектонических поднятий. Материал верхней мантии собран со дна различных участков океана. Температура мантии составляет около 2500C. В расплавленном состоянии находится астеносфера – нижняя часть верхней мантии. Это подстилающий верхнюю мантию и литосферу слой. Литосфера как бы «плавает» в нем.

Литосфера – это земная кора с частью подстилающей ее мантии, которая образует слой толщиной порядка 100 км. В верхней части она слагается с гранитами, в нижней – базальтами. Средняя мощность континентальной коры – 35 км. На дне океана гранитный слой отсутствует и земная кора состоит только из базальтового слоя. Ее мощность – 5-10 км. Кора, образующая верхнюю часть литосферы, в основном слагается из восьми химических элементов: кислорода, кремния, алюминия, железа, кальция, магния, натрия, калия. Половина всей массы коры приходится на кислород, который содержится в ней в связанном состоянии, главным образом в виде оксидов металлов.

Поверхность Земли сложилась из литосферных плит, число и положение менялось от эпохи к эпохе. Плита – это вся масса коры и подстилающей мантии, которая движется по поверхности Земли. Сегодня выделяют 8-9 больших плит и более 10 малых. Плиты медленно перемещаются горизонтально (глобальная тектоника плит).

В основе работы геотектонического механизма лежит продолжающийся процесс дифференциации вещества Земли. На границе между мантией и ядром за счет высокой температуры происходят химические процессы, похожие на те, что человек использует в металлургических печах: из соединений железа восстанавливается чистое железо. Тяжелое железо тонет, а более легкий «шлак», образующийся в тех же реакциях, всплывает вверх к земной коре. Таким образом, возникает конвекция, т.е. нагретая жидкость расширяется, становится легкой и стремится всплыть вверх. На смену опускаются более холодные и плотные слои. Восходящие и нисходящие потоки мантии пространственно разделены. Поэтому у верхней ее границы, под земной корой, возникают горизонтальные потоки, направленные от точек выхода восходящих движений к зонам опускания вещества. На этих горизонтальных потоках скользят плиты, на которых расположены материки Земли. Таким образом, всю мантию можно представить себе как систему конвективных ячеек, в каждой из которых вдоль одной стенки вещество поднимается из недр и течет вдоль поверхности к другой стенке.

На поверхности литосферы в результате совокупной деятельности ряда факторов возникает почва. В.В. Докучаев назвал почвой наружные горизонты горных пород, естественно измененных совместным влиянием воды, воздуха и различного рода организмов, включая их остатки.

Изучение функции литосферы имеет большое значение в практической деятельности человека. Основными экологическими функциями являются:

• ресурсная функция заключается в ее потенциальной способности обеспечения потребностей экосистем абиотическими ресурсами, в том числе и потребности человека в тех или иных полезных ископаемых. Прежде всего, это энергоресурсы;

• геодинамическая функция проявляется в ходе различных геологических процессов, влияющих на различные экосистемы, в том числе и человеческое общество (природные геологические, техногенные);

• геохимическая функция заключается в ее активном участии в процессах круговорота веществ в природе. В зависимости от способа перемещения веществ в природе выделяют механическую, физико-химическую и техногенную миграцию.

Гидросфера – водная оболочка Земли включает в себя Мировой океан, пресные воды рек и озер, ледниковые и подземные воды.

Атмосфера – воздушная оболочка Земли, окружающая ее и вращающаяся вместе с ней. Она состоит из воздуха – смеси газов, состоящей из 78% азота, 21% кислорода, а также инертных газов, водорода, углекислого газа, паров воды, на которые приходится около 1% объема воды.

Масса атмосферы составляет 5,1510¹⁸ кг. Вес этого воздуха, давящего на нас, называют атмосферным давлением. Среднее атмосферное давление на поверхности Земли равно 1 атм., или 760 мм рт. ст. Неоднородность атмосферы вызывает перемещение воздушных масс, что приводит к появлению ветров. Основная масса воздуха перемещается от экватора к полюсам.

В атмосфере Земли выделяют:

• тропосферу – нижний слой атмосферы, определяющий погоду на нашей планете. Его толщина – 10-18 км. С высотой давление падает, и температура опускается до -55C. В тропосфере содержится основное количество водяных паров, образуются облака, и формируются все виды осадков;

• стратосферу – простирается до 50 км в высоту;

• ионосферу – часть атмосферы начинается с высоты 50 км и состоит из ионов – электрически заряженных частиц воздуха. Ионизация воздуха происходит под действием солнца;

• мезосферу - начиная с 80 км, происходит поглощение озоном, водяным паром и углекислым газом ультрафиолетовой радиации Солнца;

• термосферу – на высоте 90-400 км происходят основные процессы поглощения и преобразование солнечного ультрафиолетового и рентгеновского излучений;

• экзосферу – от 450-800 до 2000-3000 км. В ней содержатся атомарный кислород, гелий, водород.

Результатом саморегулирующихся процессов в атмосфере Земли является климат нашей планеты, т.е. состояние погоды какого-то региона за длительный промежуток времени.

Магнитосфера – самая внешняя и протяженная оболочка Земли. Она представляет собой область околоземного пространства, физические свойства которой определяются магнитным полем Земли и его взаимодействием с потоками заряженных частиц космического происхождения. Магнитное поле Земли не является неизменным, т.е. его полярность уже менялась несколько раз.

Все геосферы Земли тесно взаимодействуют друг с другом путем непрерывного обмена веществом и энергией и в совокупности представляют географическую оболочку планеты. Ее целостность обеспечивается за счет энергии Солнца и внутренней энергии Земли. Помимо вертикального строения географической оболочки Земли, рассмотренного выше, выделяют ее горизонтальную структуру – физико-географические (природные) пояса планеты. Они отличаются друг от друга тепловым режимом, особенностями циркуляции воздушных масс и морских течений, а также составом флоры и фауны. Выделяют: экваториальный, субэкваториальные, тропические, субтропические, умеренные, субарктический и арктический пояса.