БИОСФЕРА, КЛИМАТ И СТРОЕНИЕ ЗЕМЛИ

Планета Земля -третья планета Солнечной системы

Среднее расстояние от Земли до Солнца составляет 149,6 млн км. Земля имеет форму сфероида — сжатый силами тяготения эллипсоид. Масса Земли — 6 · 1024

кг. Средняя плотность — 5,5 г/см3. Средний радиус Земли приблизительно равен

6371 км (на экваторе — 6378 км, полярный полюс — 6256 км). Ускорение свободного падения на Земле (среднее значение) приблизительно равно 9,8 м/с2. Объем Земли, без учета атмосферы и магнитосферы, составляет 1,083 · 1012км3. Площадь поверхности — 510,2 млн км2.

Динамика обращения Земли вокруг Солнца, вращения вокруг собственной оси, гравитационное взаимодействие со своим спутником Луной приводят к механизму взаимодействия между слоями Земли, порождая эффекты физического согласования, саморегуляции.

Исследователи выделяют следующие сферы Земли:геологическая(внутреннее строение Земли), гидросфера, атмосфера, гляцио-сфера(лат. glacios — лед), биосфера(сфера жизни), антропосфера(жизнедеятельность человека), магнитосфера.

Большую роль в изучении геологической оболочки Земли сыграла сейсмология(греч. seismos — землетрясение, logos — наука).

Сейсмология изучает такие явления, как землетрясения и деятельность вулканов. Сейсмологические наблюдения за поверхностью Земли имеют глубокие исторические корни. По старинным летописям было установлено, что первый сейсмоскоп был создан еще во втором столетии нашей эры в Китае. М. В. Ломоносов в своем трактате «Слово о рождении металлов от трясения Земли» (1757) сформулировал ряд идей о физической природе землетрясения. Каждую

минуту на Земле происходят поверхностные и глубинные землетрясения (700 км

вглубь от поверхности Земли), которые сопровождаются сейсмическими волнами двух видов: продольные и поперечные. При распространении продольных волн вещества, через которые они проходят, смещаются в направлении движения волны. Продольные волны распространяются в твердых телах и жидкостях, но поперечные волны — только в твердых. Связано это с тем, что эти волны вызывают смещение частиц вещества, где происходит их распространение, под прямым углом относительно направления их движения. Сейсмические волны как бы освещают процессы, происходящие внутри Земли. Для изучения внутреннего строения Земли используются и глубокие бурения (самая глубокая скважина находится на Кольском полуострове глубиной в 12,2 км, бурение ее было начато в СССР).

Геологическая сфера Земли ее внутреннее строение.В прошлом веке австралийский сейсмолог К. Буллен на основании измерения скорости сейсмических волн предложил разделить строение Земли на три области или сферы: ядро, мантияи земная кора.При этом Земля условно рассматривались как шар с радиусом 6370 км, т. е. 6370 км условно рассматривались как самая глубокая точка Земли. Этот метод исследования внутреннего строения Земли в некоторых усредненных значениях используется и сегодня с определенными уточнениями. Ядро Земли делится на внешнее ядро и внутреннее. Внутреннее ядронаходится на расстоянии от 6370 до 5120 км, температура более 4000° С, состоит, как полагают, из никеля и железа, плотность 13 г/см3. Оно является твердым. Внешнее ядрозанимает область глубиной от 5120 до 2900 км, температура, приблизительно 3500° С. На глубине 2900 км плотность его составляет 9,9 г/см3, состоит из железа, никеля и примесей более легких химических элементов. Железо, как полагают исследователи, составляет приблизительно 35% от всей массы Земли. Во внешнем ядрепоперечные волны исчезают и снова возникают в области внутреннего ядра, следовательно, оно находится в жидком состоянии. Ядро (внешнее и внутреннее) составляет 33% массы Земли.

Мантия.Следующей геологической оболочкой Земли является мантия (в буквальном переводе с греческого означает покрывало, плащ). Мантия— это относительно твердый слой Земли за внешней частью ее ядра. Мантия составляет

83% объема Земли и 67% — ее общей массы. Толщина этого слоя, по-видимому, около 2900 км. Внутренняя температура Земли уменьшается от центра к ее поверхности. Средняя температура мантии оценивается в интервале от 2500 до

2000° С. Мантия, как полагают, сложена в основном из оливина. Мантию подразделяют: на нижнюю, толщиной в 2000 км, и верхнюю, толщиной в 900 км.

С учетом средней плотности Земли считается, что вещество мантии находится в близком к кристаллическому состоянии.

С процессами, происходящими в ядре и мантии Земли, геологии связывают

такое явление, как магмообразование (магма в буквальном переводе с греческого

— густая мазь): образование расплавленной массы вещества в глубинных слоях

Земли.

Астеносфера.Следующим слоем Земли на границе верхней мантии является астеносфера (от слов «слабый» и «сфера» греческого происхождения). Астеносфера — переходная зона от мантии Земли к земной коре.

Полагают, что астеносфера находится на глубине 100 км под материками, 50 км — под дном океанов и имеет свою нижнюю границу на глубине 350 км верхнего слоя мантии. На границе с мантией температура астеносферы — 1500° С, а у основания земной коры (граница Мохо) — 500° С.

В 1908 г. югославский сейсмолог А. Мохорович вычислил границу глубины, на которую погружается земная кора в мантию. Эту границу называют границей

Мохо.По существу, астеносферу отделяют от земной коры лишь на основании

вязкости вещества, из которого она состоит. Вязкость этого вещества на 2—4 порядка (1 порядок — 1000 раз) ниже вязкости вещества земной коры. Граница или линия Мохо уточняется в связи новыми исследованиями.

Литосфера(греч. litos — камень) — самый тонкий слой Земли, который называют земной корой. Масса земной коры составляет всего лишь 0,05% от массы Земли и состоит в основном из 8 химических элементов: кислород, кремний, алюминий, железо, кальций, калий, натрий и магний. Согласно теории

А. Мохоровича земная кора имеет нижнюю границу, соприкасающуюся с астеносферой, на глубине от 35 до 45 км под равнинами суши, до 70 км — в области поверхности Земли, занятой горами, и от 5 до 10 км под дном океана.

Земная кора делится на материковую (континентальную) и океаническую.

Термины «материк»и «континент»обозначают крупные массивы земной коры, большая часть которых выступает над уровнем Мирового океана, а периферийная часть (подводная окраина материка) покрыта водами океана и граничит с земной корой океана. Материковая кора состоит из трех геологических слоев: верхний слой (осадочный), средний слой (гранитный) и нижний слой (базальтовый). Осадочный слой — это остатки живых организмов, их деятельности, а также такие породы, как песок, галька и другие породы.

Геологические породы состоят из минералов. Минералы— это природные химические соединения, которые возникли в результате физико-химических процессов в естественных условиях эволюции Земли.

Граница, пролегающая между гранитным и базальтовым слоями континентальной или материковой коры на глубине от 5 до 35 км, называется границей В. Конрада (австрийский геофизик, впервые вычисливший эту границу, которая также уточняется со временем). Материковая кора занимает всего лишь

1/3 поверхности Земли. На океаническую кору приходится 2/3 поверхности Земли. Она состоит только из двух геологических слоев: верхнего (осадочного) слоя и нижнего (базальтового) слоя. Средняя толщина (мощность) всей земной коры, как полагают исследователи, — 43 км, а океанической коры под океанами не превышает 7—8 км. Местами она увеличивается до 10—12 км и практически уменьшается до нуля в рифтовыхущельях срединно-океанических хребтов. Рифт(англ. rift — расщелина) — глубокие ущелья.

Срединно-океанические хребты— это система подводных гор с глубокими рифтами. Протяженность этой системы составляет, по разным оценкам, более 80 тыс. км и проходит через все океаны. Открыта в прошлом веке, высота гор колеблется от 2500 до 3000 м. Различают Срединно-Атлантический хребет, проходящий через середину Атлантического океана, и Тихоокеанское поднятие. Протяженность первой системы хребтов составляет 18 тыс. км. Тихоокеанское поднятие не занимает срединного положения в Тихом океане и находится в его юго-восточной части. Оно имеет большую ширину и в несколько раз превышает протяженность системы Срединно-Атлантического хребта.

Гидросфера— это вся вода Земли. Вода — самое распространенное вещество

на Земле. Она содержится в организмах, минералах, земной коре, океанах, морях, озерах, реках и в атмосфере. Моря и океаны занимают приблизительно 70,8% поверхности Земли. Масса воды на Земле почти в 266 раз больше массы атмосферы (масса атмосферы составляет одну миллионную часть массы Земли).

Общие запасы воды на Земле в не связанном физическом и химическом состоянии составляют 1,4 млрд км3.

Столько же воды находится в различных видах природных соединений. Вода

на Земле находится главным образом в океанах и(98%). Остальные 2% приходятся на ледники и другие воды. Океаны в основном являются холодными. Только 8% воды океана теплее 10° С, более 50% океанической воды ниже 2° С. Соленость воды океанической (средняя) — составляет 35 г/л. Средняя величина глубины мирового океана — 3800 м,

максимальная глубина — приблизительно 11 022 м. Средняя величина, на

которую поднята суша над уровнем Мирового океана, приблизительно 875 м. Распределение воды в океане не является равномерным. Переход от суши к океаническому дну происходит приблизительно таким образом. При переходе от суши глубина растет медленно с уклоном в 1—2 м на километр. Это мелководье протяженностью приблизительно в 80 км, оно называется континентальным шельфом. Затем начинается крутой обрыв, и через 30—35 км от шельфа глубина доходит до 3 км. Дальше начинаются абиссальные равнины(лат. abisso— означает бездна, провал) глубиной от 2,5 до 6 км. Абиссаль пересекается изредка хребтами, глубоководными желобами и впадинами с рекордными глубинами в 10

км и свыше 11 км. Исследования осадочных пород свидетельствуют о том, что гидросфера Земли образовалась приблизительно 3,8 млрд лет тому назад и количество воды в Мировом океане не было строго постоянным и неоднократно менялось. Уровень океана падал на 100—150 м ниже современного, но по площади океан всегда преобладал над сушей.

Сегодня состав океана находится почти в полном химическом равновесии с атмосферой Земли и ее корой. Это насыщенный раствор атмосферных газов, но растворимость их в воде невелика. В нем содержится высокая концентрация углекислоты. Общая масса концентрированной углекислоты в океане в 30—100 раз больше массы всей атмосферной кислоты. Океан является мощным растворителем большей части растворимых в воде химических элементов, которые существуют на нашей планете. Система океан — атмосфераявляется своеобразной тепловой машиной,обеспечивающей круговорот СO2 и водяных паров над поверхностью Земли.

Атмосфера Землипо своему химическому составу состоит: азот — 78,1%,

кислород — 20,95%, остальное — это водяные пары, СO2 и инертные газы.

Атмосфера Земли представляет слоистую сферу: тропосфера — до 12 км,

стратосфера — до 45 км, мезосфера — до 80 км, термосфера — от 100 до 300 км и экзосфера — от 320 до 1000 км и выше. В тропосфере (греч. tropos — поворот) температура достигает над полюсами до -55° С и до -75° С над экватором. Затем она повышается в

стратосфере(лат. strat — настил) и достигает 0° С на высоте 55 км. Затем снова понижается до —85° С в мезосфере(греч. mezo — средней) на расстоянии около

90 км. В термосфереидет повышение температуры и дальнейшее снижение плотности воздуха (до 0,001 г/м3). На высоте 400 км температура больше 1000° С. Этот слой атмосферы с высокой температурой не влияет существенно на внутреннюю температуру международной космической станции, которая находится на такой высоте. Атмосфера вращается вместе с Землей. На высоте от

20 км и почти до 60 км существует в атмосфере озонный слой (O3), который поглощает вредное для всех живых организмов коротковолновое излучение в диапазоне длины волны 220—290 нм (нанометров).

Гляциосфера Земли(лат. glacios — лед). Снежный покров и ледники выполняют важную роль на Земле:

1. Они отражают значительную часть солнечной радиации и тем самым охлаждают воздух атмосферы.

2. В них содержится огромный запас холода (втрое превышает поступление тепла от Солнца и самой Земли), идущего из ее недр в течение года.

3. В них содержится 2/3 запасов пресной воды Земли. Современные ледники покрывают площадь свыше 16 млн км2(11%, суши), а с учетом подземных льдов

и плавучих льдов — 100 млн км2 (19,6% земной поверхности). Выпадающий ежегодно снег покрывает 125 млн км2, из которых 2/3приходится на сушу. Почти

17% выпадающего ежегодно снега идет на подкормку ледников. Самыми крупными ледниками на Земле являются Антарктический и Гренландский. Первый занимает 90% Антарктиды, его толщина (мощность) колеблется от нескольких сотен до 4000 м. Второй занимает 80% Гренландии, его толщина

достигает около 3400 м. Специалисты по геокриологии(греч. kryos —

холод,.мороз) утверждают, что за последние 600 млн лет на Земле было 17 периодов оледенения, когда льдом покрывалось примерно 30% суши. Последнее оледенение было, как полагают специалисты, 40 тыс. лет назад и продолжалось до

18 или 10 тыс. лет. Получается, что человек живет в относительно комфортных климатических условиях почти 10 тыс. лет. Ученых интересуют также мерзлотости (зоны вечной мерзлоты). Они составляют почти 25% всей поверхности Земли, а в России они занимают 50% ее территории. Как поведут себя мерзлотости в период повышения поверхностной температуры Земли?

Термин «биосфера»был введен в 1875 г. австрийским геологом и зоологом Э.

Зюссом. Учение о биосфере было создано в 1926 г. В. И. Вернадским. Биосфера (греч. bios — жизнь и sphaira — шар) — это область живого вещества, жизни на нашей планете. Современные исследования установили значительную роль биосферы в круговороте вещества на Земле (растения поглощают СO2 и производят кислород, которым дышат животные, микроорганизмы и бактерии, участвующие в образовании осадочных пород и т. д.).

Согласно учению В. И. Вернадского биосфера является целостным,

многоуровневым образованием. Общая толщина слоя биосферы составляет 17 км.

В глубь литосферы живые организмы проникают на 6,5—7 км, в гидросфере они проникают на глубину свыше 11 км. В атмосфере живые организмы живут под озоновым слоем, который задерживает (экранирует) ультрафиолетовое излучение, губительное для всего живого.

В биосферу, по В. И. Вернадскому, входят:

— живое вещество — совокупность всех живых организмов, населяющих планету (это где-то 0,02—0,03% от общей массы неживого вещества Земли);

— косное вещество — вещество, не связанное с жизнедеятельностью живых организмов;

— биогенное вещество, образовавшееся в результате деятельности живых организмов (кислород атмосферы, уголь, газ, нефть, осадочные породы и т. д.);

— биокосное вещество — это результат воздействия косного вещества

(физико-химические процессы в геологических породах) и живого вещества.

Развитие учения о биосфере, по В. И. Вернадскому, позволило прояснить механизм взаимодействия живого и неживого на Земле, а также роль этого механизма в регуляции климата на Земле. Фактически оказалось, что механизм круговорота энергии, вещества, излучения в форме теплового обмена на Земле является чрезвычайно тонким и высоко сбалансированным, поэтому наше представление о том, что ничего не произойдет, все восстановится, является опрометчивым, опасным, губительным для последующих поколений. Так, например, при оценочной величине радиационной температуры (без учета энергии Солнца) всей Земли в —16° С, температуры Мирового океана в 3—5° С и поверхностной температуры Земли в 14° С (речь идет о средних величинах) глав-

ная нагрузка на удержание тепла на Земле выпадает на водные пары, СO2 и некоторые другие «парниковые» газы в атмосфере Земли. Именно они создают

«парниковый» эффект: не пропускают тепло Земли (тепловые волны,

инфракрасное излучение) в околоземное пространство. Это подтверждается

исследованиями из космоса. Таким образом, содержание водных паров, СO2 и

других «парниковых»газовсущественновлияет на климат Земли: увеличение

СO2 в атмосфере ведет к потеплению, уменьшение — к похолоданию. Как показали современные исследования, содержание СO2 в атмосфере регулируется

биохимическим факторами биосферы: увеличение СO2 ведет к увеличении и растительного океанического и материкового мира.

Наблюдения из космоса уже в начале XXI в. показали, что наша планета стала

намного зеленее, поскольку содержание СO2 в атмосфере увеличено за счетвыбросов «парниковых»газов промышленностью. По современным оценкам,Земля получает тепла изнутри на четыре порядка меньше, чем от Солнца.

Магнитосфера Земли— это область околопланетного пространства Земли.

Магнитная сфера Земли с дневной стороны (обращенной к Солнцу) распространяется от 6 до 14 радиусов Земли, с ночной стороны она образует нечто подобное «хвосту» кометы в несколько сот земных радиусов. Именно магнитная сфера соприкасается с потоком космических частиц (в том числе с частицами солнечного ветра), уменьшая их энергию. Вращение Земли вокруг своей оси делает заметными изменения в магнитной сфере.

Антропосфера.Сфера деятельности человека в историческом времени. Сегодня человечество оказывает большое воздействие на биосферу Земли. Ежегодно в атмосферу выбрасывается более 200 млн τ углеводорода, 146 млн τ диоксида серы, более 250 млн τ пыли. В водоемы ежегодно поступает 32 млрд м3 неочищенных стоков и около 10 млн τ нефти. К сожалению, этот список можно продолжить.