Глава 4.2. БИОСФЕРА, КЛИМАТ И СТРОЕНИЕ ЗЕМЛИ

Основные понятия: внутреннее строение Земли, теория движения литосферных плит,

биосфера и климат Земли

4.2.1. 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 · 1012 км3. 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 вещест-

ва, 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, мантия и 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 ядро находится 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 ядро занимает 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 ядре поперечные 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. По своему

физическому	состоянию	(твердое,
пониженную	твердость,	прочность

жидкое, газообразное) астеносфера имеет

и вязкость. 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 рифтовых ущельях 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

(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 — атмосфера является своеобразной тепловой машиной, обеспечивающей круговорот СO2 и водяных паров над поверхностью Земли.

Атмосфера Земли по 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 термосфере идет 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 2/3 приходится 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 высокосбалансированным, 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»

газов

существенно

влияет на климат Земли: увеличение

СO2 в атмосфере ведет к

потеплению,

уменьшение — к похолоданию. Как

показали современные исследования, содержание СO2 в атмосфере регулируется

биохимическими

факторами биосферы: увеличение СO2 ведет к увеличению

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 счет

выбросов «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.

⇐ Предыдущая 22 23 24 25 262728 29 30 31 Следующая ⇒