ГЕОСФЕРЫ ЗЕМЛИ

Формирование Земли сопровождалось дифференциацией вещества, результатом чего явилось разделение Земли на концентрически расположенные слои — геосферы, различающиеся по химическому составу, агрегатному состоянию и физическим свойствам. Можно выделить следующие геосферы, из которых состоит Земля: ядро, мантия, литосфера, гидросфера, атмосфера, магнитосфера. Кроме них далее мы будем рассматривать биосферу и ноосферу. В литературе также можно встретить анализ антропосферы, техносферы, социосферы, но их рассмотрение выходит за рамки естествознания.

Геосферы различаются главным образом плотностью составляющих их веществ. Самые плотные вещества сосредоточены в центральных частях планеты. Ядро составляет У3 массы Земли, кора и мантия — 2/3.

Все земные оболочки взаимосвязаны и проникают друг в друга: гидросфера всегда присутствует в литосфере и атмосфере, атмосфера — в литосфере и гидросфере и т.д. С атмосферой, гидросферой и литосферой тесно связаны внутренние оболочки Земли. Во всех оболочках, кроме мантии и ядра, присутствует биосфера[1].

Ядро Земли занимает центральную область нашей планеты и располагается глубже 2900 км. Средний радиус ядра составляет около 3500 км. Ядро состоит из двух частей:

  • • внутреннее ядро — шар диаметром 2200 км, который, как полагают ученые, состоит из железа (80%) и никеля (20%). Соответствующий сплав при существующем давлении внутри земных недр имеет температуру плавления около 4500 °С;
  • • внешнее ядро представляет собой жидкость — расплавленное железо с примесью никеля и серы. Это шаровой слой толщиной 2900—
  • 5000 км. Чтобы внутреннее ядро оставалось твердым, а внешнее — жидким, температура в центре Земли не должна превышать 4500 °С, но и не быть ниже 3200 °С.

С жидким состоянием внешнего ядра связывают представления о природе земного магнетизма. Магнитное поле Земли изменчиво: из года в год меняется положение магнитных полюсов. Палеомагнит- ные исследования показали, что, например, на протяжении последних 80 млн лет не только изменялась напряженность поля, но и происходило многократное систематическое перемагничивание, в результате которого Северный и Южный магнитные полюса Земли меняются местами. В периоды смены полярности наступали моменты полного исчезновения магнитного поля. Следовательно, земной магнетизм не может создаваться постоянным магнитом за счет стационарной намагниченности ядра или какой-либо его части. Предполагается, что магнитное поле создается процессом, названным эффектом динамо- машины с самовозбуждением. Роль ротора (подвижного элемента), или динамо, может играть масса жидкого ядра, перемещающаяся при вращении Земли вокруг своей оси, а система возбуждения образуется токами, создающими замкнутые петли внутри сферы ядра.

Мантия — наиболее мощная оболочка Земли, занимающая 2/з ее массы и большую часть объема. Она также существует в виде двух шаровых слоев — нижней и верхней мантии. Толщина нижней части мантии — 2000 км, верхней — 900 км. Все слои мантии расположены между радиусами 3450 и 6350 км. Данные о химическом составе мантии получены на основании анализа наиболее глубинных магматических горных пород, поступивших в верхние горизонты в результате мощных тектонических поднятий с выносом мантийного материала. Плотность и химический состав мантии резко отличаются от аналогичных характеристик ядра. Мантию образуют силикаты (соединения на основе кремния), прежде всего минерал оливин. Вследствие высокого давления вещество мантии скорее всего находится в кристаллическом состоянии. Температура мантии составляет около 2500 °С. В расплавленном состоянии находится астеносфера — нижняя часть верхней мантии. Это подстилающий верхнюю мантию и литосферу слой, и литосфера как бы «плавает» в нем. На не слишком вязкую и пластичную астеносферу опирается более подвижная и легкая литосфера. В целом литосфера, астеносфера и остальные слои мантии могут рассматриваться как трехслойная система, каждая из частей которой подвижна относительно других компонентов.

Литосфера — земная кора с частью подстилающей ее мантии, которая образует слой толщиной около 100 км. Земная кора обладает высокой степенью жесткости, но вместе с тем и большой хрупкостью. В верхней части она слагается гранитами, в нижней — базальтами. Резкая асимметрия строения поверхности нашей планеты позволяет делить планетарный рельеф на две основные области — океаническую мощностью 5—10 км и континентальную средней мощностью 35 км. Континентальная часть земной коры формировалась следующим образом. Первые порции вулканического материала имели состав базальтов или близкий к нему. Базальтовая магма, поднимаясь к поверхности, теряла газы, уходившие в атмосферу, и превращалась в базальтовую лаву, которая растекалась по первичной поверхности планеты. При остывании она образовывала твердые покровы — первичную кору океанического типа. Однако процесс выплавления этих масс был асимметричным, и на одном полушарии планеты их сосредоточилось больше, чем на другом. В областях будущих континентов динамически неустойчивая молодая земная кора перемещалась вверх и вниз под влиянием внутренних причин, природа которых еще недостаточно хорошо изучена. При общих колебательных движениях отдельные части первичной коры временами оказывались выше уровня океана и подвергались разрушению под воздействием химически активных газов первичной атмосферы и других физических агентов. Продукты разрушения сносились в пониженные участки суши и водоемы, образуя осадочные породы. Эти процессы активизировались с появлением биосферы. Области поднятия суши — места будущих континентов — стали обрастать поясами, образованными толщами осадочных пород, возникших за счет разрушения более приподнятых участков суши. В этих поясах впоследствии проявлялась вулканическая деятельность.

Океаническая часть, вероятно, редко или совсем не выступала выше уровня Мирового океана, и в ней не происходили процессы дифференциации вещества, не шли отложения осадочных пород.

Геологические особенности земной коры определяются совместным воздействием на нее атмосферы, гидросферы и биосферы — трех внешних оболочек планеты. Состав коры и внешних оболочек непрерывно обновляется. В результате выветривания и сноса вещество континентальной поверхности полностью обновляется за 80—100 млн лет. Убыль вещества континентов восполняется поднятиями их коры. Если бы этих поднятий не было, то за несколько геологических периодов вся суша оказалась бы снесенной в океан, а наша планета покрылась сплошной водной оболочкой.

На поверхности литосферы в результате совокупной деятельности ряда факторов возникает почва, которую основоположник почвоведения русский ученый В.В. Докучаев определил как наружные горизонты горных пород, естественно измененных совместным влиянием воды, воздуха и различного рода организмов, включая их остатки.

Гидросфера — водная оболочка Земли, представленная Мировым океаном, пресными водами рек и озер, ледниковыми и подземными водами. Общие запасы воды на Земле составляют 1,5 млрд км3. Из этого количества 97% приходится на соленую морскую воду, 2% составляет замерзшая вода ледников и 1% — пресная вода. Гидросфера — это сплошная оболочка Земли, так как моря и океаны переходят в подземные воды на суше, а между сушей и морем происходит постоянный круговорот воды, ежегодный объем которого оценивается в 100 тыс. км3. Большая часть воды, испарившейся с поверхности морей и океанов, выпадает в виде осадков над ними же, около 10% — уносится на сушу, падает на нее, а затем или реками уносится в океан, или уходит под землю, или консервируется в ледниках. Круговорот воды в природе не является абсолютно замкнутым циклом. Доказано, что наша планета постоянно теряет часть воды и воздуха, которые уходят в мировое пространство. Поэтому с течением времени встанет проблема сохранения воды.

Вода обладает многими уникальными физическими и химическими свойствами. В частности, вода имеет высокие теплоемкость, теплоту плавления и испарения и в силу этих качеств является важнейшим климатообразующим фактором. Вода — хороший растворитель, поэтому в ней содержится множество химических элементов и соединений, необходимых для поддержания жизни. Не случайно именно Мировой океан стал колыбелью жизни на нашей планете.

Мировой океан занимает 71% поверхности планеты и содержит огромные продовольственные, энергетические и минеральные запасы. Он окружает материки (Евразию, Африку, Северную и Южную Америку, Австралию и Антарктиду) и острова. Океан делится материками на четыре части — Тихий (50% площади Мирового океана), Атлантический (25%), Индийский (21%) и Северный Ледовитый (4%) океаны. Мировой океан часто называют «печкой планеты». В теплое время года вода согревается медленнее суши, поэтому она охлаждает воздух, а зимой, наоборот, теплая вода согревает холодный воздух. В Мировом океане постоянно происходят поступательные движения масс воды — из-за морских течений, образующихся под влиянием господствующих ветров, приливных сил Луны и Солнца, а также существования слоев воды разной плотности. Под влиянием вращения Земли все течения в Северном полушарии отклоняются вправо, а в Южном полушарии — влево. Приливы и отливы в морях и океанах вызывают периодические колебания уровня воды и смену приливных течений. В открытом океане высота прилива достигает 1 м, у берегов — до 18 м. Самые высокие приливы наблюдаются у берегов Франции (14,7 м) и в Англии, в устье реки Северн (16,3 м), в России — в Мензенском заливе Белого моря (10 м) и в Пенжинской губе Охотского моря (11 м).

Реки — водные потоки, текущие в естественных руслах и питающиеся за счет поверхностного и подземного стоков с их бассейнов. Реки с притоками образуют речную систему. Течение и расход воды в них зависят от уклона русла. Обычно выделяют горные реки с быстрым течением и узкими речными долинами и равнинные реки с медленным течением и широкими речными долинами. Реки являются важной частью круговорота воды в природе. Их суммарный годовой сток в Мировой океан составляет 38,8 тыс. км3. Реки — это источники питьевой и промышленной воды, источник гидроэнергии. В реках обитают растения, рыбы и другие пресноводные организмы. Самые большие реки на планете — Амазонка, Миссисипи, Енисей, Лена, Обь, Нил, Амур, Янцзы, Волга.

Озера — заполненные водой водоемы, поверхность которых открыта атмосфере, которые не имеют уклонов, создающих течения, и связаны с морем только через реки и протоки. Категория «озера» включает в себя большой круг водоемов — пруды (небольшие мелкие озера), водохранилища, болота и трясины со стоячей водой. По происхождению озера могут быть ледниковыми, проточными, термокарстовыми, солеными. С геологической точки зрения озера имеют малую продолжительность жизни. Как правило, они постепенно исчезают из-за нарушения равновесия между притоком и стоком воды из озера. К числу крупнейших озер относятся: Каспийское и Аральское моря, Байкал, озера Верхнее, Гурон и Мичиган в США и Канаде, Виктория, Ньянза и Танганьика в Африке.

Подземные воды — все воды, находящиеся под земной поверхностью. Существуют подземные реки, свободно текущие по подземным каналам — трещинам и пещерам. Есть также фильтрующиеся воды, просачивающиеся через рыхлые породы (песок, гравий, гальку). Самый ближний к поверхности земли горизонт подземных вод называют грунтовыми водами. Вода, попавшая в грунт, доходит до водоупорного слоя, накапливается на нем и пропитывает вышележащие породы. Так образуются водоносные горизонты, которые могут служить источниками воды. Иногда водоупорный слой может создавать вечная мерзлота.

Ледники, образующие ледяную оболочку Земли (криосферу), занимают площадь 16 млн км2, что составляет примерно ‘/ю поверхности планеты. Именно они содержат основные запасы пресной воды (3/4).

Если бы льды, находящиеся в ледниках, вдруг растаяли, уровень Мирового океана повысился бы на 50 м. Ледяные массивы образуются там, где возможно не только накопление снега, выпавшего за зиму, но и его сохранение в течение теплого времени года. Со временем такой снег уплотняется до состояния льда и может закрыть местность, как ледниковый покров или ледяная шапка. Места, где накапливается многолетний лед, определяются географической широтой и высотой над уровнем моря. В полярных районах граница многолетнего льда лежит на уровне моря, в Норвегии — на высоте 1,2—1,5 км над уровнем моря, в Альпах — на высоте 2,7 км, а в Африке — на высоте 4,9 км. Гляциологи различают материковые покровы, или щиты, и горные ледники. Самые мощные материковые ледниковые покровы расположены в Антарктиде и Гренландии, где в некоторых местах толщина льда достигает 3,2 км. Постепенно сползающие к океану толщи льда рождают ледяные горы — айсберги. Горные ледники — это ледяные реки, спускающиеся по склонам гор, хотя их движение идет очень медленно — со скоростью от 3 до 300 м в год. При своем движении ледники меняют ландшафт, увлекая за собой валуны, обдирая склоны гор и обламывая значительные куски породы. Продукты разрушения уносятся ледником по склону и оседают по мере его таяния.

Вечная мерзлота — часть криосферы Земли, представляющая собой многолетнемерзлые грунты, возникающие в местах, где среднегодовые температуры имеют отрицательные значения. Толщина таких грунтов в среднем достигает 50—100 м, а в Антарктиде доходит до 4 км. Вечная мерзлота занимает огромные территории в Азии, Европе, Северной Америке и Антарктиде, ее общая площадь составляет 35 млн км2. В ней содержится до 2% общего объема льда на Земле.

Атмосфера — воздушная оболочка Земли, вращающаяся вместе с ней. По химическому составу атмосфера представляет собой смесь газов, состоящую из 78% азота, 21% кислорода, а также инертных газов, водорода, углекислого газа, паров воды, на которые приходится около 1% объема. Кроме того, воздух содержит много пыли и различных примесей, порождаемых геохимическими и биологическими процессами на поверхности Земли. Масса атмосферы довольно велика и составляет 5,15-Ю18 кг. Это значит, что каждый 1 м3 окружающего воздуха весит около 1 кг. Вес воздуха, давящего на нас, называют атмосферным давлением. Среднее атмосферное давление на поверхности Земли равно 1 атм, или 760 мм рт. ст. Это означает, что на каждый 1 см2 нашего тела давит груз атмосферы массой 1 кг. С высотой плотность и давление атмосферы убывают. В атмосфере есть районы с устойчивыми минимумами и максимумами температур и давлений. Такая область располагается в районе Исландии и Алеутских островов и является традиционным местом рождения циклонов, определяющих погоду в Европе. В Восточной Сибири область низкого давления летом сменяется областью высокого давления зимой. Неоднородность атмосферы вызывает перемещение воздушных масс — так появляются ветры.

Атмосфера Земли имеет слоистое строение, причем слои различаются по физическим и химическим свойствам. Важнейшими из них являются температура и давление, изменение которых позволяет выделить атмосферные слои — тропосферу, стратосферу, ионосферу, мезосферу, термосферу и экзосферу.

Тропосфера — нижний слой атмосферы толщиной 10—18 км, определяющий погоду на нашей планете. С высотой падает давление и температура опускается до —55 °С. В тропосфере содержится основное количество водяных паров, образуются облака и формируются все виды осадков.

Стратосфера простирается до уровня 50 км. Нижняя часть стратосферы имеет постоянную температуру, в верхней части наблюдается повышение температуры из-за поглощения солнечного излучения озоном.

Ионосфера начинается с высоты 50 км и состоит из ионов — электрически заряженных под действием Солнца частиц воздуха. Ионосфера обладает повышенной электрической проводимостью и в силу этого отражает короткие радиоволны, позволяя осуществлять дальнюю связь.

Мезосфера начинается с высоты 80 км. Ее роль состоит в поглощении озоном, водяным паром и углекислым газом ультрафиолетовой радиации Солнца.

Термосфера находится на высоте 90—400 км. В ней происходят основные процессы поглощения и преобразования солнечного ультрафиолетового и рентгеновского излучений. На высоте более 250 км постоянно дуют ураганные ветры, причиной которых считают космические излучения.

Экзосфера — верхняя область атмосферы, простирающаяся от 450—800 км до 2000—3000 км. Она содержит атомарный кислород, гелий и водород; часть этих частиц постоянно уходит в мировое пространство.

Климат Земли является результатом саморегулирующихся процессов в атмосфере планеты. Это не то же самое, что погода, которая может меняться каждый день. Погода очень изменчива и зависит от колебаний взаимосвязанных параметров — температуры, ветра, давления, осадков и в основном является результатом взаимодействия атмосферы с сушей и океаном. Климат — это состояние погоды какого-либо региона за длительный период времени. Он формируется в зависимости от географической широты, высоты над уровнем моря, воздушных потоков; меньше влияют рельеф и тип почвы. Выделяют ряд климатических зон мира, обладающих комплексом сходных характеристик:

  • • зона влажного тропического климата — среднегодовые температуры больше 18 °С, холодов не бывает, осадков выпадает больше, чем испаряется воды;
  • • зона сухого климата — область малого количества осадков. Сухой климат может быть жарким, как в тропиках, или свежим, как в континентальной Азии;
  • • зона теплого климата — средние температуры в самое холодное время не опускаются ниже —3 °С, и хотя бы один месяц имеет среднюю температуру больше 10 °С. Хорошо выражен переход от зимы к лету;
  • • зона холодного северного таежного климата — в холодное время средняя температура опускается ниже —3 °С, но в теплое время она выше 10 °С;
  • • зона полярного климата — даже в самые теплые месяцы средние температуры здесь ниже 10 °С, поэтому в этих районах прохладное лето и очень холодные зимы;
  • • зона горного климата — районы, отличающиеся по климатическим характеристикам от той климатической зоны, в которой они находятся. Появление таких зон обусловлено тем, что с высотой падают средние температуры и сильно меняется количество осадков.

Климат Земли имеет ярко выраженную цикличность. Самым известным примером цикличности климата являются периодически случавшиеся на Земле оледенения. За последние 2 млн лет наша планета пережила от 15 до 22 ледниковых периодов. Об этом свидетельствуют исследования осадочных пород, накопившихся на дне океанов и озер, а также исследования образцов льда из глубин Антарктического и Гренландского ледниковых покровов. Так, в последний ледниковый период Канада и Скандинавия были покрыты гигантским ледником, а Северо-Шотландское нагорье, горы Северного Уэльса и Альпы имели огромные ледяные шапки.

Сейчас мы живем в период глобального потепления. С 1860 г. средняя температура Земли поднялась на 0,5 °С. В наши дни средние температуры повышаются еще более быстрыми темпами. Это грозит изменениями климата на планете и другими последствиями.

Магнитосфера — самая внешняя и протяженная оболочка Земли — представляет собой область околоземного пространства, физические свойства которой определяются магнитным полем Земли и его взаимодействием с потоками заряженных частиц космического происхождения. С дневной стороны она простирается на 8—24 земных радиуса, с ночной — доходит до нескольких сотен радиусов и образует магнитный хвост Земли. В магнитосфере находятся радиационные пояса.

Магнитное поле Земли образуется во внешней оболочке ядра благодаря циркуляции электрических токов. Можно сказать, что Земля представляет собой огромный магнит с четко выраженными магнитными полюсами. Северный магнитный полюс находится в Северной Америке на полуострове Ботия, Южный магнитный полюс — в Антарктиде на станции «Восток».

В настоящее время установлено, что магнитное поле Земли не является неизменным. Его полярность в истории существования Земли менялась несколько раз. Так, 30 тыс. лет назад северный магнитный полюс находился на Южном полюсе. Кроме того, периодически происходят возмущения магнитного поля Земли — магнитные бури, главной причиной возникновения которых является колебание солнечной активности. Поэтому магнитные бури особенно часты в годы активного Солнца.

  • [1] Жарков В.Н. Внутреннее строение Земли и планет. М.: Наука, 1983. С. 43—46.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >