Раздел 2. Гипотезы образования зЕмли и биосферы

Обычно форма Земли описывается термином «земной шар». Установлено, что средние - масса Земли М_з = 5,98∙10²⁴ кг, объем 1,083∙10²⁷ см³, радиус Земли R_з = 6371 км, плотность _з = 5,52 г/см³. В реальности форма Земли близка к трехосному эллипсоиду вращения с полярным сжатием: полярный радиус равен 6356,78 км, а экваториальный – 6378,16 км. Длина меридиана Земли составляет 40008,548 км, длина экватора – 40075,704 км.

Иногда Землю описывают как сферу. Научное название формы нашей планеты – геоид.

При описании Земли выделяют так называемые геосферы – концентрические оболочки планеты различной плотности и химического состава. В направлении от периферии к центру Земли различают магнитосферу, атмосферу, земную кору, мантию Земли и ядро Земли (рис. 2.1).

М

Рис. 2.1. Внутреннее строение Земли

агнитосфера Земли – область околоземного пространства, граница которой (магнитопауза) определяется равенством давления магнитного поля Земли и динамического давления солнечного ветра.

Конфигурация магнитосферы непрерывно меняется, простираясь с дневной стороны до 10-12 R_з, а с ночной – вытянута, образуя так называемый магнитный хвост Земли в несколько сотен R_з. Она реагирует на проявления солнечной активности, сопровождающейся изменениями в солнечном ветре и его магнитном поле (магнитные бури). При этом частицы солнечного ветра вторгаются в магнитосферу, происходит нагрев и усиление ионизации верхних слоев атмосферы, ускорение заряженных частиц, увеличение яркости «полярных сияний», возникновение электромагнитных шумов, нарушение радиосвязи.

2.1. Геосферы Земли

К геосферам Земли относятся – атмосфера, гидросфера и литосфера.

Атмосфера – газовая оболочка Земли, которая удерживается планетой посредством силы гравитационного поля и принимает участие в ее суточном и газовом вращении. Она состоит из смеси различных газов, водяных паров и пыли.

В среднем азота (N₂) – 78% от всего объема; кислорода (О₂) – 20,9 %; аргона (Ar) – 0,93 %, углекислого газа (СО₂) – 0,033 %; оставшуюся часть представляют - неон (Ne), гелий (Не), метан (СН₄), криптон (Kr), водород (Н₂), оксид диазота (N₂O), ксенон (Xe) и другие компоненты. Кислород существует в атмосфере в виде аллотропных модификаций – О₂ и О₃ (озон). Озон – ядовитый газ, с запахом, образующийся из О₂ при электрическом разряде или под действием ультрафиолетового излучения в верхних слоях атмосферы. Атмосфера простирается до высоты ~ 4000 км.

С увеличением высоты плотность воздуха убывает, и атмосфера плавно переходит в космическое пространство. Она делится на слои: тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу и экзосферу, которые отличаются температурой, ионизацией молекул и другими параметрами. Атмосфера является активным участником физических процессов, которые протекают на суше и в верхних слоях водоемов (выветривание, морские течения).

Температура атмосферного воздуха

Температура атмосферного воздуха Т определяет его термодинамическое состояние равновесия. Она пропорциональна средней скорости движения молекул, т.е. является мерой интенсивности молекулярного движения. Если температура различных объемов воздуха не одинакова, то происходит теплообмен от теплого объема воздуха к холодному. Термодинамическая температура Т отсчитывается по термодинамической шкале температур от абсолютного нуля и измеряется в кельвинах. Температура 0^оС = 273,15 К.

Воздух, как любое прозрачное тело, при прохождении через него солнечных лучей нагревается весьма мало. Нагревание воздуха осуществляется за счет тепла, отдаваемого нагретой земной или водной поверхностью. По мере подъема вверх вследствие конвекции воздух охлаждается. Средний градиент понижения температуры в тропосфере составляет - 6,5 С на 1 км высоты. Температура воздуха на высоте 10 км почти всегда постоянна и равна минус 46,5 С. Для атмосферного воздуха характерно суточное изменение температуры. Днем поверхность Земли нагревается и передает тепло окружающему воздуху, ночью процесс носит обратный характер. Наиболее низкие температуры наблюдаются не ночью, а перед восходом солнца, когда земная поверхность уже отдала свое тепло. Точно так же наиболее высокие температуры воздуха устанавливаются после полудня с запозданием на 2 - 4 часа, т.е. примерно в 15⁰⁰ по местному времени.

В различных географических зонах Земли суточный ход температур различен, на экваторе, на морях и у морских побережий амплитуды колебания температур воздуха очень малы, а в пустынях, например, днем поверхность Земли нагревается до температуры около 60 С, а ночью понижается почти до 0 С.

В Северном полушарии в средних широтах наибольшее количество солнечной радиации поступает на Землю в дни солнцестояния. Однако самым жарким месяцем является не июнь, а июль вследствие того, что в июне происходит собственно нагревание земной поверхности, на что расходуется значительная часть солнечной радиации, а в июле потеря солнечной радиации не только компенсируется, но и превышает его в виде тепла от разогретой земной поверхности. Аналогичным способом можно объяснить, почему самый холодный месяц не декабрь, а январь. На море, в связи с тем, что вода более медленно охлаждается и нагревается, самый жаркий месяц приходится на август, самый холодный – февраль. Самое жаркое место на Земле располагается в Ливийской пустыне (+58 С в тени), самое холодное – в Антарктиде (-89,2 С). В России самая низкая температура –70,2С зафиксирована в Восточной Сибири (пос. Оймякон).

Давление атмосферы

Давление Р – физическая величина, характеризующая интенсивность нормальных (перпендикулярных к поверхности) сил F, с которыми одно тело действует на поверхность S другого (Р = F/S). В газообразной среде, находящейся в состоянии равновесия, внешние силы, приложенные к поверхности выделенного в такой среде объема, перпендикулярны ей и направлены внутрь этого объема. Если отнести поверхностную силу, действующую на элементарную поверхность, к площади этой поверхности, то будет определено нормальное напряжение, которое и называется давлением. Единицей измерения давления в системе СИ является Паскаль (1 Па = 1 Н/м²). Для измерения атмосферного давления также широко используются внесистемные единицы: 1 мм рт. ст. = 133,325 Па, 1 мм вод. ст. = 1 кгс/м² = 9,81 Па, 1 бар = 1000 мбар = 10⁵ Па.

Человек, как и другие живые организмы, не ощущает воздействие атмосферного давления при малых его колебаниях, из-за точно такого же внутреннего давления. Атмосферное давление с высотой уменьшается. Оно изменяется в зависимости от плотности воздуха, которая зависит от температуры.

Над материками зимой устанавливается повышенное давление, а летом – пониженное. Давление на экваторе пониженное, в тропиках – повышенное, а в умеренных широтах – переменное от сезона к сезону, в полярных – повышенное.

Горизонтальное движение воздуха, обусловленное разницей в атмосферном давлении, называют ветром. Скорость ветра определяет его виды, например, при штиле скорость ветра равна нулю, а ветер со скоростью более 29 м/с называется ураганом.

Ветра подразделяются на различные виды:

• муссоны – ветры, изменяющие свое направление по сезонам (зимой они дуют с суши на море, а летом – с моря на сушу). Эти ветра характерны для Дальнего Востока и Восточного Китая.

• Бризы – береговые ветры.

• Фены – теплые сухие ветры горных склонов.

• Суховеи – сухие и очень горячие ветры пустынь.

• Бора (сарма, чипук) – плотные холодные ветры с горных преград.

Ветер является важным фактором, сказывающимся на формировании погоды и климата, а значит и экологической обстановки. Кроме этого он может служить альтернативным источником энергии (ВЭУ – ветроэнергетические установки).

Погода – это состояние нижнего слоя атмосферы в данное время в данной местности. Самой характерной особенностью погоды является ее изменчивость, а точнее непрерывное изменение. Это проявляется при смене воздушных масс. Воздушная масса – это огромный движущийся объем воздуха с определенной температурой, плотностью, влажностью и т.д.

В зависимости от места формирования выделяют арктические, умеренные, тропические и экваториальные воздушные массы.

Россия расположена в умеренном поясе, поэтому на ее западе преобладают морские умеренные воздушные массы, а над большей частью остальной территории – континентальные, а за Полярным кругом формируются арктические воздушные массы.

Встречи различных воздушных масс в тропосфере создают переходные области – атмосферные фронты. Теплый фронт образуется при наступлении теплого воздуха на холодный, а холодный при обратном направлении движения воздушных масс.

На фронтах образуются при определенных условиях мощные вихри. При пониженном давлении в центре такой вихрь называется циклоном, а при повышенном – антициклоном. Циклоны обычно сопровождаются облачностью, выпадением осадков, ветрами. Антициклоны характеризуются устойчивостью погоды: летом - ясно, зимой – морозно.

Климат – это многолетний режим погоды, характерный для данной местности. Климат является одним из важных долговременных факторов; он оказывает влияние на режим рек, образования почв, виды растительных и животных сообществ. В областях Земли, где поверхность получает в избытке тепло и влагу, распространены влажные вечнозеленые леса с огромной биопродуктивностью. Области, расположенные около тропиков, тепла получают достаточно, но влаги значительно меньше, что приводит к образованию полупустынных форм растительности. На формирование климата главное влияние оказывает географическое расположение местности. Над водной поверхностью и над сушей формируются различные режимы погоды. Горы, холмы, котловины очень часто являются зонами особого климата, а горные цепи – климаторазделами. Сильно влияют на климат морские течения.

Гидросфера – прерывистая водная оболочка Земли, располагающаяся между атмосферой и земной корой. Она включает в себя совокупность всех вод планеты: материковых (глубинных, почвенных, поверхностных), океанических и атмосферных.

Вода является составной частью биосферы, от которой зависит состояние животного и растительного мира. Из общей поверхности планеты, площадь которой составляет 510 млн. км², вода занимает 70,8 %. Более 98 % всех водных ресурсов планеты представлены водами с повышенной минерализацией, которые мало пригодны для хозяйственной деятельности.

Объем пресных вод планеты составляет ~ 28 млн. км³, из них на хозяйственное использование идет 4,2 млн. км³. При этом большая часть этих ресурсов находится в малоосвоенных районах, в результате чего создается дефицит пресных вод в промышленно развитых регионах.

Подземные воды составляют 14 % запасов пресных вод. В связи с усиливающимся загрязнением поверхностных вод их роль как источника водоснабжения будет возрастать.

Атмосферные осадки – это вода во всех видах твердой и жидкой фазы, которую получает земная поверхность в виде дождя, снега, града или сконденсировавшейся на поверхности различных тел росы. Атмосферные осадки являются одним из важнейших факторов существования живых организмов. В общем круговороте влаги наиболее подвижны именно атмосферные осадки, т.к. объем влаги в атмосфере оборачивается 40 раз в году. Дождь образуется тогда, когда мельчайшие капельки влаги, содержащиеся в облаке, сливаются в более крупные и, под действием гравитации выпадают на поверхность Земли. В воздухе, который содержит пылинки, процесс конденсации идет гораздо быстрее, т.к. эти пылинки играют роль ядер конденсации. В пустынях, где относительная влажность весьма низка, конденсация водяного пара возможна только на значительных высотах, при низких температурах. Однако дождь на пустыню не выпадает. Так как снежинки не успевают упасть на поверхность, а испаряются. Это явление называют сухими дождями. В случае конденсации водяного пара, что происходит при отрицательных температурах, осадки образуются в виде снега. При перемешивании снежинок с капельками воды образуются шарообразные снежные комочки диаметром 2 –3 мм, которые выпадают в виде пурги. Для образования града необходимо, чтобы облако было значительных размеров, и его нижняя часть была в зоне положительных температур, а верхняя – отрицательных. Образовавшиеся комочки пурги, поднимаясь вверх, превращаются в льдинки шарообразной формы – градины. Размеры градин постепенно увеличиваются и выпадают на земную поверхность, преодолевая силы восходящих воздушных потоков под действием гравитации. Градины бывают разными по размеру: от горошины до куриного яйца.

Такие осадки, как роса, иней, туман, изморозь, гололед, образуются не в верхних слоях атмосферы, а в приземном слое. В условиях понижения температуры у поверхности Земли воздух не всегда может удержать водяной пар, который и выпадает на различных предметах в виде росы, а если эти предметы имеют отрицательную температуру, то в виде инея. При значительных концентрациях водяных паров в приземном слое атмосферы образуется туман. Образование ледяной корки на поверхности земли из выпадающих дождевых осадков носит название гололедицы.

Основными условиями возникновения различных видов осадков являются температура воздуха, циркуляция атмосферы, морские течения, рельеф. Существуют следующие зоны распределения осадков по земной поверхности:

• влажная экваториальная,

• сухие зоны тропических поясов,

• влажные зоны умеренных широт,

• полярные области.

В России наибольшее количество осадков выпадает на юго-западных склонах Большого Кавказа, а наименьшее – в тундрах Северо-востока и пустынях Прикаспия.

Литосфера – представляет собой оболочку Земли, которая объединяет земную кору, подкорковую часть верхней мантии и подстилающую часть астеносферы. Толщина литосферы колеблется в пределах 50-200 км.

Земная кора – твердая внешняя оболочка толщиной до 70 км в горных областях, около 30 км под равнинами, 5-7 км под океанами. Ее верхняя часть – осадочный слой, состоящий из осадочных пород; средняя – «гранитный» слой (выражен только на материках); нижняя – «базальтовый» слой. В целом земная кора по химическому составу в % состоит:

• кислород – 46,8;

• кремний – 27,3;

• алюминий – 8,7;

• железо – 5,1;

• кальций – 3,6;

• натрий – 2,6;

• калий – 2,6;

• магний – 2,1;

• другие – 1,2.

Весьма важным обстоятельством, отличающим земную кору от других геосфер, является повышенное содержание в ней долгоживущих радиоактивных изотопов урана (²³²U), тория (²³⁸Th), калия (⁴⁰К), причем их наибольшая концентрация выявлена в гранитном слое континентальной коры. Поэтому там, где скальный грунт, там повышенный радиоактивный фон.

Под Земной корой располагается мантия (толщиной около 2900 км). Занимает 83% Земли (без атмосферы) по объему и 67 % по массе. Мантия Земли состоит преимущественно из тяжелых минералов, богатых магнием и железом (75 % перидотита и 25% базальта). С процессами, проходящими в верхней (граничащей с земной корой) мантии Земли, тесно связаны тектонические движения, вулканизм, горообразование и др.

Астеносфера - слой пониженной твердости, прочности и вязкости, расположенный в мантии Земли.

Ядро Земли – наиболее плотная ее центральная часть. Его плотность составляет от 9400 кг/м³ в периодической (ближайшей к мантии) области до 17200 кг/м³ (в два с лишним раза выше, чем у железа) в более глубоких слоях; давление достигает 140…350 ГПа (1,4-3,5 млн. атм.); температура 2000…5000 С. Есть основания предполагать, что по химическому составу вещество ядра сходно с веществом мантии Земли, но оно находится в металлическом состоянии.

Процесс преобразования литосферы живыми организмами, начавшийся около 450 млн. лет назад, привел к образованию педосферы (почвы), толщина которой достигает 2…3 м.