Оболочечное строение Земли

Лекция 5. Оболочечное строение Земли

Длительная эволюция Земли, в частности географической оболочки, привела к формированию отдельных сфер (оболочек), взаимосвязанных и взаимообусловленных.

Представление о том, что Земля как плaнeтa, состоит из системы природных оболочек, является общеизвестным и сформировалось довольно давно. На это указывал, в частности, М. В. Ломоносов в трактате "О слоях земных". Изучением геосфер и их подробной классификацией занимался и В. И. Вернадский. Географическая оболочка представляет собой систему взаимосвязанных оболочек (сфер). В нее принято включать верхнюю часть литосферы, ниж­нюю часть атмосферы, а также гидросферу и биосферу. В резуль­тате их взаимопроникновения в географической оболочке происхо­дят процессы, которые не могут происходить в каждой отдельно взятой сфере, а существенное изменение любого из ее компонен­тов влечет за собой изменение остальных, что подтверждает ее системную целостность.

Литосфера (от греч. - камень +  шар) - твердая оболочка Земли, мощностью 70-250 км, включающая земную кору и верхний слой мантии. Земная кора, верхняя часть литосферы до поверхности Мохоровичича, или "Мохо", состоит из осадочно­го, гранитного (метаморфические породы) и базальтового слоев. Средняя мощность осадочного слоя, или стратисферы, состав­ляет 2,6 км, в прогибах - до 12-20 км (Прикаспийская низмен­ность). В этом слое наиболее распространены глины и глинистые сланцы (50%), пески и песчаники (23,6%) и карбонатные породы (23,5%). Кристаллические породы магматического и метаморфи­ческого происхождения занимают около 90% объема земной коры (см. рис. 2).

Верхняя зона земной коры носит название гелиотермической ­слой годовых и вековых колебаний температуры, обусловлен­ных солнечной энергией. Его мощность - первые десятки метров (в Москве - 20 м). Геотермическая зона - сфера действия тепло­вого потока из глубин Земли. Регионы земного шара характеризу­ются различными геотермическими градиентами: в Москве она составляет 2,6⁰С на 100 м, в Архангельске - 5,1⁰ С.

Газовая оболочка любой планеты носит название атмосфера (от греч. воздух). Атмосфера Земли связана грави­тационным полем и принимает участие в суточном и годовом вра­щении планеты. Атмосфера состоит из механической смеси газов, водяного пара и примесей (аэрозолей), называемой атмосферным воздухом. Основными газами в его составе до высоты 100 км являются: азот (78%), кислород (21 %), а также углекислый и неко­торые инертные газы (1%). Воздушная оболочка в свою очередь состоит из нескольких слоев, различающихся по физическим и хи­мическим свойствам. Масса атмосферы - 5,1·10⁵ т.

Четыре пятых (4/5) массы всей атмосферы сосредоточено в нижнем слое - тропосфере (от греч. - поворот, изменение). Мощность тропосферы постепенно возрастает от полюсов (8-10 км) К экватору (16-18 км). В ней содержится около 80% всего воздуха, она содержит более 90% массы всей атмосферы. Большинство наблюдаемых нами атмосферных явлений происходит в этом слое. В пределах тропосферы отмечается постепенное (0,65⁰ С на 100 м) понижение температуры с высотой (влажноадиабатичес­кий градиент). Самый нижний слой тропосферы (100-150 м) назы­вается приземным слоем воздуха и характеризуется высоким со­держанием пыли, водяного пара и присутствием живых организ­мов - как крупных (птиц), так и микроскопических ("воздушного планктона"). Верхняя граница тропосферы носит название тро­попауза. В этом слое происходит резкое снижение температуры (до - 60⁰С над полюсами и до - 80⁰С над экватором) и возрастает разреженность воздуха.

Над тропосферой, до высоты 40-50 км располагается стратос­фера (от лат. - настил). До высоты 25 км температура прак­тически неизменна, а выше - несколько возрастает (-40⁰С. .. -60⁰С). Газовый состав воздуха аналогичен составу воздуха тропосферы. но в нем содержится значительно большее количество озона. Наивысшая концентрация озона наблюдается на высотах 25-35 КМ. Эта зона носит название озонового слоя, озоносферы или озонового эк­рана. Если бы не озоновый экран, губительные для всего живого потоки ультрафиолетового и космического излучения доходили бы до поверхности Земли, делая невозможным существование жизни.

Следующий слой называется мезосфера (от греч. - сред­ний). В этой области вновь отмечается понижение температуры. На ее верхней границе, 'на высоте около 85 км, наблюдаются пер­ламутровые облака. Выше следует термосфера (от греч. - теплый) -
до 800 км. Название говорит само за себя - здесь вновь отмечается повышение температуры. В этом же слое происходят магнитные бури, появляются полярные сияния. Еще выше располо­жена внешняя оболочка атмосферы - экзосфера (от греч. - вне). Здесь, на расстояниях более 1000 км, атомы ионизированы более чем наполовину, а газ разрежен настолько, что столкновения между молекулами перестают играть существенную роль. По разным дан­ным атмосфера простирается до высоты от 1800 до 3000 км. Выше (до нескольких радиусов Земли) наблюдается только разреженный водород, постепенно вытекающий из экзосферы в космическое пространство.

Рекомендуемые материалы

По степени ионизации в пределах атмосферы выделяют две зоны: нейтральную нейтросферу (от лат. пeutruт - ни то, ни дру­гое) - до 90 км, включающую тропосферу, стратосферу, а также мезосферу, - и сильно ионизированную ионосферу, включающую термосферу и экзосферу.

Гидросфера - водная оболочка Земли, представляющая собой совокупность вод Земли. Ее масса - 1,56×10¹⁸ т. Она включает в себя всю химически не связанную воду планеты: воду Мирового океана (около 94%), подземные воды в зоне активного водообмена (4%), льды и снега (1,7%), поверхностные воды суши (0,3%), а также воду, содержащуюся в атмосфере и в живых организмах. Единство гидросферы как оболочки обусловлено единым происхождением всех природных вод из мантии Земли (генетическое единство), в един­стве их развития и во взаимосвязи в Мировом круговороте воды (функциональное единство). Вода в гидросфере представлена во всех агрегатных состояниях.

Общий объем вод гидросферы составляет 1,4 млрд. км³, при­чем вся эта масса непрерывно обновляется в процессе круговорота. Круговорот заключается в испарении с поверхности океана, пе­ремещении пара воздушными массами, его конденсации в тропос­фере, выпадении в виде осадков, их просачивании и поверхностном стоке в океан. В разных частях гидросферы скорость круговорота различна за счет накопления (аккумуляции) воды, например, в под­земных водоносных горизонтах (подземные воды обновляются за миллионы, тысячи, сотни лет). Вода рек обновляется в течение двух недель, а вода, содержащаяся в живых организмах, - за несколько часов.

Содержание в атмосфере водяного пара составляет 2,2%. Несмотря на свое малое количество, в результате интенсивного влагооборота (испарение - конденсация) полная смена влаги со­ставляет 9-10 дней, или каждая капля воды 38,4 раза за год испа­ряется и выпадает в виде атмосферных осадков.

Движущей силой мирового круговорота воды являются солнеч­ная энергия и гравитационное поле Земли. Круговорот воды ох­ватывает не только гидросферу, но и литосферу, и атмосферу, и живые организмы, причем не просто охватывает их, а связывает, являясь системообразующим потоком.

Биосфера (от греч.  - жизнь) - область активной жизни организмов. Эта область охватывает нижнюю часть атмосфе­ры, всю гидросферу и верхнюю часть литосферы. Живые организ­мы характеризуется особой быстротой химических процессов, а его широкое распространение позволяет вовлекать в эти про­цессы косные (неживые) вещества из всех остальных оболо­чек, связывать их процессами трансформации, аккумуляции и перераспределения вещества и энергии. Движущими силами этих процессов является солнечная энергия и химические реакции, а отражением - малый биологический круговорот веществ. Ос­новная функция биосферы - использование (связывание) солнеч­ной энергии фотосинтезирующими организмами и создание вто­ричной продукции.

Термин "биосфера" был введен в науку австрийским геологом Зюссом в 1875 г. Дальнейшее развитие учение о биосфере получи­ло в работах великого русского ученого В. И. Вернадского. Про­водя исследования в области минералогии и геохимии, он обратил внимание на то, насколько важную роль в геологической истории Земли играют геохимические, точнее биогеохимические, процессы, обусловленные жизнедеятельностью организмов, их способно­стью преобразовывать неживую материю. "Геологически оно [жи­вое вещество] является самой большой силой в биосфере и опре­деляет, как мы увидим, все идущие в ней процессы и развивает огромную свободную энергию, создавая основную геологически проявляющуюся силу в биосфере ... ". За все время существова­ния жизни на Земле она практически преобразовала все остальные оболочки: изменила состав литосферы (образование осадочных карбонатных отложений), атмосферы (как было показано ранее, практически весь кислород имеет биогенное происхождение), гид­росферы (современный химический состав вод Мирового океана во многом зависит от живых организмов). Несмотря на то, что масса живого вещества биосферы меньше массы атмосферы при­мерно в 10 тыс. раз, гидросферы в 1 млн. раз, а литосферы - более чем в 10 млн. раз, суммарная масса всех организмов, живших на Земле за все время ее существования, многократно превышает массу земной коры.

Верхнюю границу биосферы про водят в атмосфере на высоте около 30 км, нижнюю - на суше на глубине 4-5 км; в Мировом оке­ане - по дну глубоководных впадин. Maccа биосферы составляет 1,85-2,6×10¹² т в воздушно-сухом весе.

Обратите внимание на лекцию "Лекция №8 Влияние факторов внешней среды на микроорганизмы".

Зная границы всех оболочек, из которых состоит географичес­кая оболочка, можно установить ее границы. Верхнюю границу географической оболочки обычно проводят по тропопаузе, разде­ляющей тропосферу и стратосферу, т. е. на высоте 18 км. Нижним пределом считается граница между земной корой и мантией - по­верхность Мохоровичича, расположенная на глубине 30-50 км. Существуют и другие точки зрения, в частности, в качестве верх­ней границы иногда называют высоту озонового слоя (25-35 км), а в качестве нижней - нижнюю границу осадочного чехла, в сред­нем - 2 км. Географическая оболочка непрерывна и покрывает всю поверхность Земли. В то же время она неоднородна на всем своем протяжении, т. е. по тем или иным признакам, связанным со свой­ствами взаимодействующих сфер, может быть разделена на системы меньшего иерархического ранга. Крупнейшими из таких си­стем являются географические пояса - проявление закона широт­ной зональности.

Только в географической оболочке вещество пребывает во всех трех агрегатных состояниях. Изменение агрегатного состояния воды из жидкого в твердое в результате сложного взаимодействия гидросферы с атмосферой приводит к формированию в пределах последней "снежной оболочки", или хионосферы (от греч. - снег). М. В. Ломоносов в сочинении слоях земных указывал, что в горах "самые главы выше облаков далече в морозную атмосферу восходят". К полюсам нижняя граница хионосферы опускается практически до уровня поверхности Земли, а в низких и средних широтах в нее входят только вершины высоких гор. Счи­тается, что мощность хионосферы, составляет 3-5 км и мало раз­личается над разными участками земной поверхности. В ней рас­положены зоны аккумуляции горных ледников. Линия пересечения нижней границы хионосферы со склонами гор, как правило, совпа­дает со снеговой линией.

В результате взаимодействия гидросферы, атмосферы и верх­него слоя земной коры, под действием низкой температуры, в вы­соких широтах Земли формируются мерзлые породы. Зону их рас­пространения принято называть криосферой (от греч. крио - хо­лод, лед), или сферой льда. Нижняя поверхность криосферы прово­дится по геоизотерме 0⁰С, которая в полярных и приполярных райо­нах Северного полушария опускается в земную кору до 1,5-2 км, а в Антарктиде даже до 4-5 км. Верхняя граница криосферы про­ходит по поверхности (кровле) мерзлых пород, либо по поверхнос­ти ледников. В то же время некоторые ученые считают хионосферу составной частью криосферы. В этом случае, ее верхняя граница совпадает с границей хионосферы.

Общая площадь криосферы может изменяться в течение года. Существует область криосферы с сезонными покровами снега и сезонным слоем промерзания грунтов (в Северном полушарии она формируется зимой) и зона вечных снегов и льда (постоянная кри­осфера). Вечная мерзлота - глобальное явление, она занимает не менее 25% площади всей суши земного шара. В России площадь распространения многолетнемерзлых пород составляет около 11 115 000 км, то есть около 65% ее территории.

 Как уже говорилось, процесс взаимодействия живого и мертво­го вещества в географической оболочке приводит к появлению качественно новых образований, таких, как почвы. Совокупность участков земной поверхности, на которых сформирован или фор­мируется почвенный покров, называется педосферой (от лат. pedo - нога). Эта оболочка Земли имеет крайне важное значение для человечества, поскольку только в ее пределах возможно зем­леделие.

"Сердцевина" географической оболочки, расположенная в зоне наибольшего взаимодействия всех оболочек, в которой в основ­ном сосредоточена жизнь и существует человек, называется лан­дшафтной сферой, или ландшафтной оболочкой Земли. За ее верхнюю границу обычно принимают границу распространения при­земных слоев воздуха (100-150 м от поверхности Земли). Нижняя граница проходит по первому горизонту грунтовых вод - границе гипергенеза поверхностных образований, обусловленного совмес­тным воздействием воздуха, воды, живого вещества. Ландшафт­ная оболочка представляет собой природно-территориальный комп­лекс планетарной размерности и состоит из комплексов меньшего ранга. Сама ландшафтная сфера и все эти комплексы являются объектами изучения специальной науки - ландшафтоведения. Лан­дшафтная оболочка Земли имеет первостепенное значение для че­ловека, формируя для него среду обитания и снабжая его большей частью потребляемых ресурсов.