Окружающая природная среда

Геосферы Земли как окружающая среда Планета

Земля в целом

Вопрос о том, как образовалась наша планета, издавна привлекал внимание людей. Первой была теория Канта о происхождении Солнечной системы из первичного вращающегося газопылевого облака. При сжатии этого облака под действием гравитации облако раскручивалось, в результате возникали силы, действующие против гравитации. В результате от сжимающейся туманности поочередно отделялись кольца, давшие начало образованию планет.

В середине XX в. была выдвинута другая теория: планеты образовались в результате гравитационного захвата Солнцем плотного межзвездного газопылевого облака при его прохождении мимо ранее образовавшегося Солнца. Входившие в состав облака частицы объединялись и укрупнялись и со временем становились потенциальными зародышами планет. Каждая будущая планета имела свою устойчивую орбиту и свою "зону питания". На формирование ранней Земли ушло примерно 500 млн лет. На 92% Земля состоит из пяти элементов: кислорода, железа, кремния, магния и серы.

Земля - третья по порядку от Солнца планета Солнечной системы вращается вокруг Солнца по близкой к круговой орбите на расстоянии около 150 млн км. Строение нашей планеты сегодня известно по сейсмическим данным, а состав ее верхних оболочек - атмосферы, гидросферы и земной коры (литосферы) по геологическим данным и прямым измерениям.

Планета Земля состоит из ядра и охватывающих его двух концентрических оболочек: мантии и земной коры ( рис. 1.1). Залегающая под земной корой мантия имеет температуру до и состоит из расплавленных горных пород (магмы), способных течь как густая вязкая жидкость. Мантия постоянно подогревается со стороны горячего ядра, вследствие чего в ней непрерывно образуются мощные конвективные потоки магмы.

Рис. 1.1. Схема оболочечного строения планеты Земля

Масса Земли равна т, средний радиус 6371 км, площадь поверхности 510 млн км, средняя плотность земного вещества 5,52 г/см. Фигура Земли описывается геоидом, который аппроксимируется эллипсоидом вращения. Сплюснутость геоида определяется скоростью вращения Земли вокруг полярной оси.

Фигура Земли соответствует равновесной форме вращающейся жидкости. Отсюда можно предположить, что вещество Земли в ее недрах находится в эффективно жидком состоянии, хотя вязкость такой жидкости является очень высокой.

Вся история геологического развития Земли связана с выделением или поглощением тепла. Земля - это огромная тепловая машина. Через поверхность Земли теряется часть ее внутреннего тепла. Среднепланетарное значение удельного потока тепла, поступающего из недр, равно 59 мВт/м. Характеристика энергетических процессов, происходящих в геосферах Земли, приводится в табл. 1.1

Таблица 1.1. Энергетика сильных возмущений в геосферах

Мощность падающего на Землю солнечного излучения	Вт
Энергия вращения Земли	Дж
Мощность теплового потока через земную поверхность	Вт
Мощность приливного воздействия Луны	Вт
Энергия землетрясений с магнитудой 8,5	Дж
Энергия вулканических извержений	до Дж
Энергия обрушений склонов и лавин	до Дж
Энергия подводных оползней	до Дж
Энергия смерчей, ураганов, торнадо, циклонов	до Дж
Энергия, потребляемая человечеством за сутки	Дж
Энергия взрыва магистрального газопровода	до Дж
Энергия при пожарах на аварийных скважинах	до Дж
Энергия ядерного взрыва	до Дж

Существует гипотеза, что Земля на протяжении своей истории наращивала и продолжает наращивать свою массу за счет поступающих из космического пространства материальных частиц и энергии. Падающие на Землю первичные космические лучи состоят из ядер тех же химических элементов, которые входят в состав Земли, главным образом из ядер водорода. В их составе 92% протонов (ядра водорода). 6,6% альфа-частиц (ядра гелия), 0,8% ядер углерода, азота, кислорода.

Основная масса космических частиц имеет энергию более 1 ГэВ на нуклон, что в тысячи раз превышает энергию частиц в самых горячих частях Вселенной. Это означает, что большая часть достигающих Земли космических частиц возникает при взрывах сверхновых. Вспышка сверхновой - это взрыв звезды, при котором выбрасывается вещество с массой, превышающей несколько масс Солнца. Полный поток первичных космических частицу границы земной атмосферы равен , то есть каждую секунду через единичную площадку проходит одна частица. Удельная мощность потока космических лучей составляет .

Основная часть первичных лучей со средней энергией 10 ГэВ при столкновении с ядрами расходует энергию на рождение в атмосфере элементарных частиц. Каждое столкновение образует множество заряженных частиц, что приводит к образованию в атмосфере электронно-фотонного каскадного ливня. Развитие такого ливня начинается на высоте около 25 км. общее число частиц в ливне достигает нескольких миллионов. Земля, как и все космические тела, поглощает приходящее извне вещество и за счет этого растет.

Ряд специалистов отстаивает существование в земных недрах ядерных превращений вещества. Например, протоны космических лучей с энергией более 100 ГэВ легко проходят сквозь атмосферу и поглощаются земными недрами. Подобные ядерно-активные частицы способны осуществлять ядерные превращения химических элементов. По этой причине вещество Земли постоянно эволюционизирует. Например, с участием нейтронов естественных энергий происходят реакции с испусканием а-частиц. что объясняет высокие концентрации гелия в земной коре:

Земля получает материи из космического пространства больше, чем теряет, поэтому ее масса и размеры постоянно увеличиваются. По расчетам рост радиуса Земли характеризуется скоростью 2 см/год. Накопление и преобразование вещества происходит преимущественно в недрах, в результате земная кора испытывает растягивающие напряжения и разрывается. Извержения вулканов, землетрясения и расхождение дна океанов могут быть следствием роста Земли за счет "космической подпитки".

Из земных недр ежегодно выносится на поверхность около т магмы, пепла, паров и газов. Если всю массу, вынесенную за всю историю вулканических извержений, равномерно распределить по поверхности Земли, то получится слой толщиной в 34 км. Это означает, что земная кора является продуктом длительной переработки вещества верхней мантии посредством физического и химического выветривания, переосаждения, а также преобразования растениями и живыми организмами.

По расчетам Земля завершит свое существование через 6 млрд лет, когда Солнце в ходе эволюции превратится в красного гиганта. Увеличиваясь в размерах, наше светило дойдет до орбиты Меркурия и Венеры и последовательно их поглотит. При этом на Земле экосистемы будут исчезать в порядке, обратном их возникновению. Далее звезда остановит свой рост, но Земля будет полностью выжжена.

Атмосфера Земли

Масса земной атмосферы равна примерно т. плотность воздуха на уровне моря .

Азотно-кислородный состав земной атмосферы уникален для планет Солнечной системы. Сухой воздух содержит 75,51% азота, 23,15% ( г) - кислорода, 1,28 - аргона. 0,046 - углекислого газа. 0,00125 - неона и около 0,0007% остальных газов. Углерод в атмосфере присутствует также в форме метана - 0,00012%.

Важной компонентой атмосферы является водяной пар. Среднее содержание пара и воды в атмосфере достигает т, что в переводе на слой конденсированной воды составляет 25 мм. Водяной пар в атмосфере обновляется примерно 30 раз в году. В верхних слоях атмосферы под влиянием ультрафиолетового излучения возникает озон ( т). состоящий из трехатомных молекул кислорода. Образование этого газа спасает жизнь на поверхности Земли от пагубного воздействия жесткого солнечного излучения.

Средняя приземная температура на планете примерно равна . В нижнем наиболее плотном слое атмосферы - тропосфере толщиной 12 км перенос тепла происходит, в основном, благодаря конвективным движениям воздушных масс. Конденсация влаги в тропосфере порождает облачность, которая является главным фактором, определяющим отражательную способность Земли. Любое повышение приземной температуры усиливает испарение влаги и увеличивает облачность Земли, а это, в свою очередь, повышает альбедо планеты и отражательную способность земной атмосферы. В результате средняя температура земной поверхности вновь снижается до прежнего уровня.

Гидросфера Земли

Земля - единственная планета Солнечной системы, на поверхности которой вода может находиться в жидком состоянии. Масса воды в современной гидросфере достигает т. Большая часть воды сосредоточена в Мировом океане - т и в материковых льдах - т. На пресные воды суши приходится около т. Помимо свободной воды часть ее в виде грунтовых и поровых вод пропитывает континентальную и океаническую кору. Суммарная масса таких вод достигает т. Средняя соленость океанических вод достигает 35%(промилле или тысячных долей процента).

Кроме жидкой фазы часть воды ( т) связана в гидросиликатах земной коры. Всего же на Земле в ее верхних геосферах сосредоточено примерно т воды. Воды океанов и морей покрывают около 2/3 поверхности Земли, средняя глубина Мирового океана близка к 3,8 км. В океанской воде растворены практически все химические элементы, главными из которых являются катионы натрия, магния, кальция, калия и анионы хлора, , , брома.

В верхних слоях океана в каждом литре воды растворено в среднем 50 мл углекислого газа, 13 - азота, до 8 мл - кислорода. Холодные океанические воды высоких широт насыщены газами в большей степени, чем теплые воды тропических широт. Всего в океане растворено около т, то есть почти в 60 раз больше, чем в атмосфере ( т). Кислорода в океане растворено около т или в 150 раз меньше, чем его содержится в атмосфере.

Ежегодно реки сносят в океаны около т терригенного материала с суши, из них примерно т/год приходится на взвеси, а остальное - на растворенные и органические вещества.

Земная кора - литосфера

Земная кора представляет собой верхний слой жесткой оболочки Земли - ее литосферы. Земная кора состоит из легкого, менее плотного по сравнению с мантией вещества, которое недра "вытолкнули" из себя. Доля коры в общем объеме Земли составляет 1,5%, доля мантии - 82,3%, ядра - 16,2%. Геологические процессы непрерывно изменяют земную кору и ее поверхность, приводя к разрушению одних горных пород и образованию других. Поверхность земной коры формируется за счет разнонаправленных тектонических движений, создающих неровности рельефа путем разрушения, выветривания горных пород и осадконакопления. В обобщенном виде рельеф земной коры описывается гипсометрической кривой ( рис. 1.2). По вертикали на ней отложена высота рельефа твердой поверхности Земли, а по горизонтали суммарная площадь районов, превышающих данный уровень.

Граница между корой и мантией подвижна: повышение температуры мантии приводит к расплавлению нижней части коры и смещает границу вверх, а понижение температуры - вниз. Границей раздела земной коры и верхней мантии принято считать "поверхность М". залегающую на глубинах 30...60 км на континентах и 5...10 км под дном океана. Эта поверхность определяется глубиной, на которой происходит резкое увеличение скорости сейсмических волн - в среднем до 8 км/с. Обычно с этой поверхностью отождествляется нижняя граница гидратации земных недр. Особое значение "поверхности М" заключается в том, что на ее уровне примерно соблюдается архимедово равновесие земной коры, "плавающей" в вязком веществе мантии.

Рис. 1.2. Гипсометрическая кривая поверхности земной коры

Ниже этой поверхности залегает астеносфера - слой с повышенной электропроводностью и пониженной вязкостью. Эти особенности объясняются плавлением вещества астеносферы в пределах 1-2%. которое проявляется в виде тонкой пленки, обволакивающей кристаллы при температуре . Астеносферный слой расположен ближе всего под океанами (от 10 до 200 км) и глубже под континентами.

Нижним ярусом континентальной земной коры является толстый базальтовый слой, на котором покоится гранитный слой, покрытый чехлом осадочных пород. Океанское ложе состоит из базальтовой подстилки и тонкого слоя осадочных пород ( рис. 1.3).

Океаническая кора формируется в рифтовых зонах срединно-океанических хребтов за счет излияния базальтовых расплавов из горячей магмы (из астеносферного слоя) на поверхность океанического дна. Ежегодно из астеносферы изливается и кристаллизуется не менее 6 км базальтовых расплавов. Эти тектономагматические процессы не имеют себе равных на суше и сопровождаются повышенной сейсмичностью.

Рис. 1.3. Схематический разрез земной коры

Магма - это флюидо-силикатный расплав, содержащий в своем составе соединения с кремнеземом и растворенные летучие вещества, а также присутствующие в виде пузырьков газа. Летучие компоненты в магме представлены и др. При затвердевании магматический расплав теряет летучие компоненты. Кристаллизация магмы происходит постепенно по мере падения ее температуры. Вначале выделяются высокотемпературные минералы с образованием таких горных пород, как базальты и габбро, затем - низкотемпературные минералы с образованием диоритов и андезитов, затем - гранитов и риолитов и т.д. Процессы превращения магмы в горные породы достаточно сложны, и на них кроме охлаждения влияют множество разных факторов. Наличие в магме легкоотделяемых компонентов приводит к вулканическим процессам, а наличие трудноотделяемых компонентов - к интрузивным процессам.

Средний химический состав земной коры: . Химический состав земной коры впервые установил американский ученый Ф. Кларк. В его честь среднее содержание химических элементов в земной коре называют кларком. Земная кора почти наполовину состоит из кислорода: кларк кислорода - 47%. Далее по мере убывания идут кларки кремния - 29,5; алюминия - 8,05; железа - 4,65; кальция - 2,96; натрия и калия - по 2,50; магния - 1,87 и титана - 0,45%. В сумме это составляет более 99% массы земной коры. Суммарное содержание в земной коре остальных 80 элементов не превышает 1%.

По происхождению горные породы делятся на три группы: магматические; осадочные и метаморфические.

Магматические породы имеют кристаллическое строение и образуются из расплавленной магмы при застывании ее на некоторой глубине (интрузивные) или при выходе ее на поверхность (эффузивные).

На долю магматических пород приходится примерно 95% объема земной коры. Наиболее важным минералом в составе этих пород является окись кремния (кремнезем) - и окись алюминия . Содержание кремнезема определяет состав горных пород. При содержании кремнезема 45-52% породы входят в группу основных пород, при содержании более 65% - в группу кислых пород.

Осадочные породы залегают слоями и образуются в результате переотложения продуктов разрушения ранее существовавших коренных горных пород, а также из продуктов жизнедеятельности организмов. Так, песчаник образуется из песков, сланец - из ила, известняк - из морских раковин. Осадочные породы подстилаются древними магматическими или метаморфическими породами. Залежи нефти и газа, как правило, приурочены к осадочным породам. Непродуктивные породы, которые подстилают осадочные, называют коренными породами или породами фундамента.

Метаморфические породы образуются из магматических или осадочных пород на больших глубинах в результате действия высоких температур и давлений, а также в результате привноса в исходную породу магматических газов и водных растворов. Например, мрамор () представляет собой метаморфизованный известняк (). Эти породы отличаются от исходных пород текстурно-структурными и прочностными свойствами, минералогическим составом, обладают слоистостью и кристаллическим строением.

По степени связности горные породы подразделяются на скальные, связные, рыхлые и текучие. Они могут находиться в сезонно-мерзлом и многолетнемерзлом состояниях. В районах Крайнего Севера мощность мерзлых пород может достигать сотен метров, температура . Обломочные водонасыщенные рыхлые породы при замерзании цементируются льдом и отличаются высокой прочностью. При оттаивании они переходят в текучее состояние.

Земная кора как бы плавает в подкоровом субстрате горячей магмы, при этом она всегда стремится к достижению состояния гидростатического равновесия. Это явление называется изостазией. Если на поверхности образовались горы, то подошва земной коры должна погрузиться в мантию на какую-то величину, чтобы компенсировать возросшую нагрузку ( рис. 1.4). Чем горы выше, тем прогиб "поверхности М" глубже вдается в верхнюю мантию, средняя плотность которой 3,3 г/см.

Рис. 1.4. Схема изостатического равновесия между земной корой и мантией

После таяния и исчезновения 10 тыс. лет назад ледникового покрова в Карелии, имевшего толщину до 4 км, нагрузка на земную кору уменьшилась и в соответствии с законом изостазии эта территория стала быстро подниматься. Воздымание земной поверхности шло примерно со скоростью 10-13 см/год сразу же после таяния и сейчас составляет около 1 см/год.

Любые достаточно значимые изменения нагрузки на земную кору: заполнение осадочными толщами; мощные лавовые покровы; искусственные водохранилища; глубокие карьеры; откачка подземных вод и нефти - все это приводит к изменению изостатического равновесия в региональном масштабе.