Оболочки Земли
Современная Земля состоит из нескольких неоднородных оболочек — атмосферы, гидросферы, биосферы, литосферы, под литосферой в глубоких недрах находятся мантия и ядро.
Атмосфера — внешняя газовая оболочка, ограниченная снизу твердой и жидкой поверхностью Земли. В настоящее время земная атмосфера содержит 5,3*103 трлн. т воздуха, что составляет одну миллионную часть массы всей Земли. Давление воздуха на уровне моря в среднем равно 1,013*105 Па, а плотность— 1,3* 10-3 г/см3.
Атмосфера Земли состоит из азота (78,09%), кислорода (20,94%), аргона (0,93%), углекислого газа (0,033%), а также неона, гелия, метана, ксенона, криптона, водорода и Других газов, содержание которых незначительно. Кроме того, в воздухе имеются термодинамически активные примеси. Важнейшей такой примесью в атмосфере является водяной пар - около 12,4 трл. т. Он способен конденсироваться с образованием облаков и тумана.
Частицы водяного пара, и особенно облачность, перераспределяют потоки коротко и длинноволнового изучения в атмосфере. При этом они вносят большой вклад в развитие парникового эффекта. Атмосфера свободно пропускает солнечную радиацию до земной поверхности, но поглощает собственное излучение Земли и задерживает поток тепла, идущий в космос от нагретой земной поверхности.
Другими термодинамическими активными примесями в атмосфере являются углекислый газ, озон и различные мельчайшие взвешенные частицы, или аэрозоль. Углекислый газ играет огромную роль в развитии парникового эффекта.
Озона в атмосфере очень мало, всего одна миллионная доля, но его роль в развитии жизни на Земле весьма велика. Озон в основном сконцентрирован на высоте 17—25 км, здесь он образуется из молекулярного кислорода под действием ультрафиолетовых лучей в результате фотохимических реакций. Вся ультрафиолетовая радиация Солнца, губительная для живых организмов, поглощается озоновым экраном, и тем самым обеспечивается безопасность жизни на суше и на поверхности океана. Водная поверхность также поглощает ультрафиолетовую радиацию, и поэтому сотни миллионов лет назад, когда еще не существовало озонового экрана, жизнь зародилась и развивалась в глубинах океанов и морей. Аэрозоль рассеивает солнечную радиацию, частично отражает ее, а частично поглощает. Поэтому его роль для Земли двояка. С одной стороны, он препятствует прохождению солнечного тепла к земной поверхности, а с другой — поглощая солнечную радиацию, затем излучает инфракрасный спектр и тем самым увеличивает действие парникового эффекта.
По характеру распределения температуры в атмосфере различают несколько слоев. Средняя температура воздуха у земной поверхности +14,3°C. В тропосфере (нижнем слое атмосферы) протекают погодообразующие процессы. Она ограничена во внетропических широтах высотой 8—12 км, а в экваториальной зоне и тропиках до высоты 16—17 км. Воздух в тропосфере нагревается от поверхности Земли, и поэтому с высотой он становится все холоднее — на каждый 1 км высоты температура в среднем понижается на 6—6,5°С. Здесь формируются и развиваются атмосферные вихри, в том числе циклоны и антициклоны. В ней сосредоточен почти весь водяной пар и образуются облака.
Стратосфера располагается выше и занимает слой от 8—17 до 50—55 км. Здесь также образуются крупные атмосферные вихри, а горизонтальный перенос воздуха сопровождается восходящими и нисходящими движениями.
Характерной особенностью стратосферы является повышение температуры с высотой на 1—2° на каждый километр. На верхней границе стратосферы температура не только оказывается равной 0°С, но и нередко даже выше этой точки. В стратосфере находится озоновый экран. Наибольшая его концентрация приходится на высоту от 18 до 24 км.
Мезосфера расположена на высоте от 50—55 до 80 км. Здесь температуры вновь понижаются и на ее верхней границе достигают —60/-100°С. На каждый километр высоты в мезосфере температура снижается на 2-3°.
В следующем слое — термосфере температура вновь увеличивается. На высоте 100 км она переходит нулевую отметку, а в слое 150—200 км достигает +500°С. На ее верхней границе, на высоте около 800 км, температура определяется в +2000°C. Здесь происходит интенсивное поглощение ультрафиолетовой радиации Солнца, нагрев и ионизация атмосферы. В мезосфере и нижней части термосферы образуются электрически заряженные ионы. Поэтому слой, расположенный на высоте от 60 до 400 км, обычно называют ионосферой.
Масса гидросферы составляет 1,46*106 трлн. т. Она в 275 раз больше массы атмосферы, но всего лишь равна 1/4000 массы всей Земли. Около 94% массы гидросферы представлено водами Мирового океана, 4% приходится на подземные воды, почти 1,8%—на ледники Антарктиды и Гренландии, менее 0,2% — на горные ледники, реки и озера.
Площадь Мирового океана составляет 70,8% площади земного шара, а его средняя глубина 3880 м. Континенты окаймляются мелководной зоной с глубинами до 200 м — это материковая отмель (или шельф), занимающая около 8% площади Мирового океана. Ложе Мирового океана с глубинами более 3 км охватывает более 77% всей его площади. Наибольшая глубина зафиксирована в тихоокеанском Марианском глубоководном желобе - 11023 м.
В пределах океанов выделяются отдельные крупные поднятия, подводные горы и протяженные хребты. Последние, так называемые срединно-океанические хребты образуют непрерывную глобальную цепь длиной свыше 60 тыс. км. Они возвышаются над дном котловин на 3—4 км и нарушают глубинную циркуляцию океанических вод.
В океанических водах растворено огромное количество химических элементов и соединений, которые, как известно, в растворе распадаются на положительные и отрицательные ионы, называемые соответственно катионами и анионами. Главными катионами являются натрий, магний, кальций, калий и стронций, а главными анионами — Cl, S04, НС03, Вг, С02.
В морской воде находится и некоторое количество газов. Всего в океане присутствует 140 трлн. т углекислого газа (это почти в 60 раз больше, чем в атмосфере) и 8 трлн. т кислорода.
Верхний слой каменной оболочки Земли, или литосферы, отделенный от нижележащих слоев так называемой поверхностью Мохоровичича, именуется земной корой. Поверхность Мохоровичича является границей раздела между земной корой и мантией, здесь происходит скачкообразное увеличение скорости распространения сейсмических волн. Различают два основных типа земной коры: континентальную, из которой состоят материки, и океаническую, образующую дно океанов. Первая гораздо старше: некоторые ее участки датируются в 3,8 млрд. лет, тогда как у океанической коры возраст немногим более 150 млн. лет. Средняя мощность континентальной коры равна 25—75 км, а океанической — намного меньше.
Верхнюю часть континентальной коры слагают осадочные породы мощностью около 3 км, средней плотностью 2,5 г/см3. Скорость распространения сейсмических волн изменяется от 2 до 5 км/с. Ниже залегает гранитно-метаморфический слой средней мощностью около 17 км. Плотность его составляет 2,6—2,8 г/см3, а скорость прохождения волн равна 5,5—6,5 км/с. В этом слое сосредоточена основная масса радиоактивных элементов и соединений. Ниже находится базальтовый слой. Средняя его мощность равна 15 км, плотность 2,9— 3,3 г/см3, а скорость прохождения в нем волн 6,4 — 7,3 км/с.
Совсем по-иному выглядит разрез океанической коры. Под слоем рыхлых осадков средней мощностью всего 0,7 км и со скоростями прохождения сейсмических волн 1,5—1,8 км/с находятся два слоя. Первый, мощностью около 1,7 км, слагается преимущественно базальтами, а нижний, мощностью около 5 км, со скоростью прохождения волн примерно 6,7 км/с состоит из преобразованных путем гидратации (реакции с водой) горячих глубокозалегающих ультраосновных пород — серпентинитов.
Для поверхности океанической коры характерны специфические формы рельефа. Это срединно-океанические хребты, в осевой части которых располагаются рифтовые долины, представляющие собой протяженные провалы с крутыми боковыми стенками. Другими интересными формами являются глубоководные желоба. Их ширина не превышает нескольких десятков километров, а длина составляет сотни километров. Глубоководные желоба располагаются на периферии океанов и как бы отделяют от океана островные дуги. Примерами служат Курило-Камчатский и Алеутский желоба.
На Земле выделяется еще одна оболочка, называемая биосферой. Это глобальная система, обладающая свойствами саморегуляции. Она имеет свой «вход» и «выход». «Вход» — это поток солнечной энергии, поступающей из космоса, а «выход» — образования, возникающие в результате жизнедеятельности организмов. Верхней границей биосферы служит озоновый экран, поглощающий губительные для жизни ультрафиолетовые лучи. Примером саморегуляции является Мировой океан. Реки ежегодно выносят в океан около 1,5 млн.т растворенного карбоната кальция, а также большое количество других элементов и соединений. Однако при этом солевой состав океанической воды не меняется. В чем же дело? Оказывается, организмы в процессе своей жизнедеятельности используют для построения скелета карбонат кальция. Весь его избыток расходуется организмами. Но после гибели организмов раковины выпадают в осадок.
Нижняя граница биосферы довольно расплывчата. Организмы существуют в глубоких зонах океана. Даже в глубоководной Марианской впадине были обнаружены живые организмы. Не только бактерии, но и различные микроорганизмы по трещинам и порам проникают в осадочный слой и толщу рыхлых пород дна океана вплоть до базальтового слоя океана и гранитно-метаморфического слоя на континентах. По-видимому, этими слоями надо ограничивать биосферу.
В современной биосфере существует около 2 млн., видов живых организмов, каждый из которых, в свою очередь, миллионы и миллионы особей.
Академик Владимир Иванович Вернадский, разрабатывая проблему роли органического мира в жизни нашей планеты, пришел к выводу, что живое вещество принимает активное участие во всех геологических процессах на поверхности Земли и в образовании атмосферы.
Литература
1. Аллисон А., Палмер Д. Геология. – М., 1984
2. Вуд Дж. Метеориты и происхождение Солнечной Системы. – М., 1999
3. Гаврилов В.П. Путешествие и прошлое Земли. – М., 1976
4. Друянов В.А. Загадочная биография Земли. – М., 1991