Сферы Земли
n n n Литосфера — внешняя твердая оболочка Земли, которая включает всю земную кору с частью верхней мантии Земли и состоит из осадочных, изверженных и метаморфических пород. Нижняя граница литосферы нечеткая и определяется резким уменьшением вязкости пород, изменением скорости распространение сейсмических волн и увеличением электропроводности пород. Толщина литосферы на континентах и под океанами различается и составляет в среднем соответственно 25— 200 и 5— 100 км. 2
n Рассмотрим в общем виде геологическое строение Земли. Третья за отдаленностью от Солнца планета — Земля имеет радиус 6370 км, среднюю плотность— 5, 5 г/см 3 и состоит из трех оболочек — коры, мантии и ядра. Мантия и ядро делятся на внутренние и внешние части. 3
4
n Земная кора – тонкая верхняя оболочка Земли, которая имеет толщину на континентах 40 -80 км, под океанами — 5 -10 км и составляет всего около 1 % массы Земли. Восемь элементов — кислород, кремний, водород, алюминий, железо, магний, кальций, натрий — образовывают 99, 5 % земной коры. 5
n n n На континентах кора трехслойная: осадочные породы укрывают гранитные, а гранитные залегают на базальтовых. Под океанами кора «океанического» , двухслойного типа; осадочные породы залегают просто на базальтах, гранитного пласта нет. Различают также переходный тип земной коры (островно-дуговые зоны на окраинах океанов и некоторые участки на материках, например Черное море). 6
n Наибольшую толщину земная кора имеет в горных районах (под Гималаями – свыше 75 км), среднюю — в районах платформ (под Западно-Сибирской низиной — 35 -40, в границах Русской платформы — 30 -35), а наименьшую— в центральных районах океанов (5 -7 км). Преобладающая часть земной поверхности — это равнины континентов и океанического дна. n Континенты окружены шельфом- мелководной полосой глубиной до 200 м и средней шириной примерно 80 км, которая после резкого изгиба дна переходит в континентальный склон (уклон изменяется от 15 до 30°). Склоны постепенно выравниваются и переходят в абиссальные равнины (глубины 3, 7 -6, 0 км). Наибольшие глубины (9 -11 км) имеют океанические желоба, подавляющее большинство которых расположенная на северной и западной окраинах Тихого океана. 7
n Основная часть литосферы состоит из изверженных магматических пород (95 %), среди которых на континентах преобладают граниты и гранитоиды, а в океанах-базальты. 8
n n В верхней части континентальной земной коры развиты грунты, значение которых для человека тяжело переоценить. Грунты – органо-минеральный продукт многолетней (сотни и тысячи лет) общей деятельности живых организмов, воды, воздуха, солнечного тепла и света есть одними из важнейших природных ресурсов. В зависимости от климатических и геологогеографических условий грунты имеют толщину от 15 -25 см до 2 -3 м. 9
Грунты возникли вместе с живым веществом и развивались под влиянием деятельности растений, животных и микроорганизмов, пока не стали очень ценным для человека плодородным субстратом. n Основная масса организмов и микроорганизмов литосферы сосредоточенная в грунтах, па глубине не большее нескольких метров. n 10
n n Современные грунты являются трехфазной системой (разнозернистые твердые частицы, вода и газы, растворенные в воде, и порах), которая состоит из смеси минеральных частиц (продукты разрушения горных пород), органических веществ (продукты жизнедеятельности биоты ее микроорганизмов и грибов). Грунты играют огромную роль в кругообороте воды, веществ и углекислого газа. С разными породами земной коры, как и с ее тектоническими структурами, связанные разные полезные ископаемые: горючие, металлические, строительные, а также такие, что есть сырьем для химической и пищевой промышленности. 11
n В границах литосферы периодически происходили и происходят грозные экологические процессы (сдвиги, сели, обвалы, эрозия), которые имеют огромное значение для формирования экологических ситуаций в определенном регионе планеты, а иногда приводят к глобальным экологическим катастрофам. 12
n n n Глубинные толщи литосферы, которые исследуют геофизическими методами, имеют довольно сложное и еще недостаточно изученное строение, так же, как мантия и ядро Земли. Но уже известно, что с глубиной плотность пород возрастает, и если на поверхности она составляет в среднему 2, 3 -2, 7 г/см 3, то на глубине близко 400 км – 3, 5 г/см 3, а на глубине 2900 км (граница мантии и внешнего ядра) – 5, 6 г/см 3. В центре ядра, где давление достигает 3, 5 тыс. т/см 2, она увеличивается до 13 -17 г/см 2. Установлен также и характер возрастания глубинной температуры Земли. На глубине 100 км она составляет приблизительно 1300 °К, на глубине близко 3000 км — 4800° К, а в центре земного ядра — 6900 °К. 13
n Преобладающая часть вещества Земли находится в твердом состоянии, но на границе земной коры и верхней мантии (глубины 100— 150 км) залегает толща смягченных, тестообразных горных пород. Эта толща (100— 150 км) называется астеносферой. Геофизики считают, что в разреженном состоянии могут находиться и другие участки Земли (за счет разуплотнения, активного радиораспада пород и т. п. ), в частности – зона внешнего ядра. Внутреннее ядро находится в металлической фазе, но относительно его вещественного состава единого мнения на сегодня нет. 14
Гидросфера 15
n n n n Гидросфера (в перев. с греч. hydro — вода и sphaira — шар) — водная оболочка Земли. Свыше 96% гидросферы составляют моря и океаны; около 2% — подземные воды, около 2% — ледники, 0, 02% — воды суши (реки, озера, болота). Общий объем гидросферы Земли — свыше 1 миллиарда 500 миллионов км 3. Из них в океанах и морях — 1370 миллионов км 3, в подземных водах — около 60 миллионов км 3 в виде льда и снега — около 30 миллионов км 3, во внутренних водах — 0, 75 миллиона км 3, а в атмосфере — 0, 015 миллиона км 3. 16
n Объем гидросферы постоянно меняется. По расчетам ученых, 4 миллиарда лет назад ее объем составлял всего 20 миллионов км 3, то есть был почти в 7 тысяч раз меньше современного. В будущем количество воды на Земле, по-видимому, также будет возрастать, если учесть, что объем воды в мантии Земли оценивается в 20 миллиардов км 3 — это в 15 раз больше современного объема гидросферы. Полагают, что поступление воды в гидросферу будет осуществляться из глубинных слоев Земли и при вулканических извержениях. 17
n n n По данным, учитывающим только разведанные запасы подземной воды, на пресную воду на всей планете приходится только 2, 8%; из них 2, 15% находится в ледниках и только 0, 65% в реках, озерах, подземных водах. Главная масса воды (97, 2%) — соленая. Гидросфера — единая оболочка, так как все воды взаимосвязаны и находятся в постоянных больших или малых круговоротах. Полное обновление вод происходит по-разному. Воды в полярных ледниках возобновляются за 8 тысяч лет, подземные воды — за 5 тысяч лет, озера — за 300 дней, реки — за 12 дней, водяной пар в атмосфере — за 9 дней, а воды Мирового океана — за 3 тысячи лет. 18
n Гидросфера играет очень большую роль в жизни планеты: она накапливает солнечное тепло и перераспределяет его на Земле; с Мирового океана на сушу поступают атмосферные осадки. 19
n n За геологическую историю в гидросфере происходили значительные изменения, однако известно о них мало. Подсчитано, что в ледниковые периоды резко возрастало количество льда, и за счет этого происходило уменьшение объема и понижение уровня Мирового океана на десятки метров. В настоящее время гидросфера охвачена невиданными по скорости и размерам преобразованиями, связанными с технической деятельностью человека. Ежегодно используется около 5 тысяч км 3 воды, а загрязняется в 10 раз больше. Некоторые страны начали испытывать нехватку пресной воды. Это не означает, что ее на Земле мало: просто человек еще не научился ее рационально использовать. 20
n Гидросфера взаимодействует с литосферой. Об этом свидетельствуют эрозионные и аккумулятивн ые процессы, связанные с работой воды. Взаимодействует гидросфера и с атмосферой: облака состоят из паров воды, испарившихся с поверхности морей и океанов. Гидросфера также взаимодействует и с биосферой, так как живые существа, населяющие биосферу, не могут жить без воды. Взаимодействуя с различными оболочками планеты, гидросфера выступает, в свою очередь, как часть целостной природы земной поверхности. 21
22
Атмосфера 23
Атмосфера n n Атмосфера (греч. atmos — пар и sphaira — шар) — воздушная оболочка Земли. Атмосфера не имеет резкой верхней границы. Около 99, 5 % всей ее массы сосредоточено в нижних 80 км. Атмосфера возникла в результате выделения газов при вулканических извержениях. На ее формирование впоследствии оказало влияние появление океанов и биосферы. 24
n Строение атмосферы. Выделяют несколько основных ее слоев, отличающихся характеристикам и температуры, плотности и т. д. 25
n n Нижний слой — тропосфера. Он нагревается от Земли, которая в свою очередь нагревается от Солнца. Наиболее прогретые слои тропосферы прилегают к Земле. С высотой нагрев уменьшается, и это понижает температуру воздуха от +14°С на уровне моря до — 55°С на верхней границе тропосферы. Ученые подсчитали, что температура здесь понижается в среднем на 0, 6° на каждые 100 м. Эту величину называют вертикальным градиентом температуры. 26
n Толщина тропосферы различна: над экватором она равна 17 км, а над полярными широтами — 8 -9 км. Только в тропосфере происходят такие явления, как образование облаков, выпадение осадков, грозы и другие погодные явления. 27
n n Выше тропосферы располагается стратосфера (до 50 -55 км), которая отделена от нижнего слоя атмосферы переходным слоем — тропопаузой. В стратосфере воздух находится в разреженном состоянии, здесь не образуются облака, так как практически отсутствует водяной экран. Снижение температуры с высотой продолжается, но выше 25 км она начинает возрастать на 1 -2°С на каждый километр. Это вызвано, по-видимому, тем, что слой озона поглощает и рассеивает солнечное излучение, мешая ему пройти к поверхности Земли. 28
29
n Над стратосферой тоже есть переходная зона — стратопауза, после которой идет следующий слой атмосферы — мезосфера (до 80 -85 км). Воздух здесь еще более разрежен, а температура продолжает расти. Еще выше располагается слой, называемый термосферой. Сложные химические реакции в этих слоях атмосферы (выше 50 км) делают ее электропроводной. Поскольку при реакциях выделяются ионы, верхнюю часть атмосферы, куда входят мезосфера и термосфера, называют ионосферой. Именно в этих слоях и происходит полярное сияние. 30
n Выше 800 км располагается экзосфера ( «экзо» — внешний), здесь частицы газов очень редки, а температура достигает +2000°С. 31
Газовый состав атмосферы был изучен уже давно. В 1774 году французский ученый Антуан Лавуазье изучил основные части воздуха и установил присутствие там кислорода и азота. Впоследствии обнаружилось, что кроме этих газов в воздухе находятся еще и другие газы. 32
n n n Таким образом, воздух — это смесь газов, состоящая у земной поверхности из следующих компонентов: Азот – 78% Кислород — 21% Инертные газы — 0, 94% Углекислый газ — 0, 03% Пары воды и примеси —- 0, 03%. 33
Биосфера – это глобальная Биосфера экосистема, области обитания живых организмов, состав, структура и энергетика которой определяются и контролируются планетарной совокупностью живых организмов ( «живым веществом» по терминологии В. И. Вернадского) 34
n Биосфера (в современном понимании) – Биосфера своеобразная оболочка Земли, содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть вещества планеты, которая находится в непрерывном обмене с этими организмами. Биосфера охватывает нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы. 35
Характеристика и состав биосферы. n n n В буквальном переводе термин “биосфера” обозначает сферу жизни и в таком смысле, он впервые был введен в науку в 1875 г. австрийским геологом и палеонтологом Эдуардом Зюссом (1831 – 1914). Однако задолго до этого под другими названиями, в частности "пространство жизни", "картина природы", "живая оболочка Земли" и т. п. , его содержание рассматривалось многими другими естествоиспытателями. 36
n Первоначально под всеми этими терминами подразумевалась только совокупность живых организмов, обитающих на нашей планете, хотя иногда и указывалась их связь с географическими, геологическими и космическими процессами, но при этом скорее обращалось внимание на зависимость живой природы от сил и веществ неорганической природы. 37
n Первым из биологов, который ясно указал на огромную роль живых организмов в образовании земной коры, был Ж. Б. Ламарк (1744 – 1829). Он подчеркивал, что все вещества, находящиеся на поверхности земного шара и образующие его кору, сформировались благодаря деятельности живых организмов. 38
n Учение о биосфере созданное В. И. Вернадским в 1926 году, рассматривает «живые организмы» как нечто целое и единое» , «как живое вещество, то есть совокупность всех живых организмов в данный момент существующих, численно выраженное в элементарном химическом составе, в весе, энергии» . 39
n В. И. Вернадский определяет биосферу как одну из геосфер, которая коренным и необратимым образом изменена под влиянием живых существ их современной и ранее протекавшей жизнедеятельности 40
Пределы биосферы n Биосфера – это организованная, определенная оболочка земной коры, сопряженная жизнью. Пределы биосферы обусловлены прежде всего полем существования жизни. Из этих определений вытекают несколько совершенно конкретных понятий, раскрывающих сущность биосферы. 41
n Биосфера – не просто одна из существующих оболочек Земли, подобно литосфере, гидросфере, атмосфере. В. И. Вернадский предельно лаконично указывает ее основное отличие – это организованная оболочка 42
n Биосфера имеет определенные пределы; то есть некоторые конечные размеры, в рамках которых она может быть выделена и научно изучена. Следовательно, выявив главную движущую силу развития биосферы – живое вещество, - необходимо установить те пространственные и временные ограничения (пределы), которые накладываются на деятельность живого вещества. 43
n n Поскольку биосфера - часть геологической оболочки Земли, заселенная живыми организмами, ее границы определяются условиями существования жизни, такими, как достаточное количество воды, минеральных веществ, кислорода, углекислого газа, благоприятный температурный режим, степень солености воды в водоемах, уровень радиации и др. Верхняя граница биосферы очерчивается озоновым слоем, который своеобразным экраном защищает все живое от губительного воздействия ультрафиолетовой радиации. Нижняя граница очень изрезана: биосфера включает гидросферу суши и Мировой океан, на материках проникает в земную кору в среднем на 3 -4 км. Поэтому можно сказать, что биосфера - это часть литосферы, атмосферы и гидросферы, заселенная живым веществом. 44
n Биосфера существовала на протяжении практически всей геологической истории, поэтому нижняя граница биосферы сопрягается с областью "былых биосфер" - так В. И. Вернадский назвал сохранившиеся остатки биосфер прошлых геологических периодов (накопления известняков, углей, горючих сланцев, осадочных пород). 45
n n n Былые биосферы - документальное доказательство геологически длительного развития биосферы. По последним данным, в горных породах возрастом около 3, 5 -3, 8 млрд лет уже встречаются остатки организмов разных видов и форм, т. е. возраст биосферы сравним с геологическим возрастом планеты. Живое вещество распределено в биосфере неравномерно: на суше пространства, густо заселенные живыми организмами (тропики и субтропики), чередуются с менее заселенными территориями (холодные области, пустыни, высокогорья и т. п. ). В океане наибольшей концентрацией живого вещества характеризуются шельфовые и прибрежные районы. При этом продуктивность приполярных водоемов (Баренцево, Беренгово, Охотское моря) может быть выше чем в экваториальных областях океана. 46
n n В. И. Вернадский выделял две формы концентрации живого вещества: жизненные пленки, занимающие огромные пространства (планктонная и донная пленки морей и океанов), и сгущения жизни, характерные для небольших территорий (небольшие водоемы, прибрежные отмели, рифы). Для остальной территории биосферы характерно "разрежение живого вещества". Однако это не означает, что в пределах биосферы есть совсем безжизненные пространства. В. И. Вернадский подчеркивал, что способность живого вещества к размножению приводит к распространению, "растеканию" живого вещества по поверхности планеты, обусловливает "всюдность жизни" и постоянное "давление жизни" на косную природу. Живое вещество с мгновенной скоростью захватывает все "незанятые", "оголенные" или временно вышедшие из-под "давления жизни" участки биосферы. 47
48