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.

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 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.

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.