Строение Земли и концепции развития ее геосферных оболочек
Благодаря зондированию недр Земли сейсмическими волнами удалось установить, что она имеет оболочечное строение и дифференцированный химический состав. Различают три главные концентрически расположенные оболочки (геосферы): кора, мантия, ядро. Ядро и мантия, в свою очередь, подразделяются на слои, различающиеся физико-химическими свойствами. Каждая из оболочек земли представляет собой открытую систему, обладающую определенной автономией и своими внутренними законами развития, но при этом они тесно взаимодействуют друг с другом.
Ядро занимает центральную область земного геоида и разделяется на две части. Внутреннее ядро находится в твердом состоянии и окружено внешним жидким ядром. Между ними нет четкой границы, их разделяет переходная зона. Предполагают, что внутренне ядро состоит из железа (80%) и никеля (20%) и находится при температуре около 4500 ºС. Внешнее ядро содержит железо (52%) и жидкую смесь веществ, образованных железом и серой (48%). Его предполагаемая температура примерно 3200ºС.
С жидким состоянием внешнего ядра, перемещающегося при вращении Земли, связывают представления о природе земного магнетизма. Полагают, что магнитное поле Земли зарождается в глубинах планеты. На протяжении последних 80 млн лет магнитное поле менялось. Имело место не только изменение напряженности поля, но и многократное перемагничивание, в результате которого северный и южный магнитные полюса Земли менялись местами.
Плотность и химический состав мантии по данным сейсмических волн резко отличаются от соответствующих характеристик ядра. Мантия состоит из различных силикатов (соединений кремния). Она является наиболее мощной оболочкой Земли, занимающей 2/3 ее массы и большую часть объема, и имеет сложное строение. В ней выделяют нижнюю и верхнюю части, толщиной 2000 и 900 км соответственно. В верхнем слое мантии (астеносфере) формируются очаги землетрясений.
Земная кора – это верхний слой твердой оболочки Земли (литосферы). Ее средняя толщина 35 км: под океанами – около 6 км, под материками – до 60 км. Она слагается гранитными, базальтовыми и осадочными породами и состоит в основном из восьми химических элементов: кислорода, кремния, алюминия, железа, кальция, магния, натрия, калия. Планетарный рельеф делится на две части – океаническую и континентальную, различающиеся строением, химическим составом и историей геологического развития. Геологические особенности коры определяются совместными действиями на нее трех внешних геосфер планеты – атмосферы, гидросферы и биосферы.Литосфера является абиотической основой жизни на нашей планете и выполняет важные экологические функции: ресурсную (является основным источником природных ресурсов); геодинамическую (в ней формируются геодинамические изменения, связанные с природными процессами и антропогенной деятельностью) и др.
На Земле активно протекают тектонические процессы, благодаря которым происходит активный обмен веществом и энергией между недрами и поверхностью планеты, в ходе которого формируются и поддерживаются атмосфера, гидросфера и господствующие типы рельефа поверхности. Огромную роль в формировании рельефа земной поверхности играют не только эндогенные процессы (т.е. тектонические: землетрясения, вулканическая деятельность и др.), но и экзогенные – гидросферные, атмосферные и биосферные (выветривание, лавины, обвалы, деятельность живых организмов и др.). Знакомый нам сложившийся рельеф не всегда был таким. Палеомагнитные исследования (данные об остаточной намагниченности пород различного возраста с разных континентов) свидетельствуют о том, что в ходе геологической истории Земли континенты испытывали значительные смещения относительно магнитных полюсов, и расположение их менялось. Согласно теории континентального дрейфа, предложенной немецким ученымА. Вегенером в 1915 г., 600 млн лет назад на Земле было несколько подвижных континентальных плит, весьма похожих на современные. В результате их объединения образовался единый суперконтинент Пангея. Спустя 300-200 млн лет Пангея распалась на две части – Гондвану и Лавразию, а затем из них сформировались современные материки.
Современные представления о динамике процессов в земной коре опираются на теорию неомобилизма (теорию тектоники литосферных плит). Согласно ей, верхний слой земной коры (литосфера) состоит примерно из 15 жестких плит (6-7 из них крупные), которые могут сталкиваться и надвигаться одна на другую. Эти плиты плавают, медленно скользя и перемещаясь, на горячем, пластичном слое мантии – астеносфере. Вместе с плитами перемещаются и континенты. Возникновение теории неомобилизма связано с открытием в 60-х гг. нашего столетия на дне Мирового океана цепи срединных горных хребтов, тянущихся на десятки тысяч километров. Вдоль центральной части хребтов протянулись разломы, рифтовые зоны, через которые из мантии на поверхность выходят потоки вещества. Они раздвигают кору, обновляя ее. Существуют и зоны уничтожения поверхности – зоны субдукции. Это глубоководные желоба, где океаническая кора погружается под островные дуги или под края континентов. Эти зоны характеризуются повышенной сейсмической активностью. Расслоение недр Земли по плотности рождает течения в мантии, которые заставляют дрейфовать большие плиты с континентами. В соответствии с этой теорией предполагается, что через несколько сотен миллионов лет может возникнуть новый континент из Азии и Северной и Южной Америки. Атлантический океан будет расширяться, а Тихий океан закроется из-за субдукции Восточно-Тихоокеанского спредингового центра.
Самые верхние оболочки – гидросфера и атмосфера – возникли на ранней стадии формирования планеты и сыграли огромную роль в развитии жизни на Земле. Они отличаются по массе и химическому составу от других оболочек планеты. Первичная атмосфера Земли сильно отличалась от современной: она была значительно более плотной и состояла в основном из углекислого газа. Резкое изменение ее состава произошло примерно 2 млрд лет назад и связано с зарождением жизни. Растения каменноугольного периода поглотили большую часть углекислого газа и насытили атмосферу кислородом. Последние 200 млн лет ее состав практически не изменялся. Атмосфера имеет слоистое строение. Слои отличаются физическими и химическими свойствами. Выделяют тропосферу, стратосферу, мезосферу, ионосферу, термосферу и экзосферу. Давление и плотность атмосферы убывают с высотой. На высоте 95 км плотность воздуха в миллион раз меньше, чем у поверхности, и преобладающими в составе становятся водород и гелий. Часть молекул разлагается на ионы, образуя ионосферу. Выше 1000 км находятся радиационные пояса. Озоновый слой, поглощающий опасное для всего живого жесткое ультрафиолетовое излучение, сосредоточен на высоте 20-25 км.
Результатом саморегулирующихся процессов в атмосфере является климат нашей планеты. Он имеет ярко выраженную цикличность. В нем можно выделить периоды «космических зим», возникающих в связи с обращением Солнца вокруг центра галактики в течение 180-200 млн лет. Также выделяют макроритмы с периодичностью около 40 тыс лет, мезоритмы с периодом 2 тысячи лет, микроритмы – через 11 лет. Все они связаны с изменением амплитуды температур. Самым известным примером цикличности климата являются периодически случавшиеся на земле оледенения. За два последних миллиона лет наша планета пережила около 20 ледниковых периодов. Сейчас мы живем в эпоху глобального потепления. С 1860 г. средняя температура повысилась на 0,5 ºС. В наши дни потепление идет еще более быстрыми темпами. Это грозит серьезным изменением климата, поднятием уровня Мирового океана, затоплением части континентальной поверхности Земли и другими непредсказуемыми последствиями.
Водная оболочка Земли (гидросфера) покрывает более 70 % поверхности земного шара. Она представлена Мировым океаном, пресными водами рек и озер, ледниковыми и подземными водами. Общие запасы воды 1,46·1021 кг: 97 % – соленая морская вода, 2% – ледниковая, 1% – пресная. Ледники занимают 1/10 часть поверхности планеты. Именно в них сосредоточены основные запасы пресной воды. Если бы ледники вдруг растаяли, уровень Мирового океана повысился бы на 50 м.
Предполагают, что вода в виде паров возникла в недрах Земли и поступила на ее поверхность в результате внутреннего разогрева планеты в процессе вулканической деятельности и бомбардировки поверхности Земли метеоритами 4,5-4,3 млрд лет назад. Вода обладает многими уникальными свойствами (высокой теплоемкостью и теплотой испарения, электропроводностью), является хорошим растворителем. Не случайно считается, что жизнь зародилась именно в Мировом океане. Круговорот воды в природе не является совершенно замкнутым циклом, часть воды и воздуха постоянно теряется в мировом пространстве. Поэтому с течением времени встанет проблема сохранения воды на нашей планете.
Все геосферы Земли тесно взаимосвязаны друг с другом путем непрерывного обмена веществом и энергией. Их состав непрерывно обновляется. Благодаря выветриванию и сносу вещество континентальной коры полностью обновляется за 80-100 млн лет. Жизнедеятельность биосферы сопровождается полной сменой содержащегося в атмосфере углекислого газа за 6-7 лет, а кислорода – за 4 000 лет. Гидросфера целиком обновляется за 10 млн лет. Вместе геосферы образуют географическую оболочку планеты. Это понятие было введено в научный обиход русским метеорологом П.И. Бруновым в 1910 г. для обозначения земной поверхности, на которой происходит активное взаимодействие литосферы, атмосферы, гидросферы и биосферы. Географическую оболочку условно делят на зоны и географические пояса, отличающиеся климатом, особенностями циркуляции воздушных масс и морских течений, составом флоры и фауны. Выделяют следующие физико-географические пояса: экваториальный, субэкваториальный, тропический, субтропический, умеренный, субарктический и арктический. Важнейшим свойством географической оболочки является ее целостность, обусловленная круговоротом вещества и энергии.
Вопросы для самоконтроля
1. Какие гипотезы образования Земли вы знаете?
2. Каковы особенности Земли по сравнению с другими планетами?
3. Какое она имеет внутреннее строение?
4. Какие современные концепции развития геосферных оболочек вам известны?
5. В чем суть теории континентального дрейфа?
6. В чем суть теории тектоники литосферных плит?
7. Охарактеризуйте основные геосферные оболочки Земли.
8. Какие экологические функции выполняет литосфера?
9. Что такое географическая оболочка Земли?