Атмо- и гидро- сфера Земли

1. Гидросфера

Гидросфера (от гидро… и сфера) - прерывистая водная оболочка Земли, располагающаяся между атмосферой и твердой земной корой (литосферой) и представляющая собой совокупность океанов, морей и поверхностных вод суши. В более широком смысле в состав гидросферы включают также подземные воды, лед и снег Арктики и Антарктики, а также атмосферную воду и воду, содержащуюся в живых организмах. Основная масса воды гидросферы сосредоточена в морях и океанах, второе место по объему водных масс занимают подземные воды, третье - лед и снег арктических и антарктических областей. Поверхностные воды суши, атмосферные и биологически связанные воды составляют доли процента от общего объема воды гидросферы (рис. 1). Химический состав гидросферы приближается к среднему составу морской воды.

Поверхностные воды, занимая сравнительно малую долю в общей массе гидросферы, тем не менее играют важнейшую роль в жизни нашей планеты, являясь основным источником водоснабжения, орошения и обводнения. Воды гидросферы находятся в постоянном взаимодействии с атмосферой, земной корой и биосферой. Взаимодействие этих вод и взаимные переходы из одних видов вод в другие составляют сложный круговорот воды на земном шаре. В гидросфере впервые зародилась жизнь на Земле. Лишь в начале палеозойской эры началось постепенное переселение животных и растительных организмов на сушу.

Виды водНазваниеОбъем, млн. км3Количество по отношению к общему объему гидросферы, %Морские водыМорская137094Подземные (за исключением почвенной) водыГрунтовая61,44Лед и снег (Арктика, Антарктика, Гренландия, горные ледниковые области)Лед24,02Поверхностные воды суши: озера, водохранилища, реки, болота, почвенные водыПресная0,50,4Атмосферные водыАтмосферная0,0150,01Воды, содержащиеся в живых организмахБиологическая0,000050,0003Рис. 1. Виды вод гидросферы

2. Атмосфера

Атмосфера Земли (от греч. atmos - пар и sphaira - шар) - газовая оболочка, окружающая Землю. Атмосферой принято считать ту область вокруг Земли, в которой газовая среда вращается вместе с Землей как единое целое. Масса атмосферы составляет около 5,15-1015 т. Атмосфера обеспечивает возможность жизни на Земле и оказывает большое влияние на разные стороны жизни человечества.

Происхождение и роль атмосферы

Современная земная атмосфера имеет, по-видимому, вторичное происхождение и образовалась из газов, выделенных твердой оболочкой Земли (литосферой) после сформирования планеты. В течение геологической истории Земли атмосфера претерпела значительную эволюцию под влиянием ряда факторов: диссипации (улетучивания) атмосферных газов в космическое пространство; выделения газов из литосферы в результате вулканической деятельности; диссоциации (расщепления) молекул под влиянием солнечного ультрафиолетового излучения; химических реакций между компонентами атмосферы и породами, слагающими земную кору; аккреции (захвата) межпланетной среды (например, метеорного вещества). Развитие атмосферы было тесно связано с геологическими и геохимическими процессами, а также с деятельностью живых организмов. Атмосферные газы, в свою очередь, оказывали большое влияние на эволюцию литосферы. Например, громадное количество углекислоты, поступившей в атмосферу из литосферы, было затем аккумулировано в карбонатных породах. Атмосферный кислород и поступающая из атмосферы вода явились важнейшими факторами, которые воздействовали на горные породы. На протяжении всей истории Земли атмосфера играла большую роль в процессе выветривания. В этом процессе участвовали атмосферные осадки, которые образовывали реки, изменявшие земную поверхность. Не меньшее значение имела деятельность ветра, переносившего мелкие фракции горных пород на большие расстояния. Существенно влияли на разрушение горных пород колебания температуры и другие атмосферные факторы. Наряду с этим атмосфера защищает поверхность Земли от разрушительного действия падающих метеоритов, большая часть которых сгорает при вхождении в плотные слои атмосферы.

Деятельность живых организмов, оказавшая сильное влияние на развитие атмосферы сама в очень большой степени зависит от атмосферных условий. Атмосфера задерживает большую часть ультрафиолетового излучения Солнца, которое губительно действует на многие организмы. Атмосферный кислород используется в процессе дыхания животными и растениями, атмосферная углекислота - в процессе питания растений. Климатические факторы, в особенности термический режим и режим увлажнения, влияют на состояние здоровья и на деятельность человека. Особенно сильно зависит от климатических условий сельское хозяйство. В свою очередь, деятельность человека оказывает все возрастающее влияние на состав атмосферы и на климатический режим.

Строение атмосферы

Многочисленные наблюдения показывают, что атмосфера имеет четко выраженное слоистое строение (рис. 2). Основные черты слоистой структуры атмосферы определяются в первую очередь особенностями вертикального распределения температуры. В самой нижней части атмосферы - тропосфере, где наблюдается интенсивное турбулентное перемешивание, температура убывает с увеличением высоты, причем уменьшение температуры по вертикали составляет в среднем 6° на 1 км. Высота тропосферы изменяется от 8-10 км в полярных широтах до 16-18 км у экватора. В связи с тем, что плотность воздуха быстро убывает с высотой, в тропосфере сосредоточено около 80% всей массы атмосферы. Над тропосферой расположен переходный слой - тропопауза с температурой 190-220 K, выше которой начинается стратосфера. В нижней части стратосферы уменьшение температуры с высотой прекращается, и температура остается приблизительно постоянной до высоты 25 км - т. н. изотермическая область (нижняя стратосфера); выше температура начинает возрастать - область инверсии (верхняя стратосфера). Температура достигает максимума ~ 270 K на уровне стратопаузы, расположенной на высоте около 55 км. Слой атмосферы, находящийся на высотах от 55 до 80 км, где вновь происходит понижение температуры с высотой, получил название мезосферы. Над ней находится переходный слой - мезопауза, выше которой располагается термосфера, где температура, увеличиваясь с высотой, достигает очень больших значений (св. 1000 K). Еще выше (на высотах ~ 1000 км и более) находится экзосфера, откуда атмосферные газы рассеиваются в мировое пространство за счет диссипации и где происходит постепенный переход от атмосферы к межпланетному пространству. Обычно все слои атмосферы, находящиеся выше тропосферы, называются верхними, хотя иногда к нижним слоям атмосферы относят также стратосферу или ее нижняя часть.

Все структурные параметры атмосферы (температура, давление, плотность) обладают значительной пространственно-временной изменчивостью (широтной, годовой, сезонной, суточной и др.). Поэтому данные рис. 2 отражают лишь среднее состояние атмосферы.

Слоистая структура атмосферы имеет и много других разнообразных проявлений. Неоднороден по высоте химический состав атмосферы. Если на высотах до 90 км, где существует интенсивное перемешивание атмосферы, относительный состав постоянных компонент атмосферы остается практически неизменным (вся эта толща атмосферы получила название гомосферы), то выше 90 км - в гетеросфере - под влиянием диссоциации молекул атмосферных газов ультрафиолетовым излучением Солнца происходит сильное изменение химического состава атмосферы с высотой. Типичные черты этой части атмосферы - слои озона и собственное свечение атмосферы. Сложная слоистая структура характерна для атмосферного аэрозоля - взвешенных в атмосфере твердых частиц земного и космического происхождения. Наиболее часто встречаются аэрозольные слои под тропопаузой и на высоте около 20 км. Слоистым является вертикальное распределение электронов и ионов в атмосфере, что выражается в существовании D-, Е- и F-cлоев ионосферы.

Состав атмосферы

В отличие от атмосферы Юпитера, Сатурна, состоящих главным образом из водорода и гелия, и атмосферы Марса и Венеры, основного компонента которых - углекислый газ, земная атмосфера состоит преимущественно из азота и кислорода. Атмосфера Земли содержит также аргон, углекислый газ, неон и другие постоянные в переменные компоненты. Относительная объемная концентрация постоянных газов, а также сведения о средних концентрациях ряда переменных компонентов (углекислый газ, метан, закись азота и некоторые другие), относящихся только к нижним слоям атмосферы, приведены в таблице 1.

Наиболее важная переменная составная часть атмосферы - водяной пар. Пространственно-временная изменчивость его концентрации колеблется в широких пределах - у земной поверхности от 3% в тропиках до 2 10-5% в Антарктиде. Основная масса водяного пара сосредоточена в тропосфере, поскольку его концентрация быстро убывает с высотой. Среднее содержание водяного пара в вертикальном столбе атмосферы в умеренных широтах - около 1,6-1,7 см «слоя осажденной воды» (такую толщину будет иметь слой сконденсированного водяного пара). Сведения относительно содержания водяного пара в стратосфере противоречивы. Предполагалось, например, что в диапазоне высот от 20 до 30 км удельная влажность сильно увеличивается с высотой. Однако последующие измерения указывают на большую сухость стратосферы. По-видимому, удельная влажность в стратосфере мало зависит от высоты и составляет 2-4 мг/кг.

Дв-ие Литосферных плит

Сложно вообразить, что обширные и массивные материки могут медленно перемещаться. Еще труднее ответить на вопрос, почему они перемещаются? Земная кора представляет охлажденную и полностью раскристаллизованную массу. Снизу она подстилается частично расплавленной астеносферой. Легко предположить, что литосферные плиты возникли при остывании частично расплавленного вещества астеносферы аналогично процессу образования льда в водоемах в зимний период. Однако разница заключается в том, что лед легче воды, а раскристаллизованные силикаты литосферы тяжелее своего расплава.

В пространство между ними поднимается горячее и частично расплавленное вещество астеносферы, которое, попадая на поверхность океанического дна, охлаждается и, кристаллизуясь, превращается в породы литосферы (рис. 2). Образовавшиеся ранее участки литосферы как бы «промерзают» еще сильнее и раскалываются трещинами. Новая порция горячего вещества поступает в эти трещины и, застывая, увеличиваясь в объеме, раздвигает их. Процесс многократно повторяется.

Породы литосферы тяжелее подстилающего горячего вещества астеносферы и, следовательно, чем она толще, тем глубже опускается, или проседает, в мантию. Почему же литосферные плиты, если они тяжелее вещества расплавленной мантии, не тонут в ней? Ответ довольно прост. Они не тонут потому, что к тяжелой мантийной части континентальных плит сверху «припаяна» легкая земная кора, выполняющая роль поплавка. Поэтому средняя плотность пород континентальных плит всегда меньше средней плотности горячего вещества мантии.

Океанические же плиты тяжелее мантии, и поэтому они рано или поздно погружаются в мантию и тонут под более легкими континентальными плитами.

Довольно длительное время океаническая литосфера, подобно гигантским «расплющенным блюдцам», удерживается на поверхности. В соответствии с законом Архимеда масса вытесненной из-под них астеносферы равна массе самих плит и заполняющих литосферные понижения воды. Возникает существующая длительное время плавучесть. Однако долго так продолжаться не может. Целостность «блюдца» временами нарушается в местах возникновения избыточных напряжений, причем они тем сильнее,чем глубже погружаются плиты в мантию, а следовательно, чем они древнее. Вероятно, в литосферных плитах, имевших возраст древнее 150 млн. лет, возникали напряжения, намного превышающие предел прочности самой литосферы, они раскалывались и погружались в горячую мантию.