Літосфера, гідросфера та геологічна будова Землі
Таблиця 3 Будова атмосфери
| Назва шару атмосфери | Висота, км | Температура 0С | Тиск, х 133 Па ( мілібар, 1мб =0,75 мм рт.ст.) |
| Вище 2000 (3000) км і до 20000 км - воднева геокорона | |||
| Екзосфера | 3000-800 | Газо- кінетична, 1000 - 2000 | |
| Термосфера (іоносфера) | 800 - 100 | Газо кінетична, 1000 (на вис.100 км переходить через 0, а на вис.150 км +200 ... 200 км - 500, 600 км - 1500) | 1,9 - 8,0 |
| Мезопауза | ~ 90 | - 75 ... 0 | 4 - 5 |
| Мезосфера | 0 ...-75 | 0,01 | |
| Стратопауза | ~50 | 0 - ...+10 | 0,2 -0,8 |
| Стратосфера На висоті 30-35 (22-27) км озоновий шар тов-щино, 0,23-0,52 км | до 50 | верх: +10...+20 низ: -75...-80 | 9,5 - 42 |
| Тропопауза | ~10-15 | ||
| Тропосфера (90% маси) | 8-на полюсах 18- екватор | верх -80 низ + 30 0,6 на 0,1 км | (на рівні моря -1013 на вис 16 км -100 ) |
Мал.4. Будова атмосфери 
З висотою різко зменшуються щільність і тиск атмосфери, а температура змінюється нерівномірно й складно. Зміна температури в межах атмосфери на різних висотах пояснюється неоднаковим поглинанням сонячної енергії газами. Найінтенсивніше теплові процеси протікають у тропосфері, причому атмосфера нагрівається знизу, від поверхні океану та суші.
Тропосфера - найближчий до нас нижній шар атмосфери. Висота верхньої межі тропосфери залежить від температури: зимою вона ближче до земної поверхні, літом - дальше. Протягом доби коливання можуть сягати кількох кілометрів. Нагрівається за рахунок тепла нагрітої Сонцем земної поверхні. В тропосфері міститься до 80% вологи всієї атмосфери. Характерне постійне вертикальне перемішування повітря, - тут утворюються хмари, звідси випадають опади.
Тропопауза - її температура і висота змінюються зі зміною широти - від екватора до полюсів тропопауза знижується.
Стратосфера характеризується низьким тиском, розрідженням повітря, повною відсутністю водяної пари і значним вмістом озону - до 10-5 г/г повітря. Озоновий шар поглинає близько 97% ультрафіолетового компонента сонячної радіації, небезпечного для живих організмів.
Через різницю температури повітря над екватором і полюсами в стратосфері відбуваються значні горизонтальні переміщення повітряних мас зі швидкістю до 300 км/год.
В мезосфері продовжується зниження тиску повітря і температури з висотою. Розріджене повітря дуже іонізується, - тут виникають, так звані, сріблясті хмари.
В мезопаузі температура починає підвищуватись. Вважають, що вітер на цих висотах часто змінює напрямок і має швидкість до кількох сотень кілометрів за год.
В термосфері швидкість руху частинок газу досягає дуже високих значень, але дякуючи великому розрідженню простору їх зіткнення буває дуже рідко.
Термосфера - це сфера розрідженого іонізованого газу - переважно кисню (за даними, одержаними за допомогою штучних супутників Землі). Тому її називають іоносферою. Іонізація є причиною високої електропровідності термосфери, в ній проходять потужні електричні струми. В термосфері на висоті 320-400 км виникають, так звані, полярні сяйва. Вважають, що причина їх появи - це бомбардування розріджених газів термосфери потоком корпускулярної сонячної радіації.
Екзосфера - це зовнішня сфера Землі. Її називають також сферою розсіювання. Швидкість руху газів в екзосфері наближається до критичної - 11,2 км/с, тому вони розсіюються в міжпланетний простір. Це в першу чергу відноситься до водню, який переважає в складі екзосфери. Водень перемагає земне тяжіння і виноситься в космос - до 4-6 тис. т за рік, утворює, так звану, “водневу або гео- корону“ Землі, яка закінчується на висоті 20 000 км. Газовий склад земної атмосфери, в першу чергу водень, поповнюється за рахунок дегазації мантії. З космосу в атмосферу Землі поступають потоки плазми, що викидаються Сонцем, і космічний пил. геокорона поступово переходить у міжпланетний вакуум.
Розглянемо змінні складові атмосфери, які мають природне походження. Серед них перед веде водяна пара, змінність концентрації якої нам і відома, і звична.
Рекордна концентрація водяної пари – 5-6% сягає в вологих тропіках, які лікарі відносять до малосприятливих для людини зон Землі. Найнижчі концентрації водяної пари – до 0,00001% - спостерігаються над вкритою льодом Антарктидою.
Значно меншою є концентрація інших домішок у повітрі. Наприклад, середня концентрація озону збігається з рекордно малою концентрацією пари води.
Більшість озону постійно знаходиться у шарах стратосфери на висотах 15-70 км (максимум – на висоті 25 км), утворюючи озоносферу, «протиультрафіолетовий» щит Землі. Поглинаючи біоактивне випромінювання Сонця під час свого утворення й розпаду, озон не пропускаєдо поверхні Землі безсумнівно шкідливу для біосфери частину сонячної енергії.
На жаль, антропогенні домішки в атмосфері вже створили реальну загрозу втрати так необхідного для сучасної біосфери шару озону у стратосфері та «заміною» його вкрай небезпечним «приземним» озоном.
Серед змінних складових атмосфери є кілька сполук азоту з киснем (N2O, NO, NO2), які як і озон утворюються під час гроз енергією блискавок.
Дуже складні суміші газів виходять назовні з вулканів. У порядку зменшення концентрації це Н2О, СО2, СО, Н2, HCI, HF, SO2 , H2S, NH3, COS,CH4 та деякі інші. Частина з них бере активну участь у різноманітних хімічних реакціях в атмосфері та на поверхні грунту.
Всі ці гази або відверто отруйні (як СО), або більш-менш шкідливі для людини, та їхня природня концентрація на великих відстанях від вулканів дуже мала: вона менша мільйонної частки процента, не становить небезпеки для здоров’я людини. В разі викидів з вулканів перемішування повітря швидко зменшує концентрацію шкідливих газів вулканів, тому вони не становлять небезпеки для справді великих територій.
Розумне та контрольоване використання інертного газу – радону, що належить до природних радіонуклідів з α-активністю дає змогу лікувати еякі хвороби.
До числа порівнянно нових об’єктів вчених належать дрібні тверді чи рідкі атмосферні аерозольні частинки, середня концентрація яких близька до ксенону, а мінімальна – приблизно 100 частинок у кубічному сантиметрі чистого повітря.
Найпотужнішим джерелом найпотрібнішого для утворення дощових крапель аерозолю є солона вода океану і морів, точніше – піна незліченних хвиль. Без аерозолю дощі чи інші опади стануть неможливими, а будова атмосфери – несприятливою для життя.
Літосфера, гідросфера та геологічна будова Землі.
.
Літосфера - це зовнішня тверда оболонка Землі, яка включає всю земну кору з частиною верхньої мантії Землі й складається з осадових, вивержених магматичних (до 95%) і метаморфічних порід.
Товщина літосфери в різних місцях земної кулі різна:
Ø на континентах - 25-200 км;
Ø під океанами - 5-100 км.
Найглибші шахти, пройдені людьми, сягають глибин 3-4 км, найглибша в світі свердловина (пройдена на Кольському півострові) досягла глибини 12 км. Про стан і будову більш глибоких зон літосфери нам відомо лише на основі побіжних методів, таких як сейсмо- та електророзвідка, гравіметрія тощо.
Значення літосфери:
Ø на її поверхні живе більшість рослинних і тваринних організмів, у тому числі й людина;
Ø верхня тонка оболонка літосфери на материках - це грунти, що забезпечують умови життя для рослин і є основною умовою для отримання продуктів харчування людей середовище для мінеральних ресурсів;
Ø літосфера є джерелом отримання корисних копалин - енергетичної сировини, руд металів, мінеральних добрив, будівельних матеріалів тощо.
Геологічна будова Землі:
§ ядро;
§ мантія;
§ кора.
Земля має радіус 6370 км; середню густину - 5,5 г/см3.
Нижня межа літосфери нечітка й визначається за різким зменшенням в'язкості порід, збільшенням їхньої густини й іншими геофізичними характеристиками. З глибиною збільшується тиск від 13 тис. атм (50 км) до 3,5 млн. атм (в центрі). Температура в центрі Землі досягає 30000С.
Земна кора - це досить тонка верхня оболонка Землі, яка і становить всього близько 1% маси Землі. Земна кора на континентах тришарова (осадочні породи, гранітні, базальтові), має товщину 40-80 км, а під океанами двошарова (осадочні та базальтові породи) товщиною 5-10 км, в острівних зонах, на межах океанів - перехідний тип земної кори.
Найбільшу товщину земна кора має в гірських районах (під Гімалаями 75 км), середню в районах платформ (30-40 км), найменшу в центральних районах океанів (5-7 км).
Вісім елементів - кисень, кремній, водень, алюміній, залізо, магній, кальцій, натрій - утворюють 99,5% земної кори, на долю кисню і кремнію припадає 75%.
Шари земної кори:
1. Осадовий, утворений осадовими породами (пісок, глина, гіпс, кам’яна сіль, фосфорити, доломіти, вугілля, нафта, торф. Потужність цього шару 3км, середня густина - 2.5г/см3.
2. Гранітний, утворений переважно кислими магнетичними породами (граніт, ліпарит, ліпаритовий порфірит, кварц, рогова обманка).
3. Базальтовий, утворений основними магматичними породами (базальт, габбро, олівін). Потужність цього шару 30км, густина - 2.8-2.9 г/см3.
Актуальність екологічного вивчення літосфери зумовлена тим, що літосфера є середовищем усіх мінеральних ресурсів, одним з основних об’єктів антропогенної діяльності, через значні зміни якого розвивається екологічна криза.
Земна кора виплавилась з мантії в процесі тривалої фізико-хімічної і гравітаційної диференціації, - так утворився гранітний і базальтовий шар земної кори. Осадовий шар виник в результаті руйнування гранітів і базальтів в процесі вивітрювання.
У верхній частині земної кори розвинені ґрунти, значення яких для людини важко переоцінити.
Грунти - це органо-мінеральний продукт багаторічної (від 100 до 1000 років) спільної діяльності живих організмів, води, повітря, сонячного тепла та світла - є одними з найважливіших природних ресурсів. Залежно від кліматичних і геолого-географічних умов ґрунти мають товщину від 15-25 см до 2-3 м.
З різними породами земної кори і з її тектонічними структурами пов’язані різні корисні копалини: горючі, металічні, будівельні, а також ті, що є сировиною для хімічної та харчової промисловості.
У межах літосфери періодично відбувалися і відбуваються грізні екологічні процеси: виверження вулканів, землетруси, зсуви, селі, обвали, ерозія, - вони мають величезне значення для формування екологічних ситуацій у певному регіоні планети, а іноді призводять до глобальних екологічних катастроф.
Гідросфера - це водяна сфера (оболонка), це сукупність океанів, морів, вод континентів і льодовикових покривів.
Загальний об’єм природних вод становить 1,39 млрд. км3 - 1/780 частину об’єму планети. З 510 млн. км2 загальної поверхні землі 71% (361 км2) вкрито водою. Маса гідросфери - 1.39х109т, що становить 0.023% від маси Землі.
Екологічне значення гідросфери:
Ø середовище в якому зародилось життя;
Ø основна складова частина всіх живих організмів, середовищем життя багатьох з них;
Ø головний агент-переносник глобальних біоенергетичних екологічних циклів;
Ø основний механізм здійснення взаємозв’язків усіх процесів у екосистемах - обмін речовину, теплорегуляції, росту біомаси;
Ø водяна пара виконує роль фільтра сонячної радіації; нейтралізує екстремальні температури;
Ø найважливіша мінеральна сировина, головний природний ресурс споживання;
Ø води Світового океану є основним кліматоутворюючим фактором, основним акумулятором сонячної енергії;
Ø формування поверхні Землі, її ландшафтів.
В Світовому океані зосереджено 98,3% гідросфери, вона гіркувато-солона, не придатна для пиття і технічних потреб. Солоність океанічних вод становить 35 0/00 (тобто в 1 л океанічної води міститься 35 г солей). Найсолоніша вода в Мертвому морі — 2600/00 (людина вільно лежить на поверхні цієї води, не занурюючись в неї), у Чорному морі — 18 0/00, Азовському — 12 0/00.
Вчені вважають, що хімічний склад океанічних вод дуже схожий до складу людської крові - в них містяться майже всі відомі нам елементи, але, звичайно, в різних пропорціях. 95,5% всієї маси елементів океанічної води припадає на 4 елементи : кисень, водень, хлор і натрій. У водах Світового океану розчинено багато газів, з яких найважливішими є кисень та вуглекислий газ. Загальна маса вуглекислого газу в океанічних водах перевищує його масу в атмосфері близько в 60 разів.
Запаси прісної води становлять ~35 млн. км3. Ця вода розподілена по земній кулі дуже нерівномірно і в деяких районах її запаси вже вичерпані. Основна кількість прісної води (75%) зосереджена у льодових покривах Антарктиди і Гренландії, гірських льодовиках і айсбергах, у зоні вічної мерзлоти. З усієї прісної води лише 0.6-1% перебуває в рідкому стані. 20% усієї прісної води зосереджено у озері Байкал. Основним джерелом водопостачання для людства.
Прісні води річок та озер становлять всього 4-5 млн. км3, тобто ~0,26%. Дуже багато використовується води для комунально-побутових потреб в великих містах 200-600 л на добу на 1 людину, причому незворотні втрати становлять до 17% від забору води.
Підземні запаси води становлять ~40 млн. км3. Залежно від складу порід та глибини залягання підземні води мають різноманітний хімічний склад.
Залежно від вмісту солей підземні води поділяються на: сульфатні, сульфатно-натрієві, гідрокарбонатно-кальцієві, хлоридно-натрієві.
Іноді вони містять газовий компонент. Деякі мінералізовані підземні води мають лікувальні властивості. Мінеральні та термальні підземні води мають велике бальнеологічне значення, є одним з рекреаційних елементів природного середовища.
Земна кора – тонка верхня оболонка Землі. Вона має товщину на континентах 40-80км і під океанами 5-10км і становить 1% від маси Землі. У складі земної кори переважають 8 елементів: O, Si, Al, Fe, Ca, Na, K, Mg. Найважливіший вміст кремнію і алюмінію. Породи, які утворюють земну кору Е.Зюсс назвав “сіль” (Sial). Від мантії земна кора відділена поверхнею Мохоровичича.
Виділяють два типи земної кори:
1. Материковий - земна кора тришарова (осадові породи, граніти і базальти). Потужність 40-80км.
2. Океанічний - земна кора двошарова, гранітний шар відсутній (або дуже тонкий) і осадові породи залягають на базальтовому шарі. Потужність 5-10 км.
Також, розрізняють перехідний тип земної кори - острівний.
Мантія – складається з окису кремнію і оксидів магнію і заліза. Внаслідок великого тиску речовини в мантії дуже щільні. Тиск у мантії з глибиною зростає і на межі з ядром становить 1.3 млн.ат. щільність у верхніх шарах мантії 3.5 г/см3, на межі з ядром 5.5 г/см3. температура речовин у мантії на глибині 100км +500°С, на межі з ядром +3800°С. Незважаючи на таку високу t, речовини у мантії у твердому стані.
Мантія поділяється на верхню і нижню. Межа між ними знаходиться на глибині 900-1000км. Нижня мантія – найбільш спокійна частина Землі. У верхній мантії виникають зміни, які зумовлюють вулканічну діяльність і землетруси.
Верхній шар мантії – астеносфера (80-200 км) знаходиться у майже розплавленому стані і при пониженні тиску перетворюється на магму. Магма піднімається вверх і може виливатись на поверхню Землі.
Постійною загрозою для людей є вулкани, останніми роками увагу привернули й озера в кратерах вулканів. У «долині гейзерів» знайшли видолинок, де гинуть навіть ведмеді.
Клімат Землі, що залежить в основному від стану її атмосфери, протягом геологічної історії періодично змінювався: чергувалися епохи істотного похолодання, коли значні території суші вкривалися льодовиками, й епохи потепління.Та останнім часом атмосфера Землі розігрівається набагато швидше, ніж будь-коли в минулому. За даними ООН, із кінця XIX до початку XXI ст. глобальна температура на земній кулі підвищилася загалом на 0,6°С. І це зумовлено діяльністю людини:
Ø по-перше, людина підігріває атмосферу, спалюючи велику кількість вугілля, нафти, газу, а також уводячи в дію атомні електростанції;
Ø по-друге, і це головне, в результаті спалювання органічного палива, а також унаслідок знищення лісів у атмосфері нагромаджується вуглекислий газ.
За останні 120 років уміст СО2 в повітрі збільшився на 17 %. У земній атмосфері вуглекислий газ діє як скло в теплиці чи парнику: він вільно пропускає сонячні промені до поверхні Землі, але втримує її тепло (мал. 5). Це спричинює розігрівання атмосфери, відоме як парниковий ефект. За розрахунками вчених, найближчими десятиліттями через парниковий ефект середньорічна температура на Землі може підвищитися на 1,5—2 °С.
Якщо людство не зменшить обсягу забруднень атмосфери й глобальна температура зростатиме й надалі, як це відбувається протягом останніх 20 років, то дуже швидко клімат на Землі стане теплішим, ніж будь-коли впродовж 100 тис. років. Це прискорить глобальну екологічну кризу.
У чому ж полягає небезпека парникового ефекту? Розрахунки й моделювання на ЕОМ свідчать: підвищення середньорічної температури спричинить зміни таких найважливіших кліматичних параметрів, як кількість опадів, хмарний покрив, океанічні течії, розміри полярних крижаних шапок. Внутрішні райони континентів стануть сухішими, а узбережжя — вологішими, зима буде коротшою й теплішою, а літо — тривалішим і спекотнішим. Основні кліматичні зони в північній півкулі змістяться на північ приблизно на 400 км. Це зумовить потепління в зоні тундри, танення шару вічної мерзлоти й полярних крижаних шапок. У середніх широтах, тобто в головних «хлібних» районах (Україна, Чорнозем'я Росії, Кубань, «зернові штати» США), клімат стане напівпустельним, і врожаї зерна різко скоротяться.
Глобальне потепління призведе до танення льодовиків Гренландії, Антарктиди й гір, рівень Світового океану підвищиться на 6—10 м, при цьому буде затоплено близько 20 % площі суходолу, де сьогодні живуть сотні мільйонів людей, розташовані міста, ферми, сади й поля.
Учені не дійшли єдиної думки про те, за якого підвищення середньорічної температури можуть відбутися ці негативні для людства явища: одні метеорологи вважають критичним значення 2,5 °С, інші – 5 °С.
Останнім часом тривога вчених із приводу парникового ефекту ще посилилася. Виявилося, що, крім вуглекислого газу, парниковий ефект спричинюють також деякі інші гази, що входять до групи малих домішок — метан, оксиди азоту, фреони, — вміст яких в атмосфері через антропогенний фактор стрімко зростає (мал.5).
Значно порушують земну поверхню гірничі розробки — шахти, кар'єри, свердловини. Підземні розробки спричинюють утворення порожнин і тріщин у гірських породах, просідання ґрунту, обвали та зсуви порід, осушення водоносних горизонтів. Із гірських порід виділяються шкідливі гази (метан, сірководень), трапляються раптові прориви підземних вод, явища так званого «гірського удару» й т. д. Проходка кар'єрів супроводжується великими штучними пониженнями рельєфу, по краях кар'єрів розвиваються зсуви та обвали, в районах кар'єрів і шахт істотно знижується рівень підземних вод. Навколо родовищ, які розробляються, утворюються відвали пустих порід, терикони, що займають великі площі родючих земель. Поверхневі водотоки забруднюються мінералізованими водами, які відкачуються із шахтних горизонтів.Відомі способи якщо не запобігання цим екологічним порушенням, то принаймні пом'якшення їхніх негативних наслідків. Головним напрямом тут має стати якнайширше впровадження маловідходних або (в ідеалі) безвідходних технологій. Суть їх полягає в тому, що з надр Землі слід брати якомога менше, а з того, що взято, вилучати якомога більше корисних компонентів.