Источники энергии в географической оболочке
В географическую оболочку энергия поступает из Космоса, недр Земли и выделяется при гравитационном взаимодействии планеты с ближайшими космическими телами — Луной и Солнцем. В зависимости от этого энергетические источники подразделяют на эндогенные и экзогенные.
Эндогенная энергия— это энергия земных недр, которая поступает в географическую оболочку в двух формах: теплового потока (теллурические токи) и путем механических перемещений вещества. Величина теплового потока в среднем в 10-5 раз меньше потока электромагнитной солнечной энергии (0,06 Дж/м2×с).
Тепловой поток неравномерно распределен на земной поверхности, что связано с характером тектонических структур и возрастом земной коры. Наибольшие значения теплового потока наблюдаются в зонах срединно-океанических хребтов (особенно в пределах рифтовых зон, поскольку там вещество мантии поднимается непосредственно к поверхности литосферы), в сейсмоактивных и вулканических районах. В тектонически спокойных регионах, в частности на древних платформах, его значения существенно ниже средних. Источниками эндогенной энергии являются: гравитационная дифференциация земного вещества по плотности, распад радиоактивных элементов, внутреннее трение масс вещества, неизбежно сопровождающее гравитационную дифференциацию, приливное трение, обусловленное взаимодействием Земли с Луной и Солнцем. Поступление тепла на земную поверхность через гейзеры, вулканические извержения и от других локальных и спорадических источников намного меньше и в общих расчетах обычно не учитывается. Определенную часть эндогенной энергии составляет солнечная энергия, поступившая на земную поверхность ранее и сохранившаяся в «геохимических аккумуляторах» — горючих полезных ископаемых, горных породах абиогенного происхождения и рассолах, законсервированных в земной коре. По данным В.М.Лебедева и Н.А. Блинова, глинистые минералы, накапливая энергию на земной поверхности, способны выделять ее в процессе метаморфизма в недрах.
Полагают, что в прошлом радиоактивная и приливная составляющие эндогенной энергии были большими, так как на ранних стадиях развития Земли было больше радиоактивных элементов и Луна располагалась ближе.
Экзогенная энергия.Энергия, поступающая на Землю из Космоса, называется экзогенной. В количественном отношении она на 97% состоит из электромагнитного излучения Солнца — солнечной радиации. Вследствие малой изменчивости интенсивности солнечной радиации, поступающей на верхнюю границу атмосферы, ее поток, рассчитываемый на 1 см2 в минуту, называют солнечной постоянной, которая равна 1,98 кал/(см2×мин), или 8,3 Дж/(см2×мин).
Электромагнитное излучение Солнца содержит широкий спектр волн разной длины (рис. 7.1). Ультракоротковолновая радиация (длина волн менее 0,1027 мкм) проникает до высоты 100—200 км, где она задерживается в ионосфере. Более длинные волны (0,1027—0,2424 мкм) распространяются до высоты 70-80 км. Жесткая ультрафиолетовая радиация (0,2424-0,2900 мкм) практически полностью поглощается в слое максимальной концентрации озона на высоте 25-28 км. В тропосферу и непосредственно к земной поверхности поступают мягкая ультрафиолетовая радиация (0,29—0,40 мкм), а также видимое световое (0,40—0,74 мкм) и инфракрасное излучение (0,74—2,4 мкм). Одновременно в географическую оболочку поступает радиоволновое излучение (от Солнца и из Космоса), энергетическое значение которого невелико.
Рис. 7.1. Спектр электромагнитного излучения
Наряду с электромагнитными потоками в атмосферу проникает корпускулярный поток заряженных частиц — «солнечный» и «космический» ветер. Их суммарная энергия в несколько тысяч раз меньше электромагнитной энергии и уступает (в количественном выражении) даже эндогенной энергии. Корпускулярный поток почти полностью поглощается магнитосферой и верхними слоями атмосферы. Его изменчивость, обусловленная пульсациями солнечной активности, вызывает возмущения геомагнитного поля, что отражается на биологических процессах.
Суммарное воздействие эндогенной и экзогенной энергий изменяет вещество земной коры, создает форму и рельеф Земли. Самые грандиозные преобразования на поверхности планеты вызывает эндогенная энергия. Однако вклад экзогенной энергии в изменение облика планеты не менее значителен. Во-первых, солнечная энергия сохраняется в геохимических аккумуляторах земной коры. Во-вторых, неравномерность распределения лучистой энергии на земной поверхности приводит в движение атмосферу, а через нее и гидросферу.
Соотношение различных потоков энергии, поступающей в географическую оболочку, приведено в табл. 7.1, из которой видно, Что солнечная энергия по мощности намного превосходит все остальные виды энергии. Однако значение каждого вида энергии не может оцениваться только количественно, так как каждый вид выполняет определенные функции. Эффективность энергетического потока во многом зависит от того, поступает энергия в концентрированном или рассеянном виде, к нижней или верхней границе геосфер и др.
Таблица 7. Потоки энергии, поступающие в географическую оболочку
| Поток энергии | Мощность, Дж/(м2×с) |
| Солнечная энергия (поглощенная атмосферой и земной поверхностью) | 2,3×102 |
| Энергия космических лучей | 2×10-6 - 3×10-6 |
| Антропогенное производство энергии | 3,2×10-2 |
| Распад радиоактивных изотопов | ~7×10-3 |
| Энергия приливного трения | 3,5×10-3 |
| Энергия окисления органического вещества | 0,4-0,6 |
| Геотермическое тепло | ~0,1 |
| Тектоническая энергия | ~10-3 |
Влияние внутренней энергии Земли на функционирование географической оболочки.Внутренняя энергия обнаруживает себя в разнообразных, но взаимосвязанных движениях земной коры. Их необходимо рассматривать как частное проявление общего процесса развития планеты и, следовательно, нет оснований считать, что внутренние массы Земли инертны или находятся в состоянии равновесия. Выделяют вертикальные (колебательные) и горизонтальные (тангенциальные) движения, которые сопровождаются целой серией вторичных движений со специфическими явлениями типа надвигов, шарьяжей и др.
Колебательные движения земной коры проявляются в волнообразных поднятиях или опусканиях огромных участков литосферы. Среди колебательных движений выделяют медленные (вековые) мало контрастные и относительно быстрые (активные) контрастные.
В первом случае залегание пластов горных пород практически не нарушается, но изменяется их абсолютная, а иногда и относительная высота. Такие колебательные движения, которые происходят в течение длительного времени, называют эпейрогеническими. Они прослеживаются по положению береговой линии, когда граница между сушей и морем смещается. Если море отступает, то процесс называется регрессией, если море наступает, то трансгрессией. Сменяющиеся периоды трансгрессий и регрессий не обязательно равны по продолжительности.
Признаки поднятия берегов наблюдаются по террасам, остаткам морских организмов вдали от берега, удаленным от моря причалам и др. Признаки опускания суши — затопленные речные долины, состав донных отложений, стоящие в воде или затопленные строения. С трансгрессиями и регрессиями связаны эвстатические колебания уровня Мирового океана, обусловленные изменениями объемов воды. Процесс незначительного наступления моря на сушу, когда затапливаются только ее пониженные участки, называют ингрессией. В этих случаях формируются специфические типы побережий с изрезанными очертаниями — лиманные, фьордовые, шхерные, риасовые.
Значительное увеличение площади суши или моря не может не сказаться на характере климата, который становится более морским или более континентальным, что с течением времени должно отразиться на характере органического мира, растительного и почвенного покровов. Увеличение площади суши облегчает миграции наземной фауны и флоры, способствует смешению видов, тогда как увеличение площади морей облегчает перемещение и обмен морской фауны и флоры. Другим следствием является размывание берегов, пляжей вследствие абразии, когда море последовательно трансгрессируя, срезает часть побережья.
Во втором случае происходят значительные нарушения залегания горных пород и создание специфических возвышенных и пониженных структур. Такие движения называют орогеническими, или дислокационными.
Тангенциальные движения земной коры вызывают изменение залегания пластов горных пород. Наиболее часто горизонтальные движения вызывают образование складок (складчатые деформации) — волнообразных изгибов пластов. Выпуклая часть складки называется антиклиналью, вогнутая — синклиналью.
В связи с развитием гипотезы литосферных плит горизонтальным движениям придается большое значение. Установлено, что при формировании океанических структур земной коры тангенциальные движения являются ведущими. Их современные скорости измеряются первыми сантиметрами в год, что значительно превышает скорость орогенических движений и на два-три порядка выше, чем при эпейрогенических смещениях.
Помимо складчатых, существуют разрывные деформации, связанные с перемещениями земных масс, предварительно разбитыми на отдельные блоки. Поднятые блоки называют горстами, опущенные — грабенами, в условиях растяжения земной коры формируются грабенообразные понижения — рифты. Процесс создания hифтогенных структур называют тафрогенезом, который в определенной мере противоположен орогенезу.
Складчатые и разрывные деформации сопровождаются магматизмом и землетрясениями. Если магма застыла на глубине с образованием специфических тел (батолитов, лакколитов, даек и др.), имеет место интрузивный магматизм. При излиянии магмы на поверхность и образовании вулканов, лавовых потоков и покровов имеет место эффузивный магматизм. В этом случае в географическую оболочку поступает большое количество энергии. В истории Земли, особенно на начальных этапах, магматическая деятельность проявлялась очень активно и по мнению многих исследователей сыграла решающую роль в возникновении и развитии земных сфер: каменной, жидкой и газообразной.
Скорости движения земной коры изменяются неравномерно и в истории Земли выделяют периоды интенсивных движений, которые называют эпохами тектонической активизации. Долгое время их рассматривали как эпохи складкообразования и формирования горных систем, обусловленных внутренней энергией Земли. Сегодня некоторые исследователи эпохи усиления и ослабления тектонической активности связывают с положениями планеты в Солнечной системе и во Вселенной. В процессах тектонической активизации высвобождается огромное количество внутренней энергии планеты, которая частично реализуется в деформации горных пород и сопутствующих явлениях, а частично поступает в географическую оболочку, где участвует в экзогенных процессах и явлениях.
Эпохи тектонической активизации — это время усиления экзогенных процессов. Тектонические поднятия и опускания контролируют неровности земной поверхности и распределение силы тяжести. Поступление тепла из недр при разрывах земной коры, вулканическая и гидротермальная деятельности способствуют возрастанию энергии на поверхности Земли, что заметно активизирует внешние процессы. Усиливается тепловое поле земной поверхности, приземного слоя атмосферы и части гидросферы, что ускоряет физико-химические и механические процессы и биологические реакции. Повышенная дегазация земных недр с выбросами обычно горячих и энергетически емких веществ также отражается на географических процессах. Таким образом, эпохи своеобразных тектонических «катастроф», волнующих земную твердь и ее поверхность, это и время «оживления» земной энергетики и связанных с ней энергозатратных процессов и явлений.
В истории Земли выделяют несколько эпох тектонической активизации, приведших к созданию складчатых поясов и горных систем как своеобразных выражений частичной разрядки внутри-земной энергии: байкальская (конец протерозоя—начало палеозоя), каледонская (ранний палеозой), герцинская (поздний палеозой), киммерийская (середина мезозоя), альпийская (кайнозой).
Движения альпийской тектонической эпохи не закончились и называются новейшими. Несмотря на то, что эпохи тектонической активизации повторяются, они различаются по мощности, районам проявления и длительности.