Геосферы Земли¶

Геосферы Земли являются структурными элементами нашей планеты, в то же время сама Земля является структурным элементом Галактики, а она, в свою очередь, — часть Вселенной. Будучи вложенными друг в друга они оказывают друг на другу непосредственное воздействие.

Солнечная система и её формирование¶

Солнечная система является планетной системой, включающей в себя центральную звезду — Солнце — и все естественные космические объекты, вращающиеся вокруг Солнца. Это планеты, спутники, карликовые планеты, астероиды, кометы и так далее.

Современные представления о механизмах образования Солнечной системы, а именно образование её из газопылевого облака, основываются на небулярной гипотезе. Эта гипотеза была предложена ещё в 18 веке Эммануилом Сведенборгом, Иммануилом Кантом и Пьером-Симоном Лапласом. Естественно, что данная гипотеза в связи с появлением новых данных в космической эре (начиная с 1950-х годов) подверглась изменению, однако в части её проверки и улучшениям, которые объясняют новые данные и наблюдения в космической сфере.

В настоящий момент большинство учёных сходятся во мнении, что формирование Солнечной системы началось около 4,6 млрд лет назад. Рождением Солнечной системы можно считать гравитационный коллапс части гигантского межзвёздного газопылевого облака.

Газопылевое облако (молекулярное облако) — тип межзвёздного облака, чья плотность и размер позволяют образовываться в нём молекулам, обычно водорода.

Спусковым механизмом гравитационного коллапса стало небольшое спонтанное уплотнение вещества газопылевого облака. Причиной такого уплотнения могла стать, например, естественная динамика облака или ударная волна от взрыва звезды. Такое уплотнение вещества стало центром гравитационного притяжения окружающего вещества, то есть центром гравитационного коллапса. Облако на тот момент времени содержало не только первичные водород и гелий, но и многочисленные тяжёлые элементы, которые остались от звёзд предыдущих поколений. Облако также обладало начальным угловым моментом (то есть обладало вращательным движением).

Размер газопылевого облака уменьшался в процессе гравитационного сжатия, и поэтому в силу закона сохранения углового момента (угловой момент замкнутой системы не изменяется со временем), росла скорость вращения облака. Так как облако вращалось, то скорости сжатия его параллельно и перпендикулярно оси вращения различались, что привело к уплощению облака и формированию характерного диска.

Из-за сжатия росла плотность вещества и интенсивность столкновений частиц вещества, и как следствие росла температура, особенно в центральных частях облака.

Когда температура достигла нескольких тысяч кельвинов, центральная область начала светиться, то есть сформировалась протозвезда. Вещество облака продолжало падать на протозвезду, увеличивая давление и температуру в центре, при этом внешние области облака оставались холодными. Во внешних областях стали развиваться отдельные уплотнения, которые становились локальными гравитационными центрами формирования планет.

Когда в центре протозвезды температура достигла миллионов кельвинов, в нем началась реакция термоядерного синтеза гелия из водорода. Протозвезда превратилась в обычную звезду главной последовательности. Во внешней области диска крупные сгущения образовали планеты, которые вращаются вокруг Солнца примерно в одной плоскости и в одном направлении.

Солнце относится к типу G2 (жёлтый карлик) (рис. 1), вырабатывает энергию путём термоядерного синтеза гелия из водорода. Энергия излучается в виде электромагнитного излучения, максимум которого приходится на диапазон длин волн 400–700 нм (видимый свет).

Масса Солнца составляет почти 99,87 % от суммарной массы всей Солнечной системы.

Земля¶

Формирование Земли¶

Одной из планет сформировавшихся в процессе аккреции (процесса приращения массы небесного тела путём гравитационного притяжения материи на него из окружающего пространства) стала наша планета — Земля. Формирование Земли произошло, примерно, за 10–20 миллионов лет.

Протоземля увеличивалась за счёт аккреции, пока её поверхность была достаточно горячей, чтобы расплавлять тяжёлые, сидерофильные элементы (термин гольдшмидтовской классификации элементов по наибольшему коэффициенту распределения элемента между четырьмя фазами — металл, серный расплав, силикатная часть и атмосфера с океаном, сидерофильный — металл). Металлы, обладая большей плотностью, чем силикаты, погрузились внутрь планеты. Это так называемая железная катастрофа — разделение на примитивную мантию и металлическое ядро, что произошло спустя 10 миллионов лет после начала формирования Земли. При этом появилась слоистая структура Земли и появилось магнитное поле. Первая атмосфера состояла из лёгких (атмофильных) элементов облака — гелия и водорода.

Изначально планета была раскалена благодаря остаточному теплу и частым ударам астероидов. Затем её внешний слой остыл и превратился в земную кору. Позднее при столкновении планеты с небесным телом массой около 10 % её массы образовалась Луна. В результате столкновения Земля также получила прирост скорости вращения и заметный наклон оси вращения. Дегазация и вулканическая активность создали первую атмосферу. Конденсация водяного пара, а также лёд из сталкивающихся с Землёй комет образовали океаны.

Земля — третья по удалённости от Солнца планета Солнечной системы, является самой плотной, пятой по диаметру и массе среди всех планет, имеет один спутник — Луну.

Свойства Земли¶

По форме Земля представляет собой шар, сплюснутый у полюсов (геоид). Длина экваториального радиуса составляет 6378 км, полярного — 6357 км, длина окружности по экватору — 40 000 км.

Масса Земли — 5,98 × 10²⁴ кг. Средняя плотность — 5,52 г/см³, увеличивается с глубиной. Давление с каждым километром в глубь возрастает на 27,5 МПа и в центре достигает 300 000 МПа.

Температура поверхности Земли определяется притоком Солнечной энергии и зависит от географической широты и времени года. Верхняя часть земной коры по температуре не стабильна, глубже расположен пояс постоянной температуры. Ещё ниже температура начинает возрастать. В центре Земли температура достигает 2000–3000 °C.

Земля имеет несколько геофизических полей — гравитационное, магнитное, электрическое и тепловое

Взаимосвязь условий земной поверхности с процессами в ядре, мантии Земли и космическими ритмами¶

Земная поверхность будучи частью небесного тела — планеты — оказывается под влиянием как внутренних процессов, то есть процессов происходящих внутри планеты, так и внешних влияний космического масштаба.

Внешние факторы предопределяют развитие любых биосферных процессов. Среди этих внешних влияний различают влияния:

• обусловленные особенностями Земли как планеты;
• вызванные небесной механикой;
• связанные с процессами, происходящими на Солнце.

Влияния, обусловленные особенностями Земли как планеты¶

Влияние формы Земли

По своей форме наша планета представляет собой непрозрачный шар, который не может быть сразу весь освещён одним источником света, Солнцем. Поэтому неизбежно поверхность шара делится на освещённую часть и часть лишённую света. День и ночь — результат шарообразности Земли.

Чередование дня и ночи самым прямым образом отражается на всех процессах в биосфере, связанных с приходом и расходом солнечной энергии (физиологические функции растений, изменение атмосферного давления, движение воздуха, испарение воды, сгущение водяного пара, его перенос и так далее).

Если бы приходящие с Солнца лучи падали на плоскую поверхность, то угол падения везде был бы один и тот же. Но с шарообразной поверхностью лучи падают под разными углами. У полюсов этот угол будет наименьший (около нуля, а у экватора — наибольший, почти 90°) (рис. 2). Поэтому нагревание поверхности Земли совершается с разной интенсивностью (у экватора оно наибольшее, а у полюсов — наименьшее). Отсюда неравномерность распределения тепла в биосфере. Форма Земли — самый мощный климатообразующий фактор.

Размер Земли

Фактическая поверхность Земли из-за неровностей рельефа больше, чем высчитанная её математическая поверхность (больше 510 млн км²). Конечные формы Земли не допускают беспредельного расширения ареала жизни в биосфере. Поэтому мы наблюдаем многоярусность в распределении живого вещества. Эта многоярусность свидетельствует, что размеры нашей планеты уже оказали тормозящее воздействие на распределение живого вещества в биосфере.

Гравитационное поле Земли

Обусловлено одним из четырёх главных взаимодействий в нашей Вселенной — силой гравитации. Особенность этого феномена в том, что мы не можем его зримо воспринять как рельеф, растительность, горные породы. Отсюда и сложность его изучения: изменчивость гравитационного поля устанавливается только по показаниям приборов. Влияние этого феномена на биосферу и живое вещество огромно. Размеры планеты и плотность вещества определяют массу Земли — 5,97 × 10²⁴ кг (при этом масса Земли не постоянна: увеличение за счёт космической пыли — метеоритов, комет примерно 40 тысяч тонн в год и уменьшение — диссипации атмосферных газов 97 тысяч тонн в год, при этом сила тяжести уменьшается и способность удерживать атмосферу ещё больше падает). Эта масса и определяет напряжённость гравитационного поля Земли. Сила тяжести не остаётся постоянной: она уменьшается от полюса к экватору с 9,78 м/с² до 9,83 м/с². Именно гравитационным полем была создана шарообразная форма Земли. И под его непрерывным воздействием находятся все процессы, идущие в биосфере. Благодаря гравитационному полю вокруг Земли не только удерживается газовая оболочка, но и формируется её газовый состав. Легкие элементы (водород и гелий) постоянно улетучиваются из атмосферы в космическое пространство.

Благодаря атмосфере на Земле существует гидросфера, поскольку именно давление воздушного столба обеспечивает возможность нахождения у земной поверхности воды в жидкой фазе. Наличие гидросферы в свою очередь обусловливает взаимодействие в биосфере двух мощных рельефообразующих факторов — эндогенного и экзогенного. Эндогенный фактор — создание рельефа тектоническими движениями, а экзогенный — геологическая деятельность текучих вод и ветра. С наличием гравитационного поля связано явление изостазии, которое и гасит глубинные вертикальные движения в литосфере и тем самым смягчает их воздействие на биосферу.

Гравитационное поле накладывает ограничения на размеры живых организмов, находящихся под его воздействием. Если размеры какого-нибудь живого организма увеличить в 10 раз, то его поверхность увеличится в 100 раз, а масса в 1000 раз. Воздействие гравитационного поля зависит от среды: в воздушной среде оно больше, чем в водной. Поэтому размеры водных организмов могут быть больше наземных, что и наблюдается в действительности. Шаровая форма гравитационного поля Земли определяет две формы симметрии пространства биосферы — коническую и билатеральную.

Если тело в биосфере растёт вверх (или вниз), то оно приобретает коническую форму. Например, горные вершины, вулканические конуса, карстовые воронки, деревья и так далее. Если тело растёт в горизонтальном направлении, то сила тяжести делает его листообразным. К примеру, дельты рек, листья, пласты горных пород и так далее. Напряжённость гравитационного поля, в конечном счёте, определяет верхний предел гор: они не могут быть выше 9 км.

Влияния, возникающие в связи с небесной механикой¶

Земля как планета совершает одновременно множество движений в соответствии с законами небесной механики. Для биосферы и процессов, протекающих в ней, наибольшее значение имеют следующие движения:

• вращение Земли вокруг своей оси;
• обращение Земли вокруг Солнца;
• изменение взаимного расположения Земли, Луны и Солнца;
• вращение солнечной системы вокруг центра инерции галактики.

Поскольку все эти движения совершаются периодически, то именно с ними связана периодичность многих биосферных процессов.

Вращение Земли вокруг своей оси

Суточное вращение Земли происходит вокруг оси, которая в силу гироскопическою эффекта стремится сохранить постоянное положение в пространстве. Вращение Земли происходит против часовой стрелки, если смотреть с северною полюса. Скорость вращения постепенно замедляется, что сказывается на продолжительности суток. Вековое увеличение суток составляет всего 0,0016 с/век. Для жизни человека это ничтожное значение. Если же рассматривать историю биосферы, то это замедление уже нельзя не учитывать (около полусуток за 3 млрд лет).

Вращение Земли приводит к смене дня и ночи, что обусловливает самую короткую ритмику биосферных процессов, связанную с суточным ритмом солнечной радиации. Суточное вращение Земли создаёт особый ритм в процессах биосферы. Днём в почве поток тепла направлен от поверхности вглубь, ночью — из глубины к поверхности. Температура воздуха обладает ясно выраженным ходом, с максимумом в середине дня и минимумом незадолго до восхода солнца. Сменой дня и ночи объясняется ход абсолютной влажности (наибольшее значение — в самое тёплое время дня), а также суточный ход относительной влажности (противоположный предыдущему).

Вращение Земли вызывает появление в биосфере так называемой силы Кориолиса (поворотной силы). Эти силы действует только на движущиеся тела. Она зависит от их массы и скорости, а также от географической широты, на которой расположено движущееся тело. Сила Кориолиса вызывает отклонение движущегося тела в Северном полушарии вправо, а в Южном — влево. Это имеет значение для движения водных и воздушных масс, создавая систему постоянных круговых течений в гидросфере и атмосфере. Вращение Земли вызывает вихри в атмосфере — циклоны и антициклоны. Они тоже участвуют в переносе тепла и влаги в биосфере. В циклонах в Северном полушарии вихревое движение происходит против часовой стрелки, а в антициклонах — по часовой стрелке.

Обращение Земли вокруг Солнца

Земля вокруг Солнца движется по эллиптической орбите. Солнце расположено в одном из фокусов эллиптической орбиты Земли, вследствие чего расстояние между Землёй и Солнцем в течение года меняется от 147,117 млн км (в перигелии — ближайшая к Солнцу точка орбиты) до 152,083 млн км (в афелии — наиболее удалённая от Солнца точка орбиты). Земная ось наклонена по отношению к плоскости орбиты и образует с ней угол в 66° 33'. Движение Земли вокруг Солнца обусловливает чередование времён года.

Изменение взаимного расположения Земли, Луны и Солнца

Приводят к образованию в земных оболочках (литосфере и гидросфере) приливных деформаций (выпуклостей). Так как взаимное расположение Земли, Луны и Солнца все время меняется, то изменяется и величина солнечных и лунных приливов. Высота приливных волн в гидросфере может достигать первых десятков метров, а в литосфере 0,4 м. Вертикальные движения в литосфере, вызванные приливной волной, приводят к выделению тепловой энергии, обусловленной внутренним трением вязкого вещества Земли.

Вращение Солнечной системы вокруг центра инерции Галактики

Солнечная система находится на периферии нашей галактики и медленно вращается вокруг её центра инерции. Это движение Солнечной системы приводит к периодическим изменениям в биосфере, продолжительность которых составляет 200–250 млн лет. За это время Солнечная система совершает полный оборот вокруг центра инерции галактики и осуществляется большой ядерный цикл Солнца. Периодические изменения продолжительностью 40–60 млн лет представляют своего рода сезоны галактического года. Они связаны с перемещением Солнечной системы в те области галактики, которые обладают несколько иными условиями космической среды. Эти изменения климата второго порядка находят своё отражение в кризисах и расцветах флоры, в вымирании ранее господствовавших групп морской и континентальной фауны, в коренном переустройстве всей природной зональности.

Таким образом, движения Земли и разнообразные влияния Космоса на эти движения порождают разнопорядковую ритмику биосферных процессов (длительностью от суток до 200–250 млн лет).

Влияние процессов, происходящих на Солнце¶

Система электрических токов в ионосфере Солнца и в окружающем Землю космическом пространстве приводит к вариациям переменного магнитного поля, среди которых различают:

• Солнечно-суточные вариации с периодом 27 дней. Максимума эти вариации достигают в период летнего солнцестояния, минимума — в период зимнею солнцестояния. При солнечной активности они могут возрастать на 100 %.
• Лунно-суточные вариации. Их интенсивность меньше солнечно-суточных (не более 10–15 %). У них в сутках два максимума и два минимума и интенсивность зависит от расстояния от Луны до Земли.
• Магнитные бури на Солнце связаны с изменением количества пятен на Солнце, так называемых чисел Вольфа. Колебания солнечной активности имеют период 2000–1800 лет, 600–400 лет, 90–60 лет, 22–11 лет.

Переменное магнитное поле Земли создаёт периодичность процессов в биосфере. Такое влияние на живое вещество прослеживается в сопряжённости изменений переменного магнитного поля Земли и ряда биологических явлений (например, колебаний численности животных, насекомых; повторяемости эпидемий (люди) и эпизоотий (животные); массовых внесезонных миграций животных и насекомых). Изменения геомагнитною поля приводят к нарушениям ритмики внутренних процессов у человека.

Просихождение геосфер¶

В ходе формирования и развития планеты в течение 4,6 млрд лет происходили процессы превращения и перемещения материи, в результате чего материя Земли расчленилась на ряд оболочек (геологических сфер, геосфер).

Выделяют несколько геосфер: ядро, мантию, земную кору, литосферу, атмосферу, гидросферу, педосферу, биосферу и ноосферу.

Данные оболочки имеют разный химический состав (рис. 3) и разные количественные характеристики (рис. 4), что объясняется дифференциацией первичного вещества. В результате этой дифференциации на Земле сложились условия, благоприятные для развития жизни. Жизнь в свою очередь сформировала биосферу, а человек — ноосферу.

Геосферы Земли¶

В учении о биосфере на первоначальных этапах развития, в том числе и в период деятельности В.И. Вернадского структуре биосферы уделялось мало внимания. В.И. Вернадский ограничился беглым обзором геологических оболочек и геосфер Земли.

В дальнейшем основные усилия были направлены на исследование отдельно суши и океана, а также биосферы как целого с её геохимией, круговоротами веществ и потоком энергии, порождающим эти круговороты, с одной стороны и на изучение элементарных экосистем — биогеоценозов с их энергетико-вещественными свойствами, с другой.

Но очевидно, что без знания структуры оболочек Земли и, в частности, структуры самой биосферы, невозможно понять и функции системы.

Геосферы — сферические оболочки, из которых состоит планета Земля.

Концепцию геосфер создал геолог Э. Зюсс.

Выделяют несколько геосфер. Если рассматривать в направлении снизу-вверх, то они расположены в таком порядке: литосфера, гидросфера, педосфера, биосфера (с оговорками), атмосфера, ионосфера и магнитосфера.

Литосфера¶

Литосфера — твёрдая оболочка Земли. Состоит из земной коры и верхней (твёрдой) части мантии.

Строение литосферы

Выделяют подвижные части — литосферные плиты и часть — так называемая астеносфера, по которой эти плиты движутся (рис. 5). Верхняя часть астеносферы лежит на глубине 100–120 км под материками и 50–60 км под океанами.

Земная кора в свою очередь состоит из нескольких слоев, причём под материками и океанами набор слоёв не одинаков. Под материками кора состоит из осадочного, гранитного и базальтового слоёв общей толщиной около 70 км. Под океанами земная кора толщиной всего 5–15 км, при этом гранитный слой полностью отсутствует.

Океаническая кора непрерывно образуется в срединно-океанических хребтах, расходится от них (спрединг) и поглощается в мантию в зонах субдукции (рис. 6).

Срединно-океанические хребты являются границами литосферных плит (рис. 7).

Ввиду особенностей тектонических процессов океаническая кора относительно молодая, самые древние участки её датируются юрским периодом (не более 200 млн лет). Толщина её практически постоянна (5–15 км).

Толщина материковой земной коры 35–70 км. Гранитный слой обладает низкой плотностью и древней историей. Большая часть пород, составляющих гранитный слой, образовалась около 3 миллиардов лет назад.

Земная кора сложена из горных пород (геологические образования, состоящие из минералов и обладающие относительно постоянным химическим составом и свойствами), которые в свою очередь, состоят из минералов (природные тела однородного химического состава, обладающее во всей своей массе одинаковыми физическими свойствами).

По способу образования горные породы подразделяют на:

• Магматические, образующиеся из жидкого силикатного расплава магмы при её остывании в недрах Земли (интрузивные породы) или на её поверхности (эффузивные породы). К ним относят, например, гранит, габбро, базальт и другие.
• Метаморфические, образующиеся из магматических и осадочных горных пород под влиянием процессов метоморфизма — высоких температур, высокого давления и горячих газов и растворов в средних слоях литосферы. К ним относят сланцы, гнейс, мрамор и другие породы.
• Осадочные, образующиеся на поверхностной части земной коры в результате разрушения, переотложения и преобразования на поверхности Земли и на дне водоёмов ранее существовавших пород. Их подразделяют на:
  • Механические (обломочные), которые образуются в результате механического разрушения магматических и метаморфических пород (галька, гравий, песок, ил глина и другие).
  • Химические, которые образуются за счёт выпадения осадка при перенасыщении растворов (известняк, доломит, каменная соль и другие).
  • Органические, образующиеся в результате жизнедеятельности организмов (органогенные известняки, мел, торф, нефть, уголь и и другие).

Доля горных пород в земной коре: 70 % — магматические, 17 % — метаморфические, 12 % — осадочные.

Типы вещества

В состав литосферы входят все типы веществ (согласно классификации В.И. Вернадского), присущих биосфере, но среди них явно преобладают косное и биокосное. Особенно если рассматривать гранитный слой, как следы былых биосфер (оболочка Земли, когда-либо подвергавшаяся воздействию жизни).

Живое вещество

Представлено исключительно термофильными микроорганизмами (организмы, живущие при относительно высоких температурах свыше 45 °C).

Главнейшие процессы

Литосфере свойственен особый набор процессов. Ведущим среди них следует считать глубинную дифференциацию вещества мантии планеты, которая идёт по принципу зонного плавления (гипотетический процесс выплавления и дегазации вещества мантии Земли, аналогичный механизму зонной плавки, который приводит к образованию оболочек Земли. На ранней стадии эволюции Земли в мантии на различных глубинах в результате разогревания теплом возникают отдельные расплавленные магматические очаги, дальнейшая химическая дифференциация которых в соответствии с законами зонной плавки приводит к разделению первичного вещества на фазы — тугоплавкую и легкоплавкую. Последняя перемещается вверх к поверхности Земли). Именно с этим процессом связана дегазация недр, в результате которой сформировались первичные атмосфера и гидросфера планеты.

К литосфере приурочено последнее звено большого круговорота солнечной энергии. Именно в нем при метаморфизме и переплавке осадочных пород высвобождается значительное количество законсервированной солнечной энергии.

С преобразованиями, идущими в глубине литосферы, связаны и возникающие в ней тектонические движения, которые приводят к опусканию, поднятию или к горизонтальным перемещениям отдельных участков земной коры, создавая первичный тектонический рельеф. В результате меняется пространственный характер распределения суши и моря на земной поверхности, вырастают наземные и подводные хребты. Все это влияет на характер циркуляции воздушных и водных масс.

Гидросфера¶

Гидросфера — прерывистая водная оболочка Земли, в составе которой выделяют Мировой океан, континентальные поверхностные воды и подземные воды.

Океаны покрывают около 71 % земной поверхности. Большая часть воды сосредоточена в океане, намного меньше — в ледниках, континентальных водоёмах и подземных водах. Солёные океанические воды составляют 96,5 % объёма гидросферы, воды ледников — 1,86 %, подземные воды — 1,68 %, а поверхностные воды суши — немногим более 0,02 % (рис. 8).

Воду, которая находится в твёрдом состоянии (в виде ледников, снежного покрова и в вечной мерзлоте), объединяют под названием криосферы.

Типы вещества

Вода Мирового океана представляет собой тело, сложенное в основном биокосным веществом, которое представляет собой первичную среду обитания живого вещества. Кроме того, в океанических водах присутствует радиоактивное вещество, поступившее с суши и из литосферы. В незначительном количестве есть также космическое вещество, попадающее в океанические воды из атмосферы, а также косное вещество, поступившее из литосферы при подводной вулканической деятельности и снесённое с суши.

Живое вещество

В Мировом океане зародилось живое вещество. Из него оно начало свою экспансию на сушу и в глубь земной коры.

Живые организмы в океане распределены весьма неравномерно, они образуют в нем плёнки и сгущения. Обычно они приурочены к областям, куда проникает солнечная энергия и где есть достаточный запас биогенных элементов. Первая плёнка, планктонная, располагается на поверхности океана до глубин несколько десятков метров, вторая (донная) приурочена ко дну, особенно на мелководьях, куда проникает солнечный свет. На океаническом дне, в полном мраке, тоже присутствует живое вещество. Но там им используется не механизм фотосинтеза, а хемосинтез.

В океане есть несколько сгущений живого вещества:

• первое приурочено к контактной зоне суши и моря. В эту зону с суши поступает большое количество органических веществ.
• второе — плавучие массы водорослей в открытом океане. Это так называемые саргассовые сгущения.
• третье приурочено к так называемым зонам апвеллинга. В них поднимаются к поверхности океана холодные глубинные воды, обогащённые биогенными элементами.

Вне этих сгущений океанические просторы напоминают пустыню.

Живые организмы океана обладают способностью извлекать из морской воды и концентрировать в своём теле отдельные элементы, повышая их содержание до 10 000 раз. К таким элементам относятся йод, многие тяжёлые металлы, золото и другие.

Главнейшие процессы

Океан в силу своих огромных размеров является весьма инерционной системой, сглаживающей температурные колебания на поверхности Земли. Он играет первостепенную роль в распределении в различных частях планеты таких параметров как температура и количество влаги.

Мировой океан является начальным звеном огромного внешнего круговорота воды на земной поверхности. Именно испаряясь с океана, вода переносится на континенты.

Не меньшую роль мировой океан играет и в переносе тепла, поскольку вся океаническая толща находится в постоянном движении, что предопределяет его значительную климатообразующую роль.

Мировой океан является последним звеном (конечным водоёмом стока) в глобальном процессе осадочной дифференциации вещества. Именно в нем образуется основная масса осадочных горных пород, которые в дальнейшем, после переплавки в недрах земли, образуют гранитный слой земной коры.

Газообмен в биосфере тоже в значительной степени регулируется океаном, особенно углекислоты. Кроме того, в океане наблюдается, с одной стороны, грандиозный процесс переноса углекислоты из высоких широт в низкие, а с другой — ещё более грандиозный процесс исчерпания CO₂ из атмосферы и водных масс и её перевод в твёрдые осадки (карбонаты), которые захороняются на дне океана.

Педосфера¶

Почвенная оболочка Земли.

Подробнее в Биосферные функции почвенного покрова

Атмосфера¶

Атмосфера — сплошная воздушная оболочка планеты, та область вокруг Земли, в которой газовая среда вращается вместе с Землёй.

Атмосфера состоит из смеси газов и пылевых частиц. В сухом чистом воздухе около поверхности Земли содержится 78 % азота, 21 % кислорода, 0,9 % аргона, 0,03 % углекислого газа и около 0,003 % смеси неона, гелия, криптона, ксенона, оксидов азота, метана, водорода, паров воды и озона. На долю водяного пара приходится до 3 % объёма атмосферы.

Состав и свойства атмосферы на разных высотах различается, поэтому в её строении атмосферы выделяют несколько слоёв и границ между слоями (рис. 9).

Пограничный слой атмосферы

Нижний слой атмосферы в котором состояние и свойства поверхности Земли непосредственно влияют на динамику атмосферы. Толщина приграничного слоя — 1–2 км.

Тропосфера

Верхняя граница тропосферы находится на высоте 8–10 км (от поверхности Земли) в полярных, 10–12 км в умеренных и 16–18 км в тропических широтах; зимой ниже, чем летом. Тропосфера содержит более 80 % всей массы атмосферного воздуха и около 90 % всего имеющегося в атмосфере водяного пара. В тропосфере сильно развиты турбулентность и конвекция, возникают облака, развиваются циклоны и антициклоны.

Температура убывает с ростом высоты со средним вертикальным градиентом 0,65°/100 м до достижения тропопаузы. В умеренных широтах температура — (–63)–(–53) °C, в тропиках (–93)–(–153) °C.

Тропопауза

Переходный слой от тропосферы к стратосфере, слой атмосферы, в котором прекращается снижение температуры с высотой и начинается её повышение. Толщина тропопаузы от сотен метров до 2–3 км.

Стратосфера

Располагается на высоте от 11 до 50 км. Характерно повышение температуры в слое 25–40 км от −56,5 до 0,8 °С, затем достигнув на высоте около 40 км значения около 0 °C, температура остаётся постоянной до высоты около 55 км.

Часть стратосферы на высоте от 20 до 25 км с наибольшим содержанием озона, образующегося в результате воздействия ультрафиолетового излучения Солнца на молекулярный кислород носит название озонового слоя.

Стратопауза

Эта область постоянной температуры называется стратопаузой и является границей между стратосферой и мезосферой.

Мезосфера

Мезосфера начинается на высоте 50 км и простирается до 80–90 км. Температура с высотой понижается со средним вертикальным градиентом (0,25–0,3) °/100 м и составляет (–60–(–80) °C.

Мезопауза

Переходный слой между мезосферой и термосферой. В вертикальном распределении температуры имеет место минимум (около –90 °C).

Линия Кáрмана

Высота над уровнем моря, которая условно принимается в качестве границы между атмосферой Земли и космосом. В соответствии с определением Международной авиационной федерации (ФАИ), линия Кармана находится на высоте 100 км над уровнем моря.

Термосфера

Верхний предел — около 800 км. Температура растёт до высот 200–300 км, где достигает значений порядка 1227 ºС, после чего остаётся почти постоянной до бóльших высот. Под действием солнечной радиации и космического излучения происходит ионизация воздуха («полярные сияния») — основные области ионосферы лежат внутри термосферы. На высотах свыше 300 км преобладает атомарный кислород. Верхний предел термосферы в значительной степени определяется текущей активностью Солнца.

Термопауза

Область атмосферы, прилегающая сверху к термосфере. В этой области поглощение солнечного излучения незначительно и температура фактически не меняется с высотой.

Экзосфера (сфера рассеяния)

Внешняя часть термосферы, расположенная выше 500–1000 км (в зависимости от солнечной активности). Газ в экзосфере сильно разрежён, и отсюда идёт утечка его частиц в межпланетное пространство (диссипация).

До высоты 100 км атмосфера представляет собой гомогенную хорошо перемешанную смесь газов. В более высоких слоях распределение газов по высоте зависит от их молекулярных масс, концентрация более тяжёлых газов убывает быстрее по мере удаления от поверхности Земли. Вследствие уменьшения плотности газов температура понижается от 0 °C в стратосфере до −110 °C в мезосфере. Выше 200 км наблюдаются значительные флуктуации температуры и плотности газов во времени и пространстве.

На высоте около 2000–3500 км экзосфера постепенно переходит в так называемый ближнекосмический вакуум, который заполнен редкими частицами межпланетного газа, главным образом атомами водорода. Но этот газ представляет собой лишь часть межпланетного вещества. Другую часть составляют пылевидные частицы кометного и метеорного происхождения. Кроме чрезвычайно разрежённых пылевидных частиц, в это пространство проникает радиация солнечного и галактического происхождения.

На долю тропосферы приходится около 80 % массы атмосферы, на долю стратосферы — около 20 %; масса мезосферы — не более 0,3 %, термосферы — менее 0,05 % от общей массы атмосферы.

Также выделяют ионосферу — слой атмосферы планеты, сильно ионизированный вследствие облучения космическими лучами. У планеты Земля — верхняя часть атмосферы, состоящая из мезосферы, мезопаузы и термосферы, главным образом ионизированная облучением Солнца. И магнитосферу — область пространства вокруг небесного тела, в которой поведение окружающей тело плазмы определяется магнитным полем этого тела.

Типы вещества

Вся атмосфера в основном сложена газообразным биокосным веществом. Количества живого вещества по сравнению с газами очень немного и оно сосредоточено вблизи от поверхности Земли.

В составе атмосферного вещества выделяют две группы компонентов. Постоянные компоненты — газы, встречаются почти всегда в одинаковых процентных соотношениях. Ко второй группе относятся переменные компоненты. Их содержание меняется от места к месту в широких пределах, в зависимости от температуры, близости моря, техногенной деятельности и ряда других факторов. К ним относится в первую очередь парообразная вода, содержание которой находится в зависимости от температуры. Далее идут компоненты, поднятые с поверхности Земли и постепенно на нее осаждающиеся. К ним относятся: пыль, поступившая в результате бурь и ураганов, а также пыль, выброшенная химическими и металлургическими предприятиями; сажа; вулканический пепел, разносимый по всему земному шару; космическая пыль, поступающая в атмосферу из Космоса и постепенно осаждающаяся на поверхность Земли; пыль от термоядерных взрывов; морская соль, которая попадает в атмосферу с брызгами морской воды.

Живое вещество

Живое вещество в атмосфере не образует сплошной плёнки, а представлено в основном рассеянными микроорганизмами, «плавающими» в воздухе. Количество их с высотой резко сокращается.

По воздуху также может разноситься пыльца растений, а также совершают перелёты насекомые и птицы. Эти перелёты, особенно птиц, удлиняют пути миграции химических элементов.

Главнейшие процессы

Обусловлены не столько разнообразием компонентов, сколько разнообразием их физических состояний, необычайностью молекулярных реакций, в которых могут участвовать и инертные газы.

Образования озона из молекул кислорода при воздействии на них ультрафиолетовых лучей (фотохимическая реакция) — один из главнейших процессов, присущих только атмосфере. Озоновый экран представляет собой результат динамического равновесия образования и разрушения озона.

Циркуляция атмосферы — ещё один из важнейших процессов. В циркуляционных процессах водяной пар играет особую роль. Парообразная вода находится в легко изменяемом фазовом состоянии, то есть при нормальном атмосферном давлении и обычных температурах она может находиться одновременно как в газообразном, так и в жидком и твёрдом состояниях. Поскольку переходы из одной фазы в другую сопровождаются поглощением или выделением тепла, водяной пар оказывается теплоносителем, перемещающимся вместе с воздушными массами.

Образовании ионов NO₃ (нитратный радикал) и NH₄ (аммоний) в атмосфере при грозах в результате электрических разрядов молний. На земном шаре ежегодно происходит около 70000 гроз, с числом молний порядка 2,5 миллионов. В результате в год на 1 км² выпадает от 1,5 т (умеренные широты) до 3,5–7 т (низкие широты) азотной кислоты. Выпавшая вместе с каплями дождя азотная кислота вступает в обменные реакции с твёрдыми минеральными частицами почвы и высвобождает питательные вещества (фосфор, калий, кальций и другие) из недоступного состояния в легкорастворимые формы, используемые растениями для питания.

Литература¶