ЛЕКЦИЯ 5. СОСТАВ ГЕОГРАФИЧЕСКОЙ ОБОЛОЧКИ
На Земле сила Кориолиса проявляется в том, что свободно падающие тела отклоняются по вертикали к востоку, а тела, движущиеся вдоль земной поверхности, отклоняются от направления их движения в Северном полушарии вправо, а в Южном — влево.
Магнитное поле. Присутствие магнитного поля Земли наблюдал каждый, кто брал в руки компас и видел, как один конец стрелки, указывает на север, другой — на юг.
Различают два вида магнитного поля Земли: постоянное (главное) и переменное. Природа и происхождение их различны, но между ними существует взаимосвязь. Формированию постоянного магнитного поля способствуют внутренние источники — электрические токи, возникающие на поверхности уплотненного ядра Земли из-за различия температур в его частях, что предположительно связано с динамическими процессами в мантии и ядре.Переменное поле создается внешними источниками, находящимися за пределами планеты — электрическими токами в верхних слоях атмосферы. Пришедшие из глубин Вселенной лучи и частицы вызывают многие известные явления — полярные сияния, магнитные бури, ионизацию воздуха, переход атмосферного кислорода и азота из молекулярного в атомарное состояние и др. Переменное магнитное поле примерно в 100 раз слабее постоянного и характеризуется колебаниями, различными по происхождению и продолжительности действия.Плоскость большого круга, в которой находится магнитная стрелка, называется магнитным меридианом. Магнитные меридианы, как и географические, сходятся в двух точках — магнитных полюсах. Магнитные полюса не совпадают с географическими, и их координаты меняются в пространстве: северный полюс — 75°42' с.ш., 101о30' з.д. (1970г.); 77°36' с.ш., 102°48' з.д. (1985 г.), южный полюс — 65°30' ю.ш., 140°18' в.д. и 65° 06' ю.ш., 139° в.д. (1985 г.). Северный магнитный полюс дрейфует со скоростью 5—6 км/год, но к 2002 г. его скорость возросла до 40 км/год.
Магнитное поле Земли характеризуется следующими показателями: магнитным склонением, магнитным наклонением и напряженностью.
Магнитное склонение — угол между истинным направлением на север, т.е. географическим меридианом, и направлением северного конца магнитной стрелки. Его значение изменяется от 0° до ±180°. Линии одинакового магнитного склонения называют изогонами.
Магнитное наклонение — угол между горизонтальной плоскостью и магнитной стрелкой, свободно подвешенной на горизонтальной оси. Его значение изменяется от 0° до (±90)°. Оно бывает положительным в северном геомагнитном полушарии и отрицательным — в южном. Линии одинакового магнитного наклонения называют изоклинами.
Напряженность характеризует силу магнитного поля и ее величина возрастает с широтой.
Электрическое поле Земли существует во всех сферах географической оболочки, в том числе и у животных. Основная его характеристика — напряженность — представляет собой силу, приложенную в этом поле к единичному положительному заряду.
Явления, связанные с движением электрических зарядов, лежат в основе многих процессов, происходящих во Вселенной и на Земле. Наша планета постоянно подвергается «бомбардировке» заряженными частицами из космического пространства. Некоторые из них возникают за пределами Солнечной системы и в основном представлены протонами (примерно 85%), a-частицами (около 14%) и тяжелыми атомными ядрами. Большинство этих частиц образуется, вероятно, в пределах нашей Галактики, и поэтому их потоки называют галактическими космическими лучами. Кроме них известны солнечные космические лучи, исходящие от Солнца и состоящие в основном также из протонов. Именно они формируют внеземные электрические потоки, заметно увеличивающиеся в периоды сильных возмущений на поверхности Солнца.
Земные (теллурические) электрические потоки захватывают обширные участки земной коры и океанской толщи, размеры которых составляют сотни и тысячи квадратных километров. Главной причиной их образования считают изменение интенсивности солнечной радиации, создающее в атмосфере, гидросфере и литосфере переменное электромагнитное поле.
Тепловое поле существует за счет неравномерного нагревания вещества Земли — горных пород, вод и воздуха, в результате чего возникает пространственная неравномерность распределения температуры. Источниками термического поля являются внутренние и внешние процессы.
Внешний источник — солнечная радиация, проникает на глубину лишь в несколько метров. Дальнейшее увеличение температуры с глубиной (в среднем 0,3°С на 100 м) связано с внутренними источниками — распадом радиоактивных элементов, гравитационной дифференциацией вещества, приливным трением, процессами метаморфизма и фазовыми переходами вещества. Большинство исследователей главным источником внутреннего тепла считает гравитационную дифференциацию вещества.В начале XX в. американский ученый Ф.У. Кларк стал изучать количественную распространенность химических элементов в земной коре, атмосфере и гидросфере. Для обозначения среднего содержания химического элемента в земной коре (атмосфере, гидросфере, Земле в целом, космических объектах) А.Е. Ферсман в 1923 г. предложил термин «кларк».
земная кора почти наполовину (47%) состоит из кислорода и ее можно назвать «кислородной сферой». Вместе с кремнием эти элементы составляют приблизительно 80% массы земной коры, а с учетом кларков алюминия, железа, кальция, натрия, калия, магния и титана сумма увеличивается до 99,48%. Доля всех остальных элементов составляет около 0,5%.
Отношение содержания элемента в данной системе к его кларку в земной коре называется кларком концентрации. Этот термин введен В.И. Вернадским в 1937 г. и является важной геохимической характеристикой. Если кларк меньше единицы, то пользуются показателем кларк рассеяния — величиной, обратной кларку концентрации.
Вещество Земли находится в постоянном движении. На миграцию (движение, перемещение, перераспределение) и дифференциацию элементов влияют две группы факторов: внутренние — свойства химических элементов, определяемые строением атомов, их способностью образовывать соединения, осаждаться из растворов и расплавов, и внешние, характеризующие обстановку миграции — температура, давление, кислотно-щелочные и окислительно-восстановительные условия (рН и Eh).
Парагенетические ассоциации элементов. Понятие парагенезиса ввел В.И.Вернадский в 1909 г., хотя в минералогии это явление было описано за 100 лет до него и называлось смежностью. Под парагенезисом понимают совместное нахождение элементов или минералов, связанных между собой генетически. Отрицательный (запрещенный) парагенезис — это невозможность совместного образования и нахождения элементов или минералов.
Химические элементы и соединения, определяющие условия миграции в данной системе, называются ведущими. Обычно их число невелико. Например, геохимическая обстановка в океане определяется наличием кислорода, натрия и хлора. Во многих природных средах установлена ведущая роль иона Н+, от которого зависит рН среды.
Внутреннее строение Земли включает три оболочки: земную кору, мантию и ядро. Оболочечное строение Земли установлено дистанционными методами, основанными на измерении скорости распространения сейсмических волн, имеющих две составляющие — продольные и поперечные волны. Продольные (Р) волны связаны с напряжениями растяжения (или сжатия), ориентированными по направлению их распространения. Поперечные (S) волны вызывают колебания среды, ориентированные под прямым углом к направлению их распространения. Эти волны в жидкой среде не распространяются.
Земная кора — каменистая оболочка, сложенная твердым веществом с избытком кремнезема, щелочи, воды и недостаточным количеством магния и железа. Она отделяется от верхней мантии границей Мохоровичича (слоем Мохо), на которой происходит скачок скоростей продольных сейсмических волн примерно до 8 км/с. Этот рубеж, установленный в 1909 г. югославским ученым А. Мохоровичичем, как считают, совпадает с внешней перидотитовой оболочкой верхней мантии. Мощность земной коры (1% от общей массы Земли) составляет в среднем 35 км: под молодыми складчатыми горами на континентах она увеличивается до 80 км, а под срединно-океаническими хребтами уменьшается до 6 — 7 км (считая от поверхности океанского дна).
Мантия представляет собой наибольшую по объему и весу оболочку Земли, простирающуюся от подошвы земной коры до границы Гутенберга, соответствующей глубине приблизительно 2900 км и принимаемой за нижнюю границу мантии. Мантию подразделяют на нижнюю (50% массы Земли) и верхнюю (18%). По современным представлениям, состав мантии достаточно однороден вследствие интенсивного конвективного перемешивания внутримантийными течениями. Прямых данных о вещественном составе мантии почти нет. Предполагается, что она сложена расплавленной силикатной массой, насыщенной газами. Скорости распространения продольных и поперечных волн в нижней мантии возрастают, соответственно, до 13 и 7 км/с. Верхняя мантия с глубины 50—80 км (под океанами) и 200—300 км (под континентами) до 660—670 км называется астеносферой. Это слой повышенной пластичности вещества, близкого к температуре плавления.
Ядро представляет собой сфероид со средним радиусом около 3500 км. Прямые сведения о составе ядра также отсутствуют. Известно, что оно является наиболее плотной оболочкой Земли. Ядро также подразделяется на две сферы: внешнее, до глубины 5150 км, находящееся в жидком состоянии, и внутреннее — твердое. Во внешнем ядре скорость распространения продольных волн падает до 8 км/с, а поперечные волны не распространяются вовсе, что принимается за доказательство его жидкого состояния. Глубже 5150 км скорость распространения продольных волн возрастает и вновь проходят поперечные волны. На внутреннее ядро приходится 2% массы Земли, на внешнее — 29%.
Внешняя «твердая» оболочка Земли, включающая земную кору и верхнюю часть мантии, образует литосферу. Ее мощность составляет 50—200 км.
Литосферу и подстилающие подвижные слои астеносферы, где обычно зарождаются и реализуются внутриземные движения тектонического характера, а также часто находятся очаги землетрясений и расплавленной магмы, называют тектоносферой.
Состав земной коры. Химические элементы в земной коре образуют природные соединения — минералы, обычно твердые вещества, обладающие определенными физическими свойствами. В земной коре содержится более 3000 минералов, среди которых около 50 породообразующих.
Закономерные природные сочетания минералов образуют горные породы. Земная кора сложена горными породами разного состава и происхождения. По происхождению горные породы подразделяют на магматические, осадочные и метаморфические.
Магматические горные породы образуются за счет застывания магмы. Если это происходит в толще земной коры, то формируются интрузивные раскристаллизованные породы, а при излиянии магмы на поверхность создаются эффузивные образования. По содержанию кремнезема (SiO2) различают следующие группы магматических горных пород: кислые (> 65% — граниты, липариты и др.), средние (65—53% — сиениты, андезиты и др.), основные (52—45% — габбро, базальты и др.) и ультраосновные (<45% — перидотиты, дуниты и др.).
Осадочные горные породы возникают на земной поверхности за счет отложения материала разными способами. Часть из них образуется в результате разрушения горных пород. Это обломочные, или пластические, породы. Величина обломков варьирует от валунов и галек до пылеватых частиц, что позволяет различать среди них породы разного гранулометрического состава — валунники, галечники, конгломераты, пески, песчаники и др. Органогенные породы создаются при участии организмов (известняки, угли, мел и др.). Значительное место занимают хемогенные породы, связанные с выпадением вещества из раствора при определенных условиях.
Метаморфические породы образуются в результате изменения магматических и осадочных пород под воздействием высоких температур и давлений в недрах Земли. К ним относятся гнейсы, кристаллические сланцы, мрамор и др.
Для географической оболочки большую роль играет относительно маломощный и прерывистый слой осадочных горных пород (стратисфера), которые непосредственно контактируют с разными компонентами географической оболочки. Средняя мощность осадочных пород около 2,2 км, реальная мощность колеблется от 10— 14 км в прогибах до 0,5—1 км на океаническом ложе.По строению и мощности (рис. 5.1) различают два основных типа земной коры — материковый (континентальной) и океанический.
Материковая кора состоит из осадочного, гранитного и базальтового слоев. Океаническая кора двухслойная. Ее основная масса сложена базальтами, на которых лежит маломощный осадочный слой. Мощность осадочного покрова, как правило, не превышает 1—1,5 км.
Крупные формы рельефа называются морфоструктурами (например, горные хребты, плато). Сравнительно мелкие формы рельефа образуют морфоскульптуры (например, карст).
Основные планетарные структуры Земли — материки и океаны. В пределах материков выделяют крупные структуры второго порядка — складчатые пояса и платформы, которые отчетливо выражены в современном рельефе.
Платформы — это устойчивые в тектоническом отношении участки земной коры обычно двухъярусного строения: нижний, образованный древнейшими породами, называют фундаментом, верхний, сложенный преимущественно осадочными породами более позднего возраста — осадочным чехлом. Возраст платформ оценивают по времени формирования фундамента. Участки платформ, где фундамент погружен под осадочный чехол, называют плитами (например, Русская плита). Места выхода на дневную поверхность пород фундамента платформы называют щитами (например, Балтийский щит).
На дне океанов выделяются тектонически устойчивые участки — талассократоны и подвижные тектонически активные полосы — георифтогенали.Представления о механизме формирования земных структур разрабатываются учеными различных направлений, которые можно объединить в две группы. Представители фиксизма исходят из утверждения о фиксированном положении Континентов на поверхности Земли и преобладании вертикальных движений в тектонических деформациях пластов земной коры. Сторонники мобилизма первостепенную роль отводят горизонтальным движениям. Основные идеи мобилизма были сформулированы А. Вегенером (1880—1930) как гипотеза дрейфа материков. Новые данные, полученные во второй половине XX в., позволили развить это направление до современной теории неомобилизма, объясняющей динамику процессов в земной коре дрейфом крупных литосферных плит.
Формирование современного облика Земли. В течение всей истории Земли расположение и конфигурация континентов и океанов постоянно изменялись. Согласно геологическим данным, континенты Земли объединялись четыре раза. Реконструкция этапов их становления за последние 570 млн лет (в фанерозое) свидетельствует о существовании последнего суперконтинента — Пангеи с достаточно мощной, до 30—35 км континентальной корой, сформировавшегося 250 млн лет назад, который распался на Гондвану, занявшую южную часть земного шара, и Лавразию, объединившей северные континенты. Распад Пангеи привел к раскрытию водного пространства, первоначально — в виде палео-Тихого океана и океана Тетис, а в дальнейшем (65 млн лет назад) — современных океанов. Сейчас мы наблюдаем, как континенты расходятся. Трудно предположить, какова будет дислокация современных континентов и океанов в будущем. По данным С. В. Аплонова, возможно их объединение в пятый суперконтинент, центром которого станет Евразия. В. П. Трубицын считает, что через миллиард лет материки вновь могут собраться у Южного полюса.
Атмосфера — это внешняя газовая оболочка Земли. Нижней границей атмосферы является земная поверхность. Верхняя граница проходит на высоте 3000 км, где плотность воздуха становится равной плотности вещества в Космосе.
Воздух атмосферы удерживается у земной поверхности силой притяжения. Общий вес атмосферы равен 5,136×1015т (по другим источникам — 5,9×1015т), что соответствует весу равномерно распределенного по Земле слоя воды в 10 м или слоя ртути толщиной в 76 см. Вес вышележащего столба воздуха определяет величину атмосферного давления, которое у земной поверхности в среднем составляет 760 мм рт. ст., или 1 атм (1013 гПа, или 1013 мбар).
Плотность воздуха на уровне моря при температуре 15°С в среднем составляет 1,2255 кг/м3, или 0,0012 г/см3, на высоте 5 км — 0,735 кг/см3, 10 км — 0,411 кг/см3, 20 км — 0,087 кг/см3. На высоте 300 км плотность воздуха уже в 100 млрд раз меньше, чем у поверхности Земли.
Состав атмосферы. Атмосфера состоит из постоянных и переменных компонентов (табл. 5.2). К постоянным относятся азот (78% по объему), кислород (21%) и инертные газы (0,93%).
Вертикальное строение атмосферы. Атмосферу подразделяют на пять оболочек.
Нижняя часть атмосферы, непосредственно прилегающая к земной поверхности, называется тропосферой. Она простирается над полюсами до высоты 8 км, в умеренных широтах — до 10—11 км, над экватором — до 16—17 км.
Вблизи верхней границы тропосферы располагается переходный слой — тропопауза мощностью около 1 км.
Выше тропосферы, примерно до 50 км, располагается стратосфера. Ранее ее принимали за изотермический слой со средней температурой -56°С. Однако новые данные показали, что изотермия наблюдается только в ее нижней части, приблизительно до 20 км, а у верхней границы температура повышается до 0°С.
Особенностью стратосферы является озоновый слой
Над стратосферой до высоты 80—90 км располагается мезосфера. Температура в этом слое вновь понижается и достигает -107°С. На высоте 75—90 км наблюдаются «серебристые облака», состоящие из кристалликов льда.
До высоты примерно 800—1000 км располагается термосфера. Здесь температура воздуха снова повышается до 220°С на высоте 150 км и 1500°С — на высоте 600 км. Воздух термосферы состоит преимущественно из азота и кислорода, однако выше 90—100 км короткие волны солнечной радиации вызывают распад молекул О2 на атомы и здесь преобладает атомарный кислород.
Выше 1000 км располагается экзосфера. Скорость движения атомов и молекул газов достигает здесь третьей космической скорости (11,2 км/с), что позволяет им преодолевать земное притяжение и рассеиваться в космическом пространстве.
Роль атмосферы в географической оболочке исключительно велика. Атмосфера преобразует поступающую солнечную энергию. Она поддерживает жизнь на Земле, защищая земную поверхность от охлаждения и регулирует распределение тепла и влаги. Атмосфера служит щитом против метеоритов (испаряя или сжигая их высоко над Землей) и предохраняет организмы от ультрафиолетовой радиации.
Гидросфера — совокупность всех вод Земли: материковых (глубинных, почвенных, поверхностных), океанических и атмосферных. Иногда воды океанов и морей объединяют в своеобразную часть гидросферы — океаносферу. Это логично, ибо подавляющая часть воды сосредоточена в океанах и морях.
Мировой океан (океаносфера) — единая непрерывная водная оболочка Земли, которая включает океаны и моря. В настоящее время выделяют пять океанов: Тихий, Атлантический, Индийский, Северный Ледовитый (Арктический по зарубежным классификациям) и Южный (Антарктический). Согласно международной классификации, насчитывается 54 моря, среди которых выделяют внутренние и окраинные.
Химический состав вод Мирового океана. Морская вода — особый тип природных вод. Формула воды Н2О верна и для морской воды. Однако помимо водорода и кислорода в морской воде содержатся 81 из 92 встречающихся в естественных условиях элементов (теоретически в морской воде могут быть найдены все существующие в природе элементы таблицы Менделеева). Большинство из них находится в чрезвычайно малых концентрациях.
В 1 км3морской воды содержится около 40 т растворенных твердых веществ, которые определяют ее важнейшее свойство — соленость. Соленость выражается в промилле (0,1%) и ее средняя величина для океанских вод равна 35‰. Температура воды и соленость определяют плотность морской воды.
Водные массы — это большой объем воды, формирующийся в определенном районе Мирового океана и обладающий относительно постоянными физическими, химическими и биологическими свойствами.
Роль океаносферы. Разнообразные (тепловые, механические, физические, химические и др.) процессы, протекающие на огромной (более 70% поверхности Земли) акватории Мирового океана оказывают существенное влияние на процессы, происходящие на суше и в атмосфере. Химические элементы, входящие в состав морской воды, участвуют в процессах газо-, массо- и влагообмена на границах гидросфера — литосфера — атмосфера.
Воды суши, несмотря на сравнительно небольшой объем, играют огромную роль в процессах функционирования географической оболочки и жизнедеятельности организмов. Следует заметить, что не все воды суши пресные, есть соленые озера и источники.
Реки — наиболее активный представитель пресных вод суши. К рекам относят постоянные и относительно крупные водотоки. Водотоки меньших размеров называют ручьями. Рельеф, геологическое строение, климат, почвы, растительность влияют на режим рек и формируют их природный облик. Река имеет исток — место, откуда она начинается, и устье — место непосредственного впадения реки в приемный водоем (озеро, море, река). Устье может разветвляться, образуя дельту реки. Участок суши, по которому протекает река, называется руслом. Главная река и ее притоки составляют речную систему. Реки, впадающие в Мировой океан, образуют эстуарии — обширные пространства смешения речной и морской воды. Эстуарии в значительной степени находятся под влиянием океанических вод.
Озера — естественный водоем суши с замедленным водообменом, не имеющий прямой связи с океаном. Для его образования необходимо наличие замкнутого понижения земной поверхности (котловины).
Болота — это области суши, характеризующиеся избыточным увлажнением, застойным или слабо проточным режимом вод и гидрофитной растительностью.
Подземные воды — это воды, находящиеся в горных породах в жидком, твердом или газообразном состоянии.
Криосфера — прерывистая и непостоянная по конфигурации оболочка Земли в зоне теплового взаимодействия атмосферы, гидросферы и литосферы с отрицательными или нулевыми температурами, при которых вода находится в твердой фазе (лед, снег, иней, мерзлота) или в переохлажденном состоянии.
Ледяной покров. Современное оледенение включает: оледенение поверхности суши и верхних горизонтов земной коры и ледяной покров гидросферы — плавучие (пресноводные и морские) льды. Лед следует рассматривать как природный материал, который в течение сезонов года непрерывно меняет свои свойства. Даже в одном и том же географическом районе, на одном и том же месте лед осенью и весной настолько различен по своим физико-механическим свойствам, что представляет собой разные физические тела.
Биосфера — это особый объем географической оболочки, своеобразная надсфера, объединяющая практически все геосферы, где существует или существовала жизнь. В широком смысле к биосфере относят не только наружную область Земли, в которой существует жизнь, но и все сферы, в разной мере измененные жизнью. Такой смысл вкладывал в это понятие В. И. Вернадский, относивший к биосфере и верхнюю часть земной коры, включая гранитный слой. Чаще биосферой в широком смысле называют область активной современной жизни организмов, которая охватывает нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы. Иногда этот слой называют биостром (термин, используемый Ф.Н. Мильковым). В узком смысле, под биосферой понимают совокупность живых организмов, населяющих земную поверхность. Это совпадает с понятием «биота» (П.Дювиньо и М.Танг).