БИОСФЕРА: ОПРЕДЕЛЕНИЕ, СТРУКТУРА И ЭВОЛЮЦИЯ

Планета Земля: возникновение, состав и структура

Возраст Вселенной - всего материального мира во времени и пространстве составляет 12-15 млрд. лет. По теории “Большого взрыва” Вселенная возникла в результате взрыва вещества сжатого до невероятно малых размеров. Взрыв огромнейшей мощности положил начало формированию материи, времени и пространства. Высвободившаяся при взрыве энергия концентрировалась в крошечном объеме вещества, была так колоссальна, что вызванное ею расширение Вселенной продолжается и в настоящее время.

Образование Солнца произошло около 5 млрд, лет назад в результате сжатия огромного газо-пылевого облака. При концентрации газа и пыли температура облака повышалась, в его центре формировалось плотное ядро, окруженное вращающимся газовопылевым кольцом. При повышении температуры внутри ядра до нескольких миллионов градусов Цельсия происходили термоядерные реакции по превращению водорода в гелий, что и послужило появлении новой звезды - Солнца.

Процессы внутри ядра с выделением огромной энергии привели к выбросу большого количества звездного вещества. Остывая внутри газо-пылевого кольца, частицы сталкивались, слипались и образовывали сгустки - зародыши планет. Увеличиваясь в размере, эти тела притягивали к себе газово-пылевую субстанцию, сформировав в итоге планеты Солнечной системы (Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон), рис. 2.1.

Земля движется по орбите удаленной от Солнца на 149,6 млн. км. Возраст Земли 4,5-4,6 млрд. лет. Земля, как и другие планеты Солнечной системы, движется вокруг Солнца по овальной или эллиптической траектории, которая называется околосолнечной орбитой. Время полного оборота Земли вокруг Солнца составляет 365,26 земных суток. При движении по околосолнечной орбите Земля одновременно вращается вокруг своей оси, что приводит к смене дня и ночи, времен года. Время полного оборота планеты вокруг своей оси называется периодом вращения или сут-

— Солнечная система

Рисунок 2.1 — Солнечная система: Солнце и девять больших планет

ками, которое на Земле длится около 24 часов (23 часа 56 минут).

Земля не является идеальным шаром. Она слегка приплюснута (форма геоида) у полюсов, ее полярный диаметр меньше экваториального на 38 км. Эту форму геоида Земля приобрела из-за центробежной силы, выталкивающей материал от центра к периферии. Средний диаметр Земли составляет 12700 км, экваториальный радиус - 6378,2 км, полярный радиус - 6356,8 км, площадь поверхности - 510 млн. км2.

Земная ось (воображаемая линия), соединяющая Северный и Южный геграфические полюса, наклонена к плоскости околосолнечной орбиты. По экватору Земли проходит условная разделительная линия между Северным и Южным полушариями. Из-за наклона земной оси в один период года Солнце больше нагревает и освещает Северное полушарие, а в другой - Южное. Вследствие этого и происходит смена времен года.

Тело планеты Земля состоит из ряда слоев, сформировавшихся на ранних стадиях ее развития (рис. 2.2).

— Общая структура Земли

Рисунок 2.2 — Общая структура Земли

В центре Земли располагается плотное ядро, которое состоит из железа, никеля и небольшого количества других элементов. В ядре выделяют внутреннюю и внешнюю части. Внешнее ядро находится в жидком или расплавленном состоянии при температуре около 3360°С. Во внутреннем ядре температура превышает 4530°С. Предполагается, что субстанция здесь твердая или ведет себя как твердое вещество благодаря огромному давлению, которое она испытывает.

По оценкам ученых давление во внутреннем ядре достигает 3 млн. атмосфер. На внутреннее и внешнее ядро приходится 33,5% общей массы планеты. Над внешним ядром располагается мантия - слой, составляющий 66% всей массы Земли. Породы здесь находятся, главным образом, в твердом состоянии при температуре выше 1300°С. Самый верхний слой - земная кора, “дрейфующий” по поверхности мантии, значительно тоньше остальных.

К геосферам Земли относятся атмосфера, гидросфера и литосфера (табл. 2.1).

Таблица 2.1 — Основные компоненты геосферы Земли

Показатели

Атмосфера

Гидросфера

Литосфера

Мантия

Ядро Земли

Глубина

(толщина),

км

1000-1300 до 2000

Средняя для океана -3,8.

Максимум 11,022 (по другим данным - 11,034)

Средняя - около 17, континенты - в среднем 35 (до 70), под

океанами - 5-7

До 2900

2900-6371

Объем,

1018м3

1320

1,4

10,2

896,6

175,2

Плотность,

г/см3

У поверхности Земли 10'3, на высоте 750 км -10 16

0,99-1,03

2,7-3,32

3,32-5,68

9,43-17,20

Масса, 1021 г

5,15-5,9

1455,8

5-104

405-104

188-104

Процент от общей массы Земли

Около 10‘6

0,02

0,48

67,2

32,3

Атмосфера — газообразная оболочка планеты, состоящая из смеси различных газов, водяных паров и пыли. Через атмосферу осуществляется обмен вещества Земли с Космосом. Земля получает космическую пыль и метеоритный материал, теряет самые легкие газы: водород и гелий.

Атмосфера земли насквозь пронизывается мощной радиацией Солнца, определяющей тепловой режим поверхности планеты, вызывающей диссоциацию молекул атмосферных газов и ионизацию атомов. Атмосферу делят на тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу, экзосферу. Обширная область разряженной верхней атмосферы состоит преимущественно из ионов. Эта область обозначается как ионосфера. Большая часть массы атмосферы имеет относительно однородный азотно-кислородный состав. В тропосфере во взвешенном состоянии присутствуют также твердые и жидкие частицы, которые, как правило, называют аэрозолями. Принято выделять постоянные и переменные компоненты атмосферы в зависимости от длительности их пребывания в атмосфере. Таким примером является вода, находящаяся в атмосфере в разных формах и концентрациях. В то же время такое подразделение составных частей атмосферы является относительным, так как в течение длительных интервалов времени все компоненты атмосферы оказываются переменными. Приблизительный состав атмосферы представлен в таблице 2.2. [1]

Таблица 2.2 — Приблизительный состав атмосферы*

Элементы и газы

Содержание в нижних слоях атмосферы, %

по объему

по массе

Азот

78,084

75,5

Кислород

20,946

23,14

Аргон

0,934

1,28

Неон

0,0018

0,0012

Гелий

0,000524

0,00007

Криптон

0,000114

0,0003

Водород

0,00005

0,000005

Углекислый газ (в среднем)

0,034

0,0466

Водяной пар: в полярных широтах

0,2

_

у экватора

2,6

Озон:

в тропосфере

0,000001

_

в стратосфере

0,001-0,0001

Метан

0,00016

0,00009

Окись азота

0,000001

0,0000003

Окись углерода

Тысячные доли

в воздухе городов - до 0,000008

0,0000078

Главными составными частями атмосферы являются азот, кислород, аргон и углекислый газ.

Одним из важнейших компонентов атмосферы является озон 03. Его образование и разложение связаны с поглощением ультрафиолетовой радиации Солнца, которая губительна для живых организмов. Для образования озона необходимы свободные атомы кислорода, которые возникают при разложении молекул 02 под воздействием квантов излучения в ультрафиолетовой области.

Озон образуется при столкновении:

В то же время озон поглощает ультрафиолетовую радиацию, разлагаясь на молекулярный и атомарный кислород. Основная масса озона располагается на высотах 10-25 км с максимальной концентрацией на высотах 22-24 км. Озоновый слой (часто применяют термин «озоновый экран») имеет исключительно важное значение в сохранности жизни на Земле.

Гидросфера — совокупность всех вод Земли: материковых (глубинных, почвенных, поверхностных), океанических, атмосферных. Вследствие высокой подвижности воды проникают повсеместно в различные природные образования. Они находятся в виде паров и облаков в земной атмосфере, формируют океаны и моря, существуют в замороженном состоянии в высокогорных районах континентов и в виде мощных ледяных панцирей покрывают полярные участки суши. Атмосферные осадки проникают в толщи осадочных пород, образуя подземные воды. Вода способна растворять в себе многие вещества, в связи с этим воды гидросферы можно рассматривать в качестве естественных растворов разной степени концентрации.

Гидросфера находится в тесной зависимости с литосферой (подземные воды), атмосферой (парообразная влага) и живым веществом биосферы, в которое она входит в качестве обязательного компонента (табл. 2.3).

Подавляющая часть массы природных вод (94%) — это воды Мирового океана, представляющего собой уникальную природную систему. Здесь происходит грандиозный процесс обмена и трансформации энергии и вещества нашей планеты. Различные физические, химические и биологические процессы объединяются, образуя единую природу океана — древнейшую область биоТаблица 2.3 — Распределение водных масс в гидросфере Земли (по М. И. Львовичу, 1986)

Форма нахождения

Объем воды, в 103 км3

% от общего объема

Мировой океан

1370000

94,0

Подземные воды

60000

4,0

Подземные воды активного обмена

4000

0,3

Ледники

24000

1,7

Озера

280

0,02

Почвенная влага

85

0,01

Пары атмосферы

14

0,001

Речные воды

1,2

0,0001

Всего:

1458000

100,0

сферы Земли. Со времени образования океана протекало изменение его природы под воздействием различных природных процессов: солнечного излучения, геологических и геохимических факторов и, что весьма важно, под влиянием биологических процессов. Биологические процессы проявлялись и проявляются в развитии живых организмов, в усвоении солнечной энергии и накоплении свободной энергии в самих телах организмов, в биологической продуктивности и осадкообразования на всей площади дна Мирового океана, в формировании различного рода органогенных илов.

Наиболее чистые атмосферные воды содержат 10-50 мг/л растворенных веществ. Морская (океаническая) вода представляет собой раствор, содержащий в среднем в 1 л 35 г вещества. Можно считать, что в морской воде присутствуют все химические элементы таблицы Менделеева. Однако преобладающая часть растворенных веществ представлена немногими химическими элементами: натрием, магнием, кальцием, хлором, углеродом, серой. Они находятся в морской воде в виде ионов различного типа. Например, можно выделить катионы: Na1+, Mg2+, Са2+ и анионы Cl1', S042, НС03', С032 Другие химические элементы присутствуют: в морской воде в более низких концентрациях. Некоторые из элементов, несмотря на относительно низкую концентрацию, играют важную роль в химических процессах моря и жизнедеятельности морских организмов. Здесь ведущая роль принадлежит азоту, фосфору, кремнию, усваивающимся живыми организмами, а их концентрация в морской воде контролируется ростом и размножением морских животных и растений.

Литосфера — верхняя «твердая» оболочка Земли, постепенно переходящая с глубиной в сферы с меньшей прочностью вещества. Включает земную кору и верхнюю мантию Земли. Мощность литосферы — 50-100 км, в том числе земной коры — до 75 км на континентах и 10 км под дном океана (рис. 2.3, 2.4).

— Схема строения литосферы

Рисунок 2.3 — Схема строения литосферы

Химический состав земной коры определяют немногие элементы. Всего лишь восемь элементов (кислород, кремний, алюминий, железо, кальций, магний, натрий, калий) слагают основную ее массу. Ведущим и наиболее распространенным элементом является кислород, составляющий едва ли не половину массы земной коры (« 47,3%) и 92% ее объема. Он прочно связан химически с другими элементами в главных породообразующих минералах. Земная кора сложена горными породами различного типа и различного происхождения. На осадочные породы приходится 9,2%, на метаморфические — 20% и на магматические — 70,8%. Поверхность континентов на 80% занята породами осадочными, а океаническое дно — почти полностью свежими осадками как продуктами сноса материала континентов и деятельности морских организмов. Земная

— Площади, средние высоты и мощности литосферы материков

Рисунок 2.4 — Площади, средние высоты и мощности литосферы материков

кора первоначально возникла как продукт выплавления материала первичной мантии, который в дальнейшем был существенно переработан в биосфере под влиянием воздуха, воды и деятельности организмов. Континентальная часть земной коры в течение длительной геологической истории находилась в ту или другую эпоху в области биосферы, что наложило свой отпечаток на облик, состав и распространенность осадочных горных пород, и сосредоточенных в них месторождений полезных ископаемых в виде угля, нефти, горючих сланцев, кремнистых и карбонатных пород, связанных в прошлом с жизнедеятельностью организмов.

Масса Земли составляет 5,96x1021т, масса литосферы - 4,3х1019т, масса атмосферы - 5x10|5т, масса гидросферы - 1,4x1018т, средняя плотность планеты - 5,52 г/см3, средняя плотность поверхностных пород - 2,7-2,8 г/см3.

Земля обладает магнитными свойствами. Земной магнетизм формирует гигантское поле, простирающееся от земного ядра в космическое пространство. Магнитные силовые линиии Земли выходят из одного полюса и через околоземное пространство замыкаются в другом полюсе. За счет этого явления около Земли создается магнитосфера (рис. 2.5).

— Меридиональные сечения магнитосферы Земли

Рисунок 2.5 — Меридиональные сечения магнитосферы Земли:

1 — солнечный ветер: 2 — ударный фронт; 3 — магнитная полость; 4 — магнитопауза; 5 — верхняя граница магнитосферной щели; 6 — плазменная мантия; 7 — внешний радиационный пояс; 8 — внутренний радиационный пояс или плазмосфера; 9 — нейтральный слой; 10 — плазменный слой.

Магнитосфера с дневной стороны Земли, т.е. со стороны обращенной к Солнцу простирается на расстояние около 60 тыс. км от поверхности Земли. С противоположной, ночной, стороны вытянута в форме хвоста длиной более 1 млн. км. Форма магнитосферы определяется воздействием солнечного ветра - постоянного потока заряженных частиц, которые испускаются солнцем и перемещаются со скоростью 400 км/с. Магнитосфера защищает атмосферу Земли от пагубного воздействия солнечного ветра.

  • [1] Примечание. Таблица отражает только порядок чисел (например, массу атмосферыоценивают от 5,15 до 5,9-1015 т), поскольку количество атмосферных примесей непрерывно меняется (растет содержание СО, и др. газов и т. п.). Количество пыли в атмосфере зависит от интенсивности вулканизма, антропогенных выбросов и скорости осаждения частиц и поэтому трудно определимо.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >