Планета Земля состоит из металлического ядра и охватывающих его двух концентрических оболочек: мантии и земной коры. Залегающая под земной корой мантия имеет переменную температуру от 1000 до 3000 °С, плотность от 3,2 до 5 г/см 3 и состоит из полностью или час-тично расплавленных минералов горных пород, способных течь как высоковязкая жидкость. Мантийное вещество состоит преимущественно из силикатов, испытывающих фазовые переходы при изме-нении температуры и давления. Мантия постоянно подогревается со стороны горячего ядра, вследствие чего в ней непрерывно образуют-ся мощные конвективные потоки. Кроме того, на перемешивание рас-плавленного вещества мантии существенное влияние оказывает при-ливное воздействие Луны.

Земная кора — это менее плотное вещество, которое более тяже-лая мантия вытолкнула из себя. Плотность горных пород укладывается в диапазоне от 2 до 3,2 г/см 3 . С позиций геохимика — это наружная оболочка планеты, имеющая по сравнению с мантией избыток кремнезема, щелочи, воды и недостаток магния и железа. Средний химический состав земной коры следующий: SiO, 2 — 53,5%; А1 2 0 3 — 15,9%; СаО — 9,4%; FeO — 7,6%; MgO —5,4%; Na 2 O —2,7%; С0 2 — 1,0%; H z O — 0,78%. С позиций геофизика земная кора — это относительно рыхлый чехол, лежащий на более плотной мантии. С позиций гидролога — это область, в которой вода может находить-ся в жидкой фазе.

С позиций гидротехника земная кора — это прочная горная по-рода, способная выдержать нагрузку в миллиарды тонн, создаваемую весом водохранилища и плотины. Однако земная кора не является абсолютной «твердью», она «плавает» в подкоровом субстрате горяче-го мантийного вещества и при этом стремится к достижению изоста- зии - состоянию гидростатического равновесия. Достаточно значи-мые изменения гравитационной нагрузки на земную кору приводят к изменению изостатического равновесия. Создание крупных водохранилищ вызывает не только осадку припо-верхностной части земной коры (геологической среды), но и проги-бает всю толщу земной коры как упругую пластину, плавающую в тя-желой жидкости.

Схематический разрез земной коры

а — состояние изостазии; б— состояние прогиба;
1 — область влияния силы веса водохранилища на геологическую среду;
2 — прогибающаяся земная кора; 3 — "граница Мохо";
4 — погружение подошвы земной коры в малтийное вещество

Из земных недр ежегодно выносится на поверхность около 9 ·10 9 т магмы, пепла, паров и газов. Если всю массу, вынесенную за всю ис-торию вулканических извержений, равномерно распределить по по-верхности Земли, то получится слой толщиной в 34 км. Это означает, что земная кора является продуктом длительной переработки веще-ства верхней мантии посредством физического и химического вывет-ривания, переосаждения, а также преобразования растениями и живыми организмами.

Вся история геологического развития Земли связана с выделени-ем или поглощением тепла. Земля — это огромная тепловая машина. Через поверхность Земли теряется часть ее внутреннего тепла. Сред-непланетарное значение удельного потока тепла, поступающего из недр, равно 59 мВт/м 2 . Характеристика энергетических процессов, происходящих в геосферах Земли, приводится в таблице ниже.

Энергетика сильных возмущений в геосферах

Мощность падающего на Землю солнечного излучения
Энергия вращения Земли
Мощность теплового потока через земную поверхность
Мощность приливного воздействия Луны
Энергия землетрясений с магнитудой 8,5
Энергия вулканических извержений	До 10 18 Д ж
Энергия обрушений склонов и лавин
Энергия подводных оползней
Энергия смерчей, ураганов, торнадо, циклонов
Энергия, потребляемая человечеством за сутки
Энергия ядерного взрыва	До 2,4 · 10 17 Дж

С позиций современной гидротехнической науки земная кора — это прочная горная порода, способная без каких-либо перемещений выдержать нагрузку в миллиарды тонн, создаваемую весом водохра-нилищ и плотин. Однако земная кора не является «твердью», она пла-вает в подкоровом субстрате горячей мантии и при этом стремится к достижению состояния изостазии. В задачах тектонофизики земную кору рассматривают как упругую пластину, плавающую в тяжелой высоковязкой жидкости, которая чутко реагирует на приложение внешних сил и напряжений.

Любые значимые нагрузки на земную кору приводят к изменению изостатического равновесия. В частности, такими нагрузками явля-ются крупные водохранилища весом в десятки и сотни миллиардов тонн. К 2010 г. на Земле построено и эксплуатируется более 50 водо-хранилищ, объем каждого из которых превосходит 25 млрд м 3 . Свой-ство изостазии современная гидротехника во внимание не принима-ет. В то же время многолетний прогиб всей толщи земной коры может быть одной из причин необъясненных процессов, происходящих в створах больших плотин.

Литосфера (земная кора и постилающая ее верхняя мантия) — это сложное многослойное образование с нерегулярно меняющимися свой-ствами. В качестве примера в таблице ниже представлены свойства струк-турных элементов земной коры в районе Саяно-Шушенской ГЭС.

Мощность h эффективно-упругой части литосферы (земной коры), в пределах которой она заметно проявляет упругие свойства и слабо проявляет вязкие свойства, для разных районов Земли составляет примерно 35—40 км. На этих глубинах температура горных пород приближается к 600—800 °С, поэтому здесь породы пе-реходят из класса упругих в класс пластичных и упруговязких. Мо-дуль упругости Е массива горных пород в пределах толщи земной коры может изменяться от 2 . 10 4 до 12 . 10 4 МПа. Среднее значение модуля Юнга для земной коры Е = 10 11 Па. Изгибная жесткость EJ зем-ной коры может изменяться в пределах от 5 -10 22 до 35 . 10 22 Н. м 2 .

На глубинах более 30—40 км температура горных пород приближа-ется к температуре солидуса, легкоплавкие минералы плавятся, в ре-зультате вязкость мантийного вещества снижается на несколько поряд-ков. Считается, что ниже подошвы земной коры (упругой части литос-феры) вязкость горячего мантийно-астеносферного вещества характеризуется величинами порядка 10 18 — 10 20 Па. с.

Подвижность мантийного вещества является основной причиной возникновения больших горизонтальных напряжений и тектоничес-ких движений в земной коре. Извержения вулканов, землетрясения, образование разрывов и складок — это проявления внутренней ак-тивности Земли. Изливающаяся на поверхность магма —- это флюид-но-силикатный расплав, содержащий соединения с кремнеземом и растворенные летучие вещества, а также присутствующие в виде пу-зырьков газа. Кристаллизация магмы происходит постепенно по мере падения ее температуры. Вначале выделяются высокотемпературные минералы с образованием таких горных пород, как базальты и габ-бро, затем — низкотемпературные минералы с образованием диори-тов и андезитов, затем гранитов и риолитов и т.д. Наличие в магме легкоотделяемых компонентов приводит к вулканическим процессам, а наличие трудноотделяемых — к интрузивным процессам.

Свойства структурных элементов земной коры в районе СШГЭС

	Характеристика слоя	Мощность слоя, км			Коэффициент Пуассона η		Е · 10 4 МПа
	Зона выветривания и разгрузки
	Приповерхностная часть верхнекорового гранитного комплекса
	Приповерхностная часть верхнекорового метаморфического комплекса
	Пхубинная часть верхнекорового комплекса
	Среднекоровый мегакомплекс
	Нижнекоровый мегакомплекс
	Верхняя мантия

О вязкости горячей магмы можно судить по вязкости изливающей-ся лавы. Жидкие базальтовые лавы имеют температуру 1000—1200 °С и плотность до 2,8 г/см 3 . Высоковязкие лавы имеют температуру 700—900 °С и плотность 2,2 г/см 3 . Коэффициент вязкости горячей магмы примерно равен 1000 Па. с, что в миллион раз больше вязкости воды. Для сравнения можно сказать, что коэффициент вязкости рас-плава стекла при 1400 °С равен 1350 Па. с. Вязкость магмы резко воз-растает по мере ее остывания и соответствующего увеличения в ее объеме доли затвердевших кристаллов. При увеличении в магме объем-ной доли кристаллов до 0,6 ее вязкость увеличивается до 10 10 Па. с.

Нижним ярусом континентальной земной коры является тол-стый базальтовый слой, на котором покоится гранитный слой, по-крытый мощным чехлом осадочных пород. На долю интрузивных и эффузивных магматических пород приходится примерно 95 % объе-ма земной коры. Граница между корой и мантией подвижна: повы-шение температуры мантии смещает границу вверх, а понижение температуры — вниз.

Границей раздела земной коры и мантии принято считать «по-верхность М», залегающую на глубинах 30—60 км на континентах и 5—10 км под дном океана. Эта поверхность определяет-ся глубиной, на которой происходит резкое увеличение скорости сей-смических волн от 7 до 8 км/с. Особое значение границы М заключа-ется в том, что на ее уровне примерно соблюдается архимедово рав-новесие земной коры, плавающей в мантийном веществе.

Ниже «поверхности М» залегает также астеносфера — слой верх-ней мантии с повышенной электропроводностью и пониженной вязкостью. Эта особенность астеносферы объясняется плавлением мантийного вещества в пределах 1—2 %, которое проявляется в виде тонкой пленки, обволакивающей кристаллы при температуре около 1200 °С. Астеносферный слой расположен ближе всего под океанами и глубже под континентами.

Земля — единственная планета Солнечной системы, на поверх-ности которой вода может находиться в жидком состоянии. Масса воды в современной гидросфере достигает 1,51 - 10 18 т. Большая часть воды сосредоточена в Мировом океане — 1,42 . 10 18 т и в мате-риковых льдах — 0,023 . 10 18 т. На пресные воды суши приходится около 0,001 . 10 18 т. Помимо свободной воды часть ее в виде грунтовых вод пропитывает континентальную и океаническую кору. Суммарная масса таких вод достигает 0,066 . 10 18 т. Средняя соленость океаничес-ких вод достигает 35 %о (промилле или тысячных долей процента).

Кроме жидкой фазы часть воды (0,713 . 10 18 т) связана в гидроси-ликатах земной коры. Всего же на Земле в ее верхних геосферах со-средоточено примерно 2,233 . 10 18 т воды. Воды океанов и морей по-крывают около 2/3 поверхности Земли, средняя глубина Мирового океана близка к 3,8 км. В океанской воде растворены практически все химические элементы, главными из которых являются катионы натрия, магния, кальция, калия и анионы хлора, НСО э, С0 3 , брома.

В верхних слоях океана в каждом литре воды растворено в сред-нем 50 мл углекислого газа, 13 мл азота, до 8 мл кислорода. Холодные океанические воды высоких широт насыщены газами в большей сте-пени, чем теплые воды тропических широт. Всего в океане растворе-но С0 2 около 1,4 . 10 14 т, то есть почти в 60 раз больше, чем в атмосфе-ре (2,4 . 10 12 т). Кислорода в океане растворено около 8 -10 12 т или в 150 раз меньше, чем его содержится в атмосфере. Ежегодно реки сно-сят с суши в океаны около 2,53 . 10 10 т терригенного материала, из них примерно 2,23 . 10 10 т/год приходится на взвеси, а остальное — на растворенные и органические вещества.

Геологическое развитие и строение Земли

Результатом геологического развития Земли стало формирование самых верхних оболочек - атмосферы, гидросферы и литосферы. Это произошло в результате остывания поверхности Земли и привело к образованию первичной базальтовой или близкой к ней по составу коры Земли. Почти одновременно за счет конденсации водяных паров образовалась водная оболочка планеты - гидросфера.

Образование и строение литосферы. Земная кора образована горными породами, имеющими различные формы залегания. Породы лежат горизонтальными слоями или нарушены разломами и смяты складками. Залегание горных пород чаще всего обусловлено внутренними (эндогенными) силами. Строение земной коры, созданное эндогенными процессами, называется тектоническим строением, или тектоникой.

Современный рельеф планеты складывался на протяжении многих сотен миллионов лет и продолжает видоизменяться под влиянием совместного действия на ее поверхности тектонических, гид-росферных, атмосферных и биологических процесов. Начало этому было положено около 3,5 млрд. лет назад, когда начали формироваться вулканические дуги. Формирование вулканических дуг происходило на первичной остаточной или вторичной коре, образованной при растяжении океанической коры над зонами подлезания (столкновения литосферных плит и подлезания их друг под друга с образованием вулканической дуги). В результате примерно 2,7-2,5 млрд. лет назад возникли значительные площади континентальной коры, которые, по-видимому, соединились в единый суперконтинент - первую Пангею в истории Земли. Толщина этой коры уже достигала современной толщины в 35-40 км. Ее нижняя часть под влиянием высоких давлений и температур испытывала значительные превращения, а на средних уровнях произошло выплавление больших масс гранита.

Следующий важный момент в развитии Земли имел место примерно 2,5 млрд. лет назад. Возникший на предыдущем этапе суперконтинент - первая Пангея - претерпел существенные изменения и 2,2 млрд. лет назад распался на отдельные, относительно неболь-

шие континенты, разделенные бассейнами с новообразованной океанической корой. Отдельные следы этих этапов тектоники плит можно обнаружить и сейчас. Первый этап (до возникновения Пан-геи) принято называть эмбриональной тектоникой плит, а второй - тектоникой малых плит. К концу второго периода, около 1,7 млрд. лет назад, континенты вновь слились в единый суперконтинент. Образовалась Пангея-Н. Ее распад начался около 1 млрд. лет назад, хотя частичные разъединения и воссоединения могли иметь место и до этого.

В интервале 1-0,6 млрд. лет назад структурный план Земли претерпел радикальные изменения и существенно приблизился к современному. С этого момента началась полномасштабная тектоника плит. Она связана с тем, что литосфера Земли разделена на ограниченное число крупных (5 тыс. км) и средних (1 тыс. км) по размерам поперечника жестких и монолитных плит, которые расположены на более пластичной и вязкой оболочке - астеносфере. Литосферные плиты стали двигаться по астеносфере в горизонтальном направлении, образуя раздвижения и подлезания, которые в среднем компенсируют друг друга в масштабах планеты. Таким образом, в истории Земли как планеты неоднократно происходил процесс формирования и распада Пангеи. Длительность таких циклов составляет 500-600 млн. лет. На эту крупномасштабную периодичность накладывается периодичность меньших масштабов, связанная с растяжением и сжатием земной коры.

В результате тектонической активности рельеф земной поверхности сегодня характеризуется глобальной асимметрией двух полушарий (Северного и Южного): одно из них представляет собой гигантское пространство, заполненное водой. Это океаны, занимающие более 70% всей поверхности. В другом полушарии сосредоточены поднятия коры, образующие континенты. Глобальная асимметрия в строении поверхности нашей планеты была замечена давно, что позволило планетарный рельеф поделить на две основные области - океаническую и континентальную. Дно океанов и континенты отличаются друг от друга строением земной коры, химическим и петрографическим составом, а также историей геологического развития. Кора имеет повышенную мощность в области континентов и пониженную в областях океанического дна.

Средняя мощность континентальной коры - 35 км. Ее верхний слой богат гранитными породами, нижний - базальтовыми магмами. На дне океанов гранитный слой отсутствует, и земная кора состоит только из базальтового слоя. Ее мощность - 5-10 км. Кроме того, континентальная кора содержит больше радиоактивных элементов, генерирующих тепло, чем тонкая океаническая кора.

Земная кора, образующая верхнюю часть литосферы, в основном состоит из восьми химических элементов: кислорода, кремния, алю-

миния, железа, кальция, магния, натрия и калия. Половина всей массы коры приходится на кислород, который содержится в ней в связанном состоянии, главным образом, в виде окислов металлов.

Земная кора сложена горными породами различного типа и различного происхождения. Более 70% приходится на магматические породы, 20% - на метаморфические, 9% составляют осадочные породы.

Не следует забывать и о том, что поверхность Земли сложена из литосферных плит, число и положение которых менялось от эпохи к эпохе. Плита - это вся масса земной коры и подстилающей мантии, которые движутся как единое целое по поверхности Земли. Сегодня выделяют 8-9 больших плит и более 10 малых. Плиты медленно перемещаются горизонтально (глобальная тектоника плит). В районах рифтовых долин, где вещество мантии выносится наружу, плиты расходятся, а в местах, где горизонтальные смещения соседних плит оказываются встречными, они надвигаются друг на друга. Вдоль границ литосферных плит расположены зоны повышенной тектонической активности. При движении плит сминаются их края, образуя горные хребты или целые горные области. Океанические плиты, берущие свое начало в рифтовых разломах, наращивают толщину по мере приближения к континентам. Они уходят под островные дуги или континентальную плиту, увлекая за собой накопившиеся осадочные породы. Вещество погружающейся плиты достигает в мантии глубин до 500-700 км, где оно начинает плавиться.

Возникновение атмосферы и гидросферы. Составные части атмосферы и гидросферы Земли являются летучими веществами, которые появились в результате ее химической дифференциации. Согласно имеющимся данным, пары воды и газы атмосферы возникли в недрах Земли и поступили на ее поверхность в результате внутреннего разогрева совместно с наиболее легкоплавкими веществами первичной мантии в процессе вулканической активности.

Вода и углекислый газ как компоненты газопылевого облака долго пребывали в виде молекул, когда большая часть твердых конденсатов уже сформировалась. Поэтому оставшиеся газы в какой-то мере поглощались пылевыми частицами путем адсорбции и различных химических реакций. Так летучие вещества внедрились в планеты земного типа. Из недр Земли они поступают на поверхность в результате вулканической деятельности. Кроме того, как считают Альвен и Аррениус, уже в период бомбардировки Земли планетези-малиями, когда шел разогрев и плавление земных пород, выделялись газы и пары воды, содержавшиеся в породах. При этом Земля теряла водород и гелий, но сохраняла более тяжелые газы. Таким образом, именно дегазация земных недр стала источником атмо-

сферы и гидросферы. По некоторым расчетам, от 65 до 80% общего количества летучих компонентов Земли выделилось в результате ударной дегазации.

Мировой океан возник из паров мантийного материала, и первые порции конденсированной воды были кислыми. Затем появились минерализованные воды, а собственно пресные воды образовались значительно позже в результате испарения с поверхности первичных океанов в процессе естественной дистилляции.

Проблема происхождения океана связана с проблемой происхождения не только воды, но и растворенных в ней веществ. Гидросфера Земли, как и атмосфера, также появилась в результате дегазации недр планеты. Материал океана и вещество атмосферы возникли из общего источника.

Океаническая вода представляет собой уникальный природный раствор, содержащий в среднем 3,5% растворенных веществ, что и обеспечивает соленость воды. В воде земных океанов содержится множество химических элементов. Среди них важнейшую роль играют натрий, магний, кальций, хлор, азот, фосфор, кремний. Эти элементы усваиваются живыми организмами, и их концентрация в морской воде контролируется ростом и размножением морских растений и животных. Большую роль в составе морской воды играют растворенные в ней природные газы - азот, кислород, углекислый газ, которые тесно связаны с атмосферой и живым веществом суши и моря.

Как считается сегодня, первичная атмосфера Земли по своему составу была близка к составу вулканических и метеоритных газов. Скорее всего, она напоминала современную атмосферу Венеры. На поверхность Земли поступали вода, углекислый газ, окись углерода, метан, аммиак, сероводород и др. Они и составили первичную атмосферу Земли. В целом первичная атмосфера имела восстановительный характер и была практически лишена свободного кислорода, хотя незначительные его доли образовывались в верхней части атмосферы в результате фотолиза воды.

Таким образом, состав первичной атмосферы Земли, возникшей в результате ударной дегазации и вулканической активности, весьма сильно отличался от состава современной атмосферы. Эти отличия связаны с наличием жизни на Земле, оказывающей самое существенное воздействие на все процессы, протекающие на нашей планете. Таким образом, химическая эволюция атмосферы и гидросферы проходила с неизменным участием живых организмов, причем ведущую роль при этом играли фотосинтезирующие зеленые растения.

Современная азотно-кислородная атмосфера - результат деятельности Жизни на Земле. То же можно сказать и о современном составе вод Мирового океана планеты. Поэтому сегодня на нашей

планете жизнь и преобразованная им окружающая среда образуют самостоятельную оболочку Земли - биосферу.

Геосферы Земли

Формирование Земли сопровождалось дифференциацией вещества, результатом которой явилось разделение Земли на концентрически расположенные слои - геосферы. Геосферы различаются химическим составом, агрегатным состоянием и физическими свойствами. В центре образовалось ядро Земли, окруженное мантией. Из наиболее легких компонентов вещества, выделившихся из мантии, возникла расположенная над мантией земная кора. Это так называемая «твердая» Земля, заключающая в себе почти всю массу планеты. Далее возникли водная и воздушная оболочки нашей планеты. Кроме того, Земля обладает гравитационным, магнитным и электрическими полями.

Таким образом, можно выделить ряд геосфер, из которых состоит Земля: ядро, мантия, литосфера, гидросфера, атмосфера, магнитосфера.

Кроме названных оболочек Земли, ниже мы будем рассматривать биосферу и ноосферу. Кроме того, в литературе можно встретить анализ и других оболочек - антропосферы, техносферы, со-циосферы, но их рассмотрение выходит за рамки естествознания.

Геосферы различаются, главным образом, плотностью составляющих их веществ. Самые плотные вещества сосредоточены в центральных частях планеты. Ядро составляет 1/3 массы Земли, кора и мантия - 2/3.

Все земные оболочки взаимосвязаны и проникают друг в друга. Гидросфера всегда присутствует в литосфере и атмосфере, атмосфера - в литосфере и гидросфере и т.д. С атмосферой, гидросферой и литосферой тесно связаны внутренние оболочки Земли. Кроме того, во всех оболочках, кроме мантии и ядра, присутствует биосфера.

Ядро Земли

Ядро занимает центральную область нашей планеты. Это самая глубокая геосфера. Средний радиус ядра составляет около 3500 км, располагается оно глубже 2900 км. Ядро состоит из двух частей - большого внешнего и малого внутреннего ядер.

Внутреннее ядро Природа внутреннего ядра Земли начиная с глубины 5000 км остается загадкой. Это шар диаметром 2200 км, который, как полагают ученые, состоит из железа (80%) и никеля

(20%). Соответствующий сплав при существующем давлении внутри земных недр имеет температуру плавления порядка 4500° С.

Внешнее ядро. Судя по геофизическим данным, внешнее ядро представляет собой жидкость - расплавленное железо с примесью никеля и серы. Это связано с тем, что давление в этом слое меньше. Внешнее ядро представляет собой шаровой слой толщиной 2900-5000 км. Чтобы внутреннее ядро оставалось твердым, а внешнее - жидким, температура в центре Земли не должна превышать 4500° С, но и не быть ниже 3200° С.

С жидким состоянием внешнего ядра связывают представления о природе земного магнетизма. Магнитное поле Земли изменчиво, из года в год меняется положение магнитных полюсов. Палеомаг-нитные исследования показали, что, например, на протяжении последних 80 млн. лет имело место не только изменение напряженности поля, но и многократное систематические перемагничивание, в результате которого Северный и Южный магнитные полюса Земли менялись местами. В периоды смены полярности наступали моменты полного исчезновения магнитного поля. Следовательно, земной магнетизм не может создаваться постоянным магнитом за счет стационарной намагниченности ядра или какой-либо его части. Предполагается, что магнитное поле создается процессом, названным эффектом динамо-машины с самовозбуждением. Роль ротора (подвижного элемента), или динамо, может играть масса жидкого ядра, перемещающаяся при вращении Земли вокруг своей оси, а система возбуждения образуется токами, создающими замкнутые петли внутри сферы ядра.

Мантия

Мантия - наиболее мощная оболочка Земли, занимающая 2/3 ее массы и большую часть объема. Она также существует в виде двух шаровых слоев - нижней и верхней мантии. Толщина нижней части мантии - 2000 км, верхней - 900 км. Все слои мантии расположены между радиусами 3450 и 6350 км.

Данное о химическом составе мантии получены на основании анализов наиболее глубинных магматических горных пород, поступивших в верхние горизонты в результате мощных тектонических поднятий с выносом мантийного материала. Материал верхней мантии собран со дна разных участков океана. Плотность и химический состав мантии резко отличаются от соответствующих характеристик ядра. Мантию образуют различные силикаты (соединения на основе кремния), прежде всего, минерал оливин.

Благодаря высокому давлению вещество мантии, скорее всего, находится в кристаллическом состоянии. Температура мантии со-

ставляет около 2500°С. Именно высокие давления обусловили такое агрегатное состояние вещества, в ином случае указанные температуры привели бы к его расплавлению.

В расплавленном состоянии находится астеносфера - нижняя часть верхней мантии. Это подстилающий верхнюю мантию и литосферу слой. Литосфера как бы «плавает» в нем. В целом же верхняя мантия обладает интересной особенностью - по отношению к кратковременным нагрузкам она ведет себя как жесткий, а по отношению к длительным нагрузкам - как пластичный материал.

На не слишком вязкую и пластичную астеносферу опирается более подвижная и легкая литосфера. В целом литосфера, астеносфера и остальные слои мантии могут рассматриваться в качестве трехслойной системы, каждая из частей которой подвижна относительно других компонентов.

Литосфера

Литосферой называют земную кору с частью подстилающей ее мантии, которая образует слой толщиной порядка 100 км. Земная кора обладает высокой степенью жесткости, но вместе с тем и большой хрупкостью. В верхней части она слагается гранитами, в нижней - базальтами.

Резкая асимметрия строения поверхности нашей планеты была замечена давно. Поэтому планетарный рельеф делится на две основные области - океаническую и континентальную. Средняя мощность континентальной коры - 35 км. Ее верхний слой богат гранитными породами, а нижний - базальтовыми магмами. На дне океанов гранитный слой отсутствует, и земная кора состоит только из базальтового слоя. Мощность океанической коры составляет 5-10 км.

Первые порции вулканического материала имели состав базальтов или близкий к нему. Базальтовая магма, поднимаясь к поверхности, теряла газы, уходившие в атмосферу, и превращалась в базальтовую лаву, которая растекалась по первичной поверхности планеты. При остывании она образовывала твердые покровы - первичную кору океанического типа. Однако процесс выплавления этих масс был асимметричным, и на одном полушарии планеты их сосредоточилось больше, чем на другом. В областях будущих континентов молодая земная кора была динамически неустойчивой и перемещалась вверх и вниз под влиянием внутренних причин, природа которых еще недостаточно хорошо изучена.

При общих колебательных движениях отдельные части первичной коры временами оказывались выше уровня океана и подвергались разрушению под воздействием химически активных газов первичной атмосферы, воды, а также других физических агентов. Про-

дукты разрушения сносились в пониженные участки суши и водоемы, образуя осадочные породы с механической сортировкой частиц по величине и минералогическому составу. Еще более активно эти процессы пошли с появлением биосферы. Области поднятия суши - места будущих континентов - стали обрастать поясами, образованными толщами осадочных пород, возникших за счет разрушения более приподнятых участков суши. Эти пояса впоследствии подвергались складчатости и поднятиям, в них проявлялась вулканическая деятельность. Возникли древние горные цепи вокруг ядер материков, впоследствии также разрушенные геологическими агентами. Так формировалась континентальная часть земной коры.

Океаническая часть, вероятно, редко или совсем не выступала выше уровня Мирового океана, и в ней не происходили процессы дифференциации вещества, не шли отложения осадочных пород.

Геологические особенности земной коры определяются совместными действиями на нее атмосферы, гидросферы и биосферы - трех внешних оболочек планеты. Состав коры и внешних оболочек непрерывно обновляется. Благодаря выветриванию и сносу вещество континентальной поверхности полностью обновляется за 80-100 млн. лет. Убыль вещества континентов восполняется поднятиями их коры. Если бы этих поднятий не было, то за несколько геологических периодов вся суша оказалась снесенной в океан, а наша планета покрылась сплошной водной оболочкой.

На поверхности литосферы в результате совокупной деятельности ряда факторов возникает почва. Основоположник почвоведения русский ученый В. В. Докучаев назвал почвой наружные горизонты горных пород, естественно измененных совместным влиянием воды, воздуха и различного рода организмов, включая их остатки. Таким образом, почва - это сложнейшая система, стремящаяся к равновесному взаимодействию с окружающей средой.

Гидросфера

Водная оболочка Земли представлена на нашей планете Мировым океаном, пресными водами рек и озер, ледниковыми и подземными водами. Общие запасы воды на Земле составляют 1,5 млрд. км 3 . Из этого количества 97% приходится на соленую морскую воду, 2% составляет замерзшая вода ледников и 1% - пресная вода.

Гидросфера - это сплошная оболочка Земли, так как моря и океаны переходят в подземные воды на суше, а между сушей и морем идет постоянный круговорот воды, ежегодный объем которого оценивается в 100 тыс. км 3 . Большая часть воды, испаренной с поверхности морей и океанов, выпадает в виде осадков над ними же,

около 10% - уносится на сушу, падает на нее, а затем или реками уносится в океан, или уходит под землю, или консервируется в ледниках. Круговорот воды в природе не является абсолютно замкнутым циклом. Сегодня доказано, что наша планета постоянно теряет часть воды и воздуха, которые уходят в мировое пространство. Поэтому с течением времени встанет проблема сохранения воды на нашей планете.

Вода - вещество, обладающее многими уникальными физическими и химическими свойствами. В частности, вода имеет высокую теплоемкость, теплоту плавления и испарения и в силу этих качеств является важнейшим климатообразующим фактором на Земле. Вода - хороший растворитель, поэтому в ней содержится множество химических элементов и соединений, необходимых для поддержания жизни. Не случайно именно Мировой океан стал колыбелью Жизни на нашей планете.

Мировой океан. Большую часть поверхности Земли занимает Мировой океан (71% поверхности планеты). Он окружает материки (Евразию, Африку, Северную и Южную Америку, Австралию и Антарктиду) и острова. Океан делится материками на четыре части: Тихий (50% площади Мирового океана), Атлантический (25), Индийский (21) и Северный Ледовитый (4%) океаны. Мировой океан часто называют «печкой планеты». В теплое время года вода согревается медленнее суши, поэтому она охлаждает воздух, зимой же, наоборот, теплая вода согревает холодный воздух.

В Мировом океане постоянно происходят поступательные движения масс воды - морские течения. Они образуются под влиянием господствующих ветров, приливных сил Луны и Солнца, а также из-за существования слоев воды разной плотности. Под влиянием вращения Земли все течения в Северном полушарии отклоняются вправо, а в Южном полушарии - влево. Огромную роль в морях и океанах играют приливы и отливы, вызывающие периодические колебания уровня воды и смену приливных течений. В открытом океане высота прилива достигает одного метра, у берегов - до 18 метров. Самые высокие приливы наблюдаются у берегов Франции (14,7 м) и в Англии, в устье реки Северн (16,3 м), в России - в Мензен-ском заливе Белого моря (10 м) и в Пенжинской губе Охотского моря (11 м).

Огромны продовольственные, энергетические и минеральные запасы Мирового океана.

Реки. Важной частью гидросферы Земли являются реки - водные потоки, текущие в естественных руслах и питающиеся за счет поверхностного и подземного стока с их бассейнов. Реки с притоками образуют речную систему. Течение и расход воды в них зависят от уклона русла. Обычно выделяют горные реки с быстрым те-

чением и узкими речными долинами и равнинные реки с медленным течением и широкими речными долинами.

Реки являются важной частью круговорота воды в природе. Их суммарный годовой сток в Мировой океан составляет 38,8 тыс. км 3 . Реки - это источники питьевой и промышленной воды, источник гидроэнергии. В реках обитает большое количество растений, рыб и других пресноводных организмов. Самые большие реки на планете - Амазонка, Миссисипи, Енисей, Лена, Обь, Нил, Амур, Янцзы, Волга.

Озера и болота - также часть гидросферы Земли. Озера - это заполненные водой водоемы, вся поверхность которых открыта атмосфере и которые не имеют уклонов, создающих течения, а также не связаны с морем иначе, чем через реки и протоки. Понятие «озера» включает в себя большой круг водоемов, в том числе пруды (небольшие мелкие озера), водохранилища, а также болота и трясины со стоячей водой. По происхождению озера могут быть ледниковыми, проточными, термокарстовыми, солеными. С геологической точки зрения озера имеют малую продолжительность жизни. Как правило, они постепенно исчезают из-за нарушения равновесия между притоком и стоком воды из озера. К числу крупнейших озер относятся: Каспийское и Аральское моря, Байкал, озера Верхнее, Гурон и Мичиган в США и Канаде, Виктория, Ньянза и Танганьика в Африке.

Подземные воды - еще одна часть гидросферы. Подземными являются все воды, находящиеся под земной поверхностью. Существуют подземные реки, свободно текущие по подземным каналам - трещинам и пещерам. Есть также фильтрующиеся воды, просачивающиеся через рыхлые породы (песок, гравий, гальку). Самый ближний к поверхности земли горизонт подземных вод называют грунтовыми водами.

Вода, попавшая в грунт, доходит до водоупорного слоя, накапливается на нем и пропитывает вышележащие породы. Так образуются водоносные горизонты, могущие служить источниками воды. Иногда водоупорный слой может создавать вечная мерзлота.

Ледники, образующую ледяную оболочку Земли (криосферу), также являются частью гидросферы нашей планеты. Они занимают площадь, равную 16 млн. км 2 , что примерно составляет 1/10 часть поверхности планеты. Именно в них содержатся основные запасы пресной воды (3/4). Если бы льды, находящиеся в ледниках, вдруг растаяли, уровень Мирового океана повысился бы на 50 метров.

Ледяные массивы образуются там, где возможно не только накопление снега, выпавшего за зиму, но и сохранение его в течение лета. Со временем такой снег уплотняется до состояния льда и может закрыть собой всю местность как ледниковый покров или ледяная шапка. Места, где может происходить накопление многолет-

него льда, определяются географической широтой и высотой над уровнем моря. В полярных районах граница многолетнего льда лежит на уровне моря, в Норвегии - на высоте 1,2-1,5 км над уровнем моря, в Альпах - на высоте 2,7 км, а в Африке - на высоте 4,9 км.

Гляциологи различают материковые покровы, или щиты, и горные ледники. Самые мощные материковые ледниковые покровы расположены в Антарктиде и Гренландии. В некоторых местах толщина льда достигает 3,2 км. Постепенно сползающие к океану толщи льда рождают ледяные горы - айсберги. Горные ледники - это ледяные реки, спускающиеся по склонам гор, хотя их движение идет очень медленно - со скоростью от 3 до 300 м в год. При своем движении ледники меняют картину ландшафта, увлекая за собой валуны, обдирая склоны гор и обламывая при этом значительные куски породы. Продукты разрушения уносятся ледником по склону и оседают по мере его таяния.

Вечная мерзлота. Частью криосферы Земли помимо ледников являются многолетнемерзлые грунты (вечная мерзлота). Толщина таких грунтов в среднем достигает 50-100 м, а в Антарктиде доходит до 4 км. Вечная мерзлота занимает огромные территории в Азии, Европе, Северной Америке и Антарктиде, ее общая площадь составляет 35 млн. км 2 . Вечная мерзлота возникает в местах, где среднегодовые температуры имеют отрицательные значения. В ней содержится до 2% общего объема льда на Земле.

Атмосфера

Атмосфера - это воздушная оболочка Земли, окружающая ее и вращающаяся вместе с ней. По химическому составу атмосфера представляет собой смесь газов, состоящую из 78% азота, 21% кислорода, а также инертных газов, водорода, углекислого газа, паров воды, на которые приходится около 1% объема. Кроме того, воздух содержит большое количество пыли и различных примесей, порождаемых геохимическими и биологическими процессами на поверхности Земли.

Масса атмосферы довольно велика и составляет 5,15 10 18 кг. Это значит, что каждый кубический метр окружающего нас воздуха весит около 1 кг. Вес воздуха, давящего на нас, называют атмосферным давлением. Среднее атмосферное давление на поверхности Земли равно 1 атм, или 760 мм ртутного столба. Это означает, что на каждый квадратный сантиметр нашего тела давит груз атмосферы массой в 1 кг. С высотой плотность и давление атмосферы быстро убывают.

В атмосфере есть районы с устойчивыми минимумами и максимумами температур и давлений. Так, в районе Исландии и Алеут-

ских островов располагается такая область, являющаяся традиционным местом рождения циклонов, определяющих погоду в Европе. А в Восточной Сибири область низкого давления летом сменяется областью высокого давления зимой. Неоднородность атмосферы вызывает перемещение воздушных масс - так появляются ветры.

Атмосфера Земли имеет слоистое строение, причем слои отличаются по физическим и химическим свойствам. Важнейшими из них являются температура и давление, изменение которых лежит в основе выделения атмосферных слоев. Таким образом, в атмосфере Земли выделяют: тропосферу, стратосферу, ионосферу, мезосферу, термосферу и экзосферу.

Тропосфера - это нижний слой атмосферы, определяющий погоду на нашей планете. Его толщина - 10-18 км. С высотой падает давление и температура, опускаясь до -55°С. В тропосфере содержится основное количество водяных паров, образуются облака и формируются все виды осадков.

Следующий слой атмосферы - это стратосфера, простирающаяся до 50 км в высоту. Нижняя часть стратосферы имеет постоянную температуру, в верхней части наблюдается повышение температуры из-за поглощения солнечного излучения озоном.

Ионосфера - эта часть атмосферы, которая начинается с высоты 50 км. Ионосфера состоит из ионов - электрически заряженных частиц воздуха. Ионизация воздуха происходит под действием Солнца. Ионосфера обладает повышенной электропроводностью и в силу этого отражает короткие радиоволны, позволяя осуществлять дальнюю связь.

С высоты в 80 км начинается мезосфера, роль которой состоит в поглощении озоном, водяным паром и углекислым газом ультрафиолетовой радиации Солнца.

На высоте 90 - 200-400 км находится термосфера. В ней происходят основные процессы поглощения и преобразования солнечного ультрафиолетового и рентгеновского излучений. На высоте более 250 км постоянно дуют ураганные ветры, причиной которых считают космические излучения.

Верхняя область атмосферы, простирающаяся от 450-800 км до 2000-3000 км, называется экзосферой. В ней содержится атомарный кислород, гелий и водород. Часть этих частиц постоянно уходит в мировое пространство.

Результатом саморегулирующихся процессов в атмосфере Земли является климат нашей планеты. Это не то же самое, что погода, которая может меняться каждый день. Погода очень изменчива и зависит от колебаний тех взаимосвязанных процессов, в результате которых она формируется. Это - температура, ветры, давление, осадки. Погода в основном является результатом взаимодействия атмосферы с сушей и океаном.

Климат - это состояние погоды какого-либо региона за длительный промежуток времени. Он формируется в зависимости от географической широты, высоты над уровнем моря, воздушных потоков. Меньше влияют рельеф и тип почвы. Выделяют ряд климатических зон мира, обладающих комплексом сходных характеристик, относящихся к сезонным температурам, количеству осадков и силе ветра:

зона влажного тропического климата - среднегодовые температуры больше 18°С, холодов не бывает, осадков выпадает больше, чем испаряется воды;

зона сухого климата - область малого количества осадков. Сухой климат может быть жарким, как в тропиках, или свежим, как в континентальной Азии;

зона теплого климата - средние температуры в самое холодное время здесь не опускаются ниже -3°С, и хотя бы один месяц имеет среднюю температуру больше 10°С. Хорошо выражен переход от зимы к лету;

зона холодного северного таежного климата - в холодное время средняя температура опускается ниже - 3°С, но в теплое время она выше 10°С;

зона полярного климата - даже в самые теплые месяцы средние температуры здесь ниже 10°С, поэтому в этих районах прохладное лето и очень холодные зимы;

зона горного климата - районы, отличающиеся по климатическим характеристикам от той климатической зоны, в которой они находятся. Появление таких зон связано с тем, что с высотой падают средние температуры и сильно меняется количество осадков.

Климат Земли имеет ярко выраженную цикличность. Самым известным примером цикличности климата являются периодически случавшиеся на Земле оледенения. За два последних миллиона лет наша планета пережила от 15 до 22 ледниковых периодов. Об этом свидетельствуют исследования осадочных пород, накопившихся на дне океанов и озер, а также исследования образцов льда из глубин Антарктического и Гренландского ледниковых покровов. Так, в последний ледниковый период Канада и Скандинавия были покрыты гигантским ледником, а Северо-Шотландское нагорье, горы Северного Уэльса и Альпы имели огромные ледяные шапки.

Сейчас мы живем в период глобального потепления. С 1860 г. средняя температура Земли поднялась на 0,5°С. В наши дни увеличение средних температур идет еще более быстрыми темпами. Это грозит серьезнейшими изменениями климата на всей планете и другими последствиями, которые более подробно будут рассмотрены в главе, посвященной проблемам экологии.

Магнитосфера

Магнитосфера - самая внешняя и протяженная оболочка Земли - представляет собой область околоземного пространства, физические свойства которой определяются магнитным полем Земли и его взаимодействием с потоками заряженных частиц космического происхождения. С дневной стороны она простирается на 8-24 земных радиусов, с ночной - доходит до нескольких сотен радиусов и образует магнитный хвост Земли. В магнитосфере находятся радиационные пояса.

Магнитное поле Земли образуется во внешней оболочке ядра благодаря циркуляции электрических токов. Поэтому Земля представляет собой огромный магнит с четко выраженными магнитными полюсами. Северный магнитный полюс находится в Северной Америке на полуострове Ботия, Южный магнитный полюс - в Антарктиде на станции Восток.

В настоящее время установлено, что магнитное поле Земли не является неизменным. Его полярность в истории существования Земли менялась несколько раз. Так, 30 000 лет назад Северный магнитный полюс находился на Южном полюсе. Кроме того, периодически происходят возмущения магнитного поля Земли - магнитные бури, главной причиной возникновения которых является колебание солнечной активности. Поэтому особенно часты магнитные бури в годы активного Солнца, когда на нем появляется много пятен, а на Земле возникают полярные сияния.

Образование земной коры и атмосферы

Земная кора, гидросфера и атмосфера образовались в основном в результате высвобождения веществ из верхней мантии молодой Земли. За счет этих процессов сформировалась оболочка из породы толщиной менее 0,0001% объема всей планеты. Состав этой оболочки, образующей континентальную и океаническую кору, эволюционировал во времени прежде всего за счет возгонки элементов из мантии в результате частичного плавления на глубине примерно 100 км. Средний химический состав современной коры (рис.1) показывает, что кислород содержится в ней в наибольшем количестве, сочетаясь в разных видах с кремнием, алюминием и другими элементами с образованием силикатов.

земля атмосфера жизнь фотосинтез гидрологический

Рис. 1.

Можно предположить, что летучие элементы выделились (дегазировались) из мантии в результате извержений вулканов, сопровождавших образование коры. Некоторые из этих газов удержались и образовали атмосферу, когда поверхностные температуры стали достаточно низкими, гравитационное притяжение достаточно сильным.

Рис.2.

Эволюция атмосферы и происхождение жизни

Аккреция вещества Земли привела к временному его разогреву и легких молекул первичной атмосферы, прежде всего водорода и гелия, рассеянных в космическом пространстве. Последующее понижение температуры в результате сильного излучения тепла привело к образованию твердой коры. Активный вулканизм мешал этому процессу, но в то же время поставлял большие количества газов, из которых образовалась вторичная атмосфера. В ней, кроме Н 2 , было много других газов, таких, как СН 4 , NH 3 и Н 2 О (рис.3).

Рис. 3.

Наряду с водяными парами уже существовал и древний океан, состоящий из жидкой воды. Углекислоты Н 2 СО 3 было мало, так как ее восстанавливали соединения Fе 3+ , содержавшиеся в земной коре. Примерно 1 млрд. лет атмосфера была восстановительной, имелись возможности для процессов абиогенного образования и накопления многих соединений.

На восстановительную вторичную атмосферу воздействовали большие потоки энергии: коротковолновое ультрафиолетовое излучение, ионизирующее излучение Солнца (сейчас экранируется озоновым слоем), электрические разряды (грозы, коронные разряды), местные источники тепла вулканического происхождения. В этих условиях мог идти активный химический синтез, при котором из газов вторичной атмосферы через такие промежуточные продукты, как синильная кислота, этилен, этан, формальдегид и мочевина, образовались сначала мономеры, а затем и полимеры. Ввиду того, что окисления не происходило, водоемы обогащались аминокислотами, пуриновыми и пиримидиновыми основаниями, сахарами, карбоновыми кислотами, липидами. Образовался «первичный бульон». Происходили процессы осаждения, разделения и адсорбции, а на поверхностях минералов (глина, горячая лава) -- дальнейшие синтетические процессы (рис.4). Это подтверждается результатами анализа древних земных химических ископаемых и их сравнением с внеземным органическим веществом (метеориты), а также многочисленными модельными экспериментами, показавшими, что в смеси газов, воспроизводящей атмосферу, при достаточном притоке энергии действительно происходят процессы синтеза органических веществ. Среди продуктов этого синтеза найдены основные биологически важные соединения, в том числе 14 аминокислот, пурины и пиримидины, сахара, АМФ, АДФ, АТФ, жирные кислоты и порфирины.

По мере возрастающей потери Н 2 в космическое пространство создавалась третичная атмосфера, содержащая большие количества N 2 (из NH 3), СО 2 (из вулканических газов и из СН 4) и паров воды.

Рис. 4.

Около 3,5 млрд. лет назад появились хлорофиллоносные организмы, способные осуществлять фотосинтез, т. е. использовать экзогенный источник энергии (солнечную радиацию) для синтеза из углекислого газа, воды и минеральных элементов всех органических веществ, необходимых для жизни. Эти организмы преобразовывали солнечную энергию в биохимическую.

CO 2(г) + H 2 O (ж) > CH 2 O (тв) + O 2(г) (1)

«Изобретение» фотосинтеза способствовало повышению содержания кислорода в атмосфере и формированию современной, четвертичной атмосферы.

В атмосфере Земли кислород первоначально накапливался путем разложения воды и водяного пара под действием ультрафиолетовых лучей Солнца. Сначала кислород (O 2) быстро потреблялся в процессе окисления восстановленных веществ и минералов. Однако наступил момент, когда скорость его поступления (уже преимущественно в процессе фотосинтеза) превысила потребление и О 2 начал постепенно накапливаться в атмосфере. Около 500 млн лет назад количество кислорода в атмосфере было много больше, чем сейчас, но впоследствии в результате интенсивной вулканической деятельности снизилось до современного. Биосфера под смертельной угрозой своего собственного отравляющего побочного продукта была вынуждена приспосабливаться к таким изменениям. Она осуществляла это посредством развития новых типов биогеохимического метаболизма, которые поддерживают разнообразие жизни и на современной Земле.

Предполагают, что жизнь на Земле началась в океанах около 4,2--3,8 млрд. лет назад. Древнейшие из известных ископаемых -- бактерии из пород с возрастом около 3,5 млрд. лет. В породах этого возраста имеются свидетельства достаточно развитого обмена веществ, при котором использовалась солнечная энергия для синтеза органического вещества. Самые ранние из этих реакций, вероятно, были основаны на сере (S), поступающей из вулканических выходов:

CO 2(г) + 2H 2 S > CH 2 O (тв) + 2S (тв) + H 2 O (ж) (2)

(органическое вещество)

Постепенно возникла атмосфера современного состава. К тому же кислород в стратосфере претерпел фотохимические реакции, приведшие к образованию озона (О 3), защищающего Землю от ультрафиолетового излучения. Этот экран позволил высшим организмам выйти на сушу.

Итак, происхождение атмосферы неразрывно связано с образованием Земли. Эволюция атмосферы происходила (и происходит) под влиянием следующих факторов:

• · аккреции вещества межпланетного пространства;
• · выделения газов при вулканической деятельности;
• · химического взаимодействия газов атмосферы с компонентами гидросферы и литосферы;
• · диссоциации молекул газов, составляющих воздух, под влиянием солнечного ультрафиолетового и космического излучения;
• · биогенных процессов в живом веществе биосферы;
• · антропогенной деятельности.

Гидросфера – это совокупность всех водных объектов Земли (океанов, морей, озер, рек, подземных вод, болот, ледников, снежного покрова).

Большая часть воды сосредоточена в океане, значительно меньше - в континентальной речной сети и подземных водах. Также большие запасы воды имеются в атмосфере, в виде облаков и водяного пара. Свыше 96% объёма гидросферы составляют моря и океаны, около 2% - подземные воды, около 2% - льды и снега, около 0,02% - поверхностные воды суши. Часть воды находится в твёрдом состоянии в виде ледников, снежного покрова и в вечной мерзлоте, представляя собой криосферу. Основная масса льда

располагается на

суше -

образом, в Антарктиде и

Гренландии. Общая масса его

около 2,42*1022 г. Если бы этот лед растаял, то уровень Мирового океана повысился бы примерно на 60 м. При этом 10 % суши оказалось бы затопленной морем.

Поверхностные воды занимают сравнительно малую долю в общей массе гидросферы.

История образования гидросферы

Считается, что при разогреве Земли, кора вместе с гидросферой и атмосферой образовались в результате вулканической деятельности – выброса лавы, пара и газов из внутренних частей мантии. Именно в виде пара часть воды поступила в атмосферу.

Значение гидросферы

Гидросфера находится в постоянном взаимодействии с атмосферой, земной корой и биосферой. Циркуляция воды в гидросфере и ее большая теплоемкость уравнивают климатические условия на различных широтах. Гидросфера поставляет водяной пар в атмосферу водяной пар благодаря инфракрасному поглощению создает значительный парниковый эффект, поднимающий среднюю температуру поверхности Земли примерно на 40 °С. Гидросфера влияет на климат и другими путями. Она запасает большие количества тепла летом и постепенно отдает их зимой, смягчая сезонные колебания температуры на континентах. Она переносит, кроме того, тепло из экваториальных районов в умеренные и даже полярные широты.

Поверхностные воды играют важнейшую роль в жизни нашей планеты, являясь основным источником водоснабжения, орошения и обводнения.

Наличие гидросферы сыграло решающую роль в возникно­вении жизни на Земле. Мы знаем сейчас, что жизнь зародилась в океанах, и прошли миллиарды лет, прежде чем стала обитаемой суша.

Статьи и публикации:

Регуляция процесса переключения классов
Процесс переключения классов происходит в перовых бляшках, главным образом в куполах, при участии дендритных клеток и Тh-лимфоцитов. Кажется, что ключевую роль в этом процессе относительно синтеза IgA играет цитокинин TGF-β. Переключ...

Популяция, как элементарная единица эволюционного процесса
Наименьшая эволюционная единица, в которой проходят микроэволюционные процессы, - популяция. Материалом для естественного отбора служат, как правило, очень мелкие, дискретные единицы наследственности мутации. На популяцию оказывают давлени...

Атмосфера возникла в начальные периоды формирования земной коры. Существуют две гипотезы ее образования. В первой атмосфера рассматривается как производная первичного материала, оставшегося от упрощенных флюидов, которые когда-то обрамляли расплавленную Землю. По второй гипотезе, атмосфера рассматривается как вторичное образование, возникшее при освобождении свободных химических элементов и соединений из лавы, извергавшейся на земную поверхность. Благодаря этой лаве была создана первичная земная кора. Большинство ученых придерживаются второй гипотезы происхождения атмосферы, считая, что в противном случае любая первичная атмосфера на ранней стадии развития Земли была бы сравнительно быстро ей утеряна.

Таким образом, условно можно считать, что источником веществ, составляющих первичную атмосферу, служили продукты выплавления горных пород земной коры, мантии и ядра. Считается, что она была бескислородной. Крупнейший американский геохимик Г. Юри высказал мнение, что атмосфера могла состоять из смеси водяного пара, водорода, метана, аммиака и сернистого водорода. Английский геохимик П. Клауд считает, что в ранней атмосфере преобладали вода, углекислый газ, окись углерода, азот, хлористый водород, водород и сера. Следовательно, атмосфера состояла только из летучих и легких газообразных веществ, которые в момент формирования Земли входили в состав твердых веществ. Свободной воды не существовало, она была связана в гидроокислах, азот - в нитридах и, возможно, в нитритах, кислород - в окислах металлов, углерод - в карбидах и карбонатитах и т. д.

Увеличение мощности атмосферы и возникновение гидросферы объясняется освобождением из пород верхней мантии при интенсивных вулканических процессах водяного пара и газов. Действительно, газы, выделяющиеся при извержении современных вулканов, содержат большое количество водяного пара. Например, при извержении вулканов гавайского типа * в газах при температуре 1000-1200°С содержится около 80% воды и менее 6% углекислого газа. Встречается также значительное количество хлора (40%), метана (до 3-5%) и аммиак. Из лав при высокой температуре, кроме водяного пара, выделяются такие соединения, как борная, соляная и фтористая кислоты, сероводород и др.

* (Вулканы гавайского типа характеризуются излиянием базальтовой подвижной магмы, бедной газами; застывание происходит медленно. )

Основываясь на химическом анализе газовых пузырьков в кварцитах катархейского и архейского возраста, советский литолог Ю. П. Казанский попытался определить состав древней атмосферы. По его мнению, в архее и катархее атмосфера имела азотно-аммиачно-углекислый состав. В ней кроме преобладающего углекислого газа (до 60%) находились азот, сероводород, аммиак, серный газ, пары соляной и фтористой кислот. Первичная атмосфера была довольно разреженной, ее температура у земной поверхности мало отличалась от температуры так называемого лучистого равновесии * . Сравнительно низкая температура способствовала конденсации водяного пара из вулканических газов. Таким образом водяной пар превращался в жидкость, которая, заняв пониженные участки, дала начало формированию гидросферы.

* (Температура лучистого равновесия определяется отношением величины потока солнечного тепла, поглощенного поверхностью, к величине потока уходящего (отраженного) излучения земной поверхности. Последняя пропорциональна четвертой степени температуры этой поверхности. )

Доказательством наличия гидросферы не только в архее, но и даже в катархее является обнаружение на Земле древнейших осадочных пород в Гренландии и Южной Африке, возраст которых оценивается в 3,8 млрд. лет. Причем надо отметить, что это возраст метаморфизма, а, следовательно, время их образования, должен быть еще более ранним.

При описании состава первичного океана необходимо остановиться на двух источниках привноса растворенных соединений. С одной стороны, это растворенные в воде атмосферные газы, а с другой - соли и соединения, входящие в состав горных пород, обнаженных на земной поверхности в пределах древних первичных континентов. Перешедшие из атмосферы в воды океана угольная и другие кислоты, сера, сероводород и аммиак создавали высокую кислотность древнейших океанических вод. Высокая агрессивность природных вод способствовала интенсивному разложению обнаженных на земной поверхности вулканических горных пород и усиленному извлечению из них щелочей и щелочноземельных элементов и соединений. Со временем доля последних возросла, одновременно с этим снизилась кислотность океанических вод и сравнительно быстро установилось кислотно-щелочное равновесие.

"Все анионы морской воды возникли в результате дегазации мантии, т. е. удаления из нее газов, а катионы - при выветривании горных пород", - таков один из основных тезисов известного геохимика, академика А. П. Виноградова. Действительно, содержание в морской воде таких анионов, как хлор и бром, в десятки и сотни раз превышает их количество в горных породах. Следовательно, они могли возникнуть только в результате дегазации мантии. Исходя из этого можно предположить, что соленость первичного океана должна была быть близкой к современной, хотя содержание катионов могло сильно отличаться и приближалось к современному только по мере возрастающего разрушения и растворения горных пород первичных континентов.

Об отсутствии кислорода в древней атмосфере и океане свидетельствует наличие в большом количестве не только в изверженных, но и в осадочных горных породах элементов и соединений, не подвергшихся окислению. Так, например, в катархейских карбонатных породах имеется много неизмененных зерен пирита и уранинита и отсутствует окисленная сера. Все эти породы характеризуются большой величиной отношения закисного железа к окисному.

Ввиду того, что свободного кислорода в атмосфере длительное время не было, озоновый экран отсутствовал. Атмосфера легко пропускала ультрафиолетовое излучение Солнца. В таких условиях не могло быть и речи о возможном существовании каких-либо живых организмов на суше. Под воздействием ультрафиолетового излучения в водах морей и океанов начали образовываться сложные органические соединения вплоть до аминокислот. Этому, возможно, содействовала и относительно высокая температура земной поверхности, так как насыщенность атмосферы углекислотой способствовала задержке теплового излучения.

Свободный кислород первоначально расходовался на окисление аммиака, и при этом выделялся свободный азот. Метан и окись углерода окислялись до углекислоты, основная часть которой уходила в океан. Сера и сероводород окислялись до сернистого и серного ангидрита. В океане осаждались карбонатные и сульфатно-карбонатные осадки, а морская вода становилась хлоридно-карбонатно-сульфатной.

Появление гидросферы и атмосферы было весьма важным качественным рубежом в истории Земли. Их развитие усложнило и дифференцировало процессы, протекающие в древнейшей географической оболочке. Земная кора, гидросфера и атмосфера вступили в сложные взаимоотношения путем обмена энергии и веществ. Активно происходили процессы преобразования горных пород на земной поверхности. В бескислородной атмосфере процесс выветривания протекал весьма своеобразно в обстановке повышенных температур и высокой кислотности природных вод и атмосферы.

Только в раннем протерозое, по мнению Ю. П. Казанского, атмосфера стала кислородно-азотно-углекислой. Подтверждением этого является наличие не только мощных толщ джеспилитов, т. е. пород, состоящих из кварца и окисного железа - гематита, но и разнообразных красноцветных пород, пигментирующее вещество которых состоит из окисного железа. Эти породы могли образоваться только при наличии в атмосфере свободного кислорода. Однако наряду с окислительными обстановками в протерозое существовали и восстановительные условия.

Главнейшими газами атмосферы были углекислый газ, аммиак, азот, а сопутствующими - кислород, серный ангидрит, сероводород, пары соляной и фтористой кислот, метан. По сравнению с археем общее количество кислот сильно снизилось. Тенденция к снижению паров кислот, метана, соединений серы и аммиака существовала на протяжении всего протерозойского времени. Одновременно общее количество азота в атмосфере продолжало увеличиваться.

Имеется и другая точка зрения по поводу появления свободного кислорода в атмосфере. По расчетам Л. Беркнера и Я. Маршалла, его содержание в атмосфере в одну тысячную долю от современного (так называемая точка Юри) было достигнуто примерно 1,2 млрд. лет назад, т. е. в середине рифея. С этим выводом хорошо согласуются многие палеонтологические и геохимические материалы.

Наличие свободного кислорода, пусть даже в небольших количествах, благоприятствовало появлению организмов, потребляющих кислород, остатки которых найдены в породах протерозоя.

Критическим уровнем содержания свободного кислорода в биологическом отношении является так называемая точка Пастера, когда количество кислорода в атмосфере составляло одну сотую от современной и организмы взамен анаэробного брожения стали пользоваться более эффективным потреблением энергии - окислением при дыхании. По расчетам Л. Беркнера и Л. Маршалла, данный уровень был достигнут около 600 млн. лет назад. В это время произошел экологический взрыв - массовое распространение животных почти всех известных в настоящее время типов.

С изменением содержания кислорода в древней атмосфере тесно связано количество углекислоты. Углекислый газ попал в атмосферу, а затем в гидросферу, являясь продуктом дегазации мантии. Он возник в результате взаимодействия гранита с водой при высоких температурах, разложении карбидов, высокотемпературной диссоциации карбонатитов, а также путем окисления метана и, главное, как продукт, выделяющийся при вулканических извержениях.

Углекислый газ удалялся из атмосферы и гидросферы благодаря химическим реакциям (образование карбонатов) или биологическим путем, когда огромные массы его расходовались на образование скелетов организмов.

Так, в катархее и архее карбонатных пород известно очень мало. Только в раннем протерозое, когда в атмосфере появился кислород, а океаническая вода стала хлоридно-карбонатной, их объем стал увеличиваться. Большое содержание углекислого газа в морской воде и высокий щелочной резерв последней обеспечивали образование мощных известково-доломитовых и доломитовых толщ.

В конце протерозоя количество растворенного в морской воде углекислого газа и его концентрация в атмосфере уменьшились, однако все это связано с усилением поглощения углекислого газа водорослями в процессе фотосинтеза. Морская вода приобрела хлоридно-сульфатный характер, и среда стала нейтральной, что, по-видимому, привело к появлению твердого скелета у организмов.