Внешние геосферы

К внешним геосферам принято относить атмосферу, гидросферу и биосферу, хотя последнюю из них следовало бы рассматривать как промежуточную оболочку, так как она включает в себя гидросферу и те области атмосферы и земной коры (а это уже внутренняя оболочка), в пределах которых существует органическая жизнь. Иногда в качестве внешней геосферы рассматривают магнитосферу, что также не вполне оправданно, так как магнитной поле присутствует в любой из геосфер.

Атмосфера. Атмосфера Земли представляет собой смесь газов, в ее нижних слоях содержатся также влага и пылевые частицы. В сухом очищенном воздухе вблизи поверхности Земли содержится азота примерно 78 % азота, чуть меньше 21 % кислорода и около 1 % аргона. На долю углекислого газа приходится примерно 0,03 %, а на долю всех остальных газов (водород, озон, инертные газы и др.) – около 0,01 %. Состав атмосферы практически не меняется вплоть до высот порядка 100 км. Разделению газов вследствие их разной плотности препятствует хаотическое тепловое движение молекул, а также непрерывные конвекционные потоки воздушных масс. На уровне моря при нормальном давлении (1 атм = 1,033 кг/см² = 1,013 10⁵ Па) плотность сухого воздуха составляет 1,293 кг/м³, но при удалении от поверхности Земли плотность воздушной массы и связанное с ней давление, обусловленное ударами хаотически движущихся атомов и молекул, быстро умень- шаются.

Атмосфера непрерывно увлажняется за счет испарений воды с поверхности водоемов. Концентрация паров воды уменьшается с увеличением высоты быстрее, чем концентрация газов – 90 % влаги сосредоточено в нижнем пятикилометровом слое. Причина в том, что концентрация водяных паров в атмосфере существенно зависит от температуры, которая в нижних слоях уменьшается с ростом высоты. Известно, что при концентрации водяного пара, превышающей критическое значение при заданной температуре, происходит насыщение: пары воды конденсируются, т. е. превращаются в мелкие капельки (так образуются облака и туман). Критическое значение концентрации водяного пара быстро уменьшается при понижении температуры. В частности, при температуре +30°С в кубометре воздуха может содержаться до 30 г водяного пара, а при температуре -30°С – уже не более 3 г.

С изменением высоты меняются не только плотность, давление и температура воздуха, но и другие физические параметры атмосферы, а на больших высотах меняется и ее состав. Поэтому в атмосфере принято выделять несколько сферических оболочек с разными физическими свойствами. Основные из них - это тропосфера, стратосфера и ионосфера. Высотную протяженность (толщину) той или иной сферической оболочки Земли (это относится и к внутренним оболочкам) часто называют ее мощностью.

Тропосфера содержит около 80 % всей воздушной массы, ее мощность составляет 8…12 км в средних широтах, а над экватором – до 17 км. С увеличением высоты температура воздуха в пределах тропосферы непрерывно понижается вплоть до значений порядка -85°С (скорость понижения температуры составляет примерно 6 градусов на километр). Вследствие неравномерного прогрева поверхности земного шара тропосферные массы воздуха находятся в непрерывном движении, перенося не только тепло, но и влагу, пыль и всевозможные выбросы. Именно эти явления в тропосфере в первую очередь формируют погоду и климат на Земле.

Над тропосферой до высот порядка 50…55 км простирается стратосфера. В пределах этого слоя имеет место повышение температуры с увеличением высоты, на верхней границе стратосферы температура близка к нулю. В стратосфере практически отсутствует водяной пар. На высотах от 20 до 40 км расположена т.н. озоносфера, т.е. слой с повышенным содержанием озона. Озоновый слой часто называют щитом планеты, так как в нем почти полностью поглощается губительное для всего живого на Земле жесткое (коротковолновое) ультрафиолетовое излучение Солнца. Начиная с 80-х годов ХХ в., состояние озонового слоя, находится под непрерывным контролем в связи с появившимися данными о снижении концентрации озона и образовании т.н. озоновых "дыр" (под озоновыми дырами понимают те участки озоносферы, в пределах которых ее мощность уменьшается).

В промежутке между высотами 55 и 80 км расположен слой, в котором температура с высотой вновь уменьшается. У верхней границы этого слоя, который называют мезосферой, температура составляет примерно -80°С. За мезосферой вплоть до высот порядка 800…1300 км располагается ионосфера (иногда этот слой называют также термосферой, т.к. температура в этом слое с увеличением высоты непрерывно повышается). На высотах около 100 км температура становится положительной, в промежутке 150…200 км газ прогревается 500°С, а в верхних слоях ионосферы температура достигает значений 1500°С и более.

Гидросфера. В составе гидросферы выделяют четыре вида вод: океаносферу, т. е. соленые воды морей и океанов (86,5 % массы), пресные воды суши (реки и озера), подземные воды и ледники. 97 % вод океаносферы сосредоточено в Мировом океане, являющемся не только основным хранилищем воды, но и основным аккумулятором тепла на нашей планете.

В целом мировой океан является холодным, только 8% воды теплее 10^оС, а более половины океанских вод имеют температуру не выше 2^оС. Давление в толще воды растет с увеличением глубины со скоростью 0,1 ат/м. Соленость океанских вод, среднее значение которой составляет около 35 промилле (35 ‰) неодинакова. Например, на поверхности Красного моря соленость близка к 40 ‰, а в поверхностных водах Балтики – всего 6…8 ‰. В то же время состав и относительное содержание различных солей повсюду неизменны, что свидетельствует об устойчивости динамического равновесия между растворением веществ, попадающих в океан с суши, и их осаждением.

Удельная теплоемкость воды примерно в 4 раза больше, чем воздуха, однако из-за огромной разницы в плотности (почти в 800 раз) 1 кубический метр воды, охлаждаясь на 1 градус, способен нагреть на 1 градус более 3000 кубометров воздуха. В умеренных и высоких широтах воды Мирового океана летом накапливают тепло, а зимой отдают его в атмосферу, именно поэтому в приморских районах климат всегда мягче, чем в глубине континентов. В экваториальных широтах вода нагревается круглый год, и это тепло переносится океанскими течениями в высокоширотные области, холодные же воды, захватываясь глубинными противотечениями, возвращаются в тропики.

Помимо течений и противотечений, океанские воды перемещаются и перемешиваются за счет приливов и отливов, а также волн другой природы, среди которых выделяют ветровые волны, барические волны и цунами.

Приливные волны возникают дважды в сутки на двух противоположных поверхностях Мирового океана, одна из которых обращена к Луне^*, а вторая противоположна первой. Вследствие вращения Земли приливные волны перемещаются с востока на запад. В открытом море колебания уровня воды не превышают 1 м, однако у берегов, особенно в бухтах и заливах, куда приливы нагоняют воду, разность ее уровней может достигать 15 м и более.

Ветровые волны, высота которых зависит от скорости ветра, не только затрудняют мореплавание, но и оказывают постоянное разрушительное воздействие на берега и береговые сооружения. Средняя высота океанских волн составляет около 4 м. Однако при штормах и ураганах (когда скорость ветра достигает значений 25 и 35 м/с соответственно), высота волн в открытом океане может доходить до 20...25 м. Исследователи отмечают, что сила штормов и ураганов в течение последних 3-4 десятилетий ХХ века становилась все внушительнее, хотя их частота и продолжительность уменьшаются. Это явление связывают с потеплением океанических вод, дающих энергию тропическим штормам.

^*Аналогично Луне свою приливную волну создает и Солнце, поэтому в новолуние и полнолуние, когда Земля, Луна и Солнце находятся на одной линии, прилив оказывается самым высоким (т.н. сизигийный прилив).

Барические волны и цунами похожи, различны лишь причины возникновения этих волн. Барическая волна возникает в эпицентре циклона, где давление может снижаться до 660 мм рт. ст., при этом подъем воды в области минимального давления может достигать 1 м. Причинами возникновения цунами являются подводные землетрясения или извержения подводных вулканов. В открытом океане высота цунами невелика - около 0,5 м, но с выходом на прибрежное мелководье высота и цунами, и барических волн быстро растет и может достигать 10...20 м, разрушительные последствия таких волн бывали весьма ощутимыми.

Однако Мировой океан не столько разрушает, сколько созидает. Уже отмечалась его роль как аккумулятора и "распределителя" тепловой энергии. Благодаря океану на Земле зародилась жизнь, образовалась и сохраняется кислородная атмосфера, океан поддерживает на низком уровне содержание в атмосфере углекислого газа, предохраняя планету от парникового эффекта. Другими словами, именно океан в существенно более высокой степени, нежели наземная растительность, выполняет функции "легких" нашей планеты.

Биосфера. Наличие гидросферы и атмосферы с высоким содержанием кислорода существенно отличает нашу планету от всех других, входящих в солнечную систему. Но главное отличие Земли состоит в наличии на ней живого вещества – растительности и животного мира. Термин биосфера ввел в научный оборот уже упоминавшийся Э. Зюсс.

Биосфера охватывает все пространство, где существует живое вещество – нижнюю часть атмосферы, всю гидросферу и верхние горизонты земной коры. Масса живого вещества, составляющая примерно 2,4·10¹⁵ кг, ничтожно мала в сравнении даже с массой атмосферы (5,15·10¹⁸ кг), однако по степени воздействия на систему под названием Земля, эта оболочка существенно превосходит все другие.

Основу живого вещества составляет углерод, дающий бесконечное множество ракообразных химических соединений. Кроме него в состав живого вещества входят кислород, водород и азот, остальные химические элементы встречаются в незначительных количествах, хотя их роль в жизнеобеспечении тех или иных организмов может быть исключительно важной.

Основная масса живого вещества сосредоточена в зеленых растения. Процесс естественного построения органических веществ с использованием солнечной энергии – фотосинтез – вовлекает в годовой кругооборот огромные массы вещества: ежегодно усваивается примерно 3,6·10¹⁴ кг углекислоты и 1,5·10¹⁴ кг воды, при этом выделяется 2,66·10¹⁴ кг свободного кислорода. С химической точки зрения фотосинтез является окислительно-восстановительной реакцией:

СО₂ + Н₂О → СН₂О + О₂.

По способу питания и отношению к внешней среде живые организмы делятся на автотрофные и гетеротрофные. Последние питаются другими организмами и их остатками, а пищей для автотрофных организмов являются минеральные (неорганические) вещества. Большинство организмов относятся к аэробным, т. е. способны существовать только в среде, содержащей воздух (кислород). Меньшая часть (в основном это микроорганизмы) относится к анаэробным, обитающим в бескислородной среде.

При гибели живых организмов происходит процесс, обратный фотосинтезу, органические вещества разлагаются путем окисления. Процессы образования и разложения органики находятся в динамическом равновесии, благодаря чему общее количество биомассы практически не меняется со времен зарождения жизни на Земле.

Влияние биосферы на процессы геологической эволюции Земли было подробно проанализировано выдающимся российским ученым академиком В.И. Вернадским. В течение более чем трех миллиардов лет живое вещество поглощало и трансформировало энергию Солнца. Значительная часть этой энергии законсервирована в залежах полезных ископаемых органического происхождения, другая часть использована в процессах формирования различных горных пород, накопления солей в мировом океане, накопления кислорода, содержащегося в атмосфере, а также растворенного в океанской воде и входящего в состав горных пород. Вернадский первым указал на ведущую роль биосферы в формировании химического состава атмосферы, гидросферы и литосферы, обусловленную необычайно высокой геохимической активностью живого вещества.

Жизнь на Земле существует в огромном множестве форм, однако все эти формы существуют не автономно, а связаны сложными взаимоотношениями в единый непрерывно развивающийся гигантский комплекс.