Характеристика сфер Земли

Магнитосфера. Земля окружена магнитным полем. Оно очень похоже на магнитное поле, создаваемое двухполюсным магнитом и служит «передовой линией» Земли в защите от частиц высокой энергии, летящих из космического пространства и, в частности, от ультрафиолетовой составляющей солнечного спектра. Поле испытывает сильные изменения: оно меняется в течение суток и лет как в размере, так и в напряженности, а наиболее сильные изменения происходят в течении миллионов лет. Важной особенностью магнитного поля Земли является его переполюсовка - смена знаков северного и южного полярных полюсов, оказывающих огромное влияние на развитие органического мира на Земле. В магнитосфере выделяют два радиационных пояса - протонный и электронный, расположенные на высотах 400 и 20000 км соответственно.

Атмосфера. Это воздушная оболочка Земли (греч. atmos пар). В зависимости от распределения температуры атмосферу подразделяют на: тропосферу, стратосферу, ионосферу и зону рассеяния, или диссипации.

Тропосфера - самая нижняя воздушная зона, облекающая Землю, Вверх ее простирание неодинаково на полюсах и экваторе: на полюсах ее толщина около 6-8 км, на экваторе - 12 км. В тропосфере содержится до 80 % всей массы атмосферы. По составу тропосфера представляет собой смесь газов с примесью паров воды и пыли. Газовый состав ее (округленно): азот - 78 % кислород - 21%, аргон - 0,9 %, углекислый газ - 0,03 %, озон, неон, криптон и др. газы. Для жизни наибольшее значение имеют кислород и углекислый газ. Кислород обеспечивает дыхание, участвует в окислительных процессах. Углекислый газ является основой жизнедеятельности растений.

Давление в тропосфере закономерно убывает снизу вверх. На поверхности Земли оно равно 1 атм - 760 мм рт. ст., а в пределах ее верхней границы падает до 200 мм. Средняя по Европе плотность воздуха на высоте 5 км равна 735 г/м3, а у поверхности Земли - 1258 г/м .

Температура тропосферы в большей степени зависит от температуры поверхности Земли. С удалением от ее поверхности температура заметно снижается.

В верхней части тропосферы существует слой озона, который защищает все живое на Земле от губительных ультрафиолетовых лучей.

Из-за неравномерного нагрева поверхности Земли и перепадов давления воздушных масс воздух испытывает циркуляцию (круговращение). Он перемещается, и в тропосфере возникают воздушные возмущения - ветры. Ветры, дующие в сторону экватора, называются пассатами, а от экватора - антипассатами. Периодические ветры, дующие с большими скоростями, носят название циклонов. Скорость движения ветра в циклоне достигает 200-250 км/час.

Стратосфера простирается над тропосферой от 8 12 км в высоких широтах, - до 80-90 км вблизи экватора. Здесь воздух более разряжен. Стратосфера характеризуется возрастанием температуры с высотой от -40 °С (-80 °С) до температур, близких к 0 °С, малой турбулентностью, ничтожным содержанием водяного пара.

Ионосфера - зона атмосферы, простирающаяся до высоты и—о00 км. Воздушные массы ионосферы находятся в состоянии крайнего разряжения. Под действием ультрафиолето-1х лучей атомы газов находятся в ионизированном состоянии. Температура в ионосфере высокая. В полярных областях на высотах от 100 до 1000 км возникают полярные сияния.

Зона рассеяния, или диссипации простирается от 700-800 км и уходит в космос. Газовое вещество этой зоны рассеяно до крайности. Отдельные частицы газа могут пролетать сотни километров, не встречая на своем пути соударения с другими частицами.

Гидросфера - водная оболочка Земли, включающая все наземные и подземные воды, находящиеся в верхних частях земной коры. Из 510 млн км2 поверхности Земли на долю гидросферы приходится округленно 71 %, на сушу - 29 %.

Существует понятие «Мировой океан», под которым понимают все океаны Земли и связанные с ними окраинные и внутриконтинентальные моря. Средняя глубина Мирового

океана не превышает 4 тыс. м, а максимальная - 11022 м (Марианская впадина).

В рельефе дна Мирового океана выделяют следующие морфологические зоны.

1. Шельф. Глубина его изменяется от 0 до 200 м от поверхности уровня моря.

2. Континентальный склон с глубинами от 200 до 2500 м.

3. Ложе Мирового океана - область глубин от 2500 до 6000 м.

4. Океанические впадины, имеющие глубины от 6000 до 11000 и более метров.

В химическом отношении гидросфера представляет собой смесь кислорода и водорода. Кроме того в растворенном виде в воде содержатся различные химические соединения - химические элементы, соли, минералы, газы, органические соединения.

Воды морей и океанов характеризуются показателем солености. За нормальную соленость принимается содержание солей в 1 литре воды 35 г, или 3,5 %. Соленость воды может быть выше и ниже этой величины. В солевом составе воды преобладают хлориды и сульфаты. Другие соли содержатся в незначительном количестве.

Температура вод непостоянна. В поверхностных частях она зависит от климата, погоды. С увеличением глубины температура воды понижается и на глубине 1000м составляет 0 °С.

Давление возрастает с глубиной. На каждые Юм погружения давление увеличивается на 1 атм. На больших глубинах оно достигает 800-1000 атм.

В результате Воздействия ветра, неравномерной плотности воды, солнечного и лунного притяжений морские и океанические воды подвержены волнениям, течениям, приливам и отливам. Действия волн во время сильных штормов проникают на глубину до 200 м, высота волн достигает 10-15 м, а иногда и более.

Объем гидросферы определяется в 1,4-1,5 млрд км3.

Геосфера. Подразделяется на три составные части, отличные по своим свойствам: тонкая (5-40 км) внешняя оболочка, или литосфера; внутренняя оболочка, или мантия; ядро, подразделяющееся на жидкое внешнее и твердое внутреннее. Геосфера является объектом изучения геологии.

Итак, твердая каменная оболочка Земли называется литосферой, или земной корой. Толщина ее не везде одинакова. Поверхность литосферы неровная, образует низменности, выровненные равнины, горы.

По вещественному составу литосфера подразделяется на три слоя (снизу вверх): базальтовый, гранитный и осадочный.

Отметим, что представление о внутренних геосферах составляется по геофизическим данным, по аналогии с метеоритными телами, по результатам экспериментальных исследований свойств вещества при больших давлениях и температурах и по теоретическим построениям.

Осадочный слой имеет мощность 5-10 км. Он состоит из осадочных пород, рыхлых в верхней своей части. Плотность осадочных пород колеблется от 1,8 до 2,5 г/см3. Скорость продольных волн - 1-4 км/с.

Гранитный слой получил свое название по физическим свойствам слагающих его пород. Эти свойства наиболее близки к свойствам гранита. Мощность его 10-20 км, плотность – 2,5-2,75 г/см3. Скорость распространения продольных волн 5,5-6,2 км/с.

Базальтовый слой по свойствам близок базальту и имеет мощность около 30 км, плотность - 2,75-3,0 г/см3, скорость распространения продольных волн - 6,1-7,4 км/с.

Осадочный, гранитный и базальтовый слои получили название сиаль по начальным буквам названия химических элементов кремния (силициум) и алюминия (алюминиум). В их составе преобладают SiO2 и AL2O3.

Помимо указанной выше вертикальной неоднородности земной коры существует и горизонтальная неоднородность, которая определяется разделением ее на континентальную и океаническую кору.

Континентальная кора характеризуется наличием трех слоев и сравнительно большой мощностью (толщиной) (средняя мощность ее около 35 км, максимальная под горными сооружениями - 70-75 км). Мощность океанической коры колеблется от 5 до 10 км, в ее строении принимают участие только осадочный и базальтовый слои. Гранитный слой отсутствует.

Мантия простирается на глубину до 2900 км. Для нее характерно общее возрастание скорости распространения продольных и поперечных волн и плотности вещества - от 3,0 до 5,9 г/см3. В составе мантии преобладают химические элементы силициум и магний, поэтому вещество мантии иногда называют сима. В нижних частях мантии концентрируются такие химические элементы, как Сг, Fе, Рt. Эту часть нередко называют рудной.

Ядро. Единой точки зрения о физической и химической природе ядра Земли нет. Одни исследователи считают, что ядро имеет железо-никелевый состав, исходя из плотности слагающего его вещества. Другие полагают, что вещество ядра имеет тот же силикатный состав, что и мантия, но вещество это под действием больших давлений приобретает свойства металла. Данные о величине плотности внутри ядра разноречивы. Большинство моделей дают изменения плотности ядра от 10 до 12 г/см3. Есть модели, основанные на представлении об апейронном состоянии вещества, определяющие плотность в центре Земли около 20 г/см3.

Биосфера - сфера жизни на Земле. В отличие от геосферы вся биосфера доступна для непосредственного изучения. Это сложная динамическая система, активно взаимодействующая с атмосферой, гидросферой и верхней частью литосферы.

Создание учения о биосфере - гениальное открытие В.И. Вернадского. В пределах биосферы он выделил «слой живого вещества», или «область концентрации жизни», в которой существуют растения - основные накопители энергии на нашей планете. Этот слой охватывает нижний слой тропосферы, верхнюю освещенную часть гидросферы, в которой могут существовать зеленые растения, почвенный и подпочвенные слои.

За время своего существования биосфера сыграла важную роль в изменении химизма атмосферы, солевого состава вод, в образовании почвы. Все процессы в ней происходят значительно быстрее, чем в других сферах Земли. Так, растения исчерпали бы запас углекислого газа в атмосфере за 4-35 лет, если бы он не возобновлялся в значительной степени при участии тех же растений и животных. При их участии возникли грандиозные отложения полезных ископаемых.

Многим ученым и казалось, что роль «почтовой марки» в «каменной чаше» ничтожна. Этот вывод ошибочен по двум причинам.

Во-первых, живое вещество в отличие от горных пород очень активно в химическом отношении. В.И. Вернадский писал. «Захватывая энергию Солнца, живое вещество создает химические соединения, при распаде которых эта энергия освобождается в форме, могущей производить химическую работу».

Во-вторых, масса живого вещества постоянно возобновляется. Подсчеты А.И. Перельмана показали, что за время геологической истории общая масса живого вещества в земной коре превысила ее неорганическую массу, т.е. массу «каменной чаши» и содержащегося в ней Мирового океана. Точные подсчеты живой массы и основные места ее сосредоточения были выполнены в недавние годы. Оказалось, что в живом веществе преобладают растения, много меньше роль животных и микроорганизмов. На материках масса животных не превышает 2 % от массы растений и лишь изредка достигает 10 %. Общее количество живой растительной массы на Земле равно 2,4-Ю12 т сухого вещества. Подавляющая часть его сосредоточена на материках и распределена неравномерно: много в тропических лесах (650 т/га), меньше в тайге (300 т/га), еще меньше в черноземных степях (20 т/га) и совсем мало в пустынях (2,5 т/га). Основная масса живого вещества представлена лесами. Растения океана составляют лишь 1,7-Ю8 т, или 0,007 % от всей фитомассы.

В процессе развития растения синтезируют углеводы и другие органические соединения, используя солнечную энергию. Поглощая из почвы и воды кальций, калий, магний, железо и другие элементы, растения включают их в состав своего тела. При фотосинтезе выделяется кислород.

В живом веществе обнаружены почти все химические элементы, но преобладают в нем только три из них: кислород (70 %), углерод (18 %) и водород (10,5 %), в сумме составляющие 98,5 %. Эти числа характеризуют кларки соответствующих элементов живого вещества. По мере отмирания растительные и животные остатки подвергаются медленному изменению под действием подземных вод.

В конце XIX века В.В. Докучаев открыл новый класс природных систем, в которых живые организмы и неорганическая материя тесно связаны между собой, и присвоил ей наименование почва.

Биосфера существует не менее 3,5 млрд лет.

Характеристика физических свойства планеты Земля

Размер и форма Земли

На протяжении длительного времени представление о размерах и форме Земли были самыми пазличными и основывались, главным образом, на религиозных воззрениях. Однако уже Пифагор (V век до н.э.) высказал предположение о шарообразности Земли. Позднее древнегреческие философы Аристотель и Архимед привели ряд доказательств ее шарообразности. Окончательное подтверждение этому было получено геодезическими измерениями.

Как вам известно из курса геодезии, в первом приближении Земля имеет форму шара, сплюснутого у полюсов, причем полярный радиус меньше экваториального на 21,5 км. Фигура тела, ближе всего подходящая по виду и размерам к Земле, есть геоид. Геоид обладает следующей особенностью: направление силы тяжести к его поверхности всюду перпендикулярно. В пределах земных океанов фигура геоида совпадает с поверхностью воды, а на суше - не совпадает. Полярный радиус Земли 6357 км, экваториальный - 6378 км (сфероид Красовско-го). Усредненный радиус Земли равен 6371 км. Длина экватора - 40076 км. Площадь поверхности Земли - 510 млн км2. Объем - около 1,08-Ю12 км. Масса Земли составляет 5,974-Ю21 т.

Давление и плотность Земли

Зная массу и объем Земли, легко определить ее плотность. Она равна, как указывалось выше, 5,52 г/см3, т.е. в 5,52 раза больше плотности воды. Плотность верхней части каменной оболочки Земли (литосферы) равна 2,65 г/см3. Расхождение между средней плотностью и сравнительно легкой верхней зоной твердых пород послужило первым указанием на наличие в недрах планеты плотного ядра.

Специальными исследованиями установлено, что на глубине 60 км плотность равна 3,3 г/см3, на 1200 км - 4,7, на 2900 -9,9, на 3000 - 10,1 и в центре Земли - 12,5 г/см3.

Давление внутри Земли также определяется косвенными методами. Установлено, что по мере углубления оно возрастает и составляет:

на поверхности моря - 1 атм (760 мм р. ст.);

на глубине 10 км - 2500 атм;

800 км - 300 тыс. атм;

2400 км - 1 млн 100 тыс. атм;

в центре Земли - 3 млн 100 тыс. атм.

Сила тяжести

Определяется силой, с какой Земля взаимодействует с материальными объектами. Она зависит от широты местности (на экваторе она меньше, чем на полюсах) и от распределения минеральных масс в земной коре. При крупных скоплениях последних возникают аномалии силы тяжести. Существует отрасль геологии, изучающая поведение силы тяжести на поверхности Земли — гравиметрия, а один из ее разделов - гравиразведка - имеет широкое применение при поисках полезных ископаемых. С глубиной ускорение силы тяжести увеличивается, достигая на определенной глубине максимума, а затем падает к центру Земли и в самом центре приобретает нулевое значение. Стандартное ускорение силы тяжести равно округленно 981 мл/гал, или 981 см/с2, на экваторе -978 мл/гал, на широте - 45-981 мг/гал и на полюсах - 983 мл/гал.

Теплота Земли

Теплота. Земля получает тепло из двух источников - от Солнца и из внутренних своих частей.

Лучистая энергия Солнца, получаемая земной атмосферой на нормальную поверхность, определяется солнечной постоянной, равной 1370 Вт/м2. На весь земной шар в год падает 5,5-Ю24 Дж лучистой энергии; 55 % ее поглощается атмосферой, растительным покровом и почвой, а часть покидает Землю, отражаясь в мировое пространство.

Температура на поверхности Земли очень изменчива, меняется по суткам, по сезонам года и зависит от широты местности. Амплитуда колебаний температуры в течение года составляет более 150 °С (от -90 °С в Антарктиде до +65 "С в Афhике) С глубиной влияние солнечной энергии уменьшается до 'я и на незначительной глубине (около 10 м) залегает слой с постоянной температурой. В районе г. Москва зона постоянных температур располагается на глубине примерно 20 м, на экваторе - 1-2 м, в полярных областях - 100 и более м.

Извержения вулканов, эксплуатация глубоких горных выработок показывает, что с глубиной температура возрастает: в среднем на каждые 30 м углубления ниже зоны постоянных температур повышается на 1 °С. Эта величина называется геотермической ступенью. Величина прироста температуры при углублении на каждые 100 м называется геотермическим градиентом. Обе величины зависят от ряда причин: от теплопроводности пород, наличия горячих источников, от процессов, происходящих в недрах Земли. Термодинамическими расчетами установлено, что на глубине 20 км температура составляет 600 °С, 100 км - 1400 "С, 500 - 1800 "С и в центре Земли - около 3000 °С.

Радиоактивность. Установлено, что температура верхних слоев каменной оболочки Земли тесно связана с распадом радиоактивных элементов - U235, U238, Тh, К40 и продуктами их распада. Пояс радиоактивности Земли простирается до глубины 50 км.

Упругие и электрические свойства Земли

Упругие свойства Земли. Горные породы, слагающие земную кору, обладают упругими свойствами. С ними связано распространение продольных и поперечных волн, возникающих при сейсмических (греч. seismos землетрясение) явлениях. Продольные и поперечные волны могут возникать и искусственным путем - при взрывах, ударах. Скорость распространения продольных волн в 1,7 раза больше, чем поперечных. Упругие свойства Земли широко используются на практике разделом геологии - сейсмологией, для поисков месторождений нефти и газа.

Электрические свойства. Земля обладает электрическими свойствами. Земное электричество (теллурические токи) своим происхождением обязано различным физико-химическим, геологическим процессам. При землетрясениях интенсивность теллурических токов резко возрастает. Отмечается взаимосвязь их с магнитными свойствами Земли. Электрические токи, возникающие в недрах Земли, все еще остаются загадкой. Тем не менее способность Земли генерировать электрические токи и в определенной мере быть проводником их находит практическое применение при проведении различных поисковых работ, в том числе и поисков подземных вод, основанных на законах распространения электричества.

Магнитные свойства Земли

Магнитные свойства. Земля является гигантским двухполюсным магнитом. Его полюса не совпадают с географическими. Магнитные свойства Земли изменчивы, зависят от ряда причин. Одной из главных причин изменения магнитных свойств Земли являются вспышки на Солнце. В результате мощного корпускулярного излучения на Земле возникают магнитные бури. С ними связано такое красочное природное явление, как полярное сияние.

Магнитные бури часто связаны также с землетрясениями. Установлено, что в местах землетрясений, примерно за сутки до их начала, возникают магнитные бури.

Магнитные бури отрицательно влияют на радиосвязь. Крупные массивы железных руд, залегающие вблизи земной поверхности, создают магнитные аномалии (КМА).

Магнитные свойства Земли используются на практике при поисках полезных ископаемых.

Вопросы для самоконтроля:

1. Основные разделы дисциплины геология и гидрогеология.

2. Земля, как планета Солнечной системы. Положение планеты в мировом пространстве.

3. Основные гипотезы происхождения Земли.

4. Сферы Земли. Краткая характеристика геосферы, гидросферы, атмосферы и биосферы.

5. Геосфера. Стратификация геосферы.

6. Земная кора. Типы земной коры.

7. Земная кора. Структурные элементы земной коры: плиты, платформы, щиты.

8. Земная кора. Тектоника литосферных плит. Субдукция, обдукция, и коллизия.

9. Геосфера. Литосфера, мантия и ядро.

10. Физические свойства Земли. Сила тяжести. Аномалии силы тяжести.

11. Физические свойства Земли. Тепловые свойства, температурная стратификация геосферы, геотермическая ступень и геотермический градиент.

12. Физические свойства Земли. Магнитные свойства, магнитные аномалии.

13. Сейсмические свойства Земли. Продольные и поперечные сейсмические волны

Рекомендуемая литература

1. Н.В. Короновский, Н.А. Ясаманов. Геология: Учебник для вузов. – М.: Издательский центр «Академия», 2003 г.:

2. Суворов А.К. Геология с основами гидрогеологии. (Учебники и учебные пособия для студентов высших учебных заведений) – М.: Колос, 2007. – 207 с: ил.

Лекция 2