НОУ ІНТУЇТ | лекція | Навколишнє природне середовище

1. Геосфери Землі як навколишнє середовище Планета Земля в цілому
2. атмосфера Землі
3. гідросфера Землі
4. Земна кора - літосфера

Геосфери Землі як навколишнє середовище Планета

Земля в цілому

Питання про те, як утворилася наша планета, здавна привертав увагу людей. Першою була теорія Канта про походження Сонячної системи з первинного обертового газопилової хмари. При стисненні цієї хмари під дією гравітації хмара розкручувалася, в результаті виникали сили, що діють проти гравітації. В результаті від сжимающейся туманності черзі відділялися кільця, що дали початок утворенню планет.

В середині XX ст. була висунута інша теорія: планети утворилися в результаті гравітаційного захоплення Сонцем щільного міжзоряного газопилової хмари при його проходженні повз раніше утворився Сонця. Входили до складу хмари частки об'єднувалися і укрупнювалися і з часом ставали потенційними зародками планет. Кожна майбутня планета мала свою стійку орбіту і свою "зону харчування". На формування ранньої Землі пішло приблизно 500 млн років. На 92% Земля складається з п'яти елементів: кисню, заліза, кремнію, магнію і сірки.

Земля - ​​третя по порядку від Сонця планета Сонячної системи обертається навколо Сонця по близькій до кругової орбіти на відстані близько 150 млн км. Будова нашої планети сьогодні відомо за сейсмічними даними, а склад її верхніх оболонок - атмосфери, гідросфери і земної кори (літосфери) за геологічними даними і прямим вимірам.

Планета Земля складається з ядра і охоплюють його двох концентричних оболонок: мантії і земної кори ( Мал. 1.1 ). Залягає під земною корою мантія має температуру до і складається з розплавлених гірських порід (магми), здатних текти як густа в'язка рідина. Мантія постійно підігрівається з боку гарячого ядра, внаслідок чого в ній безперервно утворюються потужні конвективні потоки магми.

Схема оболочечного будови планети Земля

Маса Землі дорівнює т, середній радіус 6371 км, площа поверхні 510 млн км , Середня щільність земної речовини 5,52 г / см . Фігура Землі описується геоидом, який апроксимується еліпсоїдом обертання. Декомпозиція геоїда визначається швидкістю обертання Землі навколо полярної осі.

Фігура Землі відповідає рівноважної формі рідини, що обертається. Звідси можна припустити, що речовина Землі в її надрах знаходиться в ефективно рідкому стані, хоча в'язкість такої рідини є дуже високою.

Вся історія геологічного розвитку Землі пов'язана з виділенням або поглинанням тепла. Земля - ​​це величезна теплова машина. Через поверхню Землі втрачається частина її внутрішнього тепла. Среднепланетарной значення питомої потоку тепла, що надходить з надр, так само 59 мВт / м . Характеристика енергетичних процесів, що відбуваються в геосферах Землі, наводиться в табл. 1.1

Існує гіпотеза, що Земля протягом своєї історії нарощувала і продовжує нарощувати свою масу за рахунок надходять з космічного простору матеріальних частинок і енергії. Падаючі на Землю первинні космічні промені складаються з ядер тих же хімічних елементів, які входять до складу Землі, головним чином з ядер водню. У їх складі 92% протонів (ядра водню). 6,6% альфа-частинок (ядра гелію), 0,8% ядер вуглецю, азоту, кисню.

Основна маса космічних частинок має енергію більше 1 ГеВ на нуклон, що в тисячі разів перевищує енергію частинок в найгарячіших частинах Всесвіту. Це означає, що велика частина досягають Землі космічних частинок виникає при вибухах наднових. Спалах наднової - це вибух зірки, при якому викидається речовина з масою, що перевищує кілька мас Сонця. Повний потік первинних космічних частку кордону земної атмосфери дорівнює , Тобто кожну секунду через одиничну площадку проходить одна частинка. Питома потужність потоку космічних променів становить .

Основна частина первинних променів із середньою енергією 10 ГеВ при зіткненні з ядрами витрачає енергію на народження в атмосфері елементарних частинок. Кожне зіткнення утворює безліч заряджених частинок, що призводить до утворення в атмосфері електронно-фотонного каскадного зливи. Розвиток такого зливи починається на висоті близько 25 км. загальне число частинок в зливі досягає декількох мільйонів. Земля, як і всі космічні тіла, поглинає приходить ззовні речовина і за рахунок цього зростає.

Ряд фахівців відстоює існування в земних надрах ядерних перетворень речовини. Наприклад, протони космічних променів з енергією більше 100 ГеВ легко проходять крізь атмосферу і поглинаються земними надрами. Подібні ядерно-активні частинки здатні здійснювати ядерні перетворення хімічних елементів. З цієї причини речовина Землі постійно еволюціонує. Наприклад, за участю нейтронів природних енергій відбуваються реакції з випусканням а-частинок. що пояснює високі концентрації гелію в земній корі:

Земля отримує матерії з космічного простору більше, ніж втрачає, тому її маса і розміри постійно збільшуються. За розрахунками зростання радіуса Землі характеризується швидкістю 2 см / рік. Накопичення і перетворення речовини відбувається переважно в надрах, в результаті земна кора відчуває напруження розтягу і розривається. Виверження вулканів, землетруси і розбіжність дна океанів можуть бути наслідком зростання Землі за рахунок "космічної підживлення".

З земних надр щорічно виноситься на поверхню близько т магми, попелу, парів і газів. Якщо всю масу, винесену за всю історію вулканічних вивержень, рівномірно розподілити по поверхні Землі, то вийде шар завтовшки в 34 км. Це означає, що земна кора є продуктом тривалої переробки речовини верхньої мантії за допомогою фізичного та хімічного вивітрювання, переосажденіем, а також перетворення рослинами і живими організмами.

За розрахунками Земля завершить своє існування через 6 млрд років, коли Сонце в ході еволюції перетвориться на червоного гіганта. Збільшуючись в розмірах, наше світило дійде до орбіти Меркурія і Венери і послідовно їх поглине. При цьому на Землі екосистеми будуть зникати в порядку, зворотному їх виникненню. Далі зірка зупинить своє зростання, але Земля буде повністю випалена.

атмосфера Землі

Маса земної атмосфери дорівнює приблизно т. щільність повітря на рівні моря .

Азотно-кисневий склад земної атмосфери унікальний для планет Сонячної системи. Сухе повітря містить 75,51% азоту, 23,15% ( г) - кисню, 1,28 - аргону. 0,046 - вуглекислого газу. 0,00125 - неону і близько 0,0007% інших газів. Вуглець в атмосфері присутній також у формі метану - 0,00012%.

Важливою компонентою атмосфери є водяна пара. Середній вміст пари і води в атмосфері досягає т, що в перекладі на шар конденсованої води становить 25 мм. Водяна пара в атмосфері оновлюється приблизно 30 разів на рік. У верхніх шарах атмосфери під впливом ультрафіолетового випромінювання виникає озон ( т). що складається з трьохатомних молекул кисню. Утворення цього газу рятує життя на поверхні Землі від згубного впливу жорсткого сонячного випромінювання.

Середня приземному температура на планеті приблизно дорівнює . У нижньому найбільш щільному шарі атмосфери - тропосфері товщиною 12 км перенесення тепла відбувається, в основному, завдяки конвективним рухам повітряних мас. Конденсація вологи в тропосфері породжує хмарність, яка є головним фактором, що визначає відбивну здатність Землі. Будь-яке підвищення приземної температури посилює випаровування вологи і збільшує хмарність Землі, а це, в свою чергу, підвищує альбедо планети і відбивну здатність земної атмосфери. В результаті середня температура земної поверхні знову знижується до попереднього рівня.

гідросфера Землі

Земля - ​​єдина планета Сонячної системи, на поверхні якої вода може перебувати в рідкому стані. Маса води в сучасній гідросфері досягає т. Велика частина води зосереджена в Світовому океані - т і в материкових льодах - т. На прісні води суші припадає близько т. Крім вільної води частина її у вигляді грунтових і порових вод просочує континентальну і океанічну кору. Сумарна маса таких вод досягає т. Середня солоність океанічних вод досягає 35% (проміле або тисячних часток відсотка).

Крім рідкої фази частина води ( т) пов'язана в гідросилікат земної кори. Всього ж на Землі в її верхніх геосфері зосереджено приблизно т води. Води океанів і морів покривають близько 2/3 поверхні Землі, середня глибина Світового океану близька до 3,8 км. В океанській воді розчинені практично всі хімічні елементи, головними з яких є катіони натрію, магнію, кальцію, калію і аніони хлору, , , Брому.

У верхніх шарах океану в кожному літрі води розчинено в середньому 50 мл вуглекислого газу, 13 - азоту, до 8 мл - кисню. Холодні океанічні води високих широт насичені газами в більшій мірі, ніж теплі води тропічних широт. Всього в океані розчинено близько т, тобто майже в 60 разів більше, ніж в атмосфері ( т). Кисню в океані розчинено близько т або в 150 разів менше, ніж його міститься в атмосфері.

Щорічно річки зносять в океани близько т теригенно матеріалу з суші, з них приблизно т / рік припадає на суспензії, а решта - на розчинені і органічні речовини.

Земна кора - літосфера

Земна кора являє собою верхній шар твердої оболонки Землі - її літосфери. Земна кора складається з легкого, менш щільного в порівнянні з мантією речовини, яке надра "виштовхнули" з себе. Частка кори в загальному обсязі Землі становить 1,5%, частка мантії - 82,3%, ядра - 16,2%. Геологічні процеси безперервно змінюють земну кору і її поверхню, приводячи до руйнування одних гірських порід і утворення інших. Поверхня земної кори формується за рахунок різноспрямованих тектонічних рухів, що створюють нерівності рельєфу шляхом руйнування, вивітрювання гірських порід і накопичення опадів. В узагальненому вигляді рельєф земної кори описується гіпсометричне кривої ( Мал. 1.2 ). По вертикалі на ній відкладена висота рельєфу твердої поверхні Землі, а по горизонталі сумарна площа районів, що перевищують даний рівень.

Кордон між корою і мантією рухлива: підвищення температури мантії призводить до розплавлення нижньої частини кори і зміщує кордон вгору, а зниження температури - вниз. Межею поділу земної кори і верхньої мантії прийнято вважати "поверхню М". залягає на глибинах 30 ... 60 км на континентах і 5 ... 10 км під дном океану. Ця поверхня визначається глибиною, на якій відбувається різке збільшення швидкості сейсмічних хвиль - в середньому до 8 км / с. Зазвичай з цією поверхнею ототожнюється нижня межа гідратації земних надр. Особливе значення "поверхні М" полягає в тому, що на її рівні приблизно дотримується архимедова рівновагу земної кори, "плаваючою" у в'язкому речовині мантії.

Гіпсометричні крива поверхні земної кори

Нижче цієї поверхні залягає астеносфера - шар з підвищеною електропровідністю і зниженою в'язкістю. Ці особливості пояснюються плавленням речовини астеносфери в межах 1-2%. яке проявляється у вигляді тонкої плівки, що огортає кристали при температурі . Астеносферних шар розташований найближче під океанами (від 10 до 200 км) і глибше під континентами.

Нижнім ярусом континентальної земної кори є товстий базальтовий шар, на якому спочиває гранітний шар, покритий чохлом осадових порід. Океанське ложе складається з базальтової підстилки і тонкого шару осадових порід ( Мал. 1.3 ).

Океанічна кора формується в рифтових зонах серединно-океанічних хребтів за рахунок виливу базальтових розплавів з гарячою магми (з астеносферних шару) на поверхню океанічного дна. Щорічно з астеносфери виливається і кристалізується не менше 6 км базальтових розплавів. Ці тектономагматіческіе процеси не мають собі рівних на суші і супроводжуються підвищеною сейсмічністю.

Схематичний розріз земної кори

Магма - це флюїди-силікатний розплав, що містить в своєму складі з'єднання з кремнеземом і розчинені летючі речовини, а також присутні у вигляді бульбашок газу. Летючі компоненти в магмі представлені і ін. При затвердінні магматичних розплав втрачає леткі компоненти. Кристалізація магми відбувається поступово у міру падіння її температури. Спочатку виділяються високотемпературні мінерали з освітою таких гірських порід, як базальти і габро, потім - низькотемпературні мінерали з освітою діоритів і андезитів, потім - гранітів і риолитов і т.д. Процеси перетворення магми в гірські породи досить складні, і на них крім охолодження впливають безліч різних чинників. Наявність в магмі легкоотделяемой компонентів призводить до вулканічним процесам, а наявність трудноотделяющейся компонентів - до інтрузивним процесам.

Середній хімічний склад земної кори: . Хімічний склад земної кори вперше встановив американський вчений Ф. Кларк. У його честь середній вміст хімічних елементів в земній корі називають Кларком. Земна кора майже наполовину складається з кисню: кларк кисню - 47%. Далі у напрямку зниження йдуть кларки кремнію - 29,5; алюмінію - 8,05; заліза - 4,65; кальцію - 2,96; натрію і калію - по 2,50; магнію - 1,87 і титану - 0,45%. В сумі це становить понад 99% маси земної кори. Сумарний вміст в земній корі інших 80 елементів не перевищує 1%.

За походженням гірські породи поділяються на три групи: магматичні; осадові і метаморфічні.

Магматичні породи мають кристалічну будову і утворюються з розплавленої магми при застиганні її на деякій глибині (інтрузивні) або при виході її на поверхню (еффузівние).

На частку магматичних порід припадає приблизно 95% об'єму земної кори. Найбільш важливим мінералом в складі цих порід є окис кремнію (кремнезем) - і окис алюмінію . Вміст кремнезему визначає склад гірських порід. При утриманні кремнезему 45-52% породи входять в групу основних порід, при вмісті більш 65% - до групи кислих порід.

Осадові породи залягають шарами і утворюються в результаті перевідкладення продуктів руйнування існуючих раніше корінних гірських порід, а також з продуктів життєдіяльності організмів. Так, піщаник утворюється з пісків, сланець - з мулу, вапняк - з морських раковин. Осадові породи подстилаются древніми магматическими або метаморфічними породами. Поклади нафти і газу, як правило, приурочені до осадових порід. Непродуктивні породи, які підстилають осадові, називають корінними породами або породами фундаменту.

Метаморфічні породи утворюються з магматичних або осадових порід на великих глибинах в результаті дії високих температур і тисків, а також в результаті привноса в вихідну породу магматичних газів і водних розчинів. Наприклад, мармур ( ) Являє собою метаморфізовани вапняк ( ). Ці породи відрізняються від вихідних порід текстурної-структурними і властивостями міцності, мінералогічним складом, мають слоистостью і кристалічною будовою.

За ступенем зв'язності гірські породи поділяються на скельні, зв'язкові, пухкі і текучі. Вони можуть знаходитися в сезонно-мерзлому і Багаторічномерзлі станах. У районах Крайньої Півночі потужність мерзлих порід може досягати сотень метрів, температура . Уламкові водонасичені пухкі породи при замерзанні цементуються льодом і відрізняються високою міцністю. При відтаванні вони переходять в текучий стан.

Земна кора як би плаває в подкоровом субстраті гарячої магми, при цьому вона завжди прагне до досягнення стану гідростатичної рівноваги. Це явище називається ізостазією. Якщо на поверхні утворилися гори, то підошва земної кори повинна зануритися в мантію на якусь величину, щоб компенсувати збільшену навантаження ( Мал. 1.4 ). Чим гори вище, тим прогин "поверхні М" глибше вдається в верхню мантію, середня щільність якої 3,3 г / см .

Схема ізостатичного рівноваги між земною корою і мантією

Після танення і зникнення 10 тис. Років тому льодовикового покриву в Карелії, що мав товщину до 4 км, навантаження на земну кору зменшилася і відповідно до закону ізостазії ця територія стала швидко підніматися. Здіймання земної поверхні йшло приблизно зі швидкістю 10-13 см / рік відразу ж після танення і зараз становить близько 1 см / рік.

Будь-які досить значні зміни навантаження на земну кору: заповнення осадовими товщами; потужні лавові покриви; штучні водосховища; глибокі кар'єри; відкачка підземних вод і нафти - все це призводить до зміни ізостатичного рівноваги в регіональному масштабі.