Внешние оболочки Земли: атмосфера, гидросфера, литосфера

Размещено на http://www.allbest.ru/

МОСКОВСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

«Внешние оболочки Земли: атмосфера, гидросфера, литосфера»

Студентки 1 курса заочного отделения,

38.03.03. Управление персоналом

УПБЗ 02-16

Алубиной Марии

2017

План

1. Общая характеристика атмосферы Земли

2. Гидросфера Земли

3. Литосфера

Список литературы

1. Общая характеристика атмосферы Земли

атмосфера земля гидросфера литосфера

АТМОСФЕРА - газовая оболочка, окружающая небесное тело. Ее характеристики зависят от размера, массы, температуры, скорости вращения и химического состава данного небесного тела, а также определяются историей его формирования начиная с момента зарождения. Атмосфера Земли образована смесью газов, называемой воздухом. Ее основные составляющие - азот и кислород в соотношении приблизительно 4:1.

На человека оказывает воздействие главным образом состояние нижних 15-25 км атмосферы, поскольку именно в этом нижнем слое сосредоточена основная масса воздуха. Наука, изучающая атмосферу, называется метеорологией, хотя предметом этой науки являются также погода и ее влияние на человека. Состояние верхних слоев атмосферы, расположенных на высотах от 60 до 300 и даже 1000 км от поверхности Земли, также изменяется. Здесь развиваются сильные ветры, штормы и проявляются такие удивительные электрические явления, как полярные сияния. Многие из перечисленных феноменов связаны с потоками солнечной радиации, космического излучения, а также магнитным полем Земли. Высокие слои атмосферы - это также и химическая лаборатория, поскольку там,0 в условиях, близких к вакууму, некоторые атмосферные газы под влиянием мощного потока солнечной энергии вступают в химические реакции. Наука, изучающая эти взаимосвязанные явления и процессы, называется физикой высоких слоев атмосферы.

Общий вес газов атмосферы составляет приблизительно 4,510¹⁵ т. Таким образом, «вес» атмосферы, приходящийся на единицу площади, или атмосферное давление, составляет на уровне моря примерно 11 т/м².

Значение для жизни.

Из сказанного выше следует, что Землю от межпланетного пространства отделяет мощный защитный слой. Космическое пространство пронизано мощным ультрафиолетовым и рентгеновским излучением Солнца и еще более жестким космическим излучением, и эти виды радиации губительны для всего живого. На внешней границе атмосферы интенсивность излучения смертоносна, но значительная его часть задерживается атмосферой далеко от поверхности Земли. Поглощением этого излучения объясняются многие свойства высоких слоев атмосферы и особенно происходящие там электрические явления.

Самый нижний, приземной слой атмосферы особенно важен для человека, который обитает в месте контакта твердой, жидкой и газообразной оболочек Земли. Верхняя оболочка «твердой» Земли называется литосферой. Около 72% поверхности Земли покрыто водами океанов, составляющими бльшую часть гидросферы. Атмосфера граничит как с литосферой, так и с гидросферой. Человек живет на дне воздушного океана и вблизи или выше уровня океана водного. Взаимодействие этих океанов является одним из важных факторов, определяющих состояние атмосферы.

Эволюция атмосферы в истории земли

Из всех планет Солнечной системы только Земля обладает уникальной атмосферой.

Такой оптимальный для жизни состав земной атмосферы постепенно возник благодаря длительным взаимодействиям процессов дегазации Земли с геохимическими и биологическими преобразованиями вещества, приведшими к связыванию отдельных компонент атмосферы в осадочных породах и гидросфере нашей планеты и, наоборот, к высвобождению газа - эликсира жизни - кислорода.

И наше счастье, что согревающее нас Солнце является спокойной и небольшой звездой, а Земля расположена от него на таком расстоянии, что средняя температура земной поверхности в настоящее время не превышает + 15 °С. Если бы светимость Солнца была большей, в 3-4 раза, то Земля неизбежно "превратилась бы в Венеру" с плотной углекислотно-паровой атмосферой, а если меньшей, то замерзла, подобно Марсу.

Существует точка зрения, согласно которой первичная атмосфера Земли была захвачена гравитационным полем нашей планеты непосредственно из протопланетного облака еще в процессе аккреции планет (Mayashi et al., 1979). Предполагается, что в этом случае масса такой атмосферы могла достигать массы континентальной коры, а давление у земной поверхности - намного превышать 10⁴ бар (атм). При этом атмосфера становилась полностью непрозрачной и, следовательно, только за счет парникового эффекта и адиабатического сжатия газовой смеси температура у ее основания могла подниматься до десятков тысяч градусов! Однако никаких геологических следов существования у Земли столь экзотической атмосферы не обнаружено, а они должны были бы сохраниться в ее летописи. Кроме того, любые предположения о существовании у молодой Земли очень плотной атмосферы встречаются с непреодолимыми трудностями при объяснении механизмов ее перехода от столь экстремальных условий на поверхности к привычной нам комфортной для жизни ситуации.

По значительно более реальным представлениям (Rubey, 1951; Полдервард, 1957; Виноградов, 1967, 1969; Шопф, 1982; Холленд, 1989; и др.), атмосфера Земли, как и ее гидросфера, образовалась благодаря дегазации мантии - процесса, происходящего и сейчас, но, возможно, развивавшегося наиболее интенсивно на ранних этапах существования Земли. Обычно принимается, что первичная атмосфера состояла из паров воды, углекислого газа и других газовых фракций (H₂S, CO, H₂, N₂, CH₄, NH₃, HF, HCl, Ar), т.е. была восстановительной. Развитие атмосферы с освобождением газообразного кислорода происходило в основном благодаря фотохимическим реакциям в верхних слоях атмосферы и фотосинтеза появившихся еще в раннем докембрии сине-зеленых водорослей.

Как уже отмечалось, происхождение атмосферы также связывают с дегазацией земных недр, но в отличие от наиболее популярных моделей начало этого процесса нужно относить не к моменту формирования Земли, около 4,6 млрд лет назад, а к началу ее тектонической активности, приблизительно 4 млрд лет назад.

Рассматривая происхождение и эволюцию атмосферы Земли, необходимо учитывать, что земное вещество (по сравнению с солнечным) было сильно обеднено летучими и подвижными элементами и соединениями. В противном случае современная атмосфера (и гидросфера) была бы значительно более мощной. Так, по оценкам Б. Мейсона (1971), относительное содержание водорода на Земле (по отношению к кремнию) меньше, чем в космосе в тысячи и сотни раз. Поэтому, несмотря на распространенность в космическом пространстве таких летучих соединений, как H3, He, N2, H3O, CO2, CH5, NH4 и др., в земном веществе их оказалось исключительно мало. По-видимому, такая первичная и значительная дифференциация земного вещества произошла еще на допланетной стадии развития Солнечной системы за счет интенсивного выметания летучих и легкоподвижных компонентов из внутренних частей протопланетного газопылевого облака на его периферию в область формирования планет-гигантов.

Находящиеся же в Земле летучие соединения и элементы (Н2О, СО2, N2, HCl, HF, HI и др.) могли попасть в нее только в связанном состоянии: вода с гидросиликатами, азот с нитридами и нитратами, углекислый газ с карбонатами, галогены с галоидами и т. д. Поэтому в процессе роста Земли такие компоненты оказывались погребенными в недрах, а те остатки реакционно-активных летучих соединений, которые освобождались при ударных взрывах падавших на Землю планетезималей, должны были усиленно сорбироваться ультраосновным реголитом на поверхности растущей планеты и тоже погребались под новыми слоями выпадавшего на Землю метеоритного вещества.

Таким образом первичная атмосфера Земли действительно состояла из инертных и благородных газов.

Не должно было существовать тогда в атмосфере и заметного количества ⁴⁰ Аг - продукта распада радиоактивного калия ⁴⁰К.

Определить парциальные давления остальных компонентов первичной атмосферы (N₂, О, СО₂ и СО) значительно сложнее, так как для этого необходимо знать сорбционную и реакционную способность газов на реголите ультраосновного состава, к тому же еще содержащего свободные металлы (Fe, Ni, Со, Cr и др.)

Азот относится к умеренно активным элементам, слабо вступающим в реакции с природными неорганическими соединениями. Поэтому существует большая вероятность того, что и в первичной атмосфере содержалось заметное количество этого газа. В этом случае значительная часть азота современной атмосферы является реликтовой, сохранившейся еще со времен формирования Земли около 4,6 млрд лет назад, хотя другая его часть могла дегазироваться из мантии уже на геологической стадии развития нашей планеты. Необходимо учитывать, что с появлением жизни на Земле около 4,0-3,8 млрд лет назад постоянно происходило связывание этого газа в органическом веществе и его захоронение в океанических осадках, а после выхода жизни на сушу (около 400 млн лет назад) - и в континентальных отложениях. Поэтому жизнедеятельность организмов за длительное время развития земной жизни могла существенно снизить парциальное давление азота в земной атмосфере, тем самым меняя климаты Земли.

Рассчитывая эффект поглощения азота, надо учитывать, что органический азот океанических осадков вместе с осадками через зоны скучиванья океанической коры в архее или через зоны поддвига плит в протерозое и фанерозое постоянно выводился из акваторий океанов. После этого он частично включался в гранит-метаморфические породы континентальной коры или уходил в мантию, но частично вновь дегазировался и снова поступал в атмосферу.

Помимо биогенного процесса связывания атмосферного азота, по-видимому, существует достаточно эффективный абиогенный механизм этой же направленности. Так, по расчетам Я. Юнга и М. МакЕлроя (Yung, McElroy, 1979), фиксация азота в почвах может происходить во время гроз благодаря образованию при электрических разрядах во влажном воздухе азотной и азотистой кислот.

Углекислый газ. Чтобы понять, как изменялось парциальное давление углекислого газа в истории земли необходимо знать скорость его дегазации из мантии земли.

Пик скорости дегазации СО₂ приходится на время максимальной тектонической активности Земли, около 2,7 млрд. лет назад, тогда как с максимальной скоростью дегазация воды происходила около 2,5 млрд. лет назад, т.е. только после образования у Земли плотного ядра и перехода процесса дифференциации земного вещества от механизма зонной плавки к более спокойному бародиффузионному механизму дифференциации мантийного вещества.

Если бы весь дегазированный СО2 сохранялся в атмосфере, то его парциальное давление сейчас достигало бы 90-100 атм, т.е. было бы таким же, как и на Венере!

К счастью для жизни на Земле, одновременно с поступлением СО₂ в атмосферу происходило его связывание в карбонатах. Но для протекания этой реакции необходима вода в жидкой фазе, так как только в этом случае гидратация силикатов сопровождается поглощением СО2 с образованием карбонатов:

· 2CaAl2Si2O8 + 4H3O + 2CO2 -- Al4[Si4O10](OH)8 + 2CaCO3 анортит каолин кальцит

· 4Mg2SiO4 + 4H3O + 2CO2 -- Mg6[Si4O10](OH)8 +2MgCO3 оливин серпентин магнезит

По этой причине существенное влияние на эволюцию парциального давления углекислого газа в атмосфере оказала история развития океанов на Земле.

Кислород. Количественно оценить эволюцию содержания кислорода в земной атмосфере еще значительно сложнее, поскольку оно сильно зависело от таких трудно учитываемых факторов, как характер и уровень метаболизма древних фотосинтезирующих микроорганизмов, режимов поглощения О2 в окисножелезном и сульфатном резервуарах седиментосферы, условий застоя и стагнации или перемешивания вод древних океанов и т.д.

Поэтому общую картину возможных колебаний парциального давления кислорода в земной атмосфере можно описать только на качественном уровне.

Кислород в атмосферу поступал в основном из двух источников: за счет биогенного процесса восстановления углерода из углекислого газа и благодаря фотодиссоциации воды жестким излучением Солнца.

В современной атмосфере содержится около 1,2-10²¹ г кислорода, откуда общая масса О2 в кислородном резервуаре земной коры и атмосферы равна приблизительно 8,72-10²² г. Но за счет фотосинтеза микроорганизмов, водорослей и растений в тот же резервуар могло поступить только 5,2-10²² г О2. Разница 3,52-10²² г должна была поступить из других источников. В раннем докембрии еще было очень мало кислорода, поэтому отсутствовал в атмосфере озоновый слой, и жесткое излучение Солнца проникало до земной поверхности, откуда видно, что таким источником могла быть диссоциация воды жестким излучением Солнца по известной реакции H₂O + hv -- O + H₂. При этом водород улетучивался, а кислород уходил на окисление железа. Следовательно, в раннем докембрии за счет диссоциации воды в общий кислородный резервуар должно было поступить около 3,52-10²² г О2.

Состав.

Нижние слои атмосферы состоят из смеси газов (см. табл.). Кроме приведенных в таблице, в виде небольших примесей в воздухе присутствуют и другие газы: озон, метан, такие вещества, как оксид углерода (СО), оксиды азота и серы, аммиак.

В высоких слоях атмосферы состав воздуха меняется под воздействием жесткого излучения Солнца, которое приводит к распаду молекул кислорода на атомы. Атомарный кислород является основным компонентом высоких слоев атмосферы. Наконец, в наиболее удаленных от поверхности Земли слоях атмосферы главными компонентами становятся самые легкие газы - водород и гелий. Поскольку основная масса вещества сосредоточена в нижних 30 км, то изменения состава воздуха на высотах более 100 км не оказывают заметного влияния на общий состав атмосферы.

Энергообмен.

Солнце является главным источником энергии, поступающей на Землю. Находясь на расстоянии ок. 150 млн. км от Солнца, Земля получает примерно одну двухмиллиардную часть излучаемой им энергии, главным образом в видимой части спектра, которую человек называет «светом». Большая часть этой энергии поглощается атмосферой и литосферой. Земля также излучает энергию, в основном в виде длинноволновой инфракрасной радиации. Таким образом, устанавливается равновесие между получаемой от Солнца энергией, нагреванием Земли и атмосферы и обратным потоком тепловой энергии, излучаемой в пространство. Механизм этого равновесия крайне сложен.

Пыль и молекулы газов рассеивают свет, частично отражая его в мировое пространство. Еще большую часть приходящей радиации отражают облака. Часть энергии поглощается непосредственно молекулами газов, но в основном - горными породами, растительностью и поверхностными водами. Водяной пар и углекислый газ, присутствующие в атмосфере, пропускают видимое излучение, но поглощают инфракрасное. Тепловая энергия накапливается главным образом в нижних слоях атмосферы.

Существенную роль в сохранении тепла в нижних слоях атмосферы играет облачность. Если облака рассеиваются или возрастает прозрачность воздушных масс, температура неизбежно понижается по мере того, как поверхность Земли беспрепятственно излучает тепловую энергию в окружающее пространство. Вода, находящаяся на поверхности Земли, поглощает солнечную энергию и испаряется, превращаясь в газ - водяной пар, который выносит огромное количество энергии в нижние слои атмосферы. При конденсации водяного пара и образовании при этом облаков или тумана эта энергия освобождается в виде тепла. Около половины солнечной энергии, достигающей земной поверхности, расходуется на испарение воды и поступает в нижние слои атмосферы.

Строение.

Атмосфера состоит из отдельных слоев (т.е. серии концентрических оболочек, или сфер), выделение которых зависит от того, какое свойство представляет наибольший интерес.

Тропосфера - нижний слой атмосферы, простирающийся до первого термического минимума (т.н. тропопаузы). Верхняя граница тропосферы зависит от географической широты (в тропиках - 18-20 км, в умеренных широтах - ок. 10 км) и времени года. Национальная метеорологическая служба США провела зондирование вблизи Южного полюса и выявила сезонные изменения высоты тропопаузы. В марте тропопауза находится на высоте ок. 7,5 км. С марта до августа или сентября происходит неуклонное охлаждение тропосферы, и ее граница на короткий период в августе или сентябре поднимается приблизительно до высоты 11,5 км. Затем с сентября по декабрь она быстро понижается и достигает своего самого низкого положения - 7,5 км, где и остается до марта, испытывая колебания в пределах всего 0,5 км.

Именно в тропосфере в основном формируется погода, которая определяет условия существования человека. Большая часть атмосферного водяного пара сосредоточена в тропосфере, и поэтому здесь главным образом и формируются облака, хотя некоторые из них, состоящие из ледяных кристаллов, встречаются и в более высоких слоях. Для тропосферы характерны турбулентность и мощные воздушные течения (ветры) и штормы. В верхней тропосфере существуют сильные воздушные течения строго определенного направления. Турбулентные вихри, подобные небольшим водоворотам, образуются под воздействием трения и динамического взаимодействия между медленно и быстро движущимися воздушными массами. Поскольку в этих высоких слоях облачности обычно нет, такую турбулентность называют «турбулентностью ясного неба».

Стратосфера. Вышележащий слой атмосферы часто ошибочно описывают как слой со сравнительно постоянными температурами, где ветры дуют более или менее устойчиво и где метеорологические элементы мало меняются. Верхние слои стратосферы нагреваются при поглощении кислородом и озоном солнечного ультрафиолетового излучения. Верхняя граница стратосферы (стратопауза) проводится там, где температура несколько повышается, достигая промежуточного максимума, который нередко сопоставим с температурой приземного слоя воздуха.

Мезосфера, располагающаяся выше стратосферы, представляет собой оболочку, в которой до высоты 80-85 км происходит понижение температуры до минимальных показателей для атмосферы в целом. Рекордно низкие температуры до -110 С были зарегистрированы метеорологическими ракетами, запущенными с американо-канадской установки в Форт-Черчилле (Канада). Верхний предел мезосферы (мезопауза) примерно совпадает с нижней границей области активного поглощения рентгеновского и наиболее коротковолнового ультрафиолетового излучения Солнца, что сопровождается нагреванием и ионизацией газа.

В полярных регионах летом в мезопаузе часто появляются облачные системы, которые занимают большую площадь, но имеют незначительное вертикальное развитие. Такие светящиеся по ночам облака часто позволяют обнаруживать крупномасштабные волнообразные движения воздуха в мезосфере. Состав этих облаков, источники влаги и ядер конденсации, динамика и связь с метеорологическими факторами пока еще недостаточно изучены.

Термосфера представляет собой слой атмосферы, в котором непрерывно повышается температура. Его мощность может достигать 600 км. Давление и, следовательно, плотность газа с высотой постоянно уменьшаются.

Экзосферой называется внешний слой атмосферы, выделяемый на основе изменений температуры и свойств нейтрального газа. Молекулы и атомы в экзосфере вращаются вокруг Земли по баллистическим орбитам под воздействием силы тяжести. Некоторые из этих орбит параболические и похожи на траектории метательных снарядов. Молекулы могут вращаться вокруг Земли и по эллиптическим орбитам, как спутники. Некоторые молекулы, в основном водорода и гелия, имеют разомкнутые траектории и уходят в космическое пространство.

2. Гидросфера

Гидросфера представляет собой одну из геологических оболочек нашей планеты. Она включает в себя океаны, моря, все водные объекты суши (реки, озера, болота и водохранилища), подземные воды, ледники и снежный покров. Основным компонентом гидросферы является вода. Часто гидросферу рассматривают как глобальную открытую систему, которая занимает 75% поверхности земного шара. Гидросфера содержит 1,5 млрд. км3 воды, 96% из которых приходится на долю Мирового океана. В подземных и почвенных водах, реках, озерах, болотах, водохранилищах и ледниках запасы воды измеряются миллионами км3. В атмосфере воды значительно меньше, и ее объем не превышает 15 тыс. км3. Уникальные свойства воды Вода - единственное химическое соединение, которое существует в природе в виде и жидкости, и твердого вещества (лед), и газа (пары воды). Всем хорошо известно, что вода при нормальных условиях - бесцветная прозрачная жидкость без запаха. Она обладает целым рядом удивительных физико-химических свойств: высоким поверхностным натяжением (с этим свойством связано значительное капиллярное поднятие воды, что способствует питанию растений по корневым системам); высокими температурами кипения и замерзания; удельные энтальпии (теплосодержание) плавления и испарения выше, чем у большинства веществ; плотность воды в жидкой фазе больше плотности льда, поэтому лед плавает на поверхности воды, и водоемы не замерзают до дна. Вода является прекрасным растворителем для многих веществ. Благодаря высокой растворяющей способности воды в ней содержатся практически все химические элементы, из которых наиболее важны для живых организмов. Обилие растворенных элементов превращает водную среду в своеобразный «ведьмин студень», в котором возможны самые фантастические преобразования энергии, вещества и информации. Почти все биохимические процессы, обеспечивающие жизнедеятельность организмов, сводятся к реакциям в водных растворах.

Уникальные свойства воды. Вода - единственное химическое соединение, которое существует в природе в виде и жидкости, и твердого вещества (лед), и газа (пары воды). Всем хорошо известно, что вода при нормальных условиях - бесцветная прозрачная жидкость без запаха. Она обладает целым рядом удивительных физико-химических свойств: высоким поверхностным натяжением (с этим свойством связано значительное капиллярное поднятие воды, что способствует питанию растений по корневым системам); высокими температурами кипения и замерзания; удельные энтальпии (теплосодержание) плавления и испарения выше, чем у большинства веществ; плотность воды в жидкой фазе больше плотности льда, поэтому лед плавает на поверхности воды, и водоемы не замерзают до дна. Вода является прекрасным растворителем для многих веществ. Благодаря высокой растворяющей способности воды в ней содержатся практически все химические элементы, из которых наиболее важны для живых организмов. Обилие растворенных элементов превращает водную среду в своеобразный «ведьмин студень», в котором возможны самые фантастические преобразования энергии, вещества и информации. Почти все биохимические процессы, обеспечивающие жизнедеятельность организмов, сводятся к реакциям в водных растворах.

Границы гидросферы. В широком смысле границы гидросферы определяются границами распространения воды как химического соединения. Верхняя граница обнаружения воды находится на высоте 8-18 км, где молекулы воды разлагаются под действием УФ-излучения. Нижняя граница водной оболочки располагается на глубине около 10 км ниже дна океана и на 6-14 км ниже уровня земной поверхности. По определению В. И. Вернадского, нижняя граница гидросферы - это та область земной коры, где при высоких температурах (до 1800° С) протекают не только процессы разложения, но и синтез молекул воды. С точки зрения экологии, границы гидросферы определяются более четко и совпадают с границами водных объектов: морских и пресноводных водоемов и водотоков суши.

Гидросфера - динамически активная оболочка. Горизонтальный перенос и перемешивание масс воды определяет постоянное перераспределение их свойств, передачу на огромные расстояния и глубины. Мировой океан как составная часть гидросферы Как уже упоминалось, около 96% объема гидросферы приходится на долю Мирового океана. Его главной особенностью является консервативность и устойчивость во времени. Особенно удивительно сохранение постоянства солевого состава океанской воды: процентное соотношение в ней основных солей остается неизменным в любом районе океана и на всех глубинах, независимо от степени распреснения. Большая теплоемкость воды сглаживает крайние температуры, ведет к накоплению большого количества тепла, что создает благоприятные условия для развития и распространения организмов по всей водной толще. Малая изменчивость физических условий в Мировом океане способствовала в свое время зарождению жизни, в настоящее время благоприятствует поддержанию ее наибольшего разнообразия. Из 33 классов растений, известных биологам, в гидросфере встречаются представители 18, а из 63 классов животных - 60. Можно считать, что гидросфера, и в особенности Мировой океан, являются хранилищами видового разнообразия жизни. Следует отметить, что химический состав крови всех животных (включая и человека) близок по составу к морской воде. Выйдя из «морской стихии» на сушу, живые существа продолжают поддерживать в своих кровеносных сосудах привычную морскую среду. Функции крови и морской воды в принципе одинаковы. Это - транспорт живых клеток, белково-углеводных комплексов и растворенных газов. Важными свойствами океанической среды, помимо устойчивости в геологическом масштабе времени, являются также: - непрерывность (в отличие от континентальных водоемов); - сплошная заселенность и почти полное отсутствие безжизненных зон; - интенсивная циркуляция; - наличие приливов и отливов. В океане могут быть выделены две основные группы местообитаний (биотопов) растений и животных: это прибрежные биотопы (зона шельфа) и биотопы открытых вод (пелагиаль). Прибрежные биотопы имеют достаточно выраженные, очерченные границы. Обычно они размещаются по шельфу поясами (полосами), параллельными береговой линии, которые сменяют друг друга по мере возрастания глубины. В пелагической части океана структура биотопов зависит от режима течений и особенностей циркуляции водных масс в каждом конкретном районе. При наличии устойчивых связей всей водной массы с дном (вследствие интенсивного гидродинамического переноса) образуется единый биотоп. Гораздо чаще, однако, в океане возникает ситуация, когда контрастные водные массы, отличающиеся физико-химическим режимом, располагаются друг над другом по типу слоеного пирога. В этом случае целесообразно рассматривать их как отдельные биотопы. Общими особенностями пелагических биотопов являются большие размеры и размытость границ.

3. Литосфера

ЛИТОСФЕРА - внешняя сфера «твердой» Земли, включающая земную кору и часть верхней мантии.

Толщина коры под континентами составляет, в среднем, 35-40 км. Там, где на суше расположены молодые высокие горы, она часто превышает 50 км (например, под Гималаями достигает 90 км). Под океанами кора более тонкая - в среднем около 7-10 км, а в некоторых районах Тихого океана - всего 5 км. Границы земной коры определяются по скорости распространения сейсмических волн. Сейсмические волны дают информацию и о свойствах мантии. Установлено, что верхняя мантия состоит, главным образом, из силикатов магния и железа. Состав нижней мантии остается загадкой, однако высказывается предположение, что она содержит оксиды магния и кремния. Заключения о составе земного ядра были сделаны на основании не только анализа сейсмических волн, но и расчетов плотности и изучения состава метеоритов. Считается, что внутреннее ядро представляет собой твердый сплав железа и никеля. Внешнее ядро, по-видимому, жидкое и имеет несколько меньшую плотность. Некоторые специалисты считают, что оно содержит до 14% серы.

Литосфера имеет три основные функции: геодинамическую, геофизико-геохимическую и ресурсную.

· Геодинамическая функция литосферы выражается в том, что вещество в ней находится в непрерывном движении и изменении. В мантии перемещаются огромные массы вещества, происходит его расширение, сжатие, фазовые переходы, миграция химических элементов, циркуляция тепловых и электрических токов. Энергия для этих процессов берется из двух источников: это внутренние (эндогенные) процессы - радиоактивные распады - и внешние (экзогенные) - энергия солнечного излучения. Происходящее при перемещении расплавленных веществ разделение на легко- и тугоплавкие поддерживает тектонические процессы. Кругооборот вещества обеспечивается также взаимно противоположными процессами: разрушительными (выветривание, снос пород реками) и созидательными (накопление осадков).

· Геофизико-геохимическая функция связана с определенными физическими и химическими свойствами вещества, составляющего литосферу. Физические свойства: плотность, температура, вязкость, упругость, электропроводимость, изменяющиеся с глубиной как непрерывно, так и скачкообразно. В химическом составе земной коры преобладают кислород (50%) и кремний (25%), самые распространенные соединения - кремнезем SiO2 и глинозем Al2O3. В мантии присутствуют Fe, Mn, соединенные с SiO2.

· Ресурсная функция литосферы состоит в том, что она, являясь средой обитания человека, снабжает его всем необходимым для его жизнедеятельности. Используемые человеком в процессе общественного производства компоненты окружающей среды называют естественными, или природными, ресурсами. Итак, литосфера - источник природных ресурсов, которые бывают неисчерпаемые и исчерпаемые (возобновляемые и невозобновляемые). К природным ресурсам относятся: солнечная энергия, энергия приливов и отливов, энергия ветров, внутриземное тепло, водные, земельные, минеральные (в том числе топливно- энергетические), растительные, ресурсы животного мира. Таким образом, важнейшие для жизнедеятельности ресурсы человечество черпает именно из литосферы. К сожалению, по большей части это невозобновляемые ресурсы.

Земная кора, гидросфера и атмосфера образовались, в основном, в результате высвобождения веществ из верхней мантии молодой Земли. Сейчас время в срединных хребтах на дне океанов продолжается формирование океанической коры, сопровождающееся выделением газов и небольших количеств воды. По-видимому, и образование коры на молодой Земле было результатом подобных процессов, вследствие чего сформировалась тонкая оболочка, составляющая менее 0,0001% объема всей планеты. Состав этой оболочки, образующей континентальную и океаническую кору, изменялся во времени, прежде всего, за счет перехода элементов из мантии из-за частичного плавления на глубине примерно 100 км. Средний химический состав современной земной коры характеризуется большим содержанием кислорода, за которым следуют кремний и алюминий.

Средние значения относительного содержания химических элементов в верхнем слое земной коры по предложению советского геохимика А.Е. Ферсмана (1883-1945) называют кларками элементов в честь американского ученого Франка Уилгсуорта Кларка (1847-1931), который разработал методы количественной оценки распространенности химических элементов.

Анализ значений кларков позволяет понять многие закономерности распределения химических элементов. Кларки химических элементов земной коры различаются более чем на десять порядков. Так, если алюминия в земной коре содержится более восьми процентов по массе, то, например, золота 4,3·10^-7 %, меди - 5·10^-3 %, урана - 3·10-⁴%, а такого редкого металла, как рений - всего 7·10-⁸ %.Элементы, содержащиеся в относительно большом количестве, образуют в природе многочисленные самостоятельные химические соединения, а элементы с малыми кларками рассеяны, преимущественно, среди химических соединений других элементов. Элементы, кларки которых меньше 0,01%, называют редкими.

Основными соединениями, образующими литосферу, являются диоксид кремния, силикаты и алюмосиликаты. Большую часть литосферы составляют кристаллические вещества, образовавшиеся при охлаждении магмы - расплавленного вещества в глубинах Земли. При остывании магмы образовывались и горячие растворы. Проходя по трещинам в окружающих горных породах, они охлаждались и выделяли содержащиеся в них вещества.

Поскольку некоторые минералы стабильны только при определенных условиях, при изменении температуры и давления они распадаются. Например, ряд силикатов, образующихся глубоко в коре при высоких температуре и давлении, становятся неустойчивыми, когда попадают на поверхность Земли. С другой стороны, на большой глубине под действием внутреннего тепла Земли и повышенного давления многие горные породы меняют свой вид, образуя новые кристаллические формы.

Поверхность континентальной коры подвержена действию атмосферы и гидросферы, что выражается в процессах выветривания. Физическое выветривание является механическим процессом, в результате которого порода размельчается до частиц меньшего размера без существенных изменений в химическом составе. Химическое выветривание приводит к образованию новых веществ, оно происходит под действием влаги, особенно подкисленной, и некоторых газов (например, кислорода), разрушающих минералы.

Простейший процесс выветривания - это растворение минералов. Вода вызывает разрыв ионных связей, соединяющих, например, катионы натрия и хлорид ионы в галите NaCl. В этом процессе не участвуют катионы водорода, поэтому он не зависит от рН.

При разрушении веществ, содержащих элементы в низких степенях окисления, например, сульфидов, большую роль играет кислород. В эти процессы часто вовлечены микроорганизмы. Так, окисление пирита FeS₂можно моделировать следующим рядом реакций. Сначала окисляется сера(-I):

2FeS₂ + 2H₂O + 7O₂ = 4H⁺ + 4SO₄^2- + 2Fe²⁺

Затем следует окисление железа(II), катализируемое железоокисляющими бактериями:

4Fe²⁺ + O₂ + 6H₂O = 4FeO(OH) + 8H⁺

Образующийся гетит FeO(OH) покрывает дно ручьев в виде характерного желто-оранжевого налета.

Железоокисляющие бактерии извлекают энергию при окислении неорганических веществ, поэтому они развиваются там, где нет органических соединений, используя в качестве источника углерода СО₂. Однако окисление железа - не очень эффективный способ выработки энергии: для получения 1 г клеточного углерода должно быть окислено примерно 220 г железа(II). В результате там, где живут железоокисляющие бактерии, образуются большие отложения соединений железа(III).

Выветривание карбонатных минералов, например CaCO₃, происходит при взаимодействии с кислотами, содержащимися в воде за счет поглощения диоксида углерода, а также антропогенного диоксида серы. При этом поверхностные воды нейтрализуются и обогащаются гидрокарбонат-ионами:

CaCO₃ + H₂CO₃ = Ca²⁺ + 2HCO₃-

Разрушение силикатов, например Mg₂SiO₄ (форстерит) можно описать следующим уравнением:

Mg₂SiO₄ + 4H₂CO₃ = 2Mg²⁺ + 4HCO₃- + H₄SiO₄

Реакция идет за счет образования чрезвычайно слабой ортокремниевой кислоты, при этом минерал со временем полностью растворяется. Однако при выветривании более сложных силикатов растворимыми оказываются не все продукты. В общем случае в результате выветривания образуются, в основном, кварц и глинистые минералы - водосодержащие слоистые алюмосиликаты. Например, при выветривании CaAl₂Si₂O₈ (анортит) твердым продуктом реакции является глинистый минерал каолинит:

CaAl₂Si₂O₈ + 2H₂CO₃ + H₂O = Ca²⁺ + 2HCO₃- + Al₂Si₂O₅(OH)₄

На скорость выветривания влияет биосфера (где создается диоксид углерода), а также рельеф суши и климат, состав воды, тип материнской породы и кинетика реакций с участием отдельных минералов. Так, во влажных тропиках выветривание происходит быстрее. Это связано с тем, что высокие температуры ускоряют реакции, а постоянные ливни делают возможным быстрое вымывание и снос в моря, и океаны даже практически нерастворимых соединений, например, оксидов алюминия и железа.

Продукты выветривания образуют рыхлые континентальные отложения, мощность которых меняется от 10-20 см на крутых склонах до десятков метров на равнинах и сотен метров - во впадинах. Средний минералогический состав рыхлого покрова суши заметно отличается от состава земной коры континентов.

На рыхлых покровных отложениях сформировались почвы, играющие важнейшую роль во взаимодействии живых организмов с земной корой. В почвах систематически консервируется значительная масса органического вещества, синтезированного высшими растениями. Окисление органического вещества в почвах катализируется ферментами микроорганизмов, при этом образуется диоксид углерода, который при взаимодействии с водой дает слабую угольную кислоту. Это может понизить рН почв до 4-5, что оказывает существенное влияние на процессы выветривания. Почва участвует в круговороте азота, серы и фосфора, а также многих металлов. Поэтому проблема охраны почв имеет большое значение.

На ранних этапах истории человечества деятельность людей почти не затрагивала глубины Земли. Однако с началом бурного развития промышленности резко возросли потребности человека в полезных ископаемых. Их добыча и переработка начали оказывать вредное воздействие на природу. При разработке открытых горных выработок образуется много пыли, загрязняющей окрестности. Огромные площади занимают отвалы «пустой» породы, образующиеся при добыче твердых полезных ископаемых. Откачка воды из горных выработок приводит к образованию подземных пустот. Многие горнодобывающие предприятия сбрасывают в реки недостаточно очищенные стоки, что ведет к загрязнению природных вод. В окружающую среду попадают вредные вещества из отвалов этих предприятий. Немало опасных веществ рассеивается при транспортировке руд и продуктов их переработки.

Загрязнение окружающей среды в результате добычи и переработки полезных ископаемых можно уменьшить, если использовать достижения науки и более совершенные технологии.

Список литературы

1.Воронцов А.И., Харитонова Н.З. Охрана природы. - М.: Высшая школа, 1971.

2.Инженерная экология/Под ред. Медведева В.Т. - М.: Гардарики, 2002.

3. Селиванов А. О. Изменчивая гидросфера Земли. Москва, Знание, 1990.

Размещено на Allbest.ru