Концепции современного естествознания

ОГЛАВЛЕНИЕ

Глава 7 ПЛАНЕТА ЗЕМЛЯ

7.1. Форма и размеры Земли

Земля является объектом изучения многих наук: от геологии и тектоники до философии и культуры. В совокупности этих наук выделяются отраслевые науки, изучающие отдельные части вертикальной и горизонтальной структуры Земли, и системные науки, синтезирующие всю совокупность знаний о Земле для решения теоретических или прикладных проблем.

Среди отраслевых наук особое развитие получили геология (наука о литосфере), гидрология (наука о гидросфере), климатология (наука об атмосфере), геофизика (наука, изучающая Землю как физическое тело), геохимия (наука, изучающая естественные химические процессы, протекающие в пределах Земли), геоморфология (наука, изучающая рельеф Земли), почвоведение (наука, изучающая почвы на поверхности Земли), биогеография (наука, изучающая распределение живого вещества на поверхности Земли).

К системным наукам относится география, синтезирующая знания отраслевых наук применительно к поверхности Земли. При этом физическая география изучает естественные природные комплексы, формирующиеся на поверхности Земли в результате взаимодействия биотических и абиотических факторов, а социально-экономическая география изучает социально-экономические комплексы, формирующиеся на поверхности Земли в результате освоения человеком ее территорий.

В IV в. до н. э. древнегреческий ученый Аристотель заметил, что тень от Земли на Луне, наблюдаемая во время лунных затмений, всегда имеет одинаковую круглую форму. Он предположил, что Земля, как Луна и Солнце, является шарообразным телом. Это наблюдение было очень важным для развития человеческой мысли.

Но Земля – не идеальный шар, она сплюснута у полюсов и расширена к экватору. Такое геометрическое тело называется сфероидом, или эллипсоидом вращения. Однако истинная форма Земли сложнее из-за неоднородного строения недр. Известный ученый В. И. Вернадский назвал такую форму геоид(«землеподобный»). Геоид – это фигура, поверхность которой всюду перпендикулярна направлению силы тяжести. Поверхность геоида совпадает с уровнем Мирового океана и сообщающихся с ним морей при некотором среднем уровне воды, отсутствии течений, волн, приливов и др.

В настоящее время с помощью космических методов исследования ученые с достаточной степенью точности могут составить модель поверхности Земли, которую по форме иногда сравнивают с обкусанным яблоком, подчеркивая при этом неоднородность ее поверхности.

Полярный радиус Земли составляет 6357 км, а экваториальный – 6378 км, то есть больше полярного на 21 км (рис. 7.1).

Рис. 7.1. Форма и размеры Земли

> Земная ось – это воображаемая прямая, проходящая через центр Земли. Две точки, через которые проходит ось Земли, называются полюсами. Их два – Северный и Южный.

На одинаковом расстоянии от полюсов проходит воображаемая линия – экватор. К северу от экватора – Северное полушарие, к югу – Южное. Длина экватора составляет немногим более 40 000 км.

7.2. Космические ритмы

Жизнь природы и человека подчинена космическим ритмам. В основе смены дня и ночи, лета и зимы, хороших и плохих лет лежат космические процессы, связанные с движением космических тел относительно друг друга.

Так, смена дня и ночи обусловлена вращением Земли вокруг своей оси, месячный и недельный ритмы обусловлены обращением Луны вокруг Земли, чередование сезонов года связано с обращением Земли вокруг Солнца (приближением и удалением от Солнца), чередование хороших и плохих лет – с солнечной активностью.

С солнечной активностью связывают три вида ритмов: 11-летний ритм, 22-23-летний ритм, 80-90-летний ритм. Обращение Земли вместе со всей Солнечной системой вокруг центра Галактики за 220–250 млн лет определяет геологическую ритмику, то есть смену геологических эпох.

Поскольку существуют еще гравитационные связи между планетами, движение комет и многие другие взаимодействия, количество космических ритмов может быть весьма значительным. Ясно, что все они так или иначе оказывают воздействие на неживую природу, живую природу и человека.

Наиболее очевидным ритмом является смена дня и ночи. Животный и растительный миры обязаны приспосабливаться к этому ритму для успешной жизнедеятельности.

Люди, наблюдая за Солнцем, заметили, что через определенное время повторяется восходи заход Солнца.

> Промежуток времени между двумя восходами (или заходами) называется сутками.

Солнце постоянно освещает Землю, однако во время своего движения Земля поворачивается к Солнцу то одной стороной, то другой. На освещенной Солнцем стороне бывает день, на противоположной – в это время ночь.

Земля совершает полный оборот вокруг своей оси с запада на восток за 24 часа, то есть за сутки. В разных местах земного шара, расположенных на разных меридианах, то есть имеющих разную долготу, в один и тот же момент часы показывают разное время суток. Но на одном и том же меридиане в каждой его точке от Северного полюса до Южного время суток оказывается одним и тем же. Это время называется местным.

Но пользоваться местным временем неудобно, это мешает при осуществлении связей между разными странами и между частями нашей огромной по протяженности с запада на восток страны. Поэтому астрономы разработали и предложили ввести систему поясного времени. Для удобства отсчета времени решением Международного конгресса поверхность Земли разделили меридианами на 24 часовых пояса, каждый из них включает в себя 15° долготы (Земля за 1 час поворачивается на 15°). Время каждого часового пояса отличается от последующего на 1 час. Нумерация поясов от 0 до 23 ведется с запада на восток от Гринвичского меридиана. Во всех пунктах, находящихся в пределах одного пояса, в данный момент считается одно и то же время. Москва находится во 2-м часовом поясе.

Во многих странах мира осуществляется переход на декретное время (от лат. decretum – указ, постановление) – поясное время, переведенное вперед или назад на 1 час с целью наиболее рационального использования светлой части суток (летнее или зимнее время). В России поясное время отличается от декретного на 1 час. Поэтому Москва, находясь во 2-м часовом поясе, практически живет по времени 3-го часового пояса. Таким образом, когда в Москве 13 часов (московское время), то в Париже – 11 часов (среднеевропейское время), в Лондоне – 10 часов (Гринвичское время) (рис. 7.2).

Скорость движения планет вокруг Солнца зависит в первую очередь от положения их орбит. Чем дальше находится планета от Солнца, тем больше ее орбита, тем длиннее ее год. Например, год на Юпитере продолжается почти 12 земных лет, на Сатурне – почти 30. Самая далекая планета Солнечной системы Плутон делает один оборот вокруг Солнца за 248 земных лет. Земля – третья по счету планета в Солнечной системе. Она совершает один оборот вокруг Солнца за 365 дней 6 часов 9 минут и 9 секунд. Для удобства считают, что в году 365 дней, а через каждые четыре года, когда из шести часов «накопятся» 24 часа, в году бывает 366 дней. Этот год называется високосным, а один день прибавляется к февралю.

Путь Земли вокруг Солнца – земная орбита – имеет форму эллипса. Среднее расстояние от Земли до Солнца 149,6 млн км. Ось вращения Земли наклонена к плоскости земной орбиты подуглом 66,5°.

Рис. 7.2. Часовые пояса Земли

Благодаря обращению Земли вокруг Солнца и постоянному наклону земной оси на нашей планете сменяются времена года и существуют пояса освещенности. Наблюдения показывают, что в нашу эпоху положение планеты в Солнечной системе практически не менялось и земной год– величина достаточно постоянная.

Смена времен года. На рис. 7.3 показано годовое движение Земли вокруг Солнца в разное время года. Летом Северное полушарие как бы повернуто к Солнцу, а зимой – наоборот. 23 сентября и 21 марта – дни осеннего и весеннего равноденствия, когда Солнце одинаково освещает оба полушария Земли. В этот день и в Северном и в Южном полушарии день равен ночи. 22 декабря – день зимнего солнцестояния: самый короткий день и самая длинная ночь в Северном полушарии. Земля обращена к Солнцу своим Южным полушарием. Там лето. У нас зима.

Рис. 7.3. Схема годового движения Земли вокруг Солнца

> Тропики (от греч. tropikos – круг поворота) – географические параллели 23°27 широты, на которых один раз в год, в один из дней солнцестояния, полуденное солнце бывает в зените.

22 декабря, в день зимнего солнцестояния, Солнце находится в полдень в зените для мест, лежащих в Южном тропике (тропик Козерога).

22 июня – день летнего солнцестояния, когда самый длинный день и самая короткая ночь в Северном полушарии. В этот день Солнце в зените наблюдают жители мест, расположенных в Северном тропике (тропик Рака). В Южном полушарии в это время зима, в Северном – лето.

> Полярные круги – географические параллели 66°33 широты, на которых в один из дней солнцестояния наблюдается полярный день, а в другой – полярная ночь. Они являются границами зон полярных ночей и полярных дней.

Полярная ночь может длиться в полярных поясах от 1 суток на широте Северного или Южного полярных кругов до 178 суток на Северном или Южном полюсах. Во время полярной ночи Солнце не появляется над горизонтом. В Северном полушарии на широте Северного полярного круга этот период начинается 22 декабря, а в более высоких широтах – раньше и длится дольше.

Полярный день – это период, когда Солнце не спускается за горизонт. Чем дальше от Полярного круга к полюсу, тем длиннее полярный день. На широте Полярного круга он длится 1 сутки, а на полюсе – 189 суток. В Северном полушарии на широте Северного полярного круга полярный день начинается 22 июня, а в более высоких широтах – раньше и длится дольше.

Аналогичное явление имеет место в Южном полушарии, но в другое полугодие.

Календарные системы. На основе космической ритмики созданы различные календарные системы. Известны византийский и иудейский календари, ведущие отсчет от мифического сотворения мира (01.09.5508 г. до н. э.), древнегреческий (начало отсчета – первые Олимпийские игры – 01.07.776 г. до н. э.), христианский (от даты рождения Христа – 01.01.01 г. н. э.), мусульманский (бегство Мухаммеда из Мекки – 16.07.622 г. н. э.).

Древнеегипетский календарь (солнечный) базировался на нескольких космических и природных ритмах. Так, главный цикл (продолжительностью 1460 лет) начинался с восхода звезды Сириус. Год состоял из 12 месяцев по 30 дней, 5 дней прибавлялись к последнему месяцу в конце каждого года. 12 месяцев распределялись по трем сезонам: сезону половодья (реки Нил), длившемуся с середины июля до середины ноября; сезону восходов (с середины ноября до середины марта); сезону засухи.

В настоящее время во всех цивилизованных странах используется григорианский календарь. Это солнечный календарь, разработанный врачом и математиком Л. Лилио и введенный папой римским Григорием XIII в 1582 г. Средняя продолжительность года в этом календаре – 365,2425 суток, что дает ошибку в одни сутки за 3300 лет. С 5 октября 1582 года (с 15 октября по григорианскому календарю) расхождение между старым (юлианским) и новым стилем составляло 10 суток, а с марта 1900 г. – уже 13 суток. В России григорианский календарь введен 1 февраля 1918 г. (14 февраля по григорианскому календарю).

Во многих мусульманских странах принят лунный календарь, базирующийся на смене фаз Луны, – новолуние; нарождающаяся Луна (серп повернут рожками влево); неполная Луна; полнолуние; снова неполная Луна; убывающая Луна (серп повернут рожками вправо). Период между двумя новолуниями (29,5 суток) – лунный месяц. В календарном месяце лунного календаря чередуются 29 и 30 дней. 12 календарных месяцев составляют лунный год продолжительностью 354 суток, то есть короче солнечного на 11 суток. Начало лунного года отодвигается на все более ранние даты солнечного календаря.

7.3. Зональные комплексы

На поверхности Земли можно выделить 11 зональных комплексов с границами, приблизительно параллельными экватору.

На формирование зон влияют три основные причины: положение Земли по отношению к Солнцу, особенности перераспределения тепла и влаги по поверхности Земли с воздушными и океаническими течениями и конфигурация океанов и континентов.

Неравномерная освещенность земной поверхности солнечными лучами является главной причиной образования зон. Она зависит от угла падения солнечных лучей и длительности освещения территории. Таким образом, глобальная система работает как тепловая машина, принимая солнечное излучение, преобразуя его в тепло и перераспределяя тепло по всей поверхности Земли. Поскольку Земля вращается не только вокруг Солнца, но и вокруг своей оси, потоки воздуха в тропосфере и океанические течения приобретают момент вращения и формируют вертикальные (перпендикулярные поверхности Земли) и горизонтальные (параллельные поверхности Земли) круговороты.

На формирование зон влияет также конфигурация континентов и океанов. В океанах зоны размещены более равномерно, поскольку вода выступает как достаточно однородная субстанция, выравнивающая температурные различия. На континентах границы зон зависят от рельефа местности и удаленности участков от океанов. Например, в горных районах отмечается так называемая вертикальная зональность, распространяющаяся и на примыкающие территории (как в Северной и Южной Америке), а значительное удаление участков от океанов приводит к увеличению внутрисуточных и межсезонных температурных контрастов (усиление «континентального» климата).

Помимо распределения тепла огромное значение для живой природы и человека имеет распределение влаги. Оно подчиняется тем же зональным закономерностям, однако имеет свои причины и особенности.

Насыщение воздуха водяным паром происходит в жарком поясе (экватор и тропики) над водной поверхностью. Однако выпадение осадков, обеспечивающих главный источник влаги для флоры и фауны, зависит от условий конденсации водяного пара. Эти условия существуют при восходящих потоках насыщенного водяными парами теплого воздуха, остывающего при подъеме (условия экватора, наветренных склонов гор, атмосферных фронтов в умеренных широтах и др.). Общим правилом является обильное выпадение осадков в районах с низким атмосферным давлением (восходящие потоки воздуха) и небольшое количество осадков в районе с высоким давлением.

7.4. Комплексные природные зоны

Наложение природных поясов друг на друга и приводит к формированию комплексных природных зон, отличающихся сочетанием температурных условий (жаркий, умеренный, холодный) и влажности, или климатических зон. В том случае, когда количество осадков превышает их испарение, формируется гумидная (влажная) зона. Когда количество осадков примерно равно испарению, формируется равновесная зона, и, наконец, в случае превышения испарения над осадками формируется аридная (сухая) зона.

От экватору к полюсу они идут в следующем порядке.

1. Тропический пояс лежит между тропиками, по обе стороны от экватора, и занимает около 40 % земной поверхности (в этом поясе Солнце по одному разу в год (в дни солнцестояния) бывает в зените над каждым из тропиков).

1) жаркая влажная зона (избыток тепла и влаги) – от 0° до10° с. ш. ию.ш.;

2) жаркая равновесная зона (избыток тепла, равновесие влаги) – от 10° до20° с. ш. и ю. ш.;

3) жаркая аридная зона (избыток тепла, дефицит влаги) – от 20° до40° с. ш. ию.ш.

2. Два умеренных пояса (Северный и Южный) расположены между тропиками и полярными кругами. Солнце в них никогда не бывает в зените. В течение суток обязательно происходит смена дня и ночи, причем продолжительность их зависит от широты и времени года. Четко выражены четыре времени года. Умеренные пояса занимают 52 % земной поверхности:

1) умеренная равновесная зона (равновесие тепла и влаги) – от 40° до50° с. ш. и ю. ш.;

2) умеренная гумидная зона (равновесие тепла, избыток влаги) – от 50° до70° с.ш. ию.ш.

3. Два полярных пояса (Северный и Южный) – к северу от Северного полярного круга и к югу от Южного полярного круга – характеризуются наличием полярных дней и ночей. Их площадь – 8 % земной поверхности:

полярная зона (нехватка тепла, избыток почвенной влаги и сухой воздух) – от 70° до90° с. ш. ию.ш.

Поскольку жаркая влажная зона распространяется по обе стороны от экватора, а остальные пять зон расположены симметрично в Северном и Южном полушариях, общее количество зональных структур составляет 11. К ним необходимо добавить горные районы, где зональность соответствует не только широтному положению территории, но и высоте гор, экспозиции склонов и наветренному (подветренному) положению склонов и хребтов. Необходимо отметить, что границы зон неустойчивы. В зависимости от изменения космических факторов, а также динамики подсистем неживой и живой природы распределение температур и влаги на поверхности Земли меняется и границы зон трансформируются. В далеком прошлом известны периоды, когда большую часть суши занимали влажные леса (350 млн лет назад) или обширные пустыни (280 млн лет назад). Даже в период существования человека на Земле (4 млн лет) границы зон резко изменялись в связи с крупными материковыми оледенениями. Изменения границ природных зон оказали прогрессивное влияние на древнего человека, который был вынужден приспосабливаться к изменениям климата и экосистем, использовать пещеры, огонь, шкуры, орудия труда, одомашнивать животных и растения и т. д.

В настоящее время на изменение границ влияют не только космические факторы или процессы в неживой природе, но главным образом хозяйственная деятельность общества. Так, потепление климата смещает границы всех зон к Северному и Южному полюсам, а вырубка лесов и сельскохозяйственное использование равновесной зоны приводит к расширению аридной зоны со скоростью до 24 км² в час, или 21 млн га в год. Результатом процесса опустынивания может стать расширение аридной зоны с 50 млн км² до 80 млн км², что составит 62 % всей суши, пригодной для существования общества.

7.5. Понятие о литосфере

Внутреннее строение Земли. Земля состоит из земной коры, мантии и ядра. Литосфера (от греч. lithos – камень и sphaire – шар) – это верхняя твердая оболочка Земли, включающая земную кору и верхнюю часть мантии. Литосфера составляет в среднем от 70 до 250 км (рис. 7.4).

Земная кора – верхняя часть литосферы – не везде имеет одинаковую толщину. Различают два основных типа земной коры: материковый и океанический (рис. 7.5).

Под океанами нижняя граница земной коры уходит на глубину 510 км, под равнинами – на 35–45 км, а подгорными массивами – до 70 км.

Слои земной коры состоят из горных породи минералов.

Рис. 7.5. Строение земной коры материков и океанов (по В. М. Муратову)

> Минерал – природное тело, приблизительно однородное по химическому составу и физическим свойствам, образующееся в результате физико-химических процессов в глубинах и на поверхности литосферы. Это составная часть горных пород (Земли и некоторых других планет), руд и метеоритов.

> Горная порола – природная совокупность минералов более или менее постоянного минералогического состава, образующая самостоятельное тело в земной коре.

По происхождению горные породы делятся на три группы: магматические, метаморфические и осадочные. Магматические и метаморфические горные породы слагают 90 % объема земной коры, остальные 10 % приходятся на долю осадочных, которые занимают 75 % земной поверхности.

Магматические горные породы образуются в результате застывания магмы, поднимающейся из сильно разогретых глубин Земли. В случае, когда магма медленно остывает на большой глубине, образуются интрузивные (или глубинные) горные породы, имеющие кристаллическую структуру (гранит, селенит, дунит). При быстром остывании магмы, излившейся на поверхность, образуются эффузивные (или излившиеся) горные породы (базальт, андезит).

Осадочные горные породы, в отличие от магматических, образуются только на поверхности Земли и формируются под воздействием внешних сил. По происхождению выделяют неорганические (обломочные и хемогенные) и органические осадочные породы.

Обломочные горные породы образовались в результате выветривания, переотложения водой, льдом или ветром продуктов разрушения ранее возникших горных пород. К ним относятся песок, глина, валунный суглинок. Хемогенные горные породы формируются в результате осаждения из воды морей и озер растворенных в ней веществ. Пример такой породы – каменная соль.

Органические породы образуются в результате накопления останков животных и растений, как правило, на дне океанов, морей и озер. Такой породой является известняк (в частности, его разновидность – ракушечник), мел, а также горючие полезные ископаемые.

Как осадочные, так и магматические горные породы при погружении на большие глубины под влиянием повышенного давления и высоких температур подвергаются значительным изменениям – метаморфизму, превращаясь в метаморфические горные породы. Так, например, известняк преобразуется в мрамор, песчаник – в кварцит, гранит – в гнейс.

Мантия Земли. Подземной корой, ближе к центру Земли, располагается слой толщиной почти 3000 км, называемый мантией (см. рис. 7.5). Внутри мантии, на глубине 100–250 км под континентами и 50-100 км под океанами, находится слой повышенной пластичности вещества, так называемая астеносфера. Ученые предполагают, что мантия состоит из магния, железа и кремния и имеет очень высокую температуру – до 2000 °C.

Установлено, что температура горных пород с глубиной возрастает: в среднем на 1 °C на каждые 33 м в глубь Земли. Увеличение температуры происходит главным образом за счет распада радиоактивных элементов, входящих в состав земного ядра.

Ядро Земли – пока загадка для науки. С определенной достоверностью можно говорить лишь о его радиусе – 3500 км и температуре – около 4000 °C.

Многие ученые считают не случайным тот факт, что площадь поверхности ядра – 148,7 млн км²– как бы уравновешивается площадью поверхности суши Земли – 149 млн км², создавая баланс ее внутренних и внешних сил.

7.6. Геологическое летосчисление

Геологические процессы длятся достаточно долго. Чтобы реально представлять масштабы времени, требующиеся для изменения лика Земли, нужно знать историю Земли с момента ее возникновения как планеты, то есть за 5 млрдлет.

Выделение различных этапов и периодов в жизни Земли основано на последовательности накопления осадочных горных пород. Если их залегание не нарушено, то каждый верхний слой моложе нижнего. Ученые разделили отложения на пять групп. Время, в течение которого накапливалась каждая группа пород, названо эрой. Название эры отражает относительное время: архейская (древнейшая), протерозойская (ранняя), палеозойская (древняя), мезозойская (средняя) и кайнозойская (новая). Последние три эры разделены на периоды, поскольку в отложениях этих времен остатки животных и растений сохранились лучше и в большем количестве. В каждой эре происходили события, оказавшие воздействие на современный рельеф. Это особые эпохи активизации горообразовательных процессов – складчатости.

Представленную международную геохронологическую шкалу следует читать снизу вверх (табл. 7.1).

Таблица 7.1

Геохронологическая шкала

7.7. Рельефообразующие процессы

> Рельеф – это совокупность неровностей земной поверхности разного масштаба, называемых формами рельефа.

Рельеф формируется в результате воздействия на литосферу внутренних (эндогенных) и внешних (экзогенных) процессов.

Согласно современным представлениям, литосфера состоит из жестких подвижных плит, перемещающихся по пластичной мантии. Границы между плитами могут быть трех типов: океанические хребты (вдоль которых на поверхность поднимается вещество мантии и формируется новое морское дно), желоба (вдоль которых краевые части плит разрушаются, опускаясь в мантию) и трансформные разломы (образующиеся в результате скольжения одной плиты вдоль другой). Так, граница между Африканской и Американской плитами проходит по океаническому хребту, между Антарктической и Американской плитами – по жалобу, а между Тихоокеанской и Американской плитами – по трансформным разломам. Во второй половине XX в. развернулись обширные исследования дна Мирового океана, в результате которых появились совершенно новые представления о развитии океанов и материков, основанные на взглядах немецкого ученого первой половины XX в. А. Вегенера.

В основу новой теории литосферных плит положено представление, что вся литосфера разделена узкими активными зонами – глубинными разломами – на отдельные жесткие плиты, плавающие в пластичном слое верхней мантии.

Внутренние (эндогенные) процессы. Внутренние геологические процессы обусловливают различные тектонические движения, то есть вертикальные и горизонтальные перемещения отдельных участков земной коры. С ними связано образование наиболее значительных неровностей земной поверхности, ее непрерывное изменение. Источником внутренних процессов является тепло, образующееся при радиоактивном распаде элементов, входящих в состав ядра Земли.

Движение плит приводит к изменениям конфигурации материков и океанов и их положения на поверхности Земли. Предполагается, что 500–200 млн лет назад все материки были объединены в один, так называемую Пангею (в переводе с греческого «вся Земля»). В последующие 70 млн лет Пангея раскололась на два материка: Лавразию, включавшую Северную Америку и Евразию (без Индийского и Аравийского субконтинентов) и Гондвану (вся остальная суша). Последующее передвижение плит привело к сближению Северной и Южной Америки, разделению Австралии и Антарктиды, перемещению Аравийского и Индийского субконтинентов к Евразии, причем в зоне столкновения Евразии с последним возникли самые высокие горы на планете (Гималаи). В настоящее время существует шесть материков: Евразия (53,4 млн км²), Африка (30,3 млн км²), Северная Америка (24,2 млн км²), Южная Америка (18,2 млн км²), Австралия (7,7 млн км²) и Антарктида (14 млн км²).

По преобладающему направлению выделяют два типа тектонических движений: вертикальные и горизонтальные. Оба типа движений могут проходить как самостоятельно, так и во взаимосвязи друг с другом. Часто один тип движения порождает другой. Проявляются они не только в перемещении крупных блоков земной коры в вертикальном или горизонтальном направлениях, но и в образовании складчатых и разрывных нарушений разного масштаба.

Складки – волнообразные изгибы пластов земной коры, созданные совместным действием вертикальных и горизонтальных движений в земной коре. Складка, пласты которой выгнуты кверху, называется антиклинальной складкой, или антиклиналью. Складка, пласты которой прогнуты книзу, называется синклинальной складкой, или синклиналью. Синклинали и антиклинали – две основные формы складок. Небольшие и относительно простые по строению складки выражаются в рельефе невысокими компактными хребтами (например, Сунженский хребет северного склона Большого Кавказа).

Более крупные и сложные по строению складчатые структуры представлены в рельефе крупными горными хребтами и разделяющими их понижениями (Главный и Боковой хребты Большого Кавказа). Еще более крупные складчатые сооружения, состоящие из множества антиклиналей и синклиналей, образуют мегаформы рельефа типа горной страны, например горы Кавказа, Урала и т. д. Эти горы называют складчатыми.

Разрывные нарушения (разломы) – это различные нарушения сплошности горных пород, часто сопровождающиеся перемещением разорванных частей относительно друг друга. Простейшим видом разрывов являются единичные более или менее глубокие трещины. Наиболее крупные разрывные нарушения, распространяющиеся на значительную длину и ширину, называют глубинными разломами.

В зависимости от того, как перемещались разорванные блоки в вертикальном направлении, выделяют сбросы и надвиги (рис. 7.6).

Рис. 7.6. а – сброс; б – надвиг

Совокупности сбросов и надвигов составляют горсты и грабены (рис. 7.7).

Рис. 7.7. а – горст; б – грабен

В зависимости от размеров они образуют отдельные горные хребты (например, столовые горы в Европе) или горные системы и страны (например, Алтай, Тянь-Шань).

В этих горах наряду с грабенами и горстами встречаются и складчатые массивы, поэтому их следует относить к складчато-глыбовым горам.

В случае, когда перемещение блоков горных пород было не только в вертикальном направлении, но и в горизонтальном, образуются сдвиги.

В зонах раздвижения литосферных плит – зонах срединно-океанических хребтов – рождается новая океаническая земная кора. В зонах столкновения литосферных плит – зонах островных дуг и сопряженных с ними глубоководных желобов – происходит «подныривание» одной плиты (чаще с океанической земной корой) под другую (чаще с материковым или переходным типом земной коры). В результате такого «подныривания» край плиты прогибается и образуется глубоководный желоб. Ярким примером таких дуг являются Курильские и Японские острова, рядом с которыми располагаются соответствующие глубоководные желоба.

Границы литосферных плит как в местах их разрыва, так и в местах столкновения – это подвижные участки земной коры, на которых находится большинство действующих вулканов, где часты землетрясения. Эти участки, являющиеся областями новой складчатости, образуют сейсмические пояса Земли.

Чем дальше от границ подвижных участков к центру плиты, тем более устойчивыми становятся участки земной коры. Москва, например, находится в центре Евразийской плиты, и ее территория считается вполне устойчивой.

> Вулканизм– совокупность процессов и явлении, вызванных внедрением магмы в земную кору и излиянием ее на поверхность.

Из глубинных магматических очагов извергаются на землю лава, горячие газы, пары воды и обломки горных пород.

В зависимости от условий и путей проникновения магмы на поверхность различают три типа вулканических извержений.

Площадные извержения привели к образованию обширных лавовых плато. Наиболее крупные из них – это плато Декан на полуострове Индостан и Колумбийское плато.

Трещинные извержения происходят по трещинам иногда большой протяженности. В настоящее время вулканизм этого типа проявляется в Исландии и на дне океанов в районе срединных океанических хребтов.

Извержения центрального типа связаны с определенными участками, как правило, на пересечении двух разломов, и происходят по сравнительно узкому каналу, который называется жерлом. Это наиболее распространенный тип. Вулканы, образующиеся при таких извержениях, называются слоистыми, или стратовулканами. Они имеют вид конусообразной горы, на вершине которой находится чашеобразное углубление – кратер.

Примеры таких вулканов: Килиманджаро в Африке, Ключевская сопка, Фудзияма, Этна, Гекла в Евразии.

Тихоокеанское «огненное кольцо». Около двух третей вулканов Земли сосредоточено на островах и берегах Тихого океана. Самые мощные извержения вулканов и землетрясения имели место именно в этом регионе: Сан-Франциско (1906), Токио (1923), Чили (1960), Мехико (1985).

Остров Сахалин, полуостров Камчатка и Курильские острова, находящиеся на самом востоке нашей страны, – звенья этого кольца.

Всего на Камчатке насчитывается 130 потухших вулканов и 36 действующих. Самый большой вулкан – Ключевская сопка. На Курильских островах 39 вулканов. Для этих мест характерны разрушительные землетрясения, а для окружающих морей – моретрясения, тайфуны, вулканы и цунами.

Цунами в переводе с японского – «волна в бухте». Это волны гигантских размеров, порожденные извержениями подводных вулканов, землетрясением или моретрясением. В открытом океане они почти незаметны для судов. Но когда путь цунами преграждает материк и острова, волна обрушивается на сушу с высоты, достигающей 20 метров.

Горячие источники и гейзеры тоже связаны с вулканизмом. На Камчатке в знаменитой Долине гейзеров действует 22 крупных гейзера.

Землетрясения также являются проявлением эндогенных земных процессов и представляют собой внезапные подземные удары, сотрясения и смещения пластов и блоков земной коры.

На сейсмических станциях ученые исследуют эти грозные явления природы, пользуясь специальными приборами, ищут способы их предсказания. Один из таких приборов – сейсмограф – был изобретен в начале XX в. русским ученым Б. В. Голицыным. Название прибора произошло от греческих слов seismos – «колебание», grapho – «пишу». Оно отражает его назначение – записывать колебания Земли.

Землетрясения могут быть разной силы. Ученые договорились определять эту силу по международной 12-балльной шкале Меркалли и 9-балльной шкале Рихтера с учетом воздействия землетрясения на человека и степени повреждения зданий и изменений рельефа Земли (табл. 7.2).

Таблииа 7.2

Описание разрушений во время землетрясения и их соответствие баллам по шкалам Меркалли и Рихтера

Землетрясения сопровождаются подземными толчками, следующими один за другим. Место, где в недрах земной коры происходит толчок, носит название гипоцентра. Место на земной поверхности, расположенное над гипоцентром, называется эпицентром землетрясения.

Землетрясения вызывают образование трещин на земной поверхности, смещение, опускание или поднятие отдельных блоков, оползни; наносят ущерб хозяйству и приводят к гибели людей.

Внешние (экзогенные) процессы. На земную поверхность постоянно воздействуют и различные внешние силы. К ним относятся выветривание, действие ветра и перемещающая деятельность текучей воды.

Выветривание – это совокупность естественных процессов, приводящих к разрушению горных пород. Различают выветривание физическое, являющееся результатом неодинакового расширения и сжатия частиц породы при суточных и сезонных изменениях температуры, и химическое – под действием химических соединений (кислорода, солей, кислот, щелочей), содержащихся в природной среде (воде, почве, воздухе). Активное участие в выветривании принимают живые организмы, прежде всего растения с их развитой корневой системой.

Разрушенные и размельченные горные породы подвергаются сносу (денудации) и откладываются (аккумулируются) в понижениях рельефа, приводя к его выравниванию.

Действие текучей воды проявляется на земном шаре повсеместно: она приводит к общему понижению поверхности за счет смыва почвы и разрыхленных породи образует так называемые эрозионные формы рельефа (овраги, речные долины, балки). В других местах выносимый материал откладывается, образуя новые аккумулятивные формы рельефа (конусы выноса рек и ручьев).

Действие ветра выражается в перемещении рыхлых отложений и образовании специфических непрочных форм рельефа в тех местностях, где преобладают несвязанные рыхлые породы, то есть в каменистых или песчаных пустынях, на песчаных побережьях океанов и морей. К эоловым формам рельефа относятся барханы, дюны, причудливые выветренные скалы, сложенные непрочными горными породами.

Внутренние и внешние процессы находятся в постоянном взаимодействии, в результате чего и формируется рельеф земной поверхности.

7.8. Основные формы рельефа Земли

Материки и океаны – основные формы рельефа Земли. Их образование обусловлено тектоническими, космическими и планетарными процессами.

> Материк – это крупнеИшиИ массив земноИ коры, который имеет трехслойное строение. Большая часть его поверхности выступает над уровнем Мирового океана. В современную геологическую эпоху существует 6 материков: Евразия, Африка, Северная Америка, Южная Америка, Австралия, Антарктида.

> Мировой океан – непрерывная водная оболочка Земли, окружающая материки и обладающая общностью солевого состава. Мировой океан делится материками на 4 океана: ТихиИ, Атлантический, ИндиИскиИ и Северный Ледовитый.

Поверхность Земли составляет 510 млн. км². На долю суши приходится всего 29 % площади Земли. Все остальное – Мировой океан, то есть 71 %.

Горы и равнины, так же как материки и океаны, являются основными формами рельефа Земли. Горы образуются в результате тектонических поднятий, а равнины – в результате разрушения гор.

Равнины – обширные участки с относительно ровной поверхностью. Они различаются по высоте. Примером низменности (от 0 до 200 м над уровнем моря) может служить Амазонская низменность – самая большая на Земле, а также Индо-Гангская низменность. Бывает, что низменности располагаются ниже уровня моря, – это впадины. Прикаспийская низменность расположена на 28 м ниже уровня моря. Примером собственно равнины может служить крупнейшая Восточно-Европейская равнина.

На высотах 200–500 м над уровнем моря располагаются возвышенности. Например, Среднерусская, Приволжская, а выше 500 м – плоскогорья и нагорья. Крупнейшими из них являются Среднесибирское,

Бразильское, Декан, Гвианское, Восточно-Африканское, Большой Бассейн, Аравийское.

Горы – участки земной поверхности, значительно приподнятые над уровнем моря на высоту более 500 м и сильно расчлененные. Горы считаются низкими, если их высота – от 500 до 1000 м; средними – от 1000 до 2000 м и высокими – свыше 2000 м. Самая высокая горная вершина на Земле – гора Джомолунгма (Эверест) в Гималаях имеет высоту 8848 м. Определить высоту гор можно по физической карте, пользуясь шкалой высот.

Размеры форм рельефа отражают особенности их происхождения. Так, наиболее крупные формы рельефа – тектонические – образовались в результате преобладающего влияния внутренних сил Земли. Формы средних и мелких масштабов образовались при преимущественном участии внешних сил (эрозионные формы).

Горы различаются не только по высоте, но и по форме (табл. 7.3). Группа гор, вытянутых цепочкой, носит название горный хребет. Такую форму имеют, например, горы Кавказа.

Выделяют горные пояса, например Альпийско-Гималайский, и горные страны, например Памир.

Горы и равнины расположены как на материках, так и в океанах.

Таблииа 7.3

Классификация форм рельефа по их размерам

7.9. Минеральные ресурсы литосферы

Люди еще в древности научились применять для своих нужд некоторые из этих ресурсов, что нашло свое выражение в названиях исторических периодов развития человечества: «каменный век», «бронзовый век», «железный век». В наши дни используются более 200 различных видов минеральных ресурсов. По образному выражению академика А. Е. Ферсмана (1883–1945), ныне к ногам человечества сложена вся периодическая система Менделеева.

Полезные ископаемые – это минеральные образования земной коры, которые могут эффективно использоваться в хозяйстве, скопления полезных ископаемых образуют месторождения, а при больших площадях распространения – бассейны.

Распространение полезных ископаемых в земной коре подчиняется геологическим (тектоническим) закономерностям (табл. 7.4).

Топливные полезные ископаемые имеют осадочное происхождение и обычно сопутствуют чехлу древних платформ и их внутренним и краевым прогибам. Так что название «бассейн» отражает их происхождение довольно точно – «морской бассейн».

На земном шаре известно более 3,6 тыс. угольных бассейнов и месторождений, которые в совокупности занимают 15 % территории земной суши. Основная часть ресурсов угля приходится на Азию, Северную Америку и Европу и сконцентрирована в десяти крупнейших бассейнах Китая, США, России, Индии, Германии.

Нефтегазоносных бассейнов разведано более 600, разрабатывается 450. Общее число нефтяных месторождений достигает 35 тыс. Основные запасы находятся в Северном полушарии и являются отложениями мезозоя. Главная часть этих запасов также сконцентрирована в небольшом числе крупнейших бассейнов Саудовской Аравии, США, России, Ирана.

Рудные полезные ископаемые обычно приурочены к фундаментам (щитам) древних платформ, а также к складчатым областям. В таких областях они нередко образуют огромные по протяженности рудные (металлогенические) пояса, связанные своим происхождением с глубинными разломами в земной коре. Ресурсы геотермальной энергии особенно велики в странах и районах с повышенной сейсмической и вулканической активностью (Исландия, Италия, Новая Зеландия, Филиппины, Мексика, Камчатка и Северный Кавказ в России, Калифорния в США).

Для хозяйственного освоения наиболее выгодны территориальные сочетания (скопления) полезных ископаемых, которые облегчают комплексную переработку сырья.

Добыча минеральных ресурсов закрытым (шахтным) способом в мировых масштабах ведется в зарубежной Европе, Европейской части России, США, где многие месторождения и бассейны, находящиеся в верхних слоях земной коры, уже сильно выработаны.

Если полезные ископаемые залегают на глубине 20–30 м, выгоднее снять бульдозером верхний слой горной породы и вести добычу открытым способом. Открытым способом добывают, например, железную руду в районе Курска, уголь на некоторых месторождениях Сибири.

По запасам и добыче многих минеральных богатств Россия занимает одно из первых мест в мире (газ, уголь, нефть, железная руда, алмазы).

В табл. 7.4 показана зависимость между строением земной коры, рельефом и размещением полезных ископаемых.

Таблица 7.4

Залежи полезных ископаемых в зависимости от строения и возврата участка земной коры и форм рельефа

7.10. Гидросфера

Гидросфера (от греч. hydro – вода и sphaira – шар) – водная оболочка Земли, представляющая собой совокупность океанов, морей и континентальных водных бассейнов – рек, озер, болот и др., подземных вод, ледников и снежных покровов.

Полагают, что водная оболочка Земли образовалась в раннем архее, то есть примерно 3800 млн лет назад. В этот период истории Земли на нашей планете установилась температура, при которой вода могла находиться в значительной мере в жидком агрегатном состоянии.

Вода как вещество обладает уникальными свойствами, к числу которых относятся следующие:

♦ способность к растворению очень многих веществ;

♦ высокая теплоемкость;

♦ нахождение в жидком состоянии в интервале температур от 0 до 100 °C;

♦ большая легкость воды в твердом состоянии (льда), нежели в жидком.

Уникальные свойства воды позволили ей играть важную роль в эволюционных процессах, происходящих в поверхностных слоях земной коры, в круговороте вещества в природе и являться условием возникновения и развития жизни на Земле. Вода начинает выполнять свои геологические и биологические функции в истории Земли после возникновения гидросферы.

Гидросферу составляют поверхностные воды и подземные воды. Поверхностные воды гидросферы покрывают 70,8 % земной поверхности. Их суммарный объем достигает 1370,3 млн км³, что составляет 1/800 общего объема планеты, а масса оценивается в 1,4 ч 1018 т. К числу поверхностных вод, то есть вод, покрывающих сушу, относят Мировой океан, континентальные водные бассейны и материковые льды.

Мировой океан включает в себя все моря и океаны Земли.

Моря и океаны покрывают 3/4 поверхности суши, или 361,1 млн км². В Мировом океане сосредоточена основная масса поверхностных вод – 98 %. Мировой океан условно разделен на четыре океана: Атлантический, Тихий, Индийский и Северный Ледовитый. Полагают, что современный уровень океана установился около 7000 лет назад. По данным геологических исследований, колебания уровня океана за последние 200 млн лет не превышали 100 м.

Вода в Мировом океане соленая. Среднее содержание солей составляет около 3,5 % по массе, или 35 г/л. Их качественный состав следующий: из катионов преобладают Na⁺,Mg²⁺,K⁺,Ca²⁺, из анионов – Cl^-,SO₄^2-,Br^-,CO₃^2-,F^-. Считается, что солевой состав Мирового океана остается постоянным с палеозойской эры – времени начала развития жизни на суше, то есть примерно в течение 400 млн лет.

Континентальные водные бассейны представляют собой реки, озера, болота, водохранилища. Их воды составляют 0,35 % от общей массы поверхностных вод гидросферы. Некоторые континентальные водоемы – озера – содержат соленую воду. Эти озера имеют либо вулканическое происхождение, либо представляют собой изолированные остатки древних морей, либо образованы в районе мощных отложений растворимых солей. Однако в основном континентальные водоемы пресные.

Пресная вода открытых водоемов также содержит растворимые соли, но в небольшом количестве. В зависимости от содержания растворенных солей пресную воду разделяют на мягкую и жесткую. Чем меньше в воде растворено солей, тем она мягче. Самая жесткая пресная вода содержит солей не более 0,005 % по массе, или 0,5 г/л.

Материковые льды составляют 1,65 % от общей массы поверхностных вод гидросферы, 99 % льда находится в Антарктиде и Гренландии. Общая масса снега и льда на Земле оценивается в 0,0004 % массы нашей планеты. Этого достаточно для того, чтобы покрыть всю поверхность планеты слоем льда толщиной 53 м. Согласно расчетам, если эта масса растает, то уровень океана поднимется на 64 м.

Химический состав поверхностных вод гидросферы приблизительно равен среднему составу морской воды. Из химических элементов по массе преобладают кислород (85,8 %) и водород (10,7 %). Поверхностные воды содержат значительное количество хлора (1,9 %) и натрия (1,1 %). Отмечается существенно более высокое, чем в земной коре, содержание серы и брома.

Подземные воды гидросферы содержат основной запас пресной воды. Предполагают, что суммарный объем подземных вод примерно 28,5 млрдкм³. Это почти в 15 раз больше, чем в Мировом океане. Считают, что именно подземные воды являются основным резервуаром, пополняющим все поверхностные водоемы. Подземная гидросфера может быть разделена на пять зон.

Криозона. Область льдов. Зона охватывает полярные районы. Толщина ее оценивается в пределах 1 км.

Зона жидкой воды. Охватывает практически всю земную кору.

Зона парообразной воды ограничивается глубиной до 160 км. Полагают, что вода в этой зоне имеет температуру от 450 °Cдо700 °C и находится под давлением до 5 ГПа.^[5]

Ниже, на глубинах до 270 км, располагается зона мономерных молекул воды. Она охватывает слои воды с диапазоном температур от 700 °C до 1000 °C и давлением до 10 ГПа.

Зона плотной воды простирается, предположительно, до глубин в 3000 км и опоясывает всю мантию Земли. Температуру воды в этой зоне оценивают в промежутке от 1000° до 4000 °C, а давление – до 120 ГПа. Вода при таких условиях полностью ионизирована.

Гидросфера Земли выполняет важные функции: она регулирует температуру планеты, обеспечивает круговорот веществ, является составной частью биосферы.

Непосредственное воздействие на регуляцию температуры поверхностных слоев Земли гидросфера оказывает благодаря одному из важных свойств воды – большой теплоемкости. По этой причине поверхностные воды аккумулируют солнечную энергию, а затем медленно ее отдают в окружающее пространство. Выравнивание температуры на поверхности Земли происходит исключительно благодаря круговороту воды. Кроме того, снег и лед имеют очень высокую отражающую способность: она превышает среднюю для земной поверхности на 30 %. Поэтому на полюсах разность между поглощенной и излученной энергией всегда отрицательна, то есть поглощенная поверхностью энергия меньше испущенной. Так происходит терморегуляция планеты.

Обеспечение круговорота веществ – другая важнейшая функция гидросферы.

Гидросфера находится в постоянном взаимодействии с атмосферой, земной корой и биосферой. Вода гидросферы растворяет в себе воздух, концентрируя при этом кислород, используемый в дальнейшем водными живыми организмами. Находящийся в воздухе углекислый газ, образующийся преимущественно в результате дыхания живых организмов, сжигания топлива и извержения вулканов, обладает высокой растворимостью в воде и аккумулируется в гидросфере. Гидросфера растворяет в себе также тяжелые инертные газы – ксенон и криптон, содержание которых в воде выше, чем в воздухе.

Воды гидросферы, испаряясь, поступают в атмосферу и выпадают в виде осадков, которые проникают в горные породы, разрушая их. Так вода участвует в процессах выветривания горных пород. Обломки горных пород сносятся текучими водами в реки, а затем в моря и океаны или в замкнутые континентальные водоемы и постепенно отлагаются на дне. Эти отложения впоследствии превращаются в осадочные горные породы.

Полагают, что главные катионы морской воды – катионы натрия, магния, калия, кальция – образовались в результате выветривания горных пород и последующего выноса продуктов выветривания реками в море. Важнейшие анионы морской воды – анионы хлора, брома, фтора, сульфат-ион и карбонат-ион, вероятно, происходят из атмосферы и связаны с вулканической деятельностью.

Часть растворимых солей систематически выводится из состава гидросферы посредством их осаждения. Например, при взаимодействии растворенных в воде карбонат-ионов с катионами кальция и магния образуются нерастворимые соли, которые опускаются на дно в виде карбонатных осадочных горных пород. В осаждении некоторых солей большую роль играют организмы, населяющие гидросферу. Они извлекают из морской воды отдельные катионы и анионы, концентрируя их в своих скелетах и раковинах в виде карбонатов, силикатов, фосфатов и других соединений. После смерти организмов их твердые оболочки накапливаются на морском дне и образуют мощные толщи известняков, фосфоритов и различных кремнистых пород. Подавляющая часть осадочных горных пород и такие ценные полезные ископаемые, как нефть, уголь, бокситы, разнообразные соли и т. д., образовались в прошлые геологические периоды в различных водоемах гидросферы. Установлено, что даже самые древние горные породы, абсолютный возраст которых достигает около 1,8 млрд лет, представляют собой сильно изменившиеся осадки, образованные в водной среде. Вода используется также в процессе фотосинтеза, в результате которого образуется органическое вещество и кислород.

В гидросфере примерно около 3500 млн лет назад зародилась жизнь на Земле. Эволюция организмов продолжалась исключительно в водной среде вплоть до начала палеозойской эры, когда примерно 400 млн лет назад началось постепенное переселение животных и растительных организмов на сушу. В этой связи гидросферу рассматривают как компонент биосферы (биосфера – сфера жизни, область обитания живых организмов).

Живые организмы распространены в гидросфере крайне неравномерно. Количество и многообразие живых организмов в отдельных участках поверхностных вод определяется многими причинами, в том числе комплексом факторов внешней среды: температурой, соленостью воды, освещенностью, давлением. С увеличением глубины ограничивающее действие освещенности и давления возрастает: количество поступающего света резко уменьшается, а давление, наоборот, становится очень высоким. Так, в морях и океанах заселены в основном литоральные зоны, то есть зоны не глубже 200 м, наиболее прогреваемые солнечными лучами.

Характеризуя функции гидросферы на нашей планете, В. И. Вернадский отмечал: «Вода определяет и создает всю биосферу. Она создает основные черты земной коры, вплоть до магматической оболочки».

7.11. Атмосфера

Атмосфера (от греч. atmos – пар, испарение и sphaira – шар) – оболочка Земли, состоящая из воздуха.

В состав воздуха входит ряд газов и взвешенные в них частицы твердых и жидких примесей – аэрозолей. Масса атмосферы оценивается в 5,157 × 10¹⁵ т. Столб воздуха оказывает давление на поверхность Земли: среднее атмосферное давление на уровне моря – 1013,25 гПа, или 760 мм рт. ст. Давление величиной 760 мм рт. ст. приравнено к внесистемной единице давления – 1 атмосфере (1 атм.). Средняя температура воздуха у поверхности Земли – 15 °C, при этом температура изменяется примерно от 57 °C в субтропических пустынях до -89 °C в Антарктиде.

Атмосфера неоднородна. Различают следующие слои атмосферы: тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу и экзосферу, которые отличаются по особенностям распределения температуры, плотности воздуха и некоторым другим параметрам. Участки атмосферы, занимающие промежуточное положение между этими слоями, соответственно называют тропопаузой, стратопаузой и мезопаузой.

Тропосфера – нижний слой атмосферы высотой от 8-10 км в полярных широтах и до 16–18 км в тропиках. Тропосфера характеризуется падением температуры воздуха с высотой—с удалением от поверхности Земли на каждый километр температура уменьшается примерно на 6 °C. Плотность воздуха быстро убывает. В тропосфере сосредоточено около 80 % всей массы атмосферы.

Стратосфера располагается на высотах в среднем от 10–15 км до 50–55 км от поверхности Земли. Стратосфера характеризуется повышением температуры с высотой. Возрастание температуры происходит по причине поглощения озоном, находящимся в этом слое атмосферы, коротковолновой радиации Солнца, прежде всего УФ (ультрафиолетовых) лучей. При этом в нижней части стратосферы до уровня около 20 км температура мало меняется с высотой и может даже незначительно уменьшаться. Выше температура начинает возрастать – сначала медленно, а с уровня 34–36 км намного быстрее. В верхней части стратосферы на высоте 50–55 км температура достигает 260270 К.

Мезосфера – слой атмосферы, расположенный на высотах 55–85 км. В мезосфере температура воздуха с увеличением высоты уменьшается – примерно с 270 К на нижней границе до 200 К на верхней границе.

Термосфера простирается на высотах примерно от 85 км до 250 км от поверхности Земли и характеризуется быстрым повышением температуры воздуха, достигающей на высоте 250 км 800-1200 К. Повышение температуры происходит вследствие поглощения этим слоем атмосферы корпускулярной и рентгеновской радиации Солнца; здесь тормозятся и сгорают метеоры. Таким образом, термосфера выполняет функцию защитного слоя Земли.

Выше тропосферы находится экзосфера, верхняя граница которой условна и отмечается высотой примерно 1000 км над поверхностью Земли. Из экзосферы атмосферные газы рассеиваются в мировое пространство. Так происходит постепенный переход от атмосферы к межпланетному пространству.

Атмосферный воздух вблизи поверхности Земли состоит из различных газов, преимущественно из азота (78,1 % по объему) и кислорода (20,9 % по объему). В состав воздуха в небольшом количестве также входят следующие газы: аргон, углекислый газ, гелий, озон, радон, водяной пар. Кроме того, воздух может содержать различные переменные компоненты: оксиды азота, аммиак и др.

Помимо газов в состав воздуха входит атмосферный аэрозолъ, который представляет собой взвешенные в воздухе очень мелкие твердые и жидкие частицы. Аэрозоль образуется в процессе жизнедеятельности организмов, хозяйственной деятельности человека, вулканических извержений, подъема пыли с поверхности планеты и из космической пыли, попадающей в верхние слои атмосферы.

Состав атмосферного воздуха до высоты порядка 100 км в целом постоянен во времени и однороден в разных районах Земли. При этом содержание переменных газообразных компонентов и аэрозолей неодинаково. Выше 100–110 км происходит частичный распад молекул кислорода, углекислого газа и воды. На высоте около 1000 км начинают преобладать легкие газы – гелий и водород, а еще выше атмосфера Земли постепенно переходит в межпланетный газ.

Водяной пар – важная составная часть воздуха. Он поступает в атмосферу при испарении с поверхности воды и влажной почвы, а также путем транспирации растениями. Относительное содержание водяного пара в воздухе меняется у земной поверхности от 2,6 % в тропиках до 0,2 % в полярных широтах. С удалением от поверхности Земли количество водяного пара в атмосферном воздухе быстро падает, и уже на высоте 1,5–2 км убывает наполовину. В тропосфере ввиду понижения температуры водяной пар конденсируется. При конденсации водяного пара образуются облака, из которых выпадают атмосферные осадки в виде дождя, снега, града. Количество осадков, выпавших на Землю, равно количеству испарившейся с поверхности Земли воды. Избыток водяного пара над океанами переносится на континенты воздушными потоками. Количество водяного пара, переносимого в атмосфере с океана на континенты, равно объему стока рек, впадающих в океаны.

Озон сосредоточен на 90 % в стратосфере, остальная его часть находится в тропосфере. Озон поглощает УФ-радиацию Солнца, которая негативно воздействует на живые организмы. Районы с пониженным содержанием озона в атмосфере называют озоновыми дырами.

Наибольшие колебания толщины озонового слоя наблюдаются в высоких широтах, поэтому вероятность возникновения озоновых дыр в районах, близких к полюсам, выше, чем у экватора.

Углекислый газ поступает в атмосферу в значительном количестве. Он постоянно выделяется в результате дыхания организмов, горения, извержения вулканов и других процессов, происходящих на Земле. Однако содержание углекислого газа в воздухе мало, поскольку основная его масса растворяется в водах гидросферы. Тем не менее отмечается, что за последние 200 лет содержание углекислого газа в атмосфере увеличилось на 35 %. Причина такого существенного увеличения – активная хозяйственная деятельность человека.

Главным источником тепла для атмосферы является поверхность Земли. Атмосферный воздух достаточно хорошо пропускает к земной поверхности солнечные лучи. Поступающая на Землю солнечная радиация частично поглощается атмосферой – главным образом, водяным паром и озоном, но подавляющая ее часть достигает земной поверхности.

Суммарная солнечная радиация, достигающая поверхности Земли, частично отражается от нее. Величина отражения зависит от отражающей способности конкретного участка земной поверхности, так называемого альбедо. Среднее альбедо Земли – около 30 %, при этом разница между величиной альбедо от 7–9 % для чернозема до 90 % для свеже-выпавшего снега. Нагреваясь, земная поверхность выделяет тепловые лучи в атмосферу и нагревает ее нижние слои. Помимо основного источника тепловой энергии атмосферы – теплоты земной поверхности, тепло в атмосферу поступает в результате конденсации водяного пара, а также путем поглощения прямой солнечной радиации.

Неодинаковый разогрев атмосферы в разных областях Земли вызывает неодинаковое распределение давления, что приводит к перемещению воздушных масс вдоль поверхности Земли. Воздушные массы перемещаются из областей с высоким давлением в области с низким давлением. Такое движение воздушных масс называют ветром. При определенных условиях скорость ветра может быть очень большой, до 30 м/с и более (более 30 м/с – уже ураган).

Состояние нижнего слоя атмосферы в данном месте и в данное время называют погодой. Погода характеризуется температурой воздуха, осадками, силой и направлением ветра, облачностью, влажностью воздуха и атмосферным давлением. Погода определяется условиями циркуляции атмосферы и географическим положением местности. Она наиболее устойчива в тропиках и наиболее изменчива в средних и высоких широтах. Характер погоды, ее сезонная динамика зависят от климата на данной территории.

Под климатом понимаются наиболее часто повторяющиеся для данной местности особенности погоды, сохраняющиеся на протяжении длительного времени. Это усредненные за 100 лет характеристики – температура, давление, количество осадков и др. Понятие климата (от греч. klima – наклон) возникло еще в Древней Греции. Уже тогда понимали, что погодные условия зависят от угла, под которым солнечные лучи падают на поверхность Земли. Ведущим условием установления определенного климата на данной территории является количество энергии, приходящейся на единицу площади. Оно зависит от суммарной солнечной радиации, падающей на земную поверхность, и от альбедо этой поверхности. Так, в районе экватора и у полюсов температура мало меняется в течение года, а в субтропических областях и в средних широтах годовая амплитуда температур может достигать 65 °C. Основными климатообразующими процессами являются теплообмен, влагообмен и циркуляция атмосферы. Все эти процессы имеют один источник энергии – Солнце.

Атмосфера является непременным условием для всех форм жизни. Наибольшее значение для жизнедеятельности организмов имеют следующие газы, входящие в состав воздуха: кислород, азот, водяной пар, углекислый газ, озон. Кислород необходим для дыхания подавляющему большинству живых организмов. Азот, усваиваемый из воздуха некоторыми микроорганизмами, необходим для минерального питания растений. Водяной пар, конденсируясь и выпадая в виде осадков, является источником воды на суше. Углекислый газ – исходное вещество для процесса фотосинтеза. Озон поглощает вредное для организмов жесткое УФ-излучение.

Предполагают, что современная атмосфера имеет вторичное происхождение: она образовалась после завершения образования планеты около 4,5 млрд лет назад из газов, выделяемых твердыми оболочками Земли. В течение геологической истории Земли атмосфера под влиянием различных факторов претерпевала значительные изменения своего состава.

Развитие атмосферы зависит от геологических и геохимических процессов, происходящих на Земле. После возникновения жизни на нашей планете, то есть примерно 3,5 млрд лет назад, на развитие атмосферы начали оказывать существенное влияние и живые организмы. Значительная часть газов – азот, углекислый газ, водяной пар – возникла в результате извержения вулканов. Кислород появился около 2 млрд лет назад как результат деятельности фотосинтезирующих организмов, первоначально зародившихся в поверхностных водах океана.

В течение последнего времени происходят заметные изменения в атмосфере, связанные с активной хозяйственной деятельностью человека. Так, согласно наблюдениям, за последние 200 лет произошел существенный рост концентрации парниковых газов: содержание углекислого газа возросло в 1,35 раза, метана – в 2,5 раза. Значительно увеличилось содержание многих других переменных компонентов в составе воздуха.

Происходящие изменения состояния атмосферы – увеличение концентрации парниковых газов, озоновые дыры, загрязнение воздуха – представляют собой глобальные экологические проблемы современности.

7.12. Общие представления о географической оболочке

В. В. Докучаев, открывший закон географической зональности, отмечал, что в природе гармонично взаимодействуют друг с другом шесть природных компонентов: земная кора литосферы, воздух атмосферы, вода гидросферы, растительный и животный мир биосферы, а также почва постоянно обмениваются между собой веществом и энергией.

Обмен веществом происходит постоянно, и примеров таких можно привести множество:

♦ вода растворяет минералы и горные породы;

♦ вода гидросферы является частью живых организмов биосферы;

♦ вода в виде пара постоянно присутствует в нижнем слое атмосферы Земли;

♦ минералы и горные породы литосферы всегда находятся в живых организмах, в атмосфере (пыль, песок), в воде;

♦ углекислый газ воздуха растворяется в воде;

♦ организмы биосферы – растения – усваивают углекислый газ, выделяя кислород;

♦ накапливаясь на дне океанов, останки организмов биосферы образуют толщи осадочных пород литосферы;

♦ кислород в атмосфере и гидросфере является главным источником жизни организмов биосферы.

Все процессы на Земле происходят благодаря энергии Солнца и внутренней энергии Земли. В каждом из приведенных выше примеров предполагается и обмен энергией. Так, энергия растений биосферы, потребляемая животными, создает энергию животного мира. Вечные льды гидросферы охлаждают атмосферу и гидросферу. Благодаря этим процессам в природном комплексе сохраняется определенное равновесие между всеми природными компонентами. Благодаря этим процессам природа имеет удивительную способность к самовосстановлению, самоочищению, саморегуляции. Если в природном комплексе меняется один какой-нибудь компонент, то все другие меняются тоже, при этом стараясь восстановить свое равновесие. Стремление к самовосстановлению – одно из главных свойств природы.

> Географическая оболочка – это целостная и непрерывная оболочка Земли, среда деятельности человека, в пределах которой соприкасаются, взаимно проникают друг в друга и взаимодействуют нижние слои атмосферы, поверхностные толщи литосферы, вся гидросфера и биосфера. Между этими частями происходит непрерывный обмен веществом и энергией. Таким образом, географическая оболочка – это планетарный, охватывающий всю поверхность Земли, природный комплекс.

Суммарная толщина географической оболочки – несколько десятков километров. Основным источником процессов, происходящих в географической оболочке, служит энергия Солнца. Ее неравномерное поступление и распределение по шарообразной поверхности Земли приводит к огромной пространственной дифференциации природных условий в географической оболочке, в результате чего ее можно разделить на более мелкие природные комплексы, среди которых есть сходные (однородные) и совершенно различные.

Наиболее крупные зональные подразделения географической оболочки – географические (природные) пояса Земли, протягивающиеся в широтном или субширотном направлении. Они совпадают с климатическими поясами и имеют те же названия, так как выделяются по температурным условиям и преобладающим воздушным массам.

Однако природные комплексы географических поясов также неоднородны. Наиболее значительные изменения в природных условиях вызваны делением поверхности Земли на материки и океаны. Различное сочетание тепла и влаги в прибрежных и внутренних частях материков является причиной образования в географических поясах природных зон – природных комплексов менее крупных размеров, которые в свою очередь можно подразделить на подзоны и другие более мелкие природные комплексы, например ландшафты.

Ландшафт (от нем. Land – земля и schaft – взаимосвязанный) – природный географический комплекс, в котором все основные компоненты (рельеф, климат, воды, почвы, растительность и живой мир) находятся в сложном взаимдействии и взаимообусловленности, образуя единую неразрывную систему. Многими учеными ландшафт рассматривается в качестве основной единицы в иерархии природно-территориальных комплексов.

Особенности различных ландшафтов формируются под воздействием как зональных, так и азональных факторов. К зональным относят климат, воду, почвы, растительный и животный мир; к азональным – рельеф, геологическое строение, горные породы.

Еще одно важное положение в современных концепциях географии занимает понятие географическая среда, которая возникла в результате длительной эволюции географической оболочки под влиянием антропогенного воздействия, создания так называемой «вторичной природы», то есть городов, заводов, каналов, транспортных магистралей и др.

> Географическая срела – это часть природы Земли, с которой человеческое общество непосредственно взаимодействует в своей жизни и производственной деятельности на данном этапе исторического развития.

В последнее время наряду с понятием о географической среде в научный обиход вошло также понятие об окружающей природной среде (или окружающей среде).

Окружающая среда – необходимое условие жизни и деятельности общества. Она служит средой его обитания, важнейшим источником ресурсов, оказывает большое влияние на духовный мир людей.

Природное окружение всегда было источником существования человека. Однако взаимодействие человека и природы менялось в разные исторические эпохи.

Два миллиона лет назад первобытные люди все необходимое для жизни находили в природном окружении, занимаясь охотой и собирательством: люди охотились на животных и птиц, ловили рыбу, выкапывали корни и луковицы растений, собирали ягоды, грибы, личинки насекомых, опустошали птичьи гнезда, забирали мед у пчел, вылавливали моллюсков и ракообразных на морском побережье, кочуя в поисках пищи с места на место. Некоторые индийские племена Северной и Южной Америки, бушмены Африки, аборигены Австралии до сих пор живут собирательством.

Появление и развитие земледелия 7 тыс. лет назад положило начало массовой вырубке лесов на Земле. По оценкам ученых, к моменту появления человека на Земле леса занимали 60 % ее поверхности, а сейчас – только 30 %. В настоящее время нетронутые человеком леса сохранились в тайге России, Канады, а также в тропических лесах Амазонии. В наибольшей степени леса сведены в Евразии и Северной Америке. По мере расширения пахотных земель и пастбищ быстрыми темпами вырубаются тропические леса Африки, Юго-Восточной Азии, Амазонии. Древесина повсеместно используется в качестве дешевого топлива.

Пастбищные земли наиболее сильно подвержены опустыниванию. Этот процесс характерен для всех материков Земли. По оценкам специалистов, человек радикально изменил и освоил 56 % территории суши, причем это наиболее благоприятные для жизни районы. Природу некоторых географических зон Земли можно наблюдать только в заповедниках. К ним относятся в первую очередь североамериканские прерии и европейские степи. Они полностью освоены человеком.

Ученые-географы предложили классифицировать географические зоны по степени их преобразования человеком; неизмененные (арктические пустыни), слабо измененные (тундра, лесотундра, северная тайга, полупустыни и пустыни), сильно измененные (смешанные и широколиственные леса, южная тайга), преобразованные (лесостепи, степи).

В ландшафтоведении, в зависимости от степени антропогенного воздействия, выделяют первичные природные ландшафты, которые образованы действием лишь природных факторов; природно-антропогенные ландшафты, которые образованы действием как природных, так и антропогенных факторов; и антропогенные ландшафты, существование которых поддерживается лишь за счет деятельности людей.

Вопросы для самопроверки

1. Чему равен радиус Земли? Насколько экваториальный радиус Земли длиннее полярного?

2. Как называется оболочка Земли, состоящая из земной коры и верхней части мантии?

3. Назовите три слоя, составляющие материковую земную кору.

4. Назовите древние платформы, лежащие в основании материков Африка, Северная Америка, Южная Америка.

5. Дайте определение тектонических структур: плита, платформа, щит, фундамент, осадочный чехол.

6. Перечислите важнейшие функции гидросферы Земли. Каким образом вода осуществляет терморегуляцию планеты?

7. Какова роль гидросферы в круговороте веществ в природе?

8. На какие отдельные зоны делится атмосфера? Каковы принципы этого деления?

9. Каков состав атмосферы?

10. В чем разница между климатом и погодой?

11. В чем заключается гипотеза возникновения атмосферы?
.

Ваш комментарий о книге
Обратно в раздел Наука