1.3. Общие представления о геосферах Земли

Земля представляет собой более или менее правильные концентрические слои, геосферы, чередующиеся в вертикальном разрезе планеты отличающиеся друг о друга характерными только для них физическими, химическими и биологическими свойствами.

В направлении от периферии к центру Земли различают атмосферу, гидросферу, литосферу (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Структура геосфер Земли

Атмосфера – газообразная оболочка Земли, состоящая из смеси различных газов и простирающаяся (условно) на высоту 100 км.

Основными газовыми компонентами атмосферы являются азот (78%), кислород (21%), аргон (0,9%) и углекислый газ (0,03%). Газовый состав атмосферы меняется с высотой.

Атмосфера имеет слоистое строение, которое включает ряд сфер и расположенные между ними паузы. Приведём их в порядке возрастания высоты над уровнем моря: тропосфера, тропопауза, стратосфера, стратопауза, мезосфера.

Наиболее плотный слой воздуха, прилегающий к земной поверхности, носит название тропосферы. Толщина её составляет: в средних широтах 10...12 км над уровнем моря и на полюсах 7...10 км, а на экваторе – 16...18 км.

Температура в тропосфере по высоте является стабильной и уменьшается на 0,6^оС на каждые 100 м в диапазоне от +40 до -50^оС. В тропосфере сосредоточены примерно 80% массы всей атмосферы и содержится до 80% всей влаги, имеющейся в атмосфере. В тропосфере образуются облака и формируются все виды осадков, которые являются очистителями воздуха от примесей.

Выше тропосферы расположена стратосфера, а между ними находится тропопауза. Толщина стратосферы составляет около 40 км, воздух в ней разряжен, влажность его невысока, при этом температура воздуха от границы тропосферы до высоты 30 км над уровнем моря постоянна (-50^°С),а затем она постепенно повышается до +10^ºС на высоте 50 км. Под воздействием космического излучения и коротковолновой части ультрафиолетового излучения Солнца молекулы газов в стратосфере ионизируются, в результате образуется озон. Озоновый слой, распространяющийся до высоты 40 км, играет очень большую роль, оберегая все живое на Земле от ультрафиолетового излучения.

Стратопауза отделяет стратосферу от лежащей выше мезосферы, в которой количество озона уменьшается, а температура на высоте примерно 80 км над уровнем моря составляет -70°С. Резкий перепад температур между стратосферой и мезосферой объясняется наличием озонового слоя.

Атмосферный воздух – важнейший природный ресурс. Его назначение заключается в следующем:

• снабжать людей, животных растительный мир жизненно необходимыми газовыми элементами (кислородом, углекислым газом);

• смягчать температурные перепады (воздух – плохой проводник тепла);

• защищать поверхность Земли от космического, радиационного и ультрафиолетового солнечного излучения;

• защищать Землю от метеоритов и прочих космических тел, подавляющая масса которых сгорает в атмосфере;

• обеспечивать производственные процессы кислородом, азотом, водородом и нейтральными газами.

Гидросфера – прерывистая водная оболочка Земли, располагающаяся между атмосферой и земной корой. Она включает в себя совокупность всех вод планеты: материковых (глубинных, почвенных, поверхностных), океанических и атмосферных. Гидросфера является колыбелью жизни на нашей планете. Она играет огромную роль в формировании природной среды нашей планеты.

Вода на Земле присутствует во всех трех агрегатных состояниях, однако наибольший объем её приходится на жидкую фазу. Гидросфера Земли на 94% представлена солеными водами океанов и морей. Доля пресных вод в общем объеме гидросфере − менее 2,5%. При этом более 75% всей пресной воды законсервировано в полярных шапках Арктики и Антарктиды.

Вода – самое распространенное неорганическое соединение на планете. Она играет исключительную роль в процессах обмена веществ, составляющих основу жизни. Огромное значение вода имеет в промышленном и сельскохозяйственном производстве. Общеизвестна необходимость воды для бытовых потребностей человека, для существования всех растений и животных. Для многих живых существ она служит средой обитания.

Распределение водных масс в гидросфере Земли приведено в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Распределение водных масс в гидросфере Земли

Общая площадь мирового океана в 2,5 раза превышает площадь суши и занимает около 71% земной поверхности.

Температура поверхности океанических вод колеблется от -2 до +30^о С, а соленость вод от -3,5 до 35 г/л. Растительность в океане распространена на глубине до 100 м., где прозрачности воды достаточно для нормального фотосинтеза, а животные обитают по всей толщине океана.

К водам суши относятся материковые воды, переносимые реками, воды сосредоточенные в озерах, болотах, ледниках, снежном покрове и заключенные в земной коре. Самая большая река мира – Амазонка, её сток составляет 16% стока всех рек мира. В её бассейне расположен самый большой лесной массив планеты. Планетарный резерв пресной воды высокого качества сосредоточен в озере Байкал, которое содержит пресной воды больше, чем все пресные озера мира. Территория Земли на 2% покрыта болотами. В России и Белоруссии расположено свыше 60% всех болот.

Ледники покрывают 16 млн. км² суши, основная их часть расположена в Антарктиде. Ели бы ледники растаяли, то уровень Мирового океана поднялся по сравнению с нынешним на 64 м.

Подземные воды (пресные, соленые и геотермальные воды, залегающие под почвой на разной глубине, часто образуя водоносные пласты) составляют наибольшую часть вод суши. Объем подземных пресных вод примерно в 100 раз больше объема поверхностных пресных вод озер, рек, болот и пр.

Биологическая вода - важнейшая составляющая живого вещества, на долю которой приходится в среднем 80% общей массы живых существ. Общий объем биологической воды оценивается около 1000км³. Необходимость воды для организмов очень велика. Например, человек за год потребляет около 10т воды, а на образование 1кг биомассы расходуется около 500кг воды.

Воды в атмосфере – это главным образом водяной пар или конденсат. Почти весь водяной пар (90%) сосредоточен в тропосфере. Если бы вся сосредоточенная в атмосфере влага сконденсировалась и выпала на Землю в виде осадков, то образовался бы слой воды толщиной в 25м.

Вода в природе находится в постоянной циркуляции под влиянием теплового излучения Солнца. Испаряясь с водных поверхностей, вода переходит в газообразное состояние и переносится воздушными течениями в различные районы планеты, где и выпадает в виде осадков. Таким образом, запасы воды сохраняются на земном шаре в процессе кругооборота. Особое место в кругообороте воды принадлежит ледникам, так как они сохраняют влагу в твердом состоянии очень длительное время. Попавший на ледник снег снова вступит в активный кругооборот воды спустя десяток тысяч лет. При циркуляции воды потери водяного пара с границ атмосферы в мировое пространство и поступление воды из земных недр практически не учитываются. Ученые пришли к выводу, что баланс воды на Земле постоянен.

Вода является универсальным растворителем химических элементов, в связи с чем в природе абсолютно чистой воды нет. По уровню содержания растворенных веществ вода делится на три класса: пресная, соленая и рассолы. Большую часть всех водных ресурсов (около 1,4 млрд. км³) составляет соленая вода, которая не может быть использована для питья и промышленных целей. Для непосредственного хозяйственного применения пригодна лишь сравнительно небольшая часть общих запасов воды − пресная. Кроме того, подавляющая часть пресной воды находится в местах или условиях, труднодоступных для человека. Поэтому при современных оценках водных ресурсов рассматривается обеспеченность пресными водами.

Вода оказывает существенное влияние на формирование климата и погоды, смягчая сильные температурные колебания, так как обладает высокой теплоемкостью и низкой теплопроводностью.

Литосфера − твердая оболочка Земли, толщина которой колеблется в пределах 50…200км. Суша на Земле занимает около 29% поверхности земного шара и включает ландшафты различной категории. Верхняя часть литосферы образует земную кору, толщина которой на континентах доходит до 50…75км, а под дном океанов − 5…10км, а нижняя − верхнюю часть мантии Земли. Граница между этими частями литосферы определяется по скачку в изменении скорости распространения продольных и поперечных упругих сейсмических волн (так называется граница Мохоровичича, или поверхность М).

Мантия Земли состоит, видимо, преимущественно из тяжелых минералов, богатых магнием и железом. С процессами, происходящими в верхней части мантии, тесно связаны тектонические движения, вулканизмы, горообразование и др.

Под мантией находится ядро, т.е. центральная часть Земли.

В таблице 1.2. приведены основные характеристики центральных геосфер Земли.

Таблица 1.2.

Основные характеристики центральных геосфер Земли.

Наиболее интенсивное техногенное воздействие на литосферу происходит в двух направлениях: изменение и гибель ландшафтов, а также загрязнение и деградация почв. Ландшафт − природный географический комплекс, в котором все основные компоненты (рельеф, климат, вода, растительность, животные) взаимосвязаны. Ландшафты непрерывно развиваются под действием антропогенных и природных факторов. Забота, ответственность за сохранность земной поверхности легли главным образом на одну из наук о Земле − инженерную геологию. Инженерная геология способна изучать последствия интенсивного воздействия человека на поверхностную часть литосферы, исследовать инженерно-геологические условия территории и предвидеть возможные перемены на земной поверхности и в недрах. Поэтому рациональное использование литосферы имеет в виду такое ведение хозяйственных мероприятий, которое в наименьшей степени будет влиять на окружающую природную среду территорий, различающихся по геологическим, климатическим, геоморфологическим условиям, и в то же время гарантировать сохранность и эффективную деятельность возведенных сооружений.

Уникальной оболочкой Земли является биосфера (греч. bios − жизнь, spharia − шар). Биосфера охвачена влиянием живого вещества. С современных позиций биосферу рассматривают как наиболее крупную, глобальную экосистему, поддерживающую планетарный круговорот веществ.

Суммарная масса живых организмов Земли оценивается примерно в 2,4*10¹²т. Верхняя граница жизни в атмосфере определяется уровнем ультрафиолетовой радиации, т.е. высотой расположения озонового экрана (25−30 км). Если живые организмы поднимаются выше защитного слоя озона, они погибают. Гидросфера полностью заселена живым веществом, однако наибольшая его концентрация наблюдается у поверхности и у дна. В биосферу входит только верхняя часть земной коры, причем нижняя граница биосферы имеет нечеткий, расплывчатый характер, поскольку распространенность живых организмов от границы литосферы с атмосферой и гидросферой в глубь Земли резко уменьшается. Основным же физическим фактором, определяющим границы деятельности микроорганизмов в земной коре, является температура. Подавляюще большинство микроорганизмов не выдерживает длительного пребывания при температуре, близкой к 100^°С, поэтому нижней границей биосферы считают ту глубину, где температура близка к 100^°С. В действительности же распространение жизни ограничено не только температурными условиями, но и другими факторами и не всегда достигает предела, обусловленного возрастанием температуры. Поэтому реальное положение нижней границы биосферы пока точно не определено.

Цивилизация, обладая мощным влиянием на биосферу, создала техносферу. Техносфера − часть биосферы, преобразованная людьми с помощью прямого и косвенного воздействия технических средств в целях наилучшего соответствия ее своим социально- экономическим потребностям. При этом выделяются два типа объектов: природно-антропогенные и антропогенные:

• природно-антропогенный объект − природный объект, измененный в результате хозяйственной и иной деятельности, и (или) объект, созданный человеком, обладающим свойствами природного объекта и имеющий рекреационное и защитное значение;

• антропогенный объект − объект, созданный человеком для обеспечения его социальных потребностей и не обладающий свойствами природных объектов.

Ведущим элементом преобразования биосферы в техносферу и в дальнейшем в ноосферу является инженерная экология. Ноосфера – сфера разума, высшая стадия развития биосферы, связанная с возникновением и развитием в ней человечества, когда разумная человеческая деятельность становится главным определяющим фактором глобального развития.