Учение о сферах земли

Альтернативную гипотезу, что железное ядро возникло ещё в протопланетном облаке, развивали немецкий учёный А. Эйкен (1944), американский учёный Е. Орован и советский учёный А. П. Виноградов (1960-е—70-е годы).

В 1941 году Кун и Ритман, основываясь  на гипотезе идентичности состава Солнца и Земли и на расчетах фазового перехода в водороде, предположили, что земное ядро состоит из металлического водорода. Эта гипотеза не прошла экспериментальную  проверку. Эксперименты по ударному сжатию показали, что плотность металлического водорода примерно на порядок меньше, чем плотность ядра. Однако позже  эта гипотеза была адаптирована для  объяснения строения планет-гигантов — Юпитера, Сатурна и других. Сейчас предполагается, что магнитное поле таких планет возникает именно в металлическом водородном ядре.

Кроме того В. Н. Лодочников и У. Рамзай предположили, что нижняя мантия и  ядро имеют одинаковый химический состав — на границе ядро-мантия при 1.36 Мбар мантийные силикаты переходят  в жидкую металлическую фазу (металлизованное  силикатное ядро).

Состав ядра

Состав ядра непосредственно неизвестен, и может быть предположительно оценён из нескольких источников. Во-первых, видимо, наиболее близкими веществу ядра образцами  являются железные метеориты, которые, представляют собой фрагменты ядер астероидов и протопланет. Однако железные метеориты не могут быть полностью  эквивалентны веществу земного ядра, так как они образовались в  гораздо меньших телах, а значит при других физико-химических параметрах.

С другой стороны, из данных гравиметрии  известна плотность ядра, и это  накладывает на его состав дополнительные ограничения. Так как плотность  ядра примерно на 10 % меньше, чем плотность  сплавов железо-никель, то предполагается, что ядро Земли содержит больше легких элементов, чем железные метеориты.

Наконец, состав ядра можно оценить, исходя из геохимических соображений. Если каким-либо образом рассчитать первичный состав Земли и вычислить, какая доля элементов находится  в других геосферах, то тем самым  можно построить оценки состава  ядра. Большую помощь в таких вычислениях  оказывают высокотемпературные  и высокобарические эксперименты по распределению элементов между  расплавленным железом и силикатными фазами.

О.Г. Сорохтин предложил гипотезу о  составе внешнего ядра из так называемого "ядерного вещества", не существующего  при нормальных условиях. "Ядерное  вещество" представляет собой оксид  одновалентного железа Fe2O. При давлении 250-300 ГПа "ядерное вещество" разлагается  на железо и кислород, поэтому внутреннее ядро, давление в котором превышает  упомянутое значение, состоит из железа с примесью никеля. По мнению Сорохтина, со временем оксиды железа из мантии Земли  под действием силы тяжести опускаются в ядро, превращаясь в "ядерное  вещество". При этом выделяется кислород, причём по мере уменьшения количества оксидов железа в мантии его выделяется всё больше. Часть этого кислорода поступает в атмосферу. До начала фанерозоя кислорода образовывалось крайне мало, затем увеличение его концентрации в атмосфере вызвало резкий всплеск развития жизни на Земле ("кембрийский взрыв"). Но именно ещё большее увеличение парциального давления кислорода в атмосфере Земли через 500-600 миллионов лет (до значения порядка 0,5 МПа) вызовет глобальное потепление и вымирание всех живых организмов, а затем и полное выкипание океана задолго до превращения Солнца в красный гигант.

Гидросфера

Гидросфе́ра — это водная сфера нашей планеты, совокупность океанов, морей, вод континентов, ледниковых покровов. Общий объем природных вод составляет  около 1,39 млрд км3 (1/780 объема планеты). Воды укрывают 71 % поверхности планеты (361 млн км2).

Вода выполняет четыре очень  важных экологических функции:

 а) есть важнейшим минеральным  сырьем, главным природным ресурсом  потребления (человечество использует  ее в тысячу раз большее,  чем угля или нефти);

 б) есть основным механизмом  осуществления взаимосвязей всех  процессов в екосистемах (обмен  веществ, тепла, рост биомассы);

 в) есть главным агентом-переносчиком  глобальных биоэнергетических экологических  циклов;

 г) есть основной составной  частью всех живых организмов.

Для огромного количества живых  организмов, в особенности на ранних этапах развития биосферы, вода была средой зарождения и развития.

Огромную роль сыграют воды в  формировании поверхности Земли, ее ландшафтов, в развития экзогенных процессов (склоновых, карстовых), переносе химических веществ у глубь Земли  и на ее поверхности, транспортировании  загрянителей окружающей среды.

Водяной пар в атмосфере выполняет  функцию мощного фильтра солнечной  радиации, а на Земле — нейтрализатора экстремальных температур, регулятора климата.

Основную массу воды на планете  составляют соленые воды Мирового океана. Средняя соленость этих вод—35 % (то есть в І л океанической воды помещается 35 г солей). Самая соленая вода в Мертвом море-260 % в (в Черном- 18 %. Балтийском — 7%).

Химический состав океанических вод, как считают специалисты, очень  похожий на состав человеческой крови  — в них помещаются почти все  известные нам химические элементы, но, конечно, в разных пропорциях. Частица  кислорода, водорода, хлора и натрия составляет 95,5 %.

Химический состав подземных вод  очень разнообразный. В зависимости  от состава вміщуючих пород и  глубины залегания они изменяются от гидрокарбонатно-кальциевых к сульфатных, сульфатно-натриевых и хлоридно-натриевым, за минерализацией от пресных к рассолу  с концентрацией 600 %, часто с наличием газовой компоненты. Минеральные  и термальные подземные воды имеют  большое бальнеологическое значение, есть одним из рекреационных элементов  природной среды.

Из газов, раскрытых в водах  Мирового океана, наиболее важными  для биоты есть кислород и углекислый газ. Общая масса углекислого  газа в океанических водах превышает  его массу в атмосфере приблизительно в 60 раз.

Следует отметить, что углекислый газ океанических вод потребляется растениями во время фотосинтеза. Часть  его, которая вошла в кругооборот  органического вещества, расходуется  на построение известняковых скелетов кораллов, ракушек. После отмирания  организмов углекислый газ возвращается у воды океана за счет растворения  остатков скелетов, панцирей, ракушек. Частично он остается в карбонатных осадках на дне океанов.

Большое значение для формирования климата и других экологических  факторов имеет динамика огромной массы  океанических вод, которые постоянно  находятся в движении под влиянием неодинаковой интенсивности солнечного прогревания поверхности на разных широтах.

Океанические воды сыграют основную роль в кругообороте воды на планете. Подсчитано, что приблизительно за 2 млн лет вся вода на планете  проходит через живые организмы, средняя продолжительность общего цикла обмена воды, привлеченной в  биологический кругооборот, составляет 300—400 лет. Приблизительно 37 раз на год (то есть каждые десять дней) изменяется вся влага в атмосфере.

Биосфера

Биосфера, по Вернадскому, – земная оболочка, область существования  живого вещества. Она включает в  себя не только живые организмы, но и изменённую ими среду обитания (кислород в атмосфере, горные породы органического происхождения и т.п.).

Биосфера является одной из геологических  оболочек Земли или геосфер. На Земле  также различают литосферу –  твёрдую наружную оболочку Земли, состоящую  из осадочных пород и расположенных  под ними гранитов и базальтов, гидросферу, включающую в себя все океаны, моря, озёра и реки, и атмосферу –  газовую оболочку Земли. В состав биосферы входят верхние слои литосферы, нижний слой атмосферы (тропосфера) и  вся гидросфера, связанные между  собой сложными круговоротами веществ  и энергии. Нижний предел жизни на Земле (до глубины 3 км) ограничен высокой  температурой земных недр, верхний  предел (20 км) – жёстким излучением ультрафиолетовых лучей (всё, что находится  на высоте ниже 20 км, защищено от губительного излучения двадцатикилометровым озоновым слоем). Тем не менее, на границах биосферы можно найти, в основном, лишь микроорганизмы (обычно в виде спор); наибольшая же концентрация биомассы наблюдается у поверхности суши и океана, в местах соприкосновения оболочек. Организмы, составляющие биосферу, обладают поразительной способностью к размножению и распространению по планете.

Совокупная биомасса Земли составляет примерно 2,4 ∙ 1012 т (около 0,01 % массы  всей биосферы). 97 % из этого количества занимают растения, 3 % – животные. В  настоящее время на Земле известно несколько миллионов видов живых  организмов.

В учении о биосфере выделяют следующие  основные подходы:

энергетический (связь биосферных явлений с космическим излучением (прежде всего, излучением Солнца) и  радиоактивными процессами в недрах Земли);

биогеохимический (роль живого в распределении  атомов в биосфере);

информационный (принципы организации  и управления в живой природе);

пространственно-временной (формирование и эволюция различных структур биосферы);

ноосферный (глобальные аспекты воздействия человека на окружающую среду).

Биосфера играет важную роль в распределении  энергетических потоков на Земле. В  год до Земли доходит около 1024 Дж солнечной энергии; 42 % из неё отражается обратно в космос, а остальное  поглощается. Другим источником энергии  является тепло земных недр. 20 % энергии  переизлучается в мировое пространство в виде тепла, 10 % расходуется на испарение  воды с поверхности Мирового океана. Зелёные растения преобразуют в  процессе фотосинтеза около 1022 Дж в  год, поглощают 1,7 ∙ 108 т CO2, выделяют около 11,5 ∙ 107 т кислорода и испаряют 1,6 ∙ 1013 т воды. Исчезновение растений привело бы к катастрофическому  накоплению углекислоты в атмосфере, и через сотню лет жизнь  на Земле в её нынешних проявлениях  погибла бы. Наряду с фотосинтезом в биосфере происходит почти такое  же по масштабам окисление органических веществ в процессах дыхания и разложения.

В организмах содержатся все известные  сегодня химические элементы. Если некоторые из них (водород, кислород, углерод, азот, фосфор и другие) являются основой жизни, то другие (рубидий, платина, уран) имеются в организмах в очень  малых количествах. Организмы участвуют  в миграции химических элементов  как прямо (выделение кислорода  в атмосферу, окисление и восстановление различных веществ в почвах и  гидросфере), так и косвенно (восстановление сульфатов, окисление соединений железа, марганца и других элементов). Биогенная  миграция атомов вызвана тремя основными  процессами: обменом веществ, ростом и размножением организмов. Огромную роль в биогеохимической активности играет человек, извлекая ежедневно  в ходе добычи полезных ископаемых миллиарды тонн горной породы. Влияние  человека на глобальные геохимические  процессы с каждым годом только растёт.

 

 

Атмосфера

Атмосфе́ра (от. др.-греч. ἀτμός — пар и σφαῖρα — шар) — газовая оболочка (геосфера), окружающая планету Земля. Внутренняя её поверхность покрывает гидросферу и частично земную кору, внешняя граничит с околоземной частью космического пространства.

Совокупность разделов физики и  химии, изучающих атмосферу, принято  называть физикой атмосферы. Атмосфера  определяет погоду на поверхности Земли, изучением погоды занимается метеорология, а длительными вариациями климата  — климатология.

Физические свойства

Толщина атмосферы — примерно 120 км от поверхности Земли. Суммарная  масса воздуха в атмосфере  — (5,1—5,3)·1018 кг. Из них масса сухого воздуха составляет 5,1352 ±0,0003·1018 кг, общая масса водяных паров в среднем равна 1,27·1016 кг.

Молярная масса чистого сухого воздуха составляет 28,966 г/моль, плотность  воздуха у поверхности моря приблизительно равна 1,2 кг/м3. Давление при 0 °C на уровне моря составляет 101,325 кПа; критическая  температура — −140,7 °C; критическое  давление — 3,7 МПа; Cp при 0 °C — 1,0048·103 Дж/(кг·К), Cv — 0,7159·103 Дж/(кг·К) (при 0 °C). Растворимость  воздуха в воде (по массе) при 0 °C — 0,0036 %, при 25 °C — 0,0023 %.

За «нормальные условия» у поверхности  Земли приняты: плотность 1,2 кг/м3, барометрическое  давление 101,35 кПа, температура плюс 20 °C и относительная влажность 50 %. Эти условные показатели имеют  чисто инженерное значение.

Химический состав

Атмосфера Земли возникла в результате выделения газов при вулканических  извержениях. С появлением океанов  и биосферы она формировалась  и за счёт газообмена с водой, растениями, животными и продуктами их разложения в почвах и болотах.

В настоящее время атмосфера  Земли состоит в основном из газов  и различных примесей (пыль, капли  воды, кристаллы льда, морские соли, продукты горения).

Концентрация газов, составляющих атмосферу, практически постоянна, за исключением воды (H2O) и углекислого  газа (CO2).

Строение атмосферы

Тропосфера

Её верхняя граница находится  на высоте 8—10 км в полярных, 10—12 км в умеренных и 16—18 км в тропических  широтах; зимой ниже, чем летом. Нижний, основной слой атмосферы содержит более 80 % всей массы атмосферного воздуха  и около 90 % всего имеющегося в  атмосфере водяного пара. В тропосфере сильно развиты турбулентность и  конвекция, возникают облака, развиваются  циклоны и антициклоны. Температура  убывает с ростом высоты со средним  вертикальным градиентом 0,65°/100 м

Тропопауза

Переходный слой от тропосферы к  стратосфере, слой атмосферы, в котором  прекращается снижение температуры  с высотой.

Стратосфера

Слой атмосферы, располагающийся  на высоте от 11 до 50 км. Характерно незначительное изменение температуры в слое 11—25 км (нижний слой стратосферы) и  повышение её в слое 25—40 км от −56,5 до 0,8 °С (верхний слой стратосферы  или область инверсии). Достигнув  на высоте около 40 км значения около 273 К (почти 0 °C), температура остаётся постоянной до высоты около 55 км. Эта  область постоянной температуры  называется стратопаузой и является границей между стратосферой и мезосферой.

Стратопауза

Пограничный слой атмосферы между  стратосферой и мезосферой. В вертикальном распределении температуры имеет  место максимум (около 0 °C).

Мезосфера

Мезосфера начинается на высоте 50 км и простирается до 80—90 км. Температура  с высотой понижается со средним  вертикальным градиентом (0,25—0,3)°/100 м. Основным энергетическим процессом  является лучистый теплообмен. Сложные  фотохимические процессы с участием свободных радикалов, колебательно возбуждённых молекул и т. д. обусловливают  свечение атмосферы.

Мезопауза

Переходный слой между мезосферой и термосферой. В вертикальном распределении  температуры имеет место минимум (около —90 °C).

Линия Кармана

Высота над уровнем моря, которая  условно принимается в качестве границы между атмосферой Земли  и космосом. В соответствии с определением ФАИ, линия Кармана находится  на высоте 100 км над уровнем моря.