Физическая модель Земли

Мантия. Следующей геологической  оболочкой Земли является мантия (в буквальном переводе с греческого означает покрывало, плащ). Мантия - это относительно твердый слой Земли за внешней частью ее ядра. Мантия составляет 83% объема Земли и 67% – ее общей массы. Толщина этого слоя, по-видимому, около 2900 км. Внутренняя температура Земли уменьшается от центра к ее поверхности. Средняя температура мантии оценивается в интервале от 2500 до 2000°С. Мантия, как полагают, сложена в основном из оливина. Мантию подразделяют: на нижнюю, толщиной в 2000 км, и верхнюю, толщиной в 900 км. С учетом средней плотности Земли считается, что вещество мантии находится в близком к кристаллическому состоянии.

С процессами, происходящими в ядре и мантии Земли, геологии связывают  такое явление, как магмообразование (магма в буквальном переводе с греческого – густая мазь): образование расплавленной массы вещества в глубинных слоях Земли [6, с. 224 – 226].

Следующим слоем Земли на границе  верхней мантии является астеносфера (от слов «слабый» и «сфера» греческого происхождения). Астеносфера – переходная зона от мантии Земли к земной коре. По своему физическому состоянию (твердое, жидкое, газообразное) астеносфера имеет пониженную твердость, прочность и вязкость. Полагают, что астеносфера находится на глубине 100 км под материками, 50 км – под дном океанов и имеет свою нижнюю границу на глубине 350 км верхнего слоя мантии. На границе с мантией температура астеносферы – 1500°С, а у основания земной коры (граница Мохо) – 500°С.

В 1908 г. югославский сейсмолог А. Мохорович вычислил границу глубины, на которую погружается земная кора в мантию. Эту границу называют границей Мохо. По существу, астеносферу отделяют от земной коры лишь на основании вязкости вещества, из которого она состоит. Вязкость этого вещества на 2 – 4 порядка (1 порядок - 1000 раз) ниже вязкости вещества земной коры. Граница или линия Мохо уточняется в связи новыми исследованиями.

Литосфера (греч. litos – камень) - самый тонкий слой Земли, который называют земной корой. Масса земной коры составляет всего лишь 0,05% от массы Земли и состоит в основном из 8 химических элементов: кислород, кремний, алюминий, железо, кальций, калий, натрий и магний. Согласно теории А. Мохоровича земная кора имеет нижнюю границу, соприкасающуюся с астеносферой, на глубине от 35 до 45 км под равнинами суши, до 70 км – в области поверхности Земли, занятой горами, и от 5 до 10 км под дном океана.

Земная кора делится на материковую (континентальную) и океаническую.

Термины «материк» и «континент»  обозначают крупные массивы земной коры, большая часть которых выступает  над уровнем Мирового океана, а  периферийная часть (подводная окраина  материка) покрыта водами океана и  граничит с земной корой океана. Материковая кора состоит из трех геологических слоев: верхний слой (осадочный), средний слой (гранитный) и нижний слой (базальтовый). Осадочный  слой – это остатки живых организмов, их деятельности, а также такие породы, как песок, галька и другие породы. Геологические породы состоят из минералов. Минералы – это природные химические соединения, которые возникли в результате физико-химических процессов в естественных условиях эволюции Земли.

Граница, пролегающая между гранитным  и базальтовым слоями континентальной  или материковой коры на глубине  от 5 до 35 км, называется границей В. Конрада (австрийский геофизик, впервые вычисливший  эту границу, которая также уточняется со временем). Материковая кора занимает всего лишь 1/3 поверхности Земли. На океаническую кору приходится 2/3 поверхности  Земли. Она состоит только из двух геологических слоев: верхнего (осадочного) слоя и нижнего (базальтового) слоя. Средняя толщина (мощность) всей земной коры, как полагают исследователи, – 43 км, а океанической коры под океанами не превышает 7 – 8 км. Местами она увеличивается до 10 – 12 км и практически уменьшается до нуля в рифтовых ущельях срединно-океанических хребтов. Рифт (англ. rift – расщелина) – глубокие ущелья.

Срединно-океанические хребты – это система подводных гор с глубокими рифтами. Протяженность этой системы составляет, по разным оценкам, более 80 тыс. км и проходит через все океаны. Открыта в прошлом веке, высота гор колеблется от 2500 до 3000 м. Различают Срединно-Атлантический хребет, проходящий через середину Атлантического океана, и Тихоокеанское поднятие. Протяженность первой системы хребтов составляет 18 тыс. км. Тихоокеанское поднятие не занимает срединного положения в Тихом океане и находится в его юго-восточной части. Оно имеет большую ширину и в несколько раз превышает протяженность системы Срединно-Атлантического хребта.

Гидросфера – это вся вода Земли. Вода – самое распространенное вещество на Земле. Она содержится в организмах, минералах, земной коре, океанах, морях, озерах, реках и в атмосфере. Моря и океаны занимают приблизительно 70,8% поверхности Земли. Масса воды на Земле почти в 266 раз больше массы атмосферы (масса атмосферы составляет одну миллионную часть массы Земли).

Общие запасы воды на Земле в не связанном физическом и химическом состоянии составляют 1,4 млрд км³.

Столько же воды находится в различных  видах природных соединений. Вода на Земле находится главным образом  в океанах (98%). Остальные 2% приходятся на ледники и другие воды. Океаны в основном являются холодными. Только 8% воды океана теплее 10° С, более 50% океанической воды ниже 2° С. Соленость воды океанической (средняя) - составляет 35 г/л. Средняя величина глубины мирового океана - 3800 м,  максимальная глубина – приблизительно 11 022 м. Средняя величина, на которую поднята суша над уровнем Мирового океана, приблизительно 875 м. Распределение воды в океане не является равномерным. Переход от суши к океаническому дну происходит приблизительно таким образом. При переходе от суши глубина растет медленно с уклоном в 1–2 м на километр. Это мелководье протяженностью приблизительно в 80 км, оно называется континентальным шельфом. Затем начинается крутой обрыв, и через 30 – 35 км от шельфа глубина доходит до 3 км. Дальше начинаются абиссальные равнины (лат. Abisso – означает бездна, провал) глубиной от 2,5 до 6 км. Абиссаль пересекается изредка хребтами, глубоководными желобами и впадинами с рекордными глубинами в 10 км и свыше 11 км. Исследования осадочных пород свидетельствуют о том, что гидросфера Земли образовалась приблизительно 3,8 млрд лет тому назад и количество воды в Мировом океане не было строго постоянным и неоднократно менялось. Уровень океана падал на 100 – 150 м ниже современного, но по площади океан всегда преобладал над сушей.

Сегодня состав океана находится почти  в полном химическом равновесии с  атмосферой Земли и ее корой. Это  насыщенный раствор атмосферных  газов, но растворимость их в воде невелика. В нем содержится высокая  концентрация углекислоты. Общая масса  концентрированной углекислоты  в океане в 30 – 100 раз больше массы всей атмосферной кислоты. Океан является мощным растворителем большей части растворимых в воде химических элементов, которые существуют на нашей планете. Система океан – атмосфера является своеобразной тепловой машиной, обеспечивающей круговорот СO2 и водяных паров над поверхностью Земли.

Атмосфера Земли по своему химическому составу состоит из следующих элементов: азот – 78,1%, кислород – 20,95%, остальное – это водяные пары, СO2 и инертные газы [4, с. 176 – 177].

Атмосфера Земли представляет слоистую сферу: тропосфера – до 12 км, стратосфера – до 45 км, мезосфера – до 80 км, термосфера – от 100 до 300 км и экзосфера – от 320 до 1000 км и выше.

 Рис. 2. Схематический разрез атмосферы.

1 – верхняя  граница литосферы (а – суша, б – океан); 2 – cеребристые облака; 3 – перламутровые облака; 4 – яруса облачности в тропосфере; 5 – полярные сияния; 6 – температурная кривая; 7 – слой распространения озона; 8 – слой наибольшей концентрации озона (озоновый слой).

 

В тропосфере (греч. tropos – поворот) температура достигает над полюсами до -55° С и до -75° С над экватором. Затем она повышается в стратосфере (лат. strat – настил) и достигает 0° С на высоте 55 км. Затем снова понижается до – 85° С в мезосфере (греч. mezo – средней) на расстоянии около 90 км. В термосфере идет повышение температуры и дальнейшее снижение плотности воздуха (до 0,001 г/м3). На высоте 400 км температура больше 1000° С. Этот слой атмосферы с высокой температурой не влияет существенно на внутреннюю температуру международной космической станции, которая находится на такой высоте. Атмосфера вращается вместе с Землей. На высоте от 20 км и почти до 60 км существует в атмосфере озонный слой (O3), который поглощает вредное для всех живых организмов коротковолновое излучение в диапазоне длины волны 220 – 290 нм (нанометров) [8].

Гидросфера это водная оболочка Земли. Ее можно назвать проникающей, поскольку она объединяет все известные нам формы природных вод и в атмосфере и на поверхности Земли и в ее недрах: растворенные в магматических расплавах, находящиеся в химическом соединении с минералами, сорбированные поверхностью минеральных зерен, капиллярные, осмотические, вакуольные, биологически связанные, жидкие, твердые и парообразные. Эти формы постоянно переходят одна в другую и взаимодействуют с вмещающими средами. Например, жидкая вода превращается в пар и лед, пар конденсируется, лед тает [8].

Гляциосфера Земли (лат. glacios – лед). Снежный покров и ледники выполняют важную роль на Земле:

1. Они отражают значительную  часть солнечной радиации и  тем самым охлаждают воздух  атмосферы.

2. В них содержится огромный  запас холода (втрое превышает  поступление тепла от Солнца  и самой Земли), идущего из ее  недр в течение года.

3. В них содержится 2/3 запасов  пресной воды Земли. Современные  ледники покрывают площадь свыше  16 млн км² (11%, суши), а с учетом подземных льдов и плавучих льдов – 100 млн км² (19,6% земной поверхности). Выпадающий ежегодно снег покрывает 125 млн км², из которых 2/3 приходится на сушу. Почти 17% выпадающего ежегодно снега идет на подкормку ледников. Самыми крупными ледниками на Земле являются Антарктический и Гренландский. Первый занимает 90% Антарктиды, его толщина (мощность) колеблется от нескольких сотен до 4000 м. Второй занимает 80% Гренландии, его толщина достигает около 3400 м. Специалисты по геокриологии (греч. kryos – холод,.мороз) утверждают, что за последние 600 млн лет на Земле было 17 периодов оледенения, когда льдом покрывалось примерно 30% суши. Последнее оледенение было, как полагают специалисты, 40 тыс. лет назад и продолжалось до 18 или 10 тыс. лет. Получается, что человек живет в относительно комфортных климатических условиях почти 10 тыс. лет. Ученых интересуют также мерзлотости (зоны вечной мерзлоты). Они составляют почти 25% всей поверхности Земли, а в России они занимают 50% ее территории. Как поведут себя мерзлотости в период повышения поверхностной температуры Земли? [4, с. 178 – 179]

Биосфера – это проникающая оболочка Земли, в которой сосредоточена белковая форма жизни. Конечно, белки не исчерпывают понятия живого вещества, основными компонентами которого являются кислород, водород, углерод и азот. К наиболее распространенным соединениям, кроме белков, относятся еще углеводороды и жиры. Но только белки представляют собой тот исключительный материал, который служит основой жизни на Земле. Появление жизни на нашей планете до сих пор остаётся загадкой, которую можно рассматривать с двух позиций: либо земная форма жизни занесена к нам из космоса, либо она возникла на самой Земле в результате анабиогенеза (из веществ неорганической природы) [1, с. 98 – 99].

Нижняя граница биосферы проходит на глубинах, где давление не должно превышать 600 Па (1–2 км), а температура быть не выше 100 °С. В атмосфере белковые формы жизни зафиксированы на высотах до 1000 км. Общую массу биосферы принято считать равной приблизительно 1014 кг. Число установленных биологических видов достигает 2 млн. единиц. Основная жизнь сосредоточена в океане, на поверхности Земли и в почвенном слое. Объем биосферы оценивается в 10 млн. км³. Масса растений превышает массу животных почти в 5 раз.

Биосфера имеет для Земли  огромное энергетическое значение и представляет собой уникальный механизм, с помощью которого лучистая энергия преобразуется в другие формы. Поэтому она оказывает огромное влияние на развитие других оболочек Земли. В частности, установлено, что большая часть углекислого газа атмосферы имеет биогенное происхождение. Живое вещество в значительной мере определяет процессы выветривания земной коры, окислительные и восстановительные реакции.

В конечном счете, именно биосфера определяет структуры, которые мы называем экологическими системами [8].

 

Список использованных источников

 

1. Грушевицкая, Т. Г., Садохин, А. П.  Концепции современного естествознания: Учебное пособие / Т. Г Грушевицкая, А. П. Садохин. – М.: Высшая школа, 1998. – 383 с.

2. Концепции современного естествознания: учебник для ВУЗов / под ред. Л. А. Михайлова. – СПб.: Питер, 2008. – 336 с.

3. Куницкий, Р.В. Астрономия / Р. В. Куницкий. – М.: Просвещение, 1967. – 407 с.

4. Лихин, А.Ф. Концепции современного естествознания: учебник для для студентов вузов / А. Ф. Лихин. – М.: ТК Велби, Изд-во Проспект, 2006. – 264 с.

5. Пантелеев В.Л. Физика Земли и планет: курс лекций / В. Л. Пантелеев. – М.: МГУ, 2001. – 117 с.

6. Рузавин,  Г.И. Концепции современного естествознания: Учебное пособие / Г. И. Рузавин. – М.: Гардарики, 2006. – 303 с.

7. Садохин, А.П. Концепции современного естествознания: учебник для студентов вузов / А.П. Садохин. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2006. – 447 с.

8. Шарден, П. Физическая модель Земли. [Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.russika.ru/userfiles/adm_1304280321.pdf]