Планета Земля

    Стратосфера располагается выше и занимает слой от 8—17 до 50—55 км. Здесь также образуются крупные атмосферные вихри, а горизонтальный перенос воздуха сопровождается восходящими и нисходящими движениями.

    Характерной особенностью стратосферы является повышение температуры с высотой на 1—2° на каждый километр. На верхней границе стратосферы температура не только оказывается равной 0°С, но и нередко даже выше этой точки. В стратосфере находится озоновый экран. Наибольшая его концентрация приходится на высоту от 18 до 24 км.

    Мезосфера расположена на высоте от 50—55 до 80 км. Здесь температуры вновь понижаются и на ее верхней границе достигают —60/-100°С. На каждый километр высоты в мезосфере температура снижается на 2-3°.

В следующем слое —  термосфере температура вновь увеличивается. На высоте 100 км она переходит нулевую  отметку, а в слое 150—200 км достигает +500°С. На ее верхней границе, на высоте около 800 км, температура определяется в +2000°C. Здесь происходит интенсивное поглощение ультрафиолетовой радиации Солнца, нагрев и ионизация атмосферы. В мезосфере и нижней части термосферы образуются электрически заряженные ионы. Поэтому слой, расположенный на высоте от 60 до 400 км, обычно называют ионосферой.

    В океанических водах растворено огромное количество химических элементов и соединений, которые, как известно, в растворе распадаются на положительные и отрицательные ионы, называемые соответственно катионами и анионами. Главными катионами являются натрий, магний, кальций, калий и стронций, а главными анионами — Cl, S04, НС03, Вг, С02.

В морской воде находится  и некоторое количество газов. Всего  в океане присутствует 140 трлн. т углекислого газа (это почти в 60 раз больше, чем в атмосфере) и 8 трлн. т кислорода.

Верхний слой каменной оболочки Земли, или литосферы, отделенный от нижележащих  слоев так называемой поверхностью Мохоровичича, именуется земной корой. Поверхность Мохоровичича является границей раздела между земной корой и мантией, здесь происходит скачкообразное увеличение скорости распространения сейсмических волн. Различают два основных типа земной коры: континентальную, из которой состоят материки, и океаническую, образующую дно океанов. Первая гораздо старше: некоторые ее участки датируются в 3,8 млрд. лет, тогда как у океанической коры возраст немногим более 150 млн. лет. Средняя мощность континентальной коры равна 25—75 км, а океанической — намного меньше.

      Для поверхности океанической коры характерны специфические формы рельефа. Это срединно-океанические хребты, в осевой части которых располагаются рифтовые долины, представляющие собой протяженные провалы с крутыми боковыми стенками. Другими интересными формами являются глубоководные желоба. Их ширина не превышает нескольких десятков километров, а длина составляет сотни километров. Глубоководные желоба располагаются на периферии океанов и как бы отделяют от океана островные дуги. Примерами служат Курило-Камчатский и Алеутский желоба.

На Земле выделяется еще одна оболочка, называемая биосферой. Это глобальная система, обладающая свойствами саморегуляции. Она имеет свой «вход» и «выход». «Вход» — это поток солнечной энергии, поступающей из космоса, а «выход» — образования, возникающие в результате жизнедеятельности организмов. Верхней границей биосферы служит озоновый экран, поглощающий губительные для жизни ультрафиолетовые лучи. Примером саморегуляции является Мировой океан. Реки ежегодно выносят в океан около 1,5 млн.т растворенного карбоната кальция, а также большое количество других элементов и соединений. Однако при этом солевой состав океанической воды не меняется. В чем же дело? Оказывается, организмы в процессе своей жизнедеятельности используют для построения скелета карбонат кальция. Весь его избыток расходуется организмами. Но после гибели организмов раковины выпадают в осадок.

Нижняя граница биосферы довольно расплывчата. Организмы существуют в глубоких зонах океана. Даже в  глубоководной Марианской впадине были обнаружены живые организмы. Не только бактерии, но и различные микроорганизмы по трещинам и порам проникают в осадочный слой и толщу рыхлых пород дна океана вплоть до базальтового слоя океана и гранитно-метаморфического слоя на континентах. По-видимому, этими слоями надо ограничивать биосферу.

В современной биосфере существует около 2 млн., видов живых  организмов, каждый из которых, в свою очередь, миллионы и миллионы особей.

Академик Владимир Иванович Вернадский, разрабатывая проблему роли органического мира в жизни нашей планеты, пришел к выводу, что живое вещество принимает активное участие во всех геологических процессах на поверхности Земли и в образовании атмосферы.

  Тепловая  энергия планеты

    О высокой температуре земных недр учёные догадывались давно. Об этом свидетельствовали и вулканические извержения, и рост температуры при погружении в глубокие шахты. В среднем у поверхности Земли её увеличение составляет 20 градусов на километр.

Тепловая энергия земных недр выделяется с поверхности планеты в виде теплового потока, который измеряется количеством тепла, выделяемого с единицы площади за  единицу времени. Измерить тепловой поток Земли с достаточной точностью удалось только во второй половине XX века.

Континентальную земную кору можно представить в виде 15 – километрового слоя гранита, лежащего на слое базальта такой же толщины. Концентрация радиоактивных изотопов, служащих источниками тепла, в гранитах и базальтах хорошо изучена. Это прежде всего радиоактивный калий, уран и торий. Подсчитано, что при их распаде выделяется примерно 130 Дж/(см год). В тоже время средний тепловой поток, который равен 130 – 170 Дж/(см год). Следовательно, он почти полностью определяется тепловыделением в гранитном и базальтовом слоях.

С океанической корой  всё обстоит иначе. Она значительно  тоньше континентальной, и основу её составляет 5 – 6 –километровый базальтовый  слой. Распад содержащихся в нём  радиоактивных элементов даёт всего  около 10 Дж/(см год). Однако, когда специалисты  измерили тепловой поток на океанах, он оказался примерно таким же, как и на материках.

Сегодня установлено, что  основная часть тепла поступает  в океаническую кору через литосферную  плиту из мантии. Вещество мантии постоянно  находится в движении. Неравенство  температур различных слоёв в ней приводит к активному перемешиванию вещества: более холодное и, соответственно, более плотное тонет, более горячее всплывает. Это так называемая тепловая конвекция.

Большинство современных  исследователей указывают на три  возможных источника энергии для поддержания тепловой конвекции в мантии. Во – первых, мантия всё ещё сохраняет большое количество тепла, накопленного в период формирования планеты. Его достаточно, чтобы поверхностный тепловой поток сохранялся на его теперешнем уровне в течение срока, в несколько раз превышающего нынешний возраст Земли. При этом планета должна остывать, но её остывание происходит очень медленно. Во – вторых, определённое количество тепла, по-видимому, поставляется в мантию из ядра. И, наконец, третий источник – это распад радиоактивных элементов (их содержание в мантии в настоящее время трудно оценить).

Атмосфера и  гидросфера Земли

В настоящее время  Земля обладает атмосферой массой примерно 5.15*10 кг., т.е. менее миллионной доли массы планеты. Вблизи поверхности она содержит 78.08% азота, 20.05% кислорода, 0.94% инертных газов, 0.03% углекислого газа и в незначительных количествах другие газы.

Давление и плотность  в атмосфере убывают с высотой. Половина воздуха содержится в нижних 5.6 км, а почти вся вторая половина сосредоточена до высоты 11.3 км. На высоте 95 километров плотность воздуха в миллион раз ниже, чем у поверхности. На этом уровне и химический состав атмосферы уже иной. Растёт доля лёгких газов, и преобладающими становятся водород и гелий. Часть молекул разлагается на ионы, образуя ионосферу.

Выше 1000 км. Находятся  радиационные пояса. Их тоже можно рассматривать  как часть атмосферы, заполненную  очень энергичными ядрами атомов водорода и электронами, захваченными магнитным полем планеты.

  Вода покрывает более 70% поверхности земного шара, а средняя глубина Мирового океана около 4 км. Масса гидросферы примерно 1.46*10 кг. Это в 275 раз больше массы атмосферы, но лишь 1/4000 от массы всей Земли.

Гидросферу на 94% составляют воды Мирового океана, в которых растворены соли (в среднем 3.5%), а также ряд газов. Верхний слой океана содержит 140 трлн. тонн углекислого газа, а растворённого кислорода – 8 трлн. тонн.

Эволюция Земли

   Вопрос ранней эволюции Земли тесно связан с теорией её происхождения. Сегодня известно, что наша планета образовалась около 4.6 млрд. лет назад. В процессе формирования Земли из частиц протопланетного облака постепенно увеличивалась её масса. Росли силы тяготения, а, следовательно, и скорости частиц, падавших на планету. Кинетическая энергия частиц превращалась в тепло, и Земля всё сильнее разогревалась. При ударах на ней возникали кратеры, причём выбрасываемое из них вещество уже не могло преодолеть земного тяготения и падало обратно. 

Чем крупнее были падавшие тела, тем сильнее они нагревали Землю. Энергия удара освобождалась не на поверхности, а на глубине, равной примерно двум поперечникам внедрившегося тела. А так как основная масса на этом этапе поставлялась планете телами размером в несколько сот километров, то энергия выделялась в слое толщиной порядка 1000 км. Она не успевала излучится в пространство, оставаясь в недрах Земли. В результате температура на глубинах 100 – 1000 км могла приблизиться к точке плавления. Дополнительное повышение температуры, вероятно, вызывал распад короткоживущих радиоактивных изотопов.

По – видимому, первые возникшие расплавы представляли собой  смесь жидких железа, никеля и серы. Расплав накапливался, а затем  вследствие более высокой плотности  просачивался вниз, постепенно формируя земное ядро. Таким образом, дифференциация (расслоение) вещества Земли могла начаться ещё на стадии её формирования. Ударная переработка поверхности и начавшаяся конвекция, несомненно, препятствовали этому процессу. Но определённая часть более тяжёлого вещества всё же успевала опуститься под перемешиваемый слой. В свою очередь дифференциация по плотности приостанавливала конвекцию и сопровождалась дополнительным выделением тепла, ускоряя процесс формирования различных зон в Земле.

Предположительно ядро сформировалось за несколько сот миллионов лет. При постепенном остывании планеты богатый никелем железоникелевый сплав, имеющий высокую температуру плавления, начал кристаллизоваться – так зародилось твёрдое внутреннее ядро. К настоящему времени оно составляет 1.7% массы Земли. В расплавленном внешнем ядре сосредоточено около 30% земной массы.

Развитие других оболочек продолжалось гораздо дольше и в  некотором отношении не закончилось  до сих пор.

Литосфера сразу после  своего образования имела небольшую  толщину и была очень не устойчивой. Она снова поглощалась мантией, разрушалась в эпоху великой бомбардировки (от 4.2 до 3.9 млрд. лет назад), когда Земля, как и Луна, подвергалась ударам очень крупных и довольно многочисленных метеоритов. На Луне и сегодня можно увидеть свидетельства метеоритной бомбардировки – многочисленные кратеры и моря (области, заполненные излившейся магмой). На нашей планете активные тектонические процессы и воздействие атмосферы и гидросферы практически стёрли следы этого периода.

Около 3.8 млрд. лет назад сложилась первая лёгкая и, следовательно, «непотопляемая» гранитная кора. В то время планета уже имела воздушную оболочку и океаны; необходимые для их образования газы усиленно поставлялись из недр Земли в предшествующий период. Атмосфера тогда состояла в основном из углекислого газа, азота и водяных паров, кислорода в ней было мало, но он вырабатывался в результате, во–первых, фотохимической диссоциации воды и, во–вторых фотосинтезирующей деятельности простых организмов, таких, как сине – зелёные водоросли..

Что ждёт Землю в будущем? На этот вопрос можно ответить лишь с большой степенью неопределённости, абстрагируя как от возможного внешнего, космического влияния, так и от деятельности человечества, преобразующего окружающую среду, причём не всегда в лучшую сторону.

В конце концов, недра  Земли остынут до такой степени, что конвекция в мантии и, следовательно, движение материков (а значит, и горообразование, извержение вулканов, землетрясения) постепенно ослабнут и прекратятся. Выветривание со временем сотрёт неровности земной коры, и поверхность планеты скроется под водой. Дальнейшая её судьба будет определятся среднегодовой температурой. Если она значительно понизится, то океан замёрзнет и Земля покроется ледяной коркой. Если же температура повысится (а скорее к этому и приведёт возрастающая светимость Солнца), то вода испарится, обнажив равную поверхность планеты. Очевидно, ни в том, ни в другом случае жизнь человечества на Земле будет уже не возможна, по крайней мере, в нашем современном представлении о ней.

Глобальные проблемы

1. Разрушение природной  среды

На всех стадиях своего развития человек был тесно связан с окружающим миром. Но с тех пор  как появилось высокоиндустриальное общество, опасное вмешательство  человека в природу резко усилилось, расширился объём этого вмешательства, оно стало многообразнее и сейчас грозит стать глобальной опасностью для человечества. Расход невозобновимых видов сырья повышается, все больше пахотных земель выбывает из экономики, так как на них строятся города и заводы. Человеку приходится все больше вмешиваться в биосферу - ту часть нашей планеты, в которой существует жизнь. Биосфера Земли в настоящее время подвергается нарастающему антропогенному воздействию.

Наиболее масштабным и значительным является химическое загрязнение среды несвойственными ей веществами химической природы. Среди них - газообразные и аэрозольные загрязнители промышленно бытового происхождения. Прогрессирует и накопление углекислого газа в атмосфере. Дальнейшее развитие этого процесса будет усиливать нежелательную тенденцию в сторону повышения среднегодовой температуры на планете. Вызывает тревогу у экологов и продолжающееся загрязнение Мирового океана нефтью и нефтепродуктами, достигшее уже 1/5 его общей поверхности. Нефтяное загрязнение таких размеров может вызвать существенные нарушения газо - и водообмена между гидросферой и атмосферой. Не вызывает сомнений и значение химического загрязнения почвы пестицидами и ее повышенная кислотность, ведущая к распаду экосистемы. В целом, все рассмотренные факторы, которым можно приписать загрязняющий эффект, оказывают заметное влияние на процессы, происходящие в биосфере.