Происхождение и эволюция планеты Земля

3.Внешние оболочки Земли: особенности литосферы, гидросферы,                   атмосферы.

     Атмосфера — газообразная оболочка Земли. К ней относятся: атмосфеный воздух; газы, растворенные в поверхностных и подземных водах; газовая составляющая почв, а также газы, выделяющиеся из горного массива, которые прямо или косвенно влияют на жизнедеятельность живых организмов.

     В настоящее время состав атмосферы находится в состоянии динамического равновесия, что достигается деятельностью живых организмов. На высоте 100 – 120 км чаще всего встречаются азот и кислород; на высоте 400 км находится кислород в атомарном состоянии (с одним свободным электроном), на высоте 600 - 1600 км чаще всего встречают гелий; выше преобладает водород. В нижних слоях атмосферы (до 25 км) встречаются CO₂, углеводороды C_xH_y, диоксид серы SO₂, оксиды азота N_xO_y и др.

     Одной из характеристик атмосферы является влажность. Влажность атмосферного воздуха определяется его насыщенностью водяными парами. Наиболее богаты влагой нижние слои атмосферы (1,5 - 2,0 км), где концентрируется примерно 50 % влаги. Количество водяного пара в воздухе зависит от его температуры: чем выше температура, тем больше влаги содержит воздух. Однако при любой конкретной температуре воздуха существует определенный предел его насыщения парами воды, который является максимальным. Обычно насыщение воздуха парами воды не достигает максимума, и разность между максимальным и текущим насыщением носит название дефицита влажности, или недостатка насыщения. Дефицит влажности - важнейший экологический параметр, поскольку он характеризует сразу две величины: температуру и влажность. Чем выше дефицит влажности, тем суше и теплее, и наоборот. Известно, что повышение дефицита влажности в определенные отрезки вегетационного периода способствует интенсивному плодоношению растений, а у насекомых приводит к усиленному размножению вплоть до так называемых демографических “вспышек”. На анализе динамики дефицита влажности основаны многие способы прогнозирования различных явлений среди живых организмов.

     Температура на поверхности земного шара определяется температурным режимом атмосферы и тесно связана с солнечным излучением. Известно, что количество тепла, падающего на горизонтальную поверхность, прямо пропорционально синусу угла стояния Солнца над горизонтом, поэтому наблюдаются суточные и сезонные колебания температуры. Чем выше широта местности, тем больше угол наклона солнечных лучей и тем холоднее климат.

     Одним из инструментов атмосферы, влияющих на экологию Земли является ветер. Причина возникновения ветра - неодинаковый нагрев земной поверхности, связанный с перепадами давления. Ветровой поток направлен в сторону меньшего давления, т.е. туда, где воздух более прогрет. Сила вращения Земли воздействует на циркуляцию воздушных масс. В приземном слое воздуха их движение оказывает влияние на все метеорологические элементы климата: режим температуры, влажности, испарения с поверхности Земли и транспирацию растений. Ветер - важнейший фактор переноса и распределения примесей в атмосферном воздухе. Наблюдаются длительные периоды (циклы) преобладающей атмосферной циркуляции продолжительностью в несколько десятков лет. Эти циклы меридианальной, широтной циркуляции периодически сменяются с востока на запад, с севера на юг, а также в противоположных направлениях. С типами атмосферной циркуляции иногда связывают периоды одновременной активности многих видов животных, например, периоды вспышек массового размножения насекомых. Скорость и направление движения воздушных масс могут изменяться в зависимости от рельефа, времени суток и других факторов. Вертикальное движение масс воздуха — сложный природный процесс, который может характеризоваться температурной стратификацией — изменением температуры воздуха с высотой.

Давление атмосферы. Нормальным считается  давление 1кПа, соответствующее 750,1 мм рт.ст. В пределах земного шара существуют постоянно области низкого и высокого давления, причем в одних и тех же точках наблюдаются сезонные и суточные колебания давления. Различают также морской и континентальный типы давления. Периодически возникающие области пониженного давления, характеризующиеся мощными потоками воздуха, стремящегося по спирали к перемещающемуся в пространстве центру, носят название циклонов. Циклоны отличаются неустойчивой погодой и большим количеством осадков.

     Литосфера — это твердая внешняя оболочка Земли, земная кора.

Мощность Земной коры под океаном  — 5 - 20 км; под континентом — 70 км. В литосфере выделяют массив горных пород, земную поверхность и почвы.

Почва — это рыхлый поверхностный  горизонт суши, способный производить  урожай растений. Важнейшее свойство почвы — ее плодородие, которое определяется физическими и химическими свойствами почвы. Почва — трехфазная среда, включающая твердые, жидкие и газообразные компоненты. Она представляет собой продукт физического, химического и биологического преобразования горных пород, т.е. формируется в результате сложного взаимодействия климата, растений, животных и микроорганизмов. Сама почва постоянно развивается и изменяется, вследствие чего существует большое разнообразие ее типов. В результате перемещения или превращения вещества почва расчленяется на отдельные слои, или горизонты, сочетание которых представляет профиль почвы. Во всех типах почв самый верхний горизонт имеет более или менее темный цвет, зависящий от количества органического вещества. Этот горизонт называется гумусовым или перегнойно-аккумулятивным. Он может иметь зернистую, комковатую или слоистую структуру. Избыток или недостаток гумуса определяет плодородие почвы, т.к. в нем осуществляются сложные обменные процессы, в результате которых образуются элементы питания растений. Выше гумусового горизонта иногда располагается подстилка или дерн, состоящий из разлагающихся растительных остатков и способствующий накоплению влаги и питательных веществ в почве, а также влияющий на тепловой и воздушный режимы почвы. Под гумусовым горизонтом обычно залегает малоплодородный подзолистый горизонт вымывания (в черноземных и темных почвах этот горизонт отсутствует). Еще глубже расположен иллювиальный горизонт (горизонт вмывания), в него вмываются и в нем накапливаются минеральные и органические вещества из вышележащих горизонтов. Еще ниже залегает материнская горная подстилающая порода, на которой формируется почва. Все горизонты представляют собой смесь органических и минеральных элементов. Свыше 50% минерального состава почвы приходится на кремнезем ( Si0₂), около 1 - 25% — на глинозем ( Al₂O₃), 1 - 10% — на оксиды железа (Fe₂O₃), 0,1 - 5% — на оксиды магния, калия, фосфора, кальция (Mg0, К₂О, P₂0₅, Са0). Органические вещества, поступающие в почву с растительным опадом, включают углеводы (лигнин, целлюлоза, гемицеллюлоза), белковые вещества, жиры, а также конечные продукты обмена у растений — воск, смолы, дубильные вещества. Органические остатки в почве разрушаются (минерализуются) с образованием более простых (вода, диоксид углерода, аммиак и др.) веществ или превращаются в более сложные соединения — перегной, или гумус. Одна из наиболее важных характеристик почвы — ее механический состав, т.е. содержание частиц разной величины. Установлены четыре градации механического состава: песок, супесь, суглинок и глина. От механического состава почвы зависят ее водопроницаемость, способность удерживать влагу, проникновение в нее корней растений и др. Кроме того, каждая почва характеризуется плотностью, тепловыми и водными свойствами. Большое значение для почвы имеет аэрация, т.е. ее насыщенность воздухом и способность к такому насыщению. Химические свойства почвы зависят от содержания минеральных веществ, которые находятся в ней в виде растворенных ионов. Некоторые ионы являются для растений токсичными, другие — жизненно необходимыми. Концентрация ионов водорода (рН) в среднем близка к нейтральному значению. Флора таких почв особенно богата видами. В известковых (рН 8) и засоленных почвах (рН 4) развивается только специфическая растительность. Обитающее в почве множество видов растительных и животных организмов активно влияет на ее физико-химические характеристики.

     Гидросфера — это водная оболочка Земли. К ней относят: поверхностные и подземные воды, прямо или косвенно обеспечивающие жизнедеятельность живых организмов, а также вода, выпадающая в виде осадков. Вода занимает преобладающую часть биосферы. Из 510 млн. км² общей площади земной поверхности на Мировой океан приходится 361 млн. км² (71%). Океан — главный приемник и аккумулятор солнечной энергии, поскольку вода обладает высокой теплопроводностью. Основными физическими свойствами водной среды являются ее плотность (в 800 раз выше плотности воздуха) и вязкость (выше воздушной в 55 раз). Кроме того, вода характеризуется подвижностью в пространстве, что способствует поддержанию относительной гомогенности физических и химических характеристик. Водные объекты характеризуются температурной стратификацией, т.е. изменением температуры воды по глубине. Температурный режим имеет существенные суточные, сезонные, годовые колебания, но в целом динамика колебаний температуры воды меньше, чем воздуха. Световой режим воды под поверхностью определяется ее прозрачностью (мутностью). От этих свойств зависит фотосинтез бактерий, фитопланктона, высших растений, а следовательно, и накопление органического вещества, которое возможно лишь в пределах эвфотической зоны, т.е. в том слое, где процессы синтеза преобладают над процессами дыхания. Мутность и прозрачность зависят от содержания в воде взвешенных веществ органического и минерального происхождения. Из наиболее значимых для живых организмов абиотических факторов в водных объектах следует отметить соленость воды — содержание в ней растворенных карбонатов, сульфатов, хлоридов. В пресных водах их мало, причем преобладают карбонаты (до 80%). В океанической воде преобладают хлориды и отчасти сульфаты. В морской воде растворены практически все элементы периодической системы, включая металлы. Другая характеристика химических свойств воды связана с присутствием в ней растворенного кислорода и диоксида углерода. Особенно важен кислород, идущий на дыхание водных организмов. Жизнедеятельность и распространение организмов в воде зависят от концентрации ионов водорода (рН). Все обитатели воды — гидробионты приспособились к определенному уровню рН: одни предпочитают кислую, другие — щелочную, третьи — нейтральную среду. Изменение этих характеристик, прежде всего в результате промышленного воздействия, ведет к гибели гидробионтов или к замещению одних видов другими.

                     4.Тектонические явления.

     Вопрос о природе эндогенных сил и связанных с ними тектонических явлений еще не решен. Это один из наиболее сложных и трудных вопросов геологии. Эти трудности вызвали появление целого ряда тектонических гипотез, с помощью которых геологи стремились восполнить недостающий фактический материал. Однако ни одна из предложенных гипотез не может считаться законченной системой взглядов, так как не объясняет удовлетворительно всего многообразия тектонических явлений. 
     Ниже в кратких чертах я рассмотрю одну из таких гипотез, с моей точки зрения наиболее интересной и наиболее перспективной в смысле дальнейшей ее разработки. 
     В соответствии с этой гипотезой Земля представляет собой недоразвившуюся звезду («эмбрион» звезды), так как небольшие ее размеры как космического тела исключают возможность полноценного проявления атомных реакций. Однако все же в центральных областях Земли эти процессы находят свое частичное проявление, ведущее к повышению здесь плотности ядра за счет разрушения электронных оболочек и «упаковки атомов» материалов, образующих ядро. 
     Эти процессы приводят к тепловыделению. Возникает два противоположно направленных действия, связанные: а) с уменьшением объема земного шара за счет уплотнения его ядра и б) с увеличением объема земного шара за счет теплового его расширения. 
     Радиоактивные процессы внутри земного шара ведут к постепенному накоплению тепла, распространяющегося во времени все ближе к поверхности. Здесь в некоторых зонах (в частности, в зонах растяжения с относительно пониженным давлением) перегретые массы могут переходить в состояние каменных расплавов (магму). 
     При определенных обстоятельствах магматические расплавы способны под давлением внедряться в толщу земной коры. Такая обстановка создается, когда при повышении температуры и увеличении объема земного шара его «одежда» — земная кора — в тех или иных местах становится «тесной», что сопровождается появлением в ней трещин, разрывов, разломов, сколов и других деформаций. 
     Континентальные массивы (глыбы), в силу меньшей плотности пород земной коры (удельный вес 2,7), будучи погружены своими «корнями» в более тяжелый подкорковой пояс «субстрат» (некоторая разновидность базальта с удельным весом 3—3,5), как бы плавают в нем подобно шлаку на поверхности расплавленного чугуна.  
     При тепловом расширении, а отсюда и понижении плотности базальтовых масс континентальные массивы более глубоко погружаются в базальтовый пояс. Это обстоятельство приводит к еще более интенсивным массовым подъемам и излияниям базальтовых лав через образовавшиеся в земной коре расколы и разломы. Так образуются нередко- большие поля базальтовых покровов (плато базальтов в Индии, Сибири). Отмеченное выше погружение континентальных массивов в базальтовый пояс по своей природе имеет много общего с явлением углубления осадки грузовых судов при переходе их из морей с большей соленостью (и значит, плотностью) воды в моря с меньшей соленостью (например, из Атлантического океана в Финский залив Балтийского моря). 
     Очевидно, что указанное выше погружение континентов ведет к более низкому их стоянию и в ряде случаев сопровождается затоплением пониженных участков суши морем (трансгрессия моря). В силу общего потепления в этот период, а также в связи с обширными морскими трансгрессиями климат на Земле в значительной мере смягчается. Средняя годовая температура суши повышается со всеми вытекающими отсюда последствиями. Описываемая эпоха в жизни Земли, связанная со всем нарастающим тепловым ее режимом, рассматривается как эпоха эволюции или покоя.

5.Геохронология. Геохронологические зоны и эры в эволюции облика Земли.

    Геохронология (от др.-греч. γῆ — земля + χρόνος — время + λόγος — слово, учение) — комплекс методов определения абсолютного и относительного возраста горных пород или минералов. В число задач этой науки входит и определение возраста Земли как целого. С этих позиций геохронологию можно рассматривать как часть общей планетологии.

     К 1850 году ученые узнали достаточно много о строении горных пород на поверхности Земли и понимали, что общая толщина пластов достигает многих миль. В слоях горных пород, даже в самых глубоких и древних, были найдены окаменелости. Стало ясно, что Земля намного старше, чем считалось до тех пор. Чтобы лучше понять сложную историю горных пород и жизни на Земле, ученые разделили всю геологическую летопись на отдельные этапы. К концу XIX века сложилась общепринятая шкала основных периодов древнейшей истории Земли.

     В XIX веке все периоды геологической истории Земли были формально объединены в три основные эры: палеозойскую (от греческого «палайос» — древний, «зое» — жизнь), мезозойскую («мезо» — средний) и кайнозойскую («кайно» — современный). Около 1860 года Джон Филипс, профессор геологии Оксфордского университета, показал, что каждой основной эре соответствует собственный растительный и животный мир (биота).

     Подразделения геохронологической шкалы основываются на резкой смене характера окаменелых остатков. Границам между периодами соответствуют широкомасштабные вымирания. В начале XIX века весь диапазон геологического времени был разделен на 16 периодов, от кембрийского до четвертичного. Но под самыми древними ископаемыми, найденными в кембрийских слоях, лежали породы, соответствующие самому раннему этапу истории Земли. Поскольку ученые считали, что в ту эпоху жизнь на Земле еще не возникла, ей дали имя азойская (по-гречески — «безжизненная»).

     К концу XIX века накопилось много ископаемых доказательств того, что жизнь существовала и до начала кембрийского периода. Метод радиоактивной датировки, разработанный в начале XX века, показал, что докембрийская эра была гораздо длиннее, чем считалось раньше. Но ученые не имели сопоставимых окаменелостей из разных уголков мира, на основании анализа которых они могли бы выделить и соотнести между собой различные последовательности докембрийских пластов.

     В последние десятилетия наши представления об истории Земли за 4 млрд. лет, которые протекли до начала кембрийского периода, сильно изменились. Современные ученые выделяют в докембрийском зоне три эры: гадейскую (4,6-3,8 млрд. лет назад), архейскую (3,8—2,5 млрд. лет назад) и протерозойскую (2,5—0,545 млрд. лет назад). О самых ранних этапах формирования Земли известно очень мало, так как на поверхности планеты почти не сохранилось горных пород, относящихся к тем временам.

     Древнейшие из известных осадочных пород относятся к архейской эре. В те же времена возникли и первые ископаемые — химические следы древних микроорганизмов. Они найдены в Гренландии и имеют возраст 3,7 млрд. лет. Около 3 млрд. лет назад в мелководных морях обитали строматолиты (сине-зеленые водоросли).

     Самый поздний отрезок протерозойской эры — верхний протерозой (1000 — 545 млн. лет назад) — отчетливо подразделяется на два крупных периода: рифей (1000 — 680 млн. лет назад) и венд (680 — 545 млн. лет назад). В рифее широко распространились эукариоты, увеличилось количество кислорода в атмосфере и, возможно, возникли первые многоклеточные организмы. В венде, около 630 млн. лет назад, началось широкомасштабное оледенение. Когда ледник отступил, жизнь начала бурно развиваться. Многоклеточные организмы стали очень разнообразными, в мелководных морях возникли и расселились по всему земному шару мягкотелые представители богатой эдиакарской фауны. Вымирание этих форм жизни и приход им на смену первых морских обитателей раковин знаменовали начало первого периода фанерозойского зона — кембрия.

     Шесть периодов палеозойской эры, от кембрийского до пермского, занимают в общей сложности 300 млн. лет (545 — 248 млн. лет назад). В начале палеозойской эры характерные для того времени жизненные формы были строго привязаны к морской среде обитания. Ранние палеозойские морские беспозвоночные были очень невелики по размерам, но к середине кембрия появились хищные членистоногие длиной до 0,9 м. В морях началась гонка вооружений. В начале силура появились первые хищники, вооруженные зубами, и другие существа были вынуждены защищаться от них под прочными панцирями или прятаться в толще морского дна.

Граница каждой из четырех крупных  эр ознаменована резким изменением характера  ископаемых окаменелостей. Это означает, что в конце каждой эры происходили  массовые вымирания живых существ.

     К самым характерным палеозойским группам относятся членистоногие, такие, как трилобиты и эвриптериды. Широко распространены были похожие на растения граптолиты, которые на самом деле являлись колониями животных, и головоногие в закрученных спиралью конических раковинах. Были представлены и знакомые нам существа — улитки, двустворчатые моллюски, морские ежи, морские звезды и похожие на креветок членистоногие.

     Около 460 млн. лет назад появились первые позвоночные животные — бесчелюстные рыбоподобные существа причудливого облика (их современные родственники — миноги и миксины). В силуре появились первые челюстные рыбы, и подводная гонка вооружений пошла еще ожесточеннее. В силуре произошло одно из важнейших событий в истории жизни — она вышла на сушу. Первыми обитателями суши были мелкие растения высотой всего в несколько сантиметров. Но для того чтобы совершить этот скачок, жизни понадобилось развиваться в воде 3,4 млрд. лет. А в первые же 100 млн. лет после выхода на сушу по всей Земле зазеленели густые леса из древовидных папоротников и плаунов, в которых находили укрытие множество разнообразных животных.