7.4 Планета Земля

З емля - третья планета Солнечной системы. Подобно другим планетам она движется вокруг Солнца по эллиптической орбите. Расстояние от Земли до Солнца в разных точках орбиты неодинаковое. Среднее расстояние около 149,6 млн. км. В процессе движения нашей планеты вокруг Солнца плоскость земного экватора перемещается параллельно самой себе так, что в одних участках орбиты земной шар наклонен к Солнцу своим северным полушарием, а в других - южным.

Период обращения вокруг Солнца составляет 365,256 дней, при суточном вращении - 23 ч. 56 мин. Средняя плотность Земли 5518 кг/м³. Масса - 5,976•10²⁴ кг. Экваториальный радиус равен 6378 км. Ускорение свободного падения у поверхности планеты составляет 9,8 м/с².

Возраст Земли

Согласно современным космологическим представлениям, Земля образовалась примерно 4,5 млрд. лет назад. К такому выводу Строение Земли

Большую часть поверхности Земли (до 71%) занимает Мировой океан. Средняя глубина Мирового океана - 3900 м. Существование осадочных пород, возраст которых превосходит 3,5 млрд. лет, служит доказательством существования на Земле обширных водоемов уже в ту далекую пору. На современных континентах более распространены равнины, главным образом низменные, а горы - в особенности высокие - занимают незначительную часть поверхности планеты, так же как и глубоководные впадины на дне океанов. Форма Земли, как известно близкая к шарообразной, при более детальных измерениях оказывается очень сложной, даже если обрисовать ее ровной поверхностью океана (не искаженной приливами, ветрами, течениями) и условным продолжением этой поверхности под континенты. Неровности поддерживаются неравномерным распределением массы в недрах Земли.

О внутреннем строении Земли, прежде всего, судят по особенностям прохождения сквозь различные слои Земли механических колебаний, возникающих при землетрясениях или взрывах. Ценные сведения дают также измерения величины теплового потока, выходящего из недр, результаты определений общей массы, момента инерции и полярного сжатия нашей планеты. Масса Земли найдена из экспериментальных измерений физической постоянной тяготения и ускорения силы тяжести. Для массы Земли получено значение 5,967

1024 кг. На основе целого комплекса научных исследований была построена модель внутреннего строения Земли.

Одна из особенностей Земли - ее магнитное поле, благодаря которому мы можем пользоваться компасом. Магнитный полюс Земли, к которому притягивается северный конец стрелки компаса, не совпадает с Северным географическим полюсом. Под действием солнечного ветра магнитное поле Земли искажается и приобретает "шлейф" в направлении от Солнца, который простирается на сотни тысяч километров.

ученые пришли в результате исследования возраста древнейших минералов и горных пород, а также на основе изучения процессов распада радиоактивных веществ. Кроме того, на данный возраст Земли указывают и материалы исследования метеоритов. Они отно­сятся к числу наиболее изученных космических объектов и несут ценную научную информацию. Исследования метеоритов показы­вают, что возраст как железных, так и каменных метеоритов совпа­дает и составляет примерно 4,5—4,6 млрд. лет.

Схожие данные получены и при исследовании лунных пород. Образцы этих пород были доставлены на Землю как с помощью космических станций «Луна», так и экипажами американских кос­мических кораблей «Аполлон». Оказалось, что возраст самых древ­них лунных образцов совпадает с возрастом самой Луны и состав­ляет 4—4,5 млрд. лет. Значит, первичная лунная кора возникла вскоре после образования Луны, и отдельные участки этой коры сохранились до сегодняшнего дня. Такое совпадение данных для разных тел Солнечной системы не может считаться случайным, по­этому делается вывод о возрасте нашей планеты, равном примерно 4,5 млрд. лет. К этому времени завершилось формирование. При этом считается, что ее геологическая история составляет около 4 млрд. лет, из них 0,6 млрд. лет — это ранняя история Земли.

Древнейший период в истории нашей планеты, составляющий 5/6 всей геологической истории Земли, называется докембрийским, или криптозойским. Он делится на архей (закончился 3,5 млрд. лет назад) и протерозой (до 600 млн. лет назад). Последние 600 млн. лет называются фанерозоем и делятся на три эры: палеозой (240 млн. лет), мезозой (163 млн. лет) и кайнозой (67 млн. лет). Эти эры, в свою очередь, подразделяются на более мелкие периоды (табл. 9).

Таблица 9 Геохронологическая шкала фанерозоя

Ранняя история развития Земли

Ранняя история развития Земли включает три фазы эволюции:

1. фазу аккреции (рождения);

2. фазу расплавления внешней сферы земного шара;

3. фазу первичной коры (лунную фазу).

Фаза аккреции представляла собой непрерывное выпадение на растущую Землю все большего количества крупных тел, укрупняю­щихся в своем полете при соударениях между собой, а также в ре­зультате притяжения к ним более удаленных мелких частиц. Кроме того, на Землю падали и самые крупные объекты — планетезима-лии, достигавшие в поперечнике многих километров. В фазу аккре­ции Земля приобрела примерно 95% современной массы. На это ушло около 17 млн. лет (правда, некоторые исследователи увеличи­вают этот срок до 400 млн. лет). При этом Земля оставалась холод­ным космическим телом, и только в конце этой фазы, когда нача­лась предельно интенсивная бомбардировка ее крупными объекта­ми, произошло сильное разогревание, а затем и полное расплавле­ние вещества поверхности планеты.

Фаза расплавления внешней сферы земного шара наступила в промежутке 4—4,6 млрд. лет назад. В это время произошла обще­планетарная химическая дифференциация вещества, которая при­вела к формированию центрального ядра Земли и обволакивающей его мантии. Позже образовалась земная кора.

В этой фазе поверхность Земли представляла собой океан тяже­лой расплавленной массы с вырывающимися из него газами. В него продолжали стремительно падать мелкие и крупные космические тела, вызывая всплески тяжелой жидкости. Над раскаленным океа­ном нависало сплошь затянутое густыми тучами небо, с которого не могло упасть ни капли воды.

Лунная фаза — это время остывания расплавленного вещества поверхности Земли из-за излучения тепла в космос и ослабления метеоритной бомбардировки. Так образовалась первичная кора ба­зальтового состава. Тогда же происходило образование гранитного слоя материковой коры. Правда, механизм этого процесса до сих пор неясен.

В лунную фазу шло постепенное остывание поверхности Земли от температуры плавления базальтов, составляющей 800— 1000°С до 100°С. Когда температура опустилась ниже 100°С, из атмосферы выпала вся вода, покрывшая Землю. В результате сформировались поверхностные и грунтовые стоки, появились водоемы, в том числе и океан.

Геологическое развитие и строение Земли

Результатом геологического развития Земли стало формирова­ние самых верхних оболочек — атмосферы, гидросферы и литосфе­ры. Это произошло в результате остывания поверхности Земли и привело к образованию первичной базальтовой или близкой к ней по составу коры Земли. Почти одновременно за счет конденсации водяных паров образовалась водная оболочка планеты — гидросфера.

Образование и строение литосферы. Земная кора образована гор­ными породами, имеющими различные формы залегания. Породы лежат горизонтальными слоями или нарушены разломами и смяты складками. Залегание горных пород чаще всего обусловлено внут­ренними (эндогенными) силами. Строение земной коры, созданное эндогенными процессами, называется тектоническим строением, или тектоникой.

Современный рельеф планеты складывался на протяжении мно­гих сотен миллионов лет и продолжает видоизменяться под влия­нием совместного действия на ее поверхности тектонических, гидросферных, атмосферных и биологических процессов. Начало этому было положено около 3,5 млрд. лет назад, когда начали формиро­ваться вулканические дуги. Формирование вулканических дуг про­исходило на первичной остаточной или вторичной коре, образо­ванной при растяжении океанической коры над зонами подлезания (столкновения литосферных плит и подлезания их друг под друга с об­разованием вулканической дуги). В результате примерно 2,7—2,5 млрд. лет назад возникли значительные площади континентальной коры, которые, по-видимому, соединились в единый суперконтинент — первую Пангею в истории Земли. Толщина этой коры уже достига­ла современной толщины в 35—40 км. Ее нижняя часть под влия­нием высоких давлений и температур испытывала значительные превращения, а на средних уровнях произошло выплавление боль­ших масс гранита.

Следующий важный момент в развитии Земли имел место при­мерно 2,5 млрд. лет назад. Возникший на предыдущем этапе супер­континент — первая Пангея — претерпел существенные изменения и 2,2 млрд. лет назад распался на отдельные, относительно небольшие континенты, разделенные бассейнами с новообразованной океанической корой. Отдельные следы этих этапов тектоники плит можно обнаружить и сейчас. Первый этап (до возникновения Пангеи) принято называть эмбриональной тектоникой плит, а второй — тектоникой малых плит. К концу второго периода, около 1,7 млрд. лет назад, континенты вновь слились в единый суперконтинент. Образовалась Пангея-II. Ее распад начался около 1 млрд. лет назад, хотя частичные разъединения и воссоединения могли иметь место и до этого.

В интервале 1—0,6 млрд. лет назад структурный план Земли претерпел радикальные изменения и существенно приблизился к современному. С этого момента началась полномасштабная текто­ника плит. Она связана с тем, что литосфера Земли разделена на ограниченное число крупных (5 тыс. км) и средних (1 тыс. км) по размерам поперечника жестких и монолитных плит, которые рас­положены на более пластичной и вязкой оболочке — астеносфере. Литосферные плиты стали двигаться по астеносфере в горизонталь­ном направлении, образуя раздвижения и подлезания, которые в среднем компенсируют друг друга в масштабах планеты. Таким об­разом, в истории Земли как планеты неоднократно происходил процесс формирования и распада Пангеи. Длительность таких цик­лов составляет 500—600 млн. лет. На эту крупномасштабную перио­дичность накладывается периодичность меньших масштабов, свя­занная с растяжением и сжатием земной коры.

В результате тектонической активности рельеф земной поверх­ности сегодня характеризуется глобальной асимметрией двух полу­шарий (Северного и Южного): одно из них представляет собой ги­гантское пространство, заполненное водой. Это океаны, занимаю­щие более 70% всей поверхности. В другом полушарии сосредото­чены поднятия коры, образующие континенты. Глобальная асим­метрия в строении поверхности нашей планеты была замечена давно, что позволило планетарный рельеф поделить на две основные области — океаническую и континентальную. Дно океанов и континенты от­личаются друг от друга строением земной коры, химическим и пет­рографическим составом, а также историей геологического разви­тия. Кора имеет повышенную мощность в области континентов и пониженную в областях океанического дна.

Средняя мощность континентальной коры — 35 км. Ее верхний слой богат гранитными породами, нижний — базальтовыми магма­ми. На дне океанов гранитный слой отсутствует, и земная кора со­стоит только из базальтового слоя. Ее мощность — 5—10 км. Кроме того, континентальная кора содержит больше радиоактивных эле­ментов, генерирующих тепло, чем тонкая океаническая кора.

Земная кора, образующая верхнюю часть литосферы, в основном состоит из восьми химических элементов: кислорода, кремния, алюминия, железа, кальция, магния, натрия и калия. Половина всей массы коры приходится на кислород, который содержится в ней в связанном состоянии, главным образом, в виде окислов металлов.

Земная кора сложена горными породами различного типа и раз­личного происхождения. Более 70% приходится на магматические породы, 20% — на метаморфические, 9% составляют осадочные породы.

Не следует забывать и о том, что поверхность Земли сложена из литосферных плит, число и положение которых менялось от эпохи к эпохе. Плита — это вся масса земной коры и подстилающей ман­тии, которые движутся как единое целое по поверхности Земли. Сегодня выделяют 8—9 больших плит и более 10 малых. Плиты медленно перемещаются горизонтально (глобальная тектоника плит). В районах рифтовых долин, где вещество мантии выносится наружу, плиты расходятся, а в местах, где горизонтальные смеще­ния соседних плит оказываются встречными, они надвигаются друг на друга. Вдоль границ литосферных плит расположены зоны по­вышенной тектонической активности. При движении плит смина­ются их края, образуя горные хребты или целые горные области. Океанические плиты, берущие свое начало в рифтовых разломах, наращивают толщину по мере приближения к континентам. Они уходят под островные дуги или континентальную плиту, увлекая за собой накопившиеся осадочные породы. Вещество погружающейся - плиты достигает в мантии глубин до 500—700 км, где оно начинает плавиться.

Возникновение атмосферы и гидросферы. Составные части атмо­сферы и гидросферы Земли являются летучими веществами, кото­рые появились в результате ее химической дифференциации. Со­гласно имеющимся данным, пары воды и газы атмосферы возникли в недрах Земли и поступили на ее поверхность в результате внут­реннего разогрева совместно с наиболее легкоплавкими веществами первичной мантии в процессе вулканической активности.

Вода и углекислый газ как компоненты газопылевого облака долго пребывали в виде молекул, когда большая часть твердых кон­денсатов уже сформировалась. Поэтому оставшиеся газы в какой-то мере поглощались пылевыми частицами путем адсорбции и различ­ных химических реакций. Так летучие вещества внедрились в пла­неты земного типа. Из недр Земли они поступают на поверхность в результате вулканической деятельности. Кроме того, как считают Альвен и Аррениус, уже в период бомбардировки Земли планетези-малиями, когда шел разогрев и плавление земных пород, выделя­лись газы и пары воды, содержавшиеся в породах. При этом Земля теряла водород и гелий, но сохраняла более тяжелые газы. Таким образом, именно дегазация земных недр стала источником атмосферы и гидросферы. По некоторым расчетам, от 65 до 80% общего количества летучих компонентов Земли выделилось в результате ударной дегазации.

Мировой океан возник из паров мантийного материала, и пер­вые порции конденсированной воды были кислыми. Затем появи­лись минерализованные воды, а собственно пресные воды образо­вались значительно позже в результате испарения с поверхности первичных океанов в процессе естественной дистилляции.

Проблема происхождения океана связана с проблемой проис­хождения не только воды, но и растворенных в ней веществ. Гид­росфера Земли, как и атмосфера, также появилась в результате де­газации недр планеты. Материал океана и вещество атмосферы воз­никли из общего источника.

Океаническая вода представляет собой уникальный природный раствор, содержащий в среднем 3,5% растворенных веществ, что и обеспечивает соленость воды. В воде земных океанов содержится множество химических элементов. Среди них важнейшую роль иг­рают натрий, магний, кальций, хлор, азот, фосфор, кремний. Эти элементы усваиваются живыми организмами, и их концентрация в морской воде контролируется ростом и размножением морских рас­тений и животных. Большую роль в составе морской воды играют растворенные в ней природные газы — азот, кислород, углекислый газ, которые тесно связаны с атмосферой и живым веществом суши и моря.

Как считается сегодня, первичная атмосфера Земли по своему составу была близка к составу вулканических и метеоритных газов. Скорее всего, она напоминала современную атмосферу Венеры. На поверхность Земли поступали вода, углекислый газ, окись углерода, метан, аммиак, сероводород и др. Они и составили первичную ат­мосферу Земли. В целом первичная атмосфера имела восстанови­тельный характер и была практически лишена свободного кислоро­да, хотя незначительные его доли образовывались в верхней части атмосферы в результате фотолиза воды.

Таким образом, состав первичной атмосферы Земли, возникшей в результате ударной дегазации и вулканической активности, весьма сильно отличался от состава современной атмосферы. Эти отличия связаны с наличием жизни на Земле, оказывающей самое сущест­венное воздействие на все процессы, протекающие на нашей плане­те. Таким образом, химическая эволюция атмосферы и гидросферы проходила с неизменным участием живых организмов, причем веду­щую роль при этом играли фотосинтезирующие зеленые растения.

Современная азотно-кислородная атмосфера — результат дея­тельности Жизни на Земле. То же можно сказать и о современном составе вод Мирового океана планеты. Поэтому сегодня на нашей планете жизнь и преобразованная им окружающая среда образуют самостоятельную оболочку Земли – биосферу.

Геосферы Земли

Формирование Земли сопровождалось дифференциацией веще­ства, результатом которой явилось разделение Земли на концентри­чески расположенные слои — геосферы. Геосферы различаются химическим составом, агрегатным состоянием и физическими свойствами. В центре образовалось ядро Земли, окруженное манти­ей. Из наиболее легких компонентов вещества, выделившихся из ман­тии, возникла расположенная над мантией земная кора. Это так на­зываемая «твердая» Земля, заключающая в себе почти всю массу планеты. Далее возникли водная и воздушная оболочки нашей пла­неты. Кроме того. Земля обладает гравитационным, магнитным и электрическими полями.

Таким образом, можно выделить ряд геосфер, из которых со­стоит Земля: ядро, мантия, литосфера, гидросфера, атмосфера, маг­нитосфера.

Кроме названных оболочек Земли, ниже мы будем рассматри­вать биосферу и ноосферу. Кроме того, в литературе можно встре­тить анализ и других оболочек — антропосферы, техносферы, социосферы, но их рассмотрение выходит за рамки естествознания.

Геосферы различаются, главным образом, плотностью состав­ляющих их веществ. Самые плотные вещества сосредоточены в центральных частях планеты. Ядро составляет 1/3 массы Земли, кора и мантия — 2/3.

Все земные оболочки взаимосвязаны и проникают друг в дру­га. Гидросфера всегда присутствует в литосфере и атмосфере, ат­мосфера — в литосфере и гидросфере и т.д. С атмосферой, гидро­сферой и литосферой тесно связаны внутренние оболочки Земли. Кроме того, во всех оболочках, кроме мантии и ядра, присутствует биосфера.

Ядро Земли

Ядро занимает центральную область нашей планеты. Это самая глубокая геосфера. Средний радиус ядра составляет около 3500 км, располагается оно глубже 2900 км. Ядро состоит из двух частей — большого внешнего и малого внутреннего ядер.

В нутреннее ядро Природа внутреннего ядра Земли начиная с глубины 5000 км остается загадкой. Это шар диаметром 2200 км, который, как полагают ученые, состоит из железа (80%) и никеля (20%). Соответствующий сплав при существующем давлении внутри земных недр имеет температуру плавления порядка 4500° С.

Внешнее ядро. Судя по геофизическим данным, внешнее ядро представляет собой жидкость — расплавленное железо с примесью никеля и серы. Это связано с тем, что давление в этом слое мень­ше. Внешнее ядро представляет собой шаровой слой толщиной 2900—5000 км. Чтобы внутреннее ядро оставалось твердым, а внеш­нее — жидким, температура в центре Земли не должна превышать 4500° С, но и не быть ниже 3200° С.

С жидким состоянием внешнего ядра связывают представления о природе земного магнетизма. Магнитное поле Земли изменчиво, из года в год меняется положение магнитных полюсов. Палеомагнитные исследования показали, что, например, на протяжении по­следних 80 млн. лет имело место не только изменение напряженно­сти поля, но и многократное систематические перемагничивание, в результате которого Северный и Южный магнитные полюса Земли менялись местами. В периоды смены полярности наступали момен­ты полного исчезновения магнитного поля. Следовательно, земной магнетизм не может создаваться постоянным магнитом за счет ста­ционарной намагниченности ядра или какой-либо его части. Пред­полагается, что магнитное поле создается процессом, названным эффектом динамо-машины с самовозбуждением. Роль ротора (под­вижного элемента), или динамо, может играть масса жидкого ядра, перемещающаяся при вращении Земли вокруг своей оси, а система возбуждения образуется токами, создающими замкнутые петли внутри сферы ядра.

Мантия

Мантия — наиболее мощная оболочка Земли, занимающая 2/3 ее массы и большую часть объема. Она также существует в виде двух шаровых слоев — нижней и верхней мантии. Толщина нижней части мантии — 2000 км, верхней — 900 км. Все слои мантии рас­положены между радиусами 3450 и 6350 км.

Данные о химическом составе мантии получены на основании анализов наиболее глубинных магматических горных пород, посту­пивших в верхние горизонты в результате мощных тектонических поднятий с выносом мантийного материала. Материал верхней мантии собран со дна разных участков океана. Плотность и хими­ческий состав мантии резко отличаются от соответствующих харак­теристик ядра. Мантию образуют различные силикаты (соединения на основе кремния), прежде всего, минерал оливин.

Благодаря высокому давлению вещество мантии, скорее всего, находится в кристаллическом состоянии. Температура мантии составляет около 2500°С. Именно высокие давления обусловили такое агрегатное состояние вещества, в ином случае указанные темпера­туры привели бы к его расплавлению.

В расплавленном состоянии находится астеносфера — нижняя часть верхней мантии. Это подстилающий верхнюю мантию и лито­сферу слой. Литосфера как бы «плавает» в нем. В целом же верхняя мантия обладает интересной особенностью — по отношению к крат­ковременным нагрузкам она ведет себя как жесткий, а по отноше­нию к длительным нагрузкам — как пластичный материал.

На не слишком вязкую и пластичную астеносферу опирается более подвижная и легкая литосфера. В целом литосфера, астено­сфера и остальные слои мантии могут рассматриваться в качестве трехслойной системы, каждая из частей которой подвижна относи­тельно других компонентов.

Литосфера

Литосферой называют земную кору с частью подстилающей ее мантии, которая образует слой толщиной порядка 100 км. Земная кора обладает высокой степенью жесткости, но вместе с тем и большой хрупкостью. В верхней части она слагается гранитами, в нижней — базальтами.

Резкая асимметрия строения поверхности нашей планеты была замечена давно. Поэтому планетарный рельеф делится на две основ­ные области — океаническую и континентальную. Средняя мощ­ность континентальной коры — 35 км. Ее верхний слой богат гра­нитными породами, а нижний — базальтовыми магмами. На дне океанов гранитный слой отсутствует, и земная кора состоит только из базальтового слоя. Мощность океанической коры составляет 5—10 км.

Первые порции вулканического материала имели состав базаль­тов или близкий к нему. Базальтовая магма, поднимаясь к поверх­ности, теряла газы, уходившие в атмосферу, и превращалась в ба­зальтовую лаву, которая растекалась по первичной поверхности планеты. При остывании она образовывала твердые покровы — первичную кору океанического типа. Однако процесс выплавления этих масс был асимметричным, и на одном полушарии планеты их сосредоточилось больше, чем на другом. В областях будущих кон­тинентов молодая земная кора была динамически неустойчивой и перемещалась вверх и вниз под влиянием внутренних причин, при­рода которых еще недостаточно хорошо изучена.

При общих колебательных движениях отдельные части первич­ной коры временами оказывались выше уровня океана и подверга­лись разрушению под воздействием химически активных газов пер­вичной атмосферы, воды, а также других физических агентов. Продукты разрушения сносились в пониженные участки суши и водо­емы, образуя осадочные породы с механической сортировкой час­тиц по величине и минералогическому составу. Еще более активно эти процессы пошли с появлением биосферы. Области поднятия суши — места будущих континентов — стали обрастать поясами, образованными толщами осадочных пород, возникших за счет раз­рушения более приподнятых участков суши. Эти пояса впоследст­вии подвергались складчатости и поднятиям, в них проявлялась вулканическая деятельность. Возникли древние горные цепи вокруг ядер материков, впоследствии также разрушенные геологическими агентами. Так формировалась континентальная часть земной коры.

Океаническая часть, вероятно, редко или совсем не выступала выше уровня Мирового океана, и в ней не происходили процессы дифференциации вещества, не шли отложения осадочных пород.

Геологические особенности земной коры определяются совме­стными действиями на нее атмосферы, гидросферы и биосферы — трех внешних оболочек планеты. Состав коры и внешних оболочек непрерывно обновляется. Благодаря выветриванию и сносу вещество континентальной поверхности полностью обновляется за 80—100 млн. лет. Убыль вещества континентов восполняется поднятиями их ко­ры. Если бы этих поднятий не было, то за несколько геологических периодов вся суша оказалась снесенной в океан, а наша планета покрылась сплошной водной оболочкой.

На поверхности литосферы в результате совокупной деятельно­сти ряда факторов возникает почва. Основоположник почвоведения русский ученый В.В. Докучаев назвал почвой наружные горизонты горных пород, естественно измененных совместным влиянием во­ды, воздуха и различного рода организмов, включая их остатки. Та­ким образом, почва — это сложнейшая система, стремящаяся к равновесному взаимодействию с окружающей средой.

Экологические функции литосферы

Современная экологическая геология развивается в основном с позиций биоцентризма, который предполагает всесторонний учет всех видов человеческого воздействия на геологическую среду и ее обратного влияния на биоту. При этом во внимание в первую очередь принимается не экономическая целесообразность того или иного инженерного сооружения и его значимость для человека, а то, каким образом это сооружение "вписано" в природную обстановку, как оно влияет на геологическую среду, экосистемы и биоту в целом. Изучением этого сложного взаимодействия общества и геологической компоненты окружающей среды и занимается экологическая геология. Во всем мире затраты на восстановление естественного равновесия

в литосфере очень высоки. Они отражают "плату человека" за вмешательство в природную среду. Причем стоимость этих расходов практически во всех странах из года в год увеличивается. В США ассигнования на природоохранные мероприятия в 1990 финансовом году составили 12,7 млрд. долларов. В России на эти цели выделяется ассигнований почти в 10 раз меньше.

Экологическая геология изучает верхние горизонты литосферы как абиотическую компоненту природных и антропогенно измененных экосистем высокого уровня организации. Ее объектом исследований являются биотопы экосистем, а предметом исследований - экологическая роль и экологические функции литосферы, основными среди которых являются ресурсная, геодинамическая и геохимическая. Все эти функции литосферы теснейшим образом связаны между собой.

Ресурсная функция верхних горизонтов литосферы заключается в ее потенциальной способности обеспечения потребностей биоты (экосистем) абиотическими ресурсами, в том числе и потребностей человека теми или иными полезными ископаемыми, необходимыми для существования и развития человеческой цивилизации. Причем с позиций биоцентризма потребности человека не должны вступать в противоречие с потребностями биоты в целом. Среди природных ресурсов на Земле по их значимости для развитых государств на первом месте стоят энергоресурсы. При современном уровне развития промышленности в мире технологическая энергетика создает и трансформирует огромное, если рассматривать планету в целом, количество энергии. Около 70% добываемых полезных ископаемых в мире составляют энергоресурсы. Следовательно, можно говорить о соизмеримости техногенного энергетического потенциала с энергетическим потенциалом Земли естественного происхождения, особенно на урбанизированных территориях.

Потребности в энергоресурсах развитых стран все более и более возрастают. На фоне нехватки собственных природных ресурсов они

стремятся захватить мировые рынки сбыта полезных ископаемых, прежде всего нефти, угля, металлических и полиметаллических руд и т.д., объявляя их зоной национальных экономических интересов. Малейшие "сбои" в этих зонах приводят к тяжелейшим, прежде всего энергетическим и экономическим, кризисам в этих странах. В конечном итоге такой путь развития губителен для людей: все большее число стран, переходя в стадию экономически высокоразвитых государств, с одной стороны, будет вынуждено вступать в конфликты из-за ресурсов, а с другой - все более интенсивно эксплуатировать ресурсы слаборазвитых стран. В настоящее время в мире отмечается ресурсная напряженность, которая обусловливает необходимость перехода человечества к системному ресурсному мышлению. Этот переход, видимо, совершится в ближайшие годы, поскольку человечество для этого имеет, по оценкам экспертов, всего 3-4 десятилетия. Выработка соответствующей теоретической базы, касающейся ресурсов литосферы, - важнейшая проблема экологической геологии.

Геодинамическая функция литосферы в экологическом аспекте проявляется в ходе различных геологических процессов (экзогенных -оползней, обвалов, селей, береговой абразии, подтопления и т.д. и эндогенных - землетрясений, вулканических извержений и т.д.), так или иначе влияющих на различные экосистемы, в том числе и человеческое общество. Эти процессы, как указывалось выше, делятся на природные геологические и процессы, вызванные человеком, техногенные - инженерно-геологические. Важно подчеркнуть, что последние могут по своей интенсивности, мощности и масштабам проявления существенно превосходить их природные аналоги, поэтому их прогнозу, оценке и инженерной защите территорий с развитыми на них экосистемами от негативного влияния инженерно-геологических процессов в экологической геологии уделяется первостепенное внимание.

Пока нерешенных проблем в этой области очень много и среди них одна из центральных - выявление предельно допустимых уровней техногенных воздействий на геологическую среду и ее отдельные компоненты - почвы, горные породы, подземные воды, рельеф территории и развитые на ней геологические процессы, изменение которых влияет на различные экосистемы. Основная задача заключается в том, чтобы научиться правильно прогнозировать экологические последствия тех или иных техногенных воздействий на литосферу, а следовательно, научиться предотвращать негативные экологические процессы и тем самым влиять на разразившийся глобальный экологический кризис. Немалую роль в решении этой проблемы должен сыграть экологический мониторинг геологической среды - система постоянных наблюдений, контроля, оценки, прогноза и управления состоянием геологической среды с целью обеспечения ее экологических функций.

Геохимическая функция литосферы в экологическом аспекте заключается в ее активном участии в процессах круговорота веществ в природе. Причем одинаково важен анализ обеих сторон круговорота - как вредных, так и полезных для экосистем веществ. Геохимическая транспортировка различных элементов в пределах литосферы и экосистем могут осуществляться различными путями. В связи с чем выделяют механическую, физико-химическую, биогенную и техногенную миграцию, которая является предметом исследований экологической геохимии. Техногенная миграция веществ, как и общие закономерности техногенеза, еще далеко не установлены, однако в этой области уже открыт целый ряд важнейших законов, позволяющих охарактеризовать геохимическую функцию литосферы.

Разработка методов управления состоянием и свойствами массивов горных пород верхних горизонтов литосферы с целью сохранения и обеспечения их экологических функций - практическое направление экологической геологии, которое интенсивно развивается в настоящее время. Задача управления успешно решается методами технической мелиорации горных пород, в арсенале которой имеются всевозможные способы целенаправленного

активного влияния человека на состав, строение, состояние и свойства горных пород и их массивов. Применение этих методов позволяет менять состояние и свойства массивов горных пород в нужном направлении, получать массивы с заданными свойствами, осуществлять реабилитацию (очистку) территорий, почв, горных пород от всевозможных техногенных загрязнений и т.д. Разработка этих актуальных проблем позволит существенно продвинуть вперед решение многих задач геоэкологии и экологии и вплотную подойти к реализации идеи В.И. Вернадского о ноосфере - высшей фазе эволюции биосферы на Земле.

Гидросфера

Водная оболочка Земли представлена на нашей планете Миро­вым океаном, пресными водами рек и озер, ледниковыми и под­земными водами. Общие запасы воды на Земле составляют 1,5 млрд. км³. Из этого количества 97% приходится на соленую морскую воду, 2% составляет замерзшая вода ледников и 1% — пресная вода.

Гидросфера — это сплошная оболочка Земли, так как моря и океаны переходят в подземные воды на суше, а между сушей и мо­рем идет постоянный круговорот воды, ежегодный объем которого оценивается в 100 тыс. км³. Большая часть воды, испаренной с по­верхности морей и океанов, выпадает в виде осадков над ними же,

около 10% — уносится на сушу, падает на нее, а затем или реками уносится в океан, или уходит под землю, или консервируется и ледниках. Круговорот воды в природе не является абсолютно замкнутым циклом. Сегодня доказано, что наша планета постоянно те­ряет часть воды и воздуха, которые уходят в мировое пространство. Поэтому с течением времени встанет проблема сохранения воды ну нашей планете. .

Вода — вещество, обладающее многими уникальными физиче­скими и химическими свойствами. В частности, вода имеет высо­кую теплоемкость, теплоту плавления и испарения и в силу этих ка­честв является важнейшим климатообразующим фактором на Земле Вода — хороший растворитель, поэтому в ней содержится множест­во химических элементов и соединений, необходимых для поддержания жизни. Не случайно именно Мировой океан стал колыбелью Жизни на нашей планете.

Мировой океан. Большую часть поверхности Земли занимает Мировой океан (71% поверхности планеты). Он окружает материки (Евразию, Африку, Северную и Южную Америку, Австралию и Ан­тарктиду) и острова. Океан делится материками на четыре части Тихий (50% площади Мирового океана), Атлантический (25), Индийский (21) и Северный Ледовитый (4%) океаны. Мировой океан часто называют «печкой планеты». В теплое время года вода согревается медленнее суши, поэтому она охлаждает воздух, зимой же, наоборот, теплая вода согревает холодный воздух.

В Мировом океане постоянно происходят поступательные движения масс воды — морские течения. Они образуются под влиянием господствующих ветров, приливных сил Луны и Солнца, а также из-за существования слоев воды разной плотности. Под влиянием вращения Земли все течения в Северном полушарии отклоняются вправо, а в Южном полушарии — влево. Огромную роль в морях и океанах играют приливы и отливы, вызывающие периодические ко­лебания уровня воды и смену приливных течений. В открытом океане высота прилива достигает одного метра, у берегов — до 18 метров. Самые высокие приливы наблюдаются у берегов Франции (14,7 м) и в Англии, в устье реки Северн (16,3 м), в России — в Мензенском заливе Белого моря (10 м) и в Пенжинской губе Охотского моря (11 м).

Огромны продовольственные, энергетические и минеральные запасы Мирового океана.

Реки. Важной частью гидросферы Земли являются реки — водные потоки, текущие в естественных руслах и питающиеся за счет поверхностного и подземного стока с их бассейнов. Реки с притоками образуют речную систему. Течение и расход воды в них зависят от уклона русла. Обычно выделяют горные реки с быстрым течением и узкими речными долинами и равнинные реки с медлен­ным течением и широкими речными долинами.

Реки являются важной частью круговорота воды в природе. Их суммарный годовой сток в Мировой океан составляет 38,8 тыс. км³. Реки — это источники питьевой и промышленной воды, источник гидроэнергии. В реках обитает большое количество растений, рыб и других пресноводных организмов. Самые большие реки на планете — Амазонка, Миссисипи, Енисей, Лена, Обь, Нил, Амур, Янцзы, Волга.

Озера и болота — также часть гидросферы Земли. Озера — это заполненные водой водоемы, вся поверхность которых открыта ат­мосфере и которые не имеют уклонов, создающих течения, а также не связаны с морем иначе, чем через реки и протоки. Понятие «озера» включает в себя большой круг водоемов, в том числе пруды (небольшие мелкие озера), водохранилища, а также болота и тряси­ны со стоячей водой. По происхождению озера могут быть ледни­ковыми, проточными, термокарстовыми, солеными. С геологиче­ской точки зрения озера имеют малую продолжительность жизни. Как правило, они постепенно исчезают из-за нарушения равнове­сия между притоком и стоком воды из озера. К числу крупнейших озер относятся: Каспийское и Аральское моря, Байкал, озера Верхнее, Гурон и Мичиган в США и Канаде, Виктория, Ньянза и Танганьика в Африке.

Подземные воды — еще одна часть гидросферы. Подземными являются все воды, находящиеся под земной поверхностью. Суще­ствуют подземные реки, свободно текущие по подземным каналам — трещинам и пещерам. Есть также фильтрующиеся воды, просачи­вающиеся через рыхлые породы (песок, гравий, гальку). Самый ближний к поверхности земли горизонт подземных вод называют грунтовыми водами.

Вода, попавшая в грунт, доходит до водоупорного слоя, накап­ливается на нем и пропитывает вышележащие породы. Так образу­ются водоносные горизонты, могущие служить источниками воды. Иногда водоупорный слой может создавать вечная мерзлота.

Ледники, образующую ледяную оболочку Земли (криосферу), также являются частью гидросферы нашей планеты. Они занимают площадь, равную 16 млн. км², что примерно составляет 1/10 часть поверхности планеты. Именно в них содержатся основные запасы пресной воды (3/4). Если бы льды, находящиеся в ледниках, вдруг растаяли, уровень Мирового океана повысился бы на 50 метров.

Ледяные массивы образуются там, где возможно не только на­копление снега, выпавшего за зиму, но и сохранение его в течение лета. Со временем такой снег уплотняется до состояния льда и мо­жет закрыть собой всю местность как ледниковый покров или ле­дяная шапка. Места, где может происходить накопление многолетнего льда, определяются географической широтой и высотой над уровнем моря. В полярных районах граница многолетнего льда лежит на уровне моря, в Норвегии — на высоте 1,2—1,5 км над уровнем моря, в Альпах — на высоте 2,7 км, а в Африке — на высоте 4,9 км. Гляциологи различают материковые покровы, или щиты, и гор­ные ледники. Самые мощные материковые ледниковые покровы расположены в Антарктиде и Гренландии. В некоторых местах толщина льда достигает 3,2 км. Постепенно сползающие к океану толщи льда рождают ледяные горы — айсберги. Горные ледники — это ледяные реки, спускающиеся по склонам гор, хотя их движение идет очень медленно — со скоростью от 3 до 300 м в год. При сво­ем движении ледники меняют картину ландшафта, увлекая за собой валуны, обдирая склоны гор и обламывая при этом значительные куски породы. Продукты разрушения уносятся ледником по склону и оседают по мере его таяния.

Вечная мерзлота. Частью криосферы Земли помимо ледников являются многолетнемерзлые фунты (вечная мерзлота). Толщина таких фунтов в среднем достигает 50—100 м, а в Антарктиде доходит до 4 км. Вечная мерзлота занимает огромные территории в Азии, Европе, Северной Америке и Антарктиде, ее общая площадь состав­ляет 35 млн. км². Вечная мерзлота возникает в местах, где среднего­довые температуры имеют отрицательные значения. В ней содер­жится до 2% общего объема льда на Земле.

Атмосфера

А тмосфера — это воздушная оболочка Земли, окружающая ее и вращающаяся вместе с ней. По химическому составу атмосфера представляет собой смесь газов, состоящую из 78% азота, 21% ки­слорода, а также инертных газов, водорода, углекислого газа, паров воды, на которые приходится около 1% объема. Кроме того, воздух содержит большое количество пыли и различных примесей, порож­даемых геохимическими и биологическими процессами на поверхности Земли.

Масса атмосферы довольно велика и составляет 5,15 • 10¹⁸ю Это значит, что каждый кубический метр окружающего нас воздуха весит около I кг. Вес воздуха, давящего на нас, называют атмосферным давлением. Среднее атмосферное давление на поверхности Земли равно 1 атм, или 760 мм ртутного столба. Это означает, что на каждый квадратный сантиметр нашего тела давит груз атмосферы массой в 1 кг. С высотой плотность и давление атмосферы быстро убывают.

В атмосфере есть районы с устойчивыми минимумами и максимумами температур и давлений. Так, в районе Исландии и Алеутских островов располагается такая область, являющаяся традиционным местом рождения циклонов, определяющих погоду в Евро-. А в Восточной Сибири область низкого давления летом сменяет­ся областью высокого давления зимой. Неоднородность атмосферы вызывает перемещение воздушных масс — так появляются ветры.

Атмосфера Земли имеет слоистое строение, причем слои отли­чаются по физическим и химическим свойствам. Важнейшими из них являются температура и давление, изменение которых лежит в основе выделения атмосферных слоев. Таким образом, в атмосфере Земли выделяют: тропосферу, стратосферу, ионосферу, мезосферу, термосферу и экзосферу.

Тропосфера — это нижний слой атмосферы, определяющий по­году на нашей планете. Его толщина — 10—18 км. С высотой пада­ет давление и температура, опускаясь до —55°С. В тропосфере со­держится основное количество водяных паров, образуются облака и формируются все виды осадков.

Следующий слой атмосферы — это стратосфера, простирающая­ся до 50 км в высоту. Нижняя часть стратосферы имеет постоянную температуру, в верхней части наблюдается повышение температуры из-за поглощения солнечного излучения озоном.

Ионосфера — эта часть атмосферы, которая начинается с высо­ты 50 км. Ионосфера состоит из ионов — электрически заряженных частиц воздуха. Ионизация воздуха происходит под действием Солнца. Ионосфера обладает повышенной электропроводностью и в силу этого отражает короткие радиоволны, позволяя осуществлять дальнюю связь.

С высоты в 80 км начинается мезосфера, роль которой состоит в поглощении озоном, водяным паром и углекислым газом ультра­фиолетовой радиации Солнца.

На высоте 90 — 200—400 км находится термосфера. В ней про­исходят основные процессы поглощения и преобразования солнеч­ного ультрафиолетового и рентгеновского излучений. На высоте более 250 км постоянно дуют ураганные ветры, причиной которых считают космические излучения.

Верхняя область атмосферы, простирающаяся от 450—800 км до 2000—3000 км, называется экзосферой. В ней содержится атомар­ный кислород, гелий и водород. Часть этих частиц постоянно ухо­дит в мировое пространство.

Результатом саморегулирующихся процессов в атмосфере Земли является климат нашей планеты. Это не то же самое, что погода, которая может меняться каждый день. Погода очень изменчива и зависит от колебаний тех взаимосвязанных процессов, в результате которых она формируется. Это — температура, ветры, давление, осадки. Погода в основном является результатом взаимодействия атмосферы с сушей и океаном.

Климат — это состояние погоды какого-либо региона за длительный промежуток времени. Он формируется в зависимости от географической широты, высоты над уровнем моря, воздушных по­токов. Меньше влияют рельеф и тип почвы. Выделяют ряд климатических зон мира, обладающих комплексом сходных характеристик, отно­сящихся к сезонным температурам, количеству осадков и силе ветра:

• зона влажного тропического климата — среднегодовые температуры больше 18°С, холодов не бывает, осадков выпадаем больше, чем испаряется воды;

• зона сухого климата — область малого количества осадков сухой климат может быть жарким, как в тропиках, или све­жим, как в континентальной Азии;

• зона теплого климата — средние температуры в самое холод­ное время здесь не опускаются ниже -3°С, и хотя бы один месяц имеет среднюю температуру больше 10°С. Хорошо вы­ражен переход от зимы к лету;

• зона холодного северного таежного климата — в холодное вре­мя средняя температура опускается ниже —З'С, но в теплое время она выше 10°С;

• зона полярного климата — даже в самые теплые месяцы сред­ние температуры здесь ниже 10°С, поэтому в этих районах прохладное лето и очень холодные зимы;

• зона горного климата — районы, отличающиеся по климатическим характеристикам от той климатической зоны, в которой они находятся. Появление таких зон связано с тем, что с вы­сотой падают средние температуры и сильно меняется количе­ство осадков.

Климат Земли имеет ярко выраженную цикличность. Самым из­вестным примером цикличности климата являются периодически случавшиеся на Земле оледенения. За два последних миллиона лет наша планета пережила от 15 до 22 ледниковых периодов. Об этом свидетельствуют исследования осадочных пород, накопившихся на дне океанов и озер, а также исследования образцов льда из глубин Антарктического и Гренландского ледниковых покровов. Так, в по­следний ледниковый период Канада и Скандинавия были покрыты гигантским ледником, а Северо-Шотландское нагорье, горы Север­ного Уэльса и Альпы имели огромные ледяные шапки.

Сейчас мы живем в период глобального потепления. С I860 г. средняя температура Земли поднялась на 0,5°С. В наши дни увели­чение средних температур идет еще более быстрыми темпами. Это грозит серьезнейшими изменениями климата на всей планете и другими последствиями, которые более подробно будут рассмотре­ны в главе, посвященной проблемам экологии.

Магнитосфера

Магнитосфера — самая внешняя и протяженная оболочка Зем­ли — представляет собой область околоземного пространства, фи­зические свойства которой определяются магнитным полем Земли и его взаимодействием с потоками заряженных частиц космическо­го происхождения. С дневной стороны она простирается на 8—24 земных радиусов, с ночной — доходит до нескольких сотен радиу­сов и образует магнитный хвост Земли. В магнитосфере находятся радиационные пояса.

Магнитное поле Земли образуется во внешней оболочке ядра благодаря циркуляции электрических токов. Поэтому Земля пред­ставляет собой огромный магнит с четко выраженными магнитны­ми полюсами. Северный магнитный полюс находится в Северной Америке на полуострове Ботия, Южный магнитный полюс — в Ан­тарктиде на станции Восток.

В настоящее время установлено, что магнитное поле Земли не является неизменным. Его полярность в истории существования Зем­ли менялась несколько раз. Так, 30 000 лет назад Северный магнит­ный полюс находился на Южном полюсе. Кроме того, периодиче­ски происходят возмущения магнитного поля Земли — магнитные бури, главной причиной возникновения которых является колеба­ние солнечной активности. Поэтому особенно часты магнитные бури в годы активного Солнца, когда на нем появляется много пя­тен, а на Земле возникают полярные сияния.