Какие физические свойства характерны для вещества географической оболочки

Происхождение Земли. Вопрос о происхождении нашей планеты непосредственно связан с космогоническими гипотезами, объясняющими образование Солнечной системы в целом. Распад протопланетного диска на отдельные компоненты с образованием большого числа твердых и довольно крупных (до нескольких сотен километров в диаметре) тел — планетезималей, их последующее скопление и соударение способствовали аккреции Земли как небесного формирования.

Новую гипотезу строения Земли предложил в середине 70-х годов XX в. В. Н. Ларин. Согласно его представлениям, при возникновении сфер первостепенное значение имела не гравитационная дифференциация, а магнитная сепарация вещества. Исходным материалом послужили не отдельные элементы, а их соединения в виде гидридов и карбидов металлов.

Главное географическое значение формы Земли состоит в том, что она обусловливает зональное распределение тепла на земной поверхности (убывание от экватора к полюсам), и, следовательно, зональность всех явлений, зависящих от теплового режима.

Модели строения Земли. Первая модель, которая разработана В.М.Гольдшмидтом в первой четверти XX в., основана на аналогии процессов дифференциации элементов при доменной плавке и в расплавленной Земле. В соответствии с этой моделью металл погружается к центру Земли, образуя ядро плотностью около 7 г/см3, а на поверхность всплывает наиболее легкий «шлак» — силикатное вещество, образующее магматические породы земной коры (плотность ниже 3 г/см3). Между ними располагается исходное вещество — мантия. Основным фактором дифференциации Гольдшмидт считал атомные объемы элементов. Элементы с минимальными атомными объемами, соединяясь с железом (сидеро-фильные элементы), образовали ядро. Элементы с максимальными атомными объемами и некоторые другие, обладающие сходством с кислородом (литофильные элементы), составили земную кору и верхнюю мантию — литосферу. Элементы, способные соединяться с серой (халькофильные элементы), образовали сульфидно-оксидную оболочку нижней мантии.

Через 10 лет после гипотезы В.М.Гольдшмидта академик А. Е. Ферсман предложил свою модель внутреннего строения Земли. Он выделил следующие геосферы: гранитно-базальтовую кору (до 70 км от поверхности), перидотитовую (оливиновую) оболочку (до глубины 1200 км), рудную оболочку (до глубины 2450 км) и ядро, состоящее из никелистого железа.

В модели Гутенберга—Буллена использована индексация геосфер, популярная и в настоящее время. Авторы выделяют: земную кору (слой А) — гранит, метаморфические породы, габбро; верхнюю мантию (слой В); переходную зону (слой С); нижнюю мантию (слой D), состоящую из кислорода, кремнезема, магния и железа. На глубине 2900 км проводят границу между мантией и ядром. Ниже находится внешнее ядро (слой Е), а с глубины 5120 м — внутреннее ядро (слой G), сложенное железом.

Гипотеза образования Земли и планет в быстро вращающейся протосолнечной небуле разработана японскими исследователями на основе представлений об аккумуляции твердых тел и частиц (силикатных и металлических). Согласно этой гипотезе, в течение всего периода формирования Земля оставалась окруженной протосолнечной небулой (туманностью).Генеральная схема солнечно-земных связей включает электромагнитное и корпускулярное излучения (рис. 3.7), которые обусловливают ряд процессов и явлений во всех геосферах (например, полярные сияния, магнитные бури и связанные с ними последствия). Активность Солнца различна, выделяют периоды, когда в результате происходящих на Солнце процессов наша планета получает дополнительное (по сравнению с излучением Солнца в спокойном состоянии) излучение, которое влияет на характер многих земных процессов.

Под солнечной активностью обычно понимают совокупность всех физических и энергетических изменений, происходящих на Солнце и вызывающих на нем видимые образования: пятна и факелы в фотосфере, флоккулы и вспышки в хромосфере, протуберанцы в короне.

Солнечная вспышка — взрывообразное высвобождение большого количества энергии, происходящее обычно вблизи больших групп солнечных пятен. Вспышка сопровождается резким возрастанием яркости излучения во всех диапазонах волн, а также выбросом плазменных частиц, которые воздействуют на межпланетную среду и планеты.

Солнечная активность — фактор, влияющий на многие процессы в географической оболочке. Первыми встречают солнечную радиацию верхние слои земной атмосферы. Нарушения в ионосфере, возникающие в периоды повышения солнечной активности, отражаются на характере атмосферных процессов в этом слое и вызывают соответствующие изменения в стратосфере и тропосфере, а также в других оболочках планеты.

Орбитальное движение. Вокруг Солнца Земля движется по эллиптической орбите, в одном из фокусов которой расположено Солнце. Скорость орбитального движения равна 29,765 км/с, период обращения — год (365,26 средних солнечных суток). Скорость движения Земли по орбите тем выше, чем меньше радиус — вектор (расстояние от Земли до Солнца).

Суточное вращение Земли происходит вокруг оси, которая в силу гироскопического эффекта стремится сохранить постоянное положение в пространстве. Вращение Земли осуществляется равномерно, однако скорость вращения испытывает флуктуации. Отрезок времени между последовательными прохождениями плоскости меридиана данной точки через центр Солнца называют солнечными сутками. Земля вращается против часовой стрелки, если смотреть с северного полюса (Солнце восходит на востоке и заходит на западе). Ось вращения, полюсы и экватор являются основой географической системы координат.

Географические следствия суточного вращения Земли:

смена дня и ночи — изменение в течение суток положения Солнца относительно плоскости горизонта данной точки;

деформация фигуры Земли — сплюснутость с полюсов (полярное сжатие), связанная с возрастанием центробежной силы от полюсов к экватору;

существование силы Кориолиса, действующей на движущиеся тела (чем больше угловая скорость вращения Земли, тем больше сила Кориолиса);

суперпозиция центробежной силы и силы тяготения, дающая силу тяжести. Центробежная сила растет от нуля на полюсах до максимального значения на экваторе. В соответствии с уменьшением центробежной силы от экватора к полюсу, сила тяжести увеличивается в том же направлении и достигает максимума на полюсе (где она равна силе тяготения).

Движение системы Земля—Луна. Луна создает приливное торможение суточного вращения нашей планеты, которое имеет большое географическое значение, если рассматривать длительные (в сотни миллионов лет) отрезки геологического времени.

Изменения скорости вращения Земли. Неравномерность суточного вращения Земли принято характеризовать безразмерной величиной — среднемесячным отклонением (δр):

где Т — длительность земных суток; П — длительность атомных суток, равная 86 400 с; ω = 2π/Т и Ω = 2π/П — угловые скорости, соответствующие земным и атомным суткам.

Общие особенности географической оболочки. Географическая оболочка — это материальная система, возникшая на земной поверхности в результате взаимодействия и взаимопроникновения насыщенных организмами литосферы, атмосферы и гидросферы. Природные тела географической оболочки (горные породы, вода, воздух, растительность, живое вещество) имеют различное агрегатное состояние (твердое, жидкое, газообразное) и разные уровни организации вещества (неживое, живое и биокосное — результат взаимодействия живой и неживой субстанций).

Географическая оболочка образована двумя принципиально разными типами материи: атомарно-молекулярным «неживым» веществом и атомарно-организменным «живым» веществом. Первое может участвовать только в физико-химических процессах, в результате которых могут появляться новые вещества, но из тех же химических элементов. Второе обладает способностью воспроизводить себе подобных, но различного состава и облика.

Большинство исследователей вслед за С. В. Калесником называет взаимосвязанное и взаимообусловленное вещественное тело, повсеместно обрамляющее планету Земля, географической оболочкой. Существуют и другие названия — наружная земная оболочка (П. И. Броунов), эпигеосфера (А. Г. Исаченко), эпигенема (Р. И. Аболин), физико-географическая оболочка (А. А. Григорьев), биогеносфера (И. М. Забелин), ландшафтная сфера (Ю. К. Ефремов, Ф. Н. Мильков), но они не получили широкого применения.

Составные части географической оболочки. Географическая оболочка, или глобальная геосфера, состоит из неразрывного комплекса частных геосфер, занятых преимущественно одним компонентом определенного состояния и совместно функционирующих в присутствии биоты. Литосфера, атмосфера и гидросфера образуют практически непрерывные оболочки. Биосфера как совокупность живых организмов в определенной среде обитания не занимает самостоятельного пространства, а осваивает вышеназванные сферы полностью (гидросферу) или частично (атмосферу и литосферу). В землеведении понятие «географическая оболочка» включает в себя все живые организмы (каждая частная сфера имеет свою биоту, которая является ее неразрывным компонентом), поэтому самостоятельное выделение биосферы вряд ли необходимо. В биологии, напротив, выделение биосферы правомерно. Специфическое положение занимают криосфера (сфера холода) и педосфера (почвенный покров).

Для географической оболочки характерно выделение зонально-провинциальных обособлений, которые называют ландшафтами, или геосистемами. Эти комплексы возникают при определенном взаимодействии и интеграции геокомпонентов.

Химические элементы в географической оболочке находятся в свободном состоянии (в воздухе), в виде ионов (в воде) и сложных соединений (живые организмы, минералы и др.).

1. Географической оболочка отличается очень большой сложностью состава и разнообразным состоянием вещества;
2. В географической оболочке сосредоточена жизнь и существует человеческое общество;
3. Все физико-географические процессы в этой оболочке протекают за счет солнечной и внутренней энергии Земли;
4. Все виды энергии поступают вгеографическую оболочку, трансформируются в ней и частично консервируются.

Основными свойствами географической оболочки являются: ритмичность природных явлений, круговорот веществ и энергии, целостность и единство, саморегулирование.

Ритмичность – это повторяемость природных явлений во времени; но не буквальное их повторение, т.к. каждое последующее явление отличается от предыдущего. Существуют ритмы: изменения солнечной активности (2-3, 5-6, 11, 22-23 гг.); положения Земли по отношению к Солнцу (365 суток – годовое движение Земли вокруг Солнца, ритмичность продолжительностью 1800-1900 лет. Она возникает за счет действия приливообразующих сил, то есть при совпадении положения Солнца, Земли и Луны в одной плоскости и на одной прямой. При этом могут быть два положения. Если Луна помещается между Солнцем и Землей, то происходит наибольшее нарушение равенства океанских масс и вынос на поверхность глубинных вод, что отражается на климате. Через 900-950 лет Солнце, Земля и Луна снова находятся в одной плоскости и на одной прямой, но Земля оказывается между Солнцем и Луной. Как установлено, в первом случае на Земле отмечается влажный период, а во втором – сухой. Ритмы увлажнения Земли выявлены русским ученым Шнитниковым. 40000 лет – изменение наклона земной оси, 92000 лет – колебания эксцентриситета земной орбиты); положения Солнечной системы в Галактике (190-200 млн. лет – ее оборот вокруг ядра Галактики).

Неравномерное распределение энергии в географической оболочке вызывает движения вещества и образование круговоротов в атмосфере, гидросфере, литосфере и биосфере. Возникают движения воздушных и водных масс, а также неорганического и органического вещества, образующие атмосферную циркуляцию и круговорот воды, перенос минерального вещества, литосферные и биосферные круговороты. Круговая форма переносов обеспечивает непрерывность движения в условиях ограниченного количества вещества. Все круговороты не замкнуты, то есть часть вещества и энергии может при движении изыматься из круговорота, а иногда в круговорот включаются новые вещества и энергия. Пример: изъятие значительных объемов воды из географической оболочки в четвертичное время при образовании ледников и поступление ее в географическую оболочку – при их таянии.

Целостность географической оболочки проявляется в том, что изменение одного компонента природного комплекса вызывает изменение других, или всей системы, как целого. Пример: повсеместное распахивание земель и вырубка лесов в Центрально-Черноземных областях привели не только к ухудшению состояния почвенного покрова, но и гидролого-гидрогеологических условий, сокращению количества атмосферных осадков, изменению фитоценоза и зооценоза. Так антропогенное воздействие на один компонент природной системы (почвы) вызвал изменение состояния всей системы.

Единство географической оболочки проявляется в том, что изменения, произошедшие в одном месте, отражаются на всей оболочке, а иногда, на какой-либо ее части – в другом. Пример: выпадение кислотных дождей в Центрально-Черноземных областях, подкисляющих почвы, вызвано, в основном, переносом сернистых и азотных соединений западными ветрами из Западной Европы, где они выбрасываются в воздух промышленными предприятиями. Как видно, антропогенное воздействие на атмосферу в одном месте географической оболочки сказывается на почвенном покрове – в другом.

ГО обладает способностью саморегулирования, позволяющей поддерживать на определенных уровнях многие параметры. Пример 1. Постоянство солевого состава вод Океана, несмотря на неравномерное распределение осадков и неодинаковое испарение в разных его частях, а также на ежегодное поступление в Океан 37,5 тыс. км3 пресных вод, приносимых реками. Пример 2. Поддержание температуре воздуха на определенном уровне в результате процессов, возникающих в системе взаимодействия: солнечная радиация – температура земной поверхности – испарение – облачность.

Еще статьи о географической оболочке