Земля – третья от Солнца и самая крупная из планета земной группы. Вместе со своим спутником Луной она образует систему – двойную планету. Земля имеет шарообразную форму со средним радиусом 6371,032 км. В зависимости от цели исследований используют различные модели, считая их последовательными приближениями к истинной форе Земли: сфера, эллипсоид вращения, трехосный эллипсоид или геоид.
Существует несколько моделей строения Земли. Наиболее популярная модель Гутенберга – Буллена, построенная с использованием индексации геосфер. 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. Ниже на глубине 2900 км проводят границу между мантией и ядром. Ниже находится внешнее ядро (слой У), а с глубины 5120 м – внутреннее ядро (слой G), сложенное железом.
Земля совершает множество движений одновременно, оказывающих существенное влияние на географические оболочки: орбитальное и суточное вращение, движение системы Земля – Луна, изменение скорости вращения земли, колебания оси вращения.
Географическая оболочка – это материальная система, возникшая на земной поверхности в результате взаимодействия и взаимопроникновения насыщенных организмами литосферы, атмосферы и гидросферы. Географическая оболочка образована двумя принципиально разными типами материи атомно-молекулярным «неживым» веществом и атомно-молекулярным «живым» веществом.
Географическая оболочка, или глобальная геосфера состоит из неразрывного комплекса частных геосфер, из которых в настоящем пособии рассмотрим только основные: атмосферу, гидросферу, литосферу, криосферу и баросферу.
Первые четыре оболочки называют внешними оболочками Земли, последнюю – внутренней земной оболочкой. В основе выделения этих оболочек лежат либо строго определенные параметры, либо ясные научные идеи.
Земные оболочки взаимосвязаны и проникают друг в друга. Гидросфера практически всегда присутствует в литосфере и в атмосфере, атмосфера – в литосфере и гидросфере и т.п. С атмосферой, гидросферой и литосферой тесно переплетена криосфера. Во всех этих оболочках присутствует биосфера. В литосфере бактерии встречаются до глубины 4÷5 км от поверхности Земли, в гидросфере – до максимальных глубин Мирового океана, в атмосфере – до основного озонного слоя (от 25 до 36 км) от поверхности Земли.
Баросфера. Представления о строении Земли сформированы на основании математического моделирования и внешних проявлений внутренней земной структуры. Внутри Земли находятся ядро, мантия и земная кора. Все эти элементы Земли имеют сложную структуру, состоят из концентрических слоев. Внутреннее ядро Земли представляет собой шар диаметром 2500 км. Несмотря на температуру 4000°С, вещество в этом шаре находится в состоянии, которое можно назвать твердым вследствие огромного давления. Внешняя часть ядра – это шаровой слой толщиной 2200 км. Поскольку давление здесь меньше, то основные составные элементы шарового слоя – железо и никель – находятся в расплавленном состоянии. Мантия также существует в виде двух шаровых слоев: 1000 км и 1800÷1900 км. Если вести отсчет от центра Земного шара, то все слои мантии расположены между радиусами 3450 и 6350 км. Температура здесь достигает 3000°С. Над мантией находится земная кора, или литосфера, толщиной в несколько десятков километров. Иногда самый верхний слой мантии, расположенный непосредственно под земной корой, рассматривают как особую оболочку – астеносферу.
Атмосфера. Атмосфера Земли состоит из воздуха – смеси газов (азот – 78,08 %, кислород – 20,95 %, инертные газы и водород – 0,94 %, углекислый газ - 0,03 %, в небольших количествах О3, СО, NН3, СН4, SO2 и др.). Воздух в атмосфере загрязнен: даже над открытым морем в 1 см3 содержится более 1000 пылинок. В атмосферу с земной поверхности непрерывным потоком поступают всевозможные примеси, порождаемые геохимическими и биологическими процессами, а также человеческой деятельностью. Прежде чем вернуться на Землю, в почву или воды, эти вещества вместе с потоками воздуха странствуют в атмосфере, участвуя в микрохимических и микрофизических процессах.
Основными процессами в атмосфере являются солнечная радиация и конвективный теплообмен. Исследования атмосферы сводятся к выявлению в ней изотерм и изобар, а также аналогичных линий, характеризующих распределения влагосодержания. В атмосфере имеются свои узловые регионы с устойчивыми минимумами и максимумами температуры и давления, например исландский и алеутский минимумы давления. Именно в районе исландского минимума обычно зарождаются циклоны, проходящие через всю Европу с запада на восток. Кроме того, существуют области, в которых слабое давление летом сменяется повышенным давлением зимой. Примером может служить внутренняя часть Азии (в частности, Восточная Сибирь).
В рамках общей циркуляции атмосферы воздушные массы перемещаются от экватора к полюсам. В узкой экваториальной (наиболее нагреваемой) зоне практически во все времена года господствует малое барометрическое давление. Вследствие этого появляются восходящие токи воздуха, а в самой экваториальной зоне (зоне затишья) господствуют штили и слабые переменные ветры. Восходящие токи воздуха охлаждаются, конденсируют влагу и дают осадки преимущественно ливневого характера. Затем поднимающиеся массы воздуха растекаются к северу и к югу от экватора. В процессе этого перемещения воздух несколько раз опускается и поднимается. Например, 30° северной широты и 30° южной широты соответствуют поясам высокого давления, где воздух опускается вниз.
Важную роль в тепловом балансе Земли играет Антарктида. Именно здесь Земля через атмосферу радиационным путем теряет основное количество тепла, полученного от Солнца, – оно уходит в космическое пространство.
Климат и погода. Климат определяется двумя основными факторами: температурой и влажностью. Менее важные факторы – рельеф и тип почвы. Однако сам по себе климат как общепланетарное явление является результатом саморегулирующихся процессов в атмосфере. Последняя представляет собой сложную систему (с почти постоянным поступлением энергии извне), находящуюся в состоянии, близком к неустойчивому равновесию, с балансом энергии, зависящим от соотношения площадей его подсистем. Количественная теория климата еще не создана. Для ее создания необходимо изучить гидрометеорологические процессы в масштабах всей планеты как единое взаимосвязанное целое.
Погода отличается изменчивостью и теснейшей взаимосвязанностью процессов, обусловливающих ее. Температура влияет на давление, давление – на ветры, ветры – на осадки, осадки и давление, в свою очередь, – на температуру и т.д. «Кухней» погоды (и климата) является, прежде всего, взаимодействие прилегающих слоев атмосферы и океана, которое ввиду сложности протекающих при этом процессов изучено еще совершенно недостаточно. Взаимодействие атмосферы с сушей исследовано гораздо лучше. Здесь можно выделить планетарный пограничный слой атмосферы, средняя толщина которого равна приблизительно 1 км. Над сушей основная часть кинетической энергии турбулентных движений атмосферы переходит в тепло именно в пределах этого слоя. Имеется много экспериментальных данных и математических моделей, описывающих это явление.
Климат имеет ярко выраженную цикличность, в которой могут быть выделены «космические зимы», макроритмы, мезоритмы и микроритмы. К «космическим зимам» относят ритмы инсоляции Земли с периодом 180÷200 млн. лет (связано с обращением Солнечной системы вокруг центра Галактики), из макроритмов теплового режима Земли наиболее четкий макроритм имеет период 40 тыс. лет. По этому же признаку из мезоритмов может быть выделен период в 1850 лет, а из микроритмов – с периодом 11 лет (период солнечной активности). Климатические ритмы могут быть описаны гармоническими колебаниями: амплитуда гармоник температуры в последних уменьшается вместе с уменьшением их периода. Гармоника с периодом 40 тыс. лет имеет амплитуду 6÷9°С, а гармоника с периодом 10 тыс. лет - 4÷6°С. Амплитуду трехтысячелетней гармоники можно оценить в 1÷3°С.
Гидросфера. Общие запасы воды на Земном шаре составляют 1,5 млрд км3. Соленая морская вода составляет 97% этого объема, замерзшая вода ледников – 2% и пресная вода (реки, озера, пруды, родники, подземные пресные воды) – 1%. Ледники также содержат в себе пресную воду, но твердое состояние этой воды существенно ограничивает ее участие в земном круговороте, а также использование ее для нужд цивилизации. Гидросфера представляет собой сплошную водную оболочку: моря и океаны переходят на суше в подземные воды, и все они теснейшим образом взаимосвязаны. В ежегодном круговороте воды между сушей и океаном участвует приблизительно 100 000 км3 воды. В течение многих веков считалось, что цикл воды представляет собой замкнутый круговорот. В настоящее время вполне доказано, что непрерывно происходит утечка воды и воздуха в мировое пространство, поэтому возникает потребность в разработке методов сохранения воды на Земле.
Мировой океан занимает приблизительно 71% общей поверхности планеты. Средняя глубина вод океана составляет 3,8 км, общий объем воды – приблизительно 1 млрд 340 млн км3.
Огромную роль в океанах и морях играют приливы и отливы. На значительной части их побережья дважды в сутки происходят подъем и опускание уровня моря. Амплитуда прилива меняется в течение месяца. У берегов Великобритании, Аляски вполне обычны приливы высотой 10÷12 м. Среди приливов следует выделить сизигийные и квадратурные. Первые — самые большие, Солнце и Луна в этом случае стоят друг за другом по одной прямой и гравитационное воздействие их суммируется. Во втором случае линии, которые могут быть проведены между Солнцем и Землей, Землей и Луной, образуют прямой угол так, что гравитационные воздействия Солнца и Луны противостоят друг другу.
Подземными водами называют все воды, находящиеся под земной поверхностью. Если вода свободно течет по подземному каналу, в толще твердых пород (трещина, пещера), то имеет место подземный водоток, скорость которого может измеряться метрами в секунду. Воды, просачивающиеся через рыхлые породы (песок, гравий, галька), называются фильтрующимися. В последнем случае воде приходится преодолевать силы трения у каждого зерна рыхлой породы, а скорость водотока будет измеряться метрами в сутки. Самый ближний к поверхности земли горизонт подземных вод носит название грунтовых вод.
Озера, болота обладают огромным многообразием. По генезису озера могут быть ледниковыми, проточными, термокарстовыми, солеными. Бывают озера, промерзающие до дна и частично. Есть озера, в которых солнечные лучи достигают дна (глубиной 4,5 м и менее). Их часто называет прудами, и в них имеется растительность по всей поверхности дна. В целом растительная и животная жизнь озер очень разнообразна. Однако первопричиной происхождения большинства озер является таяние ледников. Болотами называются участки земной поверхности, избыточно увлажненные пресной или соленой водой.
Ледники занимают на Земном шаре площадь, приблизительно равную 16 млн км2. Если бы весь этот лед растаял, то уровень Мирового океана повысился бы на 50 м. Среди современных ледников гляциологи различают два типа – материковые покровы, или щиты, и горные ледники. Наиболее крупные современные материковые ледниковые покровы расположены в Антарктиде и Гренландии. В некоторых их районах толщина льда превышает 3200 м.
В реках течение и расход воды определяются наклоном русла, который, в свою очередь, определяется отношением разности высот двух пунктов к длине участка, расположенного между этими пунктами. Уклон русла многих равнинных рек ничтожно мал. Так, например, уклон Волги от Волгограда до Астрахани составляет 0,00002, а Днепра – от Каховки до Херсона – 0,00001. Это означает понижение уровня реки на 2 и 1 см соответственно на 1 км длины. Даже из этих цифр видно, что строительство гидроэлектростанций на Днепре и Волге должно было поставить их течение на грань состояния стоячей воды, что и имеет место на некоторых участках этих рек.
Литосфера. Литосферой (от греч. lithos – камень) называется верхняя оболочка Земли выше астеносферы. Она включает земную кору и верхнюю часть мантии, содержащую менее плотные вещества, чем нижняя ее часть. Толщина литосферы равняется 30÷70 км. Существует точка зрения, согласно которой общая толщина литосферы составляет 50÷200 км. В верхней своей части она слагается гранитами, в нижней – базальтовыми породами.
Важнейшей особенностью литосферы является концепция ли-тосферных плит. Литосферные плиты – это крупнейшие (несколько тысяч километров в поперечнике) жесткие блоки литосферы. На Земном шаре выделяются 8÷9 больших плит и более 10 плит помельче. Литосферные плиты находятся в постоянном медленном движении по слою астеносферы (гипотеза о перемещении литосферных плит). Границы литосферных плит соответствуют зонам нестабильности на земной поверхности. Так, например, тихоокеанская плита отмечена огненным кольцом вулканов, где находится половина всех вулканов, расположенных на Земном шаре.
Криосфера, почва, геомагнетизм. Криосфера (от греч. kryos – мороз, холод, лед) – оболочка Земли, характеризуемая отрицательной (нулевой) температурой, при которой вода, содержащаяся в этой оболочке в парообразном, свободном или связанном с другими компонентами (физическом или химическом) видах, может существовать в твердой фазе (снег, лед, иней и т.д.). Криосфера включает также твердые толщи горных пород и относительно сухие воздушные массы с отрицательной температурой, в которых естественными или искусственными путями могут создаваться условия для конденсации воды. В космосе оболочки, подобные криосфере, имеют огромное распространение.
Криосферу изучают самые разные науки (геокриология, гляциология и др.). Геокриология (мерзлотоведение) является ярким примером ориентации современных наук на проблемы. В этой науке проблему составляют многолетнемерзлые грунты, которые исследуются с самых разных сторон методами физики, химии, географии, климатологии и смежных с ними наук. Геокриология тесно взаимодействует со строительными науками, горным делом.
Проблема заключается в том, что огромные площади Азии, Европы, Северной Америки, Антарктиды содержат в себе многолетнемерзлые грунты (мерзлоту). Толщина этих грунтов достигает 500÷1000 м. Многолетнемерзлые грунты покрывают приблизительно половину территорий России и Канады, а также значительные части территорий Монголии, Китая, Норвегии, Швеции, Гренландии, США (Аляски), Тибета. В Антарктиде толщина «вечной мерзлоты» достигает 4 км. Имеются гипотезы, что другие планеты Солнечной системы также содержат мерзлоту. Предполагается, что ею сплошь покрыт Марс. Хотя следует заметить, что эти вопросы до конца не исследованы.
Наличие многолетнемерзлых грунтов есть следствие того, что среднегодовые температуры в регионах их залегания имеют отрицательные значения. Например, в Якутске среднегодовая температура равняется –8°С и, как следствие ее поддержания на этом уровне в течение многих веков, толщина многолетнемерзлых грунтов под городом весьма значительна (равняется 300 м). Считается, что возраст многолетнемерзлых грунтов составляет 1,8÷2,4 млн лет.
В почвоведении центральное понятие «почва» отражает состояние системы, стремящейся к равновесному взаимодействию с окружающей средой. Определяя это понятие, В. В. Докучаев сделал акцент на результате совокупной деятельности ряда факторов, объединив их в пять групп: климат местности, материнские горные породы, растительные и животные организмы, рельеф и возраст. Здесь можно говорить о попытке представить основные понятия в виде результата уравновешивания различных факторов, которые не являются энергетическими взаимодействиями рассматриваемой природной системы с окружающей средой, но могут быть связаны с подобными взаимодействиями.
Почвой (по Докучаеву) являются «дневные», или наружные, горизонты горных пород (все равно каких), естественно измененные совместным влиянием воды, воздуха и различного рода организмов, включая их остатки. Количество микроорганизмов в 1г некоторых почв исчисляется миллиардами. Почва отражает (записывает) пространственно-временную структуру ландшафта. Информация записывается избирательно в сложном комплексе почвенных свойств и частных почвенных профилей.
Поможем написать любую работу на аналогичную тему