В строении нашей планеты отчётливо проявлены элементы вертикальной расслоенности. В её разрезе можно выделить крупные вещественные оболочки, характеризующиеся различными свойствами – геосферы. Среди них выделяются внешние геосферы (атмосфера, гидросфера) и внутренние (земная кора, мантия, внешнее и внутреннее ядро).
Глубинные геосферы:
1. Земная кора – внешняя из твёрдых оболочек. Распространена до глубин от 5-10 км на одних участках и до 50-70 км – на других. За её нижнюю границу принят рубеж, определяемый резким увеличением скоростей сейсмических волн, соответствующий увеличению плотности вещества. Он получил название поверхности Мохоровичича, по имени хорватского геофизика, установившего этот рубеж в начале ХХ века. Средняя плотность вещества земной коры – 3,22 г/см3. Температура в её пределах постепенно возрастает с глубиной, со средним градиентом 20ºС/км. Давление с глубиной также постепенно увеличивается – от 0 до 2,2 млрд. Па под океанами, и до 9,7 млрд. Па – под континентами. В результате рост температуры, который при обычном атмосферном давлении привёл бы к расплавлению вещества, компенсируется увеличением давления. Поэтому почти весь объём земной коры находится в твёрдом состоянии, но в глубинных частях встречаются и отдельные очаги расплава.
2. Мантия расположена ниже земной коры, до глубины 2900 км. Плотность вещества в пределах мантии изменяется от 3,64 г/см3 в верхней её части 9,7 г/см3 – в нижней, у границы с земным ядром. Температура в сравнении с земной корой существенно увеличивается. Уже в верхней части мантии, на глубинах более 100 км (где сосредоточена большая часть очагов расплава), она оценивается величинами порядка 1100ºС. У нижней границы мантии температура достигает примерно 4000ºС. Давление при этом возрастает до величин порядка 1300 млрд. Па. Вещество мантии в целом твёрдое (хотя очаги расплава встречаются и здесь, причём их больше, чем в земной коре). Но в условиях существующих здесь высоких температур и давлений даже твёрдое кристаллическое вещество способно к медленному пластическому течению со скоростями порядка нескольких сантиметров в год. Именно благодаря такой способности внутри мантии и возможен отмечавшийся нами выше конвекционный перенос вещества и тепловой энергии из глубинных частей к поверхности.
Мантия подразделяется на верхнюю (до глубины около 1000 км) и нижнюю (от 1000 до 2900 км). В пределах верхней мантии на глубинах от 45-140 км до 300-400 км выделяется зона, сложенная веществом наиболее пластичным, находящимся в частично расплавленном состоянии – астеносфера. Самая верхняя часть мантии вместе с земной корой образуют, в противоположность пластичной астеносфере, жесткую оболочку – литосферу. Таким образом, понятия «литосфера» и «земная кора) в геологическом смысле – не одно и то же, хотя в географических науках эти термины обычно рассматриваются как синонимы (в географии, не рассматривающей глубинные процессы, различия между данными понятиями, действительно можно считать в принципе несущественными).
Часть верхней мантии, залегающей ниже подошвы астеносферы (слой Голицына), иногда выделяют под названием «средняя мантия». На границе между мантией и ядром, на глубинах 2700-2900 км, выделяется переходная зона. Относительно размеров как мантии, так и ядра, она сравнительно узкая. Но при этом её мощность превосходит мощность всей литосферы Земли! Этот слой, вероятно, играет большую роль в развитии нашей планеты. Видимо, именно в его пределах протекают какие-то процессы взаимодействия между веществом мантии и веществом земного ядра. Многие специалисты полагают, что именно они являются источником внутренней энергии нашей планеты.
3. Внешнее ядро распространяется до глубин около 5000 км (здесь также выделяется переходная зона, в интервале 4980-5120 км). Плотность в пределах внешнего ядра изменяется вниз по разрезу от 11,5 до 15 г/см3. Температура в пределах внешнего ядра возрастает приблизительно с 4000 до 5000ºС. Давление – от 1300 до 3300 млрд. Па. Помимо повышенной плотности, вещество внешнего ядра имеет ещё одно очень важное отличие от вещества мантии: оно не пропускает поперечные волны. И, следовательно, имеет свойства жидкости. Именно во внешнем ядре, согласно модели «динамо», функционируют вихревые токи, ответственные за наличие у Земли магнитного поля.
4. Внутреннее ядро, в отличие от внешнего – снова твёрдое. Эта оболочка выделяется на глубинах от 5120 км до центра Земли (расстояние от поверхности около 6370 км). Плотность вещества внутреннего ядра изменяется в пределах 17,3-17,9 г/см3. Температура в самом центре Земли может достигать, по современным оценкам, 6000ºС, давление более 3600 млрд. Па.
Вещественный состав глубинных геосфер.
При реконструкциях вещественного состава наиболее убедительно обоснованы модели, согласно которым земная кора и мантия имеют преимущественно силикатный состав, т.е. ведущая роль в нём принадлежит минеральным соединениям на основе кремния и кислорода. Вещественные различия между земной корой и мантией в наибольшей мере проявлены в изменении относительной роли второстепенных химических компонентов. В составе земной коры третье место по значимости занимает алюминий, а в мантии – магний. Химический состав земного ядра существенно отличен от корово-мантийного: в нём ведущую роль играет железо. Частью, вероятно, в металлическом виде, частью – в соединениях с другими элементами (по мнению одних авторов – в виде сернистых соединений, по мнению других – кислородных). Такое разделение вполне соответствует тенденции внутрипланетной дифференциации вещества, основанной на изучении метеоритов (среди которых также имеются каменные, то есть силикатные, и железные).
Таким образом, можно сделать вывод, что природа расслоенности внутренних частей нашей планеты на оболочки, различна. В одних случаях оболочки различаются между собой по химическому составу, в других – по агрегатному состоянию вещества. Ведущая причина дифференциации по химическому составу – сила тяжести. В ядре Земли преимущественно сконцентрированы более тяжёлые химические элементы (в первую очередь железо), в окружающих его оболочках – более лёгкие (кислород и кремний). Астеносфера внутри мантии, а также внешнее ядро от внутреннего обособляются из-за различий в агрегатном состоянии: это оболочки, расплавленные либо частично (астеносфера), либо полностью (внешнее ядро).
Внешние оболочки Земли.
Внешними оболочками нашей планеты являются атмосфера и гидросфера. От земной коры, с которой они соприкасаются, они отличаются как по химическому составу, так и по агрегатному состоянию. Атмосфера – газовая оболочка, гидросфера – водная. Подробное изучение этих оболочек является предметом географических наук, а науками геологическими они рассматриваются в основном в той мере, в которой взаимодействуют с земной корой.
Системные оболочки в структуре Земли.
В связи с тем, что три названные геосферы (атмосфера, гидросфера и земная кора) находятся в непрерывном и сложном взаимодействии, в структуре нашей планеты выделяются оболочки особой категории – системные. Принцип их выделения совсем иной, чем при выделении геосфер. Это – динамические системы, в рамках которых осуществляется взаимодействие смежных геосфер. К их числу относятся биосфера и географическая оболочка.
Географическая оболочка охватывает всю поверхность Земли и выделяется как вся область взаимодействия между атмосферой, гидросферой и земной корой. В её рамках происходит постоянный обмен веществом и энергией между тремя названными геосферами. Уникальность географической оболочки нашей планеты (в сравнении со всеми остальными планетами Земной группы) в том, что только на Земле существует гидросфера и, следовательно, взаимодействуют сразу три оболочки, находящиеся в разном агрегатном состоянии. А это многократно усложняет и ускоряет ход природных процессов. В результате географическая оболочка Земли занимает особое положение как наиболее сложно устроенная и наиболее изменчивая оболочка планеты.
Биосфера может быть определена как часть географической оболочки, вещество которой постоянно вовлечено в процессы жизнедеятельности населяющих её живых организмов. В её состав входит не только вся совокупность самих живых организмов, но также практически весь объём гидросферы, верхняя часть литосферы и нижние слои атмосферы Земли. Это – не просто зона, в которой развита жизнь. Это – сложно организованная система, все компоненты которой связываются друг с другом процессами жизнедеятельности организмов, что многократно усложняет её структуру даже в сравнении с исходным состоянием географической оболочки. Биосфера возникает в рамках географической оболочки с появлением жизни и, в конечном счёте, преобразует её целиком, переводит в качественно новое состояние. При этом влияние биосферы распространяется далеко за её собственные рамки. Деятельность живых организмов целиком изменила на нашей планете весь состав атмосферы, и даже оказывает опосредованное влияние на формирование состава и структуры глубоких горизонтов земной коры. Поэтому выделение биосферы как системной оболочки имеет большое значение не только в географических, но и в геологических науках.