Структура нашей планеты неоднородна и состоит из различных геосфер, которые в основном повторяют общую форму планеты – сферу. В центре Земли имеется ядро (R ~ 3500 км). Ядро окружено мантией (толщина около 2900 км). Над мантией расположена земная кора (толщина колеблется от 5 до 80 км). По мере движения к центру Земли температура и давление повышаются. Наиболее тяжелые и плотные вещества находятся в ядре (tя=3500 °С).
Оболочка, состоящая из земной коры и части верхней мантии, называется литосферой (греч. «литос» – камень). Ее толщина от 50 км в океанической части до 200 км – в материковой.
Водная оболочка Земли называется гидросферой (водная геосфера). Большую часть гидросферы (96,5%) составляет соленая вода Мирового океана. Гидросфера состоит из трех частей: Мирового океана, воды суши и воды атмосферы, которые взаимосвязаны.
Далее идет атмосфера (воздушная геосфера). Это самая верхняя и наименее плотная из всех земных геосфер. Нижняя граница атмосферы – это поверхность Земли, верхняя условно проходит на высоте 3000 км (воздух не рассеивается в Космосе вследствие сил земного притяжения).
2.5. Строение атмосферы
Условно (по высоте) атмосфера подразделяется на три зоны.
Первая зона от поверхности земли – тропосфера. Толщина (высота) обычно принимается равной 10…12 км., но на экваторе она достигает 17 км, на полюсах 8…9 км. С увеличением высоты температура в атмосфере падает в среднем на 6…5 °С на 1 км. Тропосфера содержит почти весь пар атмосферы и около 80% объема всего воздуха атмосферы. Наличие большого количества паров в тропосфере, образующих кучевые и перистые облака, приводит к тому, что почти все инфракрасное излучение Земли экранируется тропосферой и поглощается ей.
Выше тропосферы расположена стратосфера, распространяющаяся на высоту 50…55 км (по некоторым данным до 80 км) и включающая в себя озоновый слой (20…25 км над уровнем моря). В ней почти полностью отсутствует водяной пар. До высоты 20…25 км температура стратосферы практически постоянна, на большей высоте она начинает увеличиваться вследствие поглощения ультрафиолетового излучения озоном.
Выше стратосферы расположена ионосфера, которая представляет собой ионизированные слои атмосферы. Она распространяется до высоты 500…5000 км. Причиной повышенной ионизации воздуха в ионосфере является разложение молекул атмосферных газов под действием ультрафиолетового (УФ), рентгеновского и космического излучении. Ионосфера обладает высокой электропроводностью, в ней протекают очень мощные электрические токи.
Вспышки на Солнце порождают мощные потоки плазмы в космическом пространстве. Потоки плазмы вместе с частицами космического пространства, достигающими магнитосферы Земли, захватываются магнитным полем Земли и наполняют радиационный пояс. В полярных областях эти частицы движутся вдоль силовых линий магнитного поля, проникают в атмосферу, бомбардируют молекулы воздуха, ионизируют их и возбуждают ударное свечение (полярные сияния). Ионосфера оказывает большое влияние на распространение радиоволн (рассеяние или поглощение).
Экзосфера – это внешняя часть атмосферы Земли (иначе говоря – сфера рассеивания), которая простирается до 2000…10000 км. Здесь происходят процессы диссипации газов, отрыв их составляющих, которые уносятся в космическое пространство.
Диссипация (от лат. dissipatio – рассеяние, разложение) – процесс разрушения, происходящий в результате уменьшения полной внутренней энергии (Екин + Епот) и перехода ее в другие формы энергии (например, в энергию хаотического теплового движения). Понятие «диссипация» нужно отличать от понятия «диссоциация» (от лат. dissociatio – разделение, разложение), т.е. распадения молекул на простые составляющие из-за приложения энергии (термической, электролитической и фотохимической) извне.
Образовавшиеся элементарные составляющие газов в экзосфере испытывают сильное воздействие «солнечного ветра», благодаря чему скорость их движения приближается ко второй космической скорости (11,2 км/с). Такая скорость позволяет им преодолеть поля тяготения Земли, вследствие чего газы рассеиваются в космическом пространстве.
Большая часть составляющих экзосферы приходится на водород, так как он является самым легким элементом и ему энергетически легче преодолеть земное притяжение. Водород образует корону вокруг Земли, которая заканчивается на высоте около 20 тыс. км.
Унос водорода из атмосферы Земли компенсируется дегазацией мантии Земли, поэтому его содержание в атмосфере практически не меняется.
Рассмотренные геосферы Земли находятся в тесном взаимодействии, они взаимосвязанны и воздействуют друг на друга.
2.6. Биосфера
Существует много различных гипотез происхождения жизни на Земле.
По В.И. Вернадскому жизнь появилась из Космоса (он считал, что она существовала вечно).
Наиболее популярная гипотеза – жизнь появилась из Океана.
Жизнь появилась из недр земной коры, где она поддерживалась благодаря глубинному теплу.
Жизнь появилась в лужице на самой суше.
Но как бы ни возникла жизнь на Земле, в любом случае она умножалась, усложнялась и совершенствовалась на поверхности планеты между двумя энергетическими источниками: недрами планеты и космическим пространством Солнечной системы.
Именно этот пласт живого, обволакивающий земной шар как еще одна его оболочка, и был назван в 1875 г. Э. Зюссом (1831–1914) биосферой (иногда его называют биостромой – в переводе «ковер жизни»). Слово «биосфера» образованно от греческих слов bios – жизнь и sphaira – шар.
Идея о влиянии жизни на природные процессы была впервые научно обоснована на рубеже ХХIV и XX вв. в трудах В.В. Докучаева, который указал на зависимость типа почв не только от климата, но и от совокупного влияния растительности и животных.
В 20-х годах XX вв. в трудах В.И. Вернадского было разработано представление о биосфере как о глобальной единой системе Земли, где весь основной ход геохимических и энергетических превращений определяется жизнью.
Ранее большинство процессов, меняющих в течение геологического времени лик нашей планеты, рассматривалось как чисто физические, химические или физико-химические процессы.
Биосферой (по В.И. Вернадскому) называется та область нашей планеты, в которой существует или когда-либо существовала жизнь и которая постоянно подвергается или подвергалась воздействию живых организмов. Биосфера непостоянна в размерах и имеет тенденцию к расширению.
Исходя из определения биосферы можно заключить, что ее возраст определяется временем возникновения жизни на Земле и составляет 3,4…4,5 млрд. лет.
Значение организмов обусловлено их повсеместным распространением, большим разнообразием, длительностью существования в истории Земли, избирательным характером биохимической деятельности и исключительно высокой химической активностью по сравнению с другими компонентами природы.
Всю совокупность организмов на планете В.И. Вернадский назвал живым веществом, рассматривая в качестве его основных характеристик суммарную массу, химический состав и энергию.
Косное вещество (по В.И. Вернадскому) – это совокупность тех веществ в биосфере, в образовании которых живые организмы не участвуют.
Биогенное вещество создается и перерабатывается жизнью, совокупностью живых организмов. Это источник чрезвычайно могучей потенциальной энергии (каменный уголь, битумы, известняки, нефть и т.п.). После образования биогенного вещества все живые организмы в нем малодеятельны.
Особой категорией является биокосное вещество. По В.И. Вернадскому оно создается в биосфере одновременно живыми организмами и косными процессами, представляя системы динамического равновесия тех и других. Организмы в биокосном веществе играют ведущую роль. Биокосное вещество планеты – это почвы, кора выветривания, все природные воды, свойства которых зависят от деятельности на Земле живого вещества.
Таким образом, биосфера – это та область Земли, которая охвачена влиянием живого вещества. С современных позиций биосферу рассматривают как наиболее крупную экосистему планеты, поддерживающую глобальный круговорот веществ.
Современная жизнь распространена в верхней части земной коры (литосфере), в нижних слоях воздушной оболочки Земли (атмосфере) и в водной оболочке Земли (гидросфере).
Пределы распространения биосферы обусловлены физическими условиями существования живых организмов.
В глубь Земли живые организмы проникают на небольшие расстояния. В литосфере жизнь ограничивается прежде всего температурой горных пород и подземных вод, которая постепенно возрастает и на глубине 1,5…5 км уже превышает 100 °С. Самая большая глубина, на которой в породах земной коры были обнаружены бактерии, составляет 4 км. В нефтяных месторождениях, находящихся на глубине 2…2,5 км, бактерии регистрируются в значительном количестве. В океане жизнь распространена и на более значительных глубинах и встречается даже на дне океанических впадин, находящихся в 10…11 км от поверхности, так как температура в них около 0 °С. Однако, по В.И. Вернадскому, нижнюю границу биосферы следует проводить еще глубже. Постепенно накапливающиеся в океане гигантские толщи осадочных пород, происхождение которых связано с деятельностью живых организмов, – это тоже части биосферы. В соответствии с динамическими процессами в земной коре осадочные породы постепенно вовлекаются в глубь нее, метаморфируясь под действием высокой температуры и давления. Метаморфические породы земной коры образуются из осадочных пород и в конечном счете также являются производными жизни.
Верхняя граница жизни в атмосфере определяется нарастанием высоты уровня ультрафиолетовой радиации. На высоте 25…27 км большую часть ультрафиолетового излучения Солнца поглощает находящийся здесь тонкий слой озона – озоновый экран. Все живое, поднимающееся выше защитного слоя озона, погибает. Выше этого слоя находиться часть стратосферы с давлением в четыре раза меньше атмосферного и постоянной температурой −60оС. Высота озонового экрана могла бы быть и большей, учитывалось во внимание явление анабиоза (скрытой жизни), заключающегося в том, что при снижении количества воды в организме с 80 до 10% и менее организмы способны оставаться живыми при температуре приблизительно −273 °С и давлении 102 Па (10−3 атм) в течение более 1 года. Известны случаи пребывания в таком состоянии животных и водорослей в течение более 100 лет, а семян – 800…1500 лет. Однако выход из-под защиты озонового слоя (экрана) приводит к гибели не только живых организмов, но и их зачатков, в том числе находящихся в анабиозной форме.