4.8.3.Земной шар и геосферы

О шаровидности Земли первыми сделали вывод пифагорейцы - спод-вижники и последователи великого Пифагора (V век до н. э.), а доказатель-ство этому первым нашёл Аристотель (IV век до н. э.), обратив внимание на то, что тень от Земли, падающая на полную Луну, имеет круглую форму, хотя во время затмений Земля бывает повёрнута к Луне разными сторонами.

Размеры земного шара довольно точно первым установил древнегре-ческий математик, астроном и географ Эратосфен Киренский (III век до н. э). Он жил в Египте, в Александрии.

Средний радиус земного шара равен примерно 6278 км (по современным измерениям - 6371 км).

Для решения геодезических и картографических задач в нашей стране и ряде других стран с 1946 года за математическую модель Земли принят так называемый эллипсоид относимости, или эллипсоид Красовского (по фамилии российского учёного, руководившего соответствующими изме-рительными работами). Эллипсоид как геометрическое тело представляет собой шар, сплюснутый (сжатый) у полюсов.

Экваториальный радиус Земли равен 6375,75 км, северный полярный ра-диус - 6355,39 км, южный полярный радиус - 6355,36 км.

Шарообразность Земли, расположение на ней основных масс твёрдого, жидкого и газообразного веществ, а также многие её физико-химические свойства позволили для удобства исследования выделить внутри Земли и вокруг неё ряд концентрических оболочек различной плотности и химического состава.

В настоящее время в направлении от периферии к центру Земли раз-личают магнитосферу, атмосферу, гидросферу, земную кору, мантию Зе-мли и её ядро. Нижнюю часть атмосферы (тропосферу) и верхнюю часть земной коры, населённые организмами, объединяют под названием би-осферы.

Земная кора, гидросфера, атмосфера, магнитосфера, а также биосфера описаны подробно. Что касается мантии и ядра, то они исследованы в настоящее время, по понятным причинам, недостаточно.

Атмосфера Земли. Атмосфера Земли представляет собой газовое образо-вание, которое окутывает нашу планету сплошной оболочкой. Верхняя граница атмосферы лежит на высоте более 2000 км. Граница эта выражена нечётко, так как с высотой газы разрежаются и переходят в мировое пространство постепенно.

Атмосфера сохраняет тепло солнечных лучей, защищает животный и растительный мир от вредного воздействия ультрафиолетовых солнечных и космических лучей. Космические частицы при прохождении через атмосферу рассеиваются, и лишь их ничтожная часть достигает поверхности Земли. Без атмосферы солнечные лучи раскаляли бы освещённую сторону Земли, на неосвещённой был бы ледяной холод, а наша планета была бы такой же безжизненной, как Луна.

Атмосфера Земли образована смесью газов, влаги и частиц пыли. Сухой воздух вблизи поверхности Земли содержит 78,09% азота, 20,95% кислорода, 0,93% аргона, 0,03% углекислого газа. На долю всех остальных газов вместе взятых приходится всего лишь 0,01%. К этим газам относятся водород, гелий, криптон, ксенон, радон, закиси азота, йод, водяной пар, озон, метан и другие.

Влага попадает в атмосферу вследствие испарений с поверхности Земли. Около 90% её сосредоточено в нижнем пятикилометровом слое.

Хотя атмосфера простирается вверх на многие сотни километров, ос-новная масса воздуха сосредоточена в довольно тонком слое. Половина массы атмосферы находится между уровнем моря и высотой 5-6 км Иначе говоря, плотность воздуха с высотой быстро уменьшается: на уровне моря она составляет 1,033 кг/куб.м, на высоте 12 км - 0,319 кг/куб.м, на высоте 40 км - всего 0,004 кг/куб.м.

Вследствие притяжения Земли частицы атмосферы оказывают на всё, что находится на поверхности Земли, соответствующее давление. В частности, тело взрослого человека испытывает давление в 12-15 тыс кг. Однако этого давления человек не ощущает: внешнее давление атмосферы уравно-вешивается внутренним давлением воздуха в теле человека. Жизнь на Земле приспособлена именно к этому давлению. Но при подъёме на большие высоты самочувствие человека ухудшается как из-за недостатка кислорода, так и из-за пониженного атмосферного давления.

В атмосфере выделяют несколько сфер с различными физическими свой-ствами. К числу этих сфер относятся: тропосфера, стратофера, мезосфера, термосфера (или ионосфера), экзосфера.

Тропосфера простирается от поверхности Земли до высоты 8-12 км в умеренных и высоких широтах и до 16-17 км- в тропической и экватори-альной зонах.

В тропосфере находится почти весь водяной пар. Поэтому только в тропосфере возникают облака и выпадают дожди, снег, крупа и град, наблюдаются грозы, ливни, метели, гололёд и т. д.

Характерная особенность тропосферы - понижение температуры в среднем на 6 ⁰С по Цельсию на каждый километр высоты.

Над тропосферой находится стратосфера. Её нижняя граница распо-ложена на высотах 8-17 км, а верхняя - 50-55 км. Выше стратосферы до высот порядка 80 км находится мезосфера. В ней температура с высотой падает и у верхней границы достигает -80 ⁰С. Здесь иногда (чаще летом) возникают тонкие облака. Так как при освещении Солнцем из-за горизонта эти облака блестят, их называют серебристыми.

Между высотами 80 км и 800 км располагается термосфера. На высоте около 100 км температура переходит через 0 ⁰С, в слое 150-200 км она доходит до 500 ⁰С, а на высотах 500-600 км превышает 1500 ⁰С. По данным, полученным с космических летальных аппаратов, в верхней термосфере температура достигает почти 2000⁰С и в течение суток значительно колеблется. Эти колебания достигают +100 ⁰С. В термосфере на температуру существенное влияние оказывает радиация Солнца.

В термосфере газы находятся большей частью в атомарном состоянии. Учитывая способность газов термосферы ионизироваться, её называют также ионосферой.

При большой концентрации ионов газы становятся электропроводными. Заряженные частицы солнечного излучения - корпускулы - под влиянием магнитного поля Земли отклоняются в сторону высоких широт. Войдя в атмосферу, корпускулы усиливают ионизацию газов настолько, что начинается свечение газов. Так возникают полярные сияния - красивые многокрасочные полосы, дуги, занавеси, загорающиеся в ночном небе, преимущественно в высоких широтах Земли.

Экзосфера - самая верхняя, сильно разреженная часть атмосферы. Предположительно температура газов в ней достигает 2000 ⁰С.

В конце 1950 годов внимание учёных привлёк к себе слой атмосферы, содержащий одну из модификаций кислорода – озон О₃. Этот газ имеет синий цвет и резкий запах. Он образуется из обычного кислорода при электрических разрядах (например, во время грозы) или под действием ультрафиолетового излучения (например, в стратосфере под действием ультрафиолетового излучения Солнца).

УФ излучение Солнца по-разному влияет на живые организмы. В диапазоне длин волн от 0,4 до 0,32 мкм его негативное влияние на живые организмы незначительно. УФ излучение с длиной волны в диапазоне 0,32-0,28 мкм вызывает загар и оказывает тонизирующее действие на организм человека при малых дозах облучения; ожоги и разрушение нуклеиновых кислот – при больших дозах. УФ излучение < 0,28 мкм обладает сильным бактерицидным воздействием и может привести к злокачественным новообразованиям на участках кожи человека, заболеваниям глаз и ослаблению иммунной системы. Такое УФ излучение нарушает фотосинтез растений, поражает планктон, губительно влияет на животных.

Разрушение молекул кислорода О₂ фотонами УФ излучения сопровож-дается образованием атомарного кислорода О, который, взаимодействуя с О₂, образует О₃:

О₂ → 2 О^•

О₂ + О^• →О₃

Одновременно с образованием озона идёт его непрерывное разрушение как под действием фотонов УФ и видимого излучения Солнца, так и по реакции

О₃ + О^• → 2О₂

Большая часть озона, находящегося в атмосфере, расположена на высотах от 10 км до 50 км с максимумом концентрации на высотах 20-25 км.

Наиболее устойчив озоновый слой в зоне тропиков, где Солнце обеспечивает постоянное и интенсивное УФ излучение, а наименее устойчив - у полюсов.

Молекулы О₃ интенсивно поглощают УФ излучение Солнца в диапазоне длин волн около 0,25 мкм, слабо при 0,4 мкм и вновь интенсивно при 0,6 мкм. Поэтому озоновый слой можно рассматривать как защитный экран для живых организмов на Земле от потоков УФ излучения Солнца. Наибольший защит-ный эффект достигается в диапазоне длин волн менее 0,32 мкм.

Таким образом, озоносфера практически полностью принимает на себя, то есть поглощает, опасное для всего живого жёсткое ультрафиолетовое излучение Солнца. Благодаря этому слою оно не доходит до поверхности Земли, и поэтому на нашей планете вот уже сотни миллионов лет существуют условия, благоприятные для развития жизни.

Было установлено, что местами озоновый слой уменьшается и его толщина приближается к предельной величине, при которой защитные функции озоносферы могут перестать выполняться. В научный обиход были введены такие термины, как озоновые “дыры” и мини-”дыры”.

Например, озоновая “дыра”, сравнимая по своим размерам с территорией США, возникла над Антарктидой в 1980-х годах.

Имеются две гипотезы истощения озонового слоя Земли. Первая связывает убыль озона в атмосфере с естественными процессами, вторая - с антропогенным воздействием на земную атмосферу.

Гипотеза естественного разрушения озона основывается на том, что динамические процессы, существующие в атмосфере, вызывают перера-спределение озона: восходящие потоки воздуха вытесняют озон из нижних слоёв вверх, а затем горизонтальными меридиональными движениями он распространяется по всей атмосфере. При этом над районами с интеенсивными восходящими движениями общее содержание озона заметно падает.

Гипотеза антропогенного разрушения озонового слоя базируется на химическом воздействии на него.

В 1971 году профессор Г. Джонстон (США) прогнозировал существенное поступление оксидов азота в озоновый слой от двигателей сверхзвуковых самолётов. При значительном числе полётов (около 500 полётов в сутки) выбросы оксидов азота NO и NO₂ из двигателей самолётов могли бы ускорить разрушение озона и существенно снизить его концентрацию. Исследования показали, что воздействие выбросов высотной авиации, даже при 500 полетах в сутки в течение 4-6 часов, на озоновый слой будут незначительными, а уменьшение содержания озона составит лишь доли процента.

Однако ещё до завершения исследовательской программы, в 1974 году, химики М. Молина и Ф. Роуленд (США) указали на иной путь разрушительного воздействия на озоновый слой – поступление в него газов – фреонов, содержащих галогены (хлор, фтор, бром и йод). Производство и использование этих газов в период с 1956 по 1975 год резко возросло (фреона-11 – в 5 раз, фреона-12 – в 20 раз) и, соответственно, увеличился их выброс в атмосферу.

В тропосфере фреоны, переходящие из жидкого состояния в газообразное при комнатной температуре, практически инертны. Однако, попадая в озоновый слой, они разлагаются под действием фотонов УФ излучения Солнца с длиной волны менее 0,25 мкм.. При разложении фреонов (фреон-11 – CFCl₃, фреон-12 – CF₂Cl₂) и других газов, например, четырёххлористого углерода – CCl₄, выделяются радикалы Cl• и СlO•, которые разрушают озоновый слой. Реакции разрушения озона в этом случае имеют вид:

О₃ + Cl• = ClО,

О + ClО = Cl• + О₂.

Эти реакции реализуются не только в озоновом слое, но и в тропосфере. Они носят цепной характер, приводя к разрушению 10 молекул озона одной молекулой NО_x и к разрушению 100000 молекул озона при воздействии хлора или его соединений.

Источниками поступления фреонов в атмосферу являются технологии, основанные на их применении (обезжиривание, получение пористых сред и т. п.); свалки холодильников, кондиционеров, автомобилей; применение баллончиков для распыления различных веществ.

Значительные массы озоноразрушающих веществ в озоновый слой поступают с выхлопными газами ракет, работающих на твёрдом топливе. Так при работе I ступени ракетной системы корабля «Шаттл» в атмосферу выбрасывается около 187 тонн соединений хлора и около 7 тонн соединений азота, что может привести к разрушению 10 миллионов тонн озона (0,3% от общего запаса озона в атмосфере).

Защита озонового слоя. В 1978 году США и Скандинавские страны под давлением общественности запретили использование фреонов в аэрозольных баллонах.

Весной 1985 года была принята Венская конвенция об охране озонового слоя, а в 1987 г. Монреальский Протокол к Конвенции, в которых провозгла-шалась общая цель: сохранение озонового слоя и консультации по пред-отвращению действий, наносящих ему ущерб. Страны, подписавшие Протокол, обязались в 2000 году полностью прекратить производство фреонов. Лондонский Протокол ввёл также ограничения на производство и использование таких газов, как метилхлороформ CH₃CCl₃ и CCl₄.

В России продолжают выпускать фреоны 111, 112 и 113 на 7 предприя-тиях, в том числе в Кирово-Чепецке, на Пермском и Алтайском комбинатах. В США выпуск таких фреонов прекращён.

Современное состояние озонового слоя. В настоящее время ограничения Монреальского и Лондонского Протоколов вступили в полную силу, воздействие фреонов на озоновый слой должно было резко уменьшиться, однако общая оценка техногенного влияния на озоновый слой показывает, что в ближайшие годы будет продолжаться его непрерывное истощение:

Год 1973 2000 2050

Потери концентрации

озона в атмосфере, % 0,5-1 3-4 10

Новая теория образования «озоновых дыр». Фреоновая гипотеза разрушения озонового слоя в настоящее время является доминирующей. Однако с ней согласны далеко не все учёные. Так, в МГУ создана новая теорию естественного происхождения «озоновых дыр» Суть теории состоит в следующем: в ядре Земли растворено огромное количество водорода, который непрерывно поступает в атмосферу. Взаимодействуя с озоном, водород разрушает его и образует зоны пониженного содержания озона, вплоть до «озоновых дыр» По мнению авторов теории, на состояние озонового слоя оказывают влияние также метан и соединения азота, прорывающиеся, как и водород, из недр Земли через рифтовые разломы. Особенно активны рифты Южного полушария, мощные выбросы глубинных газов характерны и для других рифтовых систем (Исландия, Восточная Африка, Красное море и другие регионы). В России наиболее опасный регион – Прикаспийский. Если эта теория верна, то выходит, что техногенные фреоны малоопасны для озонового слоя, а затраты на перевооружение производства, создание новой техники и заменителей фреонов – бессмысленны. Разрабатывать программы борьбы с естественными выбросами газов абсурдно. В этом случае нужно совершенствовать мониторинг атмосферы и принимать адекватные защитные меры.

Гидросфера Земли. Гидросфера - водная оболочка Земли, - в отличие от литосферы и атмосферы, покрывает земной шар лишь на 70% его поверхности. К гидросфере относятся Мировой океан воды и суши: реки, озёра, подземные воды, горные и покровные ледники. Все они связаны между собой в планетарном процессе круговорота воды, газов и минеральных солей.

Самое большое скопление воды на поверхности Земли - это Мировой океан. Возраст Мирового океана – приблизительно 80 млн лет.

По сравнению с площадью материков площадь Мирового океана огромна. Один только Тихий океан больше площади всей суши. В Северном полушарии Земли водой занято около 60% его поверхности, в Южном - 80%. Площадь окраинных и средиземных морей составляет около 10% пплощади всего Мирового океана. Общий объём воды в океанских бассейнах – 1370 миллионов куб. км.

В Мировом океане зародилась жизнь. В частности, растительность, возникающая в нём, обогатила атмосферу кислородом и сделала её пригодной для жизни животных. Деятельность растительных организмов, произрастающих в океане и разлагающих воду на водород и кислород, и поныне остаётся главным источником свободного кислорода для атмосферы.

Морские животные и растения обладают удивительной способностью: они накапливают в своих организмах взятые из воды медь, цинк, ванадий, железо и другие элементы. Это приводит к тому, что их концентрация в тканях организмов в сотни и тысячи раз выше, чем в морской воде. Некоторые соли и многие рассеянные и редкие химические элементы при отмирании организмов выпадают из круговорота, опускаются на дно и образуют там мощные слои донных осадков. При этом они частично переходят в состав минеральных соединений. Таким образом, донные осадки представляют собой в основном илы, образованные известковыми и кремнистыми остатками организмов - их скелетами и раковинами. В океанах сосредоточено около 5^. 10¹⁶ т минеральных веществ. Если извлечь все эти соли и равномерно распределить их на континентах, то толщина такого слоя составит более 150-200 м. В 1 км³ морской воды содержится 28^. 10⁶ т поваренной соли, более миллиона тонн магния, 300 т брома, 79 т меди, 11 т урана, 30 кг золота, 300 кг серебра и т.д.

Мировой океан является также и аккумулятором тепла. Около 95% его вод имеют среднюю температуру 3,8 градуса по Цельсию. Эта тем-пература в современных климатических условиях остаётся практически неизменной.

В целом гидросфера Земли представляет собой уникальное образова-ние. Ничего подобного пока что не обнаружено ни на какой другой планете. Именно благодаря гидросфере на Земле присутствует живое существо, и вполне возможно, что именно наличие гидросферы является основной причиной его возникновения.

4.8.4. Строение Земли.

Считается, что ядро Земли представляет собой централь-ную геосферу, обладающую, как и все геосферы, специфическими характеристиками и имеющую средний радиус порядка 3500 километров.

Внутри земного шара различают следующие зоны, обладающие специфическими свойствами: земная кора, верхняя и нижняя мантия, внешняя и внутренняя части ядра. Земная кора и верхняя (твёрдая) часть верхней мантии составляют так называемую литосферу.