Атмосфера Земли: газовый состав, плотностная и температурная неоднородность. Озоновый слой и его значение для живого на Земле. Радиационные пояса в атмосфере.

Атмосфера — воздушная оболочка Земли, изучением которой занимается специальная наука — метеорология. Атмосфера представляет собой механическую смесь газов. У поверхности Земли воздух состоит из азота (78,08 %), кислорода (20,95 %), аргона (0,93 %), углекислого газа (0,03 %); водород, неон, озон, гелий, криптон, ксенон, аммиак, перекись водорода, эманации радия вместе составляют 0,01 %. Кроме того, в атмосфере, особенно в нижних ее слоях, содержатся водяной пар, пыль и микроорганизмы.

В строении атмосферы выделяют три оболочки:

1. Тропосфера — самая нижняя оболочка атмосферы, непосредственно соприкасающаяся с земной поверхностью и представляющая наибольший интерес для геологии. Тропосфера отличается от других оболочек большей плотностью, постоянным наличием водяного пара, углекислоты и пыли, понижением температуры с высотой и существованием вертикальной и горизонтальной циркуляции воздуха. В верхней части тропосферы выделяют переходный к стратосфере слой, называемый субстратосферой. В тропосфере содержится около 80 % массы атмосферы.

2. Стратосфера начинается у верхней границы тропосферы (8-18 км от поверхности Земли) и достигает высоты 80 км Характерной чертой стратосферы является ее температурный режим. В нижних слоях стратосферы находится изотермическая зона — нижняя стратосфера, температура в которой постоянна и равна 45-50 °С ниже нуля у полюсов и 70-80 °С ниже нуля у экватора. В стратосфере содержится около 20 % массы атмосферы. Состав воздуха в стратосфере характеризуется повышенным содержанием (O₃), возникающим в результате диссоциации кислорода под действием ультрафиолетовых лучей. Особенно богатый озоном слой стратосферы на высоте 25-50 км называют озоносферой. Максимальное содержание озона составляет 0,000006 %. Несмотря на столь ничтожное количество, роль озона в атмосфере очень велика вследствие очень сильного поглощения озоном как солнечной радиации, так и земного излучения.

3. Ионосфера — внешняя область атмосферы от верхней границы стратосферы (80 км) до высоты 1000 км (условно). На ионосферу падает многообразное излучение Солнца и звезд, что вызывает диссоциацию молекул и их ионизацию. Под действием главным образом ультрафиолетового излучения Солнца атмосферные частицы в ионосфере превращаются в ионы. Ионосфера отличается весьма низкой плотностью, она содержит менее 0,5 % всей массы атмосферы. Температура в ионосфере за счет процессов ионизации повышается и на высоте 200 км достигает 600-700 °С, еще более увеличиваясь с высотой.

Радиационный пояс — область магнитосфер планет, в которой накапливаются и удерживаются проникшие в магнитосферу высокоэнергичные заряженные частицы (в основном протоны и электроны).

Гидросфера: подземная и надземная составляющие. Формы нахождения воды: жидкая, твердая и газообразная и их объемные соотношения между собой. Биосфера. Ноосфера – как оболочка активного проявления человеческой деятельности.

Гидросфера — прерывистая водная оболочка Земли, представляющая собой совокупность всех видов природных вод (океанов, морей, поверхностных вод суши, подземных вод и ледяных покровов).

Основная масса воды гидросферы сосредоточена в Мировом океане, 2-е место по объёму водных масс занимают подземные воды (воды литосферы), 3-е — лёд и снег арктических и антарктических областей. Солёные океанические воды составляют свыше 96 % массы гидросферы, вода ледников — около 2 %, подземные воды — примерно столько же, а поверхностные воды суши — 0,02 %. Гидросфера перекрывается с биосферой по всей своей толще, но наибольшая плотность живого вещества приходится на поверхностные прогреваемые и освещаемые Солнцем слои, а также прибрежные зоны.

Биосфера — оболочка Земли, заселённая живыми организмами, находящаяся под их воздействием и занятая продуктами их жизнедеятельности; «плёнка жизни»; глобальная экосистема Земли.

Ноосфера — это биосфера, разумно управляемая человеком. Ноосфера является высшей стадией развития биосферы, связанной с возникновением и становлением в ней цивилизованного общества, с периодом, когда разумная деятельность человека становится главным фактором развития на Земле.

Форма и размеры Земли. Особенности строения ее поверхности. Понятие о геоиде. Масса и плотность Земли. Основные сведения о земной коре, мантии и ядре. Состав и строение земной коры. Химический состав земной коры.

Форма Земли (геоид) близка к сплюснутому эллипсоиду. Средний радиус 6371,0 км. Объём (V) 10,8321·1011 км³. Площадь поверхности Земли 510,2 млн км2. Земная кора образует самую верхнюю твердую оболочку, которая по отношению к общему объему планеты представляет собой тонкую «скорлупу». Состав, строение и мощность коры континентов и океанов различны, что дало основание для выделения ее главных типов: континентального, океанического и двух переходных. Геоид - выпуклая замкнутая поверхность, совпадающая с поверхностью воды в морях и океанах в спокойном состоянии и перпендикулярная к направлению силы тяжести в любой ее точке. Масса (m) 5,9726·1024 кг, средняя плотность (ρ) 5,5153 г/см³. Мантия Земли является самой крупной геосферой — она составляет 83 % объема планеты и около 66 % ее массы. Граница между корой и мантией, обычно сейсмически достаточно четко выраженная скачком

скоростей продольных волн от 7,5-7,6 до 7,9-8,2 км/с, известна как поверхность Мохоровичича. В океанах эта граница несет следы сильных преобразований, и можно предположить, что вдоль нее происходят значительные подвижки и даже срывы коры относительно мантии. На континентах переход от коры к мантии носит более сложный характер, в ряде случаев обнаруживается не одна, а несколько границ, которые интерпретируются как «перескок» поверхности М

с одного уровня на другой вследствие фазовых превращений. Согласно современным научным представлениям, состав земной мантии считается похожим на состав каменных метеоритов, в частности хондритов. В состав мантии преимущественно входят химические элементы, находившиеся в твёрдом состоянии или в твёрдых химических соединениях во время формирования Земли: кремний, железо, кислород, магний и др. Эти элементы образуют с диоксидом кремния силикаты. В верхней мантии (субстрате), скорее всего, больше форстерита MgSiO4, глубже несколько увеличивается содержание фаялита Fe2SiO4. В нижней мантии под воздействием очень высокого давления эти минералы разложились на оксиды (SiO2, MgO, FeO).

Ядро Земли занимает около 17 % ее объема и составляет 34 % массы планеты. Такое соотношение долей объема и массы объясняется резкими различиями физических параметров ядра и мантии. На границе ядра и мантии, приуроченной к границе Вихерта — Гутенберга, отмечается резкое снижение скорости продольных волн от 13,7 до 8,1 км/с, затухание поперечных волн и скачкообразное увеличение плотности вещества с 5,5 до 10 г/см3. Поперечные сейсмические волны ниже этой границы не проходят. По данным сейсмотомографии, поверхность ядра является неровной и образует выступы и впадины с амплитудой до 5- 6 км. В строении ядра выделяют три элемента: внешнее ядро (слой Е), внутреннее ядро (слой G) и переходную оболочку (слой F).

Верхняя каменная оболочка Земли — земная кора — сложена различными по составу и происхождению горными породами. Любая горная порода представляет собой определенное сочетание минералов, являющихся, в свою очередь, химическими элементами или их природными соединениями. Главными элементами-строителями земной коры являются О, Si, Al, Fe, Са, Na, К, Mg, составляющие более 98 % ее веса. Ведущее место среди них принадлежит кислороду, на долю которого приходится почти половина массы земной коры и около 92 % ее объема. По преобладающим химическим элементам земную кору иногда называют оксисферой, а также сиалической оболочкой. Химический состав земной коры изменяется в течение геологического времени, причем эта эволюция продолжается по сей день. Основными причинами изменения химического состава являются:

• процессы радиоактивного распада, приводящие к самопроизвольному превращению одних химических элементов в другие, более устойчивые в условиях земной коры. Согласно расчетам В. И. Вернадского, в современную эпоху только за счет ядерных превращений ежегодно обновляют свой химический состав 10в-101Н т вещества земной коры;

• поступление метеорного вещества в виде метеоритов и космической пыли (16 тыс. т. ежегодно);

• продолжающиеся процессы дифференциации вещества Земли, приводящие к миграции химических элементов из одной гео­сферы в другую.

Понятие о минералах. Классификация минералов. Важнейшие породообразующие минералы. Главнейшие горные породы и их разделение по условиям образования: осадочные, магматические и метаморфические. Минералы и горные породы как полезные ископаемые.

Минералами называются природные химические соединения или отдельные элементы, однородные по составу и внутреннему строению, образующиеся в результате различных физико-химических процессов, происходящих в земной коре и на ее поверхности.

В настоящее время в земной коре установлено около 3000 минеральных видов, из которых только около 70 являются распространенными, входя в состав слагающих земную кору горных пород. Эти минералы называют породообразующими.

Классификация минералов

Породообразующие минералы выучитЬ!

Большое число известных в земной коре минералов имеет практическое значение. Минералы используются, во-первых, для извлечения из них цепных компонентов; такие минералы обычно называют рудными: галенит, халькопирит, сфалерит, магнетит, апатит и др. Во-вторых, они могут быть использованы непосредственно в виде минералов благодаря их полезным свойствам: асбест, мусковит, исландский шпат, драгоценные и поделочные камни. Наконец, многие минералы образуют горные породы, которые часто находят практическое применение.

Горными породами называются устойчивые парагенетические ассоциации минералов, образующиеся в результате различных геологических процессов и слагающие геологически самостоятельные тела в земной коре.

Главными считаются минералы, количественно преобладающие (более 5 % объема) в составе породы и определяющие ее принадлежность к определенному виду. Например, кварц, калиевый полевой шпат, кислые плагиоклазы и биотит являются главными минералами гранита, нефелин — нефелинового сиенита и т. д.

Магматические горные породы наиболее распространены в земной коре. По условиям образования магматические породы делятся на интрузивные (глубинные), сформировавшиеся при кристаллизации магмы на той или иной глубине, и эффузивные (излившиеся), возникающие при застывании лавы, излившейся на земную поверхность. По химическому составу, в качестве основного показателя которого берется содержание кремнезема (Si02), среди них выделяют: кислые, содержащие 78-64 % Si02, средние (64-53 % Si02), основные (53-42 % Si02) и ультраосновные (менее 44 % Si02).

Из интрузивных пород в земной коре наиболее распространены кислые, близкие по составу к гранитам, из эффузивных — основные (базальты).

Осадочные горные породы слагают только самую верхнюю оболочку земной коры — стратисферу. По условиям образования и особенностям состава среди осадочных пород выделяют три главные группы — обломочные, химико-органогенные и глинистые. Обломочные породы состоят в основном из продуктов механического разрушения ранее существовавших пород (обломков), которые могут быть сцементированы. По величине обломков они подразделяются

на грубообломочные (более 2 мм), среднеобломочные (2-0,1 мм) и мелкообломочные (0,1-0,01 мм). Химико-органогенные породы образованы продуктами химического разрушения ранее существовавших пород, а также продуктами жизнедеятельности живых организмов. По химическому и минеральному составу среди них выделяют: карбонатные, кремнистые, сульфатные, галоидные, фосфатные, железистые, углеродистые. Глинистые породы являются промежуточными по составу, включая в себя продукты как механического, так и химического разрушения исходных пород. Важнейшей их особенностью является необычайно тонкий гранулометрический состав (размер частиц менее 0,01 мм). Из всех осадочных пород глинистые пользуются наибольшим распространением в земной коре.

Метаморфические горные породы развиты в основном в пределах гранитно-метаморфической оболочки. По условиям образования, точнее по видам метаморфизма, их принято делить на породы регионального, контактового и динамо-

метаморфизма. В земной коре горные породы, как и минералы, образуют определенные сообщества друг с другом, называемые геологическими формациями. Формации могут выделяться в зависимости от происхождения

пород (магматические, осадочные, метаморфические), их петрографического состава (карбонатные, галогенные), преимущественного развития в различных структурных элементах земной коры (платформенные, подвижных поясов), а также по некоторым другим признакам.

Типы земной коры: континентальная, переходная, океаническая. Астеносфера, литосфера, тектоносфера. Представления об агрегатном состоянии масс внутри Земли и предполагаемом химическом составе геосфер.

Континентальная земная кора в районах равнин имеет мощность до 40 км, под горными сооружениями — 60-70 км, причем максимальные значения выявлены под Андами и Гималаями (до 75 км). Выделяют в строении континентальной коры две части: верхнюю — осадочную — и нижнюю, сложенную магматическими и метаморфическими породами.

Океанский тип земной коры отличается от континентального по мощности и составу. Мощность ее изменяется от 5 до 12 км (6-7 км в среднем). Верхний слой морских осадков характеризуется мощностью до 1 км (скорость распространения сейсмических волн менее 3 км/с). Ниже залегает второй слой мощностью от 1 до 3 км (4-4,5 км/с). Результаты глубоководного бурения свидетельствуют о том, что он состоит из базальтов. Третий слой, еще не достигнутый бурением, имеет мощность 3-5 км (6,3-6,4 (7) км/с). Пробы, говорят о том, что сложен он основными (габбро) и частично ультраосновными (пироксениты) породами.

Литосфера — твёрдая оболочка Земли. Состоит из земной коры и верхней части мантии, до астеносферы, где скорости сейсмических волн понижаются, свидетельствуя об изменении пластичности пород. В строении литосферы выделяют подвижные области (складчатые пояса) и относительно стабильные платформы. Блоки литосферы — литосферные плиты — двигаются по относительно пластичной астеносфере.

Астеносфера— слой в верхней мантии планеты (в частности, Земли). Более пластична, чем соседние слои. Это даёт возможность блокам литосферы (твёрдой оболочки планеты) двигаться по ней, а также обеспечивает изостатическое равновесие этих блоков. Астеносфера наблюдается как слой пониженной скорости сейсмических волн слой. На Земле кровля астеносферы лежит на глубинах 100–120 км под материками и 50–60 км под океанами.

Тектоносфера — это внешняя оболочка Земли, охватывающая земную кору и верхнюю мантию, основная область проявления тектонических и магматических процессов. Для тектоносферы характерна вертикальная и горизонтальная неоднородность физических свойств и состава слагающих её пород.