Будова оболонок Землі – літосфери, атмосфери, гідросфери

Планета Земля – унікальне утворення у всесвіті

Космонавт Юрій Гагарін, що першим із людей побачив рідну планету з висоти космічної орбіти, не міг стримати свого захвату, вигукнувши: «Яка прекрасна наша Земля!» Окутана тонким блакитним серпанком атмосфери, як коштовний діамант, сяє вона на фоні чорного вакууму Космосу. Ось там, біля полюсу, видно білі крижані поля, ось за ілюмінатором космічного корабля пропливають вершини Гімалаїв, потім потяглись нескінченні океанічні простори, вкриті білими спіралями циклонів. Ось корабель перетнув межу дня і ночі — термінатор — і все вкрила оксамитова чорнота. Та за хвилину очі пілота призвичаїлись до темряви, і він бачить далеко внизу палахкотіння тропічної грози, а потім, як жар перегорілого багаття, скупчення вогнів великого міста. І знову корабель наближається до термінатора, спалахує райдужна смуга атмосфери, з-за Землі виринає кошлате сліпуче Сонце...

Перші люди, що побували в Космосі, розповідають про те особливе, ні з чим незрівнянне почуття, що виникає при спостереженні нашої Землі здаля. Ось що каже американський астронавт Джім Ірвінг, що побував на Місяці: «Глянувши вниз, я побачив свої сліди на місячному пилу, а ось коли задер голову вгору, то побачив Землю. Вона виявилась зовсім маленькою.

Коли відлітали від Землі, вона ставала все меншою: величиною з баскетбольний м'яч, потім — з бейсбольний, потім — як м'яч для гри в гольф... Вигляд рідної планети вразив нас. Вона була схожа на різдвяну іграшку, підвішену в Космосі. Така незахищена — здавалось, досить лише доторкнутись — і вона розсиплеться».

Земля -— унікальна планета Сонячної системи, й унікальність її полягає перш за все в тому, що на ній існує життя. Поки що ні на знімках інших планет, що передали наші космічні станції, ні в пробах місячного чи марсіанського грунту жодних ознак органічного життя не виявлено. Дуже вірогідно, що його там нема. На самій же Землі життя існує завдяки поєднанню кількох сприятливих астрономічних факторів. Серед них — це велика маса Землі (6-10²¹ т), достатня для утримання навколо себе захисного шару атмосфери, досить сильного магнітного поля, що захищає земних жителів від згубної дії космічної радіації, наявність великої кількості води, життєво необхідної для життя тощо. Чи не найбільш дивує й орбіта Землі. Американський вчений М. Харт підрахував, що якби відстань між Землею й Сонцем була лише на 5 % меншою, або на 1 % більшою, життя на ній було б неможливим — у першому разі на планеті було б надто жарко (як на Венері), в другому — надто холодно, й Земля постійно перебувала в умовах глобального льодовикового періоду (як Марс).

Наша Земля — дуже активна планета. Змінюються, хоч і повільно, обриси її материків і океанів, руйнуються, розсипаючись на порох, цілі гірські хребти, й натомість здіймаються нові, вивергаються вулкани, землетруси прокочуються через великі райони, міняється клімат. Безперервно змінюються важливі параметри навколишнього середовища — температура повітря й води, їхній хімічний склад, вологість грунтів і вміст у них життєво необхідних компонентів тощо. Безперервно оновлюється жива природа — тварини, рослини, мікроорганізми. Утворення живої речовини та її розклад — це дві сторони єдиного процесу, що має назву — біологічного кругообігу хімічних елементів. Розрізняють великий (біосферний) кругообіг і малі кругообіги різних рівнів (наприклад, кругообіг речовин в океані, озері чи лісі). Кругообіг хімічних елементів на Землі відбувається переважно за безпосередньої участі живих організмів. Вперше це було доведено В.І. Вернадським у вигляді закону міграції хімічних елементів: «Міграція хімічних елементів на земній поверхні та в біосфері в цілому здійснюється або за безпосередньої участі живої речовини (біогенна міграція), або в середовищі, геохімічні властивості якого (О₂, СО₂, Н₂О і т. д.) зумовлені живою речовиною — як тією, що в наш час складає біосферу, так і тією, що діяла на Землі протягом всієї геологічної історії».

З екологічної точки зору найважливішими є кругообіги таких речовин, як кисень, вуглекислий газ, вода, азот, сірка, фосфор, які є основними компонентами живої речовини. Жива речовина значно прискорила й змінила кругообіги в біосфері цих речовин.

Основним рушієм кругообігу речовин у біосфері є енергія Сонця, деяку (незначну) роль відіграє також внутрішня енергія Землі. В процесі кругообігу жива речовина поглинає енергію, в процесі ж її розпаду ця енергія повертається в навколишнє середовище. Живий організм є відкритою системою, його не можна відокремити від навколишнього середовища. Щоб зберегтися й розвиватися, організм повинен мати вищий рівень організації, ніж навколишнє середовище. Це досягається зниженням рівня його ентропії. В екології ентропією системи називають кількість в системі зв'язаної енергії, яка не може бути використана для будь-якої роботи. Набуваючи вищого рівня організації у порівнянні з навколишнім середовищем, організм знижує рівень своєї ентропії за рахунок підвищення рівня ентропії середовища.

Крім кругообігу хімічних елементів, у природі спостерігається й кругообіг енергії. Енергія Сонця, що засвоюється зеленими рослинами, частково консервується у вугіллі, торфі, нафті, а також витрачається на вивітрювання глибинних гірських порід, таких, як базальти, граніти тощо. В утворених внаслідок вивітрювання глинах запасається сонячна енергія, й, отже, знижується рівень ентропії. У подальшому за рахунок тектонічних опускань земної кори глини та інші пухкі осадкові породи потрапляють у глибокі зони Землі, де внаслідок високих тисків і температур із них вивільнюється запасена сонячна енергія, відбуваються процеси їх переплавлення й перетворення у вивержені породи, наприклад граніти, і цикл кругообігу енергії завершується.

Зелені рослини засвоюють від 0,1 до 1 % сонячної енергії, що доходить до них. Рослиноїдні тварини споживають лише 10 % акумульованої рослинами енергії, решта її розсіюється у вигляді тепла. В свою чергу хижаки засвоюють теж лише 10 % енергії, накопиченої травоїдними тваринами, тобто всього близько 0,001 % сонячної енергії, що падає на Землю. Схематично це явище можна зобразити у вигляді так званої піраміди енергії.

Крім кругообігу речовини та енергії, величезну роль в біосфері мають інформаційні зв'язки. Інформативні сигнали енергетичне дуже слабкі й самі не можуть викликати якоїсь відчутної реакції, але вони містять важливі відомості в закодованій формі. Ці сигнали сприймаються, розшифровуються (здебільшого автоматично) та враховуються живими організмами. Здатність сприймати, зберігати та передавати інформацію є і в неживих об'єктів, де ці процеси здійснюються шляхом загального енергоінформаційного обміну. Обробляти, накопичувати й використовувати інформацію окремо від енергії можуть лише живі організми.

Ефективність інформаційних зв'язків у біосфері вражає. Наприклад, самець метелика шовкопряда відчуває самку не відстані 2 км. Досліди й розрахунки показали, що така надзвичайно висока чутливість не може базуватися на хімічних сигналах, скажімо, на дії якихось пахучих речовин, що їх виділяє самка. Тут має місце передача електромагнітних сигналів, причому за типом, який «батько кібернетики» Н. Вінер назвав «тим, кого це стосується».

Загалом навколишнє середовище, в якому живе людина, складається з неживої і живої компоненти. До першої входять атмосфера, гідросфера й літосфера Землі, до другої — всі її живі мешканці (рослини, тварини й мікроорганізми).

Будова оболонок Землі – літосфери, атмосфери, гідросфери.

Літосфера — це зовнішня тверда оболонка Землі, що включає всю земну кору й частину верхньої мантії Землі й складається з осадкових, вивержених і метаморфічних порід. Екологічне значення літосфери величезне. По-перше, на її поверхні живе більшість рослинних і тваринних організмів, у тому числі й людина. По-друге, верхня тонка оболонка літосфери на материках — це грунти, що забезпечують умови життя для рослин і є основною умовою для отримання продуктів харчування людей. По-третє, літосфера є джерелом отримання корисних копалин — енергетичної сировини, руд металів, мінеральних добрив, будівельних матеріалів тощо. У межах літосфери періодично відбувались і відбуваються грізні екологічні процеси (виверження вулканів, землетруси, зсуви, селі, обвали, ерозія земної поверхні), які мають величезне значення для формування екологічних ситуацій в певних ділянках планети, а іноді призводять до глобальних екологічних катастроф.

Нижня межа літосфери нечітка й визначається за різким зменшенням в'язкості порід, збільшенням їхньої щільності й іншими геофізичними характеристиками. Товщина літосфери на континентах і під океанами різниться й становить відповідно 25—200 і 5—100 км. Найглибші шахти, пройдені людьми, сягають глибин 3—4 км, найглибша в світі свердловина (пройдена на Кольському півострові) досягла глибини 12 км. Про стан і будову більш глибоких зон літосфери нам відомо лише на основі побіжних методів, таких як сейсмо- та електророзвідка, гравіметрія тощо.

Повітряна оболонка Землі, її атмосфера є однією з найголовніших умов життя. Без їжі людина може прожити місяць, без води — тиждень, а без повітря не може прожити й двох хвилин. Атмосфера має величезне екологічне значення. Вона захищає живі організми від згубного впливу космічних випромінювань та ударів метеоритів, регулює сезонні й добові коливання температури, є носієм тепла й вологи. Якби на Землі не існувало атмосфери, то добові коливання температури на ній досягли б ±200 °С. Через атмосферу відбуваються фотосинтез та обмін енергії й інформації — основні процеси біосфери. Атмосфера спричиняє ряд складних екзогенних процесів (вивітрювання гірських порід, діяльність природних вод, мерзлоти, льодовиків тощо). Для деяких організмів (бактерії, літаючі комахи, птахи та ін.) атмосфера є основним середовищем життя.

Основними компонентами атмосфери є азот (78,084 %), кисень (20,946 %) і аргон (0,934 %), велике значення мають також малі домішки таких газів, як CO₂, метан тощо. Крім того, атмосфера містить пари води, вміст яких коливається від 0,2 % в приполярних районах до 3% поблизу екватора. Такий хімічний склад атмосфера мала не завжди. Первісна атмосфера Землі була схожа з атмосферами деяких інших планет Сонячної системи, наприклад Венери, й складалася майже повністю з вуглекислого газу з домішками метану, аміаку тощо. Нинішній киснево-азотний склад атмосфери є результатом життєдіяльності живих організмів. Життя, що існує на Землі, за мільярди років кардинально змінило склад її атмосфери.

Маса атмосфери колосальна — 5,15-10¹⁵ т (це приблизно одна мільйонна маси Землі). Проте атмосферне повітря можна вважати лише умовно невичерпним природним ресурсом. Справа в тому, що людині необхідне повітря певної якості, а під впливом її діяльності хімічний склад й фізичні властивості повітря дедалі погіршуються. На Землі вже практично не залишилося таких ділянок, де повітря зберігає свою первісну чистоту та якість, а в деяких промислових центрах стан атмосфери став уже просто загрозливим для здоров'я.

Принаймні в, 60 містах США багато десятків мільйонів людей дихають повітрям, яке не відповідає сучасним нормам і є шкідливим для.здоров'я. На кожного жителя (чоловіка, жінку, дитину) щорічно випадає близько тонни небезпечних для здоров'я речовин.

Атмосфера складається з таких шарів (знизу вгору): тропосфера (до висоти 18 км), стратосфера (до 50), мезосфера (до 80), термосфера (1000), екзосфера (1900), геокорона (умовно до 20000 км); далі атмосфера поступово переходить у міжпланетний космічний вакуум. Основна маса повітря (90 %) зосереджена в нижньому шарі — тропосфері. Тут же відбуваються найінтенсивніші теплові процеси, причому атмосфера нагрівається знизу, від поверхні океану та суші. Надзвичайно важливе екологічне значення для біосфери має ще озоносфера — шар стратосфери, збагачений триатомним киснем — озоном (О₃). Цей шар міститься на висотах 20—50 км і захищає все живе на Землі від згубної дії жорстокого ультрафіолетового випромінювання Сонця.

Крім газів, у складі атмосфери ще є домішки так званого аерозолю, тобто дуже дрібних краплинок рідин і твердих частинок як природного, так і штучного походження. Серед них є сірчані (краплинки Н₂S0₄), мінеральні (пил земної поверхні), вуглеводневі (сажа), морські (частинки морських солей) та ін.

За даними ЮНЕСКО, на Землі сьогодні промисловістю, енергетикою, транспортом поглинається стільки кисню, скільки вистачило б для життя більше 45 млрд людей.

Гідросфера, або водяна оболонка Землі,— це її моря й океани, крижані шапки приполярних районів, ріки, озера й підземні води. Запаси води на Землі величезні—1,46-10⁹ км³, тобто 0,025% усієї маси Землі. Проте абсолютна більшість цієї колосальної маси — це гірко-солона морська вода, непридатна для пиття та технологічного використання. Прісна вода на планеті становить лише 2 % від її загальної кількості, причому 85 % її зосереджено в льодовикових щитах Гренландії й Антарктиди, айсбергах і гірських льодовиках. Лише близько 1 % прісної води — це річки, прісноводні озера й деяка частина підземних вод; саме ці джерела й використовуються людством для своїх потреб.

Як свідчать космонавти, при погляді на Землю з висоти космічної орбіти око бачить в основному два кольори: білий колір хмар і льодових полярних шапок і блакитний колір Світового океану, що вкриває 71 % поверхні нашої планети; морська вода — найпоширеніша на Землі речовина.

Вода виконує дуже важливі екологічні функції:

1) це головна складова частина всіх живих організмів (тіло людини, наприклад, на 70 % складається з води, а деякі організми, такі, як медуза чи огірок, містять у собі від 98 до 99 % води);

2) основний механізм здійснення взаємозв'язків усіх процесів у екосистемах (обмін речовин, тепла, ріст біомаси);

3) головний агент-переносник глобальних біоенергетичних екологічних циклів;

4) води Світового океану є основним кліматоутворюючим фактором, основним акумулятором сонячної енергії і «кухнею» погоди для всієї планети;

5) один із найважливіших видів мінеральної сировини, головний природний ресурс споживання людства (людство використовує її в тисячу разів більше, ніж нафти чи вугілля).

Величезну роль відіграє гідросфера в формуванні поверхні Землі, її ландшафтів, у розвитку екзогенних процесів (вивітрювання гірських порід, ерозії, карсту тощо), в переносі хімічних речовин, забруднювачів довкілля.

Для багатьох організмів вода є середовищем їхнього життя. Хімічний склад морської води дуже схожий на склад людської крові — містить ті ж хімічні елементи й приблизно в тих же пропорціях. Це — один з доказів того, що предки людей, як і інших ссавців, колись жили в морі.

Солоність океанічних вод становить 35 ⁰/₀₀ (тобто в 1 л океанічної води міститься 35 г солей). Найсолоніша вода в Мертвому морі — 260⁰/₀₀ (людина вільно лежить на поверхні цієї води, не занурюючись в неї), у Чорному морі — 18 ⁰/₀₀, Азовському — 12 ⁰/₀₀.

Хімічний склад підземних вод дуже різноманітний. За мінералізацією вони змінюються від прісних, що використовуються для пиття й водопостачання, до мінералізованих і навіть до ропи з солоністю 600⁰/₀₀ ; деякі мінералізовані підземні води мають лікувальні властивості.

Основним джерелом водопостачання для людства є річковий стік. Перше місце за цим показником посідає Бразилія з її гігантською повноводою річкою Амазонкою. Річковий стік України складає в середньому 83,5 млрд м³, а в посушливі роки змен- шується до 48,8 млрд м³. Він розподіляється по території нашої держави нерівномірно: 70 % стоку припадає на Південно-Західний економічний район, де мешкає лише 40 % населення. А на Донецько-Придніпровський і Південний економічні райони, де живе 60 % населення й зосереджені найбільш водоємні галузі народного господарства, припадає лише ЗО % стоку. В зв'язку з цим у багатьох районах півдня України відчувається гострий дефіцит води, для ліквідації якого доводиться перекидати воду каналами, будувати водосховища тощо.

Головним постачальником води для України є Дніпро. Іншими річками, що забезпечують потреби у воді, є Дунай, Дністер, Південний Буг, Тиса, Прут та ін. Стан води й повноводдя цих водних артерій залежать головним чином від стану їх приток — малих річок, яких в Україні налічується близько 63 тис. Вони мають величезне значення — досить згадати, що 90 % населених пунктів республіки розташовані саме в долинах малих річок і користуються їхньою водою. А проте стан малих річок України викликає сьогодні велику тривогу. Понад 20 тис. їх вже зникло, пересохло. Це невідворотно веде до деградації великих річок, тому проблема їх збереження й оздоровлення — одна з найгостріших для нашої молодої держави.

Підземні води України мають не менше значення для забезпечення водою населення. Досить зазначити, що близько 70 % населення сіл і селищ міського типу задовольняє свої потреби в питній воді за рахунок ґрунтових вод (колодязі) чи глибших водоносних горизонтів (свердловини). Стан підземних вод України в цілому кращий, ніж поверхневого стоку, хоча місцями спостерігається забруднення їх стоками промислових підприємств, тваринницьких комплексів тощо. В деяких промислових районах (Донбас, Кривбас) розвиток шахт і кар'єрів негативно впливає на якість і запаси підземних вод. За рахунок багаторічної відкачки води з цих об'єктів їхній рівень дуже знизився, а з деяких водоносних горизонтів вода зникла зовсім.