Внешние геосферы

Оболочки Земли имеют сферическое строение и называются геосферами. По составу и агрегатному состоянию их разделяют на внешние и внутренние. Масса внешних оболочек составляет значительно меньше 0,001 % массы Земли, однако значение их в геологической истории Земли чрезвычайно велико. Малые планеты и Луна, не имеющие внешних оболочек, в геологическом отношении мертвы. Напротив, Венера, имеющая мощную атмосферу, как и Земля, отличается активными геологическими процессами. Здесь уместно с гордостью напомнить, что атмосферу Венеры открыл М.В. Ломоносов. На XXVII сессии Международного Геологического конгресса в 1984 г. была впервые продемонстрирована «неземная» геологическая карта планеты Венера, выполненная советскими специалистами. Среди западных ученых родилось понятие «Русская планета» — справедливое признание нашего вклада в мировую науку.

К внешним геосферам относятся газовая атмосфера, жидкая гидросфера и оболочка (сфера) жизни — биосфера. Газы, вода и живые организмы насыщают все внешние оболочки и поверхность земной коры, поэтому абсолютно четкие границы между ними достаточно условны.

Атмосфера простирается от поверхности Земли до высоты 1300 км. Она состоит из азота, кислорода, углекислого газа, аргона, воды, твердой пыли, инертных газов. На долю первых четырех компонентов приходится до 99,99 % (сухой атмосферный воздух без воды). Атмосферные газы в совокупности составляют воздух. Воздух находится в постоянном движении и по вертикали, и по горизонтали (по поверхности геоида). Несмотря на постоянное перемешивание воздуха 80 % его массы концентрируется в самой нижней части мощностью 10—12 км от земной поверхности. Эта часть атмосферы называется тропосферой. Температура у Земли выше, с высотой она вначале быстро, а затем, замедляясь, падает в среднем на 6 °C на 1 км. Выше начинается переходной слой — тропопауза — слой минимальных постоянных температур. Эти нижние слои называют иногда плотными слоями атмосферы. Выше располагаются слои атмосферы, воздух которых чрезвычайно разряжен. Это стратосфера (до 55 км) и стратопауза. Часть стратосферы занимает озоновый слой. На полюсах мощность слоя сокращается, над экватором достигает своего максимума. Этот слой обладает сильными изолирующими свойствами от ультрафиолетового излучения Солнца, губительного для биосферы. Расположен слой в интервале высот от 20 до 30 км, имея среднюю мощность около 5 км.

От верхней границы тропопаузы до верхней границы стратосферы температура воздуха возрастает от -70 до 0°С. Слой максимально высоких температур называется стратопаузой. Насыщенная водой и углекислым газом тропосфера удерживает до 45 % солнечного тепла. Этот эффект называют тепловым. Часть тепла удерживается и озоновым слоем.

В верхней части атмосфера содержит сильно разряженные легкие ионизированные газы. Эту оболочку называют ионосфера. В этой части происходит рассеивание (диссипация) газов в космическое пространство, хотя на ионизированные электропроводящие газы, создающие электромагнитное поле, сильный удерживающий эффект оказывает магнитосфера.

Газовые оболочки Земли, помимо воды и газов, переносят огромное количество твердых частиц. Часть этого материала поднимается с земной поверхности восходящими воздушными потоками или выбрасывается в атмосферу при извержении вулканов — это литосферная пыль. Другая часть — биологическая пыль, поднимающаяся в воздух при ветровой эрозии почв, или вовлекающая в воздушные потоки мелкие остатки организмов, споры, пыльцу или простейшие, в том числе одноклеточные организмы. Кроме того, в воздухе находится огромное количество мельчайших метеоритов, которые из-за малой величины и массы не набирают космических скоростей и не сгорают при вхождении в атмосферу, — это космическая пыль.

Гидросфера — водная оболочка Земли. Верхняя ее граница определяется поверхностью водоемов. Однако поскольку большая часть воды сосредоточена в океанах (86,5 %), то этот уровень является определяющим. На континентальных равнинах он будет выше около 100—120 м, на плоскогорьях около 400 м. В горных районах еще выше. Вода атмосферы не включается в гидросферу, несмотря на то, что ее количество (около 13 тыс. км3) весьма значительно. Общая масса воды гидросферы составляет 1644*10в15 т (0,02 % массы Земли). Объем подземных вод — около 200 млн км3. Их нижняя граница определяет нижнюю границу гидросферы. Материковые льды консервируют более 20 млн км3 воды, что в 40 раз больше поверхностных вод континентов.

Все воды содержат в себе растворенные соли. В океанской воде 35 г на 1 л, т. е. 3,5 %. Из океана идет испарение дистиллированных вод, а приток с поверхности — минерализованных. Засоления не происходит потому, что соли постоянно осаждаются на дно бассейна. При этом важную роль играют организмы, концентрирующие соли даже в пресных водах, а после отмирания накапливающиеся на дне.

Биосфера охватывает те части внешних геосфер, где существует органическая жизнь: тропосферу, гидросферу и верхнюю часть литосферы. Большая часть — аэробные организмы, т. е. обитающие в среде, содержащей воздух (кислород), другая, меньшая часть — анаэробные организмы. Основу живых организмов составляют Н, О, С и N, а большое количество других важных элементов содержится в ничтожно малых количествах. Живые организмы на строительство клеток извлекают химические элементы из твердой среды воздуха, но основную часть, более 90 % — из растворов, потребляя при этом солнечную энергию. Этот процесс носит название фотосинтеза, при котором осуществляется поглощение углекислоты и воды с выделением свободного кислорода: CO2 + H2O —> CH2O + O2. Гигантскую эту работу выполняют зеленые клетки: хлорофилл («зеленый сфинкс»), по меткой характеристике К.А. Тимирязева, обосновавшего еще в 1903 г. космическую роль растений, показавшего единство и связь живой и неживой материи в процессе круговорота вещества и энергии в природе.

Биомасса живого вещества является концентратором гигантской массы углерода в виде углеводородных соединений и углекислоты. Меньшая часть углеводородов консервируется в осадочных породах, другая часть, большая, разлагаясь, поглощает кислород и освобождает углерод и другие элементы.

Разложение органического вещества и фотосинтез в первом приближении находятся в динамическом равновесии, хотя в истории Земли за счет вовлечения в оборот элементов неживой природы количество кислорода и углерода возросло значительно: за 2 млрд лет примерно в 1000 раз. За счет кислорода биосферы образовался озоновый слой, создавший комфортные условия для жизни на Земле. До его становления жизнь развивалась на глубинах от 10 до 100 м в морской среде, где слой воды защищал организмы от губительной ультрафиолетовой радиации Солнца.

Современная техногенная деятельность человека ведет к разрушению озонового слоя, в котором появляются так называемые озоновые дыры. Их разрушительная роль на биосферу еще мало изучена, но вызывает естественные опасения и требует детальных исследований.